СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ТРУБ ИЗ ШТАМПОВАННЫХ ПОЛУПАТРУБКОВ
METHOD OF PRODUCING CURVILINEAR TUBES FROM FORMED HALD-BRANCH PIPES

Изобретение относится к сварке, а именно к технологии изготовления криволинейных труб, преимущественно из титановых и алюминиевых полупатрубков, полученных методом холодной штамповки из листовой заготовки.
Известен способ изготовления сварных труб из титановых и алюминиевых полупатрубков (Лихачев В.Л. Электродуговая сварка. Пособие для сварщиков и специалистов сварочного производства. - М.: СОЛОН-Пресс, 2006. - 640 с., стр.72, рис.3.28), полученных методом холодной штамповки из листовой заготовки, включающий сборку свариваемых кромок полупатрубков и фиксацию собранной трубы на прихватках, которые выполняются сваркой плавлением. Прихватки выполняют в виде сварных точек диаметром 5…10 мм, устанавливаемых с шагом 40…70 мм. После выполнения прихваток осуществляют сварку неплавящимся электродом в среде защитных газов продольного стыка трубы с подачей присадочной проволоки и защитной обратной стороны шва аргоном.
Существенными недостатками указанного способа сварки являются большая трудоемкость и возможность образования дефектов в виде хрупких окисленных фаз и соединений в зоне прихваток. Наличие таких соединений провоцирует образование негерметичностей и трещин в сварном соединении трубы. В связи с этим необходимо применение сложной дорогостоящей оснастки для обеспечения надежной защиты корня шва или применение прихватки в специальных камерах с контролируемой атмосферой защитного газа.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу изготовления криволинейных труб является способ, включающий стыковку свариваемых полупатрубков (Патент Японии №53-82631, МКИ В23К 31/00, 1978). Под стыкуемые кромки на всю длину стыка устанавливается подкладка. С помощью контактной сварки подкладка прихватывается к полупатрубкам. Затем осуществляют сварку стыка с полным проплавлением подкладки.
Существенным недостатком прототипа является снижение проходного сечения сварной трубы и увеличение ее массовых характеристик, а также нестабильность качества соединений при наличии вибрационных нагрузок на трубопровод при эксплуатации.
Предлагаемый способ изготовления сварных труб из титановых и алюминиевых полупатрубков направлен на обеспечение сохранения проходного сечения трубы, снижения ее массы и стабильности характеристик сварных соединений трубопроводов при эксплуатации в условиях вибрационного нагружения.
Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, достигается тем, что прихватку осуществляют одновременно в двух точках с неполным расплавлением проволоки, которую подают в зону прихватки под углом 45-90° к линии стыка, а в момент пропускания через проволоку сварочного тока ее нагружают осевым усилием до отрыва от заготовки.
Подробнее сущность заявляемого способа поясняется чертежами:
на фиг.1, 2, 3 показаны стадии осуществления процесса;
на фиг.4 - циклограмма осуществления прихватки полупатрубков перед сваркой;
на фиг.5 - внешний вид зоны прихватки по заявляемому способу;
на фиг.6 - внешний вид сварного шва на патрубке при его подходе к зоне установки прихватки.
Полупатрубки 1 и 2 собирают по стыкуемым кромкам (фиг.1). Под углом 45-90° к стыку подают присадочную проволоку 3. Присадочную проволоку подают шаговым устройством. Затем электроды 4 и 5 с усилием Р прижимают проволоку 3 к полупатрубкам 1 и 2. После поджатия проволоки к деталям ее нагружают растягивающим осевым усилием (фиг.2). Величину осевого усилия задают в пределах 0,1-0,2 от предела прочности материала присадочной проволоки.
o
Затем через электроды 4 и 5 пропускают импульс сварочного тока. Так как сопротивление в контакте проволоки 3 и полупатрубков 1 и 2 превосходит сопротивление в контакте между электродом 4 и 5 и проволокой 3. В результате этого проволока частично расплавляется с одновременным расплавлением полупатрубков 1 и 2 в месте контакта с проволокой 3. При кристаллизации образуется соединение между полу патрубками (фиг.3) 1 и 2 и проволокой 3. В результате полупатрубки оказываются зафиксированными относительно друг друга. Прихватки расставляют с определенным шагом В, равным 1,0-2,0 диаметра трубы D.
o
o
При величине шага установки прихваток В менее 1,0 D наблюдается рост трудоемкости выполнения прихваток, что не вызвано требуемой точностью фиксации свариваемых кромок полупатрубков относительно друг друга. В случае когда величина шага В превышает 2,0 D, отмечается разрушение отдельных прихваток в процессе сварки шва между полупатрубками и образование депланаций свариваемых кромок, появление которых сопровождается снижением предела выносливости сварного соединения в условиях вибрационного нагружения.
в
в
в
в
Величину осевого усилия нагружения задают в пределах (0,1…0,2)σ, где σ - предел прочности материала проволоки. При напряжении осевого усилия меньше 0,1σ не происходит разрыва проволоки в момент прохождения импульса тока. Увеличение усилия больше 0,2σ сопровождается отрывом присадочной проволоки 3 от поверхности полупатрубков 1 и 2 и разрушением прихватки.
пп
св
На фиг.4 приведена циклограмма процесса установки прихваток при изготовлении труб из штампованных полупатрубков, на которой: V - скорость подачи присадочной проволоки; Р - усиление сжатия электродов; I - сварочный ток при прихватке; F - усиление растяжения проволоки. Использование электроконтактной прихватки с подачей проволоки при изготовлении криволинейных труб позволяет надежно зафиксировать полупатрубки относительно друг друга и исключить образование дефектов в прихватках.
При сварке продольных стыков полупатрубков на прихватках скорость подачи присадочной проволоки снижают в 1,5…2 раза. При снижении скорости подачи проволоки на прихватках менее чем в 1,5 раза на этих участках наблюдается образование чрезмерного усиления шва, а также формирование непроплавов, если не производится корректировка тока сварки. Снижение скорости подачи присадочной проволоки более чем в 2 раза приводит к увеличению ширины шва на прихватках с формированием занижений сварного соединения.
Повышение качества соединений при наличии зазоров в стыке достигается за счет применения сварки сканирующей дугой с подачей присадочной проволоки по нормали к сварочной ванне.
В качестве примера конкретного выполнения способа выполняли изготовление криволинейных титановых труб из сплава ОТ4 из штампованных полупатрубков толщиной стенки 1,2 мм диаметром 52 мм.
Перед сваркой стыкуемые кромки собирали с фиксированием полупатрубков хомутами. Затем осуществляли электроконтактную прихватку кромок полупатрубков с подачей присадочной проволоки под электрод в специальном стенде. При прихватке использовали присадочную проволоку ВТ 100 диаметром 1,0 мм.
Прихватку осуществляли с внешней стороны трубы одновременно в двух точках с подачей присадочной проволоки под электроды специальной установки. Расстояние между прихватками составляет (1,0…2,0) диаметра трубы. В конкретном случае расстояние между прихватками составляет 70 мм. При прихватке присадочную проволоку подавали под углом 45…90° к оси стыка. Угол подачи проволоки выбирали в зависимости от величины зазора в стыке. С увеличением зазора угол подачи проволоки между стыком полупатрубков и проволокой изменяют (уменьшают) от 90 до 45°. Шаг подачи проволоки выбирали в пределах 3.…5 мм.
Прихватку полупатрубков осуществляют на режиме, приведенном в табл.1.
Таблица 1
Усилие сжатия электродов, МПа
Ток сварки, кА
Время протекания тока, с
Усилие нагружения проволоки, МПа
200-220
1,5-1,6
0,1-0,15
80-95
Внешний вид зоны расположения прихваток показан на фиг.5.
После прихватки проводили сварку продольных стыков полупатрубков в камере с контролируемой газовой атмосферой.
На прихватках скорость подачи присадочной проволоки снижали с 18…20 до 9…12 м/час. Внешний вид сварного шва полупатрубков при его подходе к прихваткам представлен на фиг.6.
Для повышения качества сварных соединений сварку осуществляют сканирующей дугой с подачей присадочной проволоки по нормали к сварочной ванне. При этом происходит измельчение структуры сварного шва при повышении прочностных свойств сварного соединения по сравнению с ручной сваркой на 45...60 МПа.
Влияние параметров процесса на качество прихваток представлено в табл.2.
Таблица 2
№ пп.
Угол подачи проволоки по отношении к стыку, град.
Усилие растяжения проволоки, МПа
Шаг установки прихваток В
Примечание
nD<sub>o</sub>
мм
1
60
0,08 σ<sub>в</sub>
1,5
68
Отсутствует разрыв присадочной проволоки после установки прихватки
2
60
0,1 σ<sub>в</sub>
1,5
68
Проволока разрывается после установки прихваток
3
60
0,15 σ<sub>в</sub>
1,5
68
4
60
0,2 σ<sub>в</sub>
1,5
68
5
60
0,25 σ<sub>в</sub>
1,5
68
Отрыв проволоки от поверхности фиксируемых полупатрубков
6
60
0,15 σ<sub>в</sub>
0,8
42
Ухудшение внешнего вида шва из-за частой установки прихваток
7
60
0,15 σ<sub>в</sub>
1,0
52
Хорошее формирование шва при надежной фиксации свариваемых деталей в процессе сварки
8
60
0,15 σ<sub>в</sub>
1,5
68
9
60
0,15 σ<sub>в</sub>
2,0
104
10
60
0,15 σ<sub>в</sub>
2,2
115
Отрыв (разрушение) прихваток при подходе сварного шва к зоне их установки.
Предлагаемый способ изготовления криволинейных труб из штампованных полупатрубков позволяет полностью исключить дефекты в прихватках. Лабораторные исследования показали, что при использовании базового варианта для изготовления партии из 100 труб длиной 500 мм количество дефектных труб по дефектам в прихватках составило 65%. При использовании заявляемого способа количество дефектных швов составляло 2%.