Способ регулирования термического цикла при электрошлаковой сварке

О П И" С А Н И Е (и)919836ИЗОВРЕТЕН ИЯ Союз Советскин(51)М, Кл. В 23 К 25/00 с присоединением заявки,% йеударстюный кемнтет СССР иа делам нзобретеннй н атнрмтнЯ.793(088.8) Дата опубликования описания 15. 04. 82(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКЕ Изобретение относится к сварочной технике, в. частности к электро- шлаковой сварКе (ЭШС) конструкционных сталей с регулированием термических цикловИзвестен способ электрошлаковой сварки с регулированием термических циклов путем применения сопутствующего охлаждения 11 .Согласно из вест ному способу (" 1 111 О пез") и процессе ЭШС осуществляется принудительное охлаждение сварного соединения при помощи специальных устройств, установленных эа формующими.шов ползунами. В результатет 5 такого охлаждения регулирование параметров термических циклов, а следовательно, и свойств .сварных соединений возможно только на стадии охлаждения с температур м 950 С, пос. ле появления нагретого металла из-, под полэунов. Поэтому данный .способ имеет следующие недостатки. Он не позволяет регулировать параметры терА.Н.Хакимов и Л.А".Ефименко4 1 УЕ мических циклов на стадии нагрева(скорость нагрева и длительность пребывания нагретого металла выше температуры Ас). Увеличение интенсивнесзти теплоотвода от сварного соединения и повышение скорости охлаждения последнего возможно линь после появления нагретого металла иэ-под формующих шов ползунов. Таким образом, параметр, характеризующий время пребывания выше температуры Ае при охлаждении тоже не регулируем. Эти недостатки приводят к тому, что условия интенсивного роста зерна аустенита существенно не меняются при применении данного метода по сравнению с обычной технологией ЭШС. Следствием этого является интенсивный рост зерна аустенита и понижение ударной вязкости. Недостатком данного способа также является отсутствие в процессе ЭШС взаимосвязи между параметрами, характеризующими электрические режимы сварки., и параметрами охлаждающего устройства,99836 Толщино сгттогти Флюориуицеские сдоцсгттда. стттагти Ремом сбцрно ОдраслтьсВаргаlйонструнтттидиьге злементы лодготоВк нро характеристики лолт алло Блолзуною цюл яйце с гтоВ-то Ванны Ьраклтеристикц гиланв 3 оц и ме опяццеской пррометры оклада аугго устроцстВо. Раультотн рояегтта T(1,Х, ф Составитель В. Пронин Редактор М.Дылын Техред А, Ач Корректор М,КостаЗаказ 2228 12 Ти Подписнокомитета СССоткрытийаушская наб., д. е Р В но д113035 атент , г. Ужгород, ул. Проектная,Филиал Мощное цнец/ЯФ истлжц- каВ Жюл,жто аюоцкцкоРноереВа ллфо сУь лолерюн; сененцп мтттлоЮл матт олла оороцнощьт исттт нцкоВ но- греВа раж 115Государств енногам изобретенийМосква, Ж,мощнооп сатаной . ЮИтгта оороино птю слток лтеттла,лтемгтероФфдт фл 7- ноВте/7ла36 а 3 9198Известен способ регулирования термического цикла при электрошлаковой сварке, при котором получаемый в процессе сварки сварной шов охлаждают с помощью водоохпаждаемых ползунов и водовоздушной,смесью, подаваемой через воздушно-гидравлические форсунки 21.Однако связь между электрическими режимами сварки, теплофизическими 16 свойствами стали, конструктивными элементами подготовки кромок и параметрами охлаждающего устройства при этом способе ЭШС отсутствует как и в предыдущем, 15Эффективность его применения определяется тем, насколько выбранная программа охлаждения обеспечивает приближение термических циклов коптимальным с точки зрения получаемой структу- . ры и механических свойств сварных соединений. Для оптимизации програм-мы охлаждения необходимо оценить влияние около 30 факторов, характеризующих электрические режимы сварки; толщину и теплофизические свойства свариваемой стали, конструктивные элементы подготовки кромок, параметры охлаждающего устройства.Недостатком чзвестного способа . также является то, что программа ох лаждения выбирается на основе предварительных трудоемких экспериментов, при которых изменяются параметры оптимизации и осуществляется сварка с регистрацией термических циклов. 33 При этом решение задачи выбора программы охлаждения принимается в условиях действия двух противоположных тенденцийф увеличение количества экспериментов, необходимое для наиболее 40 полной оценки действия указанных факторов, увеличивает трудоемкость и продолжительность исследований; сокращение количества экспериментов снижает вероятность того обстоятель ства, что выбранная программа охлаждения соответствует оптимальной.Цель изобретения - повышение сопротивления сварных. соединений хрупкому разрушению эа счет оптимиза- я ции параметров термического цикла.Указанная цель достигается тем, что .согласно способу регулирования термического цикла при электрошлаковой сварке в процессе сварки изме" у ряют разность температур охлаждакицей среды на входе и выходе из ползунов ее расход через ползуны, расход охлаждающей среды Через форсунки, ка личество среды, которую собирают после соприкосновения с охлаждаемой поверхностью, разность температур охлаждающей среды на входе в форсунки и после соприкосновения с поверхностью сварного соединения и изменяют расход через форсунки при задан" ном значении расстояния от поверхности шлаковой ванны до верхней кромки охлаждаемой площади пропорционально удельной погонной энергии сварки и произведению разности температур охлаждающей среды до и после соприкосновения с поверхностью сварного соединения на,удельную теплоемкость охлаждающей среды, а также обратно пропорционально произведению расхода охлаждающей среды через ползуны на разность температур на входе и выходе из ползуна.Для осуществления способа применяется установка ЭШС, оборудованная системой подвода охлаждающей среды к заданным участкам сварного соединения и сбора ее после воздействия на охлаждаемые участки. Датчики и контролирунзцие системы позволяют регулировать параметры охлаждения в зависимости от конкретных условий сварки е На фиг, 1 приведена схема регулирования параметров термических циклов при ЗШС,-Схема содержит свариваемое изделие 1; ползун 2, формующий, шов; шлаковую ванну 3; электродную проволоку 4; механизм 5 подачй электродной проволоки; металлическую ванну 6;охлаждающее устройство 7 например, гидравлическая форсунка), охлаждающую среду 8; емкость 9 с охлаждающей средой; насос 10 для подачи охлаждающей среды к форсунке и ползуну; клапан 11, регулирующий подачу охлаждающей среды в форсунку; расходомер 12 (например, индукционный) для определения количества охпаждающей среды, поступающей в .форсунку, датчик 13 контроля температуры охлаждающей среды на выходе из сборника (после охлаждения сварного соединения); сборник 14 охлаждающей среды, датчик 15 контроля температуры охлаждающей среды, поступающей в форсунку, расходомер 16 для определения количества охлаждающей среды, поступающей из сборника, клапан 17, регулирующий подачу(9)Ч и я - суммарная тепловая мощность стоков тепла С 1=0 Р+Яю (10)ФО где ср- тепло, затрачиваемое на нагрев охлаждающей среды, подаваемой через форсунки, кал/г;Яп - тепло, затрачиваемое на парообразование охлаждающей среды, кал/с,ЯуИК(Т -То ) (кал/с), - расход охлаждающей жидкости, г/с;- удельная теплоемкостьо9кал/г. С; О; - й(Тк То)+гМ (кал/с), (12) где М. - расход охлаждающей жидкости, г/с, превращающейся впар,Т - температура кипения жидкостипри данном давлении, С,Т - начальная температура жидкости Сд 30г - удельная теплота парообразования, кал/г.На фиг. 2 обозначено: 1 - свариваемый металл, 2 - шлаковая ванна; 3 - металлическая ванна, 4 - ползун, фор мирующий шов, 6 - охлаждаемая поверхность сварного соединения с помощью форсунок (форсунки) Хнп = Хчп =Х )(кк= Хкп = Х) +Я 1 йч"-И 5,фф Я соответствии с фиг. 2 определяют. ся координаты стоков тепла.Полученное выражение позволяет43 проанализировать влияние на термические циклы:- конструктивных элементов подготовки кромок (величины сварочного зазора Ь, усиления шва с, высоты скоса кромок Ь, ширины шва 1, угла разделки, величийы притупления С (фиг. 3);- режимов сварки (тока 1, напряжения О, скорости подачи электродной проволоки Чз, ее диаметра д, количества электродов и);- толщини и теплофйзических свойств металла 8, Д,4, С", где С - объем ная теплоемкость, - параметров охцаждения ползуна (Н СТцТ), где Н - высота ползуна;- размеров шлаковой и металлической ванн (Н 1, Н), где Н и Нэ - глу. бина ванн;- условий теплоотвода с учетом схемы одно- или двухстороннего охла.д я (Н, Нц, а, Ь, 1, Т, а, О,).Для расчетной схемы с тремя источ никами нагрева и двухсторонним охлаждением количество факторов, подлежащих анализу, достигает 30.Практическая реализация такой математической модели требует разработки соответствующей программы для расчетов с применением ЭВМ.На фиг. 4 представлена блок-схема программы, подготовленной для расчета регулируемых термических циклов, например на ЭВМ МИНСК".ОРаботу, системы поясняется на примере ЭШС кольцевых стыков.Процесс сварки с регулированием термических циклов осуществляется следующим образом. Путем расплавления ,гранулированного флюса, заполняющего пространство между кромками основного металла (свариваемого изделия) 1 и ползуном 2, плотно прижатым к поверхности свариваемого изделия, наводится шлаковая ванна 3. Плавление флюса производится дугой, возникающей в начальный период сварки между основным металлом и электрод. ной проволокой 4, подаваемой в сварочный зазор механизмов 5 подачи проволокй. После расплавления определен,ного количества флюса дуга шунтируется расплавленным шлаком и гаснет. Шпак расплавляет кромки основного металла и электрод, который подается в шлаковую ванну, со скоростью, равной скорости его плавления. Расплавленный электродный и основной металл стекают на дно шлаковой ванны и образуют металлическую ванну 6. По ме-, ре удаления источника нагрева происходит кристаллизация металла сварочной ванны. Для регулирования нара- метров термических циклов применяется охлаждающее устройство 7, например форсунка, которая занимает в процессе сварки стационарное относительно свариваемого иэделия и уровня металлической и шлаковой ванны положение. Форсунка обеспечивает подачу охлаждающей среды 8 на площадь91983поверхности сварного соединения,ограниченную изотермами максимальных температур от температуры свариваемого металла до температуры близкой к температуре плавления. Охлаж.дающая среда подается в форсунку иземкости 9 при помощи насоса 10 с электродвигателем. В сети подачи охлаждающей среды в форсунку установленырегулирукщий клапан 11, позволяющийвключать, отключать и регулироватьподачу охлаждающей среды, расходомер 12, фиксирующий количество подаваемой среды (И+И) и датчик 13 контроля ее температуры Т, Из форсунки охлаждающая среда .поступает наповерхность сварного соединения, охлаждает ее и собирается в сборнике14, из которого поступает в емкость9, Температура воды на выходе изсборника Т регистрируется датчи.ком 15, а ее расход (количество М) -расходомером 16. Разность показанийрасходомеров 12 и 16 позволяет определить количество охлаждающей жидкости М, превратившееся в пар, аследовательно, и. количество тепла,затраченного на парообразование.В формующий шов ползун 2 охлаждающая среда подается также насосом10 из емкости 9. Включение, отключение и регулирование подачи охлаждающей среды в ползун осуществляетсяпри помощи клапана 17. Ее расходФС измеряется расходомером 18, а температура на входе Т и выходе Т из35ползуна датчиками 19 и 20 соответственно. Показания всех расходомеров и датчиков (И+Я); Т,; И ; Тр,6; Т ) поступают в систему 21 .регистрации и ввода данных в ЭВМ 22,40В ЭВМ 22 в соответствии с блок схемой программы также вводятся исход-ные данные о свариваемом материале,конструктивных элементах подготовкикромок, режиме сварки. Затем рассчи 4тывается термический цикл сваркипо формуле (1) и сопоставляется сзаданнымКак видно из формулы 1,1, изменениетемпературы в данной точке тела вовремени зависит от полной тепловоймощности линейных источников тепла,о и суммарной тепловой мощности сто"ков тепла о и ц . Полная тепловая мощность лйнейных источни- зюков тепла с 1; (2) определяетсятепловой мощностью источника нагрева О и потерями тепла на нагрев воды 6 10в ползунах си на излучение с поверхности шлаковой ванны . Величина ( определяется значениями электрических режимов сварки: значение с - зависит от, конструктивных элементов подготовки кромок, о определяется расходом охлаждающей среды через ползуны (1 ), ее удельной теплоемкостью (К) и разностью температур на входе (То) и выходе (ТЬ) иэ ползунов. Тепловая мощность стоков тепла зави" сит (формулы, 10-12) от расхода охлаждающей среды, поступающей на свариваемое изделие из форсунки, разности температур охлаждающей среды после соприкосновения с поверхностью сварного соединения (Т) и на входе в форсунку (ТО) и удельной теплоемкости охлаждающей среды, а также количества охлаждающей среды, превращающейся в пар, температуры кипения жидкости при данном давлении и удельной теплоты парообразования. Причем,цля принятой схемы количество охлаждающей средыпревращающейся в пар, остается постоянным.Заданному термическому циклу .соответствуют определенные значения указанных величин.При изменении температуры охлаждающей среды на выходе из ползуна (сигнал поступает в машину от датчика 20), например при ее увеличении, повышается теплоотвод в ползу- не и уменьшается полная тепловая мощность источников тепла, а следовательно, и температура в данной точке тела в данный момент времени (1), термический цикл отклоняется от заданного, Для возвращения термического цикла к заданным значениям необходимо уменьшить тепловую мощность стоков тепла (1). Это достигается следующим образом. От ЭВМ к клапанам 11 и 1 поступает сигнал, согласно которому количество охлаждающей среды, поступающей из емкости 16 в форсунку, уменьшается, При этом ее расход через ползуны поддерживается постоянным. Таким образом, изменение расхода охлаждающей среды через форсунку обратно пропорционально произведению расхода охлаждающей среды через ползун на разность температур охлаждающей среды на входе и выходе из ползуна и на удельную теплоемкость среды, охлаждающей ползун.В результате изменения режимов сварки или геометрии кромок сваривае11 9198 мого изделия увеличивается удельная погонная энергия сварки, т.е. увели- . чивается полная тепловая мощность линейных источников теплая. Это согласно формуле (1) способствует повышениютемпературы и .отклонению термического цикла от заданных значений. От датчика 3 в машину поступает сигнал о повыше. нии температуры охлаждающей среды на выходе ее из сборника. С целью воз вращения параметрбв термического цикла к заданным значениям необходимо увеличить тепловую мощность стоков .тепла. Это достигается следующим образом. От ЭВ 1 к клапанам 11 и 17 поступает 15 сигнал, согласно которому количество охлаждающей среды, поступающей из емкости в Форсунку, увеличивается, что способствует повышению тепловой мощности стоков, тепла. Таким образом, 20 изменение расхода охлаждающей среды через форсунку пропорционально удельной погонной энергии сварки и произве-. дению разности температур охлаждающей среды до и после соприкосновения 2 с поверхностью сварного соединения на удельную теплоемкость охлаждающей среды, При ЭШС продольных стыков формирование сварного шва осуществляется двумя ползунами. Охлаждающее устройство по-прежнему обеспечивает охлаждение сварного соединения на площади, ограниченной изотермами максимальных температур от температуры, близкой к температуре плавления. При сварке сталей больших толщин, например более 80-100 мм, может применяться двух" стороннее охлаждение. С увеличением количества ползунов или охлаждающих устройств соответственно увеличивается количество приборов, реги 40 стрнрукщих температуру и расход охлаждающей среды.Применение данного способа позволя" ет обеспечить непосредственно в процессе сварки оптимальный уровень механических свойств, в частности, по важнейшему показателю - ударной вязкости металла шва и зоны термического влияния сварных соединений; отказаться от последующей нормализации ф сварных соединений, выполненных электрошпаковым способом; заменить многопроходную автоматическую сварку под флюсом на электрошлаковую с регулированием термических циклов, выпол- зз 3612нять электрошлаковую сварку термичес-ки упрочненных сталей. Технико-экономическая эффективность применения способа заключается в повышении производительности процесса сварки; сокращении. количества дефектов сварных швов, уменьшении расхода сварочных материалов и электроэнергии.формула изобретенияСпособ регулирования термического цикла при электрошлаковой сварке, при котором получаемый в процессе сварки сварной шов охлаждают с помощью водоохлаждаемых ползунов и водовоз- душной смесью, подаваемой через воздушно-гидравлические форсунки, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения сопротивления сварных соединений хрупкому разрушению за счет оптимизации параметров термического цикла, в процессе сварки измеряют разность температур охлаждающей среды на входе и выходе из ползунов, ее расход через ползуны, расход охлаждающей среды через форсунки, количество среды, которую собирают после соприкосновения с охлаждаемой йоверхностью; разность температур охлаждающей среды на входе в Форсунки и после соприкосновения с поверх- . ностью сварного соединения и изменяют расход охлаждающей среды через форсунки при заданном значении расстояния от поверхности шлаковой ванны до верхней кромки охлаждаемой площади пропорционально удельной погонной энергии сварки и произведению разности температур охлаждающей среды до и после соприкосновения с .поверхностью сварного соединения на удельную теплоемкость охлаждающей среды, а также обратно пропорционально произведению расхода охлаждающей среды через ползуны на разность ее температур на входе и выходе из ползуна.Источники информации,принятые во внймание при экспертизе. Патент франции У 2032890,кл. В 23 К 25/00, опублик. 27.02.70. 2. Авторское свидетельство СССР У 470150, кл. В. 23 К 25/00, 1.02.74