Технология производства сварно-литых заготовок

Заводами тяжелого машиностроения накоплен большой опыт изготовления сварно-литых и комбинированных конструкций с помощью различных видов электрошлаковой сварки.

Ниже на примере изготовления отдельных деталей крупных машин освещены некоторые виды электрошлаковой сварки, применяемой на ведущих заводах отрасли.

Разработка ИЭС им. Е. О. Патона совместно с заводами способа электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком дала возможность значительно расширить область применения электрошлакового процесса. Стало возможным сваривать изделия толщиной >600 мм с труднодоступными швами сложного профиля, в частности изделия с поверхностями переменной кривизны.

При этом способе устройство для формирования шва и плавящийся мундштук в процессе сварки остаются неподвижными. При приближении шлаковой ванны мундштук расплавляется и переходит в шов вместе с электродными проволоками. Имея необходимое число плавящихся мундштуков, можно сваривать швы практически любых сечений.

На Уралмашзаводе применяют несколько конструкций плавящихся мундштуков в зависимости от толщины свариваемого металла. Каналом для электродной проволоки в них служит спираль с внутренним диаметром 4,5—5 мм. Спираль навивается из электродной проволоки диаметром 3 мм и приваривается к пластине мундштука ручной дуговой сваркой электродом малого диаметра. Для мундштука используют пластины толщиной 5—6 мм.

Тонкие мундштуки легко плавятся, имеют небольшую массу, во время сварки не оказывают большого давления на изолирующие устройства. При сварке ими получается более равномерный провар по длине шва.

Опыт завода, показал что применять широкие мундштуки, состоящие из трех пластин и более, нецелесообразно, так как такой мундштук во время сварки выгибается и замыкает о стенку изделия, что приводит к остановке процесса сварки.

Для сварки металла толщиной 1000 мм и более на заводе применяют мундштук такой конструкции, которая позволила избежать изгиба его в процессе сварки. Мундшук имеет три части: центральную и две боковые. Центральная часть состоит из пластин и трех спиралей, которые приварены к ним. Боковые — из пластины с одной спиралью или также из двух пластин и трех спиралей. Боковые части не приваривают к центральной.

С помощью плавящегося мундштука описанной конструкции был заварен архитрав пресса усилием 6000 тс, имеющий швы сечением 950x2200 мм и другие подобные детали.

Крупные литые и комбинированные детали собирают под сварку на тумбах, которые устанавливают на сборочную плиту. Собранные элементы сварного узла крепят между собой сборочными скобами, которые располагают на расстоянии 500 мм одну от другой. Для формирования наружной и внутренней поверхностей швов применяют медные накладки, охлаждаемые водой.

Для сварки плавящимся мундштуком на Уралмашзаводе применяют десятиэлектродный и восемнадцатиэлектродный подающие механизмы собственной конструкции.

С внедрением электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком значительно расширилась область применения этого прогрессивного метода. У конструкторов машин появилась возможность создавать детали более рациональной конструкции. Так была изготовлена в сварно-литом варианте боковая часть станины горизонтального пресса. Боковую часть станины пресса отливали из двух частей (сталь 35Л), которые соединяли между собой электрошлаковой сваркой плавящимся мундштуком сечением 450 х 2000 мм.

Масса станины перед сваркой составляла 143 т. Аналогичными по конструкции являются передняя и задняя головки правйльно- растяжной машины усилием 1000 и 2500 тс. Головку делали разъемной и сваривали двумя швами сечением 500X2640 мм. Масса головки перед сваркой составила 132 т.

Как отмечалось выше, большой опыт накоплен НКМЗ им. В. И. Ленина при изготовлении основных узлов уникального пресса усилием 65 тыс. тс.

В практике тяжелого машиностроения встречаются случаи, когда технические данные металлургического производства позволяют изготовить цельнолитую деталь. Однако при этом иногда не удается получить необходимое качество.

Конструкция дробящего конуса дробилки не давала возможность избежать в процессе ее изготовления возникновения усадочных раковин, значительной пористости и множества различных дефектов (трещин, раковин, пор).

Для улучшения качества корпусов и усиления нижнего пояса было решено изготовить их из двух частей: нижней и верхней. Чтобы соединить кольцевым швом коническую деталь методом электрошлаковой сварки, на свариваемых половинах делали специальные технологические приливы шириной 90 мм, которые дополняли конусную поверхность до цилиндрической. По приливам в процессе сварки скользило формирующее устройство — ползун.

Необходимость делать приливы приводила к дополнительному расходу электродной проволоки, электроэнергии, стали (например масса корпуса дробилки КСД-2200 увеличивалась на 500 кг), а также усложняла обработку резанием, увеличивала время сварки. Естественно, себестоимость конусов была высокой. Специально разработанная технология позволила сваривать корпуса без технологических приливов. Для этой цели реконструирована подвеска ползуна аппарата А-372-Р, применяемая для сварки прямолинейных швов.

Ползун для сварки конуса в новом варианте изготовлен шире обычного на 30—40 мм и с большей глубиной канавки для усиления шва. Благодаря увеличению глубины канавки до 15 мм наружный электрод в процессе сварки может выходить за пределы кромок на 10 мм, обеспечивая сплавление шва с кромками детали.

Для компенсации усадки шва сборочный зазор по свариваемому периметру устанавливают неравномерно. В месте установки кармана зазор минимальный, вверх относительно кармана — максимальный. Зазор при сборке фиксируют технологическими прокладками. Свариваемые половины крепят между собой технологическими планками, которые в процессе сварки срезают газокислородной резкой.

Собранный конус устанавливают для сварки на вращатель с помощью специальной оправки, один конец которой зажимается в кулачки планшайбы, другой опирается на роликовую опору.

Разработанный метод позволяет использовать электрошлаковую сварку для соединения и других конических деталей без применения дополнительных технологических приливов.

На ЖЗТМ накоплен большой опыт электрошлаковой сварки крупных узлов металлургических конверторов емкостью 350— 400 т, сосудов высокого давления, узлов металлургического машиностроения. 

Электрошлаковая сварка диафрагм значительно повысила качество изготовления конверторов.

На ЖЗТМ разработана и внедрена в производство технология электрошлаковой сварки плавящимся мундштуком сферических лепестковых днищ реакторов. Замена ручной дуговой сварки позволила значительно сократить расход сварочных материалов, снизить трудоемкость изготовления и повысить качество сварных соединений.

Основной материал — низколегированная сталь, плакированная коррозионно-стойкой сталью. Длина швов на одном днище 18 м, толщина металла 80 мм. Экономия на один комплект (два днища) составила 5,-4 тыс. руб.

Применение формовочных смесей при электрошлаковой сварке. При электрошлаковой сварке для формирования швов используют теплостойкие формовочные смеси. На практике была испытана смесь, изготовленная на основе кварцевого песка с жидким стеклом. Эту смесь наиболее часто используют в качестве выводного устройства (кармана) при окончании сварки, устройства для формирования швов переменного сечения и как оболочку, внутри которой производилась электрошлаковая сварка.

Использование формовочной смеси для выводного устройства при окончании сварки. До настоящего времени вывод участков, имеющих дефекты, за пределы тела детали выполняли путем дополнительных приливов либо надставных деталей из листа, которые после сварки срезали. Применение теплостойких смесей дает возможность заменить ими стальные выводные карманы и за счет этого сэкономить значительное количество металла.

Изготовление карманов из теплостойкой смеси несложно. Вместо стальной выводной планки устанавливают и приваривают прямоугольный каркас размером 100x150 мм из стального листа толщиной 5 мм, куда и набивают смесь. Чтобы карман не поднимало металлической ванной при выходе ее за пределы тела детали, его прижимают клиньями. Карманы теплостойкой смеси были применены при электрошлаковой сварке плавящимся мундштуком станин прокатных станов.

Использование формовочных смесей для формирования швов переменного сечения. Обычно при сварке деталей с переменными сечениями формирование шва на радиусах закругления и на горизонтальной плоскости осуществляется стальными накладками толщиной 90 мм. Подогнать накладку массой до 200 кг на кривой поверхности так, чтобы обеспечить зазор 1—1,5 мм между накладкой и деталью, очень трудно. В целях облегчения подгонки, экономии металла и упрощения работ было решено применить для формовки теплостойкую смесь. Так, при заварке трещины в цилиндре пресса усилием 9000 тс, имеющем переменное сечение, для формирования шва с внутренней стороны использовали формовочную смесь.

Чтобы смесь не попадала в зону сварки, свариваемый зазор закрывали карманом прямоугольной формы, изготовленным из стального листа толщиной 5 мм. Для удержания смеси и плотного прилегания ее к стенкам детали на внутренней поверхности цилиндра в зоне шва приваривали кожух из стального листа толщиной 5 мм, разделенный на несколько отсеков. Засыпку и трамбовку смеси производили по отсекам. Затем верхнюю часть кожуха закрывали листом, который приваривали ручной дуговой сваркой. Формовочную смесь подвергали сушке углекислым газом, после чего она становилась сухой и твердой.

Использование формовочной смеси из кварцевого песка и жидкого стекла дало положительные результаты при сварке других уникальных деталей и в экспериментальных работах при устройстве оболочки, внутри которой производилась электрошлаковая сварка. Широкое применение смесей даст большую экономию жидкого металла в результате ликвидации технологических приливов в отливках, подвергающихся последующей сварке.

Электрошлаковая сварка заняла ведущее место в сварочном производстве заводов тяжелого машиностроения. Для ее осуществления созданы специализированные участки. В перспективе наиболее целесообразно создавать специальные цехи электрошлаковой сварки.