Способ многослойной электрошлаковой сварки

 

Использование: соединение металлов и сплавов электрошлаковой сваркой, преимущественно крупных изделий с большим поперечным сечением соединяемых элементов. Сущность: разделку кромок производят в виде ряда прямоугольных отверстий , чередующихся с перегородками. Отверстия заваривают от середины стыкового соединения к его краям с последующим расплавлением перегородок. В процессе сварки принудительно охлаждают перегородки, а тепловые центры сварочного процесса максимально приближают к свариваемым, . кромкам. Деформации усадки в каждрм слое шва компенсируют последовательным уменьшением ширины перегородок, что позволяет повысить стойкость сварного шва против образования кристаллизационных трещин. Перегородки могут быть выполнены из стали, легированной рафинирующими и модифицирующими элементами. 1 з.п флы, 1 ил, VO

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (воз В 23 К 25/00, 33/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф ч

° м

Мч ч,и

K ABTOPCKOMY CBt/l ETEJlbCTBY (21) 4874194/08 (22) 09.07.90 (46) 23,08.92. Бюл. f+ 31 (75) М. Г. Козулин и С. M. Козулин (56) Электрошлаковая сварка и наплавка, /Под ред. Б. E. Патона. M., 1980, с. 49-85.

Авторское свидетельство СССР

М 548400, кл. В 23 К 25/00, 23.03.75.

Авторское свидетельство СССР

М 72 1288, кл. В 23 К 25/00, 05.09.77. (54) спосоь многослойной электРоШЛАКОВОЙ СВАРКИ

{57) Использование: соединение металлов и сплавов электрошлаковой сваркой, преимущественно крупных изделий с большим поперечным сечением соединяемых элементов, Сущность: разделку кромок проИзобретение относится к соединению металлов и сплавов с помощью электрошлаковой сварки и может быть использовано в машиностроении для св; рки к,супных изделий с большим поперечным сечением соединяемых элементов.

Известен способ исправления дефектов на поверхности литых и кованых металлических деталей, при котором разделку дефекта, выполненную в виде цепочки сверленных отверстий, заполняют последовательной электрошлаковой заваркой отверстий.

Однако при сварке отверстий глубиной более 100 мм в швах появляются трещины, располагаемые в центре швов. Ы 1756074 А1

2 изводят в виде ряда прямоугольных отверстий, чередующихся с перегородками. Отверстия заваривают от середины стыкового соединения к его краям с последующим расйлавлением перегородок. В процессе сварки принудительно охлаждают перегородки, а тепловые центры сварочного процесса максимально приближают к свариваемым кромкам. Деформации усадки в каждоь,, слое шва компенсируют"последовательным уменьшением ширины перегородок, что позволяет повысить стойкость сварного шва против образования кристаллизационных трещин, Перегородки могут быть выполнены из стали, легированной рафинирующими и модифицирующими элементами. 1 з.п. флы,1ил, Известен способ злектрошлаковой сварки, при котором разделку кромок вы- О,. полняют s виде ряда прямоугольных отвер- Ср стий, образованными пазами на стыкуемых кромках с перегородкам@ из основного ме- ф, талла между ними, а" заварку отверстий производят с расплавлением перегородок. начиная одновременнО с двух крайних отверстий в направлении к середине сечения шва или начиная с цейтрального отверстия в направлении крайних,:причем каждое отверстие заваривают с йнутервалом времейи, в течение которого нижняя часть шва в предыдущем отверстии охладится до температу. ры точки А>.

1756074

Однако при формировании такого сварного шва линии встречи кристаллитов в центральной части каждого слоя, имеющие наименьшие механические свойства из-за наличия ликватов, вытесняемых к центру слоя растущим фронтом кристаллитов, будут располагаться перпендикулярно к направлению наибольших растягивающих сил, создаваемых Жтаточйыми сварочными напряжениями. Поэтому Ао этой линии (линии слабины) йри исчерпйвании пластических свойств будут образовываться трещины. Чем больше жесткость сварного узла, тем больше вероятность образованйя трещин.

Целью изобретения является повышение стойкости"сварного шва против образования кристаллизационнйх трещйн;

Указанйая цель достигается в процессе сварки за счет принудительного охлаждения, перегородок съемными устройствами и максимального приближения тепловых центров сварочного процесса к свариваемйм кромкам; что позволяет сформйровать линию встречи (зону слабины} растущих кристаллитов в центре каждого шва параллельно направленйю действия наибольших растягивающих сил, создаваемйх остаточными сварочными напряжениями.

Разделку стыка соединяемых деталей выполняют в вйде прямоугольных отверстий, образуемых кромками -Деталей и вставляемыми между ними металлическимй перегородками, установку которых проводят последовательно по мере заполнения шва наплавленным металлом, Центральное отверстие формируют из пеЬегородок шириной, равйой ширине сварочного зазора в стыке, а последующие отверстия формируют из перегородок меньшей ширины на величину деформации сблйжения деталей при усадке каждого заваренного слоя шва, определяемой по формуле

Ьв=k Ьз, (1) где Ь вЂ” ширина пластины;

Ьз — величина сборочного зазора в стыке;

k - 0,9-0,98 - коэффициент; учитывающий усадку в сварном шве.

Использование перегородок иэ стали, легйрованной рафйнирующими элементами (марганцем, ниобием, церием, цезием и др.), измельчающими структуру металла шва, позволяет повысить пластические свойства наплавленного металла и уменьшить ТИХ (температурный интервал хрупкости).

На чертеже изображена схема многослойной электрошлаковой сварки.

На чертеже показаны охлаждающее устройство 1, вставные перегородки 2, устройство 3 для подачи сварочных проволок, частично расплавленная перегородка 4, 5 сварной слой 5 шва, линия 6 сращивания встречно растущих кристаллитов (зона слабины), свариваемая деталь 7, шлаковая ванна 8, металлическая ванна 9, тепловой центр

10 сварки, наплавленный металл 11.

10 Разделку стйка соединяемых деталей 7 выполняют в виде прямоугольных отверстий, образуемых кромками детали и вставляемыми между ними металлическими перегородками 2 и 4, установку которых проводят последовательно по мере запол15 кения шва наплавленным металлом. Центральное отверстйе формируют из перегородок шириной, равной ширине сварочного зазора в стыке, а последующие от верстия формируют из перегородок меньшей ширйны на величину деформации

20 сближения деталей при усадке каждого заваренного слоя шва, определяемой по формуле {1).

Злектрошлаковым процессом заполняют центральное отверстие, образуя сварной

25 слой шва 5, причем перегородки 4 лишь частично раплавляются, участвуя в формировании наплавленного металла 11. При наличии охлаждающих устройств 1, выполнейных в виде массивных медных или

30 алюминиевых пластин, увеличйвается сток тепла из перегородок, что ооуславливает условие увеличения скорости роста кристаллитов от них и формирование зоны слабины

6 в центре наплавляемого слоя 5 параллель35 но действию наибольших растягивающих напряжений, создающих усадочную силу

Рус.

После окончания сварки первого слоя 5 формируют смежные к нему отверстия и

40 производят их электрошлаковую сварку, затем в такой же последовательности заваривают остальную часть разделки, полностью переплавляя перегородки. Сварочные проволоки подают специальными устройствами

45 — мундштуками 3, максимально приближая тепловые центры 10 к кромкам деталей, что позволяет увеличить нагрев деталей, уменьшив скорость роста кристаллитов, нормально растущих к поверхности свариваемых

50 кромок. Эффект большего нагрева свариваемых кромок можно получить известным приемом перемещения одного электрода поперек разделки с остановками возле кромок, Смещение тепловых центров сварочно55 го процесса от центра отверстия к краям его позволяет уменьшить глубину металлической ванны 9, что также положительно отразится на повышении стойкости

1756074 язв

2 л 42 О 68О 45900 . — 3,7 С/С при акр =20 С/С

Принятый режим электрошлаковой сварки обеспечивает отсутствие закалочных структур в металле шва и околошовной зоне. Для получения качественного сварного соединения необходимо за один проход проплавить 2/3 толщины перегородки.

55 наплавленного металла против образования трещин за счет изменения направленйя роста кристаллитов.

Изобретение иллюстрируется следующим примером сварки стального изделия 5 толщиной 1000 мм, заготовки которого могут быть выполнены иэ литья и поковок, обработанных механическим путем.

На основании экспериментов принимают сборочный первоначальный зазор Ьз= 70 10 мм. Определяют центр стыка и формируют первое отверстие из двух перегородок 4 (черт) шириной каждая 70 мм и толщиной 30 мм. Зазор между перегородкамй принймают равным 40 мм. Перегородки должны 15 вплотную прилегать к свариваемым кромкам, прйчем прикрепить их к деталям 7 можно с помощью прихваток ручной сваркой.

Монтируют входной и выходной карманы (стационарные либо сьемные водоохлажда- 20 емые). В зазор между перегородками по центру вставляют плавящийся мундштук 3, изготовленный из стальной пластины толщиной 8-10 мм и двух плотно навитых спиралей из сварочной проволоки 3 мм. 25

Ширина мундштука 60 мм, Зазоры между мундштуктом 3 и свариваемыми кромками деталей 7 следует выдержать в пределах

4-6 мм. К каждой перегородке 4 с наружной стороны устанавливают медные или алюми-. 30 ниевые устройства 1 для принудительного охлаждения перегородок.

Для принятого размера шва устанавливают следующие режимы электрошлаковой сваркидиаметр сварочной проволоки 3 мм; 35 количество проволок 2 шт.; сила тока 1200

А; напряжение сварки 43-45 В; скорость сварки 0,5 м/ч; скорость подачи проволок

145 м/ч; глубина шлаковой ванны 45-50 мм.

Тепловой режим сварки — эффектйвная 40 тепловая мощность сварочного процесса ао= I U n = 1200 45 0,85=45900 Вт, мгновенная скорость охлаждении шва при температуре Т р = 700 С, при температуре окружающей среды То = 20 C. Тепло- 45 проводность стали А= 42 Вт/(M С).

Расчеты показывают, что на нагрев и оплавление основного металла расходуется

42,5 тепла, а на оплавление перегородок и их охлаждение 57,5, Формируется шов эллипсовидной формы с осями размерами 110 и 80 мм. При наличии одинаковой скорости роста кристаллитов от основного металла и перегородок в центральйой части шва будет формироваться зона слабины 6 (черт) перпендикулярно к свариваемйм кромкам. При наличии разности скоростей кристаллизации от перегородок и основного металла будет йзменяться лишь дяийа зоны слабины. После окончания сварки первого отверстия и получения шва 5 с помощью перегородок 2 формируют два смежных отверстия, Ширину перегородок рассчитывают по формуле (1) с учетом коэффициента, учитывающего усадку в первом шве, К - 0,93.

Таким образом Ь 2 = 0,93 70 = 65+1 мм.

Устанавливают мундштуки 3 и охлаждающие устройства 1. Сварку проводят одновременно обоих отверстий, при этом перегородки 4 полностью переплавляются, образуя сплошной шов из наплавленного металла, состоящего из трех слоев, Последовательно формируют следующие отверстия, вставляя перегородки с учетом предыдущих деформаций в шве, заваривают их. При соединении деталей толщиной

1000 мм формируется многослойный сварной шов, состоящий из 17 слоев, обладающий высокой стойкостью против образования кристаллизационных трещин.

Наличие автотермообработки каждого предыдущего слоя за счет тепла; выделяемого при сварке последующих швов, приводит к частичному измельчению структуры околошовной зоны и наплавленного металла, что положительно сказывается на стойкости сварного соединения против образования трещин. Повысить пластические свойства наплавки можно за счет применения перегородок из стали, легированной рафинирующими элементами, измельчающими структуру металла шва.

Предлагаемый способ позволяет значительно сократить трудозатраты на подготовку стыка под сварку.

Формула изобретения

1, Способ многослойной электрошлаковой сварки иэделий большой толщины, при котором разделку кромок производят в виде ряда прямоугольных отверстий, чередующихся с перегородками, и заваривают отверстия последовательно от середины стыкового соединения к его краям с последовательным расплавлением перегородок, 1756074

1 2 g Фхб

Редактор А.Мотыль (Составитель М.Козулин

Техред М.Моргемтал Корректор А.Долинич

Заказ 3048 . Тираж Подписное.

ВНИИПИ Государствейного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35, Рэушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 !

7 отличающийся тем, что. с целью повышения стойкости сварного шва против образования кристаллизационных трещин, в првцессе сварки прйнудитЕльмо охлаждают перегородки, тепловые центры сварочного процесса pacíîëàãàoò в символьной близости от сваривавмых кромрк. ширину каждой последующей перегородки устанавливают меньше ширины предыдущей перегородки на величину фактической усадки в каждом направленном слое, а перегородки устанавливают в стыке последовательно по мере формирования шва, 5

2. Способ по и. 1, отличающийся твм, что перегородки выполняют из стали, легйровэмной рвфинирующими элементами, измельчвющими структуру металла шва, 10.