Анализ конструкции диффузора

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Описание изделия и условий его эксплуатации

Газосборник - противоточно-петлевой, диффузорный, служит для организованного подвода рабочих газов из камеры сгорания на вход турбины. Т.е. изменяет направление газового потока, поступающего из камеры сгорания на вход в турбину, и выравнивает температурное поле рабочих газов.

Узел газосборника состоит из кожуха с улитой и самого газосборника, установленного в кожух при помощи шести фиксаторов.

К боковому фланцу на улите присоединяется с помощью болтового соединения труба перепуска воздуха. Внутри улиты установлен диффузор. Основной задачей диффузора является ограничение отбора воздуха.

Рисунок 1.1 - Диффузор

Диффузор состоит из следующих составных частей, рисунок 1.1:

1. Диффузор - 1 шт.

2. Горло - 1 шт.

3. Переходник - 1 шт.

4. Штуцер - 1 шт.

5. Трубопровод - 1 шт.

Диффузор является составляющим системы перепуска воздуха и дает сигнал для управления клапаном перепуска, который отбирает воздух для потребителя или направляет прямо в выхлопной патрубок в зависимости от режима работы двигателя.

Все детали диффузора свариваются при помощи сварки плавлением. К сварным швам предъявляются требования герметичности.

Характеристика условий эксплуатации изделия

Высота, м		0	4500	9000
t, 0С.		+50	+15	-50	+50	+15	-50	+50	+15	-50
Параметры отбираемого воздуха	P, кПа	420	480	559	275	294	324	157	172	177
	T, 0С.	290	250	190	250	220	185	210	195	185

На диффузор действуют незначительные механические нагрузки. Диффузор работает в активных средах, содержащих продукты сгорания топлива.

2. Анализ конструкции диффузора на технологичность

2.1 Общие сведения

Технологичность конструкции изделия есть совокупность свойств конструкции изделия, определяющих её приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Отработка конструкции изделия на технологичность заключается в придании конструкции такого комплекса свойств, при котором достигается повышение производительности труда при минимизированных затратах всех видов ресурсов при производстве, эксплуатации и ремонте изделия.

Важнейшим условием снижения затрат в сварочном производстве является выбор рационального варианта конструкции и принципиальной технологии ее изготовления.

Анализ технологической рациональности конструкции в сварочном производстве проводится с позиций следующих основных требований [6]:

- требований к основному материалу с оценкой его свариваемости;

- требований к характеру конструкции;

- требований к способу получения неразъемных соединений;

- требований к сварным соединениям;

- требований к точности изготовления изделия и величине остаточных сварочных напряжений и деформаций.

2.2 Обоснование выбора материала конструкции и его характеристика

Учитывая назначение и условие эксплуатации диффузора, для его изготовления следует использовать материалы, обладающие следующими свойствами:

высокой коррозионной стойкостью;

повышенной пластичностью и ударной вязкостью одновременно с высокой прочностью;

стойкостью против разрушения под действием знакопеременных нагрузок;

хорошей свариваемостью;

способностью к вытяжке, гибке, отбортовке и другим операциям холодной и горячей штамповки.

Из всего многообразия конструкционных материалов в данном случае наиболее предпочтительным является применение нержавеющих сталей, сочетающих в себе все выше перечисленные свойства.

Нержавеющими сталями называют большую группу хромистых, хромоникелевых и хромомарганцево-никелевых сталей с содержанием свыше 12% хрома, сохраняющих при воздействии атмосферы светлый металлический блеск, т.е. нержавеющие свойства.

Чем выше содержание хрома в данных сталях, тем выше их коррозионная стойкость в атмосферных условиях и ряде коррозионных сред. Кроме хрома, в нержавеющие стали вводят никель, марганец, углерод, молибден, вольфрам, ниобий и другие элементы для придания им специальных свойств (повышенной коррозионной стойкости в агрессивных средах, высоких механических свойств, определенных физических свойств) и структуры.

Важнейшими структурными составляющими нержавеющих сталей являются: твердые растворы, содержащие железо и другие элементы, обладающие пространственной решеткой б - железа (феррит); твердые растворы, содержащие железо и другие элементы, имеющие пространственную решетку г - железа (аустенит); продукты частичного или полного распада твердых растворов, сложные хромсодержащие карбиды, неметаллические включения и другие.

Нержавеющие стали при соответствующем легировании и термообработке обладают высокой коррозионной стойкостью при комнатных и повышенных до 800°С температурах как в атмосферной и газовой среде, так и в чистых и водных растворах кислот и щелочей. Особенно широкое распространение нержавеющие стали получили в газотурбинных установках при изготовлении камер сгорания, корпусов турбин, реактивных сопел, лопаток и дисков осевых компрессоров. В этих случаях их используют главным образом в качестве жаростойкого и жаропрочного материала [5].

Наибольшее применение в промышленности среди нержавеющих сталей получили хромоникелевые стали марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, различающиеся между собой содержанием углерода, никеля и отношением титана к углероду.

Данные стали используют в сварных конструкциях, работающих в контакте с азотной кислотой и другими средами окислительного характера; некоторых органических растворителях, атмосферных условиях и т.д. Из сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т изготавливают емкостное, теплообменное и реакционное оборудование Химический состав сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Химический состав сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, % (по ГОСТ 5632-72)

Марка стали	С	Si	Мn	Cr	Ni	S	Р	Ti
12Х18Н9Т 12Х18Н10Т	<0,12 <0,12	<0,8 <0,8	<2,0 <2,0	17,0-19,0 17,0-19,0	8,0-9,5 9,0-11,0	<0,020 < 0,020	<0,035 <0,035	5мС - 0,8 5мС - 0,8

Стали 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т обладают достаточной коррозионной стойкостью против межкристаллитной коррозии. При непрерывной работе стали устойчивы против окисления на воздухе и в атмосфере продуктов сгорания топлива при температуре до 900°С и при работе в условиях теплосмен до 800°С. Данные стали имеют также высокую жаростойкость в интервале 600 - 800°С.

Стали 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т сочетают умеренную прочность при комнатной температуре с достаточно высокой пластичностью (у_в = 660 МПа, д = 45%).

Стали 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т хорошо свариваются всеми видами ручной и автоматической сварки. Сварные соединения обладают высокой коррозионной стойкостью к общей и межкристаллитной коррозии в 65%-ной азотной кислоте при 70 - 80°С, повышенной пластичностью и прочностью [6].

Таким образом, замечательное сочетание коррозионной стойкости и необходимых механических свойств, хорошая свариваемость и достаточно высокие прочность и пластичность сварных соединений служат основанием использовать стали 12X18Н9Т и 12Х18Н10Т для изготовления расходомерной трубы.

Однако эти стали содержат значительное количество дорогостоящего и дефицитного никеля. Снижение расхода никеля и сохранение стоимости изделия на прежнем уровне, может быть достигнуто применением сталей Fe-Cr-Mn системы, в которых марганец частично или полностью замещает никель. Стали данной системы вполне могут конкурировать с хромоникелевыми сталями типа 18-10, если учесть различие мировых цен на никель и марганец, а также присущий марганцовистому аустениту благоприятный комплекс свойств.

Экспериментально установлено [8], что замена сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т хромомарганцево-никелевой сталью 12Х17Г9АН4 позволит больше, чем в 2 раза сократить расход никеля и уменьшить вес конструкции при сохранении достаточного сопротивления коррозии в средах слабой и средней агрессивности.

Проведем оценку соответствия стали 12Х17Г9АН4 назначению и условиям эксплуатации диффузора.

Данную сталь используют для изготовления изделий, длительно работающих в атмосферных условиях при температурах до 400°С и кратковременно в тех же условиях при температурах до 800°С, а также в контакте с топливом.

Сталь 12Х17Г9АН4 хорошо сваривается всеми видами сварки. Сталь 12Х17Г9АН4 обладает высокой коррозионной. К межкристаллитной коррозии данная сталь более склонна, чем стали 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т[8].

Сравним механические свойства сталей 12Х17Г9АН4 и 12Х18Н10Т при комнатной и повышенных температурах (таблица 2.2, рисунок 2.1).

Таблица 2.2 - Механические свойства сталей при 20°С

Полуфабрикат	Марка стали	ув, МПа	у0,2 МПа	д5,%
Прутки	12Х17Г9АН4 12Х18Н10Т	700 500	350 200	45 40
Листы и ленты мягкие	12Х17Г9АН4 12Х18Н10Т	700 540	350	45 40
Листы и ленты нагартованные	12Х17Г9АН4 12Х18Н10Т	1000 1000	750	20 13
Листы и ленты особо нагартованные	12Х17Г9АН4 12Х18Н10Т	1200 1150	950	10 8

Рисунок 2.1 - Механические свойства сталей 12Х17Г9АН4 и 12Х18Н10Т при повышенных температурах

Из приведенных таблицы 2.2 и рисунка 2.1 следует, что механические свойства стали 12Х17Г9АН4 при комнатной и повышенных температурах превосходят соответствующие свойства стали 12Х18Н10Т.

Листы из мягкой стали 12Х17Г9АН4 так же, как из сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, подвергаются вытяжке, отбортовке, гибке и другим операциям холодной штамповки. Данная сталь хорошо обрабатывается резанием.

Таким образом, несмотря на то, что сталь 12Х17Г9АН4 полностью не отображает в себе все замечательные свойства сталей 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т (хорошая ремонтопригодность, повышенная стойкость против межкристаллитной коррозии), ее вполне можно использовать для изготовления диффузора. Кроме того, применение этой стали позволит сэкономить значительное количество никеля и тем самым уменьшить себестоимость данного изделия.

Подробно рассмотрим характеристику выбранного материала. Химический состав стали 12Х17Г9АН4 приведен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Химический состав стали 12Х17Г9АН4, % (по ГОСТ 5632-72)

с	Si	Мп	Сr	Ni	N	Fe	S	Р
? 0,12	? 0,8	8,0-10,5	16,0-18,0	3,5-4,5	0,15-0,25	Основа	?0,020	? 0,035

Сталь 12Х17Г9АН4 имеет аустенитную структуру. Образование д - феррита при высоких температурах и мартенсита во время деформации при нормальной температуре не наблюдается. Наличие стабильного аустенита позволяет вводить в сталь 12Х17Г9АН4 некоторое количество ферритообразующих элементов (до 1% Nb и до 3% Мо), при этом в структуре не появляется б - фаза. При нагреве в интервале 550 - 850°С по границам зерен аустенита выделяются частицы карбидов типа Сr₂₃С₆. Скорость выделения карбидной фазы в основном определяется содержанием углерода. Карбидная сетка является причиной появления склонности стали к межкристаллитной коррозии и снижения ударной вязкости. При температуре 700°С сплошная карбидная сетка в стали образуется с содержанием 0,08% С уже после выдержки в течение 5-10 мин. [6].

Коррозионная стойкость

Сталь 12Х17Г9АН4 (основной металл и сварные соединения толщиной до 3 мм.) не склонна к межкристаллитной коррозии при испытании по ГОСТ 6032-89 с продолжительностью выдержки в контрольном растворе в течение 15 и 8 ч соответственно, но склонна к межкристаллитной коррозии после дополнительного нагрева при 650°С. Для обнаружения межкристаллитной коррозии по методам AM и АМУ образцы стали выдерживают в кипящем водном растворе сернокислой меди и серной кислоты в присутствии металлической меди. По окончании выдержки в растворе образцы изгибают на угол 90 ± 3° по ГОСТ 14019-89. Отсутствие трещин на образце, за исключением продольных трещин и трещин непосредственно на кромках, свидетельствует о стойкости против межкристаллитной коррозии.

Физические свойства

Плотность стали с = 7,86 10³ кг/м³. Сталь 12Х17Г9АН4 немагнитная в закаленном состоянии. Основные теплофизические свойства стали приведены в таблице 2.4 [6].

Таблица 2.4 - Основные теплофизические свойства стали 12Х17Г9АН4

T,°C	Е 104, МПа	л 102, Вт/(м°С)	C, Дж/(кг°С)	Температурный интервал	б 10-6, 1/°С
20	20	0,151	-	20-100	-
100	-	0,159	0,362	100 - 200	15,9
200	-	0,176	0,504	200 - 300	17,3
300	17	0,189	0,525	300 - 400	18,7
400	-	0,201	0,546	400 - 500	20,2
500	-	0,210	0,567	500 - 600	21,2
600	14,9	0,222	0,588	-	-
700	-	0,235	0,609	-	-
800	-	0,243	0,630	-	-

Сварка стали

Сталь 12Х17Г9АН4 хорошо сваривается всеми видами сварки. В качестве присадочной проволоки используют стали марок 12Х18Н1 ОТ, 12Х18Н9 и др. При ручной электродуговой сварке рекомендуют применять электроды марок ЦЛ - 9, ЦЛ -11. Данную сталь можно сваривать с любой аустенитной сталью. Сварные швы обладают высокой пластичностью и не склонны к хрупкому разрушению (таблицы 2.5-2.6).

Таблица 2.5 - Механические свойства стали 12Х17Г9АН4 при низких и повышенных температурах

Тисп, °с	ув, МПа	у0,2 МПа	д5,%	Ш, %	KCU, Дж/м2
-196	1300	840	23	21	180
-70	1110	590	55	67	320
20	750	370	46	68	340
300	780	390	68	-	-
400	600	230	39	-	-
500	520	190	44	-	-
600	420	180	37	-	-
700	330	130	400	-	-
800	230	120	44	-	-

Таблица 2.6 - Пределы длительной прочности, ползучести и выносливости листового материала 12Х17Г9АН4, МПа

Тисп, °с	у100	у0.2/100	у0.2/300	у-1 (на базе 107 циклов)
20	-	-	-	320
400	550	-	-	320
500	440	-	-	-
600	250	11	130	-
700	150	30	40	-
800	60	15	17	80

Технологические данные

Сталь 12Х17Г9АН4 хорошо деформируется в горячим и холодном состояниях. Температурный интервал деформации 1160 - 850°С. Охлаждение после деформации на воздухе. Характеристики холодной обработки давлением приведены в таблице 2.8. При штамповке нагартованного металла во избежание растрескивания штампованную деталь следует подвергнуть отпуску при температуре 400°С в течение 1 часа. Рекомендуемая термическая обработка: закалка - нагрев до 1050-1100°С с последующим охлаждением в воде или на воздухе.

Таблица 2.7 - Характеристики холодной обработки давлением стали 12Х17Г9АН4

Состояние материала	Вытяжка	Отбортовка
	Кпр.	Краб.	Кпр.	Краб.
Мягкий Нагартованный Особо нагартованный	2,1-2,15 1,96-2,05 1,85 -1,90	1,75-1,80 1,65-1,70 1,57-1,65	1,95-2,00 - 1,5 -1,6	1,65-1,70 - 1,3 -1,35
Мягкий Нагартованный Особо нагартованный	0,55 0,75 2	0,7 1 3	0,25-0,29 --	0,21-0,24 --

2.3 Оценка свариваемости материала изделия и выбор способа получения неразъемных соединений

2.3.1 Оценка свариваемости материала изделия

Под свариваемостью понимают способность материала к образованию при данном технологическом процессе соединений с требуемыми свойствами.

Различают физическую и технологическую свариваемость. Физическая свариваемость - способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью. Технологическая свариваемость характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени [9].

Свариваемость материала тем лучше, чем большим числом способов может быть получено качественное соединение, чем проще их технология и шире диапазон допускаемых режимов, обеспечивающих заданные показатели свойств соединений.

Для оценки свариваемости проводят ряд испытаний, каждая из которых характеризует те или иные свойства. Основными видами испытаний на свариваемость обязательными для любых материалов, используемых при изготовлении сварных конструкций, являются следующие [9]:

оценка стойкости металла шва против образования горячих и холодных трещин;

оценка стойкости металла зоны термического влияния против образования горячих и холодных трещин;

оценка стойкости сварного соединения против охрупчивания;

определение механических свойств соединений в условиях близких к условиям эксплуатации.

Способы оценки склонности сталей к возникновению горячих и холодных трещин подразделяют на косвенные и прямые.

Косвенные способы позволяют получать оценку склонности к трещинам расчетным путем без непосредственного испытания материалов.

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб, специализированные испытания сварных соединений или образующих его материалов в условиях, имитирующих сварочные.

Сопротивление образованию горячих трещин при сварке высоколегированных аустенитных сталей оценивают по параметрическому уравнению [13]:

(2.1)

Если Сr_э/Ni_э > 1,5, то горячие трещины в сварных соединениях соответствующих сталей не образуются.

В нашем случае для стали 12Х17Г9АН4 получим:

Следовательно, данная сталь склонна к образованию горячих трещин по сравнению со сталями 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, для которых показатель Cr_э/Ni_э имеет следующие значения:

Сталь 12Х18Н9Т

Сталь 12Х18Н10Т

Горячие трещины при сварке стали 12Х17Г9АН4 могут возникать как в металле шва, так и в околошовной зоне.

Причины появления таких трещин могут быть разными. Одна из причин - отсутствие при охлаждении после сварки фазовой перекристаллизации и сохранение первичных аустенитных зерен во всем интервале температур, начиная от кристаллизации до полного охлаждения. Другим фактором, определяющим повышенную склонность к образованию прежде всего кристаллизационных трещин, может быть ликвидационная загрязненность приграничных областей.

Процесс образования кристаллизационных трещин может быть описан следующей схемой. При затвердевании металл шва проходит через так называемый эффективный интервал кристаллизации, в котором металл находится в твердожидком состоянии. Этот интервал начинается с переплетения и срастания дендритов в жесткий каркас и заканчивается полным затвердением металла. Твердожидкое состояние металла характеризуется повышенной хрупкостью, в связи с чем эффективный интервал кристаллизации называют температурным интервалом хрупкости. Затвердевание металла шва происходит в условиях растягивающих напряжении, возникающих в результате неравномерного нагрева и охлаждения свариваемого металла, жесткого закрепления деталей. Наличие растягивающих напряжений вызывает пластическую деформацию металла шва, причем интенсивность ее нарастания увеличивается со снижением температуры. Если в период пребывания металла шва в состоянии пониженной пластичности (в температурном интервале хрупкости) величина деформации превысит пластичность металла, произойдет разделение кристаллитов, т.е. образование горячих трещин.

Помимо кристаллизационных трещин в сварных швах стали 12Х17Г9АН4 могут возникать горячие - высокотемпературные - полигонизационные трещины, образующиеся в довольно узком интервале температур, несколько ниже температуры кристаллизации. Б.А. Мовчан показал [18], что в литом аустенитном металле при достаточно медленном охлаждении после кристаллизации дефекты кристаллического строения начинают мигрировать, сосредотачиваться с образованием полигональных границ субзерен. Эти полигональные границы в отдельных местах могут совпадать со старыми границами аустенитных кристаллитов, с участками сосредоточения примесей, и здесь могут зарождаться трещины под влиянием напряжений, вызываемых усадкой металла.

В околошовной зоне горячие трещины образуются по границам зерен основного металла. Горячие трещины в данном случае возникают при температурах ниже точки плавления основного металла. При этом на границах зерен собираются поверхностно-активные элементы, в том числе вредные примеси. В результате на межзеренных границах образуются легкоплавкие включения и прослойки. Под влиянием усадочных напряжений в них возникают надрывы, переходящие в межкристаллитную трещину.

Одним из способов предотвращения появления горячих трещит может быть создание колебаний в сварочной ванне.

Таким образом, несмотря на сложный химический состав, высокое содержание легирующих элементов, склонность к возникновению горячих трещин, сталь 12Х17Г9АН4 обладает хорошей свариваемостью [9]. Данная сталь хорошо сваривается всеми видами ручной и автоматической сварки. Сварные швы имеют высокую пластичность и не склонны к хрупкому разрушению.

2.3.2 Выбор способа получения неразъемных соединений

Все способы сварки по своему физическому характеру подразделяют на две группы: сварка плавлением и сварка с применением давления.

Специфические свойства нержавеющих сталей - пониженная теплопроводность, повышенное электросопротивление, высокий коэффициент линейного расширения, малая температура плавления (1440°С) служат причиной их усиленного коробления при сварке. Поэтому для уменьшения коробления изделий из нержавеющих сталей требуется использовать способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энергии [10].

Кроме того, с учетом конструкции диффузора и условий его эксплуатации следует, что наиболее рационально применение способов сварки плавлением. Полученные таким образом неразъемные соединения обладают наибольшей экономичностью и работоспособностью.

К способам сварки плавлением относят те, где в качестве источника нагрева используют электрическую дугу, дуговую или высокочастотную плазму, газовое пламя, электронный и лазерный луч, т.е. сосредоточенные внешние источники расплавления [10].

Для изготовления диффузора наиболее целесообразно применение таких видов механизированной сварки плавлением как:

- аргонодуговая сварка неплавящимся электродом без присадочной проволоки;

- аргонодуговая сварка неплавящимся электродом с присадочной проволокой;

- аргонодуговая сварка плавящимся электродом;

- плазменная сварка

- электронно-лучевая сварка.

Аргонодуговая сварка неплавящимся электродом без присадочной проволоки будет целесообразна в качестве одного из проектных вариантов. Отказ от присадочной проволоки обоснован следующими факторами:

Во-первых, ГОСТ 14771-76 предусматривает для толщины материала 1,5 мм при сварке неплавящимся электродом в среде аргона максимально возможные технологические зазоры при сборке деталей под сварку 0,2 мм. Технологический процесс изготовления диффузора базового предприятия при проведении сварочной операции также предусматривает зазоры при стыковке деталей под сварку 0-0,2 мм.

Во-вторых, на базовом предприятии в технологии сварки диффузора изготовляемого также из материала Х17Г9АН4, в примечаниях на сварочную операцию указано: «в случае точной подгонки кромок сварку можно производить без присадочного материала»

В-третьих, отказ от присадки позволит уменьшить затраты на вспомогательные материалы в сравнении с аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с присадочной проволокой.

Качество швов при плазменной сварке выше, чем при аргонодуговой сварке. Плазменная сварка стали Х17Г9АН4 без присадочной проволоки, обеспечивает меньшую ширину шва, чем при аргонодуговой сварке, минимальную вогнутость поперечного сечения со стороны дуги. Также плазменная сварка характеризуется высокой производительностью, малой чувствительностью к колебаниям длины дуги, устранением включений вольфрама в металле шва.

Существенным недостатком электронно-лучевой сварки является то, что для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время, а также дороговизна оборудования.

Таким образом, в качестве первого проектного варианта принимаем аргонодуговую сварку неплавящимся электродом в среде аргона без присадки, в качестве второго - плазменную сварку.

Сущность аргонодуговой сварки неплавящимся электродом.

При сварке в зону дуги через сопло горелки непрерывно подается защитный газ-аргон. Теплотой дуги расплавляется основной металл.

Расплавленный металл кристаллизуясь, образует шов. При сварке неплавящимся электродом не расплавляется, а его расход вызван испарением металла или частичным оплавлением при повышенном сварочном токе.

Характерными особенностями аргонодуговой сварки неплавящимся электродом являются:

- высокая степень концентрации дуги, обеспечивающая минимальную зону структурных превращений и относительно небольшие деформации изделия;

- высокая производительность;

- высокоэффективная защита зоны шва и околошовной зоны;

- широкая возможность механизации и автоматизации.

К числу основных недостатков способа можно отнести: дорогой защитный газ (аргон), низкую стабильность дугового разряда в диапазоне малых токов (менее 30А) [11].

Сущность плазменной сварки.

Плазма - ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагре до температур 5000-30000оС, имеет высокую электропроводность, ярко светится, и представляет собой типичную плазму.

Вдуваемый газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 и более раз приводит к истечению плазмы с высокими околозвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл.

Преимуществами плазменной сварки являются:

- более концентрированный нагрев. Тепловой поток в несколько раз больше чем при других способах сварки;

- высокая стабильность столба дуги;

- возможность получить пятно нагрева малых размеров.

Возможность получения пятна нагрева позволяет уменьшить зону термического деформирования и коробления, что важно для тонколистовых материалов.

Недостатки плазменной сварки:

- сложная технология ввиду большого количества технологических параметров влияющих на геометрию шва;

- достаточно сложное в эксплуатации и более дорогое оборудование, чем для сварки свободной дугой

Формирование сварного шва происходит следующим образом.

Под воздействием тепловых потоков от анодного пятна дуги и от окружающих дугу горячих газов, основной металл расплавляется и под воздействием давления дуги оттесняется в хвостовую часть ванны. В хвостовой части ванны происходит перемешивание металла и последующая кристаллизация. Образовавшийся, таким образом, сварной шов соединяет свариваемые детали, образуя сварное соединение. Защитный газ - аргон - подаётся через сопло горелки.

При плазменной сварке кроме защитного газа в зону горения дуги подается плазмообразующий газ. В качестве плазмообразующего газа рационально так же использовать аргон.

Технологические свойства дуги в значительной мере определяются родом и полярностью сварочного тока. При прямой полярности на изделии выделяется до 70% теплоты дуги, что обеспечивает глубокое проплавление основного металла. При обратной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой полярности. На аноде-электроде выделяется большое количество энергии, что приводит к его оплавлению [11]. Таким образом, сварка производится на постоянном токе прямой полярности неплавящимся вольфрамовым электродом без присадочной проволокой.

В качестве неплавящегося электрода применяем прутки лантанированного вольфрама (по ГОСТ 23949-80). Лантанированный вольфрам по сравнению с чистым вольфрамом имеет более высокую термостойкость и повышенную эмиссионную способность. Благодаря этому дуга зажигается и горит устойчивее, допускается большая плотность тока, блуждание катодного пятна не происходит. Лантанированные вольфрамовые электроды используют с заточкой под углом 20 - 60°. Форма заточки электрода влияет на форму и размеры шва. Основные характеристики лантанированных вольфрамовых электродов приведены в таблице 2.8.

Таблица 2.8 - Характеристики лантанированных вольфрамовых электродов (ГОСТ 23949-80)

Марка электрода	Допускаемая токовая нагрузка, А на диаметре, мм	Маркировка торцов прутка (цвет)	Содержание активирующей присадки, %
	2	3	4	5	6
ЭВЛ	90	250	490	720	870	черный	1,1 ч 1,4 La2O3

Для сварки диффузора из нержавеющей стали 12Х17Г9АН4 используем аргон первого сорта (ГОСТ 10157-79).

Аргон - одноатомный газ, содержится в небольших количествах в воздухе и в подземных газах некоторых месторождений. Будучи тяжелее воздуха, аргон обеспечивает хорошую газовую защиту сварочной ванны. С большинством элементов аргон не образует химических соединений, кроме некоторых гидридов. В металлах аргон как в жидком, так и в твердом состоянии нерастворим. Состав газообразного аргона приведен в таблице 2.9.

Таблица 2.9 - Состав газообразного аргона, % (по ГОСТ 10157-79)

Показатель	Сорт
	высший	первый
Объемная доля, %
аргона	> 99,993	> 99,987
кислорода	< 0,0007	< 0,002
азота	< 0,005	<0,01
Массовая концентрация водяного пара при 293 К и давлении 0,1 МПа/м3	<0,007	<0,001

2.4 Анализ характера конструкции изделия и выбор неразъемных соединений

Технологичность сварного изделия определяется, прежде всего, его конструкцией. Под этим подразумевают не только взаимное расположение узлов, но и рациональное назначение технологических разъемов, выбор простых геометрических форм деталей и соединений, широкое использование проката, минимальную концентрацию напряжений, удобство подхода к местам сварки и контроля и др.

В сварочный узел входят: диффузор (1), переходник (3), которые свариваются между собой кольцевыми швами. В процессе работы изделия на диффузор, а следовательно и на сварные швы, оказывают воздействия знакопеременные нагрузки. В условиях знакопеременного нагружения наиболее рационально применение стыкового соединения. Такой тип соединения упрощает возможность механизации и автоматизации процесса, что приводит к снижению трудоёмкости и соответственно увеличению производительности труда.

Сварка кольцевых швов производится в специальном приспособлении, которое обеспечивает возможность открытого доступа к местам сварки и проведения неразрушающего контроля неразъемного соединения.

Для обеспечения сборки корпуса применяем стыковое соединение тип С4 без скоса кромок.

Таблица 2.10. Размеры стыкового соединения. (по ГОСТ 14771-76)

Способ сварки	ИНп
S, мм	1,5
b, мм	Номинальное отклонение	0
	Предельное отклонение	+1,0
l1,мм	Номинальное отклонение	4,0
	Предельное отклонение	±2,0
l, мм не более	8,0
g, мм	Номинальное отклонение	0,5
	Предельное отклонение	+0,5 -0,2
g1, мм	Номинальное отклонение	0,5
	Предельное отклонение	±0,5

Конструктивные элементы стыкового сварного соединения приведены на рисунке 2.

2.5 Анализ точности изготовления изделия и характера остаточных сварочных напряжений и деформаций, способов их уменьшения

Большое влияние на точность изготовления сварных конструкций оказывает точность изготовления комплектующих деталей, точность их сборки, способ сварки, величина остаточных сварочных напряжений и деформаций.

В процессе изготовления сварных конструкций в них возникают сварочные деформации и напряжения. Сварочные напряжения, превышающие предел текучести металла, вызывают пластическую деформацию, а следовательно приводят к изменению размеров и формы изделия.

Причинами возникновения сварочных деформаций и напряжений является неравномерный нагрев металла при сварке, литейная усадка расплавленного металла, структурные превращения в металле в процессе его охлаждения.

Величина и характер сварочных деформаций и напряжений определяются рядом факторов, из которых основными являются следующие:

1. Рациональная конструкция сварного изделия.

В процессе конструирования необходимо ограничивать количество наплавленного металла уменьшением катетов швов или угла скоса кромок, применять преимущественно стыковые соединения, не располагать сварные швы там, где действуют максимальные напряжения от внешних нагрузок.

2. Вид и способ сварки.

Применение более концентрированных источников нагрева, высокая концентрация теплоты сужают зону упругопластических деформаций.

При практически одной и той же погонной энергии механизированная сварка благодаря большей скорости вызывает меньше остаточных деформаций, чем ручная дуговая сварка. При этом изотермы вытянуты и сдвинуты в область уже пройденную дугой.

3. Специальные приспособления.

Элементы приспособлений должны обладать достаточной прочностью и жесткостью, что позволяет исключить деформацию изделия при сварке, а

также осуществить точную сборку в пределах установленных чертежом допусков.

4. Термическая обработка изделий.

Термообработка широко применяется в производстве для снижения остаточных сварочных деформаций и напряжений.

5. Механическая доработка

Заданная точность изделия достигается механической доработкой, как правило, по сопрягаемым поверхностям. Для механической обработки применяют обычные универсальные слесарные инструменты.

Следует учитывать неизбежный после сварки процесс усадки металла. Её величину можно рассчитать по формуле:

, (2.2)

А-эмпирический коэффициент, для АрДС А=1,2

q - тепловая мощность вводимая в пластину;

(2.3)

з - термический КПД процесса;

U - напряжение дуги;

I - сварочный ток.

б - толщина стенки б =1,5 мм = 0,15 см;

н_С - скорость сварки, н_С =38 м/ч = 0,63 м/с;

б - коэффициент температуропроводности, 14,7·10^-6 1/⁰С;

- теплоемкость =4,6 Дж/см³··⁰С;

Т.о.

Для компенсации усадки металла после сварки необходимо в технологии изготовления патрубка предусмотреть технологический припуск, равный величине усадки .

В данном технологическом проекте используются стыковые швы без скоса кромок. Корпус сваривается концентрированным источником тепла - аргонодуговой сваркой и закрепляется в сборочно-сварочном приспособлении с пневмоприводом, обеспечивающем достаточную жесткость.

Приведенные выше меры обеспечивают точность изготовления диффузора в соответствии с требованиями чертежа.

Список литературы

газосборник диффузор свариваемость неразъемный

1. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. М., «Машиностроение», 1977, - 432 с.

2. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков.-М.: Машиностроение, 1979, - 253 с.

3. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Производство сварных конструкций» / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост.: Б.Л. Груздев, В.М. Бычков. - Уфа УГАТУ, 2002, - 34 с.

4. Санитарные правила при сварке, наплавке и резке металлов №1009-73. М. Минздрав СССР, 1973. 27 с.

5. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. Издательское обьединение «Вища школа», 1976. - 424 с.

6. Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя. Том 3. М., «Машиностроение», 2000, - 859 с. Анурьев В.И. Справочник конструктора - машиностроителя: В 3-х т. Т.1. - 5-е изд., перераб. И доп. - М.: Машиностроение, 1978. - 728 с.

7. Иванов М.Н. Детали машин: Учеб. Для студентов ВУЗов. Под ред В.А. Финогенова. - 6-е изд. Перераб. - М.:Высшая школа, 2001. - 383 с.

8. Авиационное материаловедение. Б.К. Вульф, К.П. Ромадин. М.: Машиностроение. 1987. 391 с.

9. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия. 1977. 407 с.

10. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х томах. / Редкол.: Г.А. Николаев (пред) и др. М.: Машиностроение. 1979. т. 4 / под ред. Ю.

Н. Зорина, 1979. 512 с., ил.

11. Марочник сталей и сплавов. / Под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989 - 640 с.

12. Стандарты предприятия. Графические и текстовые конструкторские документы. СТП УГАТУ 002-98. Уфа, 1998 - 82 с.

13. Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Производство сварных конструкций» / УГАТУ; Сост.: Б.Л. Груздев, Уфа, 1996 - 44 с.

14. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги. Учебник. - М.: Высшая школа, 1982 - 182 с.

15. Сварка и свариваемые материалы: в 3-х т. Т.1 - Свариваемость материалов. Справ. изд./ Под ред. Э.Л. Макарова - М.: Машиностроение, 1991 с. 528.

16. Сопротивление материалов. /Н.М. Беляев, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1976 г., 608 с.

17. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. /Под ред. акад. Б.Е. Патона. М.: Машиностроение, 1974, 768 с.

18. Оценка технологичности сварных и паяных конструкций. А.Ф. Нестеров, В.В. Маханёк. // Сварочное производство. 1988, №12, с. 24.

19. С.В. Румянцев, А.С. Штань, Ю.Ф. Попов. Справочник рентгено- и гамма-дефектоскописта. М.: Атомиздат, 1969, 276 с.

20. Р. Дженнингс. Использование Access 97. Специальное издание. Второе издание. / Киев - Москва - Санкт-Петербург, 1998, 944 с.

21. Харитонова И.А., Михеева В.Д. Microsoft Access 2000. /Санкт-Петербург, 1999, 1088 с., ил.

22. Безопасность производственных процессов: Справочник. / С.В. Белов, В.Н. Бринза, Б.С. Векшин и др.; Под общ. ред. С.В. Белова. М.: Машиностроение. 1985. 448 с.

Размещено на Allbest.ru

...