Диссертация (Разработка технологических основ электрошлаковой сварки чистых корпусных сталей АЭС), страница 18

Основнойметалл ОШЗ выше Ас3 (т.е. в зоне шириной 42 мм, прилегающей к ЛС)гарантированно подвергается аустенизации с последующей перекристаллизациейпри охлаждении;- зона наименьшей устойчивости аустенита (710…690 0С) шириной 7…9 мм– начинается на удалении 60…62 мм от ЛС;- штатные термопары, поз.3 (Рисунок2.1) устанавливаются на расстоянии200 мм от кромки разделки стыка. При прохождении зоны сварки напротивштатных термопарТmax на них достигала 440..4900С.

Установившеесятемпературное поле в ОШЗ при сварке двумя электродами приводит кнеравномерному проплавлению кромок. В частности, максимальная ширинапровара в срединном сечении составила 88 мм, а у ползунов – 46…51 мм приисходном сварочном зазоре 37 мм.129Рисунок 5.12. Термические циклы ЭШС (два электрода) опытной карты1 - расстояние от линии сплавления 0 мм, 2 – 2 мм, 3 – 5 мм, 4 – 13 мм,5 – 17 мм, 6 – 28 мм, 7 – 32 мм, 8 – линия максимальных температур циклов (Тmax)130Рисунок 5.13.

Термические циклы ЭШС (три электрода) опытной карты1 - расстояние от линии сплавления 0 мм, 2 – 3,5 мм, 3 – 15 мм, 4 – 29 мм,5 – 35 мм, 6 – линия максимальных температур циклов (Тmax)131а)б)Рисунок 5.14. Поле изотерм Тmax относительно ЛС, поперечный темплет,два электродами с колебаниями (указано стрелками), (1 – 1) и (2 – 2) крайние положенияэлектродов в зазоре, а) серный отпечаток; б) изотермы Тmax, форма провара132а)б)Рисунок 5.15. Поле изотерм Тmax относительно ЛС, поперечный темплет, три электрода,(1 – 1 – 1) положение электродов в зазоре, а) серный отпечаток, б) изотермы Тmax, форма провара133По аналогичной схеме вырезался макротемплет на расстоянии ≈ 4,1 мот кармана после третьего вкладыша (Рисунок 2.1) на участке сварки тремяэлектродами, далее после подготовки поверхности снимался серныйотпечаток (Рисунок 5.15, а), определялся провар, построены изотермы Тmax(Рисунок 5.15, б).Из анализа Рисунка 5.15, б) следует:- изотерма Ас3 располагается на расстоянии 58 мм от (ЛС).

Основнойметалл ОШЗ выше Ас3 (т.е. в зоне шириной 58 мм, прилегающей к ЛС)гарантированно подвергается аустенизации с последующей перекристаллизацией при охлаждении;- зона наименьшей устойчивости аустенита (710…690 0С) шириной8…10 мм – начинается на удалении 62…65 мм от ЛС;- при прохождении зоны сварки напротив штатных термопар Т max наних достигала 460..490 0С. Установившееся температурное поле в ОШЗ присваркетремяэлектродамиприводитксравнительноравномерномупроплавлению кромок.

Ширина провара в срединном сечении составила 91мм, а у ползунов – 89…92 мм при исходном сварочном зазоре 43 мм.5.2.2. Определение напряжений при сваркеУровень напряжений при ЭШС измерялся розетками тензодатчиков, наудалении (Рисунок 2.1) от зоны сваркипо условию их максимальновозможной термостойкости.Наблюдалась определенная закономерность в распределении временных напряжений по мере заполнения разделки. Уровень напряжений передначалом сварки (М1, Рисунок 5.16 а,) формировался после предварительногоподогрева карты до 200°С в контролируемых точках, а на М2-М13 приведены Х и У, вызванные действием сварочного источника тепла. Излом влинии перемещения ползунов при ЭШС вызван переходом с двухэлектродной на трѐхэлектродную схему сварки.Установлено, что поперечные напряжения Х закономерно нарастаютпо мере продвижения металлической ванны с некоторым запаздыванием по134а)σх, МПаРисунок 5.16 а) Кинетика распределения поперечных напряжений по высоте стыка Н, --------------- положениеползуна, время сварки: I – 0ч; II – 1,5ч; III – 2,5ч; IV – 3,5ч; V – 4,5ч; VI – 5,5ч; VII – 6ч; VIII – 6,5ч; IX – 7,5ч;X – 8,5ч; XI – 9,9ч; XII – 10,5ч; XIII – 11,5ч.135б)σх · 102, МПаРисунок 5.16 б) Кинетика распределения продольных напряжений по высоте стыка Н, --------------- положениеползуна, время сварки: I – 0ч; II – 1,5ч; III – 2,5ч; IV – 3,5ч; V – 4,5ч; VI – 5,5ч; VII – 6ч; VIII – 6,5ч; IX– 7,5ч;X – 8,5ч; XI – 9,9ч; XII – 10,5ч; XIII – 11,5ч.136времени, что связано с удаленностью тензодатчиков от кромок разделки.Подтверждаются закономерности возникновения напряжений приЭШС, такие как:- высокий уровень растягивающихся поперечных напряжений связанс определяющим влиянием усадки больших объемов единовременнокристаллизующейся металлической ванны;- мощный сварочный источник создает в металле, расположенномперед зоной сварки область сжимающих напряжений.Сопутствующий подогрев при сварке является источником дополнительныхнапряжений.Включениецентральныхнагревателейпередпрохождением ползунов приводит к образованию явно выраженных зонположительных в нижней части карты и отрицательных в ее верхней половине напряжений, спустя некоторое время после заполнения разделки.

Непредставляется возможным объяснить волнообразный характер распределения У только наличием краевых эффектов. Необходимо отметить, что внастоящее время неотъемлемым элементом технологии ЭШС являетсясопутствующий подогрев заваренных участков шва.Начиная с этого момента, напряжения в зоне расположения датчиковпадают, распределение М9 и далее (Рисунок 5.16 а, б). Этим подтверждаетсяположительный эффект данного технологического приема, направленного наснижение напряжений в сварном соединении.

Так как, заключительныеучасткишванеуспеваютохлаждатьсянижерегламентированнойтемпературы 250°С то уровень остаточных напряжений в участках картыможет быть значительно выше, чем в начальных участках (Рисунок 5.16 а, б).Разделениенапряжений,обусловленныхвлияниемпредварительногоподогрева и сварочного источника, становится возможным, благодаря тому,что суммарные усилия, возникающие в сварном соединении не приводят кпластическому деформированию в местах расположения тензодатчиков.

В тоже время выделить усилия от сопутствующего подогрева не представляетсявозможным,из-заодновременностисварочными напряжениями.ихобразованиясвременными137Анализ временных термических напряжений, возникающих на разныхстадиях технологического процесса ЭШС, позволил сделать основной вывод:напряжения от электрошлакового источника энергии и напряжения,вызванные местным нагревом сопоставимы по величине. На параметрырежима сварки всегда обращается пристальное внимание, чего нельзя сказатьо режимах местного нагрева, тогда как степень их влияния на конечныерезультаты сварки очевидна.Существенное влияние на процесс формообразования шва при ЭШСоказывают размеры и форма металлической и шлаковой ванн которыеисследовались при сварке контрольной пробы к опытно-штатному днищу.5.2.3.

Определение геометрических параметров зоны ЭШСГеометрия зоны ЭШС изучалась на продольных макротемплетах,вырезанных из контрольной пробы (Рисунок 5.17) к опытно-штатнойзаготовкеднища.Проба,черт.1.8003.10.160,выполняласьподвухэлектродной схеме сварки на тех же режимах, что и опытная картаднища (Таблица 5.2). Сварочный зазор внизу у кармана равнялся 33 мм,вверху (на выводных планках, поз.3) – 38,5 мм.Макротемплет вырезался из участка шва под выводными планками,где была преднамеренно остановлена подача сварочных проволок дляфиксацииочертанийзоныЭШСприускореннойкристаллизацииметаллической и шлаковой ванн.После шлифовки темплета, с него был снят серный отпечаток(Рисунок 5.18, а) в срединном сечении, примерно 125 мм от поверхностипланок основного металла.По линиям сплавления, совпадающим с изотермами температурыплавлении (Тпл) основного металла и распределению серы былиустановлены (Рисунок 5.18, б):138Рисунок 5.17.

Контрольная проба, черт.1.8003.10.1601- планки основного металла, 2 – карман,3 – выводные планки, 4 – скобы жѐсткости,5 – термопары штатные, 6 – сварочный зазор- форма провара кромок основного металла в продольномнаправлении;- очертания и глубины шлаковой и металлической ванн.Как известно [2], форма изотермы плавления основного металла вэлектрошлаковых процессах формируется направлением конвективныхпотоков в низкотемпературной области (1600…1700 0С) металлической ишлаковой ванн.

В частности, данная конфигурацияванн соответствуетварианту сварки на постоянном токе обратной полярности. Эти потокиобусловленыэлектромагнитнымисилами,свободнойконвекциейивозмущениями от каплепереноса. Величина этих факторов, в основном,определяется положением тепловых центров (поз.6, Рисунок 5.18, б),которых при двухэлектродной сварке – два, а при трѐхэлектродной – три -139по числу электродных проволок. Тепловой центр при всех электродуговых ишлаковых процессах находится непосредственно под электродом, так какименно в этой зоне наблюдается наибольшей градиент напряженностиэлектрического поля и повышенная плотность тока.

К тому же около50…60% от общего тока при ЭШС концентрируется в сравнительнонебольшой области шлаковой ванны, ограниченной параболоидом вращенияс вершиной, расположенной на «мокром» вылете плавящегося электроданиже границы нетокопроводящего шлакового гарнисажа и основанием наповерхности металлической ванны. В результате в тепловом центре приЭШС, под электродом, достигается температура 1900…2300Наибольшуючастьзонысваркизанимаютобъѐмы0С [138].шлаковойиметаллической ванн с малым градиентом потенциала и, соответственно,незначительным прогревом проходящим током до средних температур1700…1900 0С.

Подобные результаты получены в работе [139] по изучениюграниц температурных областей зоны ЭШС.Из вышесказанного ясно, что положение теплового центра при электрошлаковой сварке определяется величиной «мокрого» вылета электрода.Этот важный параметр режима косвенно назначается через ток сварки,проходящий через электрод и падение напряжения на шлаковой ванне(напряжение сварки). Известно [140], что проводимость шлаковой ванныимеет глубокую отрицательную обратную связь по току через скоростьплавления электрода. На практике это означает, что при изменении скоростиподачи электродной проволоки, либо изменении зазора (что приводит кизменению скорости сварки) меняется положение тепловых центров.

Этоприводит как к изменению схемы кристаллизации шва, так и НДС сварногосоединения. Следовательно, распределение температурного поля в основномметалле по высоте стыка от движущегося теплового источника при заданныхтоке и напряжении является важной характеристикой, влияющей в т.ч. натрещиноустойчивость зоны сплавления.Температурное распределение для движущегося теплового центра порезультатам измерений ТЦС при двухэлектродной сварке (Рис.5.12) дано140на рисунке 5.19.

Из анализа распределения вытекает следующее:- температура в центре шва составляет ≈ 690… 710 0С примерно через40 мин после прохождения этой зоны стыка тепловыми центрами ЭШС.Практически это означает, что в это время металл шва попадает в зонунаименьшей устойчивости аустенита;- вдоль линии сплавления достигаются следующие температуры:Ас3 = 830 0С на удалении 307 мм от текущей точки расплавления основногометалла, время достижения этой температурыСоответственно Т = 710…6900примерно20….21 мин.С – на удалении 310…340 мм, времядостижения 32…35 мин;Имеет значение положение линии Тmax (Рисунок 5.19 В, поз.8).

Вышелинии Тmax красным цветом отмечены изотермы нагрева основного металлатепловыми центрами ЭШС в срединном сечении продольного направленияшва. Выше Тmax отмечаются сжимающие продольные напряжения (Рис.5.16, б). Ниже Тmax сварное соединение охлаждается и в нѐм действуютрастягивающиенапряжения,охлаждения, Рисунок 5.16.постепенноувеличивающиесяпомере141а)б)Рисунок 5.18. Зоны ЭШС, два электрода а) серный отпечаток, продольный макротемплет, 1х,б) зона сварки, 1х, 1 – основной металл, 2 – ЛС, 3 – шов, 4 – металлическая ванна, 5 – шлаковая ванна,6 - тепловой центр ЭШС, 7 – электрод, 8 – мундштук, АБСДЕ - изотерма Тпл; hсв, hмв – сухой и «мокрый»вылеты электрода; Lм, Lш – глубина металлической и шлаковой ванн; В, Вш – ширина зазора и шва;Vсв, Vпп - скорости сварки и подачи проволоки142АБ))В)Рисунок 5.19.