Технология сборки и сварки модулированным током труб поверхностей нагрева диаметром 45 мм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 Описание сварной конструкции

1.2 Материал сварной конструкции

Оценка технологической свариваемости материала

Оценка технологичности сварной конструкции

2. ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ДАННОЙ КОНСТРУКЦИИ

2.1 Возможные методы сварки их достоинства и недостатки

2.2 Обоснование выбора способа сварки

2.3 Сущность процесса сварки модулированным током

2.4 Анализ существующих способов сварки модулированным током

2.4.1 Модуляция сварочного тока путем воздействия на обмотку возбуждения

2.4.2 Модуляция сварочного тока по сварочной цепи

2.5 Металлургические и технологические особенности принятого способа сварки

3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ

3.1 Заготовительные операции

3.2 Подготовка деталей к сварке

3.3 Разработка технологии сборки и сварки

3.4 Сварочные напряжения и деформации, меры борьбы с ними

3.5 Обоснование выбора сварочных материалов

3.6 Выбор режима сварки

3.7 Обоснование выбора основного сварочного оборудования

3.8 Компоновка сварочной установки

4. Технический контроль качества и исправление брака

4.1 Стилоскопирование деталей и металла шва

4.2 Визуальный и измерительный контроль

4.3 Измерение твердости металла шва

4.4 Ультразвуковая и радиографическая дефектоскопия

4.5 Прогонка металлического шара

4.6 Гидравлические испытания

4.7 Исправление дефектов в сварных соединениях

5. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

5.1 Описание конструкции и основных узлов модулятора

5.2 Выбор принципиальной электрической схемы силовой части модулятора

5.3 Принципиальная электрическая схема силовой части модулятора

5.4 Расчет параметров модулятора при питании от источника с крутопадающей характеристикой

5.5 Функциональная схема

5.6 Принципиальная электрическая схема системы управления

модулятора

5.7 Проектирование сборочного приспособления

6. ОРГАНИЗАЦИОННО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Сравнительный анализ

6.1.1 Определение норм времени

6.1.2 Автоматическая сварка в аргоне

6.2 Экономическая оценка сравниваемых способов сварки

6.2.1 Первая ситуация

6.2.2 Вторая ситуация

7. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

7.1 Производственная санитария

7.2 Электробезопасность

7.2.1 Расчет защитного заземления

7.3 Пожаробезопасность

7.4 Охрана окружающей среды

7.5 Чрезвычайные ситуации

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Поверхности нагрева являются основной частью любого котла, как по их массе, так и по трудоёмкости изготовления. Работа в условиях высоких температур, циклические нагрузки.

В связи с этим при изготовлении элементов поверхностей нагрева котлов необходимо стремиться к снижению количества сварных соединений, к такой конструкции изделия и технологическому процессу изготовления, позволяющему производить сварку в удобном положении (нижнем), к расположению стыков позволяющего облегчить их ремонт в процессе работы котлоагрегата.

Изготовление элементов поверхностей нагрева котлоагрегатов требует высокой квалификации слесарей и сварщиков, занятых в процессе изготовления. Высокие требования по подготовке деталей под сварку, сварке, контролю качества сварных соединений, основных и вспомогательных материалов регламентируются и контролируются Госгортехнадзором РФ.

В настоящее время трубы поверхностей нагрева паровых котлов сваривают методами РДС покрытыми электродами и неплавящимся электродом в аргоне с подачей присадочной проволоки. Качество сварного соединения и производительность зависит от субъективных качеств исполнителей.

Ввиду достаточно малых диаметров свариваемых труб и высокого требования к качеству корневого слоя, предпочтительнее применение РДС неплавящимся электродом при импульсном питании сварочной дуги.

В настоящее время способ импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом в аргоне получил широкое применение для прецезионнои сварки теплопроводных материалов и материалов требующих строгой дозировки тепловложения. Применение импульсного нагрева значительно расширяет технологические возможности дуги. Вследствие более концентрированного ввода тепла в изделие на 50% снижаются сварочные деформации, значительно уменьшается испарение легирующих элементов, снижается зона термического влияния и перегрев зоны сварки.

Задачей выпускной квалификационной работы является разработка технологии процесса, и установки для автоматической сварки неплавящимся электродом в аргоне при импульсном питании дуги с подачей присадочной проволоки кольцевых швов в горизонтальной плоскости труб поверхностей нагрева паровых котлов.

Применение автоматической сварки позволит повысить качество сварного шва и увеличить производительность.

В ходе выполнения работы разработаны: технологический процесс сборки и сварки кольцевых соединений в горизонтальной плоскости; импульсная система питания; алгоритм управления сварочным процессом и установкой в целом; сборочное приспособление



1. ХАРАКТЕРИСТИКА СВАРНОЙ КОНСТРУКЦИИ

1.1 Описание сварной конструкции

Поверхности нагрева являются основной частью любого котла, как по их массе, так и по трудоёмкости изготовления. Под поверхностями нагрева понимают трубные элементы, работающие под давлением и образующие поверхности нагрева пароперегревателя, экономайзера и топочных экранов.

Конвективный пароперегреватель является полурадиационной ступенью пароперегревателя парового котла, т.к. в процессе работы подвергается нагреву пламенем сгорающего топлива в топке котла и уходящими газами.

Рабочей средой конвективного пароперегревателя является пар с температурой 480-540 ⁰С и давлением 25 кг/см².

Блок конвективного пароперегревателя состоит из входной и выходной камеры и соединяющих их змеевиков, которые являются непосредственно поверхностью нагрева. Схематический эскиз блока конвективного пароперегревателя представлен на рисунке 1.

вход

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

выход перегретого пара

Рисунок 1. Схема конвективного пароперегревателя

Конвективный пароперегреватель состоит из следующих частей:

- входная и выходная камера КПП из труб диаметром 108 х 6,5 мм. из стали 12Х1МФ

- донышко, диаметром 108 мм. Сталь 12Х1МФ

- переход, сталь 12Х1МФ

- змеевики из труб диаметром 42 х 4,5 мм., сталь 12Х1МФ

- штампованный уголок изготовлен из стали Х18Н9Т

Способы соединения между собой всех деталей и сборочных узлов в целое изделие предусмотрены руководящими документами на изделие, это РД 153 - 34.1- 003 - 01 «Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования» РТМ - 1С.

На рисунке 2 представлена форма подготовки кромок под сварку, на рисунке 3 представлено поперечное сечение сварного шва.

Рисунок 2

Рисунок 3

Сварное соединение выполнено по ГОСТ 1771 - 76^*.



1.2 Материал сварной конструкции

Трубы поверхностей нагрева паровых котлов изготавливают из стали 12Х1МФ. Сталь 12Х1МФ - это теплоустойчивая сталь перлитного класса, предназначенная для изготовления деталей, работающих в нагруженном состоянии при температурах 570 - 585°С в течении длительного времени. Она применяется для изготовления труб пароперегревателей, трубопроводов, коллекторных установок высокого давления, поковок для котлов и паропроводов, деталей цилиндров газовых турбин [1, с. 396, табл. 9].

Так как сталь 12Х1МФ характеризуется продолжительным сроком работы (сотни тысяч часов), то ее не подвергают упрочняющей термической обработке и применяют в отожженном или нормализованном и отпущенном состоянии (иногда вообще без термической обработки). Необходимая теплостойкость достигается комплексным легированием хромом, молибденом, ванадием.

Теплоустойчивые стали перлитного класса пластичны в холодном состоянии, удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются. По теплопроводности и тепловому расширению они близки к обычным конструкционным сталям.

Сталь 12X1МФ изготавливается по ГОСТ 20072-74*.

Химический состав стали 12Х1МФ представлен в таблице 1 [2, с. 22-23, табл. 1.11]:

Таблица 1

Химический состав стали 12Х1МФ

С, %	Мп, %	Si, %	Сг, %	Ni, %	Мо, %	V, %	S, %	Р,%
0.08-0.15	0.4-0.7	0.12-0.35	0.9-1.2	<0.3	0.25-0.35	0.15-0.3	<0.03	< 0.025

Механические свойства стали 12Х1МФ представлены в таблице 2 [3,с.337,табл. 585]:



Таблица 2

Механические свойства стали 12Х1МФ

ут, МПа	ув, МПа	д, %	ш, %	бн, Дж/см2
255	470	21	55	98

Предел ползучести и длительной прочности стали 12Х1МФ (после нормализации 960-980°С, воздух и последующего высокого отпуска при 740-760 °С, воздух), представлены в таблице 3 [3, с. 339, табл. 588]:

Таблица 3

Предел ползучести и длительной прочности стали 12Х1МФ

Температура;°С	у10000, МПа	у 10000, МПа	у1/10000, МПа	у1/10000, МПа
520	200	160	180	130
560	140	108	118	84
580	120	90-100	90	62

Коэффициент линейного расширения и теплопроводность стали 12Х1МФ представлены в таблице 4 [3, с. 339, табл. 587]:

Таблица 4

Коэффициент линейного расширения и теплопроводность стали 12Х1МФ

Температура, °С	б, 106 мм/мм °С	л, Вт(мм°С)
400	12,8	39,0
500	13,2	36,1
600	13,65	33,4

1.3 Оценка технологической свариваемости материала

Свариваемость это способность металлов образовывать качественное сварное соединение, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям. Определяем эквивалентное содержание углерода в свариваемой стали, определяем по формуле [3,с.301].

(1)

где С - содержание углерода, %;

Mn,....Р - содержание легирующих элементов, %.

Согласно расчету можно определить группу свариваемости данной стали (ограниченную) т. е. сварка с предварительным или сопутствующим подогревом до 250°С в жестком диапазоне режимов сварки, а иногда и выдержку сварных соединений при определённой температуре после окончания сварки [3, с.301]. Эксплуатационная надежность конструкций повышенной толщины может быть обеспечена лишь после стабилизации структуры и снятия напряжений путём отпуска сварных соединений. Температура отпуска сварных соединений для данной стали должна быть не ниже 700°С, так как выпадение дисперсных карбидов ванадия из твердого раствора, при низких температурах отпуска приводит к охрупчиванию металла околошовной зоны и к разрушению сварного соединения в процессе эксплуатации.

Разупрочнение металла околошовной зоны приводит к снижению прочностных характеристик сварного соединения. Мягкая прослойка в сварных соединениях может явиться причиной локальных разрушений жестких сварных соединений, особенно при изгибающих нагрузках. Разупрочнение металла около шовной зоны устраняется перекристаллизацией в процессе высокотемпературной обработки нормализацией с отпуском, но возникает необходимость повышения содержания углерода и уровня легирования шва для обеспечения необходимой прочности.

Изделия из стали 12Х1МФ свариваются методами РДС покрытыми электродами или аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом. [2.С.ЗО].

1.4 Оценка технологичности конструкции

Технологичность сварных конструкций - одно из главных условий ускорения процесса сварочного производства, снижения материалоемкости, трудоемкости, энергоемкости, себестоимости, повышения их качества и надежности.

Сварная конструкция считается технологичной, если она скомпонована из такого количества элементов, с приданием им таких размеров и форм, с применением таких марок и видов материалов, технологии, оборудования и методов организации производства ее простое и экономическое изготовление.

Под технологичностью понимается выбор таких форм, размеров деталей, узлов изделия и материалов, которые обеспечивают высокие эксплуатационные качества изделия при экономичности изготовления.

Технологичность конструкции оцениваем в соответствии с методикой изложенной в [4, с.115].

Общий коэффициент использования металла К_ИМ вычисляется по формуле:

(2)

где G_Д - масса готовой детали, г;

G_З - масса заготовки, г.

Заготовкой является поставляемая труба, масса которой равна 250800 г. Готовой деталью является труба после разделки кромок, масса которой равна 250793 г.

Коэффициент протяженности сварных швов К_пш вычисляется по формуле:

(3)

где L_Ш длина сварных швов, мм;

G_К - масса конструкции, кг.

Массу конструкции вычисляем по формуле:

, (4)

где G_Н - масса наплавленного металла, кг.

Масса наплавленного металла вычисляется по формуле:

, (5)

где l- длина сварного шва, см;

F_Н- площадь наплавленного металла, г;

г - плотность металла шва, г/см².

г

г

Так как наша конструкция состоит из одного сварного шва, то l=10,048.

Показатель отношения массы наплавленного металла к массе всей конструкции вычисляется по формуле:

, (6)

Коэффициент использования оборудования по основному времени вычисляют по формуле:

(7)

где t₀ - основное время на сварку, мин;

t_шк - штучно-калькуляционное время, мин.

Коэффициент использования сварочного оборудования по силе сварочного тока вычисляются по формуле:

, (8)

где I_тр- требуемая сила тока, А;

I_нор- номинальная сила тока, А.



2. Особенности сварки данной конструкции

2.1 Возможные методы сварки, достоинства и недостатки

«Правила устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» указывают, что для обеспечения качества, сварные соединения труб поверхностей нагрева диаметром 25-76 мм при толщине стенки 2-6 мм необходимо выполнять не менее чем в два слоя преимущественно комбинированной сваркой, когда корень шва выполняется аргонодуговой сваркой, а последующие слои ручной дуговой сваркой электродами с покрытием [5]. Применение комбинированного способа сварки затрудняется по следующим причинам: этот способ сварки труб поверхностей нагрева на монтаже требует наличие оборудования как для аргонодуговой сварки так и для ручной дуговой сваркой электродами с покрытием.

Также допускается возможность сварки труб поверхностей нагрева не менее чем в два прохода аргонодуговой сваркой, но этот способ также затрудняется по следующим причинам:

- необходимы дополнительные мероприятия для предотвращения чрезмерной естественной вентиляции (тяги) в котлоагрегатах во время выполнения сварки во избежание нарушения газовой защиты сварочной ванны;

- наличие специально обученных высококвалифицированных (аттестованных) сварщиков;

- сложный технологический процесс и низкая скорость сварки. Указанные нормативные документы допускают возможность сварки труб поверхностей нагрева не менее чем в два прохода ручной дуговой сваркой электродами с покрытием [5]. В тоже время, применение ручной дуговой сварки электродами с покрытием труб поверхностей нагрева не обеспечивает достаточного качества по следующим причинам:

- при непрерывной сварке (особенно с толщиной стенки менее 5 м) происходит перегрев зоны термического влияния, образования свищей и газовых пор;

- при частом повторном возобновлении дуги сварочная ванна насыщается газами, образуются свищи и газовые поры;

- при относительно длительном прерывании процесса сварки с целью естественного охлаждения зоны термического влияния возникают дефекты в виде шлаковых включений в зоне сплавления и проплавления кромок, появляется необходимость удаления шлака в месте возобновления дуги.

Большое количество повреждений приходится на сварные соединения, выполненные в условиях монтажа и ремонта ручной дуговой сваркой покрытыми электродами. Основными дефектами являются свищи, поры, сетки пор, наплывы, частичное непроплавление кромок труб, шлаковые включения. При этом следует отметить, что при монтаже и ремонте котлоагрегатов сварка труб поверхностей нагрева выполняется в неповоротном положении, часто в стесненных условиях.

При замене труб поверхностей нагрева, стенки свариваемых кромок труб часто имеют различную толщину вследствие того, что новые трубы свариваются с трубами, длительно находившимися в эксплуатации. На внутренних и наружных поверхностях таких труб имеются, как правило, участки коррозионного износа.

Одной из основных проблем, повышения надежности сварных соединений труб поверхностей нагрева способом ручной дуговой сварки неплавящимся электродом, является проблема повышения качества сварки корневого слоя шва. Значительно расширить технологические возможности дуговой сварки, в том числе автоматической сварки, позволяет использование нестационарных процессов, к которым относится сварка модулированным током.



2.2 Обоснование выбора способа сварки

Как уже было отмечено выше, трубы поверхностей нагрева паровых котлов, изготовленные из стали 12Х1МФ сваривают методами РДС покрытыми электродами и неплавящимся электродом в аргоне с подачей присадочного материала. Качество сварного соединения и производительность зависит от субъективных качеств исполнителей.

Ввиду достаточно малых диаметров свариваемых труб и высокого требования к качеству корневого слоя, предпочтительнее применение РДС неплавящимся электродом при импульсном питании сварочной дуги.

В настоящее время способ импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом в аргоне получил широкое применение для прецезионной сварки теплопроводных материалов и материалов требующих строгой дозировки тепловложения. Применение импульсного нагрева для дуговой сварки плавлением значительно расширяет технологические возможности дуги. Вследствие более концентрированного ввода тепла в изделие на 50 процентов снижаются сварочные деформации, значительно уменьшается испарение легирующих элементов, снижается зона термического влияния и перегрев зоны сварки.

Сварной шов при импульсно-дуговой сварке образуется путем расплавления кромок изделия во время импульса, а в течение паузы происходит частичная кристаллизация расплавленной точки. Изменением длительности импульса, паузы и амплитуды импульсов можно регулировать в широких пределах технологические параметры процесса дуговой сварки. Во время паузы для ионизации дугового промежутка горит маломощная "дежурная" дуга.

Для повышения производительности и качества необходимо применить автоматическую сварку кольцевых швов в горизонтальной плоскости труб поверхностей нагрева неплавящимся электродом в аргоне при импульсном питании дуги.

Поэтому для сварки труб поверхностей нагрева паровых котлов, мы выбираем автоматическую сварку неплавящимся электродом в аргоне при импульсном питании дуги.

2.3 Сущность процесса сварки модулированным током

Модуляция - это процесс изменения какой либо величины во времени по заданному закону.

Метод сварки с периодический изменяемой мощностью дуги в первые предложен в СССР в 1953 году Зайцевым М.П. для сварки тонколистовой стали с целью сокращения тепловых потерь. [6]

Сущность этого процесса состоит в том, что во время сварки ток дуги периодически увеличивается в импульсе и уменьшается в паузе. На рисунке 4 представлена эпюра тока дуги поясняющая этот процесс. Ток импульса может превышать ток обычной стационарной (немодулированной) дуги в 1 - 2 раза, а в паузе ток дуги может быть уменьшен в 1,3 - 3 раза. [7, с.59]

Рисунок 4. Эпюра модулированного сварочного тока

Основными параметрами режима сварки модулированным током является: ток импульса I_и, ток паузы I_п, время паузы t_n, время импульса t_и. Кроме основных параметров режима сварки введены дополнительные: глубина модуляции сварочного тока М= I_и/ I_п, жесткость процесса G= t_n/t_и, частота следования импульсов f=l/ (t_и+t_п). [8, с.20]

По сравнению с традиционными способами ручной дуговой сварки сварка модулированным током обладает следующими преимуществами:

на (25...40) % повышается производительность сварки в положениях, отличных от нижнего;

облегчается выполнение корня шва, особенно при сварке на весу с зазором (2,5...3,5) мм, при этом происходит формирование качественного обратного валика и в большинстве случаев отпадает необходимость в остающихся подкладках, кольцах, специальных пастах;

сокращается время обучения сварщиков технике сварки в различных пространственных положениях, в том числе для ответственных соединений; [7, с.59 ]

существенно облегчается техника сварки в положениях, отличных от нижнего;

- улучшается формирование и качество сварного шва, причем обеспечивается выполнение качественного вертикального шва приемом «сверху - вниз»;

измельчается первичное зерно металла шва;[9, с.22]

улучшаются механические свойства сварных соединений; [10, с. 19]

увеличивается диапазон регулирования режима сварки; [6]

появляется возможность регулирования химического состава наплав ленного металла шва;

- снижается выгорание легирующих элементов и снижается образования аэрозолей[11, с. 17].

Однако существует ряд проблем при сварки модулированным током:

- увеличение параметров режима сварки делает необходимым более тщательный подбор режимов сварки;

- величина тока в импульсе и паузе различаются в несколько раз и поэтому интенсивность светового излучения дуги также изменяется в несколько раз с частотой 0,5-10 Гц. Зрачок глаза успевает реагировать на это, что приводит к усталости глаз.



2.4 Анализ существующих методов модуляции сварочного тока

Для сварки модулированным током применяется два способа. Один осуществляет воздействием на ток обмотки возбуждения сварочного генератора. Другой осуществляет по сварочной цепи путем изменения ее сопротивления. Сущность их заключается в импульсном регулировании величины сопротивления в цепи обмотки возбуждения или непосредственно в сварочной цепи.[12]

2.4.1 Модуляция сварочного тока путем воздействия на обмотку возбуждения

Принципиально электрическая схема воздействие на ток обмотки возбуждения сварочного генератора представлена на рисунке 5.

РО

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема модуляции сварочного тока, путем воздействия на ток обмотки возбуждения

В этом варианте сопротивление R₁ определяет ток во время паузы. Во время импульса параллельно сопротивлению R₁ при помощи полупроводникового ключа К подключается сопротивление R2. Ток возбуждения при этом определяется результирующим сопротивлением.

, (9)



где R₁- сопротивление;

R₂- сопротивление.

К такому способу модуляции сварочного тока относится устройство модуляции тока сварочного генератора, позволяющее работать с генераторами различного типа с независимым и параллельным возбуждением. Предлагаемое устройство снабжено схемой начального возбуждения, вход которой соединен с выходом схемы управления сварочным циклом, а выход подключен к входу схемы регулирования тока импульса и паузы. Устройство содержит последовательно соединенные схему управления сварочным циклом, схему начального возбуждения генератора и схему регулирования тока импульса и паузы. [13] На рисунке 6 приведены эпюры тока и напряжения при модуляции сварочного тока генератора.

Рисунок 6. Эпюры тока и напряжения при модуляции сварочного тока генератора

2.4.2 Модуляция сварочного тока по сварочной цепи

На рисунке 7 представлена принципиальная схема модуляции сварочного тока по сварочной цепи. Здесь импульсное регулируемое сопротивление введено непосредственно в сварочную цепь. Полупроводниковый ключ К периодически замыкается на определенное время и осуществляется модуляция сварочного тока. При разомкнутом ключе сопротивление R введено и в сварочной цепи протекает небольшой по величине ток паузы, определяемый суммой сопротивлений самого источника и импульсного регулируемого R. При замкнутом состоянии ключа сварочный ток определяется настройкой источника питания.

Рисунок 7. Принципиальная электрическая схема модуляции сварочного тока, путем изменения сопротивления сварочной цепи

В этом варианте обеспечивается большее быстродействие, т. к. в этом случае постоянная времени цепи, определяемая во время импульса соотношением

, (10)

где L_ц - индуктивность сварочной цепи;

R_ц - сопротивление сварочной цепи.

и во время паузы

, (11)

где L_ц - индуктивность сварочной цепи;

R_ц - сопротивление сварочной цепи;

R - регулируемое сопротивление.

В первом варианте индуктивность обмотки возбуждения в 20 ч 40 раз больше индуктивности сварочной цепи, поэтому нарастание и спад тока возбуждения и сварочного тока будет происходить значительно медленнее.

При модуляции тока по сварочной цепи достоинствами является: универсальность, быстродействие, возможность создания замкнутых систем автоматического регулирования с обратной связью. Недостатком является большая скорость нарастания тока в импульсе.[12], который устраняется путем включения дополнительного дросселя с небольшой индуктивностью в сварочную цепь.

2.5 Металлургические и технологические особенности принятого способа сварки

Способ импульсно-дуговой сварки неплавящимся электродом заключается в том, что металл плавится во время импульса тока и кристаллизуется во время паузы. Перемещение дуги осуществляется с постоянной скоростью или отдельными шагами, синхронизированными с импульсами сварочного тока. В результате шов представляет собой серию частично перекрываемых точек. К параметрам режима относятся амплитуды тока импульса и тока паузы, длительности импульса и паузы, шаг перемещения.

Импульсно-дуговая сварка обеспечивает лучшую стабильность проплавления в различных пространственных положениях, меньшую чувствительность к неточностям сборки. Снижение теплового потока в моменты тока паузы позволяет обеспечить заданный термоцикл.

Подача присадочной проволоки осуществляется в момент тока импульса, при токе паузы скорость подачи уменьшается или снижается до нуля. При сварке неповоротных стыков трубопроводов сварка выполняется с поперечными колебаниями сварочной горелки, и импульсы сварочного тока подаются в моменты нахождения дуги у кромок. Во время прохождения дуги через центральную часть разделки сварочный ток уменьшается с одновременным уменьшением скорости подачи присадочной проволоки. Это позволяет улучшить сплавление кромок и получить более равномерное формирование шва во всех пространственных положениях.

Необходимым условием получения качественных швов при сварке неплавящимся электродом импульсной дугой является стабильное возбуждение дуги и достаточно точная регулировка длительности импульса и паузы. Первоначальное зажигание дуги осуществляется осциллятором, который затем отключается. Для обеспечения непрерывности горения импульсной дуги между неплавящимся электродом и свариваемым изделием постоянно поддерживается от самостоятельного источника питания, маломощная дуга, на которую накладывается импульсная дуга. Ток "дежурной" дуги, поддерживает дуговой промежуток в ионизирующем состоянии. Регулирование длительности импульса и паузы осуществляется схемой управления.

Импульсно-дуговая сварка неплавящимся электродом позволяет регулировать тепловую энергию, вводимую в металл не только за счет изменения сварочного тока, но также за счет изменения длительности импульса и паузы. Это позволяет регулировать в широких пределах проплавляющую способность дуги, что очень важно при сварке малых толщин, где она и находит преимущественное применение и дает возможность улучшить физические и механические свойства сварного шва, избежать вероятности появления пор, прожогов непроваров, уменьшить остаточные деформации.

Для неплавящегося электрода могут применяться стержни вольфрама или графита. В основном сварка производится вольфрамовым электродом. Его высокая стойкость наблюдается при использовании защитных газов, не взаимодействующих с вольфрамом. Основным защитным газом является аргон, а процесс называют аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. Сварку теплоустойчивых сталей проводят на постоянном токе прямой полярности.

Аргон является инертным газом. Он не растворяется в сварочной ванне и не образует химических соединений с основным металлом и легирующими элементами, входящими в его состав. Так как при сварке под защитой инертных газов расплавленный металл сварочной ванны изолирован от атмосферного воздуха, то могут протекать металлургические процессы только между элементами, содержащимися в металле ванны.

Если в ванне содержится некоторое количество кислорода, то при высокой концентрации углерода будет протекать реакция [5, с.111]:

(12)

Насыщению ванны кислородом способствует небольшое количество примесей в инертном газе в виде свободного кислорода и паров воды. Для подавления реакции окисления углерода в период кристаллизации металла шва в сварочной ванне должно содержаться достаточное количество раскислителей.



3. Технология изготовления сварной конструкции

3.1 Заготовительные операции

Заготовительной операцией применяемой для нашей сварной конструкции является подготовка основного металла под сварку

Входной контроль металла (труб, листов, профильного проката), конструктивных элементов котлов и трубопроводов, поступающих на предприятие для изготовления, монтажа или ремонта энергетического объекта, включает следующие контрольные операции: [5. с 37]

- проверку наличия сертификата или паспорта, полноты приведенных в нем данных и соответствия этих данных требованиям стандарта, технических условий или конструкторской документации;

- проверку наличия маркировки и соответствия ее сертификатным или паспортным данным;

- осмотр металла и конструктивных элементов для выявления поверхностных дефектов и повреждений.

При отсутствии сертификата или неполноте сертификатных данных применение этого металла может быть допущено только после проведения испытаний, подтверждающих соответствие металла всем требованиям стандарта или технических условий.

Конструктивные элементы котлов и трубопроводов, не имеющие заводского паспорта (сертификата), не могут быть допущены для дальнейшего производства (монтажа, ремонта, укрупнения).

Входной контроль основных материалов (металла и конструктивных элементов) осуществляет в соответствии с ГОСТ 24297. Результаты входного контроля должны быть переданы монтажной (ремонтной) организации.



3.2 Подготовка деталей к сварке

На всех поступающих, на монтажную площадку, трубах до начала сборки мастером (или другим ответственным лицом) должно быть проверено наличие клейм, маркировки, а также сертификатов завода-изготовителя, подтверждающих соответствие труб их назначению. При отсутствии клейм, маркировки или сертификатов блоки, трубы и детали к дальнейшей обработке не допускаются.

При подготовке стыковых соединений труб для сварки необходимо проверить их соответствие чертежам и требованиям НТД. На рисунке 8 показано отклонение плоскости реза от угольника должно быть не выше, е = 0,5мм.

Рисунок 8. Схема проверки перпендикулярности торцов труб

Следует также проверить:

- соответствие формы, размеров и качества подготовки кромок предъявляемым требованиям (обработку фасок под сварку и размеры кромок проверяют специальными шаблонами);

- качество зачистки наружной и внутренней поверхностей концов труб;

- правильность выполнения переходов от одного сечения к другому.

Обработку кромок труб под сварку следует производить механическим способом (резцом, фрезой) с помощью труборезного станка. Шероховатость поверхности кромок труб, подготовленных для сварки, должна соответствовать нормам, приведенным на рисунке 9. [5]

Фаски на трубах под сварку стыков необходимо снимать только механическим способом с помощью переносного станка.

Все местные уступы и неровности, имеющиеся на кромках собираемых труб и препятствующие их соединению в соответствии с требованиями чертежей, следует до сборки устранить с помощью абразивного круга или напильника, не допуская острых углов и резких переходов.

Концы труб должны быть обработаны согласно эскизу на рисунке 9.

Рисунок 9. Эскиз обработки концов труб

В монтажных и ремонтных условиях разрешается производить подгибку труб из хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей на угол не более 10°.

Трубы из хромомолибденовых и хромомолибденованадиевых сталей независимо от толщины стенки при подгибке следует подогревать в месте подгибки до 710-740°С. После подгибки нагретый участок необходимо обернуть асбестом. Место подгибки должно находиться вне гиба трубы.[5]

Температуру контролируют с помощью термокарандаша, термоэлектрического преобразователя (ТП) или термокраски. Термообработка места подгибки не требуется.

3.3 Разработка технологии сборки и сварки

Непосредственно перед сборкой подготовленные под сварку кромки и прилегающие к ним участки поверхностей деталей должны быть зачищены до металлического блеска и обезжирены. Ширина зачищенных участков, считая от кромки разделки, должна быть не менее 20 мм с наружной и не менее 10 мм с внутренней стороны детали.

Смещение (несовпадение) внутренних поверхностей свариваемых труб (и фасонных деталей) при сварке стыков без подкладного кольца с односторонней разделкой кромок должно быть не более (0,02 S_H+0,4) mm (S_H- номинальная толщина свариваемых деталей), но не более 1 мм.

При сборке стыков труб под сварку следует пользоваться центровочными приспособлениями (струбцина) показанного на рисунке 10 и прихватывать в одной или двух точках, расположенных в диаметрально противоположных местах.

Рисунок 10. Приспособление для центровки труб диаметром 32 - 83 мм (размеры даны для труб диаметром 32 мм)

Нельзя подвергать стык каким-либо механическим воздействиям до полного окончания сварки и остывания шва

Прихватку и сварку стыков следует производить без предварительного подогрева, независимо от марки стали. Прихватку разрешается производить аргонодуговой сваркой. Расположение слоев и валиков при механизированной сварке показано на рисунке 11.



Рисунок 11. Примерное расположение слоев и валиков при сварке вертикального (а) и горизонтального (б) стыков труб поверхностей нагрева при автоматической сварке.

Стыки труб поверхностей нагрева сваривает один сварщик. Перед прихваткой и началом сварки качество сборки стыка должен проверять сварщик, необходимо проверить наличие заводских номеров (номера плавки и номера трубы) в маркировке труб. Последовательность сварки труб поверхностей нагрева автоматической сваркой модулированным током (см. Приложение 1):

- проверить зачистку труб;

- проверить защиту труб;

- измерить внутренние диаметры труб;

- проверить перпендикулярность обрезки торцов труб;

- проверить угол разделки кромок;

- проверить наличие следов масла на зачищенных местах;

- установить приспособление для центровки труб согласно карты эскиза. (Приспособление изготавливать, учитывая условия электростанции и типоразмеры труб);

- прихватить ручной аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с присадочным материалом в двух, трех местах стык;

- произвести контроль прихваток внешним осмотром (дефекты в прихватках не допускаются);

- произвести измерение зазора между стыкуемыми трубами;

- снять центровочное приспособление;

- проверить прямолинейность осей прихваченных труб. Линейку прикладывать в трех-четырех местах по окружности стыка;

- установить сварочную головку на прихваченный стык;

- настроить параметры режима сварки;

- сварить автоматической аргонодуговой сваркой в среде аргона с присадочным металлом корневой слой;

- зачистить шов от пыли и загрязнений;

- произвести контроль внешним осмотром. Поры, трещины, незаплавленные кратеры, прожоги не допускаются;

- сварить автоматической аргонодуговой сваркой в среде аргона с присадочным металлом заполняющий слой;

- снять сварочную головку со стыка;

- зачистить шов от пыли и загрязнений.

3.4 Сварочные напряжения и деформации, меры борьбы с ними

Различают:

- тепловые напряжения, вызванные неравномерным распределением температуры при сварке;

- структурные напряжения, возникающие вследствие структурных превращений, сопровождающиеся переохлаждением аустенита в околошовной зоне и образования продуктов закалки мартенсита.

В зависимости от времени существования собственных напряжений и деформаций различают:

- временные - существующие в конструкции лишь в определенный момент времен;

- остаточные - остаются в изделии после снятия нагрузки.

В зависимости от размеров области, в пределах которой имеют место и взаимно уравновешиваются внутренние напряжения, различают:

- напряжение I рода - уравновешиваются в крупных объемах соизмеримых с размерами изделий или отдельных его частей;

- напряжение II рода - уравновешиваются в микрообъеме тела в пределах одного или нескольких зерен;

- напряжения III рода - уравновешиваются в объемах соизмеримых с атомной решеткой и связанны с искажениями атомной решетки.

Напряжения также можно разделить по напряжению действия: продольные вдоль оси шва, поперечные перпендикулярно оси шва.

По виду напряженного состояния сварочные швы бывают:

- линейные (одноосные);

- плоскостные (двухосные);

- объемные (трехосные).

Меры борьбы со сварочными деформациями и напряжениями.

Весь комплекс борьбы со сварочными напряжениями и деформациями можно разделить на 2 группы:

- мероприятия, предотвращающие вероятность возникновения деформаций и напряжений или уменьшающих влияние: к таким мероприятиям можно отнести: последовательность сварки, закрепление, предварительный обратный выгиб, подогрев, интенсивное охлаждение свариваемых изделий.

- мероприятия, обеспечивающие последующее исправление деформаций и снятие напряжений: к таким мероприятиям можно отнести: механическая правка, проковка шва, термообработка, также можно предотвратить сварочные деформации за счет правильного выбора сварочных материалов, режимов сварки, минимальное вложение погонной энергии и правильное определение способа сварки.

Существенный недостаток сварных соединений труб поверхностей нагрева состоит в склонности к образованию околошовных трещин в процессе эксплуатации. В некоторых случаях такие дефекты приводят к полному разрушению трубы. Высокий уровень остаточных напряжений в сварном соединении увеличивает склонность металла к хрупкому разрушению.

3.5 Обоснование выбора сварочных материалов

В качестве неплавящегося электрода, мы выбираем вольфрамовый электрод.

Применяемые вольфрамовые электроды должны отвечать требованиям ГОСТ 23949 - 80 “Электроды вольфрамовые сварочные неплавящиеся. Технические условия”.

Для сварки в среде инертных газов применяются электроды диаметром 0.5-10 мм из чистого вольфрама (ЭВЧ), вольфрама с присадкой двуокиси тория (ЭВТ), вольфрама с присадкой окиси лантана (ЭВЛ), вольфрама с присадкой окиси иттрия (ЭВИ).

Торированные или лантанированные электроды, как правило применяются для сварки на постоянном токе прямой полярности с заточкой электрода на конус с высотой, равной 2-3 диаметрам электрода. Острая заточка электрода исключает блуждание катодного пятна по поверхности электрода. Добавка двуокиси тория или окиси лантана в состав активизированных электродов усиливает эмиссионные свойства электродов, улучшает зажигание дуги в диапазоне малых токов, увеличивает примерно на 30-50 процентов допустимый сварочный ток. [6, с. 280-284].

Боковая поверхность и конец электрода при правильном выборе параметров режима сварки и размеров электрода должны блестеть. Матовая поверхность означает, что тепловая нагрузка на электрод превышают рекомендуемую. Если поверхность электрода после сварки приобретает синий, черный или зеленый цвет, это означает, что расход аргона недостаточен или время продувки аргона после отключения дуги мало.

При длительной работе вольфрамового электрода на его рабочей поверхности у торца образуются наросты окислов вольфрама, так называемые коронки, которые могут приводить к произвольному перемещению катодного пятна и блужданию по поверхности сварочной ванны. Вероятность образование "коронки" уменьшается при интенсивном охлаждении электрода и улучшении газовой защиты.

Заточка вольфрамовых электродов должна производится твердыми дисками с мелким зерном для избежания образования заусенцев и бороздок на торце электрода. Круг, на котором затачиваются вольфрамовые электроды, не должен применяться для других материалов, чтобы исключить попадание загрязнений.

При разработке покрытых электродов и сварочной проволоки для сварки теплоустойчивых сталей стремятся приблизить химический состав металла шва к химическому составу основного металла, так как в условиях длительной работы сварных соединений при высоких температурах существует опасность развития диффузионных процессов.

Диффузионные процессы и особенно миграция углерода в зоне сплавления снижают длительную прочность и пластичность сварных соединений. Это явление наблюдается даже при небольшом различии в легировании металла шва карбидообразующими элементами. В связи с этим сварочные материалы выбирают в, соответствии с маркой свариваемой стали.

Для сварки стали 12Х1МФ в качестве присадочной проволоки выбираем сварочную проволоку Св-08ХМФА. Состав сварочной проволоки Св-08ХМФА ГОСТ 2246-70 представлен в таблице 5 [7, с. 11, табл. 2]:

Таблица 5

Состав сварочной проволоки Св-08ХМФА

Марка стали	Хим состав в %
	С,%	Si, %	Мп, %	Сг, %	Ni, %	Мо, %	V, %	S,%	Р, %
Св 08ХМФА	0.06-0.1	0.12-0.3	0.35-0.6	0.9-1.2	<0.30	0.5-0.7	0.15-0.3	< 0.025	< 0.025

Сварочная проволока поставляется в мотках с аккуратно уложенными рядами. Мотки проволоки одного диаметра и одной плавки обычно связывают и поставляют в бухтах. Вес каждой бухты не должен превышать 80 кг. По условиям заказа проволока диаметром до 5 мм может поставляться в катушках, которые пригодны для непосредственного использования при сварке.

Сварочные проволоки выпускают с покрытием, состоящим из тонкого слоя меди и без него. На поверхности проволоки а также в надрывах поверхностного слоя имеется технологическая смазка, состоящая в основном из мыла. В некоторых случаях проволоки покрывают антикоррозийными смазками, которые вносят в зону дуги водород и азот. В результате снижается стабильность процесса, повышается разбрызгивание, ухудшается формирование и понижается ударная вязкость металла шва. Особенно ухудшается процесс сварки при наличии на проволоке ржавчины и нитрата натрия, вводимого в состав некоторых смазок.

Механическая очистка и травление проволоки лишь немного повышают стабильность процесса и уменьшают содержание водорода в шве. В наибольшей степени удалить водород и азот из проволоки, повысить ударную вязкость шва, улучшить стабильность процесса и формирование шва, а также уменьшить разбрызгивание можно путем прокалки проволоки при температуре -150-250°С в течение 1.2-2 ч. Наличие на проволоке ржавчины приводит к резкому снижению стабильности процесса и повышению разбрызгивания. Для удаления ржавчины рекомендуется травление проволоки или механическая очистка с последующей прокалкой 1.5-2 ч при температуре 150-250°С.

В качестве защитного газа был выбран инертный таз аргон. Аргон поставляется по ГОСТ 10157-79*. При обычных условиях аргон - бесцветный, неядовитый газ, без запаха и вкуса, почти в 1.5 раза тяжелее воздуха. В природе аргон присутствует только в свободном виде. Объемная концентрация аргона в воздухе составляет 0.93%. С большинством элементов аргон не образует химических соединений, кроме некоторых гибридов. В металлах аргон как в жидком, так и в твердом состоянии нерастворим.

Физические свойства аргона представлены в таблице 6 [8, с. 120, табл. 22]

Таблица 6

Физические свойства аргона

Атомный вес	Плотность при 20°С, кг/м3	Температура кипения, °С	Теплопроводность, кал/см.·с·°С	Потенциал ионизации, В
39.944	1.662	-185.5	0.378-10-4	15.7

В настоящее время основным промышленным способом получения аргона является метод низкотемпературной ректификации воздуха с получением основных продуктов - кислорода и азота с попутным извлечением аргона. Производство аргона осуществляется на мощных воздухоразделительных установках типа КААр-30, которыми комплектуются кислородные станции заводов черной металлургии.

Аргон также получают на специализированных заводах на жидкостных воздухоразделительных установках типа Кж-1 Ар и КжАжААр-1.6 [9, с. 8-9].

Осваивается производство аргона из отдувочных газов аммиачных производств. Полученный таким путем аргон содержит некоторое количество кислорода. Дальнейшую очистку газа от кислорода осуществляют беспламенным сжиганием водорода в аргоне или другим способом. В чистом аргоне все же остается некоторое количество кислорода, азота и влаги.

Аргон выпускается трех сортов в зависимости от содержания примесей (азот, кислород, влага): высшего - с содержанием аргона не менее 99.99%, первого - 99.98%, второго - 99.95%. Аргон высшего сорта рекомендуется для сварки активных металлов (титан, цирконий, молибден, ниобий) и их сплавов. Аргон первого сорта - для сварки сплавов на основе алюминия и магния. Аргон второго сорта - для сварки нержавеющих, углеродистых и легированных сталей.

Хранится и транспортируется аргон в газообразном виде в стальных баллонах под давлением 15 МПа. В баллоне находится 6.2 м³ газообразного аргона в пересчете на температуру 20°С и давление 760 мм рт. ст. Возможна также транспортировка аргона в жидком виде в специальных цистернах или сосудах Дьюара с последующей его газификацией. Баллон для хранения аргона окрашен в серый цвет, надпись и полоса на баллоне зеленого цвета.

3.6 Выбор режима сварки

Режимом сварки называется совокупность характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получения сварного соединений заданных размеров, формы, качества и химического состава шва. При автоматической дуговой сварки модулированным током такими характеристиками являются: диаметр электрода, сила сварочного тока в основной паузе, сила сварочного тока в основном импульсе, длительность основного импульса, длительность основной паузы, длительность вспомогательного импульса, частота вспомогательных импульсов, заданное напряжение.

Исходя из литературных данных и данных полученных эксперементальным путем для сварки нашего изделия мы выбираем следующие режимы сварки, которые представлены в таблице 7:

Благодаря выбранным режимам сварки обеспечиваются оптимальные свойства зоны термического влияния и металла шва. Сваренный шов обладает оптимальными размерами и формами.

Таблица 7

Режимы сварки

Наименование	Параметры
Сила сварочного тока в основном импульсе Iосн.и. Сила сварочного тока в основной паузе Iосн.п. Длительность основного импульса tосн.и. Длительность основной паузы tосн.п. Длительность вспомогательного импульса tвсп.и. Частота вспомогательных импульсов fвсп.и. Заданное напряжение Uз Диаметр электрода dэ Скорость сварки Vсв	150 А 10 А 0,25 сек. 0,30 сек 0,14 сек 30 Гц 12 В 1,8 мм 15 м/ч

3.7 Обоснование выбора основного сварочного оборудования

Характерной чертой источников сварочного тока для сварки неплавящимся электродом является крутопадающая внешняя статическая характеристика. Такая характеристика обеспечивает стабильность тока при колебаниях длины дуги и устойчивость процесса сварки. Она достигается при большом внутреннем сопротивлении источника по отношению к сопротивлению дуги. Поэтому для сварки неплавящимся электродом используются источники с высоким напряжением холостого хода, в 4--6 раз превышающем дуговое.

В связи с тем, что глубина проплавления при сварке неплавящимся электродом весьма чувствительна к колебаниям тока, предъявляются повышенные требования к стабильности тока при изменениях напряжения питающей сети, колебаниях температуры и других внешних воздействиях. При сварке металла толщиной 4 мм. достаточно поддерживать сварочный ток с точностью 5%. Эти же требования стабильности распространяются на амплитуду импульса и длительность импульса и паузы.

Источники сварочного тока для сварки неплавящимся электродом характеризуются широким диапазоном регулирования тока. Это вызвано необходимостью снижения тока в 2.5-3 раза в конце процесса сварки для заварки кратера, образующегося благодаря давлению дуги. Устройство для заварки кратера содержат все источники сварочного тока для этого вида сварки.

В качестве источника сварочного тока, для импульсно-дуговой сварки в среде аргона выбираем выпрямитель ВД-306.

Техническая характеристика выпрямителя ВД-306 [10, с. 202, табл. VI.6]

номинальный сварочный ток, А 315

номинальный режим работы ПН, % 60

продолжительность цикла сварки, мин 5

номинальное рабочее напряжение, В 32

напряжение холостого хода, В 61-70

пределы регулирования сварочного тока, А 45-315

К.П.Д., % 72

масса, кг 165

габаритные размеры, мм 770-760-820

Для управления процессом сварки используем систему блоков автоматического регулирования "БАРС-2В". Система блоков предназначена для работы в закрытых помещениях при температуре окружающей среды +20 ± 5°С, относительной влажности 65+15 %, атмосферном давлении 760 ± 30 мм. рт. ст. и отсутствии вибрации.

Система блоков авторегулирования процесса сварки обеспечивает стабилизацию, программное управление сварочным током, скоростями сварки и подачи присадочной проволоки (в непрерывном и импульсном режимах), частотой колебаний электрода, слежение по напряжению сварочной дуги.

Технические данные БАРС-2В [11]:

напряжение питания, 220В ± 10%, 50Гц

мощность потребления при номинальной нагрузки, кВт не более 2.4

диапазон слежения за напряжением сварочной дуги, В 8,5-27

зона нечувствительности при слежении, В 0,15

диапазон изменения длительности импульса и паузы, сек 0,5-5

шаг изменения длительности импульса и паузы, сек 0,5

число ступеней программирования, 4

время нарастания сварочного тока, сек до 20

время спада сварочного тока, сек до 30

Для модуляции сварочного тока был разработан импульсный модулятор типа ИРС-300 АР. Модулятор сварочного тока выполнен в виде приставки к выпрямителю ВД-306. Все основные элементы модулятора расположены в одном корпусе. Для питания схемы управления используется напряжение 220В, которое подводится посредством штепсельного разъема, установленного на задней стенке корпуса модулятора. Ток импульса устанавливается выпрямителем в цепи обмотки возбуждения генератора сварочного тока. Ток паузы устанавливается пакетным переключателем, расположенным на боковой стенке корпуса модулятора.

Технические данные модулятора: ток паузы, А 5-15

средний ток, А 45-200

длительность импульсов, сек 0.2-3

длительность паузы, сек 0,2-3

ток в импульсе, А 50-300

габаритные размеры, мм 800-480-390

масса, кг 50

В качестве автомата для сварки нашего изделия используем головку сварочную типа ГНС-45М, которая предназначена для автоматической сварки неповоротных стыков трубопроводов в монтажных условиях неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона. Головка имеет механизм подачи присадочной проволоки, привод вращения планшайбы. Головка предназначена для работы в закрытых помещениях с температурой 5-35°С и относительной влажностью не более 75%.

Технические данные головки ГНС-45М [12]:

диаметры свариваемых труб, мм 30-50

радиус вращающихся частей, мм 55

скорость сварки, м/час 10-18

скорость подачи присадочной проволоки, м/час 15-41

диаметр присадочной проволоки, мм 1.2-1.6

диаметр вольфрамового электрода, мм 2-3

величина осевого перемещения горелки, мм ±3

величина поперечного перемещения присадочной проволоки, мм ± 3