Свариваемость пористых сетчатых материалов из стали 12Х18Н10Т и технологические процессы изготовления сварных конструкций

Язык труда и переводы:
УДК:
621.79.01
Дата публикации:
01 июня 2022, 14:34
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены пористые сетчатые материалы из стали 12Х18Н10Т, обладающие необходимыми технологическими и эксплуатационными свойствами для изготовления штампосварных проницаемых элементов. На условия формирования шва при сварке плавлением пористых сетчатых материалов влияют пористость и соотношение коэффициентов эффективности теплопроводности по толщине свариваемых кромок и в направлении перпендикулярном движению сварочного источника. Разработаны технологии аргонодуговой сварки втулки теплообменника-испарителя, электронно-лучевой сварки фильтроэлементов с корпусом, которые реализованы при изготовлении опытных образцов изделий.
Ключевые слова:
пористый сетчатый материал, сварка плавлением, свариваемость, теплопроводность, анизотропия, штампосварная конструкция
Основной текст труда

Проведенный анализ конструкций, технологий изготовления и условий эксплуатации фильтрующих элементов для очистки от механических загрязнений жидкостей и газов, систем теплозащиты ракетных двигателей, оболочек турбинных лопаток парогазовых установок и газотурбинных двигателей, капиллярных заборных устройств и др. показал, что оптимальными свойствами обладают пористые сетчатые материалы (ПСМ) из стали 12Х18Н10Т [1]. Эти материалы обеспечивают заданные эксплуатационные характеристиками и обладают высокими механическими и технологическими свойствами, что позволяет изготавливать штампосварные конструкции с заданными свойствами и требуемой конфигурации [2].

 ПСМ обладают является явно выраженная анизотропия свойств [3]. Существенное влияние на формирование шва в условиях сварки плавлением оказывает соотношения коэффициентов эффективной теплопроводности кромок по толщине (\lambda _{\bot }) и в направлении перпендикулярном движению источника сварки ( \lambda _{W} ). Кроме того, при сварке высокопористых заготовок, для которых характерна низкая теплопроводность по толщине, в зависимости от величины \lambda _{W}  возможно образование дефектов различного вида [4].

Так, для заготовок с высоким значением \lambda _{W} в результате интенсивного теплоотвода в плоскости листа уменьшается глубина проплавления и возрастает градиент температуры по ширине сварочной ванны, что, в свою очередь, может привести к разрыву шва в процессе кристаллизации. А при сварке тех же заготовок в направлении, для которого характерно низкое значение \lambda _{W} , происходит не сплавление отдельных проволок сеток  с металлом шва. Такие дефекты возникают в результате действия сил поверхностного натяжения на границе жидкого металла оплавившихся проволок и сварочной ванны.

Кроме того, проведенные эксперименты показали, что для заготовок с высокой анизотропией теплопроводности в плоскости листа ширина непроницаемой зоны (шва) не зависит от направления сварки, а возрастает с уменьшением теплопроводности в направлении толщины свариваемых кромок.

Изучение свариваемости ПСМ из стали 12Х18Н10Т показало, что с уменьшением пористости и увеличением соотношения \lambda _{\bot }/\lambda _{W}

 качество сварных соединений возрастает. Для изготовления высокопористых сварных конструкций целесообразно применять ПСМ с меньшей величиной анизотропии теплопроводности в плоскости листа. С этой целью целесообразно применять ПСМ на основе сеток с квадратными ячейками, расположенных под углом 45°.

Исследование механических свойств при растяжении стыковых соединений, выполненных сваркой плавлением, позволило установить, что с увеличением пористости основного материала происходит снижение их относительной прочности. Повышение качества соединений высокопористых заготовок может быть достигнуто применением специальной подготовки кромок, обеспечивающей увеличение их теплопроводности и уменьшение пористости.

Одним из эффективных путей повышения качества сварных соединений заготовок из многослойных ПСМ с пористостью более 0,20 является уплотнение свариваемых кромок, которое может быть реализовано путем холодной деформации между вращающимися роликами шовной сварочной машины. Влияние уплотнения кромок на относительную прочность стыковых соединений исследовали на образцах из ПСМ толщиной 2…5 мм с пористостью 0,3…0,5. Уплотнение кромок обеспечивает уменьшение пористости до 0,20…0,25. Результаты испытаний показали, что уплотнение кромок позволило повысить прочность стыковых сварных соединений, выполненных автоматической аргонодуговой сваркой (АРДС), на 15…20%.

Выполненные эксперименты по АрДС пористых заготовок из стали 12Х18Н10Т позволили установить, что качественные сварные соединения могут быть получены на минимально возможном токе, при котором происходит проплавление корня шва. Автоматическая сварка стыковых соединений со скоростью более 30 м/ч требует осуществления процесса при более высокой силе тока, что для заготовок с пористостью более 0,30 приводит к образованию подрезов в зоне сплавления, а при скорости < 10 м/ч резко возрастает ширина шва. Поэтому оптимальная скорость сварки должна быть в интервале от 10 до 30 м/ч, причем с увеличением пористости заготовок необходимо уменьшить скорость. Для снижения вероятности образования подрезов в зоне сплавления сварку изделий с пористостью более 0,2 целесообразно осуществлять с присадочным материалом.

С целью уменьшения ширины шва исследовали возможность применения импульсной аргонодуговой сварки. Эксперименты показали, что импульсный режим целесообразен при сварке заготовок с пористостью менее 0,2, а при более высоких значениях образуются прожоги и подрезы. Применение присадочного материала частично устраняет эти дефекты, однако приводит к значительному увеличению ширины шва.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) является оптимальным видом сварки пористых заготовок при создании фильтрующих элементов тонкой очистки жидкостей и газов от механических загрязнений. Для разработки технологии сварки и изучения прочности сварных соединений проведены исследования, в которых варьировали силой тока луча, скоростью сварки и пористостью заготовок.

Анализ выполненных исследований показал, что при пористости основного материала менее 0,25 увеличение относительной прочности может быть достигнуто путем повышения скорости сварки, а при пористости более 0,25 уменьшение скорости сварки приводит к увеличению прочности. При этом ток луча в интервале 0,45…0,65 мА незначительно влияет на прочность соединения.

Металлографические исследования выявили наличие подрезов в местах не сплавления проволок с металлом шва, количество которых возрастало с увеличением пористости. Ширина получаемых швов на образцах толщиной 2,8…3,8 мм при варьировании параметров режима сварки изменялась несущественно и составляла 2,5…3,0 мм.

Исследование влияния термического цикла сварки на изменение гидравлических и структурных характеристик пористых заготовок показало, что снижение проницаемости сварных соединений пропорционально площади шва, при этом размеры пор в зоне сплавления не изменяются.

При изготовлении сварных конструкций следует учитывать требования технологичности, которое обеспечивается рациональным выбором материала заготовки, формой свариваемых элементов, типом соединения, видом сварки и мероприятиями по повышению качества изделий. Для получения сварных конструкций, обладающих высокой работоспособностью, следует стремиться к использованию ПСМ с меньшей пористостью и минимальной анизотропией свойств в плоскости листа, а материал проволок сеток должен обладать хорошей свариваемостью.

Разработаны технологии ЭЛС штампосварных фильтров и АРДС проницаемых втулок теплообменников-испарителей из ПСМ на основе коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т [5]. Результаты стендовых испытаний показали, что разработанные технологические процессы позволяют получить изделия, полностью удовлетворяющие требованиям технического задания. Внедрение фильтров в агрегатах гидро-и пневмосистем повысили эксплуатационную надежность энергетических установок.

Литература
  1. Третьяков А.Ф. Применение металлических пористых сетчатых материалов для изготовления изделий с заданными свойствами. Заготовительные производства в машиностроении, 2019, № 9, с. 423–430.
  2. Белов С.В., ред. Пористые проницаемые материалы: справочник. Москва, Металлургия, 1987, 338 с.
  3. Третьяков А.Ф. Технологическая наследственность в процессе изготовления изделий из пористых сетчатых материалов с заданными свойствами. Сообщение 2. Закономерности влияния пластической деформации и консолидации проволок сеток на технологические и теплофизические свойства пористых сетчатых материалов. Производство проката, 2013, № 6, с. 29–34.
  4. Макаров Э.Л., ред. Свариваемость материалов: справочник. Москва, Металлургия, 1991, т. 1, 527 с.
  5. Третьяков А.Ф. Технологические процессы изготовления штампосварных изделий из пористых сетчатых материалов. Заготовительные производства в машиностроении, 2020, № 1, с. 44–48.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.