Выбор способа сварки диафрагменной лопатки паровой турбины

6

4

3

10-7

0 20 40 60 80 100 120 U, кВ

Рис. 10. Изменение глубины проникновения электронов в железо в зависимости от ускоряющего напряжения U

Таким образом, с увеличением ускоряющего напряжения (а следовательно, и глубины проникновения электронов) максимум температуры перемещается в глубь металла. Поэтому теоретически возможна ситуация, когда поверхность материала не успевает нагреться, хотя на глубине (в максимуме энерговыделения) достигается температура кипения.

На характер распределения температурного поля в зоне электронно-лучевого нагрева существенное влияние оказывает отношение диаметра луча к глубине пробега электронов. Установлено, что, например, обработка материала (плавление и выброс) эффективна только при условии d>2, т.е. использование очень тонких пучков электронов затруднено.

Разряжение

Одним из параметров ЭЛС является степень разряжения (мм. рт. ст., Па). В большей степени этот параметр зависит от характеристик, обеспечиваемых в ЭЛУ.

ЭЛС осуществляют чаще всего вертикальным либо горизонтальным лучом в вакуумных камерах, размеры которых зависят от габаритов свариваемых изделий. Объем камер современных установок составляет от 0,1 (и менее) до сотен кубических метров. Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой, формирующей электронный луч, может откачиваться как до высокого ( 10-3 Па), так и до низкого ( 1 - 10 Па) вакуума, но с отдельной откачкой объема электронной пушки до 10-3 Па.

Даже в низком вакууме 1 Па содержание кислорода в 17 раз, а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна. В вакууме электронный луч сохраняет свою удельную мощность, т. к. в нем не происходит рассеяние электронов вследствие отсутствия атомов и молекул атмосферы.

Частота автоколебаний

Для ЭЛС характерно, что при постоянном во времени потоке энергии возникают колебания физических параметров, характеризующих систему луч - вещество, а именно: потока пара, интенсивности светового излучения, эмиссии электронов и т.п. из зоны воздействия луча. Существует критическое значение потока энергии для возбуждения колебаний: если q2 > q*2, то колебания возникают, если q2 < q*2, не возникают. Здесь q2*= Sкип/н*, где Sкип = (сТкип + Lкип) - теплосодержание кипящего металла, Дж/см3; - массовая толщина слоя, г/см2, н - эффективный КПД электронно-лучевого нагрева поверхности, * - характерное время, зависящее от теплофизических свойств металла.

При нагреве вещества постоянным во времени потоком энергии, который больше некоторого критического значения, отмечают существенные особенности в характере изменения температуры поверхности: она не стремится к постоянному значению, но колеблется относительно некоторого среднего значения. Эта закономерность обусловлена возникновением автоколебаний температуры и плотности пара в процессе нагрева.

Регистрация характеристик автоколебаний дает новые возможности для построения систем контроля и регулирования процесса ЭЛС.

В процессе ЭЛС луч надвигается на зону металла перед передней стенкой канала и проплавляет ее на глубину Н за время t, т.е. периодически с частотой f Vсв/d углубляется в металл (периодическое «строгание» передней стенки).

Таким образом, при формировании сварного шва наблюдаются два основных типа периодических процессов: периодическое испарение по мере углубления электронного луча в металл (с частотами порядка единиц и десятков килогерц) и колебания жидкого металла в сварочной ванне за счет периодического «строгания» передней стенки (с частотами порядка единиц и сотен герц). В литературе также отмечены плазменные колебания (с частотами порядка 106 Гц). Зависимость амплитуды колебаний от частоты для всех трех типов колебаний при ЭЛС показана на рисунке 11.

А

жидкость

пар

плазма

101 103 105 107 f, Гц

Рис. 11. Зависимость амплитуды от частоты автоколебаний для различных процессов в канале при ЭЛС.

Специфические дефекты сварных швов при ЭЛС

Критическое изменение некоторых параметров при ЭЛС с несквозным проплавлением может привести к появлению дефектов в сварном соединении. Такими дефектами в основном являются: не заполненные металлом полости размером до 5 - 10 мм и длиной до 20 - 30 мм и периодическое несплавление корня шва.

Это объясняется тем, что давление пара в канале прямо пропорционально удельной мощности луча, а при одной удельной мощности можно получить разную глубину проплавления, т. к. чем меньше скорость, тем больше глубина проплавления. При правильном подборе удельной мощности, мощности и скорости сварки давление пара в канале отвечает условию

Р > (РG + Р) = gH + /r,

где Р - давление пара в канале; РG - давление, обусловленное весом жидкого металла; Р - давление, обусловленное поверхностным натяжением жидкого металла.

В некоторых случаях, на выходе из канала это условие может не соблюдаться, т.е. возможно захлопывание канала жидким металлом и образование полости (рис. 12).

а б в

Рис. 12. Схема поведения канала при ЭЛС.

а - канал свободен от жидкости; б - отражение волны жидкого металла от хвостовой части ванны; в-захлопывание канала

Еще одним часто встречающимся специфическим дефектом при ЭЛС является отклонение канала проплавления от линии стыка вследствие отклонения луча магнитным полем при сварке сталей с остаточной намагниченностью. Для ликвидации этого дефекта прибегают к предварительному размагничиванию свариваемого изделия.

5. Выбор параметров режима сварки для изготовления изделия

Основные параметры ЭЛУ «Луч-4»

Для правильного подбора параметров режима сварки необходимо основываться на следующих условиях:

- - требуемые геометрические характеристики шва,

- - требуемое качество (прочностное и химическое) шва,

- - технологические возможности ЭЛУ.

Последний пункт является важным критерием для подбора параметров сварки, т. к. они должны входить в предел возможностей данной установки.

Рассмотрим основные параметры ЭЛС типа «Луч-4» в (табл. 5).

Табл. 5. Основные параметры ЭЛС типа «Луч-4».

№ п\п	Наименование параметра	Норма
1.	Максимальные размеры свариваемого изделия, мм. Диаметр Длина	900 840
2.	Вакуум, мм рт. ст.	5*10-5
3.	Ускоряющее напряжение электронного луча, кВ.	30
4.	Ток электронного луча, мА.	450
5.	Ход электронно лучевой пушки, мм. Вдоль камеры Поперек камеры	575 840
6.	Давление охлаждающей воды,/см2.	2-3
7.	Потребляемая электрическая мощность, кВт.	8
8.	Режим работы.	Полуавтоматический
9.	Наблюдение за сваркой.	Через иллюминатор
10.	Обслуживающий персонал, чел.	2

Исходя из этих норм можно подбирать параметры, обеспечивающие выполнение первых двух пунктов условий (см. выше).

Подбор основных параметров ЭЛС для ЭЛУ «Луч-4»

Необходимые параметры для проведения процесса сварки:

1. Ускоряющее напряжение U.

2. Скорость перемещения электронного луча V.

3. Ток луча I.

4. Рабочее расстояние (расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали) l.

5. Ток фокусирующей системы Iф.

Выбор ускоряющего напряжения

Экспериментальные данные (рис. 6,7.) показывают, что ускоряющее напряжение существенно влияет на глубину проплавления: с увеличением ускоряющего напряжения при прочих равных условиях глубина проплавления увеличивается. Это увеличение происходит пропорционально по квадратичному закону.

Для выбора ускоряющего напряжения для сварки диафрагменной лопатки необходимо знать требуемую глубину проплавления, которая данном соединении составляет 12 - 13 мм. При этом необходимо учитывать, что сварка будет производиться на установке «Луч-4», обладающей определенными рамками по выбору данного параметра режима.

Основываясь на этих данных и используя графическую зависимость глубины проплавления от ускоряющего напряжения при постоянных общей мощности и удельной мощности выбираем Uуск = 30 кВ.

Выбор скорости перемещения электронного луча

Для определения скорости перемещения электронного луча воспользуемся экспериментальной зависимостью глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения (см. рис. 6).

Из предыдущего пункта известно, что ускоряющее напряжение равно 30 кВ. Следовательно, можно определить скорость сварки (рис. 13).

Н, мм

30

10

0 0,3 0,6 0,9 Vсв, см/с

Рис. 13. Зависимость глубины проплавления от скорости сварки и ускоряющего напряжения U = 30 кВ.

Таким образом, принимаем Vсв = 0,3 см/с или равным 20 см/мин.

Выбор тока луча

В исследовательской части работы приведена зависимость величины сварочного тока от толщины соединяемых деталей из стали 12Х13 при трех разных скоростях сварки: 1 - V = 10 см/мин, 2 - V = 20 см/мин, 3 - V = 30 см/мин (рис. 3). В нашем случае, для сварки диафрагменной лопатки, используется V = 20 см/мин (рис. 14). Другие параметры сварки при этом остаются постоянными (ток фокусировки - Iф, ускоряющее напряжение - Uуск, и рабочая длина).

По результатам выбора принимаем Iсв = 100 А. Возможности установки «Луч - 4» позволяют получить такой ток, что не противоречит

3-ему условию по подбору параметров.

Увеличить вероятность правильного выбора сварочного тока можно путем использования еще одной зависимости (см. рис. 5). Как и предыдущая, она показывает зависимость величины сварочного тока от толщины соединяемых деталей из нержавеющей стали, но при постоянном значении напряжения и скорости сварки (рис. 15).

Все эти зависимости справедливы при давлении в рабочей камере 5*10-5 мм рт. ст. Следует помнить, что степень разряжения влияет на рассеяние луча, а значит и на геометрические характеристики шва.

Таким образом, подтвердилась зависимость глубины проплавления от мощности сварки, в которой происходит одновременное увеличение обоих параметров.

Выбор рабочего расстояния

Рабочее расстояние - расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности свариваемой детали или просто - расстояние пушка - деталь.

Заглубление в материал фокуса электронного луча может существенно увеличить глубину отверстия. Аналогичный эффект наблюдается и при электронно-лучевой сварке с кинжальным проплавлением, а при сварке диафрагменной лопатки оно таким и является.

При одинаковой погонной энергии на различных рабочих дистанциях пушки и при постоянной степени фокусировки Iф= 0 площади проплавления являются эквивалентными. Таким образом сохраняется неизменность формы проплавления на различных рабочих дистанциях электронной пушки, находящихся в расчетных (паспортных) пределах для данной электронно-оптической системы.

Принимаем рабочее расстояние от пушки до изделия равным 100 мм.

Выбор тока фокусирующей системы Iф

Для нахождения численного значения тока фокусирующей системы Iф, рассмотрим графическую зависимость на рис. 16.

Iф, мА

180 140 100 60		Iф=f(l)

0 25 50 75 100 125 150 l, мм

Рис. 16. Изменение тока фокусировки Iф электроннолучевой установки типа Луч-4 в зависимости от расстояния l от объекта обработки для случая U = 30 кВ = const;

Зная рабочее расстояния, можно найти ток фокусировки. Т.о. Iф = 100 мА.

Итоги выбора параметров

В результате подбора основных параметров получены следующие численные значения:

Uуск = 30 кВ,

Iсв = 100 мА,

Iф = 100 мА,

L = 100 мм,

Vсв = 20 см/мин,

Частота колебаний - 300 Гц.

Перед внедрением их в производство (перед занесением в маршрутную карту) следует провести сварку образцов - свидетелей с соответствующими испытаниями. После этого возможна их корректировка, целью которой должно быть улучшение качества сварного соединения.

6. Характеристика источника питания установки аргонодуговой сварки

Выпрямитель универсальный для сварки неплавящимся электродом модели ВСВУ-400 предназначен для питания установок автоматической, полуавтоматической и ручной электродуговой сварки обычной и сжатой, непрерывной и импульсной (пульсирующей) дугой, жаропрочных, нержавеющих сталей и титановых сплавов в аргоне.

Основные параметры.

1. Номинальный сварочный ток при ПВ = 60% и длительности цикла 60 мин, Iном = 400 А.

2. Диапазон регулирования Iсв при непрерывной сварке, ток импульсный - при импульсной сварке, Iсв = 5+10% - 400+10%.

3. Диапазон регулирования Iдежурного, Iдеж = 5+10% - 100+10%.

4. Напряжение холостого хода, Uх.х.= не более 100 В.

5. Номинальное рабочее напряжение, Uном= 30 В.

6. Потребляемая мощность, Р - не более 21 кВА.

7. Номинальное напряжение трехфазной питающей сети частотой 50 Гц, Uном= 380+10%.

8. ВАХ источника питания - падающая.

7. Технологический процесс. Изделие - лопатка диафрагменная

0000 Заготовительная.

Доставить на сварочный участок поковки.

0005 Подготовительная.

Места сварки и околошовную зону на расстоянии 20 мм протереть бязью, смоченной в спирте (ацетоне) и отжатой.

0010 Контрольная.

Визуальный технический контроль качества обезжиривания.

0015 Сборочно-сварочная.

Установить в сборочное приспособление лопатку (поз. 1) и прижать вставку (поз. 2) к лопатке эксцентриковым зажимом. Зазор между вставкой и лопаткой не более 0,2 мм. Вставка смещена относительно лопатки на расстояние 10 мм по узкой стороне (см. чертеж).

Использовать источник питания - выпрямитель ВСВУ-400, редуктор АР-40, горелку РГА-400, ротаметр РС-3. Прихватить детали поз. 1 и поз. 2 в местах стыка ручной аргоно - дуговой сваркой: длина прихваток - L=10 мм, количество прихваток - 6 шт. Прихватки выполнять от центра к краям. Iсв=70 А, Uсв=8-12 В, Св - 08Г2С 2 мм, прямая полярность, расход газа Q=6-8 л/мин.

0020 Маркирование.

Маркирование ударом (по ТТ чертежа).

Использовать набор клейм, молоток слесарный.

0025 Контрольная.

Технический контроль сборки под ЭЛС. Использовать набор щупов №2, измерительную линейку. Проверить зазор между деталью поз. 1 и поз. 2; в профильной полости зазор более 0,1 мм не допускается, зазор в стыке не более 0,2 мм.

Проверить неплоскостность вставки, допустимая неплоскостность 0,2 мм.

Внимание!

Собранная партия лопаток не должна пролеживать до сварки более 3-х дней. В процессе сварки лопатки должны быть укрыты полиэтиленовой пленкой или бумагой.

0030 Подготовительная.

Произвести замеры силового магнитного поля лопатки, собранной под ЭЛС. Прибор FSM - 1.

Произвести размагничивание лопатки перед ЭЛС. Допустимая намагниченность составляет 1-2 А/см. Использовать стенд для размагничивания 0861 - 5467.

Поместить 7 лопаток в приспособление, предварительно удалив прижимную планку.

0035 Сварочная.

Электронно-лучевая сварка на ЭЛУ «Луч - 4». Заварить лопатку электронно-лучевой сваркой с параметрами:

Iсв=100 мА,

Iф =100 мА,

Vсв=20 см/мин,

Uуск=30 кВ,

Частота колебаний 300 Гц,

Lраб=100 мм.

Сварку начинать с широкой части торца. Одновременная загрузка в камеру - 7 лопаток (см. приспособление). На концах вставок допускается непровар 5 мм, образованный резким уменьшением сварочного тока. Выполнение разглаживающего прохода не допускается.

0040 Термическая.

Отпуск. Снятие сварочных напряжений.

Т, 0С 700

t, с

Использовать электрическую печь KS-1300.

0045 Слесарная.

Зачистить усиление сварного шва после ЭЛС. Использовать шлифовальную машинку ИП 2009-п1, металлическую щетку. Выступание сварного шва над поверхностью планки не допускается.

0050 Правка.

Использовать гидропресс.

1. Вырезать прокладки 40х30 мм, =1,5 мм, Ст10 (для 4-х лопаток) 3 штуки.

Установить лопатки на вставку п. 2. Замерить неплоскостность.

2. Установить с подгонкой по месту под лопатку прокладки. Произвести рихтовку лопатки для получения неплоскостности вставки до 0,7 мм согласно чертежу. Рихтовать каждую лопатку 3 раза.

3. После рихтовки 4-х лопаток повторно вырезать прокладки и произвести рихтовку.

0055 Контрольная.

Технический контроль геометрических размеров изделия. Набор щупов №2.

Установить лопатку на разметочную плиту. Положить на нее мерительную линейку. Проверить неплоскостность. Допустимая неплоскостность не более 0,7 мм.

0060 Подготовительная.

Подготовить поверхность подреза для сварки. Использовать пневмо - мех. щетку и машину шлиф ИП 2009-п1. Зачистить дефектную поверхность до чистого металла: Lшва=0,3 м, глубина 1 мм или отдельные поры в кол-ве 6 штук длиной 2,5 мм.

Обезжирить поверхность, обработав ее бязью, смоченной в спирте (ацетоне) и отжатой.

0065 Сварочная.

Подварить оставшиеся подрезы после ЭЛС. Использовать источник питания - выпрямитель ВСВУ-400, редуктор АР-40, горелку РГА-400, ротаметр РС-3. Осуществлять ручной сваркой неплавящимся электродом в среде аргона. Iсв=100 А, Uсв=10-14 В, Св - 04Х19Н11М3 2 мм, прямая полярность, расход газа Q=6-8 л/мин. При сварке не допускать перегрева металла.

0070 Слесарная.

Зачистить усиление сварного шва после ручной сварки неплавящимся электродом в среде аргона. Использовать шлифовальную машинку ИП 2009-п1, металлическую щетку. Выступание сварного шва над поверхностью лопатки не допускается.

0075 Контрольная.

1. Внешний осмотр - 100%.

2. Ультразвуковая дефектоскопия - 100%.

Для ультразвукового контроля использовать дефектоскопы УД-2 или ДУК-13ИМ.

Заключение

Для изготовления диафрагменной лопатки паровой турбины выбрана высокохромистая жаропрочная сталь мартенситно-ферритного класса сталь 12Х13. Данный материал обеспечивает высокую технологичность изделия, по сравнению с другими материалами. Выбор производился с учетом экономических и технологических (химическая и механическая характеристики) факторов оценки. Учитывая экономический фактор данной задачи, сталь 12Х13 является одной из самых дешевых в своем классе высокохромистых сталей, т. к. чем выше степень легирования, тем выше цена стали и степень ее распространенности в промышленности.

Для сварки диафрагменной лопатки из стали 12Х13 был выбран способ с использованием электронного луча. Это объясняется рядом достоинств ЭЛС при сварке этих сталей:

1. Минимальная деформация свариваемого изделия, т. к. поток электронов внедряется в свариваемое изделие на всю глубину проплавления, что обеспечивает получение минимальной металлоемкости сварочной ванны.

2. Высокие физико-химические характеристики сварного соединения непосредственно после сварки позволяют исключить последующую механическую обработку.

3. Относительно высокая погонная энергия при сильной степени ее концентрации, т.е. энергия, вводимая в участок сварного соединения за определенный промежуток времени. При этом достигается высокая скорость кристаллизации металла сварного шва и минимальное термическое воздействие сварочного нагрева на основной металл в ОШЗ (локальность сварочного нагрева).

Все эти положительные стороны ЭЛС с сочетанием правильно подобранных параметров режима сварки помогают достичь наилучшего качества сварного соединения.

Выбор параметров режима ЭЛС производился на основе детального теоретического и экспериментального анализа каждого из них. Выявление закономерностей влияния некоторых из параметров на геометрические характеристики сварного соединения помогло максимально исключить возможность появления в нем дефектов.

Литература

Волченко В.Н. Справочник. Сварка и свариваемые материалы, т. 2. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998.

Арзамасов В.И., Мухин Г.Г. и др. Материаловедение. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В. Справочник. Электроннолучевая обработка материалов. - М.: Машиностроение, 1981.

Акулов А.И., Бельчук Г.А. Технология и оборудование сварки плавлением. - М.: Машиностроение, 1977.

Башенко В.В. Электронно-лучевые установки. - М.: Машиностроение, 1972.

Шиллер З., Гайзиг У., Панцер З. Электроннолучевая технология. - М.: Энергия, 1980.

Лившиц Л.С. Металловедение. - М.: Машиностроение, 1979.

Степанов В.В. Справочник сварщика. - М.: Машиностроение, 1982.

Журавлев В.Н., Николаева О.И. Справочник. Машиностроительные стали. - М.: Машиностроение, 1992.

Страницы: 1, 2, 3