книги из ГПНТБ / Биметаллические трубы

41

усилий раздачи толстостенных труб из стали 10 по формулам 1 показывают, что расчетные данные не согласуются с эксперименталь­ ными: при S J D n = 0,13 и а = 6° для труб размером 81 X 11 мм уси­ лие раздачи примерно в 1,5 раза меньше фактического, а при S n/Dn = = 0,164 и а = 6° для труб размером 275 X 45 мм — больше в 5,6 раза. Это свидетельствует о том, что при раздаче толстостенных труб влия­ ние параметров процесса более сложно.

Ввиду изложенного рекомендуем при расчетах усилий раздачи для толстостенных труб пользоваться экспериментальными данными, приведенными выше. Для труб при S J D n ^ 0,1 в случае определе­ ния усилий раздачи можно пользоваться формулами В. И. Стри- ж ака*. /

Для раздачи со сжатием и с растяжением усилие раздачи соот­ ветственно равно:

где FK— площадь поперечного сечения трубы после раздачи, мм2;

= ßoy (I т+ 1

)(1 + t g « ) ( l + / ) ] / " (

. I dK ) ^

+0,8 ( i + - f L) ( i + tg o t) ( i + o ] / ( i — 4=-) t g a

Здесь dn и dK— средние диаметры трубы до и после раздачи, мм;

Скалиброванные трубы обрабатывают в щелочном расплаве при температуре 400—450° С или нагревают в печах до 500—700° С и подвергают обычному травлению и осветлению с целью удаления смазки, загрязнений и окислов. Затем производится очистка контакт­ ной поверхности проволочными щетками на бесцентровоили внутришлифовальных станках до металлического блеска (полного уда­ ления продуктов травления). После этого проводится химическая подготовка контактных поверхностей.

42

ПОДГОТОВКА КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Качественная подготовка контактных поверхностей заготовок — одно из основных условий обеспечения прочной связи слоев биметал­ лических труб при изготовлении их любым способом. Наличие на контактных поверхностях загрязнений — масляных и жировых пленок, окислов, адсорбированных паров и газов, пыли и пр., по­ являющихся на исходных трубах при их подготовке к сочленению путем механической и химической обработки,— препятствуют сварке металлов. Кроме загрязнений поверхности в исходных трубах могут быть включения, которые, как правило, находятся в затянутых рисках и задирах на глубине 0,2—0,5 мм от контактной поверхности и выходят наружу в процессе обработки. Наиболее вредными яв­ ляются масляные и жировые включения.

Отрицательно сказываются на качестве сварки слоев остатки щелочей и воды на контактной поверхности. В случае сочленения труб путем холодной деформации жидкие пленки растекаются по поверхности. При последующем нагреве заготовки происходит возгонка веществ, входящих в состав жировой, щелочной или водяной пленки с интенсивным выделением газов и паров, окисляющих кон­ тактную поверхность, вследствие чего сварки металлов практически не происходит.

Адсорбированные пленки, образующиеся в результате взаимодей­ ствия окружающей среды с поверхностью металла, также снижают

ееактивность, но в меньшей степени, чем жировые пленки и окислы. При значительном скоплении газообразующих веществ на кон­

тактной поверхности в процессе нагрева заготовок создается давление газов, иногда достаточное для пластической деформации менее проч­ ного слоя, что обусловливает образование пузырей. '

В результате грубой механической обработки контактные поверх­ ности получаются с неровностями, так называемыми гребешками, вследствие чего нельзя получить качественной сварки.

В отечественной и зарубежной практике контактные поверхности монометаллических труб перед сочленением подвергают либо чисто­ вой механической обработке, либо химической или сочетают оба вида обработок.

Для изучения влияния способов подготовки контактных поверх­ ностей монометаллических исходных труб на прочность сварки слоев биметаллических труб были проведены специальные исследования. С этой целью под прессование были подготовлены двухслойные за­ готовки сталь 10 + сталь 0Х18Н10Т, сталь 10 + бронза БрОФ 7-0,2 и сталь 10 + бронза БрАЖ 9-4. Исходные трубы одной партии под­ вергали только механической обработке с получением различной чистоты поверхности: 3-го класса (черновая обработка), 6-го класса (получистовая обработка), 8-го класса (шлифовка), 12-го класса (полировка). Трубы другой партии подвергали механической об­ работке с получением чистоты поверхности 4-го класса и последу­ ющей химической обработке. В целях соблюдения чистоты механи­ ческая обработка исходных труб осуществлялась без охлаждения

43

резца. Нанесения масла И жира на контактную поверхность не до­ пускалось.

После механической обработки трубы первой партии и часть труб второй немедленно сочленяли в двухслойные заготовки с плотным прилеганием контактных поверхностей. Остальные трубы второй партии дополнительно подвергали химической обработке (обезжири­ вание, травление, омеднение, промывка и сушка). Полученные за­ готовки выпрессовывали в биметаллические трубы.

Анализ результатов испытания на полученных биметаллических трубах показал следующее.

Повышение чистоты механической обработки от 3-го до 8-го класса способствует увеличению напряжений среза на 20—30% для всех видов сочетаний металлов, т. е. улучшает качество биметал­ лических труб. Дальнейшее повышение чистоты обработки не влияет на качество труб.

При черновой обработке (3-й класс чистоты) на контактных по­ верхностях сохраняются значительные неровности, препятствующие сплошному контакту поверхностей. На этих участках возможны воздушные прослойки. При получистовой обработке неровностей получается значительно меньше, что улучшает контакт поверхностей, а соответственно повышает прочность сварки между слоями. Шли­ фовка и полировка поверхностей обеспечивает полный контакт и соответственно высокую прочность сварки слоев — напряжение среза 280—450 МН/м2 (28—45 кгс/мм2).

При анализе результатов испытаний труб второй партии выясни­ лось, что при механической обработке контактных поверхностей с чистотой обработки 4-го класса процесс прессования обеспечивает прочность сварки слоев на срез для биметаллических труб следу­ ющую: сталь 10 + сталь 0Х18Н10Т примерно 350 МН/м2 (35 кгс/мм2), сталь 10 + бронза 150— 170 МН/м2 (15-—17 кгс/мм2); при сочетании же механической и химической обработки соответственно 450 МН/м2 (45 кгс/мм2) и 270—280 МН/м2 (27—28 кгс/мм2).

Таким образом, сочетание механической обработки до чистоты 4-го класса с химической обработкой обеспечивает такую же проч­ ность сварки слоев в прессованных биметаллических трубах, как и при механической обработке с чистотой 8— 12-го классов. Учитывая, что получение чистоты обработки выше 6-го класса связано с опре­ деленными трудностями и значительными затратами, преимущества применения механической и химической подготовки контактных поверхностей очевидны. Такой вид обработки значительно ускоряет, упрощает и удешевляет процесс.

Аналогичные исследования были проведены и при производстве биметаллических труб из стали Х18Н10Т + медь МЗр с использова­ нием энергии взрыва (табл. 10).

В качестве в. в. использован аммонит В-3 с плотностью 0,9 г/см3. Зазор между пластинами равнялся 5 мм, способ ориентации пла­ стин — параллельный. Скорость детонации составила 3800 м/с, скорость метания меди 640 м/с, давление в процессе соударения пластин 1,25 ДО5 ат.

44

Анализ полученных данных показывает, что прочность сварки слоев почти не зависит от чистоты механической обработки поверх­ ностей исходных труб, так как из-за большой пластической дефор­ мации происходит оплавление и перемешивание контактирующих слоев свариваемых металлов. Окисные плены не препятствуют сварке слоев, хотя и снижают ее прочность. Они или выносятся из зоны соударения (эффект кумуляции), или растворяются в расплавленном металле. Загрязнения снижают прочность сварного соединения, но они также частично выносятся из зоны соударения, что нейтрали­ зует их вредное действие. Лучшие результаты получаются, как и в случае прессования, при химической подготовке контактных по­ верхностей.

Таким образом, сочетание химического и механического способов подготовки контактных поверхностей исходных труб можно рекомен­ довать как основной при производстве биметалла.

За рубежом, например в Чехословакии, при изготовлении биме­ таллических труб сталь + медь предусмотрена механическая обра­ ботка исходных стальных труб в два этапа — черновая и чистовая. Первая выполняется заблаговременно, вторая — непосредственно перед сочленением с медной трубой. Расточку проводят без охлажде­ ния инструмента, во избежание загрязнения контактной поверх­ ности. Точность изготовления труб по внутреннему диаметру равна +0,5—0 мм.

Для изготовления внутреннего слоя используют холоднотянутые медные трубы, наружную поверхность которых также обрабатывают на токарном станке. Максимальная толщина снимаемой стружки 0,5 мм. Контактные поверхности медных труб перед сочленением промывают бензином или трихлорэтаном.

45

Для промышленного производства биметаллических труб такая технология подготовки исходных труб не экономична и не может быть рекомендована.

Достоинством способа подготовки контактных поверхностей труб химической обработкой является возможность его осуществления в автоматических поточных линиях, особенно при относительно коротких заготовках.

При значительной длине исходных труб (3—6 м), используемых

впроизводстве биметаллических труб способами термодиффузионной обработки, горячего волочения и прокатки на пилигримовых уста­ новках, химическую обработку их необходимо выполнять пакетами

вваннах. Отличительной чертой этих способов является также то, что, как правило, механическую обработку (крацовку) контактных поверхностей предварительно обезжиренных или травленых труб

делают металлическими щетками: наружной — на бесцентровошли­ фовальных станках, внутренней — на внутришлифовальных.

При промышленном производстве биметаллических труб необ­ ходимо устанавливать две поточные линии, чтобы химическая под­ готовка контактных поверхностей исходных труб из обоих металлов велась параллельно. Поточные линии должны состоять из однотип­ ных ванн, в которых последовательно ведут обезжиривание в щелоч­ ных растворах, промывку, травление, промывку, омеднение сталь­

Перемещение труб в поточной линии должно осуществляться авто­ матически в заданном ритме, следовательно, необходимо, чтобы время нахождения труб в каждой ванне было одинаковым. Так как продол­ жительность некоторых операций, например обезжиривания, до­ вольно значительна, для выполнения их в потоке без нарушения темпа требуется установка нескольких ванн, с тем чтобы обеспечить режим обработки труб в данном растворе и сократить цикл химиче­ ской обработки. Кроме того, такое решение позволяет улучшить ка­ чество подготовки поверхностей труб путем последовательного обез­ жиривания их в ваннах с более чистым раствором.

Травление труб следует вести в кислотных растворах. Составы растворов и режимы травления для конкретных металлов достаточно полно освещены в литературе [7, 10] и др.

Омеднение труб, особенно из углеродистой и легированных сталей, является обязательным при производстве биметаллических труб прак­ тически из любых сочетаний металлов. Нанесение плотного тонкого медного слоя осуществляется контактным способом. Медный слой является защитным покрытием от атмосферной коррозии и подслоем, благоприятствующим сварке металлов, особенно в случаях большого сродства к свариваемому металлу (меди, латуни, бронзе). Одновре­ менно медное покрытие является показателем качества подготовки контактных поверхностей труб, на которые оно наносится, так как на загрязненную, в особенности необезжиренную поверхность, медь не осаждается или не имеет с ней прочной связи.

46

Перед омеднением стальные трубы необходимо подвергать обез­ жириванию, травлению и активированию. Операции активирования и омеднения можно совместить. При раздельном осуществлении операций активирование проводят в отдельной ванне, а затем в те­ чение 1—2 мин в другой ванне ведут омеднейие в сернокислом рас­ творе медного купороса; при совместном — активирование и омедне­ ние достигаются путем подбора соответствующего раствора.

Установлено, что успешное протекание этих процессов обеспечи­ вается при обработке углеродистых и легированных сталей в 10%- ной соляной кислоте, содержащей 20—40 г/л медного купороса и 1,5—2 г/л присадки ОП-7 при температуре 20—40° С. На стальных трубах за 1—3 мин осаждается тонкий, сплошной, прочно сцеплен­ ный с поверхностью мелкокристаллический слой меди светло-розо­ вого цвета. В этом растворе может осуществляться также активи­ рование медных и бронзовых труб. Так, при активировании меди за 30—60 с поверхность становится светлой и блестящей. Активирова­ ние и осветление медных и бронзовых труб можно осуществлять также в растворе, содержащем серную кислоту и хромовый ангидрид (по 7% каждого). Процесс совершается при комнатной температуре, продолжительность его 1,5 мин. После промывки и сушки трубы длительное время сохраняют чистую неокисленную поверхность.

Трубы с подготовленной контактной поверхностью во избежание загрязнения должны быть в возможно короткий промежуток времени собраны попарно и загерметизированы.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДВУХСЛОЙНЫХ

И БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК

Прочность сварки слоев в биметаллических трубах зависит от многих факторов, в том числе от способа изготовления двухслойных заготовок. Как уже отмечалось, существует несколько способов.

Влияние на качество сварки способов сочленения двухслойных заготовок экспериментально проверяли при прессовании биметал­ лических труб сталь 10 (наружный слой) + сталь 0Х18Н10Т (вну­ тренний слой) размером 73x7,5 мм. Исходные трубы для обоих слоев изготовляли из сплошных заготовок путем механической обработки с чистотой поверхности 4—5-го класса. Варианты сочленения при­ ведены в табл. 11.

В вариантах 1—6 контактная поверхность труб имела цилиндри­ ческую форму, в варианте 7 — коническую, с разницей диаметров 2 мм на длине 350 мм (рис. 5). Конические трубы сначала сочленяли путем свободного введения одного конуса в другой примерно на 2/3 длины, а затем запрессовыванием на прессе с усилием 2000—3000 кН (200—300 тс).

Перед сборкой контактные поверхности труб из стали 10 обезжи­ ривали, травили, омедняли, а из стали 0Х18Н10Т обезжиривали

47

48

и травили. Торцы двухслойных заготовок, собранных с зазором и без зазоров (после раздачи), заваривали аргоно-дуговой сваркой.

Нагрев заготовок осуществляли до 1170— 1180° С в камерной электрической печи сопротивления в среде аргона в течение 90— ПО мин.

Трубы прессовали на горизонтальном гидравлическом прессе усилием 16 МН (1600 тс) из контейнера диаметром 155 мм с коэффи­ циентом вытяжки 10,3. В качестве смазки на наружную поверхность наносили датолит, на внутреннюю — стекло № 111. На матрицу (диаметром 74 мм) устанавливали шайбу из смеси чешуйчатого гра­

фита и стекла № 116. Диаметр иглы 59 мм. Скорость прессования 250—350 мм/с.

Толщина нержавеющего слоя в трубах по вариантам 1—6 была равна 2 мм, по варианту 7 составляла 3,5 мм.

Критериями оценки качества труб являлись сплошность и проч­ ность сварки слоев.

После прессования концы труб были обрезаны на длину 50—70 мм. Сплошность сварки проверяли теневым методом на ультразвуко­

вой установке УДТ-8.

Для каждого варианта был определен расход металла только по основному виду брака — расслоению (см. табл. 11). Отходы по рас­ слоению составили: 20% при зазоре между слоями в заготовке 2,3— 2,6 мм, 11,5% — при зазоре 1,0 мм и 6,5% — при сочленении разда­ чей, но без заварки торцов. При зазоре до 0,6 мм с заваркой торцов, сочленении с раздачей и заваркой торцов, а также при конической поверхности сочленения с заваркой и без нее расслоений на трубах не обнаружено. Расслоения имелись только по концам труб. Протя­ женность расслоенных участков достигала 800—1000 мм. На сере­ дине труб расслоений не обнаружено.

Все трубы после обрезки, расслоенных участков были испытаны на прочность сварки слоев методом среза. С этой целью от труб отрезали кольца высотой 8—10 мм и растачивали внутренний пла­ кирующий слой до полного удаления на длине 6—8 мм, т. е. для среза оставляли слой высотой 2 мм. Такой ступенчатый образец помещали в подставку, устанавливали на опору пресса и осуществляли срез плакирующего слоя (рис. 6, а). (В качестве другого варианта испы­ таний может применяться испытание по схеме, указанной на рис. 6, б.)

Усилие среза фиксировали, и путем расчета определяли напряжение среза.

Напряжения среза получены как средние величины по результа­ там испытаний пяти образцов от каждого конца трубы. Наименьшая прочность сварки слоев на срез наблюдалась у труб, йзготовленных из заготовок с зазором от 1,0 до 2,5 мм 189—214 МН/м2 (18,9— 21,4 кгс/мм2). Наибольшее сопротивление срезу имели трубы, из­ готовленные из заготовок с конической поверхностью сочленения

(с натягом), — 277—291 Мн/м2 (27,7—29,1 кгс/мм2). Для остальных

Таким образом, эксперименты показали, что высокое качество сварки слоев биметаллических труб углеродистая сталь + нержа­ веющая сталь обеспечивают следующие способы подготовки и сборки двухслойных заготовок: с зазором до 0,5—0,6 мм и заваркой торцов, с раздачей и заваркой торцов, с конической поверхностью сочлене­ ния. Однако раздача толстостенных труб из нержавеющей стали за­ труднительна из-за налипания металла на инструмент, а трубы с ко­ нической поверхностью сложны в изготовлении и запрессовке, осо­ бенно при больших длинах.

Сочленение труб с зазором и последующей герметизацией яв­ ляется самым простым и технологичным и его можно рекомендовать при промышленном производстве биметаллических труб углероди­ стая сталь + нержавеющая сталь (с ограничением зазора, для иссле­ дованного сортамента, до 0,6 мм). При изготовлении опытной партии биметаллических труб сталь 10 + сталь 0Х18Н10Т из двухслойной заготовки с диаметральным зазором 0,5—0,6 мм, заваренной по тор­ цам, только на одной трубе из двадцати было обнаружено расслоение на длине 250 мм от конца.

При изготовлении биметаллических труб из двухслойных заго­ товок, собранных с зазором, сварка разнородных металлов обеспе-

50