Проектирование сварной конструкции для изготовления обечайки из листовой стали 20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение. Сварка давлением

1. Описание конструкции изделия и требования к св. соединениям

1.1 Технологичность конструкции

1.2 Требования к сварному соединению

2. Материал изделия.

3. Заготовительные операции

4. Технология сборки и сварки

5. Расчет режима сварки

6. Сварочное оборудование

6.1 Выбор сварочного оборудования

6.2 Конструкция сварочного оборудования

6.3 Правила безопасности работы на оборудовании

6.4 Расчет вторичного контура сварочной машины

6.5 Нагрузочные характеристики машины

7. Сварочные напряжения и деформации, меры борьбы с ними

8. Контроль качества и исправление дефектов

8.1 Характеристика основных дефектов и их причины

8.2 Исправление дефектов

8.3 Контроль качества сварных соединений

9. Нормирование сварочных операций

10. Планировка рабочего места

Заключение

Список используемой литературы

Введение. Сварка давлением

Под сваркой давлением понимают все виды сварки (контактная, трением, холодная и т.д.), при которых происходит пластическая деформация металлов в зоне контакта, в результате чего образуется сварное соединение. Этот процесс становится возможным при условии образования между двумя деталями межатомных связей кристаллических решеток. Для образования сварного соединения поверхности деталей сближают между собой настолько, что происходит взаимодействие атомов металла, расположенных на одной поверхности с атомами металла другой поверхности. После чего происходит объединение электронных оболочек, формируя металлургические связи. Граница соединения перестает быть барьером и происходит взаимная диффузия атомов, сопровождающаяся структурными изменениями в зоне контакта и деформацией с выделением большого количества тепла. Добиваются этого различными методами.

Контактная сварка является термомеханическим видом сварки, при которой контакт металлов в заданной точке сопровождается подачей электрического тока, вызывающего нагрев и необходимую для межатомных связей пластическую деформацию металлов. Принципиальная схема контактной сварки представлена на рис.1.

Рис. 1. Контактная сварка: А -- сварка сопротивлением; Б -- сварка оплавлением, 1 -- свариваемые детали; 2 -- фиксирующие зажимы, 3 -- сварочный трансформатор.

По ГОСТ 158-78-77 «Контактная сварка и соединения сварные» выделяют 3 основные вида: -точечная сварка - шовная сварка - стыковая сварка Однако разновидность этих способов достигает множества наименований.

Свариваемые детали тщательно зачищают от грязи и оксидов, закрепляют в зажимах сварочной машины и сжимают между собой с требуемым усилием. Одновременно через контакт подается электрический ток от сварочного трансформатора. В зоне контакта происходит разогрев металла до температуры близкой к плавлению. Пластичный металл под действием сжимающего усилия вытесняется вместе с образовавшимися оксидами. В результате этого бугорки и неровности, имеющиеся на свариваемых поверхностях, разрушаются, что дает возможность сближению деталей на расстояние, при котором возможны межатомные связи. Усиливая сжатие, добиваются пластической деформации поверхностей, при которой происходит взаимная диффузия атомов, что приводит к созданию неразъемного соединения. Усилие сжатия не снимают до тех пор, пока не произойдет процесс кристаллизации. Циклограмма контактной сварки приведена на рис.2.

Рис. 2. Циклограммы контактной сварки: А -- сварка сопротивлением; Б -- сварка сопротивлением; I -- ток сварки; Р -- степень сжатия; S -- перемещение плиты; t -- время

Особенностью контактной сварки является образование наплыва металла, вызванного осадкой металла. Такие наплывы, называемые гратом, удаляют механическим способом после полного остывания сваренных деталей.

Качество контактной сварки увеличивают применением защиты свариваемой зоны средой инертных газов. Это помогает избежать появления тугоплавких оксидов, затрудняющих тесный контакт свариваемых поверхностей, увеличивая надежность сварки.

Сварка давлением является разновидностью контактной сварки, когда поверхности подвергаются высокоинтенсивному давлению, позволяющему получить соединение без сопутствующего подогрева. При этом сближение свариваемых поверхностей до возникновения межатомных связей и образования металлических связей получают путем пластических деформаций металла. В результате приложенных усилий оксидные пленки, имеющиеся на поверхностях, разрушаются и выдавливаются из зоны контакта.

Качество сварного соединения, полученного давлением, во многом зависит от подготовки поверхностей, от способности металла подвергаться пластической деформации и от приложенных усилий. В некоторых случаях свариваемые поверхности подвергают предварительному нагреву до температуры меньшей, чем требуется для образования жидкой фазы. Такую сварку называют термокомпрессионной.

1. Описание конструкции изделия и требования к сварным соединениям

Изделие обечайка, представляющая собой цилиндрическую деталь из листовой стали с размерами: внутренний диаметр обечайки D=8000 мм, длина продольного шва L=1200 мм. Конструкция изготовлена из холоднокатаной низкоуглеродистой стали, толщина д=1,4 мм. Фактически данная конструкция представляет собой кольцо большого диаметра.

Данная деталь производиться в условиях массового производства, следовательно, целесообразно сварку и сборку проводить с применением механизации и автоматизации.

Продольный шов цилиндрической обечайки выполняется с помощью контактной шовной сварки. Длина шва L=1200 мм, масса обечайки равна:

Основные конструктивные элементы и размеры точечных расчетных соединений определяет ГОСТ 15878-79. Диаметр d_я литого ядра точки для этого способа сварки принят одинаковым для близких толщин и вне зависимости от марки свариваемого металла. Основные конструктивные элементы и размеры точечных расчетных соединений представлены в таблице 1.1. Формулы взяты из книги «Технология и оборудование сварки давлением» Гуляев А.И.

Таблица 1.1. конструктивные элементы и размеры точечных расчетных соединений

Наименование параметра	Обозначение, размерность	формула	величина	Примечание
1.Толщина детали	д, мм	-	1,4	По заданию
2.Номинальный диаметр литого ядра	dя, мм	dя=2д+3	5,8	[1, стр. 82]
3.Величина нахлестки	В, мм	В=(2,5ч2,75)dя	15,1	Группа А пункты 2,3,5 сверены[1, табл. 4стр. 83]
4.Глубина проплавления	h, мм	H=(0,2ч0,8)д	0,56	[1, стр. 82]
5.Минимальное расстояние между точками (шаг)	t, мм	t=(3,3ч4) dя	20,88	[1, стр. 82]
6.Глубина вмятины	Двм, мм	Двм?0,2д	?0,28	[1, стр. 83]
7.Диаметр обечайки	D, мм	-	8000	В условии
8.Длина продольного шва	l, мм	-	1200	В условии
9.Масса сварной конструкции	m, кг		330,44

1.1 Технологичность конструкции

Технологичность сварных конструкций

Оптимальными являются конструктивные формы, которые отвечают служебному назначению изделия, обеспечивают надежную работу в пределах заданного ресурса, позволяет изготовлять изделие при минимальных затратах материалов, труда и времени. Эти признаки определяют понятие технологичности изделия. Кроме того, необходимо, чтобы конструкция отвечала требованиям технической эстетики.

Технологичность конкретной конструкции оценивают качественно и количественно. Качественная оценка характеризует технологичность на основе опыта исполнителя. Она выражается численным показателем, характеризующим степень удовлетворения требований к технологичности продукции. Необходимость количественной оценки, номенклатура показателей и методика их определения устанавливается отраслевыми стандартами и стандартами предприятий согласно ГОСТ 14201-83.

На этапе эскизного проектирования выявляют принципиальную возможность обеспечения заданных служебных свойств изделия при различных вариантах конструктивного оформления и оценивают их технологическую целесообразность. Выбор формы и размеров отдельных элементов определяется параметрами и особенностями конкретной конструкции. Одновременно с выбором материала и метода получения заготовок конструктор назначает расположение сварных соединений, их тип и способ сварки. На всех стадиях проектирования сварной конструкции при отработке и технологичности конструктивных решений обязательно участие технологов-сварщиков, как через техотделы конструкторских бюро, так и через отдел главного сварщика.

На стадии технического проекта конструкции всех основных узлов и наиболее трудоемких деталей обычно разрабатывают в нескольких вариантах, которые затем сравнивают по их технологичности и надежности в эксплуатации. Производят расчеты трудоемкости, металлоемкости изделия и других показателей, затем выбор того или иного технического решения на основе этих расчетов.

На этапе рабочего проектирования производят детальную технологическую проработку принятого варианта конструкции. В первую очередь прорабатывают чертежи и технические условия на крупные заготовки, особенно на поставляемые извне, затем чертежи всех основных узлов и деталей и технические условия на их изготовление, сборку, монтаж и испытание.

Рабочие чертежи отправляют в отдел главного сварщика. Здесь при разработке рабочей технологии спроектированной конструкции выявляют недостатки, связанные в основном с выбором материалов (по их свариваемости), видов заготовок, размерами швов, характером подготовки кромок, припусков на механическую обработку, допусков формы и размеров, методов контрольных операций. Необходимые изменения по согласованию с конструктором вносят в чертежи и технологическую документацию до запуска изделия в производство.

Под технологичностью понимают конструктивные оптимальные формы, которые отвечают служебному назначению изделия, обеспечивают работу в пределах заданного ресурса, позволяет изготовить изделие с минимальными затратами материала, труда, времени.

Данную конструкцию является технологичной, так как:

1. Материал (сталь 20) обладает хорошей свариваемостью, не склонен к образованию холодных и горячих трещин, нет склонности к охрупчиванию, не чувствителен к образованию закаленных структур, малая склонность к красноломкости и хладноломкости.

2. Для соединения деталей применяется высокопроизводительная контактная шовная сварка.

3. Конструкция изделия позволяет применять механизацию и автоматизацию сборки, сварки и транспортных операций.

4. Может обеспечивать свободный подход электродов к месту сварки.

5. Если отношение между геометрическими параметрами обечайки (D/L=8000/1200=6,6) имело бы меньшее значение, то обработка такой детали представила бы большие трудности, так как в этом случае она относилась бы к узлам закрытого типа, обладающая наименьшей технологичностью.

Для получения хорошего качества сварки важно правильно выбрать оптимальные параметры режима сварки. Исходными данными для выбора режима служат свойства и толщина металла, подготовка его поверхности, возможности сварочного оборудования и требования к качеству.

Однако конструкция нетехнологична, так как:

1. Крупный внутренний диаметр обечайки (8м) не позволяет свободно кантовать конструкцию в пространстве и требует строительства специального цеха.

2. Имеется необходимость в использовании специального погрузочно-разгрузочного оборудования для сварки изделия воедино ,т.к. вес обечайки - 330кг.

3. Необходим заказ специальной сварочной шовной машины с расположением рабочих электродов в горизонтальной плоскости, т.к. в вертикальной плоскости сварить деталь проблематично из-за ее габаритов.

1.2 Требования к сварному соединению

Основное требование к сварному соединению, выполненному контактной шовной сваркой - прочность. Невыполнение этого требования повлечет изменение эксплуатационных характеристик. Элементы, определяющие плотность:

- диаметр литого ядра

- глубина проплавления

- шаг (расстояние между смежными точками)

- глубина вмятины и др.

Для сохранения прочности сварного соединения необходимо:

1. Соответствие конструктивных размеров согласно ГОСТ 15878-79.

2. Соответствие данной конструкции условиям чертежа.

Т.к. сварить конструкцию напроход не получится, т.к. длина обечайки около 26м, конструкцию составим из листов длиной по 6м каждый.

Рис 3.Геометрические параметры сварной обечайки

Рассчитаем средний диаметр обечайки:

Длина окружности составит:

+ 30 = 25152,2м

Материал детали изначально - сталь 20. Ее характеристики указаны в таблице 2.1.

Возьмем стандартный стальной лист, из которого будем вырезать заготовки заданных размеров 1,4x6000x1200мм. Лист стальной --плоский лист, предназначенный для изготовления стальных труб. Лист стальной также подходит для изготовления стальных конструкций. Стальные листы удобны и практичны, обладает низкой склонностью к коррозии. Поэтому лист стальной долговечен.

По ГОСТ 19904-90 берем листовую сталь со стандартным размером 1,4x6000x1200мм. Вес листа 62,1 кг. Четыре листа будут израсходованы без вырезки элементов. Это значит, что для них коэффициент использования будет равен 1. Пятый лист будет вырезаться на элементы по 1160x1200мм согласно рис.№4

Так как в ГОСТ 20295-85 для труб бесшовных и холоднотянутых нет параметров и размеров трубы, заданных в задании, мы будем делать ее из стального листа. В задании даны такие параметры как диаметр равный 8000 мм и толщина стенки равная 1,4 мм, поэтому лист будем гнуть на специально разработанном приспособлении поэтапно.



Рис 4. Стандартный стальной лист, из которого вырезаем необходимые заготовки. Заштрихованная часть - отходы.

Вся площадь 5-го листа - 7,2 м². Площадь неиспользуемого под заготовки материала составит 0,24м²(заштрихованная область), эффективно используемая площадь листа - 6,96 м². С данного листа возможно изготовить 5 заготовок.

контактный сварка деформация качество

2. Материал изделия

Изделие изготавливается из низкоуглеродистой, холоднокатаной стали 20 ГОСТ 1050-88. Химический состав и свойства материала приведены в таблицах 2.1, 2.2, 2.3.

Таблица 2.1. химический состав стали 20 (ГОСТ 1050-88)

C, %	Mn, %	Si, %	Cr, %	Ni. %	S, %	P, %	Cu, %
0.17-0.24	0.35-0.65	0.17	0.25	0.3	0.04	0.035	0.3

Таблица 2.2. Механические и физические свойства стали 20 (ГОСТ 1050-88)

№	Наименование параметра	Величина
1	Предел текучести МПа (при Т=20 оС)	255
2	Предел текучести при повышенной температуре МПа	70 (800)
3	Условное сопротивление деформации вне зоны сварки , МПа	200
4	Временное сопротивление разрыву , МПа	350
5	Относительное удлинение д, %	33
6	Относительное сужение ц, %	60

Таблица 2.3. теплофизические и физико-химические свойства стали 20 (ГОСТ 1050-88)

№	Наименование параметра	Обозначение	Величина
1	Удельное электросопротивление , мкОмм		0,13
2	Температуропроводность , мм2/с		7,1-9
3	Теплопроводность, Вт/(м оС )		37,6-41,7
4	Удельная теплоёмкость, кДж/(кг оС )	Со	0,67
5	Плотность, кг/м3		7830
6	Коэффициент линейного расширения, 1/ оС		11,5-6
7	Температура плавления , оС	Тпл	1530
8	Интервал температуры кристаллизации, оС		20

Примечание. Значения , , указаны при температуре 20 ; С_о - среднее значение для тепловых расчетов.

Качество сварки можно обеспечить при условии, что качество исходных материалов (основного металла, электродов) удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Основной металл проверяют на наличие пор, усадочных раковин и трещин. Особое внимание обращают на наличие этих дефектов в зоне сварки. Необходимо, чтобы материал в месте подвода тока и в месте соединения был чистым, так как загрязнение свариваемых поверхностей может привести к выплескам металла, что, в свою очередь, ослабляет сварное соединение. Возможно также попадание некоторого количества примесей в расплавленный металл и, в результате этого, ухудшение его качества. В этом случае необходимо осуществлять зачистку, после которой необходимо предохранить поверхность металла от коррозии, загрязнения маслом и оседания пыли. Под свариваемостью понимают способность однородных или разнородных металлов и сплавов образовывать работоспособное соединение с применением различных видов сварки и сварочных материалов. Свариваемость оценивают степенью соответствия свойств сварного соединения одноименными свойствами основного металла и вероятностью образования в металле соединения пор, включений, трещин и прочих дефектов. Сталь 20 обладает хорошей свариваемостью, что обусловлено:

Относительно высоким удельным электросопротивлением материала

Пластичностью в широком интервале температур

Отсутствием элементов, дающих тугоплавкие оксиды

Малой чувствительностью к закалке (т.е. сварное соединение не склонно к охрупчи- ванию)

Узким интервалом кристаллизации, что способствует малой склонности к образованию горячих трещин.

3. Заготовительные операции

К заготовительным операциям относятся:

расконсервация

правка

лист резать гильотинными ножницами на заготовки

обезжирить заготовку (очистка поверхности металла)

сушка на воздухе.

На металл во время транспортировки и хранения оседает пыль, находящаяся в воздухе, поэтому перед сваркой рекомендуется промывать детали в механизированных мойках для удаления остатков смазки и других загрязнений.

Листы, имеющие деформацию более 2 мм на 1 метр (т.к. толщина меньше 4 мм), подлежат правке. Их следует править в многовалковых листоправильных машинах. Правка выполняется в холодном состоянии при температуре окружающего воздуха не ниже - 10°С.

Разметку производить нецелесообразно, так как производство массовое, поэтому используем вырубные штампы, с помощью которых вырубаем детали, входящие в сварную конструкцию. Для получения деталей данного изделия используем холодную штамповку, которая обладает высокой производительностью, обеспечивает точность размеров и форму получаемых заготовок.

Очистка поверхности стабилизирует контактное сопротивление, способствует получению сварного соединения без дефектов и повышению стойкости электродов. Сталь 20 хорошо подготовлена под сварку еще при ее производстве. Этот металл в состоянии поставки имеет чистую блестящую или матовую поверхность, покрытую нейтральным смазочным материалом, предохраняющим от окисления при транспортировке и хранении.

Если после штамповки до сборки и сварки детали длительное время хранятся в открытых складах, то поверхность их загрязняется и требуется их очистка перед сваркой. Очистка также необходима, если при штамповке в местах глубокой вытяжки применяют специальные смазочные материалы, которые частично остаются на поверхности. Наиболее рациональна механическая очистка деталей в струйных двухкамерных механических мостках, устанавливаемых в потоках. Детали через них транспортируются подвесными конвейерами. Для обезжиривания поверхностей заготовки применяют 1-1,5%-ый горячий (80-90°С) водный раствор кальцинированной соды.

Химическими способами производить подготовку поверхности данного металла нецелесообразно ввиду высокой стоимости растворов для травления.

Качество подготовки поверхности проверяют внешним осмотром или измеряя электросопротивление деталей, помещенных между роликами сварочной машины, микроомметрами. Значение сопротивлений не должно превышать 50ч80 мкОм (для низкоуглеродистых сталей)

4. Технология сборки и сварки

При изготовлении данного изделия наиболее целесообразно применить контактную шовную сварку потому, что:

1. Сталь 20 обладает хорошей свариваемостью

2. Небольшая длина сварного шва - 1200мм

3. Небольшая толщина детали (д=1,4 мм)

4. Сварное соединение - нахлесточное

5. Производство изделия - массовое, что может обеспечить высокопроизводительная шовная сварка.

Технологию сборки и сварки данного изделия:

1. Собрать части (5шт.) обечайки в приспособлении и поэтапно закрепить (см.рис.5)

2. Установить детали между точечными электродами

3. Прихватить детали между собой в 3-х намеченных точках с помощью точечной сварки

4. Сварить с помощью шовной сварки

5. Проконтролировать качество сварного соединения внешним осмотром.

6. Повторить операцию до полной сборки конструкции воедино (5 повторений для каждого шва).

Рис 5. Элементы сборочного приспособления. (1 - прижимные/направляющие ролики; 2- часть обечайки; 3- шаблон под радиус гнутья.

Технологии сборки-сварки:

1) из стандартных листов стали(4шт) размером 1,4x6000x1200мм выполняем 4 заготовки под радиус обечайки. Из 5-го листа вырезаем нужную нам область(1160x1200) недостающую для получения полной формы заданной условием обечайки. Также загибаем 5-ый лист.

2) Подготовка поверхности (обработка кромок, подлежащих сварке). Очищение кромок от ржавчины, масел, краски, грязи, влаги и т. п. для очистки поверхности стали применяем дробеструйную обработку, используя дробь из отбеленного чугуна или мелконарезанную стальную проволоку. Качество подготовки поверхности проверяем визуально, сравнивая с эталонными. Выборочно измеряем общее холодное сопротивление R_общ. двух сжатых деталей. Сопротивление измеряют по схеме амперметр-вольтметр.

3) Сборка - важнейший этап изготовления сварной конструкции. Эта операция определяет геометрические размеры сварной конструкции. (см рис. 5). При этом каждый стальной лист поэтапно собирается с другим. Т.е. 1-ый и второй лист свариваем с требуемым нахлестом. Затем - 3-ий лист и так далее.

Сборка осуществляется по схеме:

Рис. 6

4)После сборки сварной конструкции следует операция прихватки каждого элемента. Делаем прихватки точечной сваркой на сварочной машине МТ-1216 на заданной конструкции, по следующей схеме:

Рис. 7

Таблица 4.1. Технические характеристики сварочной машины МТ-1216

Показатели	МТ-1216
Назначение	Холодная сварка деталей внахлестку
Толщина детали, мм, не более	5
Сила прижатия, кН	70
Привод	пневмогидравлический
Давление сжатого воздуха, МПа	0,4
Производительность, сварок/ч	400
Габаритные размеры, мм	640х550хх650
Масса машины, кг	120

Рис. 8

Точечная машина МТ-1214: 1- станина; 2 - консоль верхняя; 3 - верхний электрододержатель; 4 - электрод; 5 - нижний электрододержатель

4) Затем деталь освобождаем от сборочных приспособлений и окончательно свариваем в свободной состоянии шовной сваркой.

Шовная (роликовая) сварка - разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются непрерывным или прерывистым швом, состоящим из отдельных сварных точек, в результате приложения усилия сжатия и подвода тока к вращающимся дисковым электродам (роликам).

Сущность процесса

Заготовки накладывают друг на друга и зажимают обычно между двумя дисковыми электродами усилием сжатия Fсв (P).

При подаче тока металл в зоне контакта деталей по оси электродов начинает нагреваться и расплавляться. По мере движения (прокатывания) заготовок между электродом и подкладкой образуются новые сварные точки, перекрывающие или не перекрывающие друг друга. Как и при точечной сварке, не требуются специальные средства защиты расплава от взаимодействия с атмосферой. Выбираем схему г) машина с перемещением нижней оправки

Рис 9. Схемы шовной сварки

Рис 10. Сварочная часть шовной машины

5. Расчет режима сварки

Согласно методике, приведенной в [1, стр. 21], рассчитаем режим, необходимый для сварки конструкции из листовой стали 20. Для тонких толщин рекомендуется выбирать шовную сварку с прерывистой подачей тока, когдa кратковременные импульсы тока чередуются c паузами при непрерывном движении деталeй. Во время паузы теплота oт несваренного участка отводитcя в электроды, что снижает нагрев этогo участка и его окисление. Определим силу сварочного тока, учитывая следующие параметры режима:

6. Сварочный ток, кА ……….I_св

7. Время сварки, с …………..t_cв

8. Сварочное усилие , кН ……F_св

9. Время паузы, с……………. t_п

Рис. 11. Циклограмма сварочного процесса

Рассчитаем параметры режима для заданной толщины (д=1,4 мм)

Принимаем согласно рекомендациям [1, табл. 5 стр.89 режим А]



где - время сжатия;

- время сварки;

- время проковки;

- время паузы

Принимаем согласно рекомендациям [1, табл. 5 стр.89 режим А]

В качестве материала для роликов принимаем медь, предназначенную для сварки сталей.

Теплофизические свойства материала:

Средняя удельная теплоемкостьС_э.м.=0,385 кДж/(кг)

Плотность г_э.м.=8890 кг/м³

Температуропроводностьб_э.м=8,95?10^-5 м²/с

Сопротивление места сварки нагрева 2R_д.кон. рассчитывается при условии: d_э=d_я=d_к.кон.

где - коэффициент сопротивления детали (1, рис 11 б, стр. 15);

- коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева пластин для сталей;

d_к.кон.= 10 мм - диаметр контакта к концу нагрева;

- удельные сопротивления соответственно для температур t₁=1200 и t₂=1500 (для сталей)

где - температурный коэффициент сопротивления металла;

Тепловой баланс при контактной сварке. Считают, что вся теплота Q_общ. расходуется на нагрев металла в зане сварки (Q₁), потери вследствие теплопроводности в окружающий металл (Q₂) и электроды (Q₃), т. е

где - диаметр электрода;

- толщина металла;

- средняя теплоемкость металла изделия;

- средняя плотность металла изделия;

- температура плавления металла.

где =0,8 учитывает неравномерность распределения температуры по ширине кольца;

-отношение теплопроводности к средней теплоемкости и плотности

- время сварки

- учитывает форму ролика (цилиндрического)

Тепловой баланс при контактной сварке

Силу сварочного тока (действующее значение) рассчитывают по формуле закона Джоуля-Ленца:

где - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления во время сварки.

Общая сила тока во вторичной цепи с учетом тока шунтирования через соседнюю точку при минимально допустимом шаге между точками t_ш=0.015 м рассчитывается по формуле:

где - общее сопротивление шунта

где - среднее удельное сопротивление шунта

- безразмерный параметр, зависящий от соотношений t_ш/d_к.кон и t_ш/b, где b - токопроводящая ширина

t_ш/d_к.кон=0,015/0,01=1,5 t_ш/b=0,015/0,043=0,395

По графику [1, рис 64,г, стр. 96] , тогда

Вторичный ток

Окончательно принимаем следующие параметры режима сварки:

Данный режим является жестким, что обеспечивает большую производительность, уменьшение деформации, повышение работоспособности соединений при переменных нагрузках, уменьшение расхода энергии, но при нем требуется хорошая подготовка поверхности деталей и сборка. Также при малой толщине металла рекомендовано прерывистое включение сварочного тока. Режим сошелся с рекомендованными параметрами из технической литературы по сварке.

6. Сварочное оборудование

6.1 Выбор сварочного оборудования

В соответствии с рассчитанным режимом сварки (см. п. 5) выбираем сварочную машину. В соответствии с рассчитанным режимом сварки (см. п. 5) выбираем сварочную машину МШВ-2204-1[www.elmics.ru], которая работает от сети с напряжением 380 В частотой 50 Гц.

Сварочные машины характеризуются электрическими и механическими техническими и технологическими параметрами:

1. Электрические - максимальная сила вторичного тока, максимальная мощность, продолжительность включения ПВ %=t_св/( t_св+t_п), номинальное вторичное напряжение и пределы его регулирования, вид нагрузочной характеристики.

2. Механические - номинальное и максимальное усилие.

Технические характеристики МШ-2204-1 приведены в таблице 6.1

Таблица 6.1. Технические характеристики контактной шовной машины МШ-2204-1

Параметр	Величина
Расположение роликов	продольное
Род сварочного тока	переменный
Напряжение питания, В	380
Наибольшая мощность при коротком замыкании, кВа	140
Мощность при ПВ=50%, кВа	127
Наибольший вторичный ток, кА	22
Номинальный длительный вторичный ток, кА	14
Вылет, мм: - поперечный - продольный	- 750
Раствор, мм	95
Усилие сжатия, даН	100…750
Ход верхнего электрода, мм:	45
Линейная скорость роликовых электродов, мм/мин	0,3...4
Расход охлаждающей воды, л/ч	1200
Диаметр электрода, мм	220
Свариваемые толщины при сварке низкоуглеродистой стали, мм	От 0,5+0,5 до 2,0+2,0
Габариты (ДхШхВ), мм	1940х830х1730
Масса, кг:	1000

6.2 Конструкция сварочного оборудования

Рис. 12. Принципиальная схема силовой части машины переменного тока (а) и формы импульсов сварочного тока (б-д)

Однофазные машины переменного тока (рис. 12). В этих машинах сварочный ток появляется во вторичной обмотке однофазного сварочного трансформатора СТ после включения контактора -- прерывателя Пр. Сила тока регулируется переключателем ступеней ПС. Время и форма импульса регулируется аппаратурой управления АУ. В простейшем случае этот импульс имеет синусоидальную (рис. 9, б) или близкую к ней (рис. 9, в) форму. При необходимости можно получить импульс с постепенным нарастанием и спадом тока (рис. 9, г) или многоимпульсный ток с изменением формы импульса и силы тока (рис.9, д).

Приведенная схема получила наибольшее распространение в машинах для всех способов контактной сварки. Преимущества схемы: простота устройства для преобразования электрической энергии сети и возможность получения импульсов тока, различных по форме и продолжительности. К недостаткам относят неравномерную загрузку фаз силовой сети, большие импульсы тока при включении машин значительной мощности, низкий коэффициент мощности ( ).

Потребляемая мощность из сети зависит в основном от полного сопротивления вторичного контура машины, которое определяется размерами контура, толщиной и физическими характеристиками свариваемого металла. Эта мощность повышается с увеличением площади контура, толщины и сечения свариваемого материала При сварке ферромагнитных металлов при размещении детали в контуре мощность существенно увеличивается. Коэффициент мощности таких машин 0,5--0,7, а машин с большими контурами 0,2--0,3. Металлы, имеющие меньшее удельное сопротивление, также свариваются при повышенной мощности.

Особенности:

· Высокое качество сварки ответственных конструкций.

· Автоматический контроль параметров сварки.

· Повышенная износостойкость электродов.

· По заказу сменные электродные устройства для сварки поперечным или продольным швом, специальная не приводная нижняя консоль для сварки обечаек малых диаметров.

· Непрерывный и шаговый режимы вращения роликов.

· Сварка первой точки шва пониженным током.

· 6-фазное выпрямление с малой глубиной пульсаций тока.

· Диафрагменный привод давления; два редуктора для регулирования сварочного и ковочного усилий сжатия.

· Электропривод регулирования хода верхнего электрода.

· Привод вращения - на один или оба ролика(заменяем медной подкладкой)



Рис. 13. Схема машины

На рис. 13 приведена упрощенная принципиальная схема такой машины. Станина ее состоит из верхней 4 и нижней 11 рам, которые связаны стойками и направляющими 10. На подвижном столе 12 устанавливают приспособление, фиксирующее свариваемое изделие 8. Это приспособление включает и контрэлектроды 9, через которые замыкается сварочная цепь при одностороннем подводе тока. Подвижной стол в рабочее положение поджимается подъемным механизмом 13, приводимым в действие пневматическим цилиндром 14. Стол передвигается по четырем направляющим. Сварочные трансформаторы 5 укреплены на кронштейнах 6. Сварочные пистолеты 17 расставлены в соответствии с расположением точек на изделии и укреплены на кронштейнах 7, которые крепятся на стойках или верхней раме станины. Сварочные трансформаторы включаются аппаратурой 3, установленной обычно на верхней раме машины. Сжатый воздух из сети поступает через вентиль 1. Сварочные пневматические пистолеты приводятся в действие сжатым воздухом повышенного давления, которое создается воздушным компрессором дожатия 2. Необходимое давление в воздушных сетях обеспечивают регуляторы давления 16, а подачу воздуха -- электропневматические распределители 15.

В целях увеличения загрузки оборудования этого типа применяют сменную оснастку -- сварочные штампы, что позволяет на одном сварочном прессе сваривать несколько изделий. Сварочный штамп состоит из верхней и нижней плит, которые для обеспечения соосности монтируют на четырех направляющих колоннах. Верхняя плита электрически изолирована от нижней. На плитах размещены тока подводы, контрэлектроды, фиксаторы, зажимные устройства, съемники и сварочные трансформаторы. На одной из плит смонтированы сварочные пистолеты или клещи. Электрическая сеть, гидравлические или пневматические системы подсоединяются к штампу быстродействующими устройствами. Смена сварочного штампа производится электрокарами или быстродействующими транспортными устройствами, смонтированными на консолях с двух сторон машины.

Правила безопасности работы на оборудовании

1. Для предохранения от поражения током вторичный виток сварочного трансформатора, корпуса машины, прерывателя и аппаратуры управления заземляют.

2. Дверки машины и аппаратуры управления, при открывании которых возможно прикосновение к открытым токоведущим частям, находящимся под напряжением свыше 36В переменного или 48В постоянного тока, должны иметь блокировку, обеспечивающую отключение машины от сети при их открывании.

3. Пост около машины, места сварщика должен быть сухим, покрыт деревянной решеткой или резиновым ковриком.

4. Для защиты от выплесков расплавленного металла, от соприкосновения с горячим металлом в целях предупреждения ожогов сварщик должен работать в защитных очках с бесцветными стеклами, рукавицах (перчатках), хлопчатобумажной огнестойкой или брезентовой одежде. При работе с наружным охлаждением дополнительно выдаются брезентовый фартук и резиновые сапоги.

5.При точечной сварке хорошо подготовленной поверхности в окружающее пространство выделяется незначительное количество вредных паров и газов. При подобранном режиме нет опасности загрязнения воздуха мелкодисперсной пылью. Однако при сварке деталей, покрытых оксидами, маслом и другими загрязнениями, либо деталей с анти- коррозионным или склеивающими покрытиями требуется установка местной вентиляции на машины и усиления обшей вентиляционной системы.

Для исключения поражения электрическим током сварщику и наладчику необходимо выполнять следующие правила: 1) не допускать попадания воды, масла, грязи, пыли и металлических предметов на обмотки трансформатора и вспомогательных электрических устройств; 2) ступени мощности переключать только при отключенной сети; запрещается открывать дверки машины при включенном напряжении; 3) следить за тем, чтобы изоляция питающих проводов и рукояток переключателя не была повреждена; 4) выполнять зачистку, заправку и смену электродов только при выключенной машине; 5) не смазывать части машины на ходу; 6) не допускать присутствия посторонних лиц около машины во время работы; Следует помнить, что в шовных машинах, а также в стыковых с моторным приводом особую опасность представляют электродвигатели, питающиеся от сети с напряжением 220 или 380 в, поэтому их необходимо тщательно защищать от попадания воды, масла и брызг расплавленного металла.

6.4 Расчет вторичного контура сварочной машины

Определяем сечения всех элементов вторичного контура машины, с учетом того, чтобы при протекании номинального длительного вторичного тока температура элементов контура не превышала допускаемую температуру нагрева 100 ^оС для однофазных машин переменного тока.

Для расчета активного сопротивления весь контур разбиваем на несколько участков одинаковых по форме и сечению образующих элементов. Для упрощенного расчета индуктивного сопротивления находим общую площадь, заключенную между осями его элементов:

а)

б)

Рис. 14. а) вторичный контур точечной машины и сечения его основных элементов, б) шовной машины и его конструктивных элементов

Общая площадь частей контура шовной машины:

Для нахождения приближенного значения общего активного сопротивления контура, находим активное сопротивление каждого i-того элемента:



где - удельное электросопротивление при максимальной температуре (50-100 ^оС)

- коэффициент, учитывающий поверхностный эффект

, - длина и площадь поперечного сечения i-того элемента

Активное сопротивление роликов 1-2 из меди М1 ():

Для роликодержателей из меди М1 с водяным охлаждением по аналогии имеет сопротивление (при внутреннем отверстии роликодержателе 18 мм и )

Верхняя консоль 4 прямоугольного сечения, изготовленная из меди М1, с воздушным охлаждением имеет сопротивление ()

Нижняя консоль 8 ()

Сопротивление верхней гибкой шины 3, из тонкой медной фольги, рассчитывают при , сопротивление шины =

Сопротивление нижней жесткой шины 7 прямоугольного сечения, изготовленной из меди М1 с воздушным охлаждением ()

Верхняя колодка 5 из меди с воздушным охлаждением ()

Активное сопротивление всех токопроводящих элементов при Т=20 ^оС:

Активное сопротивление этих элементов , приведенные к рабочей температуре Т_р=80 ^оС:

Число переходных контактов 9. Принимаем активное сопротивление одного контакта соответственно 2 мкОм, тогда

Активное сопротивление всех элементов и переходных контактов вторичного контура:

Полное сопротивление сварочного контура при сопротивлении места сварки , активном и индуктивном сопротивлении обмоток сварочного трансформатора, приведенных во вторичной обмотке , [1,стр. 54],

6.5 Нагрузочные характеристики машины

В сварочной машине используется трансформатор К-16.04-2. Его характеристики приведены в таблице 6.2 [3, стр. 261]

Таблица 6.2. Характеристики трансформатор К-16.04-2

Параметр	Обозначение	Величина
Номинальная ступень	-	7
Число ступеней	-	8
Производительность	ПВ, %	50
Номинальная мощность	Рн , кВА	64
Мощность	Р, кВА	45
Номинальный первичный ток	I1н, A	196
Первичный ток	I1, A	138
Номинальный вторичный ток	I2н, A	16000
Вторичный ток	I2, A	11300
Первичное напряжение	U1, В	325
Номинальное вторичное напряжение холостого хода	(U20)н, В	3,78
Пределы его регулирования	(U20)мин-(U20)макс, В	2,14-4,28

Для представления об изменении сварочного тока машины в зависимости от электрического сопротивления зоны сварки строим характеристику машины I₂=f(R_ээ). Это позволяет определить требуемую ступень работы машины в зависимости от R_ээ и величины I₂.

Исходные данные для расчета:

, ,

,

Определим полное сопротивление машины Z= f() по формуле

Сварочный трансформатор имеет 8 ступеней мощности с вторичным напряжением:

2,14; 2,44; 2,75; 3,05; 3,36; 3,66; 3,97; 4,28

Рассчитаем нагрузочные характеристики для ступеней трансформатора. Исходя из значений и вычислим сварочный ток:

где - вторичное напряжение для i-ой ступени трансформатора.

Результаты расчетов представлены в таблице 6.3.

Таблица 6.3. Расчет нагрузочных характеристик

	0	50	100	150	200	250
Z(мкОм	207	263,59	304,73	337,42	371,36	403,34
1 ступень		10,3	8,1	7	6,3	5,71	5,3
2 ступень		11,7	9.2	8	7,2	6,53	6
3 ступень		12,47	10,69	9,33	8,2	7,53	6,44
4ступень		11,5	10,75	9,87	8,98	8,14	7,77
5 ступень		12,67	11,84	11	9,91	9	8,55
6 ступень		13,89	12,9	11,97	11,41	9,77	8,64
7 ступень		15,45	13,99	12,96	12	11	9,98
8ступень		16,78	15,35	13,94	12,8	11,43	10,54

Строим график зависимости I₂=f() (рис 12) и наносим на него значения и режима сварки заданного изделия. По графику видно, что рабочей ступенью трансформатора будет являться ступень 1. При этом применим фазовую регулировку тока микропроцессорным регулятором РКМ-801П, позволяющим плавно регулировать фазу сварочного тока в пределах 30-100% .

Рис 15. График нагрузочных характеристик машины МШ-2204-1.

7. Сварочные напряжения и деформации, меры борьбы с ними

В процессе сварки деформации возникают под действием термомеханического цикла сварки и вследствие контакта оборудования со свариваемыми деталями (технологические деформации). Причиной первых является неравномерный нагрев изделий и тепловое расширение металла. Последние происходят в стесненных условиях, поэтому сопровождаются возникновением внутренних сил, вызывающих необратимые пластические деформации, которые приводят к образованию остаточных сварочных напряжений и перемещений. Под перемещениями понимают удлинения, укорочения, прогибы, повороты, т.е. то, что в силу укоренившейся традиции называют сварочными деформациями.

Можно добиться снижения деформаций увеличением усилия проковки. Если по мере охлаждения зоны сварки за счет увеличения внешнего давления (усилия проковки) вызвать дополнительную пластическую деформацию и тем самым обеспечить компенсацию усадочных процессов, можно снизить и даже преобразовать растягивающие напряжения в сжимающие. Так как образование остаточных напряжений за счет усадки продолжается до полного охлаждения, то становится значимым время проковки. Отсюда вытекает способ снижения остаточных деформаций за счет усиленного охлаждения свариваемых деталей путем увеличения длительности проковки (за счет усиленного охлаждения электродов). Уменьшить количество усадочных дефектов можно также снижением сопротивления пластической деформации путем замедленного охлаждения при использовании подогрева током, что дает возможность снизить усилие проковки.

Применение роликов с большой плоскостью соприкосновения с деталью, интенсивного охлаждения свариваемых деталей также способствует снижению остаточных деформаций. Чем сильнее проявляются сварочные деформации, тем больше остаточные внутренние напряжения, поэтому надо стремиться к исключению причин, вызывающих появление деформаций. Для таких соединений характерна высокая концентрация сварочных напряжений вследствие того, что продольный силовой поток стягивается сварным соединением.

Применяются следующие способы борьбы с деформациями:

Жесткое закрепление деталей в сборочно-сварочном приспособлении, само приспособление должно обладать, в свою очередь, достаточной жесткостью.

Использование жесткого режима сварки, при котором получают минимальную зону разогрева.

Соблюдение минимальных зазоров при сборке и соответствие их размерам на чертеже.

Рациональная постановка сварочных точек.

Использование электродов с интенсивным охлаждением водой. Для данного изделия применяем все эти способы способы борьбы с деформациями.

При данных крупных габаритных размерах целесообразно использовать стандартную сварочную оснастку - всевозможные крепления, упоры, струбцины.

8. Контроль качества и исправление дефектов

Непровары, выплески, несплошности зоны сварки (трещины, раковины), снижение коррозионной стойкости соединений, неблагоприятные изменения структуры металла -основные дефекты сварки - отклонения от установленных норм и технических требований, которые уменьшают прочность и эксплуатационную надежность сварочных соединений и могут привести к разрушению всей конструкции.

8.1 Характеристика основных дефектов и их причины

Непровар - наиболее опасный дефект, т.к. внешние его проявления не всегда заметно. Данный дефект может привести к разрушению всего изделия или узла, к появлению местных расслоений, при шовной сварке -- к негерметичности соединения. Непровар выражается в уменьшении размеров литого ядра ниже установленных значений или полном его отсутствии. В последнем случае сварка деталей происходит в твердой фазе по ограниченной площади. Такой вид непровара наиболее опасен, т.к. с помощью внешнего осмотра его определить очень трудно. Общей причиной этого дефекта считают нарушение температурного поля, что может произойти вследствие малого сварочного тока или недостаточной его плотности в месте сварки. Последнее возможно при чрезмерном увеличении контактной поверхности электродов, при шунтировании тока через слишком близко расположенную соседнюю точку, в результате случайного касания электродами вертикальной стенки детали. Непровар может возникнуть вследствие больших зазоров между деталями или случайного касания вблизи места сварки.

Выплеск - распространенный дефект сварки. Выплески бывают наружные и внутренние. Выплеск связан с перегревом металла в контакте электрод - деталь. Внутренний выплеск может быть начальным и конечным. Начальный выплеск часто образуется при работе на скоростных режимах, особенно при включении тока асинхронными контакторами. Конечный выплеск связан с локальным образованием зазора в уплотняющем пояске. Выплески обычно увеличивают глубину вмятины, выявляются они внешним осмотром. Причины выплесков: недостаточное усилие сжатия, большая сила сварочного тока и длительное его протекание, высокое контактное сопротивление, малое усилие сжатия, неправильная установка и заправка электродов.

Вмятины глубиной более 10-20% толщины деталей снижают прочность соединения. Этот дефект выявляется внешним осмотром и его легко замерить обычным индикатором со специальной стойкой. Причинами дефекта являются чрезмерное увеличение силы сварочного тока, времени сварки или малая рабочая поверхность электрода. Односторонние вмятины обычно возникают в результате износа нижнего электрода с развитой поверхностью, неправильной заправки рабочей поверхности электрода, нарушение соосности и параллельности рабочих поверхностей электрода. Дефекты литой зоны сварочного соединения - это трещины, рыхлости и усадочные раковины. Трещины образуются под действием растягивающих напряжений, возникающих в месте сварки вследствие неравномерного нагрева и интенсивного охлаждения. В этих условиях появляются, в основном, горячие трещины, они образуются в температурном интервале хрупкости (ТИХ). Основные условия появления трещин - слишком сложный режим, несвоевременное приложение усилия проковки. В центре ядра возможно появление различных несплошностей (раковин). Причинами этого дефекта являются загрязнения поверхности и недостаточное усилие сжатия при сварке.

Повышение напряжения в электрической сети, происходящее, как правило, в вечерней и ночной сменах, когда нагрузка резко уменьшается, может вызвать пережог, особенно, при шовной сварке.

Наиболее опасны непровары, т.к. размеры ядра определяют основные эксплуатационные характеристики (прочность). Выплески (наружные и внутренние) ухудшают вид изделия, могут попадать в магистрали и загрязнять их. Трещины и раковины, в основном, влияют на герметичность и, в меньшей степени, на прочность, т.к. находятся вне зоны наибольших рабочих напряжений на границе ядра или уплотняющего пояска.

8.2 Исправление дефектов

Исправление дефектов контактной сварки обычно сложно и трудоемко. Точечная сварка по ранее свариваемому месту возможна, но выполняется редко и на особо подобранных режимах. При этом способе исправления трудно обеспечить соосность соединений. Чаще дефектную точку исправляют сваркой дополнительных точек. Исправление дефектных соединений способами сварки плавлением или пайкой почти всегда возможно, но трудоемко.

Глубокие вмятины на лицевой поверхности исправляют пайкой или заполняют их пластмассой (способом напыления).

8.3 Контроль качества сварных соединений

Качество сварных соединений контролируют различными способами на образцах и деталях с разрушениями и без разрушений соединений.

Контроль с разрушением выполняют на технологических образцах. При точечной сварке применяют несколько типов образцов. Эти образцы разрушают различными способами, а также изготавливают штифты по сечению шва или подвергают рентгеновскому просвечиванию. Для приблизительной оценки качества тонколистовых металлов образцы технологической пробы разрушают, определяя по диаметру размер литого ядра или площадь срезе разрушая образцы в тисках отрывом или кручением.

Контроль без разрушения. Внешний осмотр самый простой и распространенный метод контроля без разрушения, при котором часто используют сравнение с эталоном. Внешним осмотром определяют число сварных точек, их расположение, размеры и характер вмятин, величину зазоров, наличие внешних выплесков и т.д.

Применяя контрольные приспособления, универсальные или специализированные способы измерения, определяют геометрические размеры данного сварного соединения: зазор (если есть) между обечайкой и донышком, точность базирования деталей. Радиационные методы контроля применяют редко. Один из современных методов контроля - ультразвуковая дефектоскопия, при его использовании можно определить размер литого ядра.

Применяется также и рентгенодефектоскопия, используемая для выявления внутренних дефектов сварных соединений: пор, раковин, выплесков, трещин. Но для большинства металлов рентгеновское просвечивание не позволяет установить наличие литой зоны сварных соединений. К новым методам контроля можно отнести термографический контроль по электропроводимости места сварки. Перспективным является контроль соединений точечной и шовной сварки с использованием электромагнитного метода, основанного также на измерении электропроводности металла зона сварки.

Для контроля данного изделия применяем метод внешнего осмотра. Кроме геометрических размеров сварного изделия, наличия зазоров, точности базирования, контролируем также шаг между точками (t=+10%).

Параметры режима измеряют специальными приборами. Сварочный ток замеряют специальными амперметрами, трансформаторами тока или с помощью других средств. Известна также аппаратура, например КАСТ-2М, для автоматической регистрации отклонения тока от заданного значения.

Время сварки (протекания тока) измеряют осциллографами, счетчиками импульсов типа СИ-2, регистраторами времени РВС-1.

Для определения усилия сжатия при наладке и аттестации машин используют гидравлические и пружинные динамометры: ДПС-1 (<50 кН), ДПС-2(<100 кН) и ДПС-3(<1 кН). Для измерений в процессе сварки применяют тензодатчики, установленные на элементы механические части машины (кронштейны, консоли и т.д.), датчики перемещения (потенциометрические, емкостные, индуктивные), устанавливаемые под консоль.

Увеличение Iсв до больших параметров ведет к выплеску. Уменьшение I_cb, t_им<...