Расчет параметров сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сварочное производство, как совокупность процессов, образующее самостоятельную законченную технологию изготовления сварной продукции - одно из ведущих в современном машиностроении.

Такое положение сварочного производства обусловлено универсальностью этого технологического процесса получения неразъемных соединений, возможностью экономии металла, повышением прочности и непроницаемости соединений, возможностью создания уникальных конструкций, которые при других способах создать невозможно.

Перед всеми областями науки и техники, в том числе и перед сварочным производством стоят большие задачи по улучшению качества продукции, экономии ресурсов, разработке и внедрению новейших технологий и оборудования в целях поднятия уровня экономии страны на качественно новую ступень.

В последние годы сварку все более используют в различных отраслях машиностроения, в строительстве, на транспорте, в энергетике, разрабатывают новые и совершенствуют известные методы сварки, расширяют перечень свариваемых материалов, номенклатуру изготовляемых с помощью сварки изделий.

Внедрение в производство сварочных технологий, способных обеспечить высокое качество наплавленного металла и сварных соединений, повлекло за собой разработку и применение в конструкциях легированных сталей повышенной и высокой прочности, а так же сварных конструкций из сплавов цветных металлов.

Курсовая работа по дисциплине «Технология сварки плавлением и термической резки» является заключительным этапом освоения дисциплины. Целью курсовой работы является приобретение навыков по практическому применению теоретических знаний полученных при изучении курса.

Среди основных задач работы можно выделить следующие:

1. выбор экономически целесообразного способа сварки;

2. рассчитать технологические параметры режима и нормы времени;

3. подобрать сварочное оборудование и оснастку;

4. разработать операционную карту.

1. Разработка конструкции сварной сборочной единицы

сварка шов сборочный

В курсовой работе необходимо выполнить сварную сборочную единицу, состоящую из четырех деталей (рис. 1.2):

Бобышка (1 шт.) Ухо (1 шт.)

Основание (1 шт.) Ребро (1 шт.)

Рисунок 1.2 Внешний вид сборочной единицы

2. Выбор способа сварки и типа сварных швов

Для соединения полученных деталей будем использовать механизированную сварку в среде углекислого газа (тип соединений по ГОСТ 14771-76). В разработанной сварной сборочной единице будет использоваться 2 типа сварных швов (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Эскизы сварных швов сборочной единицы

Т.к. в задании указаны внешние нагрузки, действующие на свариваемые детали, катет шва рассчитываем исходя из формулы:

где N - усилие, действующее на деталь, H;

[ф] - допускаемое напряжение, [в]= 80-90 МПа;

L - длина шва, м.

Принимаем К = 3 мм

3. Расчёт параметров режима сварки

Расчет параметров режима сварки ведется в зависимости от заданного способа сварки. Основными параметрами режима являются: сила сварочного тока IСВ, напряжение на дуге U2, скорость подачи сварочной проволоки VП.ПР., диаметр электрода или проволоки dЭ, скорость сварки VСВ.

Для сварных швов ГОСТ 14771-76-Т3-?3 и ГОСТ 14771-76-T1-?3.

Первоначально следует задаться диаметром проволоки dЭ. Его значение зависит от требуемой глубины проплавления металла HПР и способа сварки. Для угловых швов:

;

где д = 3 мм - толщина металла.

Принимаем dЭ = 1,2 мм.

Площадь наплавленного металла

где К=3 - катет сварного шва.

Для сварки в среде углекислого газа определяем силу сварочного тока по формуле

где kП = 1,75 - коэффициент пропорциональности, зависящий от условий сварки.

После вычисления силы сварочного тока уточняем диаметр проволоки

где j = 200 А/мм2 - допустимая плотность тока.

Находим напряжение на дуге

Скорость сварки вычисляем по формуле

где Н - коэффициент наплавки, Н = 12 г./(А•ч);

- плотность металла, = 7,8 г/см3.

Скорость подачи сварочной проволоки вычисляют по формуле

где FЭ - площадь сечения проволоки,

4. Расчёт норм времени на выполнение сварочных операций

Под технически обоснованной нормой времени понимается установленное для определенных организационно-технических условий время на выполнение заданной работы, исходя из рационального использования средств производства с учетом передового производственного опыта. Составными частями технически обоснованной нормы времени являются подготовительно-заключительное время tПЗ, основное время tО, вспомогательное время tВ, время на обслуживание рабочего места tОБС, время на отдых и личные надобности (время регламентированных перерывов в работе) tП.

Общее время на выполнение сварочной операции tСВ определяется

Основное время - это время на непосредственное выполнение сварочной операции, определяем по формуле:

где - основное время на выполнение горизонтальных швов

- основное время на выполнение вертикального шва.

где МНМ - масса наплавленного металла,

где LШ = 51,1 см - длина сварных швов.

где - поправочный коэффициент (=1,25 для вертикальных швов)

Подготовительно-заключительное время tПЗ включает в себя такие операции, как получение производственного задания, инструктаж, получение и сдача инструмента, осмотр и подготовка оборудования к работе и т.д. В массовом производстве tПЗ = 2-4% от tО

Вспомогательное время tВ состоит из следующих составляющих:

где tЭ = 5 мин - время на заправку кассеты с электродной проволокой;

tКР, tБР - время на осмотр и очистку свариваемых кромок, очистку швов от шлака и брызг;

tКЛ - время на клеймение швов (время на установку клейма tКЛ = 0,03 мин на один знак);

tИЗД - время на установку и поворот изделия, его закрепление (при массе изделия до 25 кг эти операции выполняются вручную, в расчете принимается tИЗД = 3 мин).

Время зачистки кромок или шва tКР (tБР), мин, вычисляется по формуле

где n - количество слоев при сварке за несколько проходов.

Время на обслуживание рабочего места включает в себя время на установку режима сварки, наладку полуавтомата или автомата, инструмента и т.д. Для механизированной и автоматической сварки tОБС = (0,06-0,08) tО.

Время перерывов на отдых и личные надобности зависит от положения, в котором сварщик выполняет работы. При сварке в неудобном положении tП = 0,1tО.

5. Определение химического состава и структуры стали в исходном состоянии

Таблица 5.1 - Химический состав стали 08Х22Н6Т по ГОСТ 5632-72

Определение структуры стали осуществляется по диаграмме Шеффлера. Для основного металла первоначально рассчитываются эквивалентные значения хрома и никеля по формулам:

=

По значениям ЭквСr и ЭквNi на диаграмме Шеффлера наносится точка, соответствующая структуре аустенитно-ферритной стали - Т1 (рисунок 4.1).

6. Технологические особенности сварки стали

Аустенитно-ферритные стали - высоколегированные стали, основу структуры которых составляют две фазы: аустенит и феррит. Количество каждой из них обычно от 40 до 60%. В связи с этим признаком за рубежом такие стали назвали дуплексными. Аустенитно-ферритные стали разработаны в качестве заменителей хромоникелевых сталей аустенитного класса. Их коррозионная стойкость во многих агрессивных средах обеспечивается за счет высокого содержания хрома: как правило, >20%.

Аустенитно-ферритные стали имеют относительно высокие пределы текучести при удовлетворительных пластичности и ударной вязкости, а также высокую коррозионную стойкость и хорошую свариваемость. Это позволяет сократить удельный расход металла при изготовлении химической аппаратуры, рассчитываемой на прочность, благодаря уменьшению толщины листа. Согласно диаграмме состояний сплавы Fe-Cr-Ni обладают некоторыми характерными особенностями: существования двухфазной аустенитно-ферритной структуры в них находится в интервале температур 20-1350 С, при нагреве стали выше температуры 1100C аустенит превращается в феррит и тем интенсивнее, чем выше температура и длительность нагрева, при температуре 1200 C происходит полное г-б превращение, при последующем охлаждении происходит обратное превращение феррита в аустенит. Конечное соотношение количества структурных составляющих зависит от скорости охлаждения стали. Аустенитно-ферритные стали поставляются в закаленном состоянии с температур 950-1050C. Аустенитно-ферритные стали теряют вязкость при нагреве их в интервале температур 450-650 С. Это связано с тем, что хрупкость, обусловленная выделением карбидов, усиливается действием, так называемой 475-градусной хрупкости. Аустенитно-ферритные стали отличаются повышенной склонностью к росту зерна в зоне термического цикла. Наряду с ростом ферритных зерен возрастает общее количество феррита. Последующим быстрым охлаждением фиксируется образовавшаяся структура. Размеры зерна и количество феррита, а также ширина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки, соотношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву. Соотношение количества структурных составляющих в исходном состоянии в значительной степени зависит от содержания в стали Ti. Количеством титана в стали также определяется устойчивость аустенитной фазы против г-д превращения при сварочном нагреве. Чем выше содержание титана, тем чувствительнее сталь к перегреву. Вследствие роста зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается снижение ударной вязкости металла околошовной зоны и угла загиба сварных соединений аустенитно-ферритных сталей.

Аустенитно-ферритные стали можно сваривать, как ручной и механизированной электродуговой сваркой, так и другими способами сварки (электроннолучевой, электрошлаковой, плазменнодуговой). Предпочтительнее способы сварки с невысокими погонными энергиями. Техника и режимы сварки аустенитно-ферритных сталей не отличаются от общепринятых для всего класса нержавеющих сталей. Подготовка кромок под все виды сварки производится механическим способом, чтобы исключить возникновение зон термического влияния, снижающих регламентированные свойства сварных соединений. Количество ферритной фазы в швах составляет 15-60% и зависит не только от применяемых сварочных материалов, но и ль доли участия свариваемого металла в металле шва, от колебаний химического состава в пределах марки. Самый высокий процент ферритной фазы в швах наблюдается при автоматической сварке под флюсом встык без разделки кромок проволокой Св-06Х21Н7БТ. Благодаря высокому содержанию феррита швы обладают достаточной стойкостью против образования горячих трещин. Изменение содержания ферритной фазы в шве за счет легирования или термообработки приводит к существенному изменению его механических свойств. Пределы текучести и прочности шва достигают максимума при равном процентном содержании в нем аустенитной и ферритной фаз.

Анализ механических свойств показывает, что самую высокую прочность швов при автоматической сварке под флюсом хромоникелевых аустенитно-ферритных сталей можно получить, применяя проволоку ЭП500. Сочетание достаточно высокой прочности и пластичности достигается при применении для автоматической сварки под флюсом хромоникелевых аустенитно-ферритных сталей проволоки ЭК-91. Для улучшения пластичности сварных соединений аустенитно-ферритных сталей, если позволяют габариты изделий, можно проводить термообработку - закалку от 1000С с охлаждение в воде.

При сварке изделий, к сварным швам которых предъявляются требования стойкости к межкристаллитной коррозии, слой шва, обращенный к агрессивной среде, должен выполняться последним. В связи с тем, что аустенитно-ферритные стали подвержены охрупчиванию в интервале температур 450-500 и 650-800С, особое внимание при их сварке необходимо обращать на строгое соблюдение режимов сварки и охлаждения изделий. При сварке изделий из металла толщиной 16-20 мм рекомендуется применять обработку границ швов с основным металлом сваркой аргонодуговым способом. Получаемый при этом местный нагрев с малой погонной энергией участка крупного зерна ЗТВ до расплавления приводит при охлаждении к образованию мелкозернистой ферритной структуры с аустенитными прослойками по границам зерен. Металл с такой структурой пластичнее крупнозернистого феррита, образующегося при сварке в ЗТВ и более коррозионностоек. При соотношении аустенитной и ферритной фаз, близком к единице, швы стойки, как против межкристаллитной, так и против структурно-избирательной коррозии. При уменьшении количества аустенитной фазы в шве или околошовной зоне до 20% и менее в металле проявляется склонность к межкристаллитной коррозии. Отпуск сварных соединений при 850С предотвращает межкристаллитную коррозию сварных соединений. Установлено отрицательное влияние кремния и ванадия в сварочном шве на коррозионную стойкость в окислительных средах сварных соединений из аустенитно-ферритных сталей. Таким образом, при выборе присадочного материала необходимо стремиться обеспечить равенство не только механических свойств шва основного металла и стойкость шва против межкристаллитной коррозии, но и равенство общей коррозионной стойкости металла всех зон сварного соединения

7. Выбор сварочных материалов

Для сварки будем использовать проволоку Св-06Х21Н7БТ. Данная высоколегированная проволока с добавлением ниобия, титана предназначена для механизированной дуговой сварки в среде углекислого газа. Благодаря высокому содержанию феррита швы обладают достаточной стойкостью против образования горячих трещин.

Химический состав сварочной проволоки Св-06Х21Н7БТ представлен в таблице 7.1.

Таблица 7.1 - Химический состав сварочной проволоки Св-06Х21Н7БТ по ГОСТ 2246

8. Расчёт расхода сварочных материалов

При разработке технологии сварки после определения норм времени определяют расход сварочных материалов, к которым относятся расход сварочной проволоки и защитного газа.

Расчет расхода сварочной проволоки для механизированной сварки осуществляется по формуле

где - коэффициент потерь, для сварки в СО2 = 0,12-0,15 (12-15%).

где = 10 л/мин - удельный расход СО2.

Требуемое количество баллонов с СО2 - 1 шт.

9. Расчёт химического состава шва и определение его структуры

Сварной шов состоит из основного и наплавленного металлов, которые в процессе сварки перемешиваются, образуя общую сварочную ванну (рисунок 9.1). При этом в сварочную ванну попадают химические элементы из основного металла в количестве, пропорциональном доли основного металла в металле шва О, и из проволоки в количестве, пропорциональном доли наплавленного металла в металле шва Н:

где FО - площадь основного металла в металле шва;

FН - площадь наплавленного металла в металле шва;

FШ - площадь шва.

Площадь шва определяется по формуле

где Н - высота шва,

где а = 0,7·К = 0,7·3 = 2,1 мм;

е = 1,4·К = 1,4·3 = 4,2 мм - ширина углового шва.

После вычисления О и Н необходимо рассчитать химический состав шва. Содержание каждого элемента вычисляется по формуле

где ЭО - содержание элемента в основном металле;

ЭН - содержание элемента в электроде.

После расчета хим. состава по диаграмме Шеффлера определяется его структура. При этом необходимо пользоваться формулами

По значениям ЭквСr и ЭквNi на диаграмме Шеффлера наносится точка, соответствующая структуре сварного шва - Т2 (рисунок 9.1).

Для аустенитно-ферритной стали 08Х22Н6Т структура шва аустенитно-ферритная. Двухфазная структура обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики шва вследствие более мелкого зерна.

10. Выбор сварочного оборудования

Сварочное оборудование выбирается в зависимости от заданного способа сварки по расчетным режимам сварки, основным из которых является сила сварочного тока. Для механизированной сварки в СО2 выбирается полуавтомат, который поставляется в комплекте с источником питания. Кроме силы сварочного тока, полуавтомат должен обеспечивать сварку проволокой выбранного диаметра, а также скорость подачи проволоки, полученную при расчете режима.

Так же при выборе источника питания необходимо учитывать требования по снижению расхода электроэнергии, затрачиваемой на выполнение сварочных работ. С этой точки зрения наиболее эффективными являются инверторные источники питания с высоким КПД.

Всем этим требованиям удовлетворяет сварочный полуавтомат Kemppi FastMig Basic КМ 300.

Таблица 10.1 - Техническая характеристика полуавтомата Kemppi FastMig Basic КМ 300 для сварки в защитных газах

11. Расчёт расхода электроэнергии

Для приближенной оценки расхода электроэнергии в курсовой работе используется следующая зависимость:

где IСВ - сила сварочного тока, А;

U2 - напряжение на дуге, В;

tО - основное время сварки, ч;

- КПД источника питания.

В ходе работы над курсовой работой по дисциплине «Технология сварки плавлением и термической резки» приобретены навыки по практическому применению теоретических знаний, полученных в ходе изучения дисциплины.

При выполнении курсовой работы был осуществлён выбор экономически целесообразного способа сварки, типа соединения, сварочных материалов, рассчитаны технологические параметры режима и нормы времени, подобрано сварочное оборудование и оснастка, разработана операционная карта.

Для выполнения курсовой работы мне была предложена сталь 08Х22Н6Т. Сталь 08Х22Н6Т обладает удовлетворительной свариваемостью, в связи с тем, что аустенитно-ферритные стали подвержены охрупчиванию в интервале температур 450-500 и 650-800С, особое внимание при их сварке необходимо обращать на строгое соблюдение режимов сварки и охлаждения изделий. При нагреве в интервале 350-750° С в ферритной составляющей стали протекают процессы, связанные с 475° С хрупкостью (350-500° С) и выделением б - фазы (500-750° С), снижающие ударную вязкость и пластичность.

Для сварки ответственных конструкций и конструкций, работающих в агрессивных средах, сварка ведется в среде защитного газа - аргон. Для улучшения пластичности сварного соединения, можно проводить термообработку - закалку от 1000С с охлаждение в воде.

1 Куликов, В.П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки / В.П. Куликов. - Минск: Экоперспектива, 2003. - 416 с.

2 Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки: учебник для вузов/ А.И. Акулов [и др.]; под ред. А.И. Акулова. - 2-е изд. испр. и доп. - М.: Машиностроение, 2003. - 560 с.: ил.

3 Куликов, В.П. Технология и оборудование сварки плавлением / В.П. Куликов. - Могилев: ММИ, 1998. - 256 с.

4 Акулов, А.И. Технология и оборудование сварки плавлением / А.И. Акулов. - М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.

5 Сварка в машиностроении: справочник / Под ред. Н.А. Ольшанского - М.: Машиностроение, 1978-1979.

6 Сварка и свариваемые материалы / Под ред. В.Н. Волченко. - М.: Металлургия, 1991. - 527 с.

7 Куликов, В.П. Технология сварки плавлением/ В.П. Куликов. - Минск: Дизайн ПРО, 2000. - 257 с.

8 Оборудование для дуговой сварки / Под ред. В.В. Смирнова. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 655 с.

9 Чернышов, Г.Г. Технология сварки плавлением/ Г.Г. Чернышов: учебник. - М.: Академия, 2010. - 272 с.

10 Кононенко, В.Я. Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом / В.Я. Кононенко. - Киев: Ника-ПРИНТ, 2007. - 266 с.