СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ ПОСРЕДСТВОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ Российский патент 1999 года по МПК B23K9/16 B23K9/18 B23K33/00 

Изобретение относится к способу соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением с помощью сварного шва, имеющего малый объем (сварка с узким зазором).

Из DE 2633829 уже известен способ соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением с помощью сварного шва, имеющего малый объем. При этом подлежащие соединению и образующие зазор части заготовки сначала сваривают по их стыкам основным швом с применением или без применения присадки электронно-лучевой сваркой, плазменной сваркой, лазерной сваркой или способом аргоно-дуговой сварки.

После этого боковые стороны заготовки, образованные узким зазором, соединяют сварными валиками, полученными сваркой под флюсом, прилегающими попеременно к одной и к другой боковой стороне, при этом каждый сварной валик прокладывается таким образом, что он перекрывает нижерасположенный валик в средней трети узкого зазора и расплавляет каждый раз только одну боковую сторону заготовки, что ширина узкого зазора превышает ровно в четыре раза диаметр сварной проволоки, применяющейся в процессе сварки, а плотность тока в сварной проволоке во время сварки под флюсом составляет 50 А/кв. мм, и скорость сварки при этом рассчитывается таким образом, что энергия растяжения при диаметре проволоки, равном 2,5 мм, составляет 8,5 кДж/см, при диаметре проволоки 3 мм - 12,5 кДж/см и диаметре проволоки 4,0 мм - 22 кДж/см.

Способ особенно хорошо подходит для соединения заготовок в тяжелом машиностроении, имеющих форму тел вращения. С помощью способа по DE 2633829 могут хорошо соединяться друг с другом толстостенные заготовки, имеющие доступ только с одной стороны, которые вследствие этого не могут свариваться со стороны корня шва. Предпочтительной областью применения способа является соединение дискообразных заготовок и заготовок, имеющих форму полого цилиндра, применяющихся для изготовления роторов в паровых и газовых турбинах, в компрессорах, а также в турбогенераторах.

Преимущество этого способа состоит в том, что в месте соединения заготовок получается мелкозернистая структура без включений. Как в сварном шве, так и в зоне термического влияния не имеется более первоначальной структуры. Благодаря этому, становится излишним нормализация или улучшение.

Однако этот способ имеет также и недостаток, заключающийся в том, что он может осуществляться лишь полуавтоматически. Кроме того, основной шов в зоне корня должен свариваться вертикально и иметь определенную глубину для того, чтобы, например, сварной ротор не прогибался, когда он затем сваривается окончательно при горизонтальном расположении посредством сварки под флюсом с узким зазором.

Известен также способ соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением, при котором в зоне основания шва на боковых сторонах стыка деталей выполняют центрирующее смещение, посредством которого позиционируют друг относительно друга подлежащие сварке детали, собирая их с переменным узким зазором в стыке, причем в нижней части стыка зазор минимально узкий, и выполняют многослойную сварку, заполняя полученный зазор, при этом минимально узкий зазор заполняют автоматизированный сваркой в атмосфере инертного газа или электродуговой сваркой плавящимся электродом в защитном газе, а в верхней части узкий зазор заполняют сваркой под флюсом (см. Куркина С.А.и др. Технология, механизация и автоматизация производства сварных конструкций. Атлас. - М.: Машиностроение, 1989, с. 283-297).

В способе согласно изобретению устраняются вышеуказанные недостатки. В его основу положена задача в процессе сварки со швами, имеющими малый объем, при более высоком качестве и соединении в том числе сложных и имеющих большой объем заготовок и, в особенности таких заготовок, которые доступны для процесса сварки, и обеспечить более высокую экономичность по сравнению с уровнем техники за счет автоматической сварки.

Упомянутый технический результат обеспечивается за счет того, что в зоне основания шва выполняют разгрузочный выступ, а при заполнении зазора в нижней части стыка центрирующее смещение расплавляют и валики выполняют по всей ширине минимального узкого зазора.

Преимущества изобретения, помимо всего прочего, усматриваются в том, что экстремально узкий зазор может быть автоматически заварен и благодаря этому может быть достигнута высокая экономичность способа. При этом получаются швы высокого качества, что исключает необходимость последующей термообработки соединенных заготовок. В частности, могут свариваться друг с другом отдельные детали, у которых в процессе сварки имеется доступ только с одной стороны.

При этом целесообразно выполнить разгрузочный выступ с шириной, составляющей трехкратную величину от его высоты.

Кроме того целесообразно собирать детали с минимально узким зазором высотой, равной шести/десятикратной величине от его ширины, но, по меньшей мере, 40 мм.

В процессе автоматизированной сварки вольфрамовым или плавящимся электродом применяют сварочную проволоку, диаметр которой составляет от 1/5 до 1/4 от ширины минимально узкого зазора, но, по меньшей мере, 0,8 мм и максимально 1,6 мм.

Автоматизированную сварку вольфрамовым или плавящимся электродом осуществляют с предварительным подогревом, в зависимости от температуры которого выбирают сварочный ток в диапазоне от 200 до 300 А и с подачей от 50 до 200 мм в минуту.

Температуру предварительного подогрева выбирают выше 200^oC в зависимости от содержания легирующих элементов в металле свариваемых деталей.

В качестве защитного газа используют аргон или аргон с максимум 8% водорода или смесь аргона и гелия с содержанием аргона от 30 до 70%, остальное гелий. При этом можно применять смесь аргона с гелием, с содержанием аргона 50% и гелия 50%.

На чертеже представлен пример выполнения изобретения.

На единственной фигуре схематически показано поперечное сечение свариваемых заготовок в зоне сварного шва. На чертеже показаны лишь те элементы, которые необходимы для понимания изобретения.

Ниже изобретения поясняется более подробно с помощью примеров выполнения.

На чертеже схематически показано поперечное сечение соединяемых друг с другом деталей заготовки в зоне сварного шва. Является целесообразным, чтобы разгрузочный выступ имел ширину, составляющую трехкратную величину от его высоты.

Металлические детали, подлежащие соединению, обозначены позициями 1 и 2, их противолежащие параллельные боковые стороны заготовки в узком зазоре обозначены позициями 4 и 5, а в минимальном узком зазоре 9 - позициями 13 и 14.

На стороне, недоступной для сварки (например, узкой стороне полых корпусных деталей), соединяемые металлические детали 1 и 2 стыкуются друг с другом с центрирующим смещением 10 и позиционируются друг относительно друга. В зоне основания шва выполняется разгружающий выступ 11 таким образом, что при сварке возникает место 12 проплавления, обеспечивающее при сварке принудительное расплавление центрирующего смещения 10.

В этом случае подрезы происходят только по обе стороны от наплавленного валика, в то время, как несущее поперечное сечение не имеет подрезов, что очень благоприятно воздействует на характеристики нагрузки материала.

Центрирующее смещение 10 имеет в этом примере выполнения высоту h, равную 5 мм, разгружающий выступ 11 имеет ширину с, равную, в общей сложности, 40 мм и высоту d, равную 15 мм. Угол α, образованный между горизонталью и разгружающим выступом, составляет 15^o. На основе этих геометрических параметров обеспечивается проплавление центрирующего смещения 10 с узкими допусками параметров в зонах сварки.

Соединение параллельных боковых сторон 13, 14 деталей в минимально узком зазоре 9 с шириной b, в этом примере выполнения составляющей 5 мм, и высотой e - около 40 мм осуществляется способом полуавтоматической сварки вольфрамовым электродом. Сварной валик 15 проходит при этом от одной из боковых сторон 13 до противолежащей боковой стороны 14 и поэтому расплавляются, соответственно, обе боковые стороны.

Если электродуга установлена один раз в определенное положение, нет необходимости изменять его, поэтому процесс сварки проводится автоматически. В этом способе сварки вольфрамовым электродом боковых сторон деталей заготовки применяется сварная проволока диаметром 1,2 мм. В зависимости от температуры предварительного нагрева работают с силой тока в диапазоне от 200 до 300 А, при подаче от 50 до 200 мм в минуту.

В качестве инертного газа применяют аргон. Само собой разумеется, в других примерах выполнения может также применяться смесь аргона с водородом, содержание которого составляет максимально 8%, или смесь аргона и гелия - от 30 до 70%, причем оптимальные результаты получаются при применении тех же частей аргона и гелия. С помощью сварки вольфрамовым электродом получают сварные швы очень высокого качества.

И, наоборот, если в другом примере выполнения для сварки минимально узкого зазора 9 применяется способ сварки плавящимся электродом, то в связи с известным разбрызгиванием металлических частиц, в месте расположения электродуги (защитного газа) расплавленной ванны следует ожидать загрязнений от трубки для направления сварочной проволоки, сопел для подачи защитного газа и боковых сторон заготовки в сварном шве, а также в слоях шлака на поверхности сварного валика, вследствие чего качество сварного шва в минимально узком зазоре 9 из-за возможных дефектов связи не является настолько высоким, как в сварке вольфрамовым электродом.

После изготовления этого "основного шва" закрывают узкий зазор 4, образованный боковыми сторонами 5 и 6 заготовки, имеющий ширину a < 16 мм, способом сварки под флюсом, описанным в DE 2633829, таким образом, что попеременно прокладывается сварной валик 7 на боковой стороне 6 и сварной валик 8 на боковой стороне 5 заготовки.

Они перекрывают друг друга в средней третьей части узкого зазора 4. За счет соответствующего положения оси сварочной проволоки во время процесса сварки расплавляется одновременно только одна из боковых сторон 5 или 6 заготовки. Благодаря этому получается предпочтительная структура, состав расплава поддерживается постоянным на всем поперечном сечении шва, и напряжения, возникающие при охлаждении, удерживаются в допустимых границах.

При реальных условиях сварки получается, что ширина шва в минимально узком зазоре 9 с увеличением количества сварных валиков в способе сварки вольфрамовым или плавящимся электродом становится больше. Это предопределяется незначительной производительностью (мощностью) расплавления в способе сварки вольфрамовым или плавящимся электродом и увеличивающимся подводом тепла.

Это означает, что минимально узкий зазор 9 позволяет иметь только определенную максимальную высоту e, т.к. иначе только с помощью одного слоя сварки не может обеспечиваться перекрытие минимального узкого зазора 9. Тем самым становится невозможной автоматизации процесса сварки.

Способ согласно изобретению может применяться, как для сварки тел вращения, так и других тонкостенных металлических деталей, в частности, и таких, которые имеют доступ только с одной стороны и со стороны корня шва не могут провариваться, например, пластин, труб, дисков и полых цилиндров из низколегированных или высоколегированных металлических заготовок.

Предпочтительной областью применения является изготовление роторов энергопреобразующих машин, сконструированных из отдельных деталей в виде тел вращения с полостями или с торцевыми проточками, например, из дискообразных или имеющих форму полого цилиндра поковок одинаковой прочности или одинаковой толщины. Эти поковки сначала соединяют вертикально, в "зоне корня шва", т. е. в зоне минимально узкого зазора 9, посредством вышеописанного способа сварки вольфрамовым или плавящимся электродом.

Затем ротор горизонтально сваривают окончательно сваркой под флюсом в зоне узкого зазора 4. Для того, чтобы ротор не прогибался, необходимо иметь определенную глубину первого шва, что означает определенную высоту с минимально узкого зазора 9. Высота e минимально узкого зазора 9 лежит при этом согласно изобретению в зоне шести-десятикратного значения его ширины b и составляет, по меньшей мере, 40 мм.

Способ сварки вольфрамовым электродом в минимально узком зазоре 9 особенно подходит для соединения металлических деталей из сплава на основе никеля, т. к. в этом способе сварки возникают очень небольшие зоны воздействия тепла и эти материалы прежде всего подвержены возникновению дефектом в зоне воздействия тепла. За счет этого удается достичь особенно высокого качества сварки.

Соединение металлических деталей получают с помощью электродуговой сварки плавлением. Сварной шов имеет малый объем. Заготовки собирают с узким зазором. В нижней части стыка имеет место минимально узкий зазор. Металлические детали сначала позиционируют друг относительно друга посредством центрирующего смещения (10). В зоне основания шва выполняют разгружающий выступ (11) таким образом, что при сварке образуют место проплавления. Перед процессом сварки под флюсом с узким зазором боковые стороны, образованные экстремально узким зазором, соединяют посредством полностью автоматизированной сварки вольфрамовым электродом в среде инертного газа или электродуговой сваркой плавящимся электродом в среде защитного газа с помощью многослойных сварочных валиков, каждый из которых проходит по всей ширине минимально узкого зазора. Центрирующее смещение (10) расплавляют. Технология обеспечивает высокое качество сварки тонкостенных металлический деталей, которые имеют доступ с одной стороны. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ соединения металлических деталей посредством электродуговой сварки плавлением, при котором в зоне основания шва на боковых сторонах (5, 6) стыка деталей (1, 2) выполняют центрирующее смещение (10), посредством которого позиционируют друг относительно друга подлежащие сварке детали, собирая их с переменным узким зазором в стыке, причем в нижней части стыка зазор (9) минимально узкий, и выполняют многослойную сварку, заполняя полученный зазор, при этом минимально узкий зазор (9) заполняют автоматизированной сваркой вольфрамовым электродом в атмосфере инертного газа или электродуговой сваркой плавящимся электродом в защитном газе, а в верхней части узкий зазор (4) заполняют сваркой под флюсом, отличающийся тем, что в зоне основания шва выполняют разгрузочный выступ (11), а при заполнении зазора в нижней части стыка центрирующее смещение (10) расплавляют и валики выполняют по всей ширине минимального узкого зазора (9). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разгрузочный выступ (II) выполняют шириной (c), составляющей трехкратную величину от его высоты (d). 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что детали (1, 2) собирают с минимально узким зазором (9) высотой (e), равной шести-, десятикратной величине от его ширины (b), но по меньшей мере 40 мм. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе автоматизированной сварки вольфрамовым или плавящимся электродом применяют сварочную проволоку, диаметр которой составляет от 1/5 до 1/4 части от ширины (b) минимального узкого зазора (9), но по меньшей мере 0,8 мм и максимально 1,6 мм. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что автоматизированную сварку вольфрамовым или плавящимся электродом осуществляют с предварительным подогревом, в зависимости от температуры которого выбирают сварочный ток в диапазоне от 200 до 300 А и с подачей от 50 до 200 мм/мин. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что температуру предварительного подогрева выбирают выше 200^oC в зависимости от содержания легирующих элементов в металле свариваемых деталей. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве защитного газа используют аргон или аргон с максимум 8% водорода или смесь аргона и гелия с содержанием аргона от 30 до 70%, остальное - гелий. 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что применяют смесь аргона с гелием, с содержанием аргона - 50% и гелия - 50%.