124331 (Сварка путем плавления)

Введение

Сварка – это процесс получения неразъемных соединений посредствам установления непрерывной межатомной связи между соединяемыми деталями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.

Конечная цель сварочного производства - выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам тому эксплуатационному назначению и условиям работы, для которых они создаются. Обеспечение рациональных форм и получение необходимых механических свойств сварных соединений относятся к главным задачам проектирования, решение которых должны обеспечить техпроцессы сварки.

Сварка позволяет создать конструкции, в которых целесообразно используются разнообразные металлы и сплавы в зависимости от назначения тех или иных частей конструкции, а также детали и заготовки, полученные наиболее рациональными методами их изготовления (прокат, штамповка, литье, поковки и т.д.)

Одним из самых главных и наиболее эффективных направлений развития сварочного производства является комплексная механизация и автоматизация производственных процессов. Специфической особенностью сварочного производства является диспропорция между объемами основных и вспомогательных операций: собственно сварочные операции по своей трудоемкости составляют всего 25 - 30% общего объема сборочно-сварочных работ, остальные 70 - 75% - это сборочные, транспортные и вспомогательные работы, механизация и автоматизация которых осуществляется с помощью механического сварочного оборудования и технологической оснастки. Качество сварных соединений, надежность конструкции и затраты на изготовление в значительной степени определяются технологическим процессом.

Основной задачей данного проекта является модернизация базового технологического процесса изготовления выхлопного патрубка улиты с целью повышения эффективности его производства.

1 Описание изделия

Данной сварной конструкцией является – корпус парогенератора. Применяется на гидроэлектростанциях. Сварное соединение №2 – одностороннее стыковое, обечаек (2,7) диаметром 4000 мм и полусфер (1,8) . Шов – круговой. Материал изделия – сталь Х17Н2

Корпус парогенератора состоит из двух фланцев (4,5), четырех обечаек (2,3,6,7) и двух полусфер (1,8). Фланцы (4,5) свариваются швом №1 по замкнутому контуру, обечайки (2,3,6,7), полусферы (1,8), фланец (45) свариваются шестью швами №2 по замкнутому контуру.

Рисунок 1 – Корпус парогенератора

2 Характеристика материала изделия и его свариваемости

Сталь Х17Н2 – сталь коррозионно-стойкая, жаропрочная мартенситно-ферритного класса химический состав ее приведен в таблице 1, механические свойства приведены в таблице 2.

Стали мартенситно-ферритного класса содержат в структуре кроме мартенсита 10–25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях — Cr (11–13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков.

Таблица 1. Химический состав стали Х17Н2 [4] ГОСТ 5632-72

Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных деталей.

Таблица 2. Механические свойства стали Х17Н2 [4] ГОСТ 5632-72

Стали мартенситного класса в условиях сварочного термического цикла в участках зоны термического влияния (а также и в металле шва, если он подобен по составу свариваемому металлу) закаливаются на мартенсит. Высокая твердость и низкая деформационная способность металла с мартенситной структурой в результате деформаций, сопровождающих сварку, а также длительного воздействия высоких остаточных и структурных напряжений, всегда имеющихся в сварных соединениях в исходном состоянии после сварки, приводят к возможности образования холодных трещин. Они, как правило, образуются на последней стадии непрерывного охлаждения (обычно при температурах 100° С и более низких) или при выдержке металла при комнатных температурах. Водород, находящийся в металле сварного соединения и диффундирующий в него даже при низких температурах, значительно способствует образованию холодных трещин.

Крупнозернистый металл швов и в зоне термического влияния более склонен к образованию трещин, чем мелкозернистый. Поэтому модифицирование металла швов,. предупреждающее рост зерна (например, титаном), и применение более жестких режимов (с меньшей погонной энергией) являются мерами, уменьшающими вероятность образования трещин [7].

Термообработка сварных соединений после сварки влияет не только на механические свойства, но и ряд специальных свойств — коррозионную стойкость, жаропрочность и др. Так, например, контактирование закаленного металла шва и зоны термического влияния с незакаленным (отпущенным) основным металлом приводит к появлению избирательной коррозии металла закаленной зоны в сварных соединениях из стали Х17Н2.

Хромистые мартенситно-ферритные стали обладают некоторой склонностью к межкристаллитной коррозии (м. к. к.). Особо высокую склонность к м. к. к. они приобретают после быстрого охлаждения с высоких температур. Для восстановления стойкости против МКК возможно применение высокого отпуска, после сварки при 680-700 С в течение 30-60 мин.

Применение видов сварки, обеспечивающих получение наплавленного металла с аустенитно-ферритной структурой, для получения соединений хромистых сталей мартенситно-ферритного классов, как правило, не обеспечивает равнопрочности сварных соединений и может быть рекомендовано только для условий работы при статической нагрузке с не очень большими напряжениями [5].

Для стали Х17Н2 мартенситно-ферритного класса применяются следующие способы сварки:

– ручная дуговая сварка покрытыми электродами

– в защитных газах (углекислый газ).

– Электрошлаковая сварка

Наибольшее распространение имеют сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие получение аустенитного наплавленного металла электроды типа ЭА-898/21 и АНВ-2 (ОК 61.41) ГОСТ 10052-75 при РД с марками проволоки электродного стержня Св-08Х19Н10Б и Св-08Х18Н2ГТ применяется электродные проволоки Св-08Х18Н2ГТ и Св-08Х14ГНТ ГОСТ 2246-70. Используются флюсы плавленые для сварки и наплавки АН-17, АН-18 ГОСТ 9087-81 [1]

Сварные соединения мартенситно–ферритных сталей должны быть подвергнуты термическому отпуску для "смягчения" структур закалки и снятия остаточных напряжений.

3 Выбор способов сварки

Сталь Х17Н2 – сталь мартенситно-ферритного класса. Относится она к трудносвариваемым материалам.

Для стали Х17Н2 вести анализ будем рассматривая следующие способы сварки плавлением:

– ручная дуговая сварка покрытыми электродами (РД);

– Автоматическая сварка плавящимся электродом в среде активных газов и смесях (АПГ);

– Электрошлаковая сварка (ЭШ).

Так как производство мелкосерийное, то отдаем предпочтение ручной сварке.

3.1 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами (РД)

Применение:

Этот вид сварки является очень маневренным, он позволяет воздействовать, через электродный стержень и покрытие, на химический состав металла шва в сторону его улучшения (корректирования) для повышения жаропрочности, а также технологической прочности (повышение сопротивляемости образования горячих трещин).

Толщины:

Сварка покрытыми электродами выполняется при толщине листов > 4 мм. Металл толщиной ≥ 10 мм предварительно подогревают. Температуру предварительного подогрева выбирают в зависимости от толщины металла в интервале 100-400 ºС.

Преимущества:

- простое и надежное оборудование, маленькие затраты на приобретение и эксплуатацию;

- возможность изготовления швов практически любой сложности.

Недостатки:

- внутренняя пористость сварных швов;

- необходимость в подготовке высококвалифицированного рабочего, соответственно дорогое обучение и затраты.

Вывод:

Дуговая сварка покрытыми электродами подходит. Но при толщинах металла > 70 мм необходим нагрев металла до больших температур, что будет проблематично при данных размерах конструкции. Также будет необходимо большое число проходов.

3.2 Автоматическая сварка плавящимся электродом в среде активных газах и смесях (АПГ)

Применение:

Практически все отрасли машиностроения. В строительстве на монтаже крупногабаритных конструкций, автоматическая сварка поворотных стыков трубопроводов большого диаметра и толщины стенок (до 100 мм).

Толщины:

Для металла < 5 мм не удается добиться устойчивого горения дуги при мелкокапельном струйном переносе металла. За один проход можно сварить металл толщиной до 8 мм .

Преимущества:

- хорошее перемешивание ванны,

- высокая производительность, особенно при сварке металла больших толщин;

- возможность визуального контроля горения дуги и формирования шва;

- достаточно высокий КПД процесса в сравнении со сваркой неплавящимся электродом;

- высокая универсальность, сопоставимая с ручной сваркой покрытыми электродами;

- высокая производительность наплавки металла;

- практическое исключение в сварном шве неметаллических вкраплений, так как защита только газовая.

Недостатки:

- дорогое вспомогательное оборудование в сравнении с РД;

- значительный уровень разбрызгивания электродного металла, если не использовать дорогостоящее оборудование с программным управлением каплепереноса металла;

- дорогостоящее современное оборудование (полуавтоматы, автоматы).

Вывод:

Данный вид сварки подходит, так как:

1 – возможность сварки больших толщин;

2 – подходит для сварки громоздких конструкций. Является универсальным и подходящим, непосредственно для данного изделия.

3.3 Электрошлаковая сварка (ЭШ)

Применение:

Для сварки малых толщин и для электрошлакового переплава используется однофазная сеть, в остальных случаях – трехфазная. Преимущественно ЭШ применяется для сварки больших толщин. Тяжелое машиностроение, энергомашинострение (изготовление станин прессов, прокатных станов, валов газовых турбин электростанций, лопастей гидротурбин, корпусов).

Толщины:

Экономически выгодно применять ЭШ при толщине металла более 30 мм (возможность сваривать толщины более 100 мм).