Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання
.pdfрювальних матеріалів та технологій підводного зварювання спрямовані на попередження негативного впливу зазначених факторів
[28–30,134,143].
Швидкість охолодження металу при підводному зварюванні в 10…15 разів більша, ніж при зварюванні на повітрі [154]. Тому підвищення якості мокрого зварювання можливе шляхом збільшення погонної енергії зварювання та зменшення тепловіддачі від поверхонь металу. Найбільше впливають на погонну енергію сила струму і швидкість зварювання, однак зменшення швидкості зварювання недоцільне через зниження продуктивності процесу, а сила струму більше 200 А може призвести до підрізів або пропалів. Більш ефективно на зменшення швидкості охолодження впливає теплова ізоляція металу від води, причому насамперед металу шва [134]. Ізоляція поверхні зварного шва зменшує швидкість охолодження металу зони термічного впливу в інтервалі температур 800…500 ºС у 4,4…5,0 разів біля кромки шва та в 1,9…2,5 разів – під швом. Розширення теплової ізоляції на основний метал дозволяє додатково зменшити швидкість охолодження в 1,2 рази. Оптимальна ширина шару теплоізолюючого матеріалу рекомендована не більше 80 мм.
У роботі [134] встановлено, що теплоізолюючий шар шлаку утворюється при введені в дугу підвищеної кількості шлакоутворюючих компонентів шляхом збільшення коефіцієнта маси покриття до 1,2…1,9. На базовому електроді АНО-4П за допомогою легкоплавкої шлакової системи TiO2 – CaF2 – Na2B4O7 збільшено коефіцієнт маси покриття до 1,2, а використання легкоплавкого в'яжучого компонента для закріплення рутилового концентрату в зовнішньому шарі покриття дозволило підвищити цей коефіцієнт до 1,9. У роботі також запропоновано комбіновану теплову ізоляцію за рахунок щільності шлакової корки та шару силоксано-смоляного каучука. Силоксановий каучук із домішками епоксидної смоли має високу адгезію до металу у
395
воді (10…18 кГс/см2), низьку теплопровідність та підвищену термостійкість. Схему комбінованої теплової ізоляції показано на рис.3.60.
Запропонована схема теплової ізоляції дозволила зменшити швидкість охолодження ω8/5 у зоні термічного впливу сталі 10ХСНД до 33…25 ºС/с при погонній енергії 2,0…3,2 МДж/м. Твердість металу була HV10 314…294. Холодні тріщини не виявлені.
Рис.3.60. Схема комбінованої теплової ізоляції зварюваного металу:
1 – шар теплоізолюючого матеріалу;
2 – масивна корка шлаку
Підводне мокре зварювання електродами забезпечує високу мобільність процесу, добру захищеність краплі розплавленого металу, невелику масу та габарити обладнання, яке занурюється у воду, тощо, але має низьку продуктивність, велику кількість газової фази та аерозолей, що ускладнюють візуальний контроль формування шва, значний розбіг механічних властивостей з'єднань залежно від глибини виконання робіт та кваліфікації зварника [69]. Цих недоліків у значній мірі не має механізоване підводне мокре зварювання самозахисними дротами [67,68,136]. Основну роль тут відіграють самозахисні дроти типів ППС-АН1, ППС-АН2, ППС-АН5 та ППС-ЭК1 для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей [69].
Можна застосовувати також механізоване зварювання з окремим поданням захисного газу (Ar, CO2) у зону зварювання, але це істотно не впливає на якість зварювання, значно ускладнюючи апаратуру та роботу зварника.
При виконанні підводних робіт широко застосовують підводне різання. Термічне різання здійснюється під дією теплоти, яка виділяється при горінні газів, парів бензину або електричною дугою. Найбільше використовують бензокисневе, електрокисневе, електродугове та плаз-
396
мове різання. Для забезпечення безперервності процесу підводне різання вимагає більш могутніх джерел теплоти, ніж різання на повітрі.
Процес підводного різання протікає при витісненні води, яка покриває місце різання. Це досягається створенням захисного міхура навколо ядра газового полум'я. Наявність гідростатичного тиску вимагає створення протитиску в захисному міхурі, що значно збільшує витрату газів.
Для утворення захисного міхура сопло різака має певну будову. Кисень, що ріже, подається по внутрішньому центральному каналу, пальна суміш – по середньому, а повітря для створення захисного міхура – по зовнішньому. Повітря подається суцільним струменем по кільцевому каналу, утворюючи надійний захист зони різа. Таким чином, різання відбувається в газовому середовищі і процес відрізняється від наземного лише тим, що робота виконується при підвищеному тиску й обмеженому газовому об'ємі.
Могутнім способом підводного різання металів є бензокисневе різання, при якому можна різати метал суцільного перерізу товщиною до 100 мм і пакети товщиною до 95 мм за один прохід.
Іншим способом є підводне електродугове різання. Воно проводиться на постійному струмі прямої полярності або на змінному струмі металевими чи вугільними електродами. У зв'язку з тим, що якість і продуктивність електродугового різання невисокі, воно застосовується при виконанні малих обсягів робіт. Звичайно цим способом розрізають, а точніше, виплавляють і випалюють чавун, кольорові метали і сплави, нержавіючі сталі. Використовуючи електроди діаметром 5 мм і струм силою 350…500 А, можна розрізати метал товщиною 50 мм і більше. Інтенсифікація процесу досягається шляхом збільшення щільності струму при зменшенні діаметра електрода. Розроблено спеціальні покриті електроди для підводного різання типу АНР-5П [35].
Високу ефективність має механізоване підводне електродугове рі-
397
зання порошковими дротами. Спеціальні порошкові дроти забезпечують плавлення і окиснення металу та його видалення з різа за рахунок дії газоутворюючих компонентів порошкового дроту [34,36,37,117]. Різання товщин металу до 20 мм виконують при силах струму
300…600 А.
Електрокисневе різання можна розглядати як удосконалення електродугового і кисневого різання. Різання починається з подачі кисню, після чого збуджується електрична дуга. Виконується різання трубчастими електродами зі спеціальним покриттям. У процесі різання потрібно підтримувати постійне горіння дуги. Для припинення процесу спочатку необхідно обірвати дугу, а потім припинити подачу кисню. Продуктивність електрокисневого різання вища, ніж електродугового. Використовуються спеціальні електроди ЭПР-1 та АНР-Т8. Електрокисневе різання ведуть при зворотній полярності. Зовнішній вигляд різа такий: він чистий, без запливів і перемичок, вузький.
Плазмове різання виконують із використанням повітря як плазмоутворюючого газу. Для повітряно-плазмового різання використовують двопоточні плазмотрони, що забезпечують більш стабільний процес різання. При виконанні різання спочатку збуджується чергова дуга, а потім при русі різака по конструкції автоматично утворюється плазмовий конус. Поверхні нержавіючих сталей, що розрізаються, мають шлак, який легко видаляється зі зворотної сторони, та незначне окиснення і шорсткість – з лицьової. При різанні алюмінію зворотна сторона різа має зовсім чисту поверхню, а лицьова сторона – окиснена і шорсткувата.
Плазмове підводне різання є універсальним і продуктивним способом, але його істотним недоліком є висока робоча напруга дуги.
Зварювальні матеріали для підвідного зварювання і різання аналогічні використовуваним на поверхні і разом із тим відмінні від них. Ручне зварювання під водою виконують металевими електродами з
398
покриттям. Стержень електрода довжиною 350…450 мм і діаметром 4…6 мм виготовляють зі сталевого дроту марок Св08 і Св08А, на який рівномірним шаром наноситься мінеральне покриття товщиною 0,5…1,3 мм на сторону. Електродне покриття повинне забезпечувати гідро- й електроізоляцію електрода, не розбухати у воді та утворювати при зварюванні козирок для стабілізації і поліпшення захисту дуги. Електроди для підводного зварювання повинні мати гідроізоляційне покриття.
Для гідроізоляції використовують парафін, цапон-лак, гліфтальлак, бакелітовий лак, кузбасслак, перхлорвінілову смолу, розчинену в діхлоретані (7-відсотковий розчин), аеролак тощо. Гідроізоляційне покриття наносять шляхом занурення електродів (3…4 рази) у відповідний розчин із наступним просушуванням на повітрі при кімнатній температурі після кожного занурення. Гідроізоляцію парафіном проводять шляхом занурення електродів у розплавлений парафін та витримки в ньому протягом 15…20 хв при температурі кипіння.
Для підводного зварювання розроблені спеціальні електроди марок ЛПС-5, ЭПС-35, ЭПС-52, ЭПС-А, УОНИ 13/45П. АНО-4П, ЭПС-АН1, Э38-ЛКИ-1П тощо. Електроди рудно-кислого типу ЭПС-52 забезпечують механічні властивості з'єднань на рівні властивостей з'єднань, отриманих на повітрі електродами типу Э34. Електроди основного типу ЭПС-А призначені для зварювання корпусних сталей підвищеної міцності типу АК. Наплавлений цими електродами метал має глибоко аустенітну структуру. Високі зварювально-технологічні характеристика мають електроди ЭПС-АН1, що призначені для зварювання вуглецевих і низьколегованих сталей.
Для механізованого підводного зварювання у вуглекислому газі застосовують дріт марки Св08Г2С діаметром 1,2…1,6 мм. Порошкові дроти марок ППС-АН1 і ППС-АН5 призначені для зварювання сталей марок ВСт3сп, 09Г2, 09Г2C на глибині до 20 м. Для аналогічного за-
399
стосування розроблено самозахисний порошковий дріт марки ППС-ЭК1, який можна застосовувати разом із напівавтоматами А1660, А1450, ПШ141 або ПШ146.
Названі вище порошкові дроти й устаткування можна використовувати також для підводного різання. Для ручного електродугового різання можна використовувати електроди, призначені для зварювання, але це економічно недоцільно. Тому використовують спеціальні електроди з маловуглецевого дроту будь-якої марки з більш простим за складом покриттям. Для ручного електрокисневого різання можна використовувати сталеву трубку або трубчасті електроди зі сталевих смуг. Найбільше застосування знайшли спеціальні трубчасті електроди марки ЭПР-1. Основним способом підводного різання в Україні є електрокисневе, яке повністю забезпечене електродними матеріалами
йустаткуванням вітчизняного виробництва [69].
ВУкраїні накопичено значний досвід підводних робіт із використанням зварювання та різання. За допомогою підводного механізованого зварювання відремонтовано підводні переходи трубопроводів, гідротехнічні споруди, проведено реконструкцію глибоководних водовідбірників тощо. Проведення таких робіт із застосуванням зварювання та різання є актуальним і сьогодні.
3.4.2.Магнітокероване зварювання
Магнітокероване зварювання (magnetically impelled arc butt welding, магнитоуправляемая сварка) – це зварювання електричною дугою, яка поступально або коливально рухається під дією зовнішнього магнітного поля з утворенням з'єднання плавленням або нагріванням та подальшим стисненням з'єднуваних поверхонь.
Вплив магнітного поля на дугу використовував ще М.М. Бенардос для її стабілізації. В останні роки увага до керування дугою за допомогою магнітного поля помітно підвищилася [56,82,128]. За допомогою магнітокерованої дуги виконують зварювання та наплавлення
400
металів. Вона дозволяє керувати формою і розмірами зварювальної ванни, переносом електродного металу та процесом кристалізації металу шва.
Магнітне поле відносно осі дуги може бути поздовжнім або поперечним. Вплив поперечного магнітного поля на дугу використовується при одному з найбільш продуктивних процесів дугового зварювання труб малого діаметра (до 100 мм) з товщиною стінки до 6 мм [56]. Електрична дуга переміщується в зазорі між торцями зварюваних заготовок із лінійною швидкістю до 200 м/с і нагріває кромки. Наступне стиснення та пластична деформація металу забезпечують утворення зварного з'єднання. Цей процес називають пресовим зварюванням з нагріванням магнітокерованою дугою [128].
Поперечне магнітне поле, накладаючись на власне поле дуги, викликає її відхилення в ту або іншу сторону. Ефект переміщення дуги в поперечному магнітному полі використовується для її руху в зазорі між торцями заготовок. Застосовують три принципово різні схеми зварювання магнітокерованою дугою на постійному струмі [128]. У першій схемі дуга горить між кромками зварюваних деталей замкнутої форми; у другій – між зварюваними деталями замкнутої форми і допоміжним електродом; у третій – між кромками деталей лінійної форми. Взаємодію електричного струму з магнітним полем при зварюванні кільцевих швів труб показано на рис.3.61.
Першу схему застосовують для зварювання кільцевих швів труб 2, на кінці яких надівають дві котушки 1, увімкнені зустрічно (рис.3.61,а). Завдяки цьому в зазорі між трубами створюється радіальне магнітне поле напруженістю Нr. Якщо між торцями труб збуджується дуга 3, то на неї діє тангенціальна сила, обумовлена взаємодією струму дуги з магнітним полем,
P = kIдHr ,
де k – коефіцієнт, що залежить від ряду факторів, у тому числі від
401
розмірів зазору. Напрям руху визначається за правилом лівої ріки, а швидкість руху обмежується швидкістю переміщення катодної плями. Після збудження дуги її швидкість руху досягає 1000…2000 об/хв по внутрішній поверхні труби. Через 3…5 с дуга зміщується по радіусу в зазор, швидкість обертання зменшується, можливі зупинки та короткі замикання зварювального кола. Цей режим короткочасний. Після нього встановлюється стабільний режим із частотою обертання 15000…35000 об/хв. Після досягнення необхідної температури проводиться осадка труб.
аб
Рис.3.61. Схеми зварювання труб магнітокерованою дугою між кромками зварюваних труб (а) та між зварюваними трубами і допоміжним кільцевим неплавким електродом (б):
1 – кільцеві котушки; 2 – зварювані заготівки; 3 – електрична дуга; 4 – допоміжний неплавкий електрод
Другу схему зварювання показано на рис.3.61,б. Труби 2, додатковий електрод 4 у вигляді мідного водоохолодного кільця і котушку електромагніта 1 розташовують співосно. Електрична дуга 3 збуджується між допоміжним електродом 4 і кромками труб 2. Магнітне поле в зазорі між трубами і кільцем спрямоване аксіально. Взаємодія радіального струму дуги Iд з аксіальною складовою магнітного поля напруженістю Нх створює зусилля P = kIдHх, що обертає дугу. Після нагрівання кромок проводять осадку труб. Тонкостінні труби складають без зазору.
402
Третя схема зварювання полягає в тому, що дуга рухається вздовж прямолінійних кромок і на їх кінцях відбуваються переключення полярності магнітного поля або електричного струму дуги для повернення дуги у вихідне положення, тобто дуга робить зворотнопоступальні рухи. Залежно від зварюваних матеріалів процес виконують із газовим захистом металу шва або без нього. Для збудження дуги можна застосовувати осцилятор, коротке замикання кромок або їх з'єднання тонким дротом. За механізмом формування шва процес близький до контактного стикового зварювання оплавленням.
Найбільш поширена перша схема зварювання, коли електрична дуга збуджується між зварюваними кромками. Важливими технологічними параметрами зварювання є сила зварювального стуму, напруга дуги, зазор між кромками, напруженість магнітного поля, час зварювання. Ве-
личина зазору визначає параметри дуги і звичайно дорівнює 1,5...2,8 мм. Розглянутий спосіб зварювання має обмеження товщини стінки труби, оскільки умовою стабільного і рівномірного розігрівання кромок є сумірність товщини стінок і розмірів активних плям стовпа дуги. В ІЕЗ ім. Є.О. Патона розроблено зварювання магнітокерованою дугою труб з товщиною стінки до 16 мм [82]. Рівномірного розподілу теплової енергії по товщині стінки досягнуто зміщенням руху дуги до зовнішньої поверхні труби шляхом оптимального розподілу індукції магнітного поля в зазорі. Завдяки обертанню дуги по зовнішнім кромкам зварні з'єднання мають мінімальні підсилення на внутрішній по-
верхні труби та стабільну якість.
Вплив поздовжнього магнітного поля на електричну дугу використовують для регулювання параметрів шва, подрібнення структури тощо. Встановлено, що в повздовжньому магнітному полі дуги відбувається обертання зварювальної ванни внаслідок обертального руху дуги навкруги своєї осі [85]. Обертання дуги пояснюється нерівномірним розподілом по її перерізу температури, а внаслідок цього і заря-
403
джених часток. Найбільша кількість іонів і електронів утворюються в центральній частині стовпа дуги. Градієнт концентрації заряджених часток викликає їх дифузію в радіальному напрямку. Вони рухаються перпендикулярно силовим лініям поздовжнього магнітного поля. З урахуванням осьової складової швидкості під дією електричного поля траєкторія заряджених часток являє собою спіральні лінії. Ці частки залучають до руху нейтральні частки дуги і змушують дугу обертатися. Напрям руху залежить лише від напрямку магнітного поля і не залежить від роду та полярності струму. Якщо дивитися в напрямку магнітних силових ліній, стовп дуги обертається проти годинникової стрілки.
Унаслідок обертання дуги вона інтенсивно обмінюється енергією з навколишнім середовищем. Тому напруга на ній вища від напруги нерухомої дуги. Крім того, чим більшою є швидкість обертання дуги, тим вищою є стабільність її параметрів. При збільшенні напруженості магнітного поля до певної величини дуга змінює свою форму. Замість циліндричної вона набуває конусоподібної форми з вершиною в катодній плямі. Діаметр кільцевої анодної плями пропорціональний силі струму дуги. Таку дугу використовують для регулювання параметрів шва та приварювання тонких труб до трубної дошки. При збільшенні напруженості поздовжнього магнітного поля глибина проплавлення зростає. При дії на дугу як постійного, так і змінного поперечного магнітного поля глибина проплавлення зменшується з ростом напруженості поля.
Магнітні поля використовують також для керування переносом металу через дугу та ін. [15].
Устаткування для зварювання дугою, що обертається в магнітному полі, випускається в основному для з'єднання труб і має багато спільного з устаткуванням для контактного стикового зварювання оплавленням. Відмінність обумовлена лише різними принципами нагріван-
404