Способ соединения трубы с концевой деталью и устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ »944838 (6) ) Дополнительное к авт. свил-ву (22)Заявлено 100780 (21) 2955757/25-27 (51) М. Кл.

В 23 K 9/16

В 23 К 28/00 с присоединением заявки № (23) Приоритет ран1дарсжнный кемнтвт

СССР нн делам нза4рвтвннй н отнрытнЯ

Опубликовано 230782. Бюллетень №27

Дата опубликования описания 230782 (53) УД К 621 . 791.

° 75.9 (088.8) (72) Авторы изобретения

В.M.Àëàåâ и P.Х.Гибадуллин (7l) Заявитель (Я ) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБЫ С КОНЦЕВОЙ ДЕТАЛЬЮ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение отМвсится к сварке, в частности к способам соединения трубы с концевой деталью и устройствам для осуществления способа, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при сварке изделий из глубокоаустенитных сталей и сплавов с пониженной технологической прочностью.

При производстве сварных, особенно, тонкостенных конструкций ставится задача получения бездефектных сварных соединений. Одним из наиболее опас-. ных дефектов, протяженность которых может достигать 504 толщины стенки трубы (200-300 мкм), являются горячие трещины как в шве,так и в пришовной зоне. Наиболее важной является эта задача при производстве, например, тепловых труб с интенсивным з0 теплоносителем - жидким натрием.

Известен способ предотвращения горячих трещин в сварных нахлесточ-. ных соединениях, заключающийся во

2 введении промежуточной прокладки из другого материала, например луженой стали с повышенной вязкостью между соединеяемыми деталями. Наличие вяз-. кого металла прокладки в корне шва снижает концентрацию напряжений и повышает стойкость против образования горячих трещинГ1).

Однако при сварке нахлесточных соединений труб с концевой деталью, выполненных из глубокоаустенитных хромоникелевых жаропрочных сталей, можно этим способом понизить концентрацию напряжений в корне шва и уменьшить протяженность наблюдаемых горячих трещин,но нельзя их устранить.

Также нельзя полностью устранить горячие трещины в околошовной зоне полигонизации, на которую не распространяется влияние прокладки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ соединения трубы с концевой деталью, при котором трубу собирают

3 944838 с концевой деталью с зазором и выполняют сварку в среде защитных газов.

В известном способе для предотвращения горячих трещин в: сварных швах и пришовной зоне полигонизации соединений труб с концевыми деталями, выполненных из аустенитных, но двухфазных (- + с ) нержавеющих сталей, выполняют предварительный частичный переплав внутренней поверхности свариваемого конца трубы с целью возбуждения второй фазы феррита не только в шве, но и в пришовной зоне, и тем самым повышают технологическую прочность, т.е. повышают сопротивления образованию горячих трещин.в указанных выше .сварных соединениях(2 ).

Однако при использовании трубы и концевой детали из глубокоаустенитных хромоникелевых сталей и сплавов., в которых после переплава не образуется указанной выше второй с(,-фазы, этим способом невозможно устранить горячие трещины. Максимальная протяженность наблюдаемых горячих трещин в шве аргонолугового соединения, например, стали ЗИ 847, достигла

250 мкм при толщине стенки трубы

500 мкм. Трещины распространяются зо от подшовного конструктивного надреза-концентратора напряжений (деформаций ) нахлесточного соединения трубы с концевой деталью в шов, а в околошовной зоне (шириной 50-100 мм ) горячие трещины распространяются с внутренней поверхности трубы вовнутрь стенки.

Известно устройство, включающее микрокамеру со сварочной головкой (31.

Цель изобретения — предотвращение

40 полигонических и кристаллизационных горячих трещин в шве, околошовной зоне и корне шва путем устранения концентратора напряжений в корне шва и околошовной зоне.

Для достижения этой цели согласно способу соединения трубы с концевой деталью, при котором трубу собирают с .концевой деталью с зазором и выполняют сварку в среде защитного газа, в процессе сварки зазор заполняют металлом сварочной ванны под корнем шва на заданную глубину путем вакуумирования внутренней полости трубы. 55

Для увеличения глубины заполнения зазора под корнем шва сварку выполняют с предварительным подогревом.

Для увеличения эоны взаимодействия расплавленного металла в зазоре под корнем шва с соединяемыми поверхностями .трубы и концевой детали из тугоплавких металлов и глубокоаустенитных сталей, перед сборкой .и сваркой обрабатывают соединяемые поверхности до аморфной структуры на заданную глубину.

Заполнению жидким металлом зазора под корнем шва между внутренней поверхностью трубы и посадочной поверхностью концевой детали предшествует разогрев стенок зозора и продувка его возбужденным, частично ионизированным защитным газом (плазмой) из зоны сварочной дуги за счет вакуумирования внутренней полости трубы .

Защитный газ, проходя по подшовному зазору впереди движущейся ванны жидкого металла дополнительно нагревает ,внутреннюю поверхность трубы и посадочную поверхность концевой детали, очищает указанные поверхности в результате десорбции. Тем самым повышается смачиваемость жидким металлом стенок зазора. Защитный газ также увлекает расплавленный металл сварочной ванны в зазор под корнем шва.

Жидкий металл, заполнивший зазор, переохлаждается и кристаллизуется в мелкое зерно с выходом начального фронта кристаллизации непосредственно в шов.

Более глубокому заполнению зазора способствует также перегрев металла сварочной ванны путем повышения вносимой погонной энергии при соответственном повышении интенсивности теплоотвода в зажимную цангу, а также повышение ионизации защитного газа (температуры плазмы сварочной дуги ).

B устройстве для осуществления способа, включающем микрокамеру со сварочной горелкой, микрокамера выполнена из кварцевого стекла с шеро,",,оватой поверхностью и снабжена отражающими экранами, установленными снаружи. При этом экраны установлены с возможностью. регулирования расстояния между ними.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа.

Устройство состоит иэ микрокамеры l, выполненной из кварцевого стекла с шероховатой поверхностью, телескопически соединенной с корпусом сварочной горелки 2. Защитный гаэ, например аргон, подается в мик5 94483 рокамеру 1 из горелки 2, Внутри мик- . рокамеры расположен неплавящийся вольфрамовый электрод 3. Прозрачная микрокамера окружена отражающими экранами 4 светового излучения дуги.

Экраны и шероховатая поверхность прозрачной стенки микрокамеры позволяют повысить ионизацию плазмы и соответственно, повысить ее температуру. Сварочную дугу возбуждают между1о

- электродом 3 и свариваемыми кромка:ми трубы 5 и концевой детали б, через зазор между которыми в процессе сварки продувают плазму из микрокамеры во внутреннюю полость укаэанной И трубы.

Свариваемая труба зажата в цанге 7, например иэ меди, вращателя сварочного автомата, .например типа СА и АСТЭ.

Иикрокамера своим свободным тор- 2в цом опирается на торцовую поверхность цанги 7 вращателя.

На конце трубы, противоположном свариваемому, установлен переходник

8, соединенный с системой отсоса. гь

П р и м е. р. Способ предотвращения горячих. трещин проходил экспериментальную проверку при изготовлении образцов тепловых труб из стали ЭИ847 (шлакового переплава) размером !

4 х 0,5 с концевой деталью из той же стали (плавка А-б!907 ) . Сборка трубы с посадочной поверхностью .концевой детали под сварку предлагаемым способом выполнялась по переходным посадкам, т.е. собирались как с зазором до 50 мкм, так и с незначительным натягом около 35 мкм. Перед сборкой производилась ультразвуковая мойка трубы и концевой детали.

Сварка вольфрамовым электродом 3 в среде аргона выполнялась при силе сварочного тока 60 А, скорости сварки 7 9 мlч (3 об/мин ) и напряжении

ka дуге 8-!О 8 процессе сварки от- 45 дельных образцов, производилось обезгаживание зазора вакуумированием внутренней полости трубы, установленной в цанге 7 вращателя автомата, форвакуумным насосом типа BH-2ИГ через питательную трубку размером

5 х 1,0 мм. Прй обезгаживании наблюдалась интенсивная продувка зазора плазмой из микрокамеры l. Плазма при продувке увлекала жидкий перегретый металл сварочной ванны и заполняла указанный. зазор на сотни микрон.

Иеталлографические исследования полученных образцов сварных соедине8 6 ний показали отсутствие горячих трещин и пор как в шве, включая корень шва, так и в околошовной зоне, включая зону полигонизации. Глубина проникновения расплавленного металла шва по пошовному кольцевому зазору достигала 500-700 мкм и перекрывала всю ширину околошовной зоны полигонизации как трубы, так и концевой детали. Иеталлографическое исследование показало также наличие сплавления ме-. талла в зазоре под корнем шва с основным металлом трубы и концевой деталью.

Например, при наблюдавшемся на шлифе зазоре 5 мкм толщина затекшего металла и оплавленного основного металла достигла 25 мкм.

Кроме того, исследованиями установ лено расширение -зоны взаимодействия жидкого металла в подшовном зазоре с поверхностями трубы и концевой детали, обработанных на аморфную структуру, например, при сверхкритических скоростях охлаждения после обработки лазерным лучом, а также повышение протяженности заполнения зазора жидким металлом после предварительного, холостого прогрева дугой места соединения свариваемых деталей. Заполнение зазора жидким металлом наблюдалось также при сварке исходных сборок с натягом, что обусловлено движущимся

l местным вспучиванием трубы над концевой деталью (с образованием зазора между ними ), вызванное неравномерным нагревом от дуги .

Экраны 4 отражения позволяют использовать излучение от сварки и тем самым повысить регистрируемую скорость продувки зазора во внутреннюю полость трубы, вакуумируемую насосом.

При сварке трубы с концевой деталью иэ ниобиевого сплава ВН-2 в сварочной камере обнаружено, как и в соединениях сталей, .заполнение зазора из сварочной ванны, если зазор между соединенными деталями продувался аргоном в процессе свар- ки.

В части экспериментов со сталями

Х20Н45 (ЭП-350 ) и )Х!3 зазор продувался при вакуумировании внутренней полости трубы всего лишь до

0,5 ат (около 400 мм рт.ст) и все же фиксировалось заполнение околошовного зазора и устранение горячих трещин даже в том случае, когда сварка выполнялась без камеры.

7 944838 8

При всех указанных экспериментах не нарушалась необходимая по ГОСТУ полнота шва.

Способ и устройство для соединения сваркой трубы с концевой деталью

5 позволяет предотвратить образование горячих трещин и таким образом позволяет устранить брак по сварным соединениям труба — концевая деталь, например тепловых труб из глубокоаустенитных хромоникелевых сталей, в которых ранее наблюдалось образование горячих трещин как в шве,.так и в околошовной зоне и особенно при использовании тонкостенных труб из стали производства ФРГ и Швеции (1Х15Н15М2Б), которые, как показало исследование, еще более склонны, чем сталь ЭИ 847 отечественного производства, к образованию горячих трещин в околошовной зоне развития полигонизации, обусловленной более высокой чистотой по неме-. таллическим примесям и, следователь" но, обладае повышенной скоростью выхождения дислокации в стенку.

Другая сторона эффективности от использования изобретения заключается в широком, практически неограниченном использовании глубокоаустенитных (однофазных) нержавеющих жаропрочных сталей, например 09Х16Н15МЗБ (ЭИ 847),03Õ16Í15È36 (Эи 8446 ), а также высоконикелевых сталей и сплавов ХН45Б (ЭП 350 ) с повышенной склонностью к образованию горячих

35 трещин для изготовления разнообразных тонкостенных трубчатых конструкций, например тепловых труб, совместимых как с водой, воздухом, так и с

40 жидким натрием. Как известно, тепловые трубы изготавливаются на многих предприятиях энергетического машиностроения,автомобилестроения, станкостроения и сельскомашиностроения, где и ожи45 дается значительный экономический эффект, обусловленный устранением указанного выше брака в месте сварки.

При разработке способа обнаружен дополнительный положительный эффект, заключающийся в том, что одновремен50 но с устранением трещин понижается пористость сварных weoa, при общем повышении плотности наплавляемого металла. Повышенная плотяость сварно-, го шва обусловлена обезгаживанием подшовного зазора при его продувке в процессе сварки горячим, частично ионизированным защитным газом и выходом фронта кристаллизации из зазора в шов. Способ может быть использован также для предотвращения горячих трещин при сварке тугоплавких металлов.

Экономический эффект от использования способа и устройства ожидается равным экономии от брака по сварным . соединениям, который по разным источникам, составляет от 10-50ã..Способ рекомендуется для внедрения на специализированных предприятиях ряда указанных выше отраслей промышленности.

Формула изобретения

1. Способ соединения трубы с концевой деталью, при. котором трубу собирают с концевой деталью с зазором и выполняют сварку в среде защитного газа, отличающийся. тем, что, с целью предотвращения полигонических и кристаллизационных горячих трещин в шве, околошовной зоне и корне шва путем устранения концентра тора напряжений в корне ш а и околошовной зоне, в процессе сварки зазор заполняют металлом сварочной ванны под корнем шва на заданную глубину путем вакуумирования внутренней полости трубы.

2. Способ по и.1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения глубины заполнения зазора под корнем шва, сварку выполняют с предварительным подогревом.

3. Способ по пп.1 и 2, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения зоны взаимодействия рас» плавленного металла в зазоре под корнем шва с соединяемыми поверхностями трубы и концевой детали из тугоплавких металлов и глубокоаустенитных сталей, перед сборкой и сваркой обрабатывают соединяемые поверхности до аморфной структуры на заданную глубину.

4. Устройство для соединения трубы с концевой деталью, включающее микрокамеру со. сварочной горелкой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что микрокамера выполнена из кварцевого стекла с шароховатой поверхностью и снабжена отражающими экранами, установленными снаружи.

5,Устройство по и. 4, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что экраны уста- . новлвны с возможностью регулирования расстояния между ними.

944838 л cucmeve

amcoco

Составитель Л.Назарова

Редактор Т.Киселева Техред С. Мигунова Корректор Г.Огар

Заказ 5218/17 Тираж 1153 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035,Москва,Ж-35, Раушская наб.,д.4/5 з

Филиал ППП ."Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии N 51-136254, кл. 12 В 1 (В 23 К 31/00), 1975.

2. Патент Японии N 53-056134, кл. В 23 К 31/00, 1978 (прототип ).

3. Патент Японии N 53- 114745 кл. В 23 К 31/00, 1978 (прототип ).