Установка для электродуговой широкослойной наплавки под флюсом износостойкого покрытия на цилиндрическую трубу

Полезная модель относится к электродуговой наплавке и может найти применение при восстановлении изношенных частей стальных труб, в частности бурильных труб, а также для получения износостойкого наплавленного слоя на цилиндрических трубах, работающего при динамических и термоциклических нагрузках в судостроении, машиностроении, металлургии и т.д.
Известно Устройство для наплавки деталей, имеющих форму тел вращения, описанное в патенте RU 2277460, опубл. 10.06. 2006. В устройстве наплавляемые детали закреплены в опорах с приводом вращения. Сварочная головка включает механизм подачи электродной проволоки, флюсобункер, узел продольного, горизонтального и вертикального перемещений сварочной головки. Наплавляемые детали устанавливаются на съемную карусель с горизонтальной осью вращения. Карусель выполнена в виде двух вертикальных параллельных планшайб, установленных в расположенных ниже привода вращения опорах. В планшайбах карусели выполнены равноудаленные от оси горизонтального вала равномерно расположенных по окружности соосные отверстия для закрепления поочередно наплавляемых деталей. Планшайбы закреплены на горизонтальном валу с возможностью вращения и поочередного расположения очередной наплавляемой детали в крайнем верхнем положении расположения вала привода вращения. В устройстве имеется горизонтальная монтажная площадка переменной высоты, которая подвижно расположена под дополнительными опорами. Известное устройство позволяет производить наплавку на тяжеловесные детали с высокой производительностью и с повышением удобств работы. Однако устройство не применимо для наплавки труб, тем более, труб малого диаметра с малой толщиной стенки (бурильные трубы).
Известно Устройство для восстановления наплавкой бурильной трубы, описанное в патенте RU 2308365, опубл. 20.10.2007, конструкция которого основана на применении принципа многоэлектродной широкослойной наплавки с поперечными колебаниями электрода. Устройство содержит узлы хранения, подачи и перегрузки трубы, опоры для размещения трубы, торцевой привод ее вращения, узел подачи воздуха внутрь трубы, кольца для охлаждения торцов трубы и удержания флюса. Устройство имеет две установки для наплавки - одна для муфтовой части бурильной трубы, вторая для ниппельной части. Каждая установка для наплавки имеет направляющую и сварочно-наплавочный автомат, включающий источник электрического тока с пультом, наплавочную головку, механизм подачи электродов, механизм установки электродов, позволяющий осуществлять линейное отклонение электродов от «зенита», механизм колебания наплавочной головки, систему рециркуляции флюса. Каждая наплавочная головка выполнена с возможностью размещения нескольких электродов в ряд параллельно оси трубы с регулировкой расстояния между электродами и с возможностью линейного и углового отклонения от «зенита». «Минус» от источника электрического тока соединен с электродами. Все электроды для наплавки ниппельной части трубы запитаны от одного источника электрического тока, все электроды для наплавки муфтовой части трубы запитаны от второго источника электрического тока. К устройству подведен источник сжатого воздуха для подачи воздуха внутрь трубы на охлаждение.
Каждая установка (отдельно для муфтовой и ниппельной части трубы) закреплена на собственной самоходной тележке. Тележки устанавливаются в соответствующих приторцевых зонах наплавки. Устройство по патенту RU 2308365 обеспечивает осуществление широкослойной наплавки одновременно как ниппельной, так и муфтовой части тонкостенной трубы относительно небольшого диаметра. Недостатком является пространственное разнесение наплавочных узлов на значительное расстояние, что вызывает необходимость привлечения двух операторов для обслуживания системы.
Повышение компактности размещения сварочных устройств при использовании двух сварочных головок достигается в конструкциях так называемых сварочных порталов. В частности, известна Портальная сварочная установка SHL-4000 [с информацией можно ознакомиться в сети Интернет по адресу http://www.techstalker.ru/content/565/ehnicheskaya-dokumentatsiya-na-portalnaya-svarochnaya-ustanovka-tipa-shl-4000/1/] На портале, имеющем две опорные колонны, соединенные поперечной балкой, смонтированы два комплекта сварочных головок: сварочный источник тока, система автоматической сварки, система рециркуляции флюса, панели управления и механизмы подачи проволоки. Сварочная головка состоит из суппорта каретки, каретки, суппорта сварочной головки с токоподводом и механической системы слежения за сварным швом. Каретка и суппорт сварочной головки перемещаются при помощи посредством привода, включающего двигатель, зубчатую рейку и шестерню, таким образом, что суппорт каретки может перемещаться влево и вправо по порталу, а каретка может двигаться вверх и вниз. Суппорт сварочной головки позволяет ей свободно перемещаться в горизонтальной плоскости, обеспечивая постоянное нахождение в зоне сварного шва. Портальная установка позволяет осуществлять сварку двутавровых балок или колонн одновременно двумя сварочными головками.
Известен Сварочный портал КДС-04 [с информацией можно ознакомиться в сети Интернет по адресу http://vvww.npfets.ru/catalog/all_manuf/svarochnuy_portalkds_04/]. Портальная установка предназначена для двухдуговой сварки балок коробчатого сечения под флюсом. Портал представляет собой рамную конструкцию, имеющую две боковых опорных вертикальных стойки и верхней закрепленной между ними площадкой с размещенной на ней системой флюсооборота и источниками питания сварочных дуг, а также системой подвеса двух сварочных головок. На боковых опорных конструкциях закреплены шкаф управления и пульт управления.
Для позиционирования сварочных головок применяются сварочные каретки, которые перемещаются по зубчатой рейке под воздействием электропривода. Вертикальный ход стойки каретки также обеспечивается электроприводом. На каждой вертикальной стойке каретки установлена сварочная головка с необходимой системой позиционирования, позволяющей настраивать ее в нужное положение по горизонтали, вертикали и позволяющей изменять угол наклона. Управление движением кареток осуществляется с пульта управления. Портальная конструкция позволяет осуществлять обслуживание установки с двумя сварочными головками одному оператору. Однако установка неприменима для осуществления восстановительной наплавки цилиндрических труб. Несмотря на то, что назначение этой установки отличается от назначения заявляемой полезной модели, данная установка принята за прототип на основании сходства компоновочного решения.
Таким образом, существует техническое противоречие: с одной стороны известны устройства, позволяющие осуществлять электродуговую широкослойную наплавку под флюсом износостойкого покрытия на цилиндрическую трубу одновременно на обоих торцах, однако они не обладают компактностью, позволяющей обслуживать установку одному оператору; с другой стороны, известны относительно компактные портальные установки, однако они не предназначены для осуществления электродуговой широкослойной наплавки покрытий на трубу.
В основу полезной модели поставлена задача разрешения этого противоречия и расширения арсенала средств для наплавки цилиндрических труб, а именно создание новой установки для электродуговой широкослойной наплавки покрытия на трубу. Достигаемый комплексный технический результат - повышение компактности (по типу портальной установки) для обеспечения возможности ее обслуживания одним оператором при одновременном повышении производительности установки.
Поставленная задача решается изменением конструкции установки. Установка для электродуговой широкослойной наплавки покрытия на трубу содержит опорную конструкцию, имеющую две колонны и соединяющую их балку, с которой соединена стойка, расположенная между колоннами. На основаниях обеих колонн установлены опорные приводные ролики вращателя обрабатываемой трубы, таким образом, что на основании одной колонны размещается муфтовая часть трубы на одной исходной позиции наплавки, на основании другой колонны - ниппельная часть трубы после ее перемещения на вторую исходную позицию наплавки. На каждой колонне установлена консоль суппорта вертикального перемещения прижимного ролика вращателя трубы. На стойке посредством механизма вертикального и продольного горизонтального перемещения установлен подвесной наплавочный автомат. Подвесной наплавочный автомат содержит флюсовые бункеры с флюсопроводами, двухэлектродную наплавочную головку (головку с двумя мундштуками), механизм подачи электродов, а также узел, обеспечивающий позиционирование наплавочной головки и совершения колебаний вдоль подлежащей обработке трубы. Электроды наплавочной головки расположены на расстоянии друг от друга вдоль образующей трубы. Расстояние между электродами равно размаху колебаний.
В наплавочную головку подаются два электрода с отличающимися друг от друга составами: первый электрод, формирующий кольцевые валики нижнего слоя наплавки, выполнен из малоуглеродистой низколегированной стали, второй электрод, формирующий кольцевые валики покрывающего слоя наплавки, выполнен из высоколегированной средне- или высокоуглеродистой стали. Это обеспечивает высокое качество покрытия за счет исключения пор и снижения вероятности образования микротрещин в наплавленном слое при обеспечении повышения производительности наплавки.
Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации.
Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено Фиг. 1 - эскизный чертеж общего вида установки (вид сзади, основные функциональные элементы), Фиг. 2 - эскизный чертеж подвесного наплавочного автомата.
Установка для электродуговой широкослойной наплавки покрытия на трубу 1 включает опорную конструкцию, имеющую две колонны 2 и соединяющую их балку 3, с которой соединена стойка 4, расположенная между колоннами 2. На основаниях 5 обеих колонн 2 установлены приводные ролики 6, которые обеспечивают вращение трубы при наплавке. На каждой колонне 2 установлена консоль 7 суппорта вертикального перемещения прижимного ролика 8 вращателя трубы.
На стойке 4 смонтирован механизм вертикального и продольного горизонтального перемещения подвесного наплавочного автомата. Этот механизм включает суппорт 9 продольного горизонтального перемещения и суппорт 10 вертикального перемещения. Сам подвесной наплавочный автомат содержит: флюсовые бункеры 11 (закреплены на суппорте 10) с флюсопроводами 12, двухэлектродную наплавочную головку 13 с двумя мундштуками 14, механизм подачи электродов 15. На суппорте 10 механизма перемещения автомата также закреплены узел позиционирования наплавочной головки и ее колебательного перемещения. Этот узел включает суппорт-колебатель 16, с которым соединен суппорт 17, обеспечивающий линейное отклонение наплавочной головки от "зенита", а также механизм 18 углового отклонение от "зенита" с кронштейном 19, на котором закреплена наплавочная головка 13.
Электроды наплавочной головки расположены на расстоянии друг от друга вдоль образующей трубы, и это расстояние между электродами равно размаху колебаний. Расстояние регулируется с помощью устройства 20.
На стойке 4 также закреплены кассеты 21 с проволокой.
Описанные выше детали и узлы установки функционально связаны и обладают конструктивным единством.
На Фигурах также обозначено: 22 - источник питания, 23 - емкость для флюса, 24 - пульт флюсоподачи, 25 - шкаф управления, 26 - пульт управления установкой, 27 - опоры с роликами (рольганги) для подачи трубы в зону наплавки.
Установка также снабжена системой подачи внутрь трубы струи сжатого воздуха или защитного газа, направляемой под зону наплавки. Струя может подаваться непосредственно под зону формирования валиков или с опережением. Система подачи газа Фигурах не показана.
Приведенное ниже описание работы установки дано применительно к наплавке ниппельной и муфтовой части бурильной трубы диаметром 89-164 мм из стали 40ХНМА или 40Х2НМА. Восстановление осуществляется в направлении от торцевой части замка трубы к ее середине.
Предварительно позиционируют наплавочную головку 13 по горизонтали и вертикали в рабочее положение. Для избежания стекания ванны шлака посредством механизма 18 и суппорта 17 устанавливают угол наклона от "зенита" (18-26°) и линейное отклонение от "зенита" (на 20-30 мм), Производят заправку сварочной проволоки в мундштуки 14 и проверку флюсоподачи, установку флюсоудерживающих устройств, настраивают амплитуду и частоту колебаний электродов и размах колебаний электродов посредством суппорт-колебателя 16. В зависимости от диаметра трубы и толщины стенки трубы определяют ширину наплавляемых кольцевых валиков и устанавливают электроды на расстоянии равном двойной амплитуде поперечных перемещений, то есть несколько меньше ширины наплавляемых кольцевых валиков.
Бурильную трубу 1 по рольгангам направляют на обработку и устанавливают подлежащую наплавке торцовую часть (например, ниппельную) в зону под наплавочной головкой и фиксируют ее положение на приводных роликах 6 при помощи прижимного ролика 8. Внутрь трубы вводят устройство подачи струи сжатого воздуха или защитного газа.
Наплавка осуществляется двумя электродами. Первый электрод, выполненный из низкоуглеродистой низколегированной стали (например, проволока Св-08А, Св-08ГА, Св-10ГНМА, Св-10ХГСНМА; ПП-АН 180НМ) обеспечивает создание пластичной буферной прослойки - нижнего слоя наплавки. Второй электрод выполненнен из высоколегированной среднеуглеродистой стали, или высоколегированной высокоуглеродистой (например, 35Х20АТЮ, 30ХГСА), он обеспечивает создание покрывающего износостойкого слоя наплавки.
Электроды головки подключены к одному полюсу источника питания, в частности, для труб небольшого диаметра подключены к плюсу. Суппорт-колебатель обеспечивает размах колебаний в общем случае 50-100 мм. Для данного примера - 60 мм. После завершения подготовительных операций включают флюсоподачу в зону наплавки и включают суппорт-колебатель. Затем на первый электрод подают напряжение включения дуги, устанавливают рабочий ток, например, 500 А и включают механизм подачи первой проволоки. При этом происходит автоподогрев трубы сварочной дугой и после сформирования первичной ванны, включают механизм вращения трубы и осуществляют наплавку первого кольцевого широкослойного валики нижнего слоя наплавки. При скорости вращения трубы 1,7 мм/с скорость поперечных колебаний составляет 55 мм/с.
После поворота трубы на 50-60 градусов путем вращения приводных роликов 6 автоматически включается подача воздуха, и струя направляется под зону наплавки перед сварочной ванной (по окружности трубы). Охлаждение осуществляют периодически с контролем температуры, ориентируясь на жидкотекучесть шлака.
После наплавки первого кольцевого валика шириной 60 мм и толщиной 4 мм прекращается подача проволоки и снимается напряжение с междугового промежутка. Затем наплавочная головка перемещается на один шаг, равный ширине наплавки. Таким образом, второй электрод устанавливается непосредственно над торцевой частью сформированного первого валика, в то время как первый электрод автоматически устанавливается таким образом, чтобы сформированный второй кольцевой валик нижнего слоя соприкасался с первым кольцевым валиком нижнего слоя. После установки наплавочной головки включается подача флюса, механизм подачи обеих проволок, механизм вращения трубы и суппорт-колебатель. При этом первый электрод наплавляет второй кольцевой валик нижнего слоя, а второй электрод наплавляет первый кольцевой валик покрывающего слоя на первом кольцевом валике нижнего слоя. Внутрь трубы подается струя сжатого воздуха или защитного газа, направляемая под зону наплавки, как это описано выше.
Суммарная ширина двух наплавленных валиков нижнего слоя - 110 мм. Перекрытие валиков 5 мм. При этом в поперечном сечении кольцевые валики покрывающего слоя перекрывают зону контакта смежных между собой кольцевых валиков нижнего слоя.
В процессе наплавки образуется единая для обоих кольцевых валиков шлаковая ванна, корка которой при оптимальном сочетании параметров процесса, самопроизвольно отслаивается и удаляется оператором из зоны наплавки.
После наплавки первым электродом второго широкозонного валика нижнего слоя и одновременно с этим наплавки вторым электродом первого валика покрывающего слоя на первом валике нижнего слоя процесс повторяют, при этом спаренные электроды сдвигаются вдоль образующей трубы на шаг. Таким образом, осуществляется одновременная наплавка N-го кольцевого валика покрывающего слоя и (N+1)-го валика нижнего слоя, то есть наплавка слоев ведется одновременно и наплавка валика покрывающего слоя на шаг запаздывает. На последнем этапе отключают подачу проволоки первого электрода, снимают с него напряжение, и осуществляют наплавку покрывающего слоя на последнем наплавленном валике нижнего слоя.
После восстановления ниппельной части трубы наплавочный автомат отключают, прекращают подачу воздуха, трубу смещают по рольгангам таким образом, чтобы производить наплавку второй торцевой части (муфтовой). Операции по наплавке повторяют.
Проектная производительность установки при двухслойной наплавке - 90 минут на одну трубу с диаметром замка 165 мм.
Таким образом, наплавку обоих приторцевых зон трубы осуществляют в пространстве между колоннами 2, аналогично тому, как это осуществляется на портальных установках. Операции по наплавке осуществляет один оператор, находящийся в одной рабочей зоне. Это является преимуществом по отношению к технологии, описанной в RU 2308365. С другой стороны, заявленная установка позволяет реализовать процесс высокопроизводительной широкослойной наплавки покрытия, подобно тому, как это описано в RU 2308365, что в настоящее время не реализовано на установках портального типа.
Настоящая заявка описана с некоторыми деталями для достижения ясности и понимания. Специалисты в данной области при прочтении описания могут понять, что возможны некоторые изменения в деталях без выхода за пределы области применения и прилагаемой формулы