Способ соединения трубы с концевой деталью и устройство для его осуществления

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ пи 944838(23)приоритет Рв 1 дарстаанныЯ квинтет СССР не делам нэабввтеннЯ н открытнЯ(5 Й) СПОСОБ СОЕДИНЕНИЯ ТРУБЫ С КОНЦЕВОЙ ДЕТАЛЬЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1Изобретение относится к сварке, в частности к способам соединения трубы с концевой деталью и устройствам для осуществления способа, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения при сварке изделий из глубокоаустенитных сталей и сплавов с пониженной технологической прочностью.При производстве сварных, особенно, тонкостенных конструкций ставится задача получения бездефектных сварных соединений. Одним из наиболее опасных дефектов, протяженность которых может достигать 503 толщины стенки трубы (200-300 мкм), являются горячие трещины как в шве,так и в пришовной зоне. Наиболее важной является эта задача при производстве, например, тепловых труб с интенсивным р 0 теплоносителем - жидким натрием.Известен способ предотвращения горячих трещин в сварных нахлесточ" ных соединениях, заключающийся во 2введении промежуточной прокладки из другого материала, например луженой стали с повышенной вязкостью между соединеяемыми деталями. Наличие вяз-. кого металла прокладки в корне шва снижает концентрацию напряжений и повышает стойкость против образования горячих трещинЭ 1.Однако при сварке нахлестоцных соединений труб с концевой деталью, выполненных из глубокоаустенитных хромоникелевых жаропрочных сталей, можно этим способом понизить концентрацию напряжений в корне шва и уменьшить протяженность наблюдаемых горячих трещин,но нельзя их устранить. Также нельзя полностью устранить горячие трещины в околошовной зоне полигонизации, на которую не распространяется влияние прокладки.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ соединения трубы с концевой деталью, при котором трубу собирают3 944838 с концевой деталью с зазором и выполняют сварку в среде защитных газов.В известном способе для предотвращения горячих трещин в: сварных швах и пришовной зоне полигонизации соединений труб с концевыми деталями, выполненных из аустенитных, но двухфазных ( у + с ) нержавеющих сталей, выполняют предварительный частичный переплав внутренней поверхности свариваемого конца трубы с целью возбуждения второй Фазы феррита не только в шве, но и в пришовной зоне, и тем самым повышают технологическую прочность, т.е. повышают сопротивления образованию горячих трещин.в указанных выше сварных соединениях 2 3.Однако при использовании трубы и концевой детали из глубокоаустенитных хромоникелевых сталей и сплавов., в которых после переплава не образуется указанной выше второй с(,-фазы, этим способом невозможно устранить горячие трещины. Максимальная протяженность наблюдаемых горячих трещин в шве аргонолугового соединения, например, стали ЗИ 847, достигла 250 мкм при толщине стенки трубы 500 мкм. Трещины распространяютсязо от подшовного конструктивного надреза-концентратора напряжений (деФормаций ) нахлесточного соединения трубы с концевой деталью в шов, а в околошовной зоне (шириной 50-100 мм ) горячие трещины распространяются с внутренней поверхности трубы вовнутрь стенки.Известно устройство, включающее микрокамеру со сварочной головкой 31.Цель изобретения - предотвращение40 полигонических и кристаллизационных горячих трещин в шве, околошовной зоне и корне шва путем устранения концентратора напряжений в корне шва и околошовной зоне.Для достижения этой цели согласно способу соединения трубы с концевой деталью, при котором трубу собирают с .концевой деталью с зазором и выполняют сварку в среде защитного газа, в процессе сварки зазор заполняют металлом сварочной ванны под корнем шва на заданную глубину путем вакуумирования внутренней полости трубы. 55Для увеличения глубины заполнения зазора под корнем шва сварку выполняют с предварительным подогревом. аДля увеличения эоны взаимодействия расплавленного металла в зазоре под корнем шва с соединяемыми поверхностями,трубы и концевой детали из тугоплавких металлов и глубокоаустенитных сталей, перед сборкой .и сваркой обрабатывают соединяемые поверхности до аморфной структуры на заданную глубину.Заполнению жидким металлом зазора под корнем шва между внутренней поверхностью трубы и посадочной поверхностью концевой детали предшествует разогрев стенок зозора и продувка его возбужденным, частично ионизированным защитным газом (плазмой) из зоны сварочной дуги за счет вакуумирования внутренней полости трубы, Защитный газ, проходя по подшовному зазору впереди движущейся ванны жидкого металла дополнительно нагревает ,внутреннюю поверхность трубы и посадочную поверхность концевой детали, очищает указанные поверхностив результате десорбции. Тем самым повышается смациваемость жидким металлом стенок зазора. Защитный газ такжеувлекает расплавленный металл сварочной ванны в зазор под корнем шва.Жидкий металл, заполнивший зазор, переохлаждается и кристаллизуется в мелкое зерно с выходом начальногоФронта кристаллизации непосредственно в шов,Более глубокому заполнению зазораспособствует также перегрев металласварочной ванны путем повышения вносимой погонной энергии при соответственном повышении интенсивноститеплоотвода в зажимную цангу, а такжеповышение ионизации защитного газа(температуры плазмы сварочной дуги ).В устройстве для осуществленияспособа, включающем микрокамеру сосварочной горелкой, микрокамера выполнена из кварцевого стекла с шероховатой поверхностью и снабжена бтражающими экранами, установленнымиснаружи. При этом экраны установленыс возможностью. регулирования расстояния между ними.На цертеже представлено устройстводля осуществления способа.Устройство состоит иэ микрокамеры 1, выполненной из кварцевогостекла с шероховатой поверхностью,телескопицески соединенной с корпусом сварочной горелки 2. Защитныйгаэ, например аргон, подается в мик5 94483 рокамеру 1 из горелки 2, Внутри мик рокамеры 1 расположен неплавящийся вольфрамовый электрод 3, Прозрачнаямикрокамера окружена отражающими экранами 4 светового излучения дуги, Экраны и шероховатая поверхность прозрачной стенки микрокамеры позволяют повысить ионизацию плазмы и соответственно, повысить ее температуру. Сварочную дугу возбуждают между 10 . электродом 3 и свариваемыми кромка:ми трубы 5 и концевой детали б, через зазор между которыми в процессе сварки продувают плазму из микрокамеры во внутреннюю полость укаэанной 15 трубы.Свариваемая труба зажата в цанге 7, например иэ меди, вращателя сварочного автомата, например типа СА и РСТЭ. Иикрокамера 1 своим свободным тор в цом опирается на торцовую поверхность цанги 7 вращателя.На конце трубы, противоположном свариваемому, установлен переходник 8, соединенный с системой отсоса. гьП р и м е р, Способ предотвращения горячих. трещин проходил экспериментальную проверку при изготовлении образцов тепловых труб из стали ЭИ 847(шлакового переплава) размером 14 х 0,5 с концевой деталью из той же стали (плавка А-б 1907 ) . Сборка трубы с посадочной поверхностью ,концевой детали под сварку предлагаемым способом выполнялась по переходным посадкам, т.е. собирались как с зазором до 50 мкм, так и с незначительным натягом около 15 мкм. Перед сборкой производилась ультразвуковая мойка трубы и концевой детали. Сварка вольфрамовым электродом 3 в среде аргона выполнялась при силе сварочного тока 60 А, скорости сварки 7,9 м/ч (3 об/мин ) и напряжении на дуге 8- 10, 8 процессе сварки.отдельных обраэцов, производилось обезгаживание зазора вакуумированием внутренней полости трубы, установленной в цанге 7 вращателя автомата, форвакуумным насосом типа ВНИГ через питательную трубку размеромМ 5 х 1,0 мм. Прй обезгаживании наблюдалась интенсивная продувка зазора плазмой из микрокамеры 1, Плазма при продувке увлекала жидкий перегретый металл сварочной ванны и заполняла указанный. зазор на сотни микрон.Иеталлографические исследования полученных образцов сварных соедине 8 6ний показали отсутствие горячих трещин и пор как в шве, включая кореньшва, так и в околошовной зоне, включая зону полигонизации. Глубина проникновения расплавленного металлашва по пошовному кольцевому зазорудостигала 500-700 мкм и перекрывалавсю ширину околошовной зоны полигонизации как трубы, так и концевой детали, Иеталлографическое исследованиепоказало также наличие сплавления металла в зазоре под корнем шва с основным металлом трубы и концевой деталью.Например, при наблюдавшемся на шлифе:зазоре 5 мкм толщина затекшего металлаи оплавленного основного металла достигла 25 мкм,Кроме того, исследованиями установфлено расширение зоны взаимодействияжидкого металла в подшовном зазорес поверхностями трубы и концевой детали, обработанных на аморфную структуру, например, при сверхкритическихскоростях охлаждения после обработкилазерным лучом, а также повышениепротяженности заполнения зазора жидким металлом после предварительного,холостого прогрева дугой места соединения свариваемых деталей. Заполнениезазора жидким металлом наблюдалосьтакже при сварке исходных сборок снатягом, что обусловлено движущимсяместным вспучиванием трубы над концевой деталью (с образованием зазорамежду ними ), вызванное неравномерным нагревом от дуги .Экраны 4 отражения позволяютиспользовать излучение от сварки итем самым повысить регистрируемуюскорость продувки зазора во внутреннюю полость трубы, вакуумируемуюнасосом,При сварке трубы с концевой деталью иэ ниобиевого сплава ВНв.сварочной камере обнаружено, как ив соединениях сталей, .заполнениезазора из сварочной ванны, еслизазор между соединенными деталямипродувался аргоном в процессе свар-ки.В части экспериментов со сталямиХ 20 Н 45 (ЭП"350 ) и 3 Х 13 зазор продувался при вакуумировании внутренней полости трубы всего лишь до0,5 ат (около 400 мм рт.ст) и всеже фиксировалось заполнение околошовного зазора и устранение горячих трещин даже в том случае, когдасварка выполнялась без камеры.При всех указанных экспериментахне нарушалась необходимая по ГОСТУполнота шва,Способ и устройство для соединениясваркой трубы с концевой деталью5позволяет предотвратить образованиегоряцих трещин и таким образомпозволяет устранить брак по сварнымсоединениям труба - концевая де-таль, например тепловых труб изглубокоаустенитных хромоникелевыхсталей, в которых ранее наблюдалосьобразование горячих трещин как вшве,.так и в околошовной зоне и особенно при использовании тонкостенных труб из стали производства ФРГи Швеции (1 Х 15 Н 15 М 2 Б), которые, какпоказало исследование, еще болеесклонны, чем сталь ЭИ 847 отечественного производства, к образованиюгорячих трещин в околошовной зонеразвития полигонизации, обусловленной более высокой чистотой по неме-.таллическим примесям и, следователь"но, обладае повышенной скоростьювыхождения дислокации в стенку.Другая сторона эффективности отиспользования изобретения заключаетсяв широком, практически неограниченном использовании глубокоаустенитных(ЭИ 847),03 Х 16 Н 15 М 3 Б (ЭИ 844 Б ),а также высоконикелевых сталей и сплавов ХН 45 Б (ЭП 350 ) с повышеннойсклонностью к образованию горячих35трещин для изготовления разнообразных тонкостенных трубчатых конструкций, например тепловых труб, совместимых как с водой, воздухом, так и с40жидким натрием, Как известно, тепловыетрубы изготавливаются на многих предприятиях энергетического машиностроения,автомобилестроения, станкостроенияи сельскомашиностроения, где и ожи 45дается значительный экономическийэффект, обусловленный устранением ука- .занного выше брака в месте сварки.При разработке способа обнаружендополнительный положительный эффект,заключающийся в том, что одновремен 50но с устранением трещин понижаетсяпористость сварных швов, при общемповышении плотности наплавляемогометалла, Повышенная плотяость сварно-,го шва обусловлена обезгаживаниемподшовного зазора при его продувкев процессе сварки горячим, частично ионизированным защитным газом и выходом фронта кристаллизации из зазора в шов, Способ может быть использован также для предотвращения горячих трещин при сварке тугоплавких металлов.Экономический эффект от использования способа и устройства ожидается равным экономии от брака по сварным .соединениям, который по разным источникам, составляет от 10-501.Способ рекомендуется для внедрения на специализированных предприятиях ряда указанных выше отраслей промышленности,Формула изобретения1, Способ соединения трубы с концевой деталью, при. котором трубу собирают с концевой деталью с зазором и выполняют сварку в среде защитного газа, о т л и ц а ю щ и й с я. тем, что, с целью предотвращения полигоницеских и кристаллизационных горячих трещин в шве, околошовной зоне и корне шва путем устранения концентра тора напряжений в корне шца и околошовной зоне, в процессе сварки зазор заполняют металлом сварочной ванны 1 под корнем шва на заданную глубину путем вакуумирования внутренней полости трубы.2. Способ по и.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, цто, с целью увеличения глубины заполнения зазора под корнем шва, сварку выполняют с предварительным подогревом.3. Способ по пп,1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения зоны взаимодействия рас" плавленного металла в зазоре под корнем шва с соединяемыми поверхностями трубы и концевой, детали из тугоплавких металлов и глубокоаустенитных сталей, перед сборкой и сваркой обрабатывают соединяемые поверхности до аморфной структуры на заданную глубину.4. Устройство для соединения трубы с концевой деталью, включающее микрокамеру со, сварочной горелкой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, цто микрокамера выполнена из кварцевого стекла с шароховатой поверхностью и снабжена отражающими экранами, установленными снаружи.5,Устройство по и. 4, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что экраны уста- .новлвны с возможностью регулированиярасстояния между ними.944838 К сисгп отсоса Составитель Л.Назарова дактор Т.Киселева Техред С. Мигунова Корректор Г,ОгарЗаказ 5 Подписта СССР 17 Тираж 1153ВНИИПИ Государственного комипо делам изобретений и о113035,Москва,Ж, Раущская рытии аб.,д.4/5 зФилиал ППП ."Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 9 Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе 1, Патент Японии М 51-136254,кл. 12 В 1 (В 23 К 31/00 ), 1975