Введение
Целью данногопроекта является разработка технологии сварки корпуса водила II ступени.Конструкция является ответственной, поэтому при ее изготовлении применяютсятолько материалы высокого качества. Необходимо выбрать такой способ сварки исварочные материалы, которые бы обеспечили требуемые свойства сварногосоединения.
1.Характеристика изделия
Водило IIступени состоит из пяти стоек, пяти верхних и пяти нижних лепестков,выполненных из титанового сплава ПТ-3В и сваренных между собойэлектронно-лучевой сваркой на установке ЭЛУ-21.
Применяетсядля компенсации энергетических установок в атомных подводных лодках и в авиациидля передачи момента от быстроходной ступени на центральную шестерню тихоходнойступени.
2. Анализ вариантов ивыбор способа изготовления с учетом особенностей свариваемости данногоматериала
2.1Характеристика титанового сплава ПТ-3В
Широкоеприменении титановых сплавов для сварных конструкций обусловлено важными ихпреимуществами перед сталями и сплавами на основе алюминия – низкойтеплопроводностью и узким интервалом кристаллизации. Указанные преимуществасущественно снижают энергетические затраты и способствуют получению однородногопо химическому составу металла при сварке. Перспективным для применениясчитается сплав ПТ-3В.
Сплав ПТ-3Вотносится к псевдо-α-сплавам, которые содержат α-стабилизаторы(алюминий и кислород) и небольшое количество β-стабилизирующего элемента,в частности, ванадия. Благодаря наличию β-фазы сплавы обладают хорошейтехнологической пластичностью при сохранении достоинств α-сплавов.
Сплавы этогокласса имеют ряд технологических преимуществ: они не чувствительны к скоростиохлаждения после сварки, не требуют обязательной термической обработки, имеютмалый прирост твердости сварного шва, а значит не склонны к охрупчиванию шва иоколошовной зоны.
Сплав ПТ-3В –сплав высокой прочности при температуре 20–250С, обладает высокимсопротивлением разрушению при повышенных (350–5000С) и криогенныхтемпературах.
Сплав хорошоштампуется, гнется, обрабатывается резанием, имеет хорошую свариваемость.Содержание алюминия и кислорода (до 0,15%) повышает прочностные свойствасплавов.
Таблица 1.Химический состав титанового сплава ПТ-3В (ГОСТ 19807–74) ([1], с. 34)Al V C Fe Si Zr O N H 3,5–5 1,2–2,5 0,1 – – – 0,15 0,04 0,008
Таблица 2.Механические свойства сплава ПТ-3В ([1], с. 34)
σВ, МПа
σ0,2, МПа δ, % Ψ, %
σ-1, МПа
KCU, Дж/м3 700–726 609–667 11 18–27,5 282 0,6–0,7
Таблица 3.Физические свойства сплава ПТ-3В([1], с. 34)Свойства
Плотность γ, кг/м3
Температура плавления, 0С
Кипения, 0С
Удельное электрическое сопротивление ρ, Ом·м·104
Коэффициент линейного расширения α, 1/0С·106
Коэффициент теплопроводности λ, Вт/м·0С
Удельная теплоемкость Сγ, кал/г·0С
Модуль упругости Е, МПа
4500
1668
3400
55,6
8,2
16
0,13
1125
По сравнениюс техническим титаном титановые сплавы имеют при достаточно хорошейпластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности более высокуюпрочность при 20–25 0С и повышенных температурах. По сравнению сбериллием они более пластичны и технологичны, меньше стоят, безопасны дляздоровья при обработке. По сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавамиобладают более высокой удельной прочностью, жаропрочностью и коррозионнойстойкостью.
Высокаятемпература плавления титана требует применения при сварке болееконцентрированных источников тепла. Однако поскольку титан имеет более низкийкоэффициент теплопроводности (ниже, чем у стали в 4 раза) и высокоеэлектрическое сопротивление (выше, чем у стали в 5 раз), для сварки титанатратится меньше электрической энергии, чем для сварки стали.
Низкий модульупругости (ниже, чем у стали в 2 раза) позволяет выполнять правку сварныхизделий при меньших усилиях по сравнению со сталью.
Обязательнымусловием получения качественного сварного соединения является надежная защитанагреваемого до высоких температур металла от газов атмосферы. Насыщениеметалла шва кислородом, азотом и водородом происходит при температурах более3500С, что снижает пластичность металла шва и вызывает образованиепор и трещин, как следствие этого происходит снижение прочности сварныхконструкций. Поэтому сварку титана необходимо производить в среде защитныхгазов (аргона или гелия) высокой чистоты, под специальными флюсами или ввакууме. Защитные средства должны обеспечить защиту зоны сварки, ограниченнойизотермой более 6000С.
Необходимотакже тщательно защищать и обратную сторону шва даже в том случае, если слоиметалла не расплавлялись, а только нагревались выше этой температуры.
Чувствительностьк сварочному термическому циклу выражается в протекании полиморфногопревращения α ↔ β, в резком росте размеров зерна β-фазы иперегрева на стадии нагрева, в образовании хрупких фаз при охлаждении истарении, неоднородности свойств сварных соединений, зависящих от химического ифазового состава сплава. Перегрев шва и ОШЗ связан с низкой теплопроводностьютитана. Устранить указанные трудности удается за счет снижения погонной энергиидля псевдо-α-сплавов.
Низколегированныетитановые сплавы с псевдо-α-структурой удовлетворительно свариваютсяразличными способами сварки плавлением, что выражается в стабильномформировании шва, отсутствии трещин и хороших механических свойств сварныхсоединений.
Дляобеспечения высокого уровня пластичности швов и получения швов равнопрочныхосновному металлу используют присадочные проволоки, отличающиеся от основногометалла по химическому составу и имеющие по сравнению с ним пониженноесодержание легирующих элементов и вредных газов. При сварке низколегированныхтитановых сплавов для металла шва характерна игольчатая, мартенситоподобнаяструктура α-фазы. Аналогичную структуру имеет и ЗТВ. Поэтому несмотря напониженное содержание легирующих элементов в металле шва, его прочность будетблизка к прочности основного металла со структурой α-титана.
С цельюснятия собственных остаточных напряжений конструкции подвергают отжигу, которыйприводит к уменьшению остаточных сварочных напряжений и, как следствие, кувеличению сопротивляемости образованию трещин. Нагрев сварных конструкцийпроизводится в электрических печах.
Привозникновении альфированного слоя (слоя, насыщенного кислородом и азотом) егонеобходимо убирать механическими способами.
2.2 Выборспособа сварки
Титановыйсплав ПТ-3В в расплавленном и твердом состоянии при температурах выше 6000Св условиях сварочного цикла обладает высокой химической активностью поотношению к вредным примесям: кислороду, азоту, водороду и углероду, чтозначительно затрудняет его сварку.
Высокаяхимическая активность в сочетании с низкой теплопроводностью и высокимэлектросопротивлением и температурой плавления, а также склонность к ростузерна в околошовной зоне определяют особенности сварки титана и его сплавов.Вследствие высокой химической активности нельзя применять для сварки титана иего сплавов дуговую сварку с использованием флюсов и покрытий, содержащихокислы и другие элементы, загрязняющие шов, кислородно-ацетиленовую сварку,аргонодуговую сварку с односторонней защитой сварного соединения.
Непременнымусловием для получения качественного соединения при сварке плавлением титанаявляется полная двусторонняя защита сварного соединения от взаимодействия своздухом и вредными примесями не только сварочной ванны, но и нагретого выше6000С основного металла и металла шва. Необходимо также тщательнозащищать и обратную сторону шва, если она нагревается выше 6000С.
Дляобеспечения наилучшей защиты металла шва от внешней среды и обеспеченияглубокого проплавления и мелкозернистой структуры применяют электронно-лучевуюсварку (ЭЛС). Это обусловлено также высокой температурой плавления титановогосплава, что требует применения при сварке плавлением концентрированныхисточников тепла. Высокая тепловая концентрация энергии позволяет вести сваркус малой энергоемкостью процесса.
ЭЛС позволяетполучать сварные соединения с высоким качеством сварного шва, практически безнеустранимых дефектов, обеспечивая полную механизацию сварочного процесса иповышение производительности труда в 15–20 раз по сравнению с ручными дуговымиспособами сварки.
Высокоекачество сварных соединений из титанового сплава ПТ-3В обеспечивает только ЭЛС.Этот эффективный способ соединения металлов основан на использованиикинетической энергии электронов, движущихся с большой скоростью в вакууме.Являясь разновидностью наиболее распространенного способа сварки плавлением,электронно-лучевая сварка вместе с тем имеет качественные отличия от всех ранееизвестных методов сварки. Эти отличия обусловлены двумя главными факторами:применением нового мощного концентрированного источника тепла и практическиполным отсутствием газов, окружающих зону сварки. Большая концентрация энергиив малом пятне делает возможной сварку с необычным для электронно-дуговыхметодов соотношением глубины к ширине проплавления (до 20:1 и более), а такжепри малых значениях погонной энергии (не более 20% от дуговой сварки). ЭЛСвыполняется, как правило, в вакуумных камерах при давлении остаточных газовпорядка 1·10-3 Па. Такая среда намного чище, чем в аргоне. Присварке в вакууме исключается загрязнение шва газами и обеспечиваетсямаксимальная пластичность и вязкость сварных соединений.
Технологическийдиапазон для целей нагрева, плавления, испарения составляет 104-5·108Вт/см2. Сварка металлов малых толщин (до 3-х мм) ведется с удельноймощностью 104 Вт/см2, когда испарение с поверхностисварочной ванны незначительно. Однопроходная сварка металлов больших толщин (до200–300 мм) требует удельной мощности 105-106 Вт/см2.В этом случае проникновение электронного луча на большую глубину сопровождаетсяиспарением металла и формированием канала проплавления, на стенках которогорассеивается практически вся мощность электронного луча. Канал проплавления,поверхность которого сильно перегрета, относительно температуры плавленияметалла и может достигать температуры кипения, движется через толщу металла,образуя по всей глубине канала область расплава металла, которая перемещается вхвостовую часть ванны и там кристаллизуется.
Высокаяконцентрация энергии в луче позволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкиеи глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокимимеханическими свойствами металла шва и околошовной зоны.
ЭффективныйКПД ηи изменяется в пределах от 70 до 90% и практически независит от энергии первичных электронов; он зависит только от атомного номераобрабатываемого материала; для Ti, например, он равен 0,842.
Как правило,при ЭЛС не нужны присадочные материалы, разделки кромок, а следовательноуменьшается перевод металла в стружку и затраты на механическую обработку.Повышаются качество и механические свойства металла шва за счет дегазации ввакууме и мелкозернистой структуры в металле шва и зоне термического влияния,которая примерно в несколько раз уже, чем при дуговых способах сварки.
Высокаяконцентрация энергии в луче обеспечивает получение швов не только с минимальнойзоной расплавления металла, но и соединений, металл которых в околошовной зонене претерпевает значительных изменений вследствие ввода минимального количестватепла и значительных скоростей охлаждения. Отсутствие значительнойпротяженности зоны термического влияния исключает недостатки, возникающие приэксплуатации конструкций, вызванные изменением физико-механических свойствметалла в околошовной зоне.
При сваркеэлектронным лучом проплавление имеет форму конуса (рис. 1.). Плавлениеметалла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещаетсяпо боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.
/>
Рис. 1. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевойсварке: 1-электронный луч; 2 – передняя стенка кратера; 3 – зонакристаллизации; 4 – путь движения жидкого металла
Глубокоепроплавление металла при малой погонной энергии, имеющее место при сваркеэлектронным лучом, обуславливает значительно большую скорость отвода тепла отзоны сварки, что обеспечивает увеличение скорости кристаллизации малой пообъему сварочной ванны с получением мелкозернистого строения металла шва, посвоим свойствам мало отличающегося от основного металла. Ввод значительноменьшего количества тепла, имеющего место при ЭЛС, дает возможность во многораз уменьшить деформации изделий по сравнению с дуговым способом сварки.
Электронныйлуч является легко управляемым источником тепла при сварке, что позволяет вшироких пределах и очень точно регулировать температуру нагрева изделия, легкоперемещать зону нагрева по изделию и переносить энергию на значительныерасстояния.
Установлено,что при использовании вакуума в качестве защитной среды при сварке имеетсяпринципиальная возможность уменьшить содержание газов в некоторых металлах засчет процессов дислокации окислов, нитридов и гибридов. Наиболее легко изметаллов удаляется водород, даже в том случае, если он находится в связанномсостоянии. Большинство соединений металла с водородом уже при относительнонизких температурах нагрева разлагается. Таким образом, в условиях сварки ввакууме большая часть водорода, содержащегося в металле, может быть удалена изметалла.
Резкоуменьшаются сварочные деформации и напряжения первого рода, что зачастуюпозволяет изготавливать изделия без правки и дополнительной механическойобработки. Появляется возможность местной термической обработки, в том числе исварных соединений, одновременно со сваркой.
В последнеевремя в связи с созданием мощных установок для электронно-лучевой сваркирасширяется применение сварки электронным лучом для соединения элементов изтитановых сплавов толщиной до 300 мм. Сварка толстостенных конструкцийэлектронным лучом является наиболее экономичной по сравнению с любым видомсварки. Скорость сварки электронным лучом для толщин более 100 ммсоставляет 2, 5–5, 0 м/ч, что превосходит скорость сварки приэлектрошлаковом процессе более, чем в 5 раз и в 10–15 раз при автоматическоймногослойной сварке под флюсом. Особенно эффективно применение электронноголуча для сварки толстостенных конструкций из титановых сплавов из-за низкойтеплопроводности титана, благодаря чему удается получать узкие швы при большихтолщинах свариваемых деталей, кроме того, очень благоприятно для титанаотсутствие вредных газов при сварке в вакууме.
Исследованияученых показали, что при электронно-лучевой сварке титанового сплава ПТ-3Втолщиной до 200 мм структура шва мелкозернистая, зона термического влиянияузкая (1–2,5 мм), а статические характеристики при растяжении сварногосоединения не ниже соответствующих характеристик основного материала.Соединения, полученные сваркой высококонцентрированными источниками энергии,разрушаются по основному металлу. В псевдо-α-сплавах остаточные напряжениянаиболее высоки. Научные исследования также показали, что при ЭЛС образуются соединенияс более высоким пределом выносливости, чем при аргонодуговой сварке. Принемногочисленных усталостных испытаниях сварных соединений, выполненныхэлектронно-лучевой сваркой, разрушение сварных соединений по основному металлуобъясняются высокими напряжениями или перераспределением водорода при сварке,вызывающем охрупчивание металла в зоне разрушения.
2.3Описание электронно-лучевой сварки. Общая характеристика
Электронныйлуч как технологический инструмент позволяет осуществлять нагрев, плавку ииспарение практически всех материалов, сварку и размерную обработку, нанесениепокрытий.
Формированиеэлектронного луча и управление им осуществляется рядом специальных устройств,называемых 2 электронными пушками».
Источникомэлектронов в электронных пушках обычно служит термоэмиссионный катод 1, которыйвыполняется из вольфрама, тантала или гексаборида лантана, обладающих высокимиэмиссионными характеристиками. В зависимости от материала катода его рабочаятемпература может достигать 2400–2800 К. Подогрев катода чаще всегоосуществляется при помощи накаливаемого электрическим током элемента, причем внекоторых случаях сам этот элемент может выполнять функции катода (катодпрямого накала).
На некоторомрасстоянии от катода находится анод 2, выполненный в виде массивной детали сотверстием по оси. Между катодом и анодом от специального высоковольтногоисточника питания 3 прикладывается ускоряющее напряжение (30–150 кВ), причеманод обычно соединяется с корпусом установки, а катодный узел крепится навысоковольтном изоляторе. Вследствие разности потенциалов между катодом ианодом электроны ускоряются до значительных скоростей, большая часть их походитчерез отверстие в аноде и затем продолжает в заанодном пространстве движение поинерции. Этот движущийся электронный поток обладает еще сравнительно невысокимиудельными энергетическими показателями и для формирования из него электронноголуча с необходимыми характеристиками обычно требуется дополнительная операция –фокусирование луча.
Следуетотметить, что в рабочем пространстве электронной пушки необходим вакуум, таккак при большом количестве молекул остаточных газов они препятствуют свободномупрохождению электронов из-за их взаимных столкновений. Кроме того, условияработы подогревного катода также требуют защиты его от взаимодействия сатмосферными газами. Рабочий вакуум в электронной пушке должен быть не хуже1·10-3 – 1·10-4 Па. При уменьшении вакуума происходитпробой между катодом и анодом электронной пушки, что может привести к выходу изстроя высоковольтного выпрямителя.
Дляфокусирования электронного луча в электронной пушке обычно используется системадиафрагм и магнитных линз. Магнитная линза 4 представляет собой соленоид смагнитопроводом, создающий специальной формы магнитное поле, которое при взаимодействиис электроном изменяет его траекторию и искривляет ее в направлении к осисистемы. При этом можно добиться «сходимости» электронов на достаточно малойплощади поверхности и в фокусе электронный луч может обладать весьма высокойплотностью энергии, достигающей 5·106 Вт/мм2. Такаяплотность энергии достаточна для осуществления целого ряда технологическихпроцессов, причем в результате изменения фокусировки она может быть плавноизменена до минимальных значений.
В конструкциюэлектронной пушки обычно входит также «отклоняющая система» 5, служащая дляперемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности. Перемещение лучаосуществляется вследствие его взаимодействия с поперечным магнитным полем,создаваемым отклоняющей системой. Обычно для этой цели электронная пушка имеетдве пары отклоняющих катушек, обеспечивающих перемещение луча по двум взаимноперпендикулярным направлениям. При питании отклоняющих катушек токомопределенной частоты и амплитуды можно получить практически любую траекториюперемещения электронного луча по обрабатываемой поверхности, что широкоиспользуется в электронно-лучевой технологии.
Электроннаяпушка обычно выполняется в виде одного функционального блока, который илинеподвижно крепится к вакуумной камере 6, или перемещается внутри камеры припомощи специальных механизмов.
Обрабатываемоеизделие 7 помещают в вакуумную камеру, снабженную. Загрузочными крышками ииллюминаторами для наблюдения за процессами обработки. При большойпротяженности зоны обработки изделие обычно перемещается или вращается ввакуумной камере при помощи специальных механизмов.
Следуетотметить, что по мере увеличения удельной мощности электронного луча наряду спроцессами плавления начинается интенсивное испарение металла с поверхностисварочной ванны. Так получаются швы с глубоким проплавлением, котороеназывается «кинжальным». Оно дает возможность за один проход без разделкикромок сварить детали толщиной до 150 мм.
Преимуществасварки электронным лучом:
1. Высокаяконцентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только наповерхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла.Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002… 5 мм,что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долеймиллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которыхсоотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможностьсварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д.Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятностьрекристаллизации основного металла в этой зоне.
2. Малое количество вводимой теплоты. Какправило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевойсварке требуется вводить теплоты в 4–5 раз меньше, чем при дуговой сварке. Врезультате резко снижается коробление детали.
3. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами.
В результате дегазации металла шва повышаются его пластическиесвойства и достигается высокое качество сварного соединения.
Недостатки электронно-лучевой сварки:
1. Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва наметаллах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины кширине шва.
2. Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделиятребуется длительное время.
Из всеговышеперечисленного можно сделать выводы, что выбор ЭЛС для сварки водилаII ступени из титанового сплава ПТ-3В обусловлен следующим:
1. Большимитрудностями сварки титановых сплавов, которые заключаются в поглощении расплавленнымили нагретым металлом газов, склонностью вследствие этого к порообразованию,склонностью к задержанному разрушению и образованию холодных трещин. Поэтомудля получения качественного сварного соединения используют мощные вакуумныеустановки для ЭЛС с целью предупреждения насыщения металла шва и околошовнойзоны газами и загрязнения их примесями, а также регулирование структурныхизменений выбором необходимого термического цикла.
2. Высокаятемпература плавления титанового сплава и необходимость получения сварногосоединения с большим проплавлением (145 мм) и малой шириной шва требуетприменение при сварке плавлением концентрированных источников тепла,позволяющих вести сварку на высоких скоростях и при малой энергоемкости.
3. Сваркапроводится в автоматическом режиме. Человек защищен от излучения, он лишьнаблюдает и ведет контроль за ходом процесса сварки. Это повышает качество иточность изделия, а также приводит к повышению экологии и уровня культурыпроизводства.
3.Разработка пооперационной технологии
№ опер. Наименование операции Содержание операции и используемое оборудование 005 Заготовительная Заготовка элементов водила: 5 стоек, 5 верхних и 5 нижних лепестков 010 Технический контроль Контроль внешним осмотром и измерениями. Используется мерительный инструмент (линейка, угольник) 015 Слесарная (Подготовка для прихватки) Перед началом сборочно-сварочных работ необходимо очистить детали от загрязнений и обезжирить органическим растворителем. Технология обезжиривания рекомендуется следующая: 1. зачистить околощовную зону на расстоянии 10 мм; 2. протереть детали водила бязью, смоченной в ацетоне и отжатой, места сварки и околошовную зону на расстоянии 20 мм протереть бязью, смоченной в спирте и отжатой 020 Технический контроль Проверить качество обезжиривания 025 Сборочно-сварочная (Под ЭЛС)
Оборудование: сварочный пост ПРС-3М.
1. Установить лепестки (поз. 2) и стойки (поз. 1) на разметочную плиту толщиной 40 мм. Собрать на прихватках детали позиции 1, 2.
2. Прихватить детали позиции 1, 2 в местах стыка ручной аргонодуговой сваркой. Прихватки располагать в диаметрально – противоположных направлениях. Зазор в стыке не более 0,15 мм.
3. Выступление свариваемых кромок не допускается.
4. Установить 10 технологических планок 30х70 и 5 технологических планок 70х40. При установке обеспечить плотное прилегание между планкой и собираемыми деталями. Длина прихваток Lпр=40–50 мм.
Параметры:
Сварочная проволока ПТ-3В Ø2 мм;
Iсв=95 А; U=32 В;
обратная полярность тока;
положение шва – нижнее;
аргон марки А ГОСТ 10157–73;
расход аргона 15 л/мин. 030 Кантовочная Оборудование: кран-балка 035 Сборочно-сварочная
Оборудование: сварочный пост ПРС-3М
1. На разметочной плите собрать вторую секцию из 5-ти лепестков позиции 3.
2. Ручной аргонодуговой сваркой сварить 2 секции. Прихватки располагать в диаметральнопротивоположных направлениях. Зазор в стыке не более 0,15 мм.
3. Выступание свариваемых кромок не допускается.
4. Установить 10 технологических планок 30х70 и 5 технологических планок 70х40. При установке обеспечить плотное прилегание между планкой и собираемыми деталями. 040 Технический контроль (Контроль сборки под ЭЛС)
Оборудование: набор щупов №2 ТУ2–034–225–87
Проверить зазор в стыке. Допускаемый зазор не более 0.15 мм. Выступание свариваемых кромок не допускается. 045 Сварочная
Оборудование: установка для ЭЛС ЭЛУ-21, кран-балка
1. Установить водило в приспособление с помощью кран-балки и закрепить.
2. Завести приспособление в вакуумную камеру установки, закрыть ее и создать необходимый вакуум.
3. Выполнить сварные швы электронным лучом, поочередно настраиваясь на каждый стык (шов).
4. Перед сваркой проверить технологический режим на технологическом образце.
5. Развакуумировать камеру, перекантовать водило с помощью кран-балки и повторить п. 1–3 для выполнения сварки швов с другой стороны.
Параметры: глубина проплавления – 145 мм;
Iсв=700 мА; Uуск=60 кВ; Vсв=30 см/мин;
Круговая развертка электронного луча Ø2 мм. 050 Технический контроль Контроль качества швов капиллярной дефектоскопией. 055 Токарно-карусельная
Оборудование: токарно-карусельный станок мод. 1508.
1. Установить заготовку, выверить и закрепить.
2. Расточить плоскость водила, снять усиление сварного шва под УЗД, глубина 4 мм. 060 Сварочная
Оборудование: сварочный пост ПРС-3М
Подварить отдельные подрезы глубиной 2–3 мм ручной аргонодуговой сваркой. 065 Слесарная
Оборудование: газовый резак Руа-70
Удаление технологических планок 070 Технический контроль (УЗК)
Оборудование: УД2–12
Произвести 75%-ный ультразвуковой контроль наклонным пьезопреобразователем 075 Термическая
Оборудование: термическая печь Н-3005053
Произвести термообработку водила при Т=6750С для снятия сварочных напряжений 080 Технический контроль размеров
Приспособление: линейка, штангенциркуль.
Проверить геометрические размеры по чертежу на пригодность механической обработки.
4. Выбор сварочныхматериалов и расчет ном их расхода
Проведемвыбор сварочных материалов и расчет норм их расхода для сборочно-сварочнойоперации, т.е. для ручной аргонодуговой сварки.
1. Защитныйгаз.
Титанявляется химически активным материалом и охотно растворяет атмосферные газы(кислород, азот, водород), находясь как в жидком, так и в твердом состоянии. Врезультате взаимодействия с указанными газами образуются нитриды, оксиды игидриды. Образование этих соединений сопровождается изменением структуры ипластических свойств. Следовательно, чтобы избежать образования этих соединенийи предотвратить ухудшение свойств соединения необходимо обеспечить защиту зонысварки от атмосферного воздуха.
Углекислыйгаз СО2 не подходит в качестве защитного, так как он взаимодействуетс титаном. Наиболее подходящими для защиты титанового сплава от атмосферноговоздуха являются инертные газы (гелий, аргон), поскольку они не вступают вовзаимодействие с титаном. Однако, учитывая более высокую стоимость гелия посравнению с аргоном, в качестве защитного газа будем использовать аргон.
Аргон высшегосорта (чистота ≥99,993%) по ГОСТ 10157–79.
Норма расходазащитного газа на изделие /> (л)определяется по формуле
/>,
где /> — удельная норма расходагаза на 1 м шва данного типоразмера, л;
/> — длина шва, м; />;
/> — дополнительный расходгаза на подготовительно-заключительные операции: продувку газовых коммуникацийперед началом сварки; защиту вольфрамового электрода от окисления послеокончания сварки при сварке неплавящимся электродом, настройку режимов сварки; />.
Удельнаянорма расхода газа определяется по формуле
/>,
где /> — оптимальный расходзащитного газа по ротаметру, л/мин; /> ([2], с. 112);
/> — машинное (основное)время сварки 1 м шва, мин.
Основноевремя при сварке неплавящимся электродом определяется по формуле
/>
/>
/>
2. Электрод.
Хотя чистыйвольфрам относится к группе тугоплавких металлов (Тпл=3300–36000С)и при горении дуги он не расплавляется, однако его применение в качествеэлектрода ограничивается возможностью его частичного разрушения (выкрашивания)и засорения металла шва частицами вольфрама. Это связано с тем, что эмиссионнаяспособность чистого вольфрама мала и поэтому требуется сильный нагрев длястабильного горения дуги. Для улучшения эмиссии электронов с поверхностивольфрамового электрода в него добавляют окись иттрия Y2О3или окись лантана Lа2О3, а так же некоторые другиеэлементы. Добавка окиси иттрия или окиси лантана приводит к понижениютемпературы стабильного горения дуги, а следовательно способствует повышениюстойкости вольфрамового электрода.
В качественеплавящегося электрода будем использовать вольфрамовый электрод ЭВИ-2 Ø2 ммГОСТ 23949–80, он содержит 2–3% Y2О3.
Норма расхода/> (/>) электрода на изделиеопределяется исходя из длины швов /> (/>) и удельной нормы расходаэлектрода /> на 1 м шва:
/>
Удельнаянорма расхода рассчитывается по формуле
/>,
где /> — расчетная массанаплавленного металла, кг/м;
/> — коэффициент расхода,учитывающий неизбежные потери электрода, /> ([2],c. 27);
/> — плотность наплавленногометалла, />, />([2], с. 22);
/> — площадь поперечногосечения наплавленного металла шва, />
/>
/>
/>
3. Присадочнаяпроволока.
Для сваркикорпуса водила II ступени в связи с ответственностью конструкции будемиспользовать проволоку того же состава, что и основной металл.
Проволока ПТ-3Впо ТУ-1–9–922–82 диаметром 2 мм.
5. Выборсварочного оборудования и краткая его характеристика
5.1 Описаниеи техническая характеристика установки ЭЛУ-21
Исходя изгабаритных размеров проектируемого корпуса (длина 1660 мм, наружныйдиаметр 1198 мм), выбираем установку ЭЛУ-21. Установка дляэлектронно-лучевой сварки ЭЛУ-21 предназначена для сварки плоских и объемныхузлов в вакууме (остаточное давление в вакуумной камере 5–8·10-5 мм рт.ст.).
5.2 Техническиеданные
Рабочееразмещение сварочной пушки вдоль осей X, Y, Z, мм: 5000×2000×1600
Мощностьпушки, кВт: 60
Ускоряющее напряжение,кВ: 60
Рабочеедавление в вакуумной камере, мм рт. ст.: 5–8·10-5
Достижениерабочего давления, мин: 25
Скоростьсварки кольцевым швом при диаметре больше 100 мм, м/час: 8–60
Скоростьперемещения сварочной пушки вдоль и поперек рабочей камеры по вертикали, м/час:10–80, 5–30
Внутреннийразмер вакуумной камеры, мм: 7000×3200×3600
Объемвакуумной камеры, м3: 82
Площадь,занимаемая установкой, м2: 23,5×11=258,5
Массаустановки, кг: 160000
5.3 Устройствоустановки
Установкапитается от трехфазной сети с нулем, ~ 50 Гц, 380 В. Присоединение сетипроизводится через силовую сборку цеха. Установочная мощность установки 110кВт.
Основнойсоставной частью установки является вакуумная камера, которая предназначена дляосуществления процесса электронно-лучевой сварки изделия в вакууме. Камерасостоит из трех сварочных секций, герметично соединенных между собой. Междустыками секций проложен замкнутый резиновый вакуумный шнур.
С торцоввакуумная камера герметизируется двумя крышками. На каждой секции имеютсясмотровые окна.
На левойстороне камеры расположены: площадка оператора, два пульта управленияследующими движениями: перемещение крышек камеры, опускание и подъемперекладных направляющих; вакуумметр ВИТ-3.
Площадкаоператора имеет возможность продольного и вертикального перемещения отприводов, которые закреплены на них.
С другойстороны вакуумной камеры расположено вакуумное оборудование. Вакуумная станциясостоит из трех основных частей:
1.форвакуумный насос НВ3–300 с затворами Ду-260КЭ;
2. вакуумные агрегатыАВ3Д-40/800 УВН с затворами Ду90СП;
3. приборыконтроля вакуума, сигнализация состояния агрегатов.
Управлениевакуумной станцией может производиться в двух режимах:
1. рабочий(наладочный);
2.автоматический.
На пультесмонтированы также блокировочные вакуумметры типа ВЭМБ-1:
1.высоковольтного источника питания;
2. освещениезоны сварки и наоборот, отключает высоковольтный источник питания, и освещениезоны сварки при недопустимом понижении вакуума в вакуумной камере.
Вакуумнаястанция состоит из нескольких групп откачки.
Форвакуумнаягруппа состоит из 4-х станций форвакуумных СФ-1, с помощью которых достигаетсяостаточное давление 5–6·10-3 мм р.ст. Два вакуумных агрегата АВП-400/1600,предназначенные для уменьшения остаточного давления до 8·10-5 мм рт.ст., после чего они выключаются. Три вакуумных агрегата АВЭД-40/800 включаютсяв работу при остаточном давлении в вакуумной камере порядка 10-3 мм рт.ст.
Внутривакуумной камеры установлена и закреплена станина, на которой имеютсянаправляющие для перемещения каретки для плоских и цилиндрических изделий, атакже портала. Электрическое питание к кареткам, пушкам, порталу подводитсячерез цепи энергоподачи, которые также расположены внутри вакуумной камеры.
Крышка камерыпредназначена для герметизации вакуумной камеры. Крышка перекрывается из одногокрайнего положения в другое от привода крышки. Крышка выполнена из листовойнержавеющей стали с ребрами жесткости. Скорость перемещения крышки V=2 м/мин.
Порталпредназначен для крепления и перемещения электронных пушек мощностью 30 и 60кВт. Пушки перемещаются в трех координатах, а также имеют возможность вращатьсяв горизонтальном и вертикальном положениях. Портал состоит из 2-х опорныхкареток, двух стоек с поперечной балкой, привода перемещения портала, траверсы,каретки траверсы.
Траверсапредназначена для крепления и перемещения каретки траверсы. Траверса совершаетвертикальное перемещение. Траверса выполнена из сварной балки коробчатой формыиз нержавеющей стали.
Кареткатраверсы предназначена для возвратно-поступательного перемещения вдоль траверсыпушки, механизма подачи присадочной проволоки от приводного винта, которыйимеется в траверсе. Каретка состоит из сварного корпуса, на котором закрепленыопорные и центрирующие ролики.
Пневмопитаниепредназначено для подачи сжатого воздуха в один из 4-х воздухораспределителей(4 пневмоцилиндра). Воздушная панель состоит из панели, на которой закрепленывентиль, фильтр, редуктор давления, отстойник и коллектор на 4воздухораспределителя.
Приводкаретки предназначен для перемещения кареток для плоских или цилиндрическихизделий в зону сварки или на позиции загрузки-выгрузки.
Кареткацилиндрических изделий предназначена для сварки тел вращения в горизонтальной ивертикальной осях. Каретка состоит из следующих узлов: коробкираспределительной, вращателя горизонтального, вращателя вертикального, каретки.Вращатель состоит из электродвигателя типа ПБСТ-33 и редуктора. Вращательгоризонтальный предназначен для закрепления и вращения изделия в горизонтальнойплоскости. Вращатель состоит из шпиндельного узла с планшайбой и корпуса.Корпус выполнен из нержавеющей стали. На корпусу крепится три тормоза, накоторые должны гасить дисбаланс изделия.
Вращательвертикальный предназначен для закрепления и вращения свариваемого изделия ввертикальной плоскости. Вращатель состоит из шпиндельного узла и привода.
Люнетпредназначен для центровки длинных изделий, которые расположены вгоризонтальной плоскости. Люнет состоит из корпуса с направляющими и панели.Длина продольного перемещения люнета 1000 мм. Панель перемещается отручного привода на величину 200 мм.
Кареткапредназначена для крепления всех узлов, входящих в комплекс кареткицилиндрических изделий и привод каретки с помощью которого каретка закатываетсяв вакуумную камеру или на позицию загрузки-выгрузки. Корпус каретки сварной изнержавеющей стали.
Станинаявляется местом, куда выезжает каретка и производится загрузка-разгрузкакареток. Станина выполнена сварной из стали Ст3.
5.4Принцип работы установки
Сборочно-сварочнаяоснастка с изделием устанавливается на каретке и крепится к ней. Движениекаретки происходит от привода каретки. Энергопитание привод получает отэнергоцепи, с которой каретка соединена через кронштейн и штепсельный разъем.На каретке для крепления оснастки с изделием находятся опорные ролики (10 шт.),приводной вал с шестерней, бортовые (центрирующие) ролики (4 шт.), ложементыдля крепления оснастки, линейка (база) для выставления свариваемого стыка вплоскости сварки, кронштейн для нажатия на конечный выключатель ВК-200Б в концехода тележки, которая представляет собой сварную конструкцию из листовойнержавеющей стали Х18Н10Т. Каретка цилиндрических изделий предназначена длясварки тел вращения в горизонтальной и вертикальной осях. Она состоит израспределительной коробки и горизонтального и вертикального вращателей.
С пультауправления №1, расположенного с правой рабочей части вакуумной камеры, даетсякоманда на опускание перекидных направляющих в горизонтальное положение(вакуумная камера открыта) до упора на раму камеры.
От кнопкипульта №1 дается команда на перемещение каретки с изделием в вакуумную камеруна позицию сварки. После – остановка каретки в вакуумной камере от срабатыванияконечных выключателей ВК-200Б.
С пультауправления №1 дается команда на подъем перекидных направляющих в вертикальноеисходное положение. При верхнем положении перекидных направляющих с пульта №1дается команда на привод крышки вакуумной камеры. Крышка перемещается в крайнееположение «Закрыто» и останавливается. С пульта №1 дается команда на прижимкрышки вакуумной камеры к торцу вакуумной камеры.
Закрываетсяэлектромагнитный натекатель ДУ-160. Включается автоматическая система откачкивакуумной камеры до остаточного давления 5·10-5 мм рт. ст. Приостаточном давлении 5·10-5 мм рт. ст. производится вывод электроннойпушки на позицию сварки. На холостом режиме производится контрольный проходэлектронным лучом вдоль свариваемого стыка. После контрольного проходапроизводится сварка стыка.
Визуальноенаблюдение и управление процессом сварки производится с пультов, расположенныхна площадке оператора, а также через смотровые окна крышки вакуумной камерыдиаметром 300 мм. Площадка оператора имеет возможность продольного ивертикального перемещения по лицевой стороне камеры.
После окончанияпроцесса сварки с пульта вакуумной станции дается команда на закрывание шиберныхзатворов СПЛП-900 и открывается натекатель ДУ-160. Производится напуск воздухав вакуумную камеру до атмосферного давления.
С пульта №1дается команда на открывание вакуумной камеры. Затем дается команда наопускание перекидных направляющих станины в вакуумную камеру и команда на выездкаретки с изделием из камеры. В крайнем исходном положении на станине кареткаостанавливается от конечного выключателя ВК-200Б.
Производитсяснятие изделия с каретки. Цикл сварки для плоских изделий повторяется снова.
При сваркецилиндрических изделий порядок работы такой же, как и при сварке плоскихизделий.
Свариваемоеизделие закрепляется на каретке цилиндрических изделий. Управление движениемкаретки, опусканием направляющих и управление движением второй крышки вакуумнойкамеры руководится со второго пульта №2, расположенного с левой лицевой сторонывакуумной камеры.
5.5.Принцип действия приспособления для сварки водила II ступени
Передустановкой изделия на приспособлении отвинчивается болт позиции 27, снимаетсяпланка позиции 15, отодвигается подвижная стойка позиции 2.
На оправкупозиции 1 с помощью кран-балки одевается водило II ступени, собранное наприхватках. С одной стороны оно крепится, упираясь на цилиндрическое кольцо, иприжимается восьмью болтами (позиции 29) для обеспечения точного фиксирования иизбежания отклонений от вертикальности боковых торцев детали. С другой стороны,водило фиксируется с помощью насадки на коническое кольцо оправки.
Затем снована хвостовую часть оправки одевается подвижная опора позиции 2 и планка позиции15, которая привинчивается четырьмя болтами (позиции 27).
Для сваркиводила II ступени необходимо поочередно настраивать электронную пушку на каждыйстык внутри вакуумной камеры. Это обеспечивается соединением оправки позиции 1через планку позиции 15, втулку позиции 8 и поводок позиции 4, соединенных спомощью двух болтов позиции 26 и гаек позиции 31 с поворачивающей системойзвездочка – редуктор – электродвигатель. При этом оправка с изделиемповорачивается при помощи роликов, расположенных в подвижных опорах позиции 2.
6. Выборпараметров режима сварки
6.1Параметры режима ручной аргонодуговой сварки.
Силасварочного тока – Iсв=95 А
Напряжение надуге – Uд=32 В
Обратнаяполярность тока
Положение шва– нижнее
6.2Параметры режима электронно-лучевой сварки
Мощность – 30кВт
Ускоряющеенапряжение – Uуск=60 кВ
Силасварочного тока – Iсв=700 мА
Скоростьсварки – Vсв=30 см/мин
Круговаяразвертка электронного луча – Ø2 мм
7. Расчетнорм времени на сварочные операции
7.1 Расчетнорм времени для сборочно-сварочной операции (ручная аргонодуговая сварка неплавящимсяэлектродом)
1. Расчетосновного времени
/>,
где /> — скорость сварки, />
/>
2. Расчетвспомогательного времени, зависящего от дины шва
Принимаем ([3],с. 130) нормы времени на все элементы вспомогательной работы при сваркестыкового шва
/> на /> шва
3. Расчетвспомогательного времени, связанного с изделием и работой оборудования
/>
Всего нормавспомогательного времени составит
/>
4. Расчетподготовительно-заключительного времени
/>
5.Определение коэффициента к оперативному времени. Для единичного производствакоэффициент, учитывающий затраты времени на обслуживание рабочего места, наотдых и естественные надобности, будет /> ([3],с. 137)
6.Определение нормы штучного времени.
/>
7.2 Расчетнорм времени для электронно-лучевой сварки
1. Скоростьсварки />
Длина шва />
Время сваркиодного шва
/>
2. Общеевремя сварки
/>
3. Время навакуумирование
/>
4. Общеевремя изготовления корпуса водила II ступени
/>
8. Выбор метода контроля
8.1Характеристика характерных дефектов
Для сварныхсоединений всех титановых сплавов в той или иной степени характерны двепроблемы: замедленное разрушение и пористость шва.
Замедленноеразрушение объясняется образованием в сварном соединении так называемых пиковконцентрации водорода, которые совпадают с пиками концентрации сварочныхнапряжений, расположенными вблизи линии сплавления.
Со временемводород превращается в гидриды с увеличением объема, что способствуетобразованию трещин в околошовной зоне, вызывая замедленное разрушение.Негативное влияние водорода усиливается остаточными сварочными напряжениями.
Основнымимерами борьбы с замедленным разрушением сварных соединений титановых сплавовявляются уменьшение содержания водорода в основном металле и отжиг после сварки.
Приэлектронно-лучевой сварке можно, не вынимая изделия из камеры, выполнить такназываемый локальный отжиг, прогревая зону термического влияния пучком,сканирующим по растровой развертке. Это снижает концентрацию водорода,перераспределяет остаточные напряжения и уменьшает склонность сварногосоединения к замедленному разрушению.
Наиболеераспространенными дефектами для сплава ПТ-3В являются поры и холодные трещины.
Поры всварном шве – это дефекты сварного шва в виде полости округлой формы,заполненной газом. Поры в сварных соединениях чаще всего располагаются в видецепочки пор по зоне сплавления. Они снижают статическую и динамическуюпрочность соединений.
В отношениипористости при сварке титановых сплавов существуют две основные точки зрения.
Согласнопервой, пористость определяется поступлением в сварочную ванну готовых газовыхзародышей, возникших вследствие пиролиза загрязнений и разложения влаги наплотно сжатых поверхностях стыка. Те, кто придерживается этой точки зрения,рекомендуют уменьшать шероховатость кромок путем шабрения и полирования,использовать травление и «тепловую» очистку кромок, а также применятьгарантированный зазор в стыке и выполнять газоотводящие каналы на торцевыхповерхностях стыка.
Согласновторой точке зрения, непременным условием пористости является перенасыщениеметалла всей сварочной ванны газами, и в первую очередь водородом, илилокальное перенасыщение жидкого металла ванны непосредственно меняярастворимость водорода в металле.
С этойпозиции основными способами борьбы с пористостью можно считать снижениеконцентрации водорода в сварной ванне и обеспечение оптимальных условийкристаллизации, а в качестве технологических мер уменьшения пористости в швахрекомендуются изменение погонной энергии, применение повторных проходов,использование импульсных режимов и осцилляции пучка.
Для получениябеспористых/> швов необходимо обеспечитьтребуемую чистоту основного металла и сварочных материалов, сварку выполнять наоптимальных режимах с соблюдением всех требований технологических процессов.
Холодныетрещины возникают в результате повышенного содержания кислорода, азота иводорода в сварном соединении в сочетании с растягивающими напряжениями первогорода (остаточными сварочными от внешней нагрузки).
Трещинытакого типа могут возникать сразу же после сварки, а также после вылеживаниясварных соединений до нескольких лет (процесс замедленного разрушения врезультате выпадения гидридов титана).
Приповышенном содержании водорода трещины возникают от напряжений второго рода ираспространяются под действием напряжений первого рода.
Радикальнымимерами борьбы с холодными трещинами являются:
1. Снижениесодержания газов в основном и присадочном металле: Н2
2. Соблюдениетехнологии сварки для предотвращения попадания паров воды и вредных газов взону сварки;
3. Снятиеостаточных сварочных напряжений;
4. Предотвращениенаводораживания металла в процессе изготовления деталей.
Основные видыдефектов, встречающиеся при ЭЛС титановых сплавов приведены на рис. 3, апричины их возникновения в таблице 4.
/>
Таблица 4Наименование дефекта Причины возникновения дефекта Непровар (рис. 3, а)
1. Недостаточная мощность луча
2. Погрешность совмещения луча с плоскостью стыка
3. Намагничиваемость детали Неполномерность (1) и провисание (2) (рис. 3, б)
1. Завышена мощность луча
2. Занижена скорость сварки
3. Металлургическая нестабильность ванны Кратер в месте окончания шва (1) и высоковольтного пробоя (2) (рис. 3, в)
1. Резкое изменение мощности и плоскости луча (пробой, аварийное отклонение)
2. Выброс металла ванны в результате металлургической нестабильности ванны Поры (1) и раковины (2) (рис. 3, г)
1. Плохая очистка свариваемой поверхности от влаги и органических загрязнений.
2. Высокая газонасыщенность металла
3. Высокая скорость сварки
4. Неблагоприятная форма шва Трещины в шве (1) и околошовной зоне (2) (рис. 3, д)
1. Малая деформационная способность металла в температурном интервале хрупкости
2. Неправильно подобранный режим по погонной энергии и току фокусировки
3. Нетехнологичность конструкционного узла
4. Большие внутренние напряжения
8.2 Способыустранения дефектов при ЭЛС
Большинствоповерхностных дефектов, возникающих при ЭЛС, могут быть исправлены дуговымиспособами сварки. Иногда и внутренние дефекты шва исправляются выборкойдефектного места механическими способами и последующей их дуговой подваркой сприсадочным материалом.
/>Однако в ряде случаев,особенно при ЭЛС тугоплавких и химически активных металлов, возникшие дефектыцелесообразно устранять с помощью электронного пучка.
Поверхностные дефекты целесообразно устранять повторными такназываемыми косметическими проходами. Они осуществляются на минимальнонеобходимую глубину на мягких режимах, т.е. с большими степеняминедофокусировки или перефокусировки, когда швы не имеют корневой пилы (рис. 4).
/>
Рис. 4. Заварка поверхностного дефекта
1-основной проход;
2-непровар
3-подварочный проход
Рис. 5. Схема разметки центра шва по контрольным рискам
1-дефект шва;
2 – технологический припуск;
3-контрольные риски
4-риска разметки центра шва
Часть внутренних дефектов исправляют на рабочем режиме. Для этоголинию стыка определяют, ориентируясь на контрольные риски (рис. 5) иликакие-то базы не самой детали.
Можно переплавлять не всю длину шва, если дефект точечный, а лишьнебольшой участок.
/>Если глубина дефектанебольшая, то заварку осуществляют на больших степенях расфокусировкиисключающих образование корневой пилы.
При большой глубине залегания дефектов повторный проходосуществляют на полной мощности с установкой технологических подкладок длявыведения в неё корневых дефектов. Ввод мощности осуществляют либо принеподвижном луче, либо при малой скорости, потом включают рабочую скорость.Аналогичным образом поступают и при окончании: сначала необходимо остановитьдвижение или снизить скорость сварки, а потом уменьшать мощность пучка.
В место окончания подварки можно ввести дополнительный материал ввиде пластины (рис. 6), а после окончания подварки расплавить его, чтобызаполнить кратер.
/>
Рис. 6. Устранение дефектов повторной переваркой шва на всю глубину
1-деталь; 2-технологическая подкладка; 3-дефекты подлежащиеисправлению; 4-подварочный проход; 5-накладка в место окончания подварки
8.3 Выборметодов контроля качества сварного соединения
Послевыполнения сварочных работ необходимо проконтролировать качество полученногосварного соединения. В контроль сварного соединения входят:
– входнойконтроль;
– контрольвнешним осмотром;
– цветнаякапиллярная дефектоскопия;
– ультразвуковаядефектоскопия;
– испытанияна твердость.
Входнойконтроль.
Входнойконтроль исходных материалов.
Качество сварки можно обеспечить при условии, если качествоисходных материалов (основного металла, электродов, сварочной проволоки, защитногогаза и т.п.) удовлетворяет предъявляемым к ним требованиям. Прежде всего,устанавливают соответствие сертификатных данных на все исходные материалыданным, требуемым согласно технологическому процессу сварки конструкций. Затемосматривают материалы и дополнительно проверяют их качество в соответствии снормативной документацией.
Основной металл в виде литых заготовок проверяют на наличие пор,усадочных раковин и трещин. Особое внимание обращают на зоны, подлежащиесварке. Эти места должны быть тщательно очищены от грязи, масла, краски,ржавчины и других загрязнений. Прокат проверяют на наличие расслоений, окалины,равномерности толщины листа и на равномерность распределения примесей, особенносеры, по сечению листов и профилей.
Электроды проверяют на равномерность толщины покрытия, на наличие в немтрещин и других механических повреждений, а также наличие или отсутствиекоррозии стрежня. Выполняют пробную сварку, чтобы установить характер плавленияэлектродного стержня и покрытия, легкость отделения шлаковой корки и качествоформирования сварного шва (жидкотекучесть расплавленного металла,разбрызгивание и наличие внешних дефектов.) образование козырька и пр.
Сварочную проволоку проверяют на чистоту поверхностей от окислов,смазки и загрязнений, расслоений и закатов. При соответствии свойств проволокисертификату и требованиям стандартов, имеющиеся загрязнения (кроме окислов)могут быть очищены механическим или химическим способами. За последние годыувеличивается поставка проволоки с покрытием из меди. Оно исключает образованиержавчины и способствует получению качественных сварных швов.
Защитные газ – аргон при наличии сертификатов завода-изготовителяподвергают контролю только в том случае, если в сварных швах, выполненных с егоиспользованием, обнаруживают недопустимые дефекты. Тогда
проверяют газ на наличие или отсутствие вредных примесей и влаги.Последнюю проверяют по температуре точки росы.
Свариваемость – свойство металла (или сочетание металлов) образовывать приустановленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям,обусловленным конструкцией и условиями эксплуатации изделия.
Проверка исходного материала на свариваемость должнапредшествовать принятию решения об использовании тех или иных материалов всварной конструкции. В соответствии с указанным, свариваемость контролируют вдвух случаях:
1. При выборе материалов и разработке технологам сварки, т.е. приподготовке производства на стадии проекта;
2. При запуске материалов в производственный цикл, т.е. притехнологической подготовке производства.
Вторая проверка связана с возможными отклонениями плавок основногометалла, проволоки, а также партий электродов и флюсов от сертификатныхзначений.
Контроль оборудования и оснастки.
Качество сварных соединений в большей степени зависит от исправнойработы сварочного оборудования. Цель и назначение данного вида контроля – обеспечитьподдержание сварочного оборудования в рабочем состоянии в соответствии спаспортными данными. Оборудование для дуговой сварки должно обеспечиватьустойчивое горение дуги, требуемую точность и правильность регулировки режимасварки (Iсв, Uд, Vп и т.д.). Эти параметрыподлежат тщательной проверке каждый раз перед пуском оборудования и в процессепроизводства.
Используемые в производстве приборы (амперметры, вольтметры и т.д.),установленные на сварочных машинах или рабочих местах, инструмент периодическиподвергаются метрологическому надзору и при необходимости ремонту. Контролюподвергаются также электрическая аппаратура и механизмы передвижения и др.
В значительной мере качество сварного соединения зависит откачества используемой специальной оснастки и приспособлений. Сборочныеприспособления должны обеспечивать требуемую прочность и жесткость, точное,быстрое и надежное закрепление элементов сварной конструкции, необходимуюстепень точности всех размеров свариваемой детали, узла, изделия; установкусвариваемого объекта в положение, удобное для сварки, и д.р.
Эти требования должны быть отражены в технических условиях – напроектирование и изготовление приспособлений.
В процессе производства состояние приспособлений контролируютсистематически и в сроки, установленные в зависимости от характера производстваи выпускаемой продукции.
Контроль технологии.
Большое значение для обеспечения качества выпускаемой продукцииимеет контроль в процессе производства. Внимательное и непрерывное наблюдениеза состоянием оборудования, аппаратуры, приспособлений, приборов иинструментов, а также за ходом выполнения сварочных операций каждым сварщикомпозволяет своевременно обнаружить дефекты сварки и принять меры по устранениюпричин их образования. Контроль технологии изготовления сварных изделийвключает проверку подготовленных к сварке заготовок, исправности сварочныхприспособлений, сборки изделий под сварку, состояния сварочных материалов,сварочного оборудования и соблюдения установленных режимов сварки. Уподготовленных к сварке заготовок проверяют форму, размеры и геометрию разделкикромок, а также отсутствие на их поверхностях загрязнений, ржавчины, влаги.
У сварочных приспособлений контролируют исправность зажимныхустройств, пригодность установочных поверхностей, а также флюсовых, медных иугольных подкладок и теплоотводящих элементов. Режимы сварки контролируют впервую очередь по току, напряжению и скорости в установленных пределах.Контроль ведут визуально по приборам и по внешнему виду сварного шва. При изготовленииответственных конструкций и при серийном производстве ведут непрерывную запись параметров режима спомощью самопишущих приборов.
Контроль заготовки и сборки.
Внешнему осмотру подвергают свариваемые материалы для выявлениявмятин, заусенцев, окалины, ржавчины, окислов и т.д.
Проверяюткачество подготовки кромок под сварку и сборку заготовок. К основнымконтролируемым размерам собранных под сварку деталей относят зазор междукромками и притупление кромок – для стыковых соединений без разделки кромок,притупление кромок и угол их разделки – для соединений с разделкой кромок. Дляизмерения и проверки, указанных выше параметров применяют специальные шаблоныили универсальный инструмент. Детали, узлы или изделия, собранные под сварку сотклонением от технических условий или установленного технологического процесса,бракуют. Средства, порядок методы контроля предусматриваются технологическимпроцессом производства.
Контрольвнешним осмотром
Внешнимосмотром невооруженным глазом или с помощью лупы выявляют прежде всего дефектышвов в виде трещин, подрезов, свищей, прожогов, наплывов, непроваров в нижнейчасти швов. Многие из этих дефектов, как правило, недопустимы и подлежатисправлению. При осмотре выявляют дефекты формы швов, распределение чешуек иобщий характер распределения металла в усилении шва.
Сварные швычасто сравнивают по внешнему виду со специальными эталонами. Геометрическиепараметры швов измеряют с помощью шаблонов и измерительных инструментов.
Только послевнешнего осмотра изделие подвергают каким-либо физическим методам контроля дляопределения внутренних дефектов. Тщательный внешний осмотр – обычно весьмапростая операция – может, тем не менее, служить высокоэффективным средствомпредупреждения и обнаружения дефектов.
Цветнаякапиллярная дефектоскопия
Капиллярныйметод контроля проникающими веществами позволяет выявлять внутренние дефекты,выходящие на поверхность. Он заключается в том, что на поверхность изделиянаносят индикаторную жидкость – пенетрант, который имеет характерный цветовойфон.
После очисткиповерхности от пенетранта наносят проявитель, который вытягивает его из полостидефекта. На поверхности изделия появляется рисунок шириной 0,05–0,3 мм,который виден невооруженным глазом или при помощи лупы с небольшим увеличением.
Для контроляиспользуем цветную дефектоскопию, при которой проникающая жидкость (пенетрант)образует на белом фоне проявителя красный индикаторный рисунок. Красный цветвследствие особенностей восприятия глазом человека обеспечивает большуювероятность обнаружения индикаторных рисунков, имеет высокую контрастность и легкопозволяет отличить микротрещины от рисок и заусенец.
Передкапиллярным контролем необходимо удалить с поверхности изделия лакокрасочные,силикатные и др. покрытия, так как их дефекты могут нести ложную информацию одефектах сварного соединения. Также обязательно удаляются окисные пленки ижидкие загрязнения, которые заполняют полость дефекта и оказывают разбавляющеедействие на индикаторную жидкость, что может изменить и ее свойства. Значениеразмеров выявляемых дефектов зависят от класса чувствительности и приведены втаблице 4.
Таблица 5Класс чувствительности Ширина, мкм Глубина, мкм Протяженность, мм II до 10 до 100 до 1
Технологиякапиллярной дефектоскопии.
1. Подготовкадетали к контролю.
Сводится кпромывке детали. Промывку осуществляют водой. Водой удаляют остатки моющихводных средств, механические нерастворимые загрязнения.
Детальпромывают по несколько раз горячей и холодной водой, затем ее высушивают.
2. Заполнениеполости дефектов пенетрантом.
Осуществляюткапиллярным способом. Пенетрант наносят на контролируемую поверхность ивыдерживают в течение определенного времени. Время проникновения зависит отхарактера дефекта (сквозной или тупиковый).
Для ускоренияпроцесса пропитки деталь могут подогревать При подогреве уменьшается вязкость иповерхностное натяжение жидкости, улучшается смачиваемость.
3. Удалениепенетранта с поверхности изделия.
Осуществляетсяпромывкой водой или очищающей жидкостью и последующей протиркой или сушкой.
4. Нанесениепроявителя.
Оптимальнаятолщина слоя проявителя составляет 1 – 15 мм.
Используеммеханическое распыление проявителя, которое производится струей воздуха илиинертного газа. Этот метод обеспечивает высокую чувствительность за счетравномерного слоя проявителя, но связан с большими потерями проявителя до 30–40%.
5. Проявлениедефектов.
Осуществляетсясамым рациональным – тепловым методом. Изделие обдувают струей теплого воздухас температурой 70–800С.
6. Осмотризделия и анализ индикаторных следов дефектов.
Осмотризделия производят в 3 этапа:
1) Визуальныйосмотр изделия для оценки качества нанесения проявителя;
2) Общийосмотр поверхности изделия для обнаружения рисунка дефекта;
3) Анализиндикаторных рисунков выявляемых дефектов.
Убедившись,что проявитель нанесен качественно, производят общий осмотр поверхности изделияневооруженным глазом или с помощью лупы двукратного увеличения. Эта операциявыполняется через 3–5 мин после нанесения проявителя, а через 20–25 минпроявляются следы мелких дефектов и ведется анализ индикаторных рисунков вполной мере.
Полный осмотрпредполагает изучение месторасположения рисунка, цвет, яркость, направлениерисунка. Необходимо отличать истинные дефекты от ложных.
7. Удалениедефектоскопических материалов.
Осуществляетсяпротиркой ветошью с применением воды.
Пенетрант: керосин– 80%, масло трансформаторное – 15%, скипидар – 5%, краситель 5С – 10г/л.
Очищающаяжидкость: ОЖ-3.
Проявитель:каолин 600–700 г. на 1 л воды.
Методпроявления – суспензионный.
Классчувствительности – II.
Ультразвуковаядефектоскопия
Ультразвуковойконтроль основан на исследовании процесса распространения упругих колебаний счастотой 0,5–25 МГц в контролируемом изделии.
Для УЗКиспользуем импульсный эхо-метод с использованием дефектоскопа УД2–12. Методоснован на регистрации эхо-сигнала от дефекта. На экране индикатора виденпосланный зондирующий импульс I, отраженный от противоположной поверхностидонный сигнал III, эхо-сигнал от дефекта II.
Время приходасигнала II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщинеконтролируемого изделия. Для контроля используем наклонный (призматический)пьезопреобразователь.
Преимуществаметода:
1. Высокаячувствительность;
2. Одностороннийдоступ к изделию;
3. Незначительнаяплощадь механического контакта.
Недостаткиметода:
1. Низкаяпомехоустойчивость к наружным отражателям
2. Резкоеизменение амплитуды сигнала от ориентации дефекта;
Предельнаячувствительность метода 0,1 мм2 для плоских дефектов и 0,9 мм2для объемных дефектов. Применяют при контроле изделий толщиной от 4 до 2000 мм.
Поискдефектов производится путем поперечно-продольного сканирования всей поверхностиконтролируемой зоны. В процессе перемещения пьезопреобразователь необходимоповорачивать вокруг своей оси на 10–150, чтобы обнаружить различноориентированные дефекты. Акустический контакт обеспечивается легким нажатиемруки на пьезопреобразователь с усилием Р=15 Н.
Используемконтроль прямым и однократно отраженным лучом, который осуществляетсяперемещением пьезопреобразователь между точками 1 и 3 (рис. 2), чтопозволяет прозвучивать мертвую зону. Пьезопреобразователь перемещают поповерхности изделия от оси шва:
/>,
где /> — служит для направленногоотражения основной части ультразвукового пучка в контролируемую область шва.Контроль ведется с одной стороны.
Определимвеличину угла ввода /> припрозвучивании однократно отраженным лучом по формуле:
/>,
где /> — ширина шва, />;
/> — толщина контролируемогообъекта, />;
/> — расстояние, служащеедля направленного отражения основной части ультразвукового пучка в контролируемуюобласть шва, />
/>
Определим /> и /> для титанового сплава ПТ-3В
/> — скорость продольнойволны в плексигласе
/> — скорость продольнойволны в титановом сплаве ПТ-3В
/> — скорость поперечнойволны в титановом сплаве ПТ-3В
/>
/>
Определимугол ввода луча /> ультразвука прииспользовании пьезопреобразователя с углом призмы 300 по формуле
/>
Определим, накакое расстояние перемещается пьезопреобразователь по поверхности изделия отоси шва
/>
/>
Испытанияна твердость
Испытания натвердость производятся по ПК 796–65.
Твердостьизмеряют не менее, чем на пяти точках для каждого участка сварного соединения.Общий результат определяют как среднеарифметическое всех результатов. Впротоколе испытания указывают тип образца, температуру испытания и наличиедефектов в изломе образца.
Свариваютэлектронно-лучевой сваркой пробные образцы из титанового сплава ПТ-3В и помакрошлифам измеряют в нескольких точках шва и околошовной зоны твердость (рис.),в нашем случае по Бринеллю.
9. Расчетна прочность
Моментсечения инерции относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжестисечения
/>
Моментсопротивления
/>
Наибольшийизгибающий момент по середине оси
/>,
где /> — вес изделия
Максимальноенапряжение изгиба
/>
Списокиспользованной литературы
1. Китаев А.М., Китаев Я.А. Справочнаякнига сварщика. – М.: Машиностроение, 1985.
2. Юрьев В.П. Справочноепособие по нормированию материалов и электроэнергии для сварочной техники. М.,«Машиностроение», 1972.
3. Гитлевич А.Д., Животинский Л.А.,Жмакин Д.Ф. Техническое нормирование технологических процессов всварочных цехах. Москва, 1962.
4. Акулов В.И. Сваркав машиностроении. Справочник в 4-х томах. М., Машиностроение, 1978.
5. Волченко В.Н. Сваркаи свариваемые материалы. Справочник в 3-х томах. М., Издательство МГТУ им.Н.Э. Баумана, 1998.
6. Моисеев В.Н. Сварныесоединения титановых сплавов. М., Металлургия, 1979.
7. Волченко В.Н. Контролькачества сварки. М., Машиностроение, 1975.
8. Севбо П.И. Конструированиеи расчет механического сварочного оборудования. – Киев, наук. думка, 1978.