СВАРНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Мелкосерийное производство деталей тяжелого и энергетического машиностроения

При изготовлении станин тяжелых прессов сварные соединения обычно выполняют путем полного проплавления всей толщины присоединяемого элемента (рис. 17.1,а). Это позволяет получать сварные соединения с минимальной концентрацией напряжений при относительно простой подготовке элементов под сварку, одна­ко требует проведения последующей термической обработки гото­вого узла или изделия. Иногда ограничиваются минимальными 12—201 177

в одном положении заготовки (рис. 17.2,5), а установка крышек 6, 7 и 8 и выполнение электрошлаковых швов (16) и многослойных швов (17), (18), (19)> (20), (21) и (22) —в другом (рис. 17.2,е).

При изготовлении деталей тяжелых машин завершающими опе­рациями является послесварочная термическая и механическая обработка. Рамы и станины с толщиной свариваемых элементов - более 100 мм, как празило, подлежат термообработке. При этом для деталей, эксплуатирующихся в условиях нормальных темпера-

тур и изготовленных из сталей, сохраняющих высокие пластические - свойства в зоне термического влияния, можно ограничиться прове­дением высокого отпуска. При более жестких условиях сварную деталь для улучшения свойств сварных соединений обычно перед высоким отпуском подвергают нормализации. Точность размеров, станин и рам в основном обеспечивается последующей механиче­ской обработкой.

Характерными примерами сварных валов большого размера могут служить валы крупных турбин. Конструкция валов гидрав­лических турбин проста — это массивная труба с одним или двумя фланцами. Заготовки обечаек обычно получают ковкой, заготовки фланцев — ковкой или иногда в виде стальных отливок. Так, валы Красноярской ГЭС (рис. І7.3) выполнены из кованых заготовок из стали 25ГС. На сборку среднего стыка обечайки 2 поступают после черновой механической обработки с припуском 20 мм на

7770

«о

последующую механическую обработку по внешнему и внутренне­му диаметрам. При сборке кольцевого стыка длинных валов необ­ходимо предусматривать некоторый излом оси в месте стыка с целью компенсации неравномерной поперечной усадки по пери­метру шва. Поэтому сборка стыка под электрошлаковую сварку выполняют с переменным зазором: 33 мм под карманом для наве­дения сварочной ванны и 38 мм в плоскости, повернутой на 90° от кармана в направлении вращения. После выполнения среднего стыка сваренные обечайки прохо­дят высокий отпуск и подверга­ются промежуточной механиче­ской обработке. Затем выполня­ют сборку и сварку стыков с фланцами 1 и 3. Чистовую меха­ническую обработку производят после нормализации и высокого отпуска.

При выполнении кольцевых стыков с весьма большой пло­щадью сечения трудно обеспе­чить непрерывность процесса сварки от начала до заварки замка. Такая непрерывность не­обходима как из соображений качественного выполнения шва (при нарушении процесса неиз­бежно возникновение песплавле - ния кромок и возможно образо­вание трещин), так и соблюде­ния размера и направления ожи­даемой сварочной деформации излома осей стыкуемых деталей.

Так как сварка может длиться десятки часов, то возникает опасность отказа аппаратуры и прежде всего выхода из строя мундштуков, направляющих электродную проволоку в свароч­ную ванну. Сменить мундштуки без остановки процесса невозможно, поэтому для сварки кольце­вых швов с большой площадью сечения используют специальную установку (рис. 17.4) с двумя дублирующими сварочными голов­ками. При выходе работающей головки из строя ее место тотчас занимает вторая головка и процесс сварки прерывается лишь на весьма непродолжительное время.

Валы газовых и паровых турбин изготовляют из жаропрочных сталей, что затрудняет получение заготовок большого размера с помощью литья и ковки. Поэтому крупные валы сваривают из поковок относительно небольшого размера и простой формы. Так,
на рис. 17.5 показан ротор газовой турбины, составленный из от­дельных дисков 4 и концевых частей 3 и 5. При разработке конст­рукции и технологии изготовления подобных изделий основными требованиями являются жесткое ограничение сварочных деформа­ций искривления продольной оси ротора и получение надежного проплавления швов при их односторонней сварке. Необходимость соблюдения жесткого допуска на искривление продольной оси ротора от сварки вызывается наличием внутренних замк­нутых полостей, смещение которых относительно оси вращения вызывает неуравновешенность. При высокой частоте вращения такая неуравновешенность совершенно недопустима, а устранить ее трудно из-за недоступности внутренних полостей для механической обработки. Поэтому необходимы точная сборка и прецизионная технология сварки.

Рис. 17.6. Конструкция стыка Рис. 17.7. Схема сварки рото-

кольцевого соединения вала ра газовой турбины

ротора турбины

Кованые заготовки дисков после механической обработки цен­трируются относительно друг друга направляющими поясками, требуемый размер зазора в разделке обеспечивается постановкой проставок. Собранные элементы плотно стягивают тягами 1 с ком­пенсирующими усадку пружинами 2, ив вертикальном положении ротор подают на сварку.

Однопроходная сварка не может обеспечить симметрии свароч­ных деформаций из-за неравномерности поперечной усадки по пе­риметру кольцевого шва, поэтому сварку выполняют многослойной. Полный провар в корне шва достигается специальной конструкци­ей разделки или применением остающихся кольцевых подкладок. Оригинальная конструкция стыка показана на рис. 17.6. Посадоч­ная ступенька у собираемых деталей и упорное кольцо из малоуг­леродистой стали толщиной 2 мм обеспечивают высокую точность сборки ротора и необходимую податливость стыка при сварке. Это весьма важно для предупреждения образования трещин в соеди­нении. Притупление разделки шва выбрано из условия получения полного провара корня шва. Специальные наклонные каналы уменьшают жесткость кромок при выполнении корневого слоя и 182

тем самым предотвращают образование в нем трещин, а также обеспечивают лучшие условия для ультразвукового контроля свар­ного соединения.

Первые слои швов выполняют при вращении ротора 3 от мото­ра I через редуктор 2 (рис. 17.7). Ротор 3 расположен вертикаль­но, чтобы исключить влияние силы тяжести. Обеспечить симмет­рию сварочных деформаций можно, выполняя каждый корневой шов одновременно двумя или тремя симметрично расположенными сварочными головками 4 вольфрамовым электродом в аргоне. За­тем в этом же положении ряд слоев укладывают плавящимся элек­тродом в среде СОг. После заполнения той части разделки, кото-

рая необходима для обеспечения определенной жесткости ротора, он переносится в центровой вращатель с горизонтальным располо­жением оси и основную часть разделки заполняют многослойной сваркой под флюсом в нижнем положении. Такая технология поз­воляет предотвратить искривление настолько, что биение сварен­ного вала не превышает 0,5 мм на длине 5 м.

Сварные колеса в тяжелом и энергетическом машиностроении достаточно разнообразны. Среди них рабочие колеса мощных гид­ротурбин выделяются как размерами, так и сложностью процесса изготовления. Так, например, рабочее колесо турбины Краснояр­ской ГЭС (рис. 17.8) имеет диаметр свыше 8 м, что намного пре­вышает габарит подвижного состава железных дорог. Поэтому изготовленное целиком в условиях Ленинградского металлического завода колесо от места расположения завода-изготовителя до ме­ста монтажа было доставлено водным путем.

Рабочее колесо состоит из верхнего и нижнего ободов и лопастей. После­довательность и содержание основных этапов процесса его изготовления по­казаны на рис. 17.9. Верхний обод выполнен из двух литых заготовок стали 20ГС-Л с максимальной толщиной 500 мм (рис. 17.9,о). Отливки проходят предварительную механическую обработку по всем поверхностям, за исключе­нием поверхности по наружному диаметру. Затем заготовки собирают в кольцо и устанавливают в вертикальное положение под электрошлаковую сварку, при­чем для компенсации неравномерности поперечной усадки по длине шва зазор в нижней части стыка задают в пределах 25—27 мм, а в верхней — 50—54 мм. После сварки верхний обод подвергают высокому отпуску и передают на ме­ханическую обработку, где внутреннюю поверхность обода обрабатывают окон­чательно, а остальные поверхности — с припуском. Лопасти рабочего колеса выполняют кокильной отливкой из стали 20ГС-Л. Требуемую точность формы обеспечивают рубочными и наплавочными работами с проверкой по простран­ственному шаблону и последующей шлифовкой. Для повышения стойкости про­тив кавитационного износа часть выпуклой поверхности лопастей облицовы­вают тонким слоем нержавеющей стали сваркой взрывом. После механической обработки торца, примыкающего к веохнему ободу, лопасти поступают на сборку.

Сборка начинается с разметки гладкой внутренней поверхности верхнего обода под установку лопастей по шагу и профилю. Четырнадцать лопастей по­следовательно устанавливают на верхний обо1* с соблюдением зазора в стыке (снизу 37 и сверху 47 мм) и закрепляют с помощью приварки скоб и техноло­гических жесткостей (рис. 17.9,6). Затем на верхнем ободе закрепляют ось с цапфами и с ее помощью собранный узел устанавливают на стойках спе­циального кантователя (рис. 17.9,е). Этим обеспечивается возможность поворо­та узла в положение, удобное для выполнения каждого стыка электрошлако - вой сваркой плавящимся мундштуком. Плавный переход от тела лопасти к телу верхнего обода задают соответствующей формой медных подкладок, охлаждае­мых водой; их крепление с помощью клиньев показано на рис. 17.9,г. После сварки и высокого отпуска на карусельном станке производят обработку тор­цов лопастей под сопряжение с нижним ободом и подготовку кромок под К-образную разделку.

Нижний обод собран из четырех гнутых заготовок из проката стали 22К толщиной 190 мім, как показано на рис. 17.9,5. После попарного выполнения стыков электрошлаковой сваркой и высокого отпуска обод подвергают механи­ческой обработке с припуском 15 мм по внешнему диаметру на чистовую обра­ботку. Общую сборку колЬса производят, как показано на рис. 17.9,<?. С по­мощью гидравлических домкратов нижний обод поднимали и вводили в сопря­жение с кромками лопастей. Сварка производится одновременно несколькими сварщиками в среде СОг. Сваренное колесо проходит полный цикл термообра­ботки— нормализацию и высокий отпуск, после чего выполняется окончатель­ная механическая обработка.

Применительно к изготовлению радиально-осевых колес круп­ных гидротурбин возможны и другие конструктивно-технологиче­ские решения. Так, рабочее колесо Плявиньской ГЭС выполнено из двух частей исходя из необходимости перевозки по железной дороге, причем заводская сварка выполнялась преимущественно 184

П

X

6j /4 шт.

Распорный диск

вручную. Так как рабочее колесо изготовлено из двух половин, то две лопасти, попадающие в плоскость разъема, разрезные. Конст­рукцией колеса предусмотрено соединение стыков верхнего обода на болтах, а нижнего — с помощью сварки. Такое решение опре­делялось, с одной стороны, невозможностью осуществить болтовое соединение нижнего обода из-за жесткого ограничения габаритов стыка, а с другой — стремлением избежать искажений оконча­тельно обработанной поверхности верхнего обода, которой он при­соединяется к фланцу вала гидротурбин. Стыки нижнего обода сварены ручной сваркой способом «поперечной горки» одновремен­но четырьмя сварщиками попарно «дуга в дугу». Подогрев до тем­пературы 120—200 °С производили с помощью индукторов. Эти же индукторы использовались для высокого отпуска стыков обода после сварки. Стыки разъемных лопастей сваривали многослойной сваркой вручную без подогрева.