Способ регулирования термического цикла при электрошлаковой сварке

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОВРЕТЕН ИЯ . К АВТОРСКОМУ . СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик .Социалистическик

Республик

1и>919836 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 30.01.80 (2!) 2876991/25-27 (51)IVL. Кл.

В 23 К 25/00 с присоединением заявки,%

3Ьеударствеааый кемитет

СССР иа делам изобретеннй и аткрмткЯ (23) Приоритет (53) УДК 621. 791. .793(088.8) Опубликовано 15. 04. 82. Бюллетень № 3

Дата опубликования описания 15. 04. 82 (72) Авторы изобретения

Б. С. Касаткин, Н. Н. Кошелев, А. H. Хакимов у Л.А. Ефименко

1

Московский ордена, Трудового Красного Знамени„:; 1 е итут,1 нефтехимической и газовой промышленности (71) Заявитель (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО

ЦИКЛА ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКЕ

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к электрошлаковой сварКе (ЭШС) конструкционных сталей с регулированием термических циклов

Известен способ электрошлаковой сварки с регулированием термических циклов путем применения сопутствующего охлаждения (1) .

Согласно из вестному способу (" f f 110

nes") и процессе ЭШС осуществляется принудительное охлаждение сварного соединения при помощи специальных устройств, установленных эа формующими шов ползунами. В результате

15 такого охлаждения регулирование параметров термических циклов, а следовательно, и свойств .сварных соединений возможно только на стадии охлаждения с температур 950 С, после появления нагретого металла из-, под полэунов. Поэтому данный .способ имеет следующие недостатки. Он не позволяет регулировать параметры термических циклов на стадии нагрева (скорость нагрева и длительность пребывания нагретого металла выше температуры Ас). Увеличение интенсивнесз ти теплоотвода от сварного соединения и повышение скорости охлаждения последнего возможно линь после появления нагретого металла иэ-под формуюц их шов ползунов. Таким образом, параметр, характеризующий время пребывания выше температуры Ае при охлаждении тоже не регулируем. Эти недостатки приводят к тому, что условия интенсивного роста зерна аустенита существенно не меняются при применении данного метода по сравнению с обычной технологией ЭШС. Следствием этого является интенсивный рост зерна аустенита и понижение ударной вязкости.

Недостатком данного способа также является отсутствие в процессе ЭШС взаимосвязи между параметрами, характеризующими электрические режимы сварки., и параметрами охлаждающего устройства.

3 9198

Известен способ регулирования термического цикла при электрошлаковой сварке, при котором получаемый в процессе сварки сварной шов охлаждают с помощью водоохпаждаемых ползунов и водовоздушной,смесью, подаваемой через воздушно-гидравлические форсунки (21.

Однако связь между электрическими режимами сварки, теплофизическими 10 свойствами стали, конструктивными элементами подготовки кромок и параметрами охлаждающего устройства при этом способе ЭШС отсутствует как и в предыдущем. 13

Эффективность его применения определяется тем, насколько выбранная программа охлаждения обеспечивает приближение термических циклов к оптимальным с точки зрения получаемой структу- . ры и механических свойств сварных соединений. Для оптимизации програм- мы охлаждения необходимо оценить влияние около 30 факторов, характеризующих электрические режимы сварки; толщину и теплофизические свойства свариваемой стали, конструктивные элементы подготовки кромок, параметры охлаждающего устройства.

Недостатком чзвестного способа . также является то, что программа охлаждения выбирается на основе предварительных трудоемких экспериментов, при которых изменяются параметры оптимизации и осуществляется сварка с регистрацией термических циклов. 35

При этом решение задачи выбора программы охлаждения принимается в условиях действия двух противоположных тенденций: увеличение количества экспериментов, необходимое для наиболее i0 полной оценки действия указанных факторов, увеличивает трудоемкость и продолжительность исследований; сокращение количества экспериментов снижает вероятность того обстоятель- 4$ ства, что выбранная программа охлаждения соответствует оптимальной.

Цель изобретения — повышение сопротивления сварных, соединений хрупкому разрушению эа счет оптимиза- SO ции параметров термического цикла.

Указанная цель достигается тем, что .согласно способу регулирования термического цикла при электрошлаковой сварке в .процессе сварки изме" у ряют разность температур охлаждакицей среды на входе и выходе из ползунов ее расход через ползуны, расход охлаждающей среды Через форсунки, ка личество среды, которую собирают после соприкосновения с охлаждаемой поверхностью, разность температур охлаждающей среды на входе в форсунки и после соприкосновения с поверхностью сварного соединения и изменяют расход через форсунки при задан" ном значении расстояния от поверхности шлаковой ванны до верхней кромки охлаждаемой площади пропорционально удельной погонной энергии сварки и произведению разности температур охлаждающей среды до и после соприкосновения с поверхностью сварного соединения на, удельную теплоемкость охлаждающей среды, а также обратно пропорционально произведению расхода охлаждающей среды через ползуны на разность температур. на входе и выходе из ползуна.

Для осуществления способа применяется установка ЭШС, оборудованная системой подвода охлаждающей среды к заданным участкам сварного соединения и сбора ее после воздействия на охлаждаемые участки. Датчики и контролирующие системы позволяют регулировать параметры охлаждения в зависимости от конкретных условий сварки е

На фиг. 1 приведена схема регулирования параметров термических циклов при ЗШС,-

Схема содержит свариваемое изделие 1; ползун 2, формующий, шов, шлаковую ванну 3; электродную проволоку 4; механизм 5 подачй электродной проволоки; металлическую ванну 6; охлаждающее устройство 7 (например, гидравлическая форсунка), охлаждающую среду 8; емкость 9 с охлаждающей средой; насос 10 для подачи охлаждающей среды к форсунке и ползуну; клапан 11, регулирующий подачу охлаждающей среды в форсунку, расходомер

12 (например, индукционный) для определения количества охпаждающей среды, поступающей в .форсунку, датчик 13 контроля температуры охлаждающей среды на выходе из сборника (после охлаждения сварного соединения); сборник

14 охлаждающей среды, датчик 15 контроля температуры охлаждающей среды, поступающей в форсунку, расходомер

16 для определения количества охлаждающей среды, поступающей из сборника, клапан 17, регулирующий подачу

40 воды

5 9198 охлаждающей среды в ползун, расходо- мер 18 для определения количества. охлаждающей, среды, поступающей в пол зун; датчик 19 контроля температуры охлаждающей среды, поступающей в пол- 5. зун, датчик 20 контроля температуры охлаждающей среды, выходящей из ползуна, систему 21 регистрации и ввода данных в ЭВМ; 3ВМ 22, управляющую. процессом регулирования. 1О

На основе анализа процесса тепловыделения и теплоотвода применительно к рассматриваемым условиям сварки получено следующее уравнение для определения температурного поля предель- 15 ного. состояния, перемещающегося со скоростью сварки;

4»

Т(.х,ц,ь, ) =,у р1

Ч е«р(-- -,ф «) «z1,*,,+ z«)gvtk1 +ц«1) —" „Дур,ехр(- ")5фФ екР(""-и+ где q — полная тепловая мощность лиL нейных источников тепла, ф-Qa.(q«z + gg) 30 0,2430. EL5, К(ТЬ To)+фиг f н1 (кал/с см), (2) где Q — полная тепловая мощность источника нагрева, кал/с, — ток А

Э Э

35.

U — напряжение, В; - потери тепла на нагрев воды и. в ползунах,, кал/с, G11 — расход воды на охлаждение ползунов, г/c, К вЂ” удельная теплоемкость кал/c ° смз С

Та,— начальная температура воды, S

Т вЂ” температура воды на выходе

a, 45. из ползунов, С, q - потери тепла на излучение

Ь с поверхности шлаковой ванны, кал/с, q — удельный поток полной теплоп.n 2 О отдачи, кал/см С, F — площадь поверхности шлаковой

И ванны, равная площади попе-. речного сечения направляемомого металла, см

Мощность линейных источников мож55 но распределить по высоте шлаковой и металлической ванн на три источниКа с1, q и q, действующих в плоркос36 6 ти ХО перпендикулярно оси ОХ. Мощ-. ность источников принимается равной, п ч -ч" = = 1 (3)

Ч вЂ” скорость сварки задается соотношением

Ч= „(см/с), (4)

Н где п — число электродов;

4 — диаметр электродной проволоки, см, Чэ — скорост ь подачи электрода, см/с, Гн .— площадь поперечного сечения металла, направленного за один проход, см

В зависимости от условий ЭШС, толщины металла и конструктивных элементов подготовки кромок площадь поперечного сечения направленного метайла определяется по одной из следующих формул: при сварке продольных стыков

Г„=- .ap+t @ (5) при сварке кольцевых стыков

F„=" tg«< +"%+f»q, при сварке кольцевых стыков

Fz =h tgg+2R, 6+1, Ч+ —;- - (7.) а

- коэффициент теплопроводноо сти, кал/см с С;

b — коэффициент температуроотдачи 1/c — коэффициент температуропроводности см2/с, Xi.,1к 3»Х- координаты рассматриваемой точки см; г" — плоский радиус-вектор -.расстояние от игмаяеиного положения источника до рассмат3 риваемой точки, см; — толщина металла, см, bo — длина линейного источника— стока тепла, см, z

11,R - ордината и сферический радиус-вектор элемента d отрезка р = p

3 (для левон z; для правои 5-2), К (U) — функция Бесселя от мнимого

О аргумента 2-ro рода нулевого порядка.

При 0с 2,5 рассматриваемая функция Бесселя выражается через гиперболический косинус

Ka(U)=Se d 8 )cM), (8) 919836

8 !

Q t lK(T То ) (кал/с) где М

1. До Р в+ В где с 8 - — при 8 от 0 до 20, а при 0 > 2,5 определяется соотношением У - -м . . . -.5 . к " = И gU+г(ео ) Ь .ВО) " >

-(9)

q и q — суммарная тепловая мощно ст ь ст ок ов т епла ъ=0, + .„ (10) !

О где ©сь — тепло, затрачиваемое на нагрев охлаждающей среды, подаваемой через форсунки, кал/г;

gn — тепло, затрачиваемое на парообразование охлаждающей среды, кал/с. — расход охлаждающей жидкрсти, г/с; — удельная теплоемкость

У кал/г. С;

О.„=й (Тк -То )+ гй (кал/с), (12) где М. — расход охлаждающей жидкости, r/с, превращающейся в пар, Т вЂ” температура кипения жидкости при данном давлении, С, Т вЂ” начальная температура жидкости С 1

r — удельная теплота парообразования, кал/г.

На фиг. 2 обозначено: 1 — свариваемый металл; 2 — шлаковая ванна, 3— металлическая ванна, - 4 — ползун, фор- 33 мирующий шов, 6 — охлаждаемая поверхность сварного соединения с помощью форсунок (форсунки) Хнп = Хчп =kj )(к = Хкп = Х)+Н 1 Нч"-"5.+

B соответствии с фиг. 2 определяются координаты стоков тепла.

Полученное выражение позволяет

43 проанализировать влияние на термические циклы:

- конструктивных элементов подготовки кромок (Величины сварочного зазора Ь, усиления шва q, высоты скоса кромок h, ширины шва l угла раз делки, величийы притупления С)- (фиг. 3) — режимов сварки (тока I напряжения U скорости подачи электродной проволоки Чз, ее диаметра d, количества электродов n); — толщийм и теплофйзических свойств металла g, Д, Д, С1I; где С1 — объем ная теппоемкость, — параметров охлаждения ползуна (Н С ТцТ ), где Н вЂ” высота ползуна; — размеров шлаковой и металлической ванн (Н1, Н ), где Н1 и Нэ — глу. бина ванн; — условий теплоотвода с учетом схемы одно- или двухстороннего охлаждения (Н, Н 4, Ь, 1, 1, Т,, Q, G„).

Для расчетной схемы с тремя источниками нагрева и двухсторонним охлаждением количество факторов, годлежащих анализу, достигает 30.

Практическая реализация такой математической модели требует разработки соответствующей программы для расчетов с применением ЭВМ.

На фиг. 4 представлена блок-схема программы, подготовленной для расчета регулируемых термических циклов, например на ЭВМ МИНСК-32".

О

Работу, системы поясняется на примере ЭШС кольцевых стыков.

Процесс сварки с регулированием термических циклов осуществляется следующим образом. Путем расплавления ,гранулированного флюса, заполняющего пространство между кромками основного металла (свариваемого изделия) 1 и ползуном 2, плотно прижатым к поверхности свариваемого изделия, наводится шлаковая ванна 3.

Плавление флюса производится дугой, возникающей в начальный период сварки между основным металлом и электродной проволокой 4, подаваемой в сварочный зазор механизмов 5 подачи прово\ локй. После расплавления определен,ного количества флюса дуга шунтируется расплавленным шлаком и гаснет.

Шпак расплавляет кромки основного металла и электрод, который подается в шлаковую ванну, со скоростью, равной скорости его плавления. Расплавленный электродный и основной металл стекают на дно шлаковой ванны и образуют металлическую ванну 6. По ме-, ре удаления источника нагрева происходит кристаллизация металла сварочной ванны. Для регулирования нараметров термических циклов применяется охлаждающее устройство 7, например форсунка, которая занимает в процессе сварки стационарное относительно свариваемого иэделия и уровня металлической и шлаковой ванны положение. Форсунка обеспечивает

1 подачу охлаждающей среды 8 на площадь

91983 поверхности сварного соединения, ограниченную из отермами максимальных температур от температуры свариваемого металла до температуры близкой к температуре плавления. Охлаждающая- среда подается в форсунку из емкости 9 при помощи насоса 10 с электродвигателем. В сети подачи охлаждающей среды в форсунку установлены регулирукщий клапан 11, позволякщий И3 включать, отключать и регулировать подачу охлаждающей среды, расходомер 12, фиксирукщий количество подаваемой среды (И+Н) и датчик 13 контроля ее температуры Тп. Из форсунки охлаждающая среда .поступает на поверхность сварного соединения, охлаждает ее и собирается в сборнике

14, из которого поступает в емкость

9. Температура воды на выходе из сборника Т регистрируется датчи.ком 15, а ее расход (количество М)— расходомером 16. Разность показаний расходомеров 12 и 16-позволяет определить количество охлаждающей жидкости И, превратившееся в пар, а следовательно, и количество тепла, затраченного на парообразование. В формующий шов ползун 2 охлаждающая среда подается также насосом

10 из емкости 9. Включение, отключение и регулирование подачи охлаждающей среды в ползун осуществляется при помощи клапана 17. Ее расход

О

G измеряется р асходомер ом 18, а т емпература на входе ТО и выходе Т из

35 ползуна датчиками 19 и 20 соответственно. Показ ания всех расходомеров и датчиков (И+И); Тд, И; Т, 6 ; Т ) поступают в систему 21 .регистрации и ввода данных в ЭВМ 22.

В ЭВМ 22 в соответствии с блок схемой программы также вводятся исходные данные о свариваемом материале, конструктивных элементах подготовки кромок, режиме сварки. Затем рассчи43 тывается термический цикл сварки по формуле (1) и сопоставляется с заданным

Как видно из формулы (1), изменение температуры в данной точке тела во вр емени з ависит от полной т епло в ой мощности линейных источников тепла .q и суммарной тепловой мощности сто"

L ков тепла о„и ц . Полная тепловая мощность лйнейных источни- ss ков тепла q (2) определяется тепловой мощностью источника нагрева Q и потерями тепла на нагрев воды

6 10 в ползунах с „ и на излучение с поверхности шлаковой ванны q . Величина Q, определяется значениями электрических режимов сварки: значение gg — зависит от, конструктивных элементов подготовки кромок, о„ определяется расходом охлаждающей среды через ползуны (Ig ), ее удельной теплоемкостью (К) и разностью температур на входе (Tp ) и выходе (Т ) иэ ползунов. Тепловая мощность стоков тепла „зависит (формулы, )0-12) от расхода охлаждающей среды, поступающей на свариваемое изделие из форсунки, разности температур охлаждающей среды после соприкосновения с поверхностью сварного соединения (Т ) и на входе в форсунку (Тp) и удельной теплоемкости охлаждающей среды, а также количества охлаждающей среды, превращающейся в пар, температуры кипения жидкости при данном давлении и удельной теплоты парообразования. Причем,цля принятой схемы количество охлаждающей среды,.превращающейся в пар, остается постоянным.

Заданному термическому циклу . соответствуют определенные значения указанных величин.

При изменении температуры охлаждающей среды на выходе из ползуна (сигнал поступает в машину от датчика 20), например при ее увеличении, повышается теплоотвод в ползу- не и уменьшается полная тепловая мощность источников тепла, а следовательно, и температура в данной точке тела в данный момент времени (Il термический цикл отклоняется от заданного. Для возвращения термического цикла к заданным значениям необходимо уменьшить тепловую мощность стоков тепла (1). Это достигается следующим образом. От ЭВМ к клапанам

II и 17 поступает сигнал, согласно которому количество охлаждающей среды, поступающей из емкости 16 в форсунку, уменьшается. При этом ее расход через ползуны поддерживается постоянным. Таким образом, изменение расхода охлаждающей среды через форсунку обратно пропорционально произведению расхода охлаждающей среды через ползун на разность температур охлаждающей среды на входе и выходе из ползуна и на удельную теплоемкость среды, охлаждающей ползун.

В результате изменения режимов сварки или геометрии кромок сваривае

11 9198 мого изделия увеличивается удельная погонная энергия сварки, т .е. увели- . чивается полная тепловая мощность линейных источников тепла . Это согласно формуле (1) способствует повышению

° температуры и отклонению термического

4 цикла от заданных значений. От датчика

13 в машину поступает сигнал î повышении температуры охлаждающей среды на выходе ее из сборника. С целью воз- 10

3 вращения параметрбв термического цикла к заданным значениям необходимо увеличить тепловую мощность стоков .тепла.

Это достигается следующим образом.

От. ЭВИ к клапанам 11 и 17 поступает 15 сигнал, согласно которому количество охлаждающей среды, поступающей из емкости в форсунку, увеличивается, что способствует повышению тепловой мощности стоков, тепла. Таким образом, 20 изменение расхода охлаждающей среды через форсунку пропорционально удельной погонной энергии сварки и произве-. дению разности температур охлаждающей среды до и после соприкосновения 2S с поверхностью сварного соединения на удельную теплоемкость охлаждающей среды. При ЭШС продольных стыков фор мирование сварного шва осуществляется двумя ползунами. Охлаждающее устройство по-прежнему обеспечивает охлаждение сварного соединения на площади, ограниченной изотермами максимальных температур от температуры, близкой к температуре плавления. При сварке сталей больших толщин, например более 80-100 мм, может применяться двухстороннее охлаждение. С увеличением количества ползунов или охлаждающих устройств соответственно увеличивается количество приборов, реги40 стрнрукщих температуру и расход ох-. лаждающей среды.

Применение данного способа позволяет обеспечить непосредственно в процессе сварки оптимальный уровень механических свойств, в частности, по важнейшему показателю — ударной вязкости металла шва и зоны термического влияния сварных соединений; отказаться от последующей нормализации сварных соединений, выполненных электрошпаковым способом, заменить многопроходную автоматическую сварку под флюсом на электрошлаковую с регулированием термических циклов, выпол- >f

36

12 нять электрошлаковую сварку термичес- ки упрочненных сталей. Технико-экономическая эффективность применения способа заключается в повышении производительности процесса сварки, сокращении . количества дефектов сварных швов, уменьшении расхода сварочных материалов и электроэнергии.

Формула изобретения

Способ регулирования термическо-! го цикла при электрошлаковой сварке, при котором получаемый в процессе сварки сварной шов охлаждают с помощью водоохлаждаемых ползунов и водовоздушной смесью, подаваемой через воздушно-гидравлические форсунки, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения сопротивления сварных соединений хрупкому разрушению за счет оптимизации параметров термического цикла, в процессе сварки измеряют разность температур охлаждающей среды на входе и выходе из ползунов, ее расход через ползуны, расход охлаждающей среды через форсунки, количество среды, которую собирают после соприкосновения с-охлаждаемой йоверхностью; раз ность температур охлаждающей среды на входе в форсунки и после соприкосновения с поверх- . ностью сварного соединения и изменяют расход охлаждающей среды через форсунки при заданном значении расстояния от поверхности шлаковой ванны до верхней кромки охлаждаемой площади пропорционально удельной погонной энергии сварки и произведению разности температур охлаждающей среды до и после соприкосновения с .поверхностью сварного соединения на удельную теплоемкость охлаждающей среды, а также обратно пропорционально произведению расхода охлаждающей среды через ползуны на разность ее температур на входе и выходе из ползуна.

Источники информации, принятые во внймание при экспертизе

I. Патент Франции У 2032890, кл. В 23 К 25/00, опублик. 27.02.70.

2. Авторское свидетельство СССР

М, 470150, кл. В. 23 К 25/00, 11.02.74 (прототип).

9!9836

7олщина сталгl

Теллоририиеские сВойстВа. стало

Ремом сбцрни г корость

c8арки нонструк ттидиьге ементы лодготоВки нро мок хаюакщеристики копг пла йлопзунах urn ямие отд-ти Ванны

Х ржа еристики гила ко3ой и ме апяиоеской и параметры охлагхдаюгигео устройстВа.

Раультаты раяета T(d,Х, g ZJ

Составитель В. Пронин

Редактор М.Дылын Техред ф„ дц Корректор N. Коста

Заказ 2228 !2 Тираж !!5! Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП йощиос окейнгг! истлникоВ

Жахаем

gот онкикогт ноере&а

l7поггг аРь лолере г; сененип мг лИл металла аораонащы ист никоВ нагреВа

Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 мощноап стоко8 телла оуеи ижьг сток телла. п7ефюе oalip P d но/те/7

net