Способ контактной стыковой сварки сопротивлением трубы с заглушкой

(5 ТЕНИ НИЕ ИЗ СВИДЕТЕЛЬС(54) СПОСОБ ККИ СОПРОТИВЛЕ Бю А,А.Бе2(088.8) тельство СССР11/02, 1976,ОЙ СВ ЛУШКО Изобрете, стыковой св может быть ческом маши иэготовления является и качества еличения их ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОНТДКТНОЙ СТЫКОВ АР НИИ,ТРУБИ С ЗАГ ЙЬ(57) Изобретение относится к способам контактной стыковой сварки сопротивлением и может .быть использовано.в энергетическом машиностроении в технологии изготовления твэлов, в частности при герметизации их тонкостенных оболочек. Цель изобретения " повышение стабильности и качества сварных соединений путем увеличения их длины и исключения влияния допусков .по наружному диаметру свариваемой трубы на качество сварки, а также экономия материала трубы и эаглуш ки. Способ контактной стыковой сварки сопротивлением трубы с заглушкой включает соосное эажатие заглушки в зажиме, а трубы - в кольцевом разъем е относится к контактноке сопротивлением и пользовано в энергетистроении в технологиитвэлов, в частности при,80159657 ном токоподводе и разъемном кольцевомупоре-холодильнике (КУХ). Торец трубы при этом углубляют относительноторца КУХ, который выполняют в видетрех пакетов из металличеСких плас"тин в форме секторов. Пластины располагают перпендикулярно оси отверстия КУХ и электрически изолируютдруг от друга, Разъемный кольцевойтокоподвод выполняют в виде сплошныхсекторов. Секторы КУХ и разъемногокольцевого токоподвода растачиваютв сомкнутом состоянии на диаметрпрессовой посадки относительно минимального по допуску диаметра свариваемой трубы. Зажимают конец трубысекторами КУХ и токоподоода до смыкания секторов. Ограничивают углубление торца свариваемой трубы относительно торца КУХ толщиной стенкисвариваемой трубы. Участки трубы,прилегающие к каждому сектору КУХ,шунтируют сопротивлениями. Величинукаждого из сопротивлений определяютпо приведенной зависимости, найден"ной с учетом физических свойств игеометрических размеров свариваемыхдеталеи и КУХ. на основе общей теориитеплопроводности. 3 ил., 3 табл . герметизации их тонкостенных оболачек.Целью иэобретени павы"шение стабильности сварныхсоединений путем ув длины, 111 1,0 е е е а а е еа е Таблица 3 е е Ьг Полученный результат Величина углубления, мм е еа ае ееееаааааааеаеае ее Наружный грат выдавливается за наружный диаметр трубы, что недопустимо по условиям сборки изделий (длина шва " 3 мм). Наружный грат. не выходит. за пределы наружного диаметра трубы (длина шва - 3 мм)Замыкание электрода держателя заглушки на КУМ, что приводит к выходу из, строя теплопроводяце" го набора пластин 0,95 1,15 1,00 0,75 0,65 1,25 1)35 1,00 0,75 0,65 1,25 1,35 1,00 0,75 0,65 1,25 1 35е 248 расч.1861,60310335450 расч.336292560610845 расч.6355501070130 32,6Меньше2;7Меньше2)11,7Иеньще1,6Меньше151,4Меньше1,3Меньшеи исключения влияния допусков по наружному диаметру свариваемой трубы на качество сварки, а также экономия материала трубы и заглушки.На фиг, 1 приведена схема сварки сопротивлением трубы с заглушкой; на Фиг. 2 - схема продольного разреза соединения, выполненного на трубе с заглушкой и границы эойы термического 10 влияния (показаны пунктиром) в свари" ваемых деталях; на Фиг. 3 - график распределения температур в секторе кольцевого упора-холодильника.Сущность способа заключается в том, что при сварке трубы 1 с заглушкой 2 для уравнивания температуры нагрева внутренних слоев трубы и на" ружных - заглушки 2 в зоне сварки используют кольцевой упор-холодиль 2 О ник (КУХ) 3, выполненный в виде трех- секторного цангового.зажима, и токо- подвод 4) выполненный кольцевым, в виде секторов. Причем каждый иэ секторов КУХ выполнен в виде пакета 1 электрически изолированных друг от друга пластин из сплава, используемо- . го для электродов, контактной сварки. Перед сваркой КУХ 3 сжимают вокруг свариваемой трубы до смыкания радиусных участков. Шунтирование . КУХ 3 шунтами 5 способствует выравниванию температуры трубы 1 и заглушки 2 в зоне сварки за счет. выравнивания потенциалов в узловых точках трубы и шунта 5) равных или близких по величине, При этом токи через теплоотводящие пластины, из которых набран КУХ, за исключением первой(см. Фиг. 1), будут равны нулю, а то" О.ки через трубу и шунт распределяются обратно пропорционально их сопротивлению. Сварку осуществляют сиспользованием электрода 6 и источника питания 7. Позициями 8 и 9 обозна-. 45цены, соответственно, положения заг" лушки до и после сварки. другими позициями (см Фигобозначен10 - изменение температуры в стенке трубы от наружной ее поверхности Т к внутренней Т; 11 расчетное распределение температур в нагревающемся слое заглушки 1 12- апроксимированное, прямой расчетное распределение температур в теплоот 5 водящих пластинах КУХ, 13 " апроксимированная прямыми граница растекания тока в заглушке; 1 - изотерма650 С в циркониевой заглушке пощлифам сварных соединений.Электрическое сопротивление йшщунта 5) прилежащего к"каждому сектору разъемного кольцевого. Упора-хо"лодильника, рассчитывают по ФормулемкОм, (1) определеравный:- экспериментальн ный коэффициент 1)2 где Т средняя по поперечночению нагреваемого утрубы, прилежащеготору КУХ)и по временствия импульса сваротока температура с утеплоотвода в КУХ,туру Тсб определяют Темпер вненияТсб 12 К мпера ности- максимальнаявнутренней повеКУХ. в котором ТтуРа нагреватрубы в зонеТемперату у Тз принима Т; (О,е Т ия матеньшееат для.К 4 л- коэффициент.теплопрности материала тепводящих пластин КУХ- коэффициент теплопрности материала свамой трубыР. - среднее за время с(4) найдено многокнтами,параметр, равный му сечастка сек" и дейчного четом" С.из(8) ЧГ/ 3 ртр) 515965лушки сопротивление нагреваемого при сваркеуцастка трубы, прилежащего к сектору КУХ, мкОм.,5Сопротивление К определяют как полусумму сопротивления Кт участтр.н ка трубы, прилежащего к сектору КУХ. в начальный момент времени и этого же сопротивления в конечный момент вре О мени Кт , полагая К,. О, т.е.Тр,с ф триз уравнения: где К - сопротивление участкатр.етрубы, прилежащего к сек"тору КУХ, при комнатнойтемпературе, мкОм, 2 ОСопротивление К , определяют как сопротивление проводника сечением 8 П,. Р, где 1),.наружный диаметр трубы, мм;- толщина ее стенки, мм, и длиной 1 = 3 Ю по известно" 25 му уравнению где" удельное сопротивление материала трубы, мкОм.мм, прикомнатной температуре;е( - температурный коэффициентсопротивления материалатрубыщ - средняя с учетом перемеще"трния заглушки. масса участкатрубы, прилежащего к сектору КУХ, г.4Иассу в тр определяют (соответственно определению Ккак полусумму вучастка трубы, прилежащего КУХ, в йачальный момент времени и этой же массы в конечный момент времени вгрпри шО, т.е. из уравнениятр,к мого слоя заглушки, находящегося в контакте (по тор"цу в начальный момент времени), с уцастком трубы,прилежащим к сектору КУХ,мкОм.Сопротивление К , определяют как полусумму сопротивления Й, эслоя заглушки, контактирующего с участком трубы, при температуре Т са в начальный момент времени и этого же сопротивления, впараллель к которому присоединилось сопротивление (при температуре 7,) участка трубы Ксечением Зф1)р 3/4 д и длиной 3 Р, в конечный момент времени - Р. с,з. При этом сопротивление Й определяют как сопротивление двух параллельно соединенных проводников Окончательно сопротивление К выраженное через среднее (т. е. при Тсе) за время сварки, но без учета перемещения заглушки, сопротивление участка трубы К , прилежащего к сектору КУХ, определяют по уравне- нию где К " К л 1 + ф(Тсв) тр.нтр,э щ - средняя, с учетом перемещения заглушки, масса .нагреваемого слоя заглушки, контактирующего (по торцу в начальный момент времени) с участком трубы, прилежащим к сектору КУХ, г,Иассу а э, выраженную через массу участка .трубы иф, прилежащего к сектору КУХ, определяют из уравне- ния, тручастка трубы, прилежащего к сектору КУХ;объемная плотность материа" ла трубы;среднее за время сварки (при температуре Тд ) с учетом перемещения заглушки сопротивление нагреваеде- средняя по времени темпе"тура прилежащего к сектору КУХ участка трубы докоторой он нагрелся бы равномерно по сечению в отсут"ствии теплоотвода в сектоРКУХ, СТемпературу Т тр определяют изуравнениягде 4 в " условная толщина стенкитрубы, мм, при которой тепло, отведенное в. КУХ и возвращенное трубе, обеспечивает равномерный, беэ перепада по толщине нагрев ее стенки до температуры ТвПараметр Ю, определяют после решения одномерного дифференциального уравнения теплопроводности развертки сектора КУХ с граничным ус" ловием постоянства средней темпера-. туры рабочей поверхности КУХ, равной Тк трубы, и построения графика распределения температур в секторе КУХ (Фиг. 3).Решение такого уравнения выполняют в соответствии с общей теорией теплопроводности.Далее графически интегрируют площадь 8 зпод кривой температуры в секторе КУХ и определяют 4), по уравнению28 а к.)кьт, - тгде Т = - - температура рабочей,Твя К+1поверхности КУХ.Среднюю температуру Т к трубы в зонесварки определяют из уравненияТь Т- " Т кф м,ф где Т ,= 20 С,Уравнение (1) получено на основеуравнения баланса тепла, выделенно"го в трубе (1и.нагревающемся слоетрзаглушки о и тепла О, необходи"мого для нагрева этих деталей дотемпературы Тсв, с учетом тепла О ,отведенного в КУХ, при следующих ос"новных условиях-допущениях:средняя температура свариваемойтрубы и заглушки равны между сооой; теплоотводом в заглушку сравни"тельно с теплоотводом КУХ пренебрегали, поскольку отношение коэффици"ентов теплопроводности 4 электрод.ных материалов (Си, бронза НБТ) ксвариваемым (Ег, нержавеющая сталь)примерно равно 10, а длительностьсварочного импульса С мала ( С в 10 = 0,05 с);все расчетные данные принималиусредненными эа время сварки, с учетом перемещения заглушки, при температуре Т;разницей в коэФФициентах теплоемкости С электродных сплавов и свари.-.ваемых металлов пренебрегали ввидуее незначительности;для упрощения полагали, что завремя сварочного импульса тока заглушка и труба остаются неподвижны, азатем мгновенно происходит запрессов"ка заглушки в конец трубыдля упрощения, принимали, что в 2 конечный момент времени часть трубы,в которую вошла заглушка, присоеди"няется впараллель к заглушке, а соп"ротивление участка трубы, прилежащегок сектору КУХ, становится равнымнулю, аналогично и массы трубы изаглушки.Принцип, исходя из которого полу"чено уравнение (1), поясняется фиг.3,Из Фиг. 3 видно, что тепло, выделенное в трубе, пошло на ее нагрев0 (площадь под кривой температуры1 О, апроксимированной прямой Т - Тв,где Т- температура наружной поверх-.ности трубы," Т в - температура внут-ренней поверхности трубы). и на нагрев КУХ - О к, Видно также, чтоесли к Ц прибавить 0 тр О ки(что соответствует нагреву трубы беэтеплоотвода), то температура трубы 4 станет Равной Ттр (в общем случаенеравной Т , в частном случае Трможет оказаться равной Тв. при этом8: г,).Зксйериментально установлено,что углубление торца свариваемойтрубы относительно торца кольцевогоупора-холодильника следует ограничи. вать толиной стенки свариваемойтрубы. Величина углубления торцатрубы зависит от длины вылета заглушки из захвата. Расчетным путем ус"тановлено, что чем больше эта длина,тем меньше величина тока в среднемпо длине сечения заглушки и тем15965 У 610 Сварку проводили, используя шуйты,сопротивленйя которых рассчитывалипо уравнению (1) при коэффициентеиПримеры расчета сопротивленийшунтов,Сварка с заглушкой циркониевойтрубы размером 13,6 х 0,95 мм,Определение Т больше потери тепла и перегрев сва"риваемых частей заглушки и трубы.В то же время длина рабочей частизаглушки не может быть менее5(фиг, 2), инаце держатель заглушкив конце осадки замкнется с секторами КУХ или наружный грат выдавитсяза пределы наружного диаметра свариваемой трубы, цто недопустимо. Чтобы этогоне случилось торец трубыдолжен быть углублен относительноторцов секторов КУХ на величину,несколько большую высоты наружногограта, Экспериментально установлено, что оптимальной величиной этогоуглубления является толщина стенкисвариваемой трубы д.Кроме того, оптимизация высотырабочей части заглушки (при,массовомих изготовлении) позволяетдовольносущественно экономить материал эаг"лушек, цирконий в частности.Пример,Изготовленные на токарном станке 25184 мкОм.иэ прутка циркония заглушки и торцованные трубы обезжиривали, промывали в йроточной воде и высушивалив потоке нагретого воздуха.Заглушку вставляли в ее электроддержатель, а трубу через сквозноеотверстие " в цангу. Перед зажимомцанги трубу устанавливали так, цтобыее торец был .углублен в секторы КУХна 0,5-0,95 мм от плоскости торца взависимости ат толщины стенки трубы.В таком положении трубу зажималисекторами КУХ и кольцевого токоподУщсз 19 гивода в цанге с приложением к последней осевого усилия 500 кг (достаточ трного для смыкания секторов). Трубуна расстоянии 80-100 мм от КУХ зажи"мали в дополнительном зажиме. В каТ сю .К+ 2честве источника питания испольэоваили серийную конденсаторную машину 45вИТК, снабженную специальным 5,15сварочным устройством, позволяющимввыполнять стйковую сварку в горизонтальном положении.Режимы сварки и размеры свариваемых деталей приведены в табл, 1.Сварку осуществляли путем одновременного приложения сварочного усилияи подачи импульса сварочного тока. 0,49 0,05 Т0,75 18001350 С 1 1350(3. 5+ 2)ф 12 315+ 1 Определение Р т:91 (1 + 4,4 10 690) тр к гР п 1 сеэОпределение отношений д - и =кс,зПри сварке. соединений с геометрией, указанной в табл. 1, являющихся геометрически подобными (П эдгл= тр" - 3/гХ 1 - М; 1,: 3 Ф), укаэанные отношения являются величинами постоянными и равными: 3. Тсэ Т3 пределение отношени Средняя температура,нагревается рабочая посоставляет: а которуюрхность КУХ,1350тк-, - ,. 50 С 1350Т 3 15 .1 Решением диффе нения теплопровод После снятия с трубу с заглушкойосновного и допол и извлекали из св арочного усилияосвобождали изительного зажимоврочной машины. С,ьного урав-.азеертки сек" енциаости(2) и 0,75 - 1,25,Способ контактной стыковой сварки сопротивлением трубы с заглушкой, диаметр рабочей части которой выполнен меньшим наружного диаметра свариваемой,трубы,с. нагревом свариваемых деталей импульсами тока и их осадкой, включающий соосное зажатие заглушки в зажиме, а трубы - в кольцевом разъемном токоподводе и кольцевом разъемном упоре-холодильнике, 20 причем торец трубы углубляют относи-тельно торца кольцевого упора-холодильника (КУХ), который выполняют в виде трех пакетов из металлических пластин в форме секторов, плоскости которых располагают перпендикулярно оси отверстия упора-холодильника и электрически изолируют друг от друга, а разъемный кольцевой токоподвод выполняют в виде сплошных секторов, 30 о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности и ка" чества сварных соединений путем увеличения их длины и исключения влияния допусков по наружному диаметру свариваемой трубы на качество сварки, а также экономии материала трубы и заглушки, секторы упора-холодильника и разъемного кольцевого токоподвода растачивают в сомкнутом состоянии . 40 на диаметр прессовой посадки относительного минимального по допуску диаметра свариваемой трубы, зажимают конец трубы секторами упора-холодильника и токоподвода до смыкания сек" 45 торов, при этом ограничивают углубление торца свариваемой трубы относительно торца упора-холодильника тол" щиной стенки свариваемой трубы, а участки трубы, прилежащие к каждому сектору упора-холодильника, шунтируют сопротивлениями й, . величину каж" дого из которых определяют по форму- ле 15УТв(К + 2св 12 К+1 Т = (0,7 - 0,8)Т,Л кзх где Ьтр 50 тР фгде К - сопротивление участка .трубы, прилежащего к сектору КУХ, .при комнатнойтемпературе, мкОм;температурный коэффици-:.ент сопротивления материала трубы;а " средняя с учетом поремеТРщения заглушки массаучастка трубы, прилежаще 55 мкОми также. образованием складки, но уже внутренней, при осадке.Оптимальность величины углубления торца трубы относительно торца КУХ подтверждается результатами экспериментов, приведенных в табл. 3.формула изобретения где 0 - экспериментально определен-ныи коэффициент, равный. Т - средняя по поперечному сече"евнию нагреваемого участкатрубы, прилежащего к секторуКУХ, и по времени действияимпульса сварочного тока температура, учитывающая теплоотвод в КУХ. фС, причеч ееопределяют из уравнения где Т - максимальная температуравнутренней поверхности взоне КУХ, принимаемая рав- ной где Т " температура плавления материала трубы, ф С,. К " безразмерный параметр,равный- кОэФФициент теплопроводности материала теплоотводящих пластин КУХ; - коэФФициент. теплопроводности материала трубы; - среднее за время сварки+ условная трубы, мм ло, отвед вращенное вает рави пада по т стенки до при з,том уравнению О Т 8 КТь где вф 9трГ где и темо к субы,Тя го к сектору КУХ, г, определяемая из уравнения: астка трубы, прик.сектору КУХ,1 7 - объем уцлежащегоими;у - объемная плотриала трубы,- среднее за вр(при Тсв ) с умещения заглтивление нагрслоя заглушкигося в контакв начальный мни) с участкоприлежащим кмкОм, определуравнению ность матег/мм;емя сварки четом пере- ушки сопро" еваемого . , находящете (по торцу омент времем трубы, . сектору КУХ, яемое по р (1+т, ),- средняя с уцетом перемещения заглушки, массанагреваемого слоя заглушки, контактирующего (поторцу в начальный момент щвремени) с участком тру"бы, прилежащим к секторуКУХ, г, определяемая иэуравнения45 средняя по врем ратура прилежащ Ру КУХ участка которой он нагрелся бы равномерно по сечению в отсутствии теплоотвода, в КУХ, фС, определяемая из уравне- ния олщина стенки при которой теп" нное в КУХ и возтрубе, обеспечимерный,. без перелщине нагрев ее температуры Т 8, 3, определяют йо- температура, рабочейповерхности КУХ" площадь под кривойтемпературы в секторе КУХ, определенная графическим ии"тегрированием, в соответствии с общейтеорией теплопровод- .ности одномерногодифференциальногоуравнения теплопроводности разверткисектора КУХ а граничным .условием пос"тоянства среднейтемпературы рабочейповерхности КУХ,равной Ттрубы и определяемой иэ выраже"н я комнатная температура, равная, 204 С;" средняя температура тр бы в зоне сварки.1 1 1.1 + еее со оее мо