УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Полезная модель относится к области технологии сварки и может быть использована при сварке сложных пространственных металлоконструкций, например металлоконструкций железнодорожного подвижного состава.
Известно устройство, представляющее собой сварочную горелку, совмещенную с форсункой, подающей охлаждающую среду на сварной шов непосредственно после сварки. Такое устройство требует применения и расхода специальных охлаждающих сред, что повышает стоимость сварочных работ и осуществляет только отбор избыточного тепла, не проводя при этом предварительный и послесварочный нагрев сварного соединения [Патент Японии № JP 2000343270, МКИ В 23 K 9/23, 2000].
Наиболее близким к заявленному является устройство, предназначенное для снижения остаточных напряжений сварных соединений труб большого диаметра путем предварительного нагрева и охлаждения сварного шва непосредственно после сварки. Устройство представляет собой станину, обращающуюся вокруг кольцевого сварного шва соединяемых труб. На станине закреплена комбинированная головка, оборудованная нагревательной горелкой, сварочной головкой и форсункой подачи охлаждающей среды. Во время операции сварки, соединяемые детали сначала подогреваются горелкой, затем свариваются сварочной головкой и непосредственно после сварки охлаждаются охлаждающей форсункой [Патент Японии №JP2000061691, МКИ В 23 K 9/095, B 23 K 9/235, 2000].
Такое устройство обладает значительными габаритами, что ограничивает возможности его применения для снижения остаточных сварочных напряжений конструкций сложной формы, и требует расхода
охлаждающей среды, повышающего стоимость сварки, и тем самым снижает экономическую эффективность тепловой обработки.
Предлагаемое устройство направлено на повышение эффективности тепловой обработки сварных соединений за счет устранения расходуемых материалов и исключения использования внешних источников энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для термической обработки свариваемых соединений, выполненное с возможностью предварительного нагрева свариваемых деталей в зоне соединения и отвода тепла из зоны сварки, содержит полый герметичный корпус с рабочим агентом, обладающим способностью к фазовому превращениям «жидкость - пар», в полости корпуса размещен фитиль из пористого материала, при этом корпус и фитиль выполнены из теплопроводящего материла, а суммарный объем рабочего агента и фитиля меньше объема полости корпуса.
Наружная поверхность корпуса в зоне контакта свариваемых соединений может быть снабжена упругой прокладкой из теплопроводного материала.
На внешней стороне корпуса вне зоны контакта с соединяемыми сваркой деталями может быть выполнена тепловая изоляция.
В полости корпуса может быть установлено устройство принудительного нагрева, например тепловой электронагревательный элемент, с возможностью его контакта с рабочим агентом.
Форма корпуса может быть выполнена повторяющей форму шва соединяемых сваркой деталей
На фиг.1 показана конструкция предлагаемого устройства и принцип его расположения относительно сварного шва и соединяемых деталей; на фиг.2 представлена возможная форма устройства при соединении деталей сварным швом сложной формы; на фиг.3 - конструкция устройства с упругой теплопередающей прокладкой; на фиг.4 - конструкция устройства с тепловой изоляцией и нагревательным элементом; на фиг.5 - распределение
нормальных остаточных напряжений перпендикулярных оси сварного шва без тепловой обработки соединения и с применением предлагаемого устройства.
На фигурах обозначены: корпус в виде полой герметичной оболочки 1, фитиль 2 из пористого теплопроводящего материала, зона 3 нагрева и испарения рабочего тела, сварной шов 4, соединяемые детали 5, прокладка 6 из упругого теплопередающего материала, тепловая изоляция 7, тепловой электронагревательный элемент (ТЭН) 8.
Устройство представляет собой полую герметичную оболочку 1, изготовленную из теплопроводящего материала и частично заполненную рабочим агентом в виде теплоносителя (не показан).
Внутренняя поверхность оболочки снабжена фитилем 2 из пористого теплопроводящего материала, например спеченного металлического порошка, который обеспечивает доставку рабочего тела к зоне нагрева и испарения 3. Суммарный объем рабочего агента и фитиля 2 меньше объема полости оболочки 1.
При нагреве части внешней поверхности оболочки 1 термодинамическое равновесие внутри оболочки нарушается, и часть рабочего тела испаряется из зоны 3 нагрева и испарения, отбирая, таким образом, избыточное тепло. При этом пары испарившегося рабочего тела конденсируются на не нагретых частях оболочки 1, возвращая им отобранное тепло и восстанавливая термодинамическое равновесие внутри оболочки 1. Такая конструкция, как известно из литературы [П.Д.Дан и др. Тепловые трубы, М., «Энергия», 1979], называется тепловой трубой и обладает очень высокой эффективной теплопроводностью и изотермичностью поверхности при низком термическом сопротивлении.
Форма оболочки 1 в плане может повторять очертания оси сварного шва 4, таким образом, чтобы, будучи приложена к одной из соединяемых сваркой деталей 5, оболочка 1 располагалась эквидистантно к оси сварного шва 4 и
частью своей внешней поверхности плотно контактировала с соединяемыми деталями 5 на всем протяжении сварного шва 4. Таким образом, при наличии теплового контакта с зоной сварного шва 4, устройство может отбирать избыточную тепловую энергию из зоны сварочной ванны и равномерно распределять ее вдоль сварного шва 4, осуществляя тем самым предварительный нагрев деталей 5 и подогрев уже сформированного сварного шва 4 для обеспечения релаксации остаточных сварочных напряжений.
Учитывая, что поверхность свариваемых деталей 5 может иметь макро- и микроотклонения от плоскостности, для снижения теплового сопротивления между деталями 5 и предлагаемым устройством, поверхность устройства, контактирующая с деталями 5, может быть снабжена упругой теплопередающей прокладкой 6.
Для протяженных сварных швов 4 значительный вклад в тепловое состояние сварного соединения вносит конвективный теплообмен с окружающим воздухом, который с применением описанного выше устройства будет увеличиваться, так как увеличивается площадь теплообмена, и соответственно будет уменьшаться предварительный нагрев соединяемых деталей 5 и подогрев сформированного сварного шва 4.
Для снижения влияния конвективного теплообмена внешняя поверхность устройства может быть снабжена тепловой изоляцией 7 из материала с низкой теплопроводностью. Также при сварке массивных деталей 5 значительной протяженности увеличивается тепловая инерция конструкции, что на начальных этапах сварки снижает эффективность применения устройства. Для уменьшения продолжительности начального переходного теплового режима устройство может быть оборудовано нагревательным элементом 8, поверхность которого снабжена фитилем 2, контактирующим с рабочим телом, и таким образом участвует в поддержании термодинамического равновесия внутри оболочки 1.
Оболочка 1 может быть изготовлена из любого конструкционного материала с высокой теплопроводностью, например из меди и ее сплавов или алюминия. В качестве упругой теплопередающей прокладки 6 может быть использован кремнеорганический полимер с наполнителем из порошка алюминия. Тепловая изоляция устройства может быть изготовлена из стекловолокна, стеклоткани, асбеста или другого материала, стойкого при температурах до 500°С. В качестве рабочего тела может использоваться любое вещество, способное к фазовым превращениям типа «жидкость - пар» в диапазоне температур 100-500°С, например бромид сурьмы (III).
Проведенное моделирование сварки двух пластин из стали Ст3сп размерами 200×200 мм, толщиной 10 мм источником сварочного тепла мощностью 4178 Вт, перемещающегося со скоростью 2 мм/с показало, что применение предлагаемого устройства позволяет снизить растягивающие остаточные сварочные напряжения в начальной и конечной зоне сварного шва на 50%, а в середине сварного шва, свободной от влияния краевых эффектов, создать некоторые сжимающие напряжения (фиг.5), что показывает высокую эффективность применения тепловой обработки сварных соединений посредством предлагаемого устройства.