книги из ГПНТБ / Таран, Владимир Деомидович. Технология сварки и монтажа магистральных трубопроводов

Таблица 35

Значения коэффициента пропорциональности к

С м е щ е н и е э л е к т р о д а относительно верхней точки окружности стыка (зенита) А (рис. 41) имеет большое значение для качества сварки. Дуговые газы оттес­ няют металл в направлении вращения трубы, создавая удлиненный кратер.

Для получения равномерного попереч­ ного сечения шва необходимо смещать конец электрода в сторону, противо­ положную вращению трубы (в точку

метр трубопровода. При сварке труб диаметром 500—800 мм х =

— 15 -г- 40 мм.

8 9 =

При наложении первого слоя слишком малое смещение приво­ дит к прожогам, а слишком большое к непроварам корня шва и появлению в наплавленном металле шлаковых включений. Кроме того, чрезмерное смещение вызывает стеканпе металла.

При наложении второго слоя недостаточное смещение приводит к образованию наплывов н гребней, а слишком большое к появле­ нию перетяжек в шве п сильному разбрызгиванию в процессе

где U — напряжение дуги в в;

1Р— сварочный (рабочий) ток в а; п — коэффициент пропорциональности.

Увеличение тока и повышение напряжения приводят к удли­ нению ванны, что изменяет величину смещения электрода. По­ этому при сварке труб относительно небольших диаметров нельзя применять значительную силу тока и высокую скорость. Этим и объясняется тот факт, что производительность при сварке труб диаметром 700 мм мало отличается от производительности при

локи от конца токоподводящего мундштука до дуги. Этот участок нагревается джоулевым теплом и теплом сварочной дуги. Вылет должен быть определенной длины, устанавливаемой опытным пу­ тем или принятой на основании исследований.

Увеличение вылета проволоки, особенно диаметром 2 мм, позволяет, не изменяя тока, повысить скорость ее подачи. Это происходит за счет дополнительного подогрева проволоки током при ее движении от мундштука в дугу и вызывает небольшое уве­ личение количества наплавленного металла.

этому он легко растекается по поверхности кромок, что не дает возможности вести сварку в наклонном, а тем более в вертикаль­ ном или потолочном положении.

Формирование шва, выполненного в нижнем положении, про­ исходит за счет теплоотвода через стенки трубы и слой флюса, а также за счет теплоизлучения. Форма валика определяется поверхностным натяжением на границе металл — распла­ вленный флюс и частично на границе расплавленный флюс —

■ 90

твердый флюс и воздух. Большое влияние на форму валика оказы­ вает также количество кристаллизующегося наплавленного ме­ талла или площадь поперечного сечения шва. Процесс кристалли­ зации наплавленного металла под влиянием естественного тепло­ отвода при нормальном количестве насыпного флюса называется

привело к созданию технологии сварки, отличающейся от обыч­ ного процесса, основанного на свободном формировании шва.

вязкость меняется не скачкообразно, как у металлов или метал­ лических сплавов, а непрерывно. Изменение вязкости флюсов в зависимости от температуры показано на рис. 42.

При сварке вследствие значительного температурного пере­ пада в направлении, перпендикулярном к поверхности сварочной ванны, вязкость расплавленного флюса резко меняется. Над местом сварки создается слой флюса такой толщины, что для рас­ плавления всей его массы в направлении температурного гра­ диента тепла не хватает. Над сварочной ванной образуется ко­ рочка полуоплавившегося флюса высокой вязкости.

Если перевернуть сварочную ванну на 180° так, чтобы она оказалась в потолочном положении, корочка полуоплавившегося флюса сможет при некоторых условиях удержать расплавленные металл и шлак на поверхности свариваемого изделия, как пока­ зано на рис. 43.

Автор настоящей книги совместно с канд. техн. наук Мирлиным в 1946 г. провел исследования, показавшие возможность наложения шва в потолочном положении при условии принуди­ тельной подачи флюса в зону сварки в направлении движения

91

электродной проволоки. Количество подаваемого флюса должно' быть таким, чтобы разность между объемами его насыпной и рас­ плавленной частей компенсировалась с некоторым избытком для создания противодавления. Подается флюс шнековым механизмом..

1 2 3

Рис. 43. Схема расположения фаз сварочной ванны при сварке под флюсом в потолочном положении и диаграмма вязкости этих фаз.

1 — о сн овн ой м ет ал л ; 2 — р а с п л ав л е н н ы й м ет ал л ; 3 — ш л а к ; 4 — п о л у о п л а в и в ш и н с я ф лю с; $ — г р а н у л и р о в а н н ы й ф лю с; 6 — п р и ж и м аю щ ее п р и сп особ лен и е; 7 — п р и ж и м аю ­

щ а я н а г р у з к а .

Независимо от указанных исследований сварщик Морозов пред­ ложил способ автоматической сварки под флюсом без подкладных

прожогов и других дефектов, появляющихся при сварке в нижнем положении без подкладки.

При выполнении первого слоя вращающийся шнек 6 (рис. 44). захватывает флюс из нижней части бункера 2 и подает его к месту сварки. Электрод смещается на 10—20 мм в сторону, противополож­

92

ную направлению вращения трубы. Для точного направления электрода но разделке кромок предназначено конирное устройство 5. Ролик этого устройства прижимается пружиной к стыку и пред­ отвращает смещение с него электрода.

Исследованиями [13] установлено, что смещение электрода

снижней точки (надира) в направлении вращения трубы приводит

кослаблению корня шва. Смещение электрода в направлении, противоположном вращению трубы, вызывает появление вну­ треннего валика и уменьшает заполнение разделки кромок. Луч­ шие результаты достигаются при нахождении электрода в надире.

Серьезное влияние на форму шва при сварке в потолочном поло­ жении оказывает давление флюсовой подушки, зависящее в ос­ новном от числа оборотов шнека и расстояния между насадкой и трубой (высота флюсовой подушки). Малое число оборотов шнека,

аследовательно, незначительный поджим флюса, вызывают ос­ лабление шва внутри трубы. Увеличение числа оборотов приводит

кбольшему выдавливанию металла внутрь трубы и образованию усиления в корне шва. С уменьшением расстояния между насад­ кой и свариваемым стыком увеличивается давление флюса на сварочную ванну, вследствие чего образуется обратный валик.

Втабл. 36 показано влияние на форму и размеры шва зазора между кромками стыка. Из таблицы видно, что сварка в потолоч­ ном положении допустима прц зазоре между кромками 3—4 мм. Формирование шва в этом случае происходит не хуже, чем при зазоре 1,5—2,0 мм. Однако при зазоре больше 4 мм могут по­ явиться горячие трещины по стыку кристаллов. Как правило, за­ зоры не должны превышать 3 мм; в отдельных случаях местные зазоры могут быть 4 мм.

Одним из преимуществ сварки в потолочном положении с фор­ мированием расплавленного металла потоком флюса является ее гибкость, позволяющая хорошо проваривать стыки даже со значи­ тельным смещением кромок и получать при этом швы с удо­ влетворительными микроструктурой и механическими свой­ ствами.

Для сварки труб в потолочном положении были сконструиро­ ваны специальные автоматы. Одним из первых появился автомат АМД-3. В 1958 г. во ВНИИСТ был создан автомат АПС-6 для сварки в потолочном положении труб диаметром 720 мм [14]. В основу его конструкции положено предложение работников Горьковского монтажного управления треста Нефтезаводмонтаж Министерства строительства РСФСР тт. Плеханова, Любимова и Чернова.

Автомат АПС-6 подвешивают на втулочно-роликовой цепи. Скорости вращения трубы и перемещения автомата по цепи почти одинаковы. Поэтому в процессе сварки автомат всегда находится

внижней точке стыка. Передвигается сварочный аппарат от стыка

кстыку по верхней части трубы.

93

II р и м е ч а н v е . В ч и с л и т е л я х д а н ы к р а й н и е з н а ч е н и я ,в з н а м е н а т е л я х — с р е д н и е .

СВАРКА С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ ШВА

Метод принудительного формирования шва заключается в том, что поверхность расплавленных металла и шлака охлаждается за счет искусственного интенсивного теплоотвода. В результатетакого теплоотвода на поверхности шва образуется корка металла и шлака, препятствующая растеканию жидкости. Удерживается

.металл также благодаря соприкосновению охлаждаемой поверх­ ности с медным диском или ползуном. Принудительное форми­ рование четко ограничивает форму и высоту шва.

При сварке магистральных трубопроводов достаточно нало­ жить только первый слой методом принудительного формирова­ ния. Этот слой явится базой для остальной части шва, выполняе­ мой методом свободного формирования.

Принудительное формирование шва может быть двусторонним или односторонним. При сварке трубопроводов первый слой удается выполнить с односторонним принудительным формирова­ нием, ведя процесс в потолочном положении. Принудительному формированию подвергается только внешняя поверхность валика. Внутренняя поверхность формируется свободно. Растекаться повнутренней поверхности трубы металл не может, так как с боков

94

он ограничен кромками стыка, а по направлению сварки — изо­ гнутой поверхностью трубы. Кроме того, незначительная поверх­ ность зеркала расплавленного металла, покрытого тонким слоем шлака, способствует сравнительно быстрому формированию вну­ тренней стороны валика. Ширина валика на внутренней поверх­ ности стыка 2,5—4 мм.

Равновесие сварочной ванны

При сварке с принудительным формированием расплавлен­ ный металл удерживается кромками стыка и кольцевой поверх­

Увеличение расстояния между точкой надира и точкой каса­ ния диска позволяет увеличить длину дуги, а следовательно, и ее мощность (рис. 45).

Диаметр формирующего диска, длина сварочной ванны и по­ ложение точки касания относительно надира — взаимно связан­ ные величины, так как предельная длина ванны при данном диа­ метре диска обусловливается поверхностным натяжением распла­ вленного металла и шлака.

Равновесие металла ванны, удерживаемого от стекання с по­ мощью диска, можно определить, исходя из поверхностного натя­ жения на границе металл — шлак.

9 5 -

Опыты показали, что при одинаковых режимах размеры ванны в процессе сварки в нижнем положении и с формирующим диском мало отличаются друг от друга. Это позволяет сделать вывод, что при установившемся процессе сварки теплоотвод в сторону диска сравнительно невелик [15].

Для поддержания неизменного уровня ванны сварка ведется с переполнением, а также с изменением высоты усиления, осуще­ ствляемым за счет разного положения диска по отношению к тру­ бам. Поэтому конструкция сварочного автомата предусматривает возможность смещения диска. Смещение достигается благодаря корректору. Диаметр диска выбирают по наивыгодненшему те­ пловому режиму.

Опытами установлено, что сварка методом принудительного формирования одним электродом приводит к неустойчивости процесса, так как зазор у кромок неодинаков. При увеличении зазора равновесие сварочной ванны нарушается и происходит прожог. Равновесие может нарушиться и при расположении кро­ мок в разных плоскостях.

Лучшие результаты дает сварка расщепленными электродами, т. е. двумя тонкими сварочными проволоками, параллельно под­ ключенными к одному и тому же полюсу источника тока. Каж­ дая проволока направлена на одну кромку трубы, что создает независимость горения дуги от величины зазора. Концы рас­ щепленных электродов немного смещены один относительно дру­

режима.

Расщепленные электроды располагаются крестообразно. Это позволяет направлять конец каждой проволоки почти перпенди­ кулярно к поверхности соответствующей кромки.

Как показывают исследования Б. И. Медовара и А. Г. Потапьевской 1, расщепление электрода дополнительно активизирует реакции между флюсом (шлаком) и металлом в сварочной ванне, так как увеличивает количественное соотношение между ними. Вследствие этого коэффициент наплавки повышается. Устойчи­ вость процесса сварки при продольном расположении расщеплен­ ных электродов увеличивается.

Структура шва, полученного при сварке методом принуди­ тельного формирования, существенно отличается от структуры швов, выполненных дуговой сваркой под флюсом. Вследствие энергичного отвода тепла с наружной поверхности первого слоя шва в нем наблюдается характерная столбчатая кристаллизация с резко выраженным направлением роста кристаллов.

1 М е д о в а р Б. И. и II о т а п ь е в с к а я А. Г. Об автоматической сварке расщепленным электродом. Автоматическая сварка, № 3, 1955.

96

Принудительное формирование осуществляется медным ди­ ском 5, который катится по стыку при вращении трубы 6 и способ­ ствует ускоренному теплоотводу. Медный диск пе требует искус­ ственного охлаждения, так как у него значительная масса, а кроме того, его рабочая поверхность находится в контакте со сварочной зоной непродолжительное время. Основную часть пути при вра­ щении диска нагретый участок проходит вне сварочной зоны. За этот период он успевает охладиться настолько, что при попадании в зону сварки имеет температуру, при которой осуществляется беспрепятственное формирование шва. В результате многократ-

Рис. 47. Схема расположения рабочих элемептов головки для сварки первого слоя с принудительным формированием.

а — велпчппа смешения электрода относительно вертикальной оси диска; b —вылет электрода; с — смешение конца электрода относительно нижней точки стыка; d — мунд­ штук; е — трубка для подачи флюса; / — формирующий диск; д — направление враще­ ния трубы; а — угол наклона электрода.

ного контакта весь диск приобретает некоторую квазистацпонарную температуру, которую учитывают при выборе его размеров.

Флюс к нижней головке поступает самотеком из бункера 1 по стальной изогнутой трубке 3. На выходе из трубки у сварочной ванны флюс приобретает скорость, при которой его частицы вле­ тают в зону сварки почти в горизонтальном направлении.

К сварочной зоне подаются две перекрещивающиеся электрод­ ные проволоки диаметром 1,6—2,0 мм, подключенные к одному полюсу сварочной цепи.

На рпс. 47 показано расположение рабочих элементов нижней сварочной головки. Данные для настройки головки при сварке трубопровода диаметром 529 мм со стенкой толщиной 8 мм сле­ дующие:

98