Способ вертикальной сварки открытой дугой

 

ОПИСАНИЕ „„927441

ИЗЬБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсимн

Соцмалисткчесиин

Республик (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (5l)M. Кл.

В 23 К 9/18

В 23 К 25/00 (22) Заявлено 05.05.80 (2l ) 2919871/25-27 с присоелииеииент заявки М (23) Приоритет

1еоударственный комитет

IIo делам изобретений н открытий

Опубликовано 15.05.82. Бюллетень № 18

Дата опубликования описания 17.05.82 (53) УДК 621..791.75 (088. 8) (72) Авторы изобретения

А. E. Аснис, В. Н; Лиханосов, Ю. Я. Грецкий, В., А. Метлицкий, П. M. Несвит и Н. М. Сытник

1 г.

Ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени институт электросварки им. Е. О. Патона и 1+есоюЪный научно-исследовательский и конструкторско-технолФ ттчеокий институт компрессорного машиностроения (7I) Заявители (54) СПОСОБ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СВАРКИ ОТКРЫТОЙ ДУГОЙ

Изобретение относится к технологии дуговой сварки, преимущественно дуговой сварки чугуна, и может быть использовано при изготовлении литосварных конструкпий, а также при выполнении наплавочных и рем нтных работ.

При сварке чугунных деталей с. получением металла шва, однородного основному по структуре и свойствам, необхо-. димо создание условий, обеспечивающих замедленное охлаждение изделий в зоне сварки с тем, чтобы исключить образование ледебурита в металле шва и зоне сплавления и мартенсита в зоне термического влияния. Обычно такие условия достигаются в связи высокого предварительного подогрева изделий и мерам, которые принимаются для замедления скорости остывания заваренной отливки (горячая" сварка).

В случае сварки без предварительного подогрева "мягкий" термический цикл в околошовной зоне, замедленное охлаждение металла шва и снижение интенсив

ЬЬ ности нарастания сварочных напряжений .могут быть обеспечены только за счет . большого тепловложения в изделие, для чего требуется высокая погонная энергия.

5 . Наиболее близким к такому требованию являются способы дуговой сварки с принудительным формированием металла шва и электрошлаковой сварки, которым свойственна относительно малая скорость то сварки, и цри этом степень тепловложения широко регулируется за с ет сочетания рациональной величины зазора между свариваемыми кромками и значе)$ ний параметров режима сварки. Применительно к сварке чугуна оба. способа обладают как положительными качествами, так и существенными недостатками.

Известный способ вертикальной сварки стальных деталей с принудительным формированием шва заключается в том, что электрическая дуга горит между концом порошковой проволоки и поверхностью жидкой металлической ванны, ко

9274 торая, по мере заполнения .зазора и вер-, 1 тикального перемещения дуги, кристаллизируется в объеме, образованном рплавленными кромками и искусственно охлажденными медными ползунами или подкладками 1 )

При вертикальной дуговой сварке чугуна с принудительным формированием с использованием порошковой проволоки

I для наплавки чугуна.не всегда обеспечи- 1р вается качественное сплавление, например, при сварке ферритного или ферритоперлитного чугунов с крупными графитовыми включениями. Кромки основного металла при таком способе оппавпяются не дугой, а за счет избыточного тепла от перегрева сварочной ванны. Крупные графитовые включения, занимаюшие до

l 5% оплавленной поверхности, выступают в роли барьера при расплавлении основного металла, достаточно плотно покрывая межфазную поверхность. В зоне, где происходит сплавление, чугун сваро ..— ной ванны имеет температуру, близкую к солидусу, и поэтому не может растворить крупные графитовые включения. В результате этого на границе шов-основной металл отмечаются большие участки с несплавлением. Повышение содержания углерода и кремния в проволоке необходимое для протекания процесса т рафитизации металла шва при кристаллизации .сварочной ванны, только ухудшает смачивание сплавленных кромок и увеличивает количество участков с несплавлением.

Шлаковая ванна при электрошлаковой

35 сварке чугуна способствует растворению графитовых включений, покрывающих оплавленную поверхность, и предохраняет последнюю от окисления воздухом, тем

40 самым способствуя смачиванию ее металлической ванной (жидким чугуном) и хсрошему сплавлению с основным металлом.

Выполнение электрошлаковой сварки с получением однородного металла шва

45 возможно лишь, если в качестве электрода используются литые чугунные пластины или стержни. Это ограничивает длину свариваемых швов и не обеспечивает непрерывности процесса сварки.

Для непрерывности процесса электрошлаковой сварки требуется проволочный электрод. Проволока сплошного сечения из чугуна изготовлена быть не может, а осушествление электрошлакового процесса порошковой проволокой, предназначенной для наплавки чугуна, невозможно. Объясняется это тем, что температуI

41 4 ра активного объема шлаковой ванны

Э где происходит плавление проволоки, недостаточна для получения однородной капли, по составу близкой к расчетному составу порошковой проволоки. Плавление- оболочки порошковой проволоки значительно опережает плавление тугоплавкого спрессованного сердечника, сердечник отваливается кусочками, которые всплывают в шлаковой ванне и засоряют металл шва. С увеличением напряжения процесс переходит в дуговой.

Известен спосбб вертикальной сварки открытой дугой с принудительным формированием металла шва, при котором использук г порошковую проволоку и на поверхности металпической ванны в .течение всего процесса сварки поддерживают слой жидкого шлака (2) .

Однако в этом способе слой жидкого шлака слишком тонок, дуга раздвигает . его и горит между электродом и метал- . лической ванной.

Самозащитная порошковая проволока, применяемая для вертикальной дуговой сварки стали, практически не содержит флюсообразующих компонентов, а возможность сварки открытой дугой достигается за счет сгорания газообразующих компонентов с образованием смеси газов СО +

+ СО . Кроме того, при сварке сталей слой шлака, образующийся из примесей шихты порошковой проволоки и от загрязнений с кромок деталей; специально удаляется из сварочной ванны, так как затрудняет ведение процесса.

Бель изобретения — получение при непрерывной вертикальной сварке чугуна доброкачественного соединения, со швом любой протяженности, однородным основному металлу по химическому составу, структуре и равноценным ему по механическим свойствам.

Поставленная цель достигается тем, что для осуществления вертикальной сварки открытой дугой порошковой проволокой с принудительным формированием используются преимушества как дуговой, так и электрошлаковой сварки, а именно: за счет дугового процесса (дуга горит между конном электродной порошковой проволоки и поверхностью шлаковой ванны) достигается значитепьный перегрев шлаковой ванны, .:. результате чего увеличивается тепловложение в свариваемую деталь, обеспечиваются мягкий термический цикл в околошовной зоне и качес:твенное сплагление с yri нем любой струк927441

5 туры. С этой целью глубину слоя жидкого шлака на поверхности ванны поддерживают равным 1/6-1/2 тожцины свариваемых заготогок.

Наличие шлаковой ванны значительной .5 глубины обеспечи-ver стабильное горение электрической nyrz. между поверхностью шлака и концом электродной порошковой проволоки в течении всего времени сварки. 1О

На чертеже изображена схема сварки .чугуна.

В зазоре между свариваемыми пластинами 1 любым известным способом (заливкой жидким шлаком, индукционным нагревом, дуговой сваркой плавящимся или неплавящимся электродом) наводят шлаковую анну 2 определенной требуемой глубины. Между поверхностью шлаковой ванны 2 и концом порошковой про- 20 волоки 3 возбуждают дугу 4. Расплавляясь, порошковая проволока 3 и свариваемые кромки пластин 1 образуют металлическую ванну 5, которая в процессе сварки находится под шлаковой ванной 2.

Предупреждение вытекания жидкого металла и шлака, а также формирование сварного шва 6 осуществляется медным водоохлаждаемыми или графитовыми ползунами 7. 30

Поскольку шлаковая ванна является дополнительным сопротивлением; то необходимое для устойчивого пропесса сварки напряжение превосходит напряжение известного способа в 1,5-2 раза и опре- деляется глубиной шлаковой ванны, а также электропроводностью шлака. Минимальная глубина шлаковой ванны (обычно не менее 5 мм) обусловлена возможностью поддержания дуги между кон- 40 цом порошковой проволоки и поверхностью этой ванны. При меньшей глубине шлак может выдуваться электрической дугой, которая начинает гореть концом порошковой проволоки и металлической ванной, 45 в результате чего не достигается требуемый эффект повышения качества наплавленного металла. Верхний предел глубины шлаковой ванны (12-15 мм) ограничен мощностью применяемых в промышленности источников питания сварочной дуги и требованиями техники безопасности.

Выполняется вертикальная сварка

S5 встык пластин из г,гула на марки СЧ 18-ЗЬ размерами 400х200х30 мм (длина шва

400 мм). Используется сварочная установка А-433 Р с источником литаниявыпрямителем ВКСМ-1000 и балластны-. ми реостатами РБ-300. Одна сторона шва формируется медным водоохлаждаемым ползуном, другая — меднсй водоохлаждаемой пластиной.

Пример 1. Используется порошковая проволока марки ПП-АНЧ-2 диаметром 3 мм и флюс АНФ-28. Режим сварки: ток 340-380 A (постоянный, сбратной полярности); напряжение дуги

56-57 В при глубине шлаковой ванны

12-15 мм, 48-50 В при глубине ванны

7-8 мм и 45-46 В при глубине ванны

5-6 мм. Химический состав металла шва, %: углерод 3,2-3,4; кремний 2,5-2,7; марганец 0,6-0,7, сера 0,03; фосфор

0,07. Микроструктура шва представляет собой мелкопластинчатый графит, равномерно распределенный в перлитной металлической основе. Предел про .ности металла шва на разрыв 25-28 кгс/мм (образцы с диаметром рабочей части

10 мм и расчетной длиной 50 мм)..

Пример 2. Применяется опытная порошковая проволока диаметром 3 мм, отличающаяся от проволоки ПП-АНЧ-2 несколько меньшим содержанием углерода и большим содержанием кремния, и флюс

АНФ-1. Режим сварки: ток 360-380 А (постоянный, обратной полярности); напряжение дуги 46-48 В при глубине шлаковой ванны 5-6. мм. Химический состав металла шва, %: углерод 3,03,2, кремний 2,7-2,9 марганец 0,60,7; сера 0,04-0,05; фосфор 0,070,08. Микроструктура шва: пластинчатый графит средней величины, равномерно распределенный в перлитно-ферритной металлической основе. Предел прочности металла шва на разрыв 21-23 кгс/мм (на тех же образцах).

B обоих случаях процесс сварки является стабильным с минимальным разбрызгиванием. Металл ruea плотный, без пор, трещин и других дефектов. Отбела в зоне сплавления нет. Твердость металла шва и зоны термического влияния не превышает 220-230 НВ; обрабатываемость соединения хорошая.

Таким образом, экспериментально подтверждено, что при выполнении сварки по предлагаемому способу металл шва представляет собой чугун, близкий по химическому составу и структуре ос-, новному металлу, а соединение в целом имеет высокую прочность.

Предлагаемый способ будет применен для изготовления крупных литосварных безделий из чугуна, имеющих вертикальные швы, в частности, фундаментных рам мощных компрессоров и других установок. Он может быть ис ользован

1 для наплавки слоев чугуна с особыми

f свойствами: жаростойких, износостойких,, коррозиоиностойких и др.

Экономический эффект дос;тигается за счет расчленения сложных отливок из чугуна на более простые с последующей сваркой, исключения предварительного подогрева изделий перед сваркой и последующей термической обработки и др.

Расчет экономической эффективности произведенный во ВНИИКомпрессормаш, показывает, что при изготовлении фундаментных рам компрессоров большой мощности применение предлагаемого способа сварки чугуна обеспечит экономию в 40 руб. на одну раму. Годовой экономический эффект составит 160 тыс. руб. при выпуске 4000 компрессоров.

7441 8

Формула .изобретения

Способ вертикальной сварки, открытой дугой, при котором сварку ведут порошковой проволокой, осуществляют принудительное формирование металла шва и о на поверхности металлической ванны в течение всего процесса сварки поддерживают слой жидкого шлака, о т л и ч а ю р ш и и с я тем, что, с целью повышения качества сварных соединений при сварке чугуна путем увеличения тепловложения в соединение, глубину слоя жидкого шлака поддерживают в пределах 1/6-1/2 толшины свариваемых заготовок.

Источники информации, принятые во внимание прн экспертизе

1. Походня И.. К. и др. Дуговая сварка вертикальных швов с принудительным формированием. — "Автоматическая сварка", 1966, ¹ 11, с. 67-70.

2. Патент США № 3806695, кл. 219-126, 23.04.74 (прототип).

BtfHH11H Заказ 3081/16 Тираж 1151 Подписное

Филиал 11ПП Патект", r. Ужгород, ул. Проектная, 4