СПОСОБ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ

СПОСОБ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ


RU (11) 2103128 (13) C1

(51) 6 B23K9/23 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 3208723/02 
(22) Дата подачи заявки: 1988.09.26 
(45) Опубликовано: 1998.01.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Герман Г.И. Электродуговая сварка теплоустойчивых сталей перлитного класса. - М.: Машиностроение, 1972, с. 32. 
(71) Заявитель(и): Акционерное общество "Калужский турбинный завод" 
(72) Автор(ы): Никитин Н.И.; Королев В.И.; Новиков В.Д.; Крюков В.И.; Журавлев Ю.М.; Цуканов В.В. 
(73) Патентообладатель(и): Акционерное общество "Калужский турбинный завод" 

(54) СПОСОБ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СТАЛЕЙ 

Использование: для сварки роторов из высокопрочных сталей. Сущность изобретения: при сварке высокопрочных сталей механическую обработку корня шва производят до получения соотношения высоты проплавляемого прямолинейного участка корневой зоны к ширине прямолинейного участка корневой зоны основной части разделки от 0,4 до 0,6. Сварку корневого шва производят без подогрева низколигированным присадочным материалом с поддувом аргона при соблюдении отношения произведения величины тока на напряжение на дуге к скорости сварки в пределах 120 - 160. Корень шва предварительно наплавляют металлом, обеспечивающим содержание углерода 0,04 - 0,07%, кремния 0,2 - 0,4%, марганца 0,5 - 0,8%, азота 0,01 - 0,02%, кислорода 0,03 - 0,05%, титана 0,01 - 0,02% при температуре подогрева 200 - 300oC с высоким отпуском 40 - 50oС ниже отпуска основного металла. Сварку основной части разделки производят по диаметрально-противоположным секторам, длина которых равна 1/6 длины окружности, причем сварку осуществляют за два приема по заполнению высоты разделки при температуре подогрева 200 - 300oC и промежуточном отпуске, нагрев до температуры отпуска после сварки и охлаждение после отпуска производят с контролируемой заданной скоростью: нагрев до 550 - 580oC со скоростью 60 - 80oC/ч, с 600 до 640 - 650oC со скоростью 30 - 40oC/ч, охлаждение - после отпуска со скоростью 70 - 100oC/ч в диапазоне 650 - 450oC. Для обеспечения минимального излома оси ротора сварки основной части шва на 1/2 высоты разделки производится с подогревом 200 - 300oC по секторам (6 шт.) во взаимно противоположных зонах и не охлаждая производят отпуск при температуре ниже температуры отпуска основного металла на 40 - 50oC и охлаждением после температуры отпуска до 300oC со скоростью 60 - 100 oC/ч. После окончания сварки всей глубины разделки производится отпуск при температуре на 20 - 30oC ниже температуры отпуска заголовок ротора после основной термической обработки продолжительностью 12 - 14 ч. со скоростью нагрева в диапазоне температур 500 - 580oC со скоростью нагрева 60 - 80oC/ч в диапазоне температур 580 до 640 - 650 oC со скоростью 30 - 40oC/ч, охлаждение после окончания выдержки производят в диапазоне 650 - 450oC со скоростью 70 - 100oC/ч. 5 ил., 4 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к области сварки и термической обработки деталей вращения типа роторов из высокопрочных сталей, в том числе роторов для паровых турбин атомных подводных лодок.

Наиболее близким к заявляемому способу сварки изделия типа роторов, является способ сварки [1]. Сборка толстостенных заготовок, в том числе и роторов, производится с элементами разделок кромок. Эти элементы разделок не обеспечивают точной геометрии сборки роторов, полного провара кромок без технологических компенсаторов, как в случае разделки со стыковочными усиками, так и в случае с подкладными кольцами.

В данной конструкции стыковочных элементов роторов нет возможности полностью гарантировать отсутствие сварочных дефектов типа непроваров и технологических трещин, возможных при захолаживании сварного соединения. При сварке роторов из стали типа ЭИ-415 применяется подогрев при температуре 400 - 500oC, приводящий к получению структур перлитного типа с низким сопротивлением хрупкому разрушению. Применение для сварных роторов технологичной среднеуглеродистой стали 34ХМ1А резко усиливает негативные моменты. Сварные ротора из этой марки стали изготавливают с пределом текучести не выше 450 - 520 МПа.

Целью изобретения является разработка способа сварки роторов из высокопрочных сталей типа 20Х3МВФА (ЭИ-415) с обеспечением в корне шва полного провара без концентраторов, при высоком сопротивлении хрупкому разрушению всех зон сварного соединения и минимальном искривлении оси ротора.

Поставленная цель достигается тем, что производят сборку ротора с элементами корня шва предварительно наплавленного металла определенного состава при температуре подогрева 200 - 300oC и подвергнутых высокому отпуску при строго ограниченных геометрических параметрах стыковочного узла. Сверху стыковочных кромок производят с полным проплавлением без подогрева низкоуглеродистыми сварочными материалами и поддувом аргона. Сварку основной части разделки проводят по диаметрально-противоположным секторам, длина которых равна 1/6 длины окружности, причем сварку осуществляют за два приема по заполнению высоты разделки при температуре подогрева 200 - 300oC и промежуточном отпуске, нагрев до температуры отпуска после сварки и охлаждение после отпуска производят с контролируемой заданной скоростью; нагрев до 550 - 580oC со скоростью 60 - 80 oC/ч с 600 до 640 - 650oC со скоростью 30 - 40oC/ч, охлаждение после отпуска со скоростью 70 - 100oC/ч в диапазоне 650 - 450oC.

На механически обработанную в минусовой размер поверхность стыковочного элемента производят при температуре подогрева 200 - 300oC наплавку низкоуглеродистыми сварочными материалами с последующим отпуском при температуре на 40 - 50oC ниже температуры отпуска основного металла. Производится механическая обработка стыковочных кромок и однопроходная сварка без подогрева при полном проплавлении кромок с условием соотношений их размеров: а/b = 0,4 - 0,6 и отношением значений = 120 - 160 и последующей двух, трех проходной заваркой корня шва без подогрева низколегированными сварочными материалами с поддувом аргона в зону сварочной дуги. Сварка основной части шва на 1/2 высоты разделки производится с подогревом 200 - 300oC с секторам (6 шт) во взаимнопротивополжных зонах и не охлаждая производят отпуск при температуре ниже температуры основного отпуска металла на 40 - 50oC и охлаждением после температуры отпуска до 300oC со скоростью 60 - 100oC/ч. После окончания сварки всей глубины разделки производится отпуск при температуре на 20 - 30oC ниже температуры отпуска заготовок ротора после основной термической обработки продолжительностью 12 - 14 ч. со скоростью нагрева в диапазоне температур 500 - 580oC со скоростью 60 - 80oC/ч, в диапазоне температур с 580 до 640 - 650oC со скоростью 30 - 40oC/ч охлаждение после окончания выдержки производить в диапазоне температур 650 - 450oC со скоростью 70 - 100oС/ч.

Наплавление на поверхность шва производится выше поверхностей свариваемых заготовок на толщину двух, трех валиков и ширину не менее двух и трех валиков от линии сплавления с последующей механической обработкой (снятия металла) на глубину б, равную 1,0 - 1,5 высоты направленного валика от поверхности стыкуемых частей. Так как при патентном поиске источники информации, содержащие признаки отличительной части формулы не обнаружены, можно сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию существенные отличия.

На фиг.1 показана схема наплавки корня шва и стыковки частей ротора; на фиг. 2 - соотношение размеров стыковочного узла для условий полного проплавления корня шва; на фиг.3 - схема заполнения разделки до проведения промежуточного отпуска; на фиг.4 - указан порядок сварки ротора по секторам; на фиг. 5 - дан вид заваренной разделки и схема механической обработки поверхности сварного шва.

В табл. 1 даны механические свойства сварных соединений и основного металла роторов (см.20Х3ВМФА) сваренных по заявленному режиму.

В табл. 2 представлен химический состав металла роторов из стали 20Х3МВФА, применяемых при сварке.

В табл. 3 дан химический состав наплавленного металла.

В табл. 4 даны механические свойства сварных соединений и основного металла роторов (ст.20Х3ВМФА), сваренных по заявленному режиму и по режиму в соответствии с режимом прототипа.

Способ сварки роторов из высокопрочной стали осуществляется следующим образом.

Проводится механическая обработка кромок, свариваемых заготовок с минусовым допуском в зоне наплавляемых кромок (фиг. 1, заштрихованная часть), затем подогрев свариваемых заготовок в печи до температуры 200 - 300oC и наплавка мягкой прослойки в зоне корневой части сварного соединения сварочными материалами, обеспечивающими в составе наплавленного металла концентрацию углерода, кремния, марганца, азота, кислорода, титана в следующих количествах, %:

Углерод 0,04 - 0,07

Кремний 0,20 - 0,40

Марганец 0,50 - 0,08

Азот 0,01 - 0,02

Кислород 0,03 - 0,05

Титан 0,01 - 0,02

Сварка ведется до температуры заготовки не ниже 200oC, при снижении температуры ниже указанного предела, необходимо проводить дополнительный подогрев.

После окончания наплавки кромок, не проводя охлаждения заготовок, проводится отпуск заготовок в термической печи при температуре 620 - 630oC длительностью 8 - 10 ч. Данная температура отпуска выбирается на 40 - 50oC ниже температуры отпуска основного металла заготовок при их окончательной термической обработке с целью сохранения сдаточных нормированных свойств.

После термической обработки заготовок с напрвленными кромками производится механическая обработка кромок для контроля сварочных декфектов и обеспечения сборки для последующей сварки.

Механическая обработка кромок производится до стыковочных размеров, позволяющих выполнить сплошное проплавление кромок. Условие сплошного проплавления кромок при однопроходной сварке без подогрева состоит в подборе геометрических параметров стыковочного узла (фиг.2) и токовых режимов сварки.

Соотношение a/b должно быть в пределах 0,4 - 0,6 где b ширина прямолинейного участка до начала обработки под заданный радиус, а - высота проплавляемого прямолинейного участка корневой части сварного соединения.

Сборка заготовок роторов производилась с подогревом до 200 - 250oC той части ротора, которая имеет охватывающий буртик стыковочного узла. Этим обеспечивается плотная сборка и последующее исправление оси. Первый и второй проходы корневой части стыковочного узла производили аргонодуговой сваркой без подогрева с применением присадочного материала, обеспечивающего содержание углерода, кремния и марганца в наплавленном металла в следующих пределах, %:

Углерод 0,05 - 0,08

Кремний 0,4 - 0,70

Марганец 1,00 - 1,50

с ограниченным содержанием азота, кислорода, титана, %:

Азот - 0,01

Кислород - 0,02

Титан - 0,01

При сварке коневой части от первого прохода до заполнения разделки на толщину 10 - 12 мм в целях защиты металла сварочной ванны от окисления воздухом и насыщения водородом производится поддув аргона во внутреннюю полость ротора через осевой канал.

Установлена эмпирическая зависимость условий проплавления корневой части от погонной энергии сварки



где g - погонная энергия сварки;

V - скорость сварки (м/мин);

- 0,6 для сварки неплавящимся электродом в среде защитного газа.

Для полного проплавления указанного на фиг. 2 стыковочного узла (а = 3 - 4 мм, в = 5 - 10 мм) значение должно быть в пределах 120 - 160 (а. В/см.мин).

Сварка основной части шва производилась с подогревом 200 - 200oC до 1/2 высоты разделки (фиг.3) и не охлаждая проводится отпуск при температуре 620 - 630oC.

В связи с необходимостью проведения контроля сварного соединения на предмет обнаружения сварочных дефектов и возможным проведением ремонтной заварки без термообработки, необходимо применение сварочных материалов, обеспечивающих получение свойств вязкости металла шва (Т50 - критическая температура хрупкости не выше +20oC). Это требование по значению критической температуры хрупкости необходимо для предотвращения образования холодных трещин при ремонтной заварке дефектов без подогрева и немедленного отпуска. С этой целью применяют сварочные материалы, обеспечивающие при перемешивании жидкой ванны снижение содержания ванадия (с 0,6 - 0,85% в основном металле) и увеличение содержания никеля (с 0,4% в основном металле) до значения 0,25 - 0,3% и 0,6 - 0,9% в металле шва соответственно. Это обеспечивается за счет соответствующего химического состава сварочных материалов, при применении которых наплавленный металл содержит, %:

Углерод - 0,05 - 0,10

Кремний - 0,20 - 0,50

Марганец - 1,00 - 1,50

Хром - 1,30 - 1,70

Никель - 1,00 - 1,40

Молибден - 0,40 - 0,70

Ванадий - 0,01 - 0,05

Титан - 0,01 - 0,04

Азот - 0,01 - 0,02

Кислород - 0,03 - 0,05

Получение указанных значений содержания ванадия и никеля в металле шва при указанном ранее ограничении содержания углерода способствует обеспечению высокой пластичности и вязкости в зоне сплавления.

С целью обеспечения минимального излома оси свариваемых частей ротора (не свыше 0,6 мм от идеальной геометрической оси частей ротора) сварка частей ротора производится по секторам, длина которых равна 1/6 длине окружности (схема, фиг. 4) по 2 - 3 прохода в секторе и с последующим переходом процесса сварки на противоположный сектор согласно схеме. Предложенная схема обеспечивает заданное минимальное значение боя и искривления оси.

После заварки 1/2 высоты сечения шва ротора производится отпуск заваренного ротора при температуре 620 - 630oC с охлаждением до 300oC со скоростью 60 - 70oC/ч.

Далее производится заварка остальной части сечения шва ротора сварочными материалами и очередностью аналогично первой половине.

После окончания заварки разделки частей на всю глубину производится отпуск при температуре 640 - 650oC продолжительностью 12 - 14 ч. Температура отпуска после сварки назначается на 20 - 30oC ниже температуры отпуска заготовок ротора после основной термической обработки. С целью повышения характеристик пластичности и вязкости в зоне сварного соединения, нагрев до температуры отпуска и охлаждение после него производят с определенной заданной скоростью. При нагреве с целью более быстрого прохождения интервала вторичного твердения 550 - 580oC за счет выделения карбидов ванадия, этот диапазон температур необходимо проходить со скоростью 60 - 80oC/ч. С 600 до 640 -650oC нагрев может вестись с меньшей скоростью - 30 - 40oC/ч, с целью выравнивания температур по сечению. Охлаждение в диапазоне температур 650 - 450oC необходимо с целью подавления отпускного хрупчивания проводить со скоростью 70 - 100oC/ч, что одновременно создает благоприятные сжимающие напряжения (8 - 12 кгс/см2) в зоне сварного соединения.

Необходимо учитывать, что при проведении сварки в поверхностной зоне направленного и основного металла возникают конгломераты крупных зерен. В более глубинных слоях сварного соединения, в связи с влиянием чередующихся термических циклов сварки на зерно, происходит рекристаллизация крупных первичных зерен и их измельчение. Известно, что при более мелких зернах металла (в том числе и направленного) достигаются более высокие характеристики пластичности, вязкости, прочности, сопротивления циклическому и хрупкому разрушению.

С целью измельчения зерна в поверхностных зонах сварного соединения применена наплавка дополнительных поверхностных валиков в зоне сварного соединения и механическая обработка поверхности в зоне сварного соединения с уменьшением диаметра проточки на величину толщины направленного валика в соответствии со схемой (фиг. 5).

Указанная ширина и глубина проточки полностью гарантирует снятие зон наплавленного и основного металла с крупными рекристаллизованными зернами.

Все технологические процессы сварки кромок и всей разделки производят при вращении ротора на заданный угол, определенный порядковым номером сектора (фиг. 4), а после сварочную термическую обработку при непрерывном вращении ротора (во избежание его провисания и излома оси) со скоростью 2 - 3 оборота/мин.

Ожидаемый технико-экономический эффект, который может быть получен при использовании заявляемого способа сварки роторов, выразится в повышении механических характеристик основного металла и металла шва, в практической ликвидации конструктивных и технологических концентраторов в корне шва, снижении биения, что приводит к повышению запаса прочности конструкции ротора, его долговечности и снижению затрат на баллансировку ротора. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ сварки высокопрочных сталей преимущественно при изготовлении роторов, при котором производят подготовку кромок, сборку, сварку корневого шва, сварку основной части разделки, а также предварительный подогрев и термообработку зоны соединения, отличающийся тем, что механическую обработку корня шва производят до соблюдения размеров а/в в пределах 0,4 0,6, где в - ширина прямолинейного участка корневой зоны основной части разделки, а - высота проплавляемого прямолинейного участка корневой зоны, сварку корневого шва производят без подогрева низколегированным присадочным материалом с поддувом аргона при соблюдении отношения произведения величины тока на напряжение на дуге к скорости сварки в пределах 120 160, при этом корень шва предварительно наплавляют металлом, обеспечивающим содержание углерода 0,04

0,07% кремния 0,20 0,40% марганца 0,50 0,80% азота 0,01 0,02% кислорода 0,03 0,05% титана 0,01 0,02% при температуре подогрева 200 - 300oС с высоким отпуском на 40 50o ниже отпуска основного металла, сварку основной чсти разделки производят по диаметрально противоположным секторам, длина которых равна 1/6 длины окружности, за два приема по заполнению высоты разделки при температуре подогрева 200 300oС с промежуточным отпуском и отпуском после сварки, причем нагрев до температуры отпуска после сварки и охлаждение после отпуска производят с заданной скоростью, а именно, нагрев до 550 580o со скоростью 60 90oС/ч, с 580 до 650oС со скоростью 30 40oС/ч, а охлаждение после отпуска со скоростью 70 100oС/ч в диапазоне 650 450oС, при этом после заполнения 1/2 высоты разделки, не охлаждая, производят отпуск при температуре на 40 50o ниже температуры отпуска основного металла, а охлаждение после температуры отпуска до 300oС со скоростью 60 100oС/ч, после сварки всей разделки отпуск производят при температуре на 20 30oС ниже температуры отпуска заготовок ротора после основной термической обработки в течение 12 14 ч, а на поверхность шва производят наплавку с усилением на толщину 2 3 валиков и ширину не менее 2 3 валиков от линии сплавления с последующим механическим удалением металла на глубину от 1,0 до 1,5 высоты валика от поверхности заготовок.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян

Независимый научно технический портал
Технология сварки и сварочное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+сварка -металлов".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "сварка" будут найдены слова "газасварка", "электросварка" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("сварка!").



Рейтинг@Mail.ru