Файл: Биметаллические трубы..pdf

предела текучести, контактные давления Рк были рассчитаны в за­ висимости от температуры обработки и рабочего давления Рр (табл. 20).

Т а б л и ц а 20

Контактные давления при разных температурах

Расчет вели по формуле,

Рк = Рр— 1,15(Ут.т1П-^-.

На рис. 63 показана зависимость <тср = f (Рк; Т; т).

Увеличение температуры, контактного давления и временй вы­ держки приводит к росту прочности сварки до определенного пре­ дела, после которого она падает.

133

Увеличение времени выдержки при температуре 1100° С до 90 мин при контактных давлениях до 80 МН/м2 (8 кгс/мм2^ несколько повы­ шает прочность сварки по сравнению с выдержкой в 35 и 60 мин. Однако с повышением контактного давления уже до 100 МН/м2 (10 кгс/мм2) прочность сварки слоев при выдержке 90 мин становится ниже, чем при 35 и 60 мин. Это объясняется значительным ростом де-

формации слоев с увеличением времени выдержки под действием

постоянного рабочего давления.

Наибольших значений прочность сварки достигает при следую­ щем режиме термодиффузионной обработки с внутренним подпором:

Металлографическое исследование зоны сварки было проведено на шлифах, вырезанных в продольном и в поперечном направлениях на обоих концах труб. Часть труб подвергали исследованию по всей

134

Длине. Качество сварки изучали на нетравленых шлифах с помощью оптического микроскопа.

Критерием качества сварки являлось отсутствие пор, расслоений, окислов, крупных неметаллических включений и других дефектов на границе слоев.

Качество сварки слоев биметаллических труб, полученных путем термодиффузионной обработки, как при а н >осв, так и при ссн < а в,

Толщина слоя. мим

было удовлетворительным. Граница сварки чистая, ровная, четко выраженная (рис. 64, а). На границе сварки в сторону армко-железа наблюдается зона повышенной травимости глубиной до 5 мкм, сви­ детельствующая о диффузии легирующих элементов из стали ЭИ847 в армко-железо (рис. 64, б). Это подтверждается и результатами из­ мерения микротвердости по сечению трубы.

Глубина диффузионной зоны с повышением температуры терми­ ческой обработки и времени выдержки растет.

Твердость меняется в диффузионной зоне стали ЭИ847 и армкожелеза, а в остальной части стенки трубы твердость практически остается без изменений (рис. 65).

Изменение твердости в армко-железо начинается примерно на расстоянии 20—25 мкм от границы, а в стали ЭИ847 — на расстоянии 10—15 мкм. По изменению микротвердости можно судить о ширине диффузионных зон. В стали ЭИ847 максимум твердости наблюдается на расстоянии 5 мкм от границы сварки, после чего она резко падает.

Повышение твердости вблизи границы сварки объясняется диф­ фузией углерода из армко-железа в сталь ЭИ847 и легирующих эле­ ментов, в особенности хрома, из стали ЭИ847 в армко-железо. По мере уменьшения концентрации легирующих элементов при удале­ нии от границы сварки твердость понижается.

Термодиффузионную сварку в промышленных условиях осуще­ ствляют по установленным режимам в печах с защитной атмосферой. Так, двухслойные трубы из стали ЭИ847 + армко-железо проходят

тёрмодиффузионную обработку при наружном плакирующем слое (армко-железа) в камерной печи в баллонах с продувкой диссоцииро­ ванным аммиаком либо в проходной печи с защитной атмосферой. Продувка обеспечивает вынос из баллона углеродсодержащих га­ зов, образовавшихся при нагреве до температуры 600° С в резуль­ тате возгонки остатков смазки, которые находились в неровностях поверхности. В случае обработки труб в баллоне с несменяющейся атмосферой нержавеющий слой науглероживается и становится склонным к межкристаллитной коррозии.

Режим термодиффузионной обработки труб с наружным плаки­ рующим слоем, установленный на основании изложенных выше ис­ следований, следующий: температура нагрева t = 1050— 1075° С, выдержка г = 60 мин.

В случае расположения армко-железа внутри термодиффузион­ ную обработку проводят в муфеле камерной или проходной печи. Внутрь трубы с переходником-удлинителем подается защитный газ (аргон) под давлением Р 0 = 0,7-т-0,9 МН/м2 (7—9 кгс/см2). При нагреве до рабочей температуры давление повышается. С помощью вентиля высокого давления и манометра, смонтированных на пере­ ходнике-удлинителе, внутреннее давление поддерживается в задан­ ных пределах. Режим обработки труб следующий:

для труб размером 65 X 5,5 мм (h5 = 2 мм) температура нагрева

26кгс/см2).

Повышение давления при обработке труб размером 65 X 6,0 мм

(hb = 1,1 мм) объясняется большей прочностью наружного слоя. Трубы из углеродистой стали, плакированные внутри медью или бронзой, без обезжиривания подвергают нагреву для термодиффу­ зионной обработки в проходной печи с защитной атмосферой по режиму:

ИЗГОТОВЛЕНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ

Первое упоминание о сварке металлов (пластин) взрывом отно­ сится к 1959 г. В 1961 г. была предложена схема сварки Пирсона

сиспользованием обычного плоского кумулятивного заряда. Работы

вэтом направлении проводились в нашей стране в 1946— 1947 гг. группой ученых во главе с акад.'М. А. Лаврентьевым. Созданная им гидродинамическая теория кумуляции полностью применима в этом случае. Процесс соударения плоских образцов, предварительно ориентированных под углом, сопровождается развитием весьма вы­ соких давлений, в десятки раз превосходящих временное сопротив-

136

ление разрыву метаемых материалов. Учитывая высокие скорости движения частиц металла, последний можно считать идеальной не­ сжимаемой жидкостью. Во время соударения часть металла с вну­ тренних поверхностей уносится в виде кумулятивной пелены. Основ­

ная часть металла образует металлический «пест», который и яв­ ляется монолитным металлом, образованным сваркой взрывом.

В опытах М. А. Лаврентьева были использованы двухслойные конические кумулятивные оболочки и получены биметаллические «песты» из стали и меди, которые следует счи­ тать образцами биметалла, сваренного взрывом.

Сварка пластин взрывом по этой схеме впер­ вые была осуществлена в нашей стране. Техно­ логия процесса следующая. Нижнюю пластину устанавливают горизонтально на жестком основании. Верхняя пластина ориентируется относительно нижней под определенным углом. Слой взрывчатого вещества (в. в.) размещается в плотном картонном корпусе на верхней плас­ тине и возбуждается инициирующим импуль­ сом со стороны, меньшего угла. Для фикси­ рования метаемой пластины в заданном поло­ жении над «ижней используются столбики из легкодеформируемых материалов. С целью предохранения поверхности контактируемого с в. в. металла от удара продуктов в. в. над плас­ тиной размещается слой инертного заполнителя. В настоящее время эта схема является основ­ ной при изготовлении листового биметалла [67].

В 1961 г. впервые в нашей стране был разработан способ сварки биметаллических труб с использованием энергии взрыва.

По этой схеме сварку взрывом осуществляют при параллельном расположении соударяемых контактных поверхностей труб. При вну­ тренней плакировке (рис. 66) наружную трубу 1 помещают в массий-

137

трубы. Эта соосность достигается введением заряда в инертную массу, которой предварительно заполняется полость внутренней трубы. Подрыв заряда осуществляется с одной стороны.

При наружной плакировке (рис. 67) метанию подвергается на­ ружная труба 1 взрывом заряда 4. Устойчивость трубы 2 в процессе взрыва достигается введением инертного заполнителя в полость вну­ тренней трубы. Трубы центрируются кольцом 3 и клиньями 5.

Технологические схемы сварки взрывом

Для получения труб, плакированных изнутри, деформации взры­ вом подвергается внутренняя труба. Для разгона внутренней трубы до оптимальной скорости между внутренней поверхностью наруж­ ной трубы и наружной поверхностью внутренней трубы выбирается оптимальный зазор б. С целью предотвращения деформации наруж­ ной трубы и обеспечения всей системе максимальной степени жест­ кости в процессе соударения сопряженных поверхностей сочлененная заготовка помещается в специальный контейнер. В процессе взрыва линейно-распределенного цилиндрического заряда в. в., располо­ женного в канале трубы, наблюдается одномерное осевое истечение газа. Во избежание возможного прорыва газа в полость сочленения внутренняя труба берется несколько длиннее наружной с таким расчетом, чтобы истекающие газы, деформируя выступающие концы внутренней трубы, закрывали доступ в зону сочленения. Для строго соосного размещения труб применяются центрирующие кольца из легкодеформируемых материалов (см. рис. 66). Подрыв заряда осу­ ществляется при помощи капсуля-детонатора, расположенного в цен­ тральной части заряда. Перед сочленением контактные поверхности труб подвергают механической обработке (очистке кардной лентой) и обезжиривают.

Вышеописанная схема позволяет получать биметаллические заго­ товки практически из любых сочетаний металлов [11— 13, 15, 16].

В процессе метания внутренней трубы продуктами взрыва участки, более удаленные от торца, где производится инициирование заряда, испытывают более длительное действие давления продуктов взрыва вследствие более позднего прихода волны разгрузки. В ре­ зультате этого происходит обгон в скорости сечениями, более уда­ ленными от торца, сечений, менее удаленных. Так, при зазоре б = = 3 мм и А = 2,5 мм участок обгона равен примерно 120 мм. Процесс соударения контактных поверхностей начинается на расстоянии 120— 130 мм и в дальнейшем движение границы соударения совпадает с направлением распространения фронта детонации с некоторым от­ ставанием во времени, что сопровождается вытеснением воздуха из зоны соударения металлов. Так как в начальных участках трубы уже произошло соударение, вызывающее сварку металлов на длине 8—10 мм (краевой эффект), то происходит закупорка воздуха между трубами, что препятствует процессу сварки металлов. Таким обра­ зом, возникающая несплошность сварки по длине трубы обусловлена

138

спецификой развития и действия взрыва. Указанная особенность сварки труб взрывом ставит вопрос о приемлемости данного метода в технологии производства биметаллических труб. Однако исследо­

вания показали, что описанная схема процесса может быть реали- ц зована на практике в случае, когда действие волн разгрузки мини­ мально сказывается на распределении скоростей движения стенки трубы, метаемой продуктами взрыва. Так, при уменьшении зазора б между трубами до 1,25— 1,5 мм величина зоны непривара составляет всего 20—40 мм со стороны инициирования заряда, что вполне до­ пустимо при изготовлении биметаллической заготовки длиной 500— 1000 мм.

Таким образом, существует оптимальная величина радиального перемещения трубы при заданной скорости метания и величине на­ чального импульса, обеспечивающая режим сварки взрывом в тру­ бах при минимальном действии волн разгрузки.

Сцелью устранения неоднородности деформации трубы по длине,

визвестной мере способствующей образованию зон несплошности сварки, обычно используют нагружение трубы по схеме развития взрыва в «замкнутом объеме». В этом случае истечение продуктов взрыва ограничивается опорными плитами определенной массы.

Деформация трубы в линии сцепления в названных условиях отличается относительной однородностью. Стеснение продуктов в. в.

восевом направлении позволяет увеличить во времени действие им­ пульса на стенку трубы. Регулируя массой опорных плит, можно добиться установления такого режима сварки, при котором обеспе­ чивается процесс схватывания металлов по всей длине трубы раньше, чем начнется осевое истечение продуктов взрыва. Другими словами, процесс сварки металлов происходит во времени раньше, чем ока­ жут свое действие волны разрежения. В таких или подобных усло­ виях обеспечивается движение границы сварки в одном направлении, совпадающем с направлением движения фронта детонационной волны.

Работы по изготовлению биметаллических трубных заготовок по вышеприведенной схеме дают вполне удовлетворительные резуль­ таты. Трубы в линии сцепления имеют одинаковую степень дефор­ мации при отсутствии зон непривара.

Таким образом были получены биметаллические заготовки сталь

Х18Н10Т + сталь 12МХА размером 50 X 6 X 800 мм и сталь 10 + + медь МЗр размером 82 х 12 х 900 мм.

Расчет технологических параметров процесса сварки труб взрывом

С учетом механической обработки труб определяется внутренний диаметр контейнера

139