Белгород, Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
В статье предложен новый способ сварки в процессе сборки коллектора котельного агрегата с использованием специальной прецизионной установки, обеспечивающей заданное базирование корпуса коллектора, равномерность сварного шва, стабильные характеристики качества без внутренних дефектов, повышение производительности сварочных работ. Представлены результаты исследования макроструктуры сварного шва и околошовной зоны термического влияния с использованием вакуумного сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения, свидетельствующие о достаточном качестве получаемого сварного соединения, обеспечении плотной и однородной структуры, отсутствии крупных карбидных зерен, внутренних дефектов. Предложенный способ автоматической сварки под слоем флюса может быть использован с целью повышения эффективности изготовления коллекторов: повышения производительности при обеспечении требуемого качества
коллектор котельного экономайзера, обеспечение качества сборки, макроструктура сварного шва, дефекты сварного шва.
Введение. Котельный агрегат (котлоагрегат) – это крупногабаритное сложное устройство, состоящее из большого числа деталей и узлов. В состав котлоагрегата входит значительное количество элементов, работающих под высоким давлением и значительными тепловыми нагрузками, в связи с чем, в процессе изготовления к ним предъявляют повышенные требования. Одним из таких элементов явлляется блок экономайзера (рис. 1), в состав которого входит коллектор, соединенный со змеевиками. Именно этот узел имеет наиболее высокую напряженность при работе котла.
Коллектор состоит из корпуса, двух днищ и ряда штуцеров (или патрубков), присоединяемых к нему с помощью сварки (рис. 2). При сварке коллекторов применяют стыковые соединения для приварки донышек и угловые соединения для приварки штуцеров. При этом самым распространенным способом сварки является ручная электродуговая сварка штучными электродами. Такая технология весьма трудоемка и предъявляет высокие требования к опыту и квалификации рабочего для обеспечения высокого качества сварных соединений.
Рис. 1. Котельный агрегат с блоком экономайзера
Рис. 2. Коллектор котлоагрегата
Практика сборки коллекторов показала, что использование ручной электродуговой сварки приводит как к наружным, так и к внутренним дефектам сварных соединений. Наружные дефекты – это различные нарушения взаимного расположения соединяемых деталей, вызванные погрешностями в их базировании и релаксацией напряжений, погрешности геометрических размеров и формы сварных швов, выражающихся в их неравномерности или неполномерности. Внутренние дефекты – это пористость, шлаковые включения, непровары и сплавления [1].
Кроме этого из-за неравномерности заполнения разделки шва и неравномерного охлаждения нарушается равновесие внутренних напряжений в металле корпуса коллектора и присоединяемых штуцеров. С учетом того, что на одном корпусе коллектора, как правило, присутствует до 10 штуцеров и более, дисбаланс внутренних напряжений вызывает значительные деформации как отдельных деталей, так и всего узла коллектора, а иногда и образование трещин.
Для уменьшения деформаций изделия после сварки применяют дополнительные технологические операции, способствующие релаксации внутренних напряжений, в том числе предварительный подогрев перед сваркой, отжиг после сварки, остывание под слоем теплоизоляции и изменение схемы сварки. Однако эти меры не помогают устранить погрешности, связанные с погрешностью базирования свариваемых деталей или квалификацией сварщика [2].
Методология. Для решения перечисленных проблем предложена специальная сварочная установка для прецизионной сварки коллекторов котлоагрегатов, схема которой представлена на рис.3. Корпус коллектора 10 базируется и закрепляется в приспособлении 3, имеющем возможность продольного перемещения по направляющим 11. Над корпусом расположена портальная установка 2, неподвижно установленная на столе 1. В центре поперечины портала расположен сварочный суппорт 6, имеющий возможность поворота вокруг вертикальной оси и снабженный механизмом вертикального подъема 7. Этот суппорт несет на себе две оппозитно размещенные сварочные головки 5 с бабинами для сварочной проволоки 4. В центре сварочного суппорта установлено зажимное устройство 8 для привариваемой детали – штуцера 9, при этом зажимное устройство не связано механически с поворотным сварочным суппортом 6 [3].
\
Рис.3. Установка для механизированной прецизионной сварки коллекторов
Применение механизированной установки имеет ряд преимуществ по сравнению с ручной сваркой: обеспечивает заданное базирование корпуса коллектора относительно рамы установки и позиционирование штуцера по отношению к базовому отверстию корпуса коллектора; обеспечивает равномерность сварного шва по длине и стабильные характеристики качества, исключающие внутренние дефекты; облегчает труд рабочего и повышает производительность сварочных работ, снижает возможные деформации от перераспределения внутренних напряжений на начальной стадии сварки.
Основная часть. На прочностные характеристики сварного соединения существенное влияние оказывает качество наплавленного металла и структура сварного соединения. Необходимо обеспечить отсутствие внутренних дефектов, таких как поры, шлаковые включения, трещины, непровары и получить перлитную (перлитно-ферритную) структуру с отсутствием дендритного строения зерна и крупных карбидных зерен. Экспериментально доказано, что автоматическая сварка под слоем флюса исключает вышеуказанные дефекты и обеспечивает требуемую структуру. Однако, для обеспечения качества сварного соединения необходимо также получить однородную (близкую к однородной) структуру сварного соединения, где сварной шов и зона сплавления близки по структуре с основным материалом.
Для контроля качества сварного шва, выполняемого с использованием предложенного метода сварки, необходимо провести исследование макроструктуры получаемого сварного шва. Для решения поставленной задачи был изготовлен контрольный образец сварного шва, выполненный автоматической сваркой под слоем флюса с предложенными режимами. После сварки образец был разрезан перпендикулярно сварному шву, зачищен под травление, протравлен и подготовленный под анализ макроструктуры. Анализ макроструктуры производился на вакуумном сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) высокого разрешения фирмы «Тescan» серии MIRA, который позволяет оценить зону термического влияния и структуру получаемого сварного шва (рис.4, рис. 5).
Рис. 4. Макроструктура линии сплавления
Рис. 5. Макроструктура зоны термического влияния
Одним из важных технологических параметров, обеспечивающих качество сварного соединения, является количество тепловложения в процессе подогрева перед сваркой, что позволяет корректировать градиент распространения температуры как в сварном шве, так и в зоне сплавления с получением требуемой структуры в околошовной зоне. Изучение тепловых процессов в металле шва и вблизи него необходимо по двум причинам: для количественного описания многочисленных реакций, которые идут между жидким металлом и шлаком или газом, а также для определения условий кристаллизации металла, различных структурных превращений и термодеформационных процессов в металлах [4].
При сварке плавлением наплавленный металл контактирует со свариваемым металлом. В основном металле возникает зона термического влияния, примыкающая к линии сплавления, в которой под действием тепла, выделяемого источником нагрева, происходит изменение структуры и свойств свариваемого металла [5]. Зона термического влияния представляет собой неоднородную область сварного соединения, структура и свойства которой определяются фазовыми превращениями в стали, протекающими в процессе нагрева при сварке. В зоне термического влияния наблюдается образование ряда закономерных структур в зависимости от температур, до которых прогревался тот или иной участок металла при контакте с наплавленным металлом [6].
Полученные результаты макроструктуры сварного шва и околошовной зоны термического влияния свидетельствуют о достаточном качестве сварного соединения: структура сварного шва плотная и однородная, отсутствуют крупные карбидные зерна, нет дендритного строения зерна, внутренних дефектов, шлаковых включений, трещин и непроваров.
Выводы. По результатам исследований можно сделать вывод о том, что предложенный способ автоматической сварки под слоем флюса с использованием специализированной установки обеспечивает качество сварного соединения и может быть использован в процессе сборки коллекторов котлоагрегатов с целью повышения эффективности изготовления: повышения производительности при обеспечении требуемого качества.
1. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. Учебник для машиностроительных техникумов. М.: «Машиностроение». 1977, 432 с.
2. Голубев Ю.С., Потапов Н.П., Старченко Е.Г., Волобуев О.С. Состояние и перспективы развития производства и применения сварочных флюсов в отечественной промышленности. Сварочное производство. 2008. №12. С. 29-32.
3. Санин С.Н. Пелипенко Н.А., Квашенкова Г.В. Разработка приспособления для прецизионной сварки коллекторов котлоагрегатов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 4. С. 117-120.
4. Полухин П.И., Гринберг Б.Г., Жадан В.Т., Кантеник С.К., Васильев Д.Н. Технология металлов и сварка. Учебник для ВУЗов. М.: «Высшая школа», 1977. С. 464.
5. Думов С.И. Технология электрической сварки плавлением. Учебник для машиностроительных техникумов. Изд. 2-е, перераб. и доп./Л.: «Машиностроение», 1978. 368 с.
6. Каховский Н.И., Готальский Ю.Н. Тех-нология механизированной дуговой и электрошлаковой сварки. Учеб. пособие для подготовки рабочих на производстве. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: «Высшая школа», 1977. 358 с.
