способ автоматической аргонно-дуговой сварки стальных труб неплавящимся электродом

Формула изобретения

1. Способ автоматической аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом углового шва нахлесточного соединения стальных труб, включающий предварительную подготовку кромок труб и сварку наклонным электродом при вращении свариваемых труб относительно электрода с образованием сварного шва, отличающийся тем, что осевое вращение свариваемых труб ведут со скоростью 0,1-0,8 об/мин, а наклон электрода осуществляют в двух плоскостях: на угол 50-70° относительно оси изделия и на угол 60-85° относительно плоскости сварного шва.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сварку выполняют несколькими сварными швами, при этом точки начала (окончания) сварки каждых двух соседних швов располагают диаметрально противоположно.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что сварку выполняют с шаговым осевым вращением свариваемых труб импульсами тока с чередованием циклов импульс - пауза с шагом, обеспечивающим перекрытие зоны нагрева предыдущего импульса зоной нагрева последующего импульса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электродуговой сварки материалов неплавящимся электродом, а именно к способам автоматической аргонно-дуговой сварки нахлесточных соединений стальных труб неплавящимся электродом.

В настоящее время для получения нахлесточного соединения втулок с трубой из нержавеющей стали при производстве верхней части технологического канала ядерного реактора РБМ-К5 используется ручная аргонно-дуговая сварка, которая отличается невысоким уровнем производительности и качества шва, а также более высоким уровнем остаточных сварочных напряжений в изделии по сравнению с автоматической сваркой.

Известен способ аргонно-дуговой сварки угловых швов нахлесточных соединений плавящимся электродом, при котором сварку ведут электродом, наклоненным на угол 55-60 градусов к горизонтальной поверхности (В.П.Демянцевич. Металлургические и технологические основы дуговой сварки. М., Машгиз. 1962, с.284-285).

Данный способ не обеспечивает получения качественных угловых швов в нахлесточных соединениях стальных труб из-за образования в них трещин и пор, а также из-за значительного превышения установленным требованиям величины биения при вращении изделия после сварки. Кроме того, известный способ отличается сравнительно высокой себестоимостью сварной продукции из-за высокого расхода электроэнергии при непрерывном горении мощной дуги, а также повышенной отбраковки сварной продукции с низким качеством сварного шва и повышенной величиной биения при вращении изделия после сварки.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является известный способ автоматической аргонно-дуговой сварки неплавящимся электродом углового шва нахлесточного соединения стальных труб, включающий предварительную подготовку кромок труб и сварку наклонным электродом при вращении свариваемых труб относительно электрода и заданных параметрах с образованием сварного шва (Ю.Ф.Юрченко и др. «Монтаж и сварка трубопроводов из коррозионно-стойких сталей в атомной промышленности». М.: Атомиздат, 1966, с.35, 36-37, 44, 104).

Известный способ не обеспечивает получения качественных угловых сварных швов в нахлесточном соединении стальных труб из-за образования в них пор и других дефектов, а также из-за превышения установленным требованиям величины биения при вращении длинномерного сварного изделия с угловыми швами. Поэтому этот способ отличается сравнительно высокой себестоимостью сварной продукции, вызванной повышенной отбраковкой изделий с низким качеством угловых сварных швов и повышенной величиной биения при вращении длинномерного сварного изделия с угловыми швами.

Задачей изобретения является повышение качества сварных швов в нахлесточном соединении стальных труб, снижение величины биения при вращении длинномерного сварного изделия и себестоимости сварной продукции.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматической аргонно-дуговой сварки стальных труб неплавящимся электродом углового шва нахлесточного соединения стальных труб, включающего предварительную подготовку кромок труб и сварку наклонным электродом при вращении свариваемых труб относительно электрода с образованием сварного шва, осевое вращение свариваемых труб ведут со скоростью 0,1-0,8 об/мин, а наклон электрода осуществляют в двух плоскостях: на угол 50-70 градусов относительно оси изделия и на угол 60-85 градусов относительно плоскости сварного шва.

В частном случае выполнения при соединении труб несколькими сварными швами, точки начала (окончания) сварки каждых двух соседних швов располагают диаметрально противоположно.

Сварку могут выполнять с шаговым осевым вращением свариваемых труб импульсами тока с чередованием циклов импульс-пауза с шагом, обеспечивающим перекрытие зоны нагрева предыдущего импульса зоной нагрева последующего импульса.

Известно шаговое осевое вращение свариваемых труб в процессе сварки, сварка наклонным электродом, а также ведение процесса сварки в непрерывном режиме (патент RU №2262424, 2005 г., В.П.Демянцевич. Металлургические и технологические основы дуговой сварки. М., Машгиз, 1962, с.284-285).

Однако только сочетание всех известных и новых существенных признаков заявляемого способа автоматической аргонно-дуговой сварки стальных труб неплавящимся электродом позволяет решить задачу, заключающуюся в существенном повышении качества угловых сварных швов в нахлесточных соединениях стальных труб, снижении величины биения при вращении длинномерного изделия после сварки и себестоимости сварной продукции.

Скорость шагового осевого вращения свариваемых труб 0,1-0,8 об/мин и ведение сварки электродом с наклоном в двух плоскостях: на угол 50-70 градусов относительно оси изделия и на угол 60-85 градусов относительно плоскости сварного шва позволяют получить, как выявлено экспериментально, оптимальные условия теплового воздействия сварочной дуги и кристаллизации металла сварочной ванны, которые обеспечивают уменьшение околошовной зоны и коробление изделий в целом, исключение дефектов в сварном шве, что, как следствие, позволяет существенно повысить качество швов, снизить величину биения при вращении длинномерного сварного изделия, а это, в свою очередь, способствует снижению отбраковки изделий и позволяет уменьшить себестоимость их изготовления.

Существенное снижение количества отбракованных дорогостоящих изделий, сваренных по заявляемому способу, из-за повышения качества угловых сварных швов нахлесточных соединений стальных труб и уменьшения величины биения при вращении длинномерных изделий после сварки позволяет значительно снизить себестоимость сварной продукции.

Ведение процесса сварки труб таким образом, чтобы точки начала (окончания) сварки каждых двух соседних швов располагались диаметрально противоположно позволяет усилить положительный эффект по снижению коробления изделия, а следовательно, и величины биения при вращении длинномерного сварного изделия после сварки, что приводит к дополнительному повышению качества изделия.

Ведение процесса сварки в режиме шагового осевого вращения свариваемых труб с образованием сварного шва путем наложения на свариваемые поверхности импульсов тока с чередованием циклов импульс-пауза с шагом, обеспечивающим перекрытие зоны нагрева предыдущего импульса зоной нагрева последующего импульса, позволяет усилить технический результат за счет дополнительной экономии электроэнергии в процессе сварки и повышения качества сварного шва.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами и фотографиями, представленными на фиг.1-3.

На фиг.1 показано положение электрода в процессе сварки образца в двух плоскостях: относительно оси изделия и плоскости сварного шва.

На фиг.2 показана макроструктура угловых сварных швов свариваемых труб разных размеров после сварки:

а) в шаго-импульсном режиме;

б) в непрерывном режиме.

На фиг.3 показана микроструктура углового сварного шва, зоны термического влияния и основного металла свариваемых труб после сварки:

а) в шаго-импульсном режиме;

б) в непрерывном режиме.

Для проверки заявляемого технического решения была проведена следующая работа:

- изготавливали втулку 1 (фиг.1) диаметром 115×10 мм длиной 50 мм с разделкой концов под сварку из стали 08Х18Н10Т (ТУ 143-197-78);

- внутрь втулки вставляли трубу 2 (фиг.1) диаметром 95×5 мм длиной 80 мм из стали 08Х18Н10Т (ТУ 143-197-78);

- размечали места приварки втулки к трубе и производили прихватки втулки к трубе сваркой с двух сторон;

- производили сварку образцов на установке ТТ 180.

Пример 1

По заявляемому техническому решению сварку угловых швов нахлесточного соединения образцов стальных труб осуществляли аргонно-дуговой сваркой неплавящимся электродом в непрерывном режиме при следующих параметрах:

- зажигание дуги за 2-5 сек до начала вращения образца;

- сила тока дуги 165±10 А;

- расход аргона 15±5 л/мин;

- напряжение дуги 11±1 В;

перекрытие шва 10-25 мм.

При этом в процессе сварки варьировали следующие параметры:

- скорость вращения образца: 0,1; 0,8 об/мин;

- величину угла наклона электрода относительно оси изделия (фиг.1): 50; 70 градусов;

- величину угла наклона электрода относительно плоскости сварного шва (фиг.1): 60; 85 градусов;

- начальная (конечная) точки сварки двух соседних швов: совпадают или диаметрально противоположны.

Пример 2

По заявляемому техническому решению сварку угловых швов нахлесточного соединения образцов стальных труб осуществляли аргонно-дуговой сваркой неплавящимся электродом в шаго-импульсном режиме при следующих параметрах:

- зажигание дуги за 2-5 сек до начала вращения образца;

- сила тока дуги в импульсе 170±10 А;

- сила тока дуги в паузе 30±10 А;

- длительность импульса 0,8±0,2 сек;

- длительность паузы 0,65±0,2 сек;

- расход аргона 15±5 л/мин;

- напряжение дуги 11±1 В;

перекрытие шва 10-25 мм.

При этом в процессе сварки варьировали следующие параметры:

- скорость вращения образца: 0,05; 0,1; 0,35; 0,8; 1 об/мин;

- величину угла наклона электрода относительно оси изделия а (фиг.1): 50; 70 градусов;

- величину угла наклона электрода относительно плоскости сварного шва b (фиг.1): 60; 85 градусов;

- начальная (конечная) точки сварки двух соседних швов: совпадают или диаметрально противоположны.

Пример 3

По наиболее близкому аналогу сварку угловых швов нахлесточного соединения образцов труб осуществляли аргонно-дуговой сваркой неплавящимся электродом в непрерывном режиме при следующих параметрах:

- зажигание дуги за 2-5 сек до начала вращения образца;

- угол наклона электрода относительно вертикали к оси трубы 80±5 градусов;

- скорость вращения образца 1,2 об/мин;

- сила тока дуги 130±10 А;

- начальная (конечная) точки сварки двух соседних швов совпадают.

Для сравнения сваривали образцы труб разных размеров диаметром 70×6,0 и диаметром 60×5,5 мм из сталей 03Х18Н11 и 17Х18Н9.

По каждому варианту изготавливали по три образца. Все образцы подвергали внешнему осмотру, цветной дефектоскопии сварных швов и замеру величины биения при вращении образца. Из каждого сварного шва вырезали по одному темплету для металлографических исследований. Определяли относительную себестоимость 1 погонного метра сварного шва. Все исследования проводили по стандартным методикам. Результаты испытаний приведены в таблице и на фиг.2-3.

Таблица Сравнительные данные заявляемого способа и наиболее близкого аналога
№ опыта	Вариант технического решения	Материал стальных труб	Размеры свариваемых образцов, мм		Параметры сварки					Результаты испытаний
					Режим сварки	Скорость вращения образца, об/мин	Угол наклона электрода относительно, градусов		Расположение начальной (конечной) точки сварки двух соседних швов	Наличие дефектов в сварочном шве	Величина биения при вращении образца после сварки, мм	Относительная себестоимость изготовления пог. метра сварного шва, % отн.
			Втулка	Труба
							Оси изделия	Плоскости сварного шва
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1	заявляемый способ	08Х18Н10Т	115×10	95×5	непрерывный	0,1	50	60	диаметрально противоположно	нет	0,12	89,2
2	-«-	08Х18Н10Т	115×10	95×5	-«-	0,8	70	85	-«-	нет	0,14	90,4
3	-«-	08Х18Н10Т	115×10	95×5	шаго-импульсный	0,1	50	60	-«-	нет	0,10	88,4
4	-«-	08Х18Н10Т	115×10	95×5	-«-	0,8	70	85	-«-	нет	0,15	89,3
5	-«-	08Х18Н10Т	115×10	95×5	-«-	0,1	50	60	совпадает	нет	0,30	98,4
6	-«-	08Х18Н10Т	115×10	95×5	-«-	0,8	70	85	-«-	нет	0,36	99,6
7	-«-	03Х18Н1	115×10	95×5	-«-	0,1	50	60	диаметрально противоположно	нет	0,11	88,7
8	-«-	03Х18Н1	115×10	95×5	-«-	0,8	70	85	-«-	нет	0,13	89,5
9	-«-	17Х18Н9	115×10	95×5	-«-	0,1	50	60	-«-	нет	0,12	88,1
10	-«-	17Х18Н9	115×10	95×5	-«-	0,8	70	85	-«-	нет	0, 13	89,3
11	-«-	08Х18Н10Т	90×10	70×6	-«-	0,1	50	60	-«-	нет	0,10	88,7
12	-«-	08Х18Н10Т	90×10	70×6	-«-	0,8	70	85	-«-	нет	0,12	89,9
13	-«-	08Х18Н10Т	80×10	60×5,5	-«-	0,1	50	60	-«-	нет	0,11	88,2
14	-«-	08Х18Н10Т	80×10	60×5,5	-«-	0,8	70	85	-«-	нет	0,14	88,9
15	Наиболее близкий аналог	08Х18Н10Т	115×10	95×5	непрерывный	1,2	80	-		есть	0,25	100

Анализ данных, представленных в таблице и на фиг.2-3, показывает, что заявленный способ отличается от наиболее близкого аналога более высоким качеством угловых сварных швов нахлесточного соединения стальных труб (отсутствие в сварном шве свищей, пор и других дефектов), меньшей величиной биения при вращении образцов после сварки (0,1-0,15 мм у заявляемого способа и 0,22 мм у наиболее близкого аналога) и более низкой себестоимостью изготовления 1 погонного метра сварного шва (88,4-90,4% относительных у заявляемого способа и 100% у наиболее близкого аналога). Проведенный металлографический анализ сварных швов исследуемых образцов показал, что результаты формирования данных угловых сварных швов нахлесточных соединений стальных труб в процессе аргонно-дуговой сварки по заявляемому способу одинаковые для свариваемых труб разных размеров из разных нержавеющих сплавов. Из фиг.2 и 3 следует, что при выполнении углового сварного шва по заявляемому способу получаются более качественные сварные швы без дефектов в виде пор, непроваров, подрезов, несплавлений, свищей, трещин и других дефектов.

Оптимальными параметрами заявляемого способа являются следующие (опыты №1-4, 7-14):

- скорость осевого вращения свариваемого изделия - 0,1-0,8 об/мин;

- угол наклона электрода относительно оси изделия - 50-70 градусов;

- угол наклона электрода относительно плоскости сварного шва 60-85 градусов;

- расположение начальной (конечной) точки сварки каждых двух соседних швов диаметрально противоположно.

Уменьшение параметров сварки:

- скорости осевого вращения свариваемого изделия менее 0,1 об/мин;

- угла наклона электрода относительно плоскости сварного шва менее 60 градусов;

- угла наклона электрода относительно оси изделия менее 50 градусов не обеспечивает получения качественных угловых сварных швов без дефектов.

Увеличение параметров сварки:

- скорости осевого вращения свариваемого изделия более 0,8 об/мин;

- угла наклона электрода относительно плоскости сварного шва более 85 градусов;

- угла наклона электрода относительно оси изделия более 70 градусов не обеспечивает дальнейшего повышения качества угловых сварных швов, снижения величины биения при вращении изделия после сварки и приводит к росту себестоимости изготовления сварной продукции.

Совпадение расположения начальной (конечной) точки сварки каждых двух соседних швов приводит к значительному увеличению величины биения при вращении изделия после сварки.

Заявляемый способ опробован с положительным результатом в производственных условиях ОАО ЧМЗ при выпуске опытных партий изделий РБМ-К5.С6.30 из стали марки 08Х18Н10Т с применением сварочной установки ТТ 180.