Разработка технологического процесса сварки корпуса колонного аппарата

Для снижения внутренних растягивающих  напряжений в ТИХ целесообразно  выполнять сварку такими методами, которые обладают наибольшей проплавляющей  способностью при наименьшей погонной энергии (электронный луч, плазменная дуга, импульсная дуга, сварка с активирующими  флюсами и др.). Стойкость против образования горячих трещин повышается при устранении концентраторов, вызванных  формой шва и подготовкой кромок под сварку. Применение швов с остающимися  подкладками, сварка «в замок», швы  с непроваром и т. п. являются нежелательными. Сварка встык с полным проплавом  наиболее предпочтительна.

 

 

 

 

 

2.  Сталь 08Х17Н15М3Т по ГОСТ 5632-72 [11]

 

Высоколегированная сталь аустенитного класса. Применение: сварные конструкции, работающие в средах повышенной агрессивности.

 

Химический элемент	Процентное содержание
C	≤0,08%
Si	≤0,8%
Mn	≤2%
Cr	16 - 18%
Ni	14 – 16%
Ti	0,3 – 0,6%
Mo	3 - 4%
P	≤0,035%
S	≤0,02%

 

Таблица 1.2 - Химический состав стали  по ГОСТ 5632-72 [11]

 

Оценка сопротивляемости стали 08Х17Н15М3Т к образованию горячих трещин.

Независимо  от структурного класса легированной стали, содержащей в своем составе  никель необходимо определить ее склонность к горячим трещинам, так как  находящийся в ней Ni, при определенных условиях может образовывать легкоплавкое соединение NiS₂ .

Склонность к образованию горячих  трещин определяется отношением:

 

                     (1.7)

 

При получении соотношения более 1, 1,22 > 1, данный материал не склонен к образованию горячих трещин.

 

Оценка склонности стали 08Х17Н15М3Т к образованию холодных трещин.

 

Склонность к образованию холодных трещин определяется по формуле.

 

;                           (1.8)

=5,59%

 

Стали, у которых  > 0,45%, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин, так как в этом случае становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения.

В случае рассмотрения высоколегированной стали данная формула по оценке склонности к образованию холодных трещин не всегда дает верный результат. В действительности, сталь 08Х17Н15М3Т не склонна к образованию холодных трещин, поэтому мероприятия по снижению вероятности образования трещин не проводятся [2].

 

 

 

 

 

2. Выбор способа сварки для  каждого узла корпуса аппарата

 

Существующая в настоящее время  сварочная техника и уровень  развития сварочного производства позволяют  сваривать разнообразные металлы  и сплавы различной толщины, различных  составов и сочетаний. 
Во многих случаях одна и та же сварная конструкция или отдельно взятое сварное соединение могут быть изготовлены или выполнены различными способами сварки. Выбор способа сварки в каждом конкретном случае должен производиться с учетом ряда факторов, главными из которых являются свойства металла, его толщина, габариты конструкции, технико-экономические показатели технологического варианта применительно к данной конструкции.

Свойства свариваемого материала  во многих случаях играют важную роль при выборе способа сварки. Сварку высоколегированных сталей в соответствии с их реакцией на сварочный нагрев предпочтительнее выполнять способами, обеспечивающими концентрированный  нагрев металла и наименьшее время  пребывания его в интервале температур образования горячих трещин и  возникновения склонности к межкристаллитной коррозии. В случае сварки верхнего эллиптического днища и верхней  обечайки (узел А) из высоколегированной стали 08Х17Н15М3Т эффективной оказываются сварка в среде защитного газа. Сварочные материалы: защитным газом выбираем аргон; сварочная проволока: Св–06Х25Н12Т. Сварка осуществляется в струе аргона, который, являясь инертным газом, не вступает во взаимодействие с расплавленным металлом сварочной ванны и предохраняет его от воздействия кислорода и азота воздуха. Преимущества сварки в защитном газе заключаются в следующем: хорошая защита зоны сварки от воздействия кислорода и азота воздуха; хорошие механические качества сварного шва; высокая производительность процесса сварки, достигающая при ручной сварке до 50...60 м/ч; отсутствие необходимости применения флюсов и последующей очистки шва от шлаков; возможность наблюдения за процессом формирования сварного шва; малая зона термического влияния. При сварке в инертных газах повышается стабильность дуги и снижается угар легирующих элементов, что важно при сварке высоколегированных сталей. Заданный химический состав металла шва можно получить путем изменения состава сварочной (присадочной) проволоки и доли участия основного металла в образовании шва, когда составы основного и электродного металлов значительно различаются, или путем изменения характера металлургических взаимодействий за счет значительного изменения состава защитной атмосферы при сварке плавящимся электродом. Сварка в среде защитных газов обеспечивает формирование швов в различных пространственных положениях, что позволяет применять этот способ вместо ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Для узлов Б, Е будет использоваться автоматическая сварка под флюсом. Автоматическая сварка под флюсом включает факторы при которых она лучше всех подходит для данных узлов. Сварка под флюсом является наиболее качественным, удобным, производительным способом сварки, при котором есть возможность сваривать детали с большими толщинами. Сваркой под флюсом можно сваривать как стыковые так и угловые швы. Недостатками этого способа является прямолинейность движения, громоздкость оборудования, и отсутствие возможности использовать его во внецеховых условиях, что не подходит для остальных узлов. При сварке верхней и средней обечаек (Узел Б) происходит соединение разнородных сталей. Необходимо сварить между собой стали, существенно отличающиеся друг от друга своими физико-химическими свойствами, в связи, с чем довольно трудно получить качественное и надежно работающее в особых условиях сварное соединение. Первая трудность сварки разнородных сталей заключается в том, что в процессе изготовления сварного соединения или при его эксплуатации в шве часто образуются трещины, которые проходят по его середине или у границы сплавления. Вторая и основная трудность сварки разнородных сталей обусловлена тем, что в зоне их сплавления может происходить изменение структуры с образованием прослоек, существенно отличающихся от структуры сплавляемых металлов. Изменение структуры сплавляемых металлов может быть настолько сильным, что существенно снизятся их прочностные и пластические характеристики. В результате возможно преждевременное (аварийное) разрушение весьма ответственной конструкции. Наиболее лучшим способом сварки к сопротивляемости сварных швов к образованию холодных трещин можно назвать автоматическую сварку под флюсами. При сварке разнородных сталей под флюсами АН-26 или ОСЦ-45 получается металл шва, стойкий против образования кристаллизационных трещин. Он также не склонен к сигматизации, сравнительно мало охрупчивается при старении и обладает требуемыми механическими свойствами, как в обычных условиях, так и в условиях длительного воздействия высоких температур. Металл зоны сплавления в соединениях, выполненных этим способом сварки, обладает вполне стабильной структурой и свойствами. Сварочные материалы: для узла Б сварочная проволока Св-01Х21Н10С6Ц, марка флюса ОСЦ–45; для узла Е

сварочная проволока Св-08Г2С, флюс ОСЦ-45.

Узел приварки средней обечайки, люка-лаза и укрепляющего кольца  
(узел В) проводится сваркой в среде защитного газа. Сварочные материалы: защитным газом выбираем углекислый газ, сварочная проволока: Св-08Г2С.  При сварке углеродистых сталей для защиты расплавленного электродного металла и металла сварочной ванны используют углекислый газ. Так как сварку выполняют без присадки, содержание кремния и марганца в металле шва невелико. В результате прочность соединения составляет 50—70% прочности основного металла. Как правило, сварку углеродистых сталей проводят в углекислом газе, что обусловлено его малой стоимостью.

Узел приварки нижней обечайки и  нижнего эллиптического днища выполняется  электрошлаковой сваркой (узел Г). Данный способ широко используют в промышленности для соединения металлов толщиной более 40...50 мм: стали и чугуна различного состава, меди, алюминия, титана и их сплавов, что актуально в данном узле, при толщине металла 60 мм. К преимуществам способа относится возможность сварки за один проход металла практически любой толщины, что не требует удаления шлака и соответствующей настройки сварочной установки перед сваркой последующего прохода, как при других способах сварки. Сварочные материалы: сварочная проволока Св-08Г2С, флюс АН-22.

Узел приварки нижнего эллиптического днища и опорной обечайки (узел Г) и узел приварки опорной обечайки с фундаментом (узел Д) свариваются ручной дуговой сваркой по ГОСТ 5264 – 80. Это тавровые соединения. Преимуществами ручной дуговой сварки являются: возможность сварки в любых пространственных положениях; возможность сварки в местах с ограниченным доступом; сравнительно быстрый переход от одного свариваемого материала к другому; возможность сварки самых различных сталей благодаря широкому выбору выпускаемых марок электродов; простота и транспортабельность сварочного оборудования. Недостатками ручной дуговой сварки являются: низкие КПД и производительность по сравнению с другими технологиями сварки; качество соединений во многом зависит от квалификации сварщика; вредные условия процесса сварки. В связи с этими плюсами и минусами РДС выбираем данный способ сварки для данных узлов, и отдаем преимущество другим способам при сварке оставшихся узлов. Сварочные материалы для РДС: тип электрода: Э42А, марка покрытия: УОНИ 13/45, вид покрытия: основное.

 

 

 

 

 

 

3 Расчет режимов сварки, подбор основных сварочных материалов и сварочного оборудования

 

3.1 Узел приварки верхнего эллиптического днища и верхней обечайки (узел А)

 

Узел варится сваркой  в среде защитных газов и содержит в себе:

 Сварка  верхнего эллиптического днища и верхней обечайки в среде защитных газов по ГОСТ 14771 – 76. Исходя из толщины свариваемых деталей (S=32 мм), по ГОСТу выбираем вид сварного соединения С15, способ сварки ИП.

 

 

Рисунок 2.1 – Сварка верхнего днища и верхней обечайки

 

где е – ширина шва, b – зазор в стыке, g – усиление шва, S и S₁ – толщины свариваемых деталей, S₁ = S = 32 мм; e = 18 мм; g = 2 мм; b = 1 мм; c = 1 мм.

 

Расчет и выбор параметров режимов  сварки в среде аргона.

 

Сварка в защитных газах  плавящимся электродом имеет ряд  особенностей. Так, устойчивое горение  дуги обеспечивается при высокой  плотности тока в электроде (100 А/мм² и выше) при возрастающей вольтамперной статической характеристике. Стабильность параметров сварного шва (глубина проплавления и ширина) зависит от постоянства длины дуги, которая обеспечивается за счет процесса саморегулирования дуги при постоянной скорости подачи сварочной (электродной) проволоки. При этом соблюдается условие равенства скорости её плавления и подачи. Так как процесс ведется на режимах с высокими плотностями сварочного тока, то обычно применяют сварочную проволоку небольшого диаметра, с большими скоростями ее подачи. В этих условиях процесс саморегулирования не может обеспечиваться при использовании источников питания с падающими характеристиками. Поэтому применяют источники питания с жесткой или возрастающей вольтамперной характеристикой. Сварку обычно ведут на постоянном токе обратной полярности. При прямой полярности скорость расплавления в 1,4…1,6 раз выше, чем при обратной, однако дуга горит менее стабильно с интенсивным разбрызгиванием.

Параметрами режима данного способа  сварки являются: диаметр и марка  сварочной проволоки d_э, мм; ток сварки I_св, А; скорость сварки n_св, м/ч; вылет электрода l_э, мм; расход защитного газа Q_г, л/мин.

Подбираем режимы сварки для толщины  S = 32 мм; по толщине свариваемых деталей выбираем диаметр электрода [1]:  d_э=3 мм.

Если сварной шов стандартный, то определяется величина площади наплавки F_н, которая зависит от толщины свариваемых деталей и вида соединения (ГОСТ 14771-76) “Дуговая сварка в защитном газе”. Определение площади наплавки производится по аналогии с методикой, приведенной в расчетах режимов ручной дуговой сварки.

Если сварной шов не формируется  за один проход, так как величина F_н за один проход, как правило, не превышает от 70 до 100 мм², определяют число проходов n по формуле:

 

      (2.1)

 

где F_н – площадь сечения наплавленного металла, мм²;

F₁ – площадь сечения одного прохода, мм².

 

Площадь сечения наплавленного металла и сечения одного прохода: 

 

F_н=F_з+F_ск+F_у      (2.2)

 

где    F_з  - площадь зазора в стыке, мм² ;

          F_ск  - площадь скоса кромок, мм²;

          F_у – площадь усиления шва, мм² .

 

F_н = b·S + 0,25·(S- c)²·tg(40) + 0,75·e ·g;

 

F_н = 1·32+ 0,25·(32-1)²·0,84 +0,75·18·2 = 260,8 (мм²);

.

Принимаем n=3, тогда F₁=86,9 мм².

Определение сварочного тока производится по формулам

 

     (2.3)

 

где h_пр – глубина провара, определяется в зависимости от вида сварного шва;

 

,           (2.4)

 

где S – толщина свариваемых кромок, мм;

 n - количество проходов.

К_а – коэффициент, зависящий от диаметра сварочной проволоки.

К_а = 1,45 мм/А [1] .

 

 мм;

 

.

 

Окончательный выбор диаметра электродной  проволоки проводят с использованием выражения:

 

     (2.5)

 

где i – плотность тока, подбирается в зависимости от диаметра электрода [1]:

 

i = 90 А/мм².

 

- окончательный выбор диаметра  электродной проволоки: