Сосуды, работающие под давлением

При изготовлении сосудов приходится выполнять прямолинейные, кольцевые и круговые стыковые швы. В зависимости от толщины стенок приемы выполнения каждого из них имеют свои особенности; разнообразна и применяемая оснастка.

Сварка тонкостенных сосудов

Швы тонкостенных сосудов, как правило, выполняют в среде защитных газов. Сборку рекомендуется производить с помощью зажимных приспособлений — надежное прижатие свари­ваемых кромок к подкладке позволяет выполнять одностороннюю сварку в приспособлении без прихватки. При сборке и сварке прямолинейных швов между листами и продольных швов обечаек равномерное и плотное прижатие кромок к подкладке осуществляется зажимными приспособлениями клавишного типа. Усилие прижатия обычно составляет 300–700 Н на 1 см длины шва и создается гидравлическим или пневматическим устройством (рисунок 110). На верхнем основании жесткого каркаса закреплен ложемент 6 с подкладкой 5. Прижим свариваемых кромок осуществляют раздельно для каждого листа через набор клавиш 3, укрепленных на балках 1. Давление на клавиши передается пневмошлангами 2 и регулируется редуктором. Установка и прижатие листов производятся в такой последовательности: поворотом эксцентрикового валика 7 из подкладки выдвигаются фиксаторы 4, после чего до упора в них (справа по рисунку) заводится листовая заготовка и зажимается подачей воздуха в шланг. Затем фиксаторы убираются и до упора в кромку заготовки устанавливается другая заготовка и зажимается подачей воздуха в шланг 2.

Рисунок 110 – Приспособление для сборки и сварки прямолинейных стыков тонколистовых элементов

При сборке и сварке продольных стыков обечаек основание приспособления выполняют в виде консоли, прижимные балки с клавишами закрепляют к ним одним концом жестко, а другим концом — посредством откидных болтов.

Продольные швы вызывают нарушение прямолинейности образующих тонкостенных обечаек и уменьшение кривизны в зоне шва в поперечном сечении (рисунок 111). Для исправления таких сварочных деформаций широко используют прокатку роликами.

Рисунок 111 – Характер деформаций обечайки от продольного шва

При выполнении кольцевых стыков тонкостенных сосудов из материалов, мало чувствительных к концентрации напряжений, используют остающиеся подкладные кольца, которые облегчают центровку кромок и их одностороннюю сварку. Для ряда высокопрочных материалов такой прием оказывается неприемлемым. В этом случае кольцевые стыки собирают и сваривают на съемных подкладках разжимных колец. Однако надо учитывать, что из-за подогрева кромок впереди сварочной дуги они расширяются и отходят от подкладного кольца в радиальном направлении, что может приводить к смещению кромок или образованию домика. В тонкостенных сосудах, работающих под давлением, смещение кромок в стыковом шве — опасный концентратор, и при изготовлении необходимо принимать меры по их предотвращению или устранению. Для прижатия кромок можно применять наружные стяжные ленты, однако их приходится располагать на некотором расстоянии от оси стыка и перемещения предотвращаются лишь частично. Более эффективно оказывается прижатие кромок к подкладкам роликом, перекатывающимся по поверхности стыка непосредственно перед сварочной дугой. Прижим не дает возможности кромкам оторваться от поверхности подкладного кольца в месте образования сварного соединения. Приспособление для прижатия кромок обечаек (рисунок 112) закреплено на консоли сварочной головки. Прижимные ролики опираются на обе свариваемые кромки, выравнивая их и прижимая к подкладному кольцу с помощью пружины.

1 — прижимные ролики; 2 — присадочная проволока

Рисунок 112 – Схема приспособления для прижатия кромок к подкладному кольцу перед сварочной головкой

Для сварки стыка обечаек можно использовать также схему, при которой стык выполняется изнутри обечайки. В этом случае зона кольцевого шва охватывается жестким бандажом, вращающимся при сварке вместе с изделием, а сварка первого прохода выполняется изнутри обечайки. Напряжения сжатия, возникающие в зоне нагрева, стремясь увеличить длину свободной кромки стыка, прижимают ее к наружному кольцу бандажа.

Деформации от кольцевого шва для большинства материалов уменьшают диаметр обечайки. Такое сокращение зоны шва хорошо поддается исправлению прокаткой роликами. При сварке алюминиевых сплавов диаметр обечайки в зоне кольцевого шва, выполненного на подкладном кольце, может оказаться не только не меньше, но даже больше первоначального размера. Рассмотренный выше прием прижатия кромок к подкладному кольцу роликом, расположенным перед сварочной головкой (см. рисунок 112), позволяет практически полностью предотвратить такое увеличение диаметра при сварке стыков обечаек из алюминиевых сплавов.

Особое внимание приходится уделять конструктивному оформлению и технологии выполнения замыкающего кольцевого шва сосуда. При наличии лазовых отверстий или патрубков значительного размера внутрь сосуда можно ввести разборное разжимное кольцо. В этом случае одностороннюю сварку замыкающего шва выполняют на съемной подкладке по обычной технологии. Задача усложняется, если размеры отверстий патрубков малы. Если остающееся подкладное кольцо является слишком резким концентра- тором и его использовать нельзя, то приходится осуществлять одностороннюю сварку на весу. Соединение элементов арматуры (фланцы, штуцера) со стенкой сосуда обычно делают стыковым, допуская соединение угловыми швами или рельефной сваркой только для материалов, мало чувствительных к концентрации напряжений. Стыковые круговые швы выполняют односторонней сваркой на подкладке с канавкой. Вид сборочно-сварочной оснастки и конструктивное оформление стыка определяются необходимостью плотного прижатия кромок к подкладке, предотвращения их перемещений в процессе сварки и устранения сварочных деформаций, приводящих к местному искажению формы оболочки в зоне шва. В зависимости от формы поверхности стенки сосуда (сферической или цилиндрической), материала и толщины свариваемых элементов конструктивно-технологические решения могут быть различными. Например, при вварке фланца в сферический сосуд целесообразно использовать соединение с буртиком, показанное на рисунке 113. Технологический буртик предназначен для передачи усилия прижатия фланца на оболочку, обеспечения их соосности и повышения жесткости кромки фланца. Наличие буртика позволяет упростить прижимное приспособление, так как усилие прижатия прикладывается только к фланцу, и предотвратить смещение кромок в процессе сварки, а также уменьшить местные искажения формы оболочки, возникающие в результате усадки кругового шва.

Рисунок 113 – Сборка фланца с оболочкой при наличии технологического буртика на фланце

При небольших размерах сосуда или того элемента, в который вваривается деталь арматуры, сварку кругового шва целесообразно осуществлять неподвижной сварочной головкой при вращении приспособления с закрепленным свариваемым стыком. При вварке арматуры в узел значительных размеров круговой шов более удобно выполнять сварочной головкой, перемещающейся по поверхности элемента оболочки, закрепленного неподвижно.

В крупносерийном производстве тонкостенных сосудов (тормозные резервуары, пропановые баллоны) для выполнения сборочных и сварочных операций применяют специальные полуавтоматические установки. В них для сборки и сварки продольного стыка обечайки необходимо выполнять следующие операции: приемку обечайки, ориентирование стыка, прижатие его к подкладке симметрично относительно формующей проплав канавки, выполнение шва, освобождение обечайки от зажатия и ее сброс.

Например, полуавтоматическая установка, предназначенная для сборки и сварки обечайки тормозного баллона с днищами, работает на ЗИЛе. Отбортовка днища имеет конусную поверхность, что облегчает механизацию сборочной операции. На рисунке 114, а можно видеть расположение захватов, закрепленных на валу с шаговым поворотом на 90°. Ориентирование и подача обечайки и двух днищ на позицию I производится оператором, остальные операции выполняются автоматически. Захваты 1 зажимают обечайку, а пневматические цилиндры с магнитными улавливателями 2 обеспечивают запрессовку днищ в обечайку (рисунок 114, б). Собранный сосуд подается на сварочную позицию 11, где он освобождается от зажатия после того, как захватывается с торцов деталями вращателя 4 (рисунок 114, в). Совмещение электродов сварочных головок 3 с плоскостью вращения каждой ступеньки нахлесточного соединения осуществляется искателем, выключающим движение головки в осевом направлении в момент совпадения ее со ступенькой нахлестки. Сварку осуществляют за один оборот с некоторым заданным перекрытием. Окончание сварки служит сигналом для включения захвата 1, освобождения от вращателя 4 и совершения шагового поворота. Сброс сосуда достигается раскрытием захвата под действием силы тяжести на позиции 111 (рисунок 114, а).

в г

а – расположение захватов; б – схема выполнения сборочной операции;
в – схема выполнения сварочной операции, в – станок для сварки кольцевых швов, г – станок для сварки продольных швов

Рисунок 114 – Станок-полуавтомат для сборки и сварки баллонов