Способ сварки изделий из чугуна с шаровидным графитом

 

Изобретение относится к сварке, в частности к дуговой сварке изделий из чугуна с шаровидным графитом, и может быть использовано в нефтегазовой промышленности, энергетике, судостроении, коммунальном строительстве. Кромки изделия подготавливают под сварку и осуществляют предварительный нагрев до температуры 200-600^oС со скоростью 3-7^oС/мин. Электродуговую сварку корневого и последующих швов ведут в среде защитного газа со скоростью 6-10 м/ч при плотности электрического тока 25-35 А/мм². Термообработку сварного шва проводят путем нагрева до температуры 800-850^oС со скоростью не более 10^oС/с с изотермической выдержкой в течение 3-5 мин и охлаждением на воздухе до температуры окружающей среды. Обеспечивается максимальное снижение остаточных напряжений, распад цементита, исключение охрупчивания границ зерен структуры сварного соединения.

Изобретение относится к сварке, в частности к дуговой сварке изделий из чугуна с шаровидным графитом, и может найти применение в нефтегазовой промышленности, энергетике, судостроении, коммунальном строительстве.

Известен способ механизированной, холодной электродуговой сварки чугуна, при котором процесс ведут плавящимся электродом из низкоуглеродистой стали, а в сварочную ванну подают присадочный пруток из алюминиевой бронзы [1] .

Однако этот способ не обеспечивает высокого качества сварного шва и не применим для сварки неповоротных стыков.

Известен также способ сварки изделий из чугуна с шаровидным графитом, который включает в себя предварительную разделку кромок под сварку и нагрев изделия до 250-500^oС и сварку в среде аргона неплавящимся электродом с присадочной проволокой с содержанием никеля не менее 90% на первом (корневом) шве. На следующих слоях - проволокой с содержанием никеля не менее 55% с последующим подогревом до температуры 950-970^oС, охлаждением на воздухе до 700-720^oС. Затем повторный нагрев ведут со скоростью не более 20^oС/с до 950-970^oС и охлаждением на воздухе до температуры окружающей среды или нагревом до температуры 950-970^oС и выдержкой 8-12 мин, охлаждением на воздухе до 730-740^oС, выдержкой при этой температуре не менее 6 минут и последующим охлаждением на воздухе до температуры окружающей среды [2] .

Недостатком данного способа является то, что для достижения качественного сварного соединения необходимо производить сложную термическую обработку сварного шва и использовать две разные по химическому составу проволоки. Этот способ является наиболее близким к заявляемому и принят в качестве прототипа.

Задача изобретения состоит в упрощении известного способа сварки без ущерба качеству сварного соединения.

Для достижения поставленной задачи были разработаны оптимальные режимы сварки чугунных изделий.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом: предварительно разделывают кромки для сварки и нагревают изделие до температуры 200-600^oС со скоростью 3-7^oС/мин. Данный режим нагрева не приводит к появлению термических трещин в изделии, одновременно обеспечивая получение качественного сварного соединения при заваривании зазора между кромками со скоростью сварки 6-10 м/ч и плотностью электрического тока 25-35 А/мм². При указанных режимах сварки обеспечивается минимальная зона термического влияния от тепловыделения, которым сопровождается электродуговая сварка. Отбел чугуна при этом проявляется к виде отдельных участков.

Последующий нагрев до температуры 800-850^oС со скоростью не более 10^oС/с и выдержкой при этой температуре 3-5 минут позволяет снизить сварочные напряжения, исключить образование трещин в сварном шве и околошовной зоне. Вместе с тем, выдержка при данной температуре в течение ограниченного времени (3-5 минут) не позволяет ферриту полностью перейти в аустенит. Поэтому при охлаждении происходит измельчение зерна за счет частичной перекристаллизации.

Экспериментально установлено, что при температуре нагрева под сварку ниже 200^oС в сварном соединении появляются трещины. Увеличение температуры нагрева выше 600^oС приводит к увеличению зоны неполного расплавления, которая характеризуется одновременным присутствием жидкой и твердой фаз. При быстром охлаждении жидкая фаза затвердевает, образуя белый чугун, в твердой же фазе (аустенит) могут возникнуть закалочные структуры (мартенсит). В этом случае остаточные напряжения создадут опасность возникновения холодных трещин.

Снижение скорости нагрева менее 3^oС/мин удлиняет процесс. Увеличение скорости нагрева более 7^oС/мин приводит к возникновению термических напряжений и появлению трещин в сварном шве.

Сварка при скорости ниже 6 м/ч способствует увеличению времени сварки и прогрева основного металла выше допустимой температуры. Увеличение скорости более 10 м/ч ухудшает качество сварного шва.

При плотности электрического тока менее 25 А/мм² из-за недостаточного проплавления качество сварки ухудшается. Увеличение плотности электрического тока более 35 А/мм² приводит к росту температуры сварного соединения, что недопустимо.

Термическая обработка сварного соединения при температуре ниже 800^oС приводит к образованию трещин в сварном соединении из-за остаточных напряжений. А термическая обработка выше 850^oС требует дополнительных энергетических затрат.

Скорость нагрева не более 10^oС/с позволяет уменьшить температурный градиент и термические напряжения, что приводит к значительному улучшению структуры металла, более полному распаду цементитных выделений.

Время выдержки менее 3 минут не позволяет снять все сварочные напряжения, что может привести к образованию трещин, а выдержка более 5 минут удлиняет процесс термообработки и уменьшает твердость сварного соединения.

Таким образом, предложенная технология обеспечивает максимальное снижение остаточных напряжений, приводит к распаду цементита, исключает охрупчивание границ зерен структуры сварного соединения (обратимая хрупкость)и разупрочнение основного металла из-за выделения и коагуляции карбидной фазы.

Пример реализации способа Необходимо изготовить сварное фасонное изделие для трубопровода - колено из чугуна с шаровидным графитом. Обрабатываются кромки под сварку под углом 20-25^o. Затем разделанные кромки нагревают газовой горелкой до температуры 200-600^oС со скоростью 3-7^oС/мин. Контроль температуры производят с помощью оптического прибора Кельвин.

После достижения заданной температуры проводят электродуговую сварку в защитных газах с использованием присадочной проволоки ПАНЧ-11. Скорость сварки 8 м/ч, плотность электрического тока при сварке равна - 30 А/мм². Сварку производят в зависимости от толщины основного металла в один или несколько слоев.

Сразу после завершения сварки проводят термообработку. Для этого сварное изделие подогревают в газовой печи до температуры 800^oС со скоростью 8^oС/с и выдерживают при этой температуре 4 минуты, затем изделие охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды.

Использованная литература 1. Авторское свидетельство СССР 1412896, кл. В 23 К 9/14, 1988 г.

2. Патент на изобретение RU 2064383 МПК 6 В 23 К 9/167, 9/23.

Формула изобретения

Способ сварки изделий из чугуна с шаровидным графитом, включающий подготовку кромок под сварку, предварительный нагрев, электродуговую сварку корневого и последующих швов в среде защитного газа и последующую термообработку сварного шва, отличающийся тем, что предварительный нагрев ведут до температуры 200-600^oС со скоростью 3-7^oС/мин, а сварку осуществляют со скоростью 6-10 м/ч при плотности электрического тока 25-35 А/мм², причем термообработку проводят путем последующего нагрева до температуры 800-850^oС со скоростью не более 10^oС/с с изотермической выдержкой в течение 3-5 мин и охлаждением на воздухе до температуры окружающей среды.