устройство для сварки в среде защитных газов

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВАРКИ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ, содержащее сварочную горелку с корпусом, мундштуком, концентричным соплом и каналом для отсоса газов, отличающееся тем, что оно снабжено соединенными последовательно фильтром, осушителем, очистителем, газоохладителем, вентилятором, расходомером с вентилем и защитной камерой для наплавки тел вращения, имеющей цилиндрический корпус, выполненный разъемным по диаметральной плоскости с окном на всю длину образующей и шириной в 2 - 3 наружных диаметра корпуса горелки, при этом защитная камера соединена с каналом для отсоса газов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к дуговой наплавке плавящимся и неплавящимся электродами в защитных газах, а также к плазменной наплавке и может быть использовано в различных отраслях промышленности при упрочняющей, восстановительной, износостойкой и других видах наплавки деталей типа тел вращения.

Известно подкладное устройство для защиты корня шва, корпус камеры которого выполнен в виде незамкнутого полого цилиндра с окном на цилиндрической поверхности. Длина образующей цилиндра соизмерима с диаметром газораспределительной трубки. Торцовые стенки цилиндра, обращенные в сторону изделия, на открытом участке выполнены криволинейными с радиусом кривизны, большим радиуса цилиндра. Газораспределительная трубка развернута перпендикулярно оси цилиндра, изогнута по дуге, установлена симметрично относительно открытого участка камеры и повернута отверстиями сторону днища. Газоподвод осуществлен к середине газораспределительной трубки. Между краями открытой части камеры и свариваемым изделием имеется зазор 3-5 мм (авт. св. N 1424251, кл. B 23 K 9/16, опубл. 1985).

Газ, обтекая стенки корпуса, соприкасается с поверхностью изделия и вытекает в зазор. Устройство позволяет получить в зоне защиты избыточное давление защитного газа, что исключает подсос воздуха в зону.

К недостаткам устройства относится то, что изделие по отношению к камере находится снаружи, и камера в каждый данный момент времени обеспечивает защиту лишь некоторого ограниченного участка изделия. Кроме того, при работе устройства используется дефицитный защитный газ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является сварочная горелка, состоящая из корпуса, мундштука, электрода, сопла, расположенного внутри сопла канала для отсоса газов, сообщающегося непосредственно с приемной камерой инжектора.

Вследствие разрежения в приемной камере часть защитного газа, истекающего из сопла, отсасывается через канал и смешивается в камере смещения со свежей струей защитного газа. Конструкция горелки позволяет экономить дорогостоящий инертный газ за счет его циркуляции. Часть сварочных аэрозолей, содержащих значительный процент инертного газа, повторно используется для защиты.

К недостаткам сварочной горелки относится следующее. Сварочный аэрозоль при повторном использовании части защитного газа не очищается, что приводит к налипанию твердых частиц на газопередающей тракт горелки, снижению ее защитных свойств и преждевременному выходу из строя. Размеры участка детали, защита которого может быть осуществлена с использованием горелки, малы. При наплавке тел вращения (по спирали) изготовленных из высокоактивных материалов, основная часть наплавленного и нагретого до высокой температуры слоя оказывается незащищенным. Также незащищенными остаются прогретые ранее наплавленные слои и основной металл детали.

Задачей изобретения является улучшение защиты детали при дуговой и плазменной наплавке тел вращения (по спирали) при экономии защитного газа и эффективном отсосе сварочного аэрозоля из зоны наплавки.

Это достигается тем, что предлагаемое устройство для защиты деталей при наплавке тел вращения дополнительно содержит фильтр, осушитель, очиститель, газоохладитель, вентилятор, расходомер с вентилем, защитную камеру, с помощью газопередающих трубок соединенные последовательно с каналом для отсоса газа, причем незамкнутый разъемный корпус камеры с окном во всю длину образующей и шириной в 2-3 диаметра корпуса горелки выполнен по форме детали и охватывает ее с зазором в 5-10 мм.

При наплавке тел вращения в среде защитных газов эффективная защита зоны наплавки включает участок детали вблизи сопла. При удалении от сопла защитные свойства горелки быстро падают. Наплавка тел вращения может занимать время от десятков минут до нескольких часов в зависимости от размеров наплавляемой поверхности, количества наплавленных слоев, производительности процессов и пр. За это время средняя температура изделия постепенно повышается.

Кроме того, относительное перемещение горелки со скоростью наплавки, геометрически складывающееся из окружной линейной скорости детали и скорости перемещения горелки на шаг наплавки, приводит к быстрому смещению зоны защиты с разогретого участка детали. Это активизирует процессы взаимодействия материала детали и наплавленного слоя с окружающей средой и прежде всего с кислородом, азотом и водородом воздуха. В отсасываемых с помощью горелки аэрозолях содержится до 30% защитного газа. После очистки от твердых пылеобразных составляющих, воды, кислорода, азота, водорода и последующего охлаждения получаемый газ можно использовать для организации более полной, всесторонней и долговременной защиты детали.

Для организации эффективной всесторонней защиты детали в течение всего времени наплавки тел вращения можно использовать известные защитные свойства камер с подачей в них защитного газа. Однако конструкции камер предусматривают использование дефицитных и дорогостоящих защитных газов типа аргона и гелия, а также ограничивают наблюдение и вмешательство в процесс наплавки. В предлагаемом устройстве, в основном сохранившим высокие защитные качества камер, для обеспечения защиты металла шва и основного металла используются продукты переработки (регенерации) сварочных аэрозолей. Для снижения расхода используемых отходящих газов зазор между стенками камеры и деталью устанавливается на минимальном уровне. Для удобства наблюдения и вмешательства в процесс наплавки камера сверху узким открытым окном в длину образующей камеры и шириной, соответствующей диаметру зоны, в которой горелкой обеспечивается эффективная защита детали. Для удобства установки и съема детали в корпус камеры изготовлен разъемным.

В известном техническом решении сварочный аэрозоль частично улавливался и использовался самой горелкой для защиты зоны сварки, в предлагаемом частично улавливаемый аэрозоль используется для полной всесторонней защиты детали в течение всего времени наплавки с помощью камеры специальной конструкции.

Для обеспечения высокого качества наплавленного слоя, надежной и продолжительной работы устройство снабжено фильтром для очистки аэрозоля от твердых пылеобразных продуктов, осушителем для очистки от воды, а для снижения парциального давления вредных примесей в защитной камере очистителем получаемого газа от кислорода, азота и водорода. Нагретый в дуге аэрозоль после фильтрации дополнительно нагревается в очистителе и поэтому перед подачей в вентилятор охлаждается в газоохладителе. При этом увеличивается ресурс работы вентилятора и достигается более эффективное охлаждение детали в защитных газах. Последнее способствует понижению активности взаимодействия материала детали и наплавленного слоя с окружающей средой, в основном имеющего место после окончания наплавки с использование предлагаемого устройства.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для защиты деталей при наплавке тел вращения; на фиг. 2 горелка для наплавки в защитных газах; на фиг. 3 устройство, поперечный разрез.

Устройство содержит горелку 1, фильтр 2, осушитель 3, очиститель 4, газоохладитель 5, вентилятор 6, расходомер 7, газоподводящую трубку 8, защитную камеру 9, газораспределительную трубку 10, окно 11. Изделие обозначено позицией 12.

Горелка 1 имеет выходной штуцер, к которому через газоподводящую трубку подсоединен фильтр 2 для очистки сварочного аэрозоля от твердых пылеобразных составляющих. Фильтр представляет собой любое типовое устройство для тонкой очистки высокотемпературных газовых сред, осушитель 3, два соединенных газоподводящей трубкой сосуда один с силикагелем, другой с алюмогелем. Эти вещества обладают хорошими адгезионными свойствами и способны легко адсорбировать содержащиеся в газе пары воды. Очиститель 4 предназначен для очистки газа от примесей кислорода, азота и водорода. Он представляет собой реторту с титановой губкой или пиркониевой стружкой, нагреваемую в электрической печи до 850-920^оС (Петрунин И.Е. Лоцманов С.Н. Николаев Г.А. Пайка металлов. М. Металлургия, 1973, с. 225). При этой температуре водород сгорает в кислороде. При пропускании газа через нагретую титановую губку или циркониевую стружку остатки кислорода и азот химически связываются с титаном или цирконием.

Газоохладитель 5 выполнен в виде теплообменника со спиралевидным змеевиком, помещенным в проточную воду. Температура газа на выходе охладителя не превышает 50^оС. Маломощный вентилятор 6 вытяжного действия обеспечивает отсос сварочного дыма из зоны наплавки, протяжку газа через фильтр, осушитель, очиститель и газоохладитель с подачей его в защитную камеру с общим расходом до 50 л/мин. Мощность электродвигателя открытого, обдуваемого не превышает 1 кВт. Расходомер 7 имеет встроенный вентиль и предназначен для измерения и изменения расхода газа, подаваемого в защитную камеру. Поскольку расход газа небольшой рекомендуется использовать расходомеры поплавкового типа. Газоподводящие трубки 8 на участках газового тракта от горелки до фильтра, от фильтра до осушителя, от осушителя до очистителя и от очистителя до газоохладителя выполняются из материала с высокой жаропрочностью и жаростойкостью, например, из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. На остальных участках газового тракта из меди. Внутренний диаметр трубок 4-6 мм.

Защитная камера 9 выполнена по форме детали 12 с зазором 5-10 мм между корпусом камеры и наплавленным изделием. Корпус изготовлен из листового проката либо путем фасонного литья в виде емкости с открытым расположенным сверху окном 11 вдоль всей образующей камеры шириной b=(2-3)D_к.г., где D_к.г. диаметр корпуса горелки. Горелка имеет возможность свободного перемещения в окне камеры над деталью 12. Открытое окно позволяет осуществлять наблюдение и вмешательство в процесс наплавки, в том числе периодическую очистку сопла от брызг металла. Для удобства установки и съема детали корпус камеры изготовлен разъемным. Две одинаковые половины корпуса соединены шарнирно и герметично по стыку. Газораспределительная трубка 10 длиной, равной длине образующей корпуса камеры, выполнена в виде короба и его открытой частью прикреплена снаружи и снизу корпуса камеры 9. Подводимый газ равномерно распределяется по трубке и через отверстие в корпусе поступает внутрь камеры. Газоподвод осуществлен к середине трубки.

Сварочная горелка, представленная на фиг. 2, содержит корпус 13, мундштук 14, электрод 15, выходной штуцер 16, приемный штуцер 17, сопло 18, концентрично расположенный вокруг сопла канал 19 для отхода газов.

Поскольку горелка освобождена от функции циркуляции защитного газа, то в ее конструкции отсутствуют газоструйный инжектор, камеры приема и смещения, соединительный канал между приемной камерой и каналом для отсоса газом. В то же время конструкция горелки дополнена выходным штуцером 16 для соединения канала для отсоса газов 19 с газопередающей трубкой 8.

В предлагаемом устройстве сопло 18 горелки размещено ближе к ее оси симметрии, чем канал 19 для отсоса газов. В известном техническом решении (прототипе) газ, истекающий из сопла, разделяется на две части; идущий в канал для отсоса газов с расходом Q₁ и уходящий в атмосферу с расходом Q₂. Соотношение расходов Q₁ и Q₂ зависит от инжектирующих свойств горелки, положения среза сопла относительно поверхности детали и т.д. Газ из сопла с расходами Q₁ и Q₂ направляется в две противоположные стороны. Газ с расходом Q₂ входит в контакт с окружающей средой и в циркуляции не участвует.

В предлагаемом устройстве, за счет разрежения в канале для отсоса газов истекающий из сопла газ улавливается в расположенный вокруг сопла канал. В атмосферу попадает и повторно не используется меньший процент защитного газа, чем в прототипе. Тем самым сокращаются потери повторно используемого защитного газа. Реализация такой конструкции горелки стала возможной, благодаря введению в устройство осушителя 3 и очистителя газа 4 от кислорода, азота и водорода. При этом устройство не боится повышенного подсоса воздуха из атмосферы. Подсасываемый водяной пар удаляется осушителем, а кислород, азот и водород очистителем.

В отличие от горелки для дуговой наплавке плавящимся электродом в конструкции горелки для дуговой наплавки неплавящимся электродом вместо мундштука 14 имеет направляющийся катод, а в плазмотроне для плазменно-дуговой наплавки вместо одного сопла 18 два: внутреннее плазмообразующее и расположенное вокруг него наружное защитное.

Устройство работает следующим образом.

Для приведения устройства в рабочее состояние за 30-40 мин до начала наплавки включают печь подогрева очистителя 4, устанавливая температуру в печи на уровне 850-920^оС. Разнимают корпус защитной камеры 9 на две половины. В камеру устанавливают деталь 12 и закрепляют ее в манипуляторе. Совмещают половины камеры и герметизирует ее по шву, подают защитный газ.

Через приемный штуцер 17 и сопло 18 горелки защитный газ поступает в зону наплавки. Открывают вентиль расходомера 7 и в течение одной минуты продувают газовый тракт, включая защитную камеру. Устанавливают параметры режима наплавки, возбуждают дугу и ведут наплавку. За счет разряжения в газовом тракте, создаваемого вентилятором 6, аэрозоль через канал 19 для отсоса газов, выходной штуцер 16 и газопередающую трубку 8 поступает в фильтр 2,в котором происходит очистка дыма от твердых пылеобразных составляющих. При дальнейшем движении по тракту газ очищается от паров воды в осушителе 3, от кислорода, азота и водорода воздуха в очистителе 4. Поскольку в очистителе газ нагревается до температуры 850-920^оС, то далее он поступает в газоохладитель 5, где охлаждается до температуры, не превышающей 50^оС. Из охладителя газ отсасывается вентилятором 6 и нагнетается через ротаметр 7 в газораспределительную трубку 10 защитной камеры. В трубка происходит выравнивание давления газа по всей ее длине. Через равномерно распределенные отверстия газ из трубки поступает в корпус камеры 9 и получает преимущественное направление в зазоре между корпусом камеры и деталью 12 вверх к открытому окну 11 камеры. Далее газ постепенно вытекает через зазор в окно.

Поскольку ширина окна 11 не превышает 2-3 диаметров корпуса горелки D_к.г., то при диаметре детали D_д>> D_к.г. кромки окна 11 камеры оказываются выше верхней точки (зенита) детали. В этом случае кромки окна выполняют роль шторок, ограничивающих защищаемую зону детали с боков. Так как газ, выходящий из зазора, имеет преимущественно направление по касательной к поверхности детали, то двумя встречными потоками по поверхности вращения детали в окне камеры создается защитный газовый затвор. Эффективность затвора зависит от общего расхода защитного газа, устанавливаемого вентилем расходомера 7. В то же время содержание защитного газа в сварочном аэрозоле зависит от его поступления в горелку Q_з.г. Поэтому для дуговой наплавки расход газа Q_гпо показанию расходомера 7 устанавливают вентилем расходомера на уровне

0,3Q_з.г. Q_г 0,6Q_з.г. (1)

Меньшие значения Q рекомендуются для большой высоты подъема среза сопла над деталью Н_г= 5-5,5 мм и узком канале для отсоса газов шириной b=3-4 мм, большие значения Q_г для H_г=3,5-4 и b=8-10 мм. При плазменно-дуговой наплавке вместо формулы (1) используется выражение:

0,3(Q_з.г.+Q_пг) Q_г 0,6(Q_з.г.+Q_п.г.), (2) где Q_п.г. расход плазмообразующего газа.

Эффективность газовой защиты детали регулируется в зависимости от режима наплавки вентилем расходомера и оценивается известными методами.

Так как камера имеет открытое окно, через которое непрерывно вытекает защитный газ, то подпора газа в газовом тракте не происходит, за счет чего обеспечивается эффективный отсос аэрозоля из зоны наплавки.

Экономия защитного газа достигается за счет использования части сварочных аэрозолей тем, что часть сварочных аэрозолей поступает в канал для отсоса газов, откуда последовательно соединенные фильтр 2, осушитель 3, очиститель 4, газоохладитель 5, вентилятор 6, расходомер 7 и подается в камеру 9 для защиты детали. Таким образом, для всесторонней защиты наплавленного слоя и основного металла изделия используется не дефицитный и дорогой защитный газ из баллона, а уже использованный при наплавке защитный газ, содержащийся в сварочном аэрозоле. При этом расход защитного газа из баллона, идущего на работу защитной камеры, сокращается на 100% В то же время представляется возможным увеличить площадь защищаемой поверхности детали до 100%

П р и м е р. В качестве примера использования устройства является установка для наплавки тел вращения, изготовленных из активных материалов (титан и его сплавы).

Основными элементами установки являются: сварочная горелка с неплавящимся электродом, снабженный концентричным соплом для отсоса газов, система очистки и защитная камера последовательно соединенные между собой.

Параметры установки:

Сварочный ток 50-300 А

Диаметр защитного сопла горелки 12 мм

Диаметр сопла для отсоса газов 32 мм

Диаметр камеры 350 мм

Расход газа (аргон) 10-15 л/мин

В систему очистки газа входят фильтр сеточный с асбестовой набивкой, осушитель двойной силикогелевоалюмогелевый; очиститель с титановой губкой.

Работа на установке включает три этапа:

Подготовительный.

Изделие устанавливается в камеру, а горелка подводится к месту начала наплавки. Включается подача защитного газа в горелку.

Камера заполняется инертным газом, истекающим из сопла горелки и поступающим из системы очистки.

Рабочий.

После заполнения камеры аргоном через 2-3 мин начинается процесс наплавки. В процессе наплавки контролируется поступление газа в камеру с помощью ротаметра РС-3 и поступление газа в горелку ротаметром РС-5. Соотношение расхода газов защитного и прошедшего очистку должно быть равным 1:0,3:1:0,6.

Заключительный.

После окончания наплавки отключается дуга, а система подачи защитного газа переключается на систему очистки. Это позволяет поддерживать защитную атмосферу в камере до остывания детали до температуры 400^оС. Контроль защиты детали в камере визуальный цвет поверхности наплавленной детали должен быть от светло-серого до светло-соломенного.

Применение предложенной конструкции устройства позволяет осуществить эффективный отсос сварочного аэрозоля из зоны наплавки не только за счет создания в зоне наплавки принудительного оттока, но и за счет размещения канала для отсоса газов снаружи сопла. В связи с этим увеличить отсос и последующее использование отработанных защитных газов, содержащихся в аэрозоле, увеличить ресурс работы горелки за счет устранения движения аэрозоля в канале сопла и предотвращения быстрого забивания его твердыми составляющими; увеличить площадь одновременно защищаемой поверхности наплавленного слоя и основного металла детали до 100% за счет частичного использования отработанного газа в защитной камере и создания заградительного газового барьера в окне камеры, а также исключить расход газа из баллона для организации всесторонней защиты детали; осуществлять продолжительную непрерывную работу устройства за счет аэрозоля от вредных составляющих: пыли, воды, кислорода, водорода и азота; увеличить до 100% защищаемую площадь детали и продолжительность защиты детали; улучшить качество наплавленного слоя за счет увеличения полноты и продолжительности защиты детали, а также исключения взаимодействия жидкой металлической ванны, нагретых до высокой температуры наплавленного и основного металла с кислородом, азотом, водородом и влагой окружающей атмосферы. Последнее становится возможным за счет исключения их контакта. При циркуляции защитного газа в известной горелке (прототипа), захватываемый со сварочным аэрозолем, воздух вместе со свежим защитным газом попадает на жидкую металлическую ванну и нагретые до высокой температуры наплавленный и основной металл детали. В предлагаемом устройстве защитный газ в зону наплавки поступает непосредственно из баллона и примесь окружающего воздуха в нем исключается. Отработанный же газ поступает в защитную камеру очищенным от кислорода, азота, водорода и влаги.

Устройство позволяет повысить регулируемость процесса за счет обеспечения возможности контроля и регулирования расхода отсасываемого сварочного аэрозоля, осуществлять удобный контроль и оперативное вмешательство в процесс наплавки за счет использования открытого окна защитной камеры.

Технико-экономический эффект состоит в исключении расхода защитного газа на всестороннюю защиту изделия, увеличении срока службы сопл горелки в 2-3 раза (по сравнению с прототипом), улучшении качества наплавленного слоя, повышении качества контроля и управления процессом наплавки, а также в улучшении санитарно-гигиенических и эргономических условий труда в результате снижения концентрации вредных сварочных аэрозолей в атмосфере и удобства обслуживания установки.