Анализ технических требований сварной конструкции

               

            Введение

Сварка является одним из ведущих технологических  процессов обработки металлов. Большие  преимущества сварки обеспечили ее широкое  применение в народном хозяйстве; без нее сейчас немыслимо производство судов, турбин, котлов, самолетов, мостов, реакторов и других конструкций. Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

Сварное соединение металлов характеризуется непрерывностью структур. Для получения сварного соединения необходимо осуществить  межмолекулярное сцепление между  свариваемыми деталями, приводящее к  установлению атомарной связи в пограничном слое.

Если защищенные поверхности двух соединяемых металлических  деталей при сжатии под большим  давлением сблизить настолько, чтобы  могло возникнуть общее электронное  облачко, взаимодействующее с ионизированными  атомами обеих металлических поверхностей, получим прочное сварное соединение. На этом принципе осуществляется холодная сварка пластичных металлов.  

При повышении  температуры в месте соединения деталей, амплитуды колебания атомов относительно постоянных точек их равновесного состояния увеличиваются, и тем самым создаются условия более легкого получения связи между соединяемыми деталями. Чем выше температура нагрева, тем меньшее давление требуется для осуществления сварки, а при нагреве до температур плавления необходимое давление становится равным нулю.

Сварка плавлением осуществляется нагревом свариваемых  кромок до температуры плавления  без сдавливания свариваемых  деталей.

Все существующие способы сварки могут быть разделены  на две основные  группы: сварку давлением (контактная, газопрессовая, трением, холодная, ультразвуком) и сварку плавлением (газовая, термитная, электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная).

Наибольшее  распространение получили различные  способы сварки плавлением, а ведущее  место занимает дуговая сварка, источником теплоты при которой служит электрическая дуга.

В 1802 г. русский  ученый  В.В.Петров (1761-1834 г.) открыл электрический  дуговой разряд и указал на возможность  его использования для расплавления металлов. Своим открытием Петров положил начало развитию новых отраслей технических знаний, получивших впоследствии практическое применение сначала в электродуговом освещении, а затем при электрическом нагреве, плавке и сварке  металлов.  В  1882  г.  русский  инженер Н.Н.Бенардос (1842-1904 гг), работая над созданием крупных аккумуляторных батарей, открыл способ электродуговой сварки металлов неплавящимся угольным электродом. Им были также разработаны способы дуговой сварки в защитном газе, дуговой резки металлов и др.

Способ дуговой  сварки получил дальнейшее развитие в работах русского инженера Н.Г.Славянова (1854-1897), предложившего в 1888 г. производить сварку плавящимся металлическим электродом. С именем Славянова связано развитие металлургических основ электрической дуговой сварки, создание первого автоматического регулятора длины дуги и первого сварочного генератора. Им предложены флюсы, позволяющие получить высококачественный металл сварных швов.

Изобретения Бенардоса  и Славянова были запатентованы  и использованы не только в России, но и во всех промышленно-развитых странах.

Преимущество  сварных конструкций в настоящее  время не вызывает сомнений. Применение сварки дает не только экономию металла (на 20-25% по сравнению с клепкой  и до 50% по сравнению литьем), времени  и рабочей силы, уменьшение расходов на оборудование цехов по изготовлению металлоконструкций, улучшение условий труда, но и позволяет решить ряд сложных технических задач по созданию принципиально новых конструкций. Например, только благодаря применению сварки стало возможным изготовление очень экономичных шаровых емкостей для химической промышленности, уникальных гидравлических и паровых турбин, при изготовлении которых применяются детали и узлы сложных форм, больших толщин из различных легированных сталей; двухслойных металлов (биметалл), представляющих собой малоуглеродистую или низколегированную сталь, покрытую тонким слоем высоколегированной стали.  

На различных  заводах применяют различные  виды сварки, такие как ручная дуговая  сварка, полуавтоматическая в среде  углекислого газа, аргоно-дуговая, контактная. Они обеспечивают надежную работу в пределах заданного ресурса, позволяют изготовить изделие при минимальных затратах материалов, труда и времени.

При изготовлении конструкций выпускаемой продукции: кузова самосвалов, автобусы, автозавод широко применяет полуавтоматическую сварку в среде углекислого газа, она обеспечивает достаточно надежную изоляцию сварочной ванны при работе в заводских условиях.

Целью данного  дипломного проекта является разработка  технологии сборки-сварки изделия  «Борт боковой 9334».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общий раздел

1.1 Анализ технических требований сварной конструкции

Изделие «Борт боковой 9334» является основной частью конструкции кузова 9334. Данная сварная конструкция может эксплуатироваться в разных климатических условиях. Из механических нагрузок действующих на данную сварную конструкцию в основном преобладают статические, в состояние покоя от веса самой конструкции, а при эксплуатации испытывает динамические и вибрационные нагрузки.

          Данная сварная конструкция относится к 2 классу ответственности по ОСТ 23.2429-80, поэтому к ней предъявляются следующие требования:

а) все детали поступающие на сборку под сварку, не должны иметь неплоскостность  и непрямолинейность более 3 мм, на 1 п/м, если на чертеже детали нет указаний на более высокую точность. Поверхности деталей должны быть сухими, очищенными от грязи, масла, краски, окалины и ржавчины;

б) сварные конструкции 2 класса должны быть рассчитаны на статическую  и усталостную прочность. Расчету  подлежат только рабочие швы, связующие швы расчету не подлежат;

в) технологические  прихватки должны производиться  электросварщиком не ниже второго разряда;

г) прихватки  подлежат очистке от шлака, наличие  в прихватках трещин и шлаковых включений  не опускается;

д) сварка производится электросварщиком не ниже четвертого разряда;

е) исправление  дефектов сварных швов, а так же заварка дефектов основного металла  конструкции должна производиться  электросварщиком четвертого разряда. Исправление дефектов сварных швов  не допускается производить более двух раз в одном месте;

ж) правка (рихтовка) сварной конструкции после сварки допускается, при условии сохранения прочности сварных соединений, способ правки должен устанавливаться разработчиком  технологической документации в зависимости от назначения конструкции и указывается в технологическом процессе;

з) в документации технологического процесса на сварку (в карте технического контроля ГОСТ 3.1502-74), должно быть конкретно указанно:

1) объект контроля  по ГОСТ 3242-69;

2) процент контроля от партии сварных узлов, поступающих на контроль;

3) материальный  инструмент по государственному  стандарту, контрольные приспособления  или шаблоны;

и) при изготовлении первого образца или первой партии изделия сварных конструкций  должны подвергаться 100% контролю.

 

1. Труба
2. Труба
3. Панель борта
4. Запор борта
5. Шарнир борта
6. Стойка средняя

Рисунок 1 –  Изделие «Борт боковой 9334»

 

1.2 Обоснование выбора и характеристика материала

От правильного  выбора металла для сварки конструкций  в значительной мере зависят их эксплутационная надежность и экономичность.

Профиль труб по ГОСТ 8645-75. Трубы стальные прямоугольные, сортамент, ГОСТ 8639-75. Трубы  стальные квадратные, сортамент. Материал труб Ст В 20 ГОСТ 1366-86.

Для изготовления изделия применяют низкоуглеродистую  сталь (см. табл. 1 и 2), обладающей хорошей свариваемостью, сварные швы получаются хорошего качества без применения специальных технологий.

   

     Таблица 1. Механические свойства сталей 

Сталь	Gв, МПа	б, %	У,%	НВ
Сталь 20	340-490	25	50	163
О9Г2С	510	22	50	120

 

     Таблица 2. Химический состав стали, в процентах  

Сталь	С	Si	Mn	Cr	S	P	Cu	Ni	As
Сталь 20	0,17-0,24	0,17-0,37	0,25	0,04	0,035	0,04	0,25	0,25	0,08
09Г2С	0,012	0,17-0,37	1,4-1,8	0,3	0,04	0,035	0,30	0,30	0,08

 

Механические  свойства материала определяет ее несущую способность, т.е. способность воспринимать заданные нагрузки. Они в значительной степени характеризуют величину массы материала изделий и оказывают непосредственное влияние на их стойкость.

Важным положительным  свойством низкоуглеродистой стали является возможность получения сваренных соединений со свойствами, близкими к основному металлу. Как правило, наиболее удовлетворительно свариваются стали, содержащие не более 0,25% углерода.

 

 1.3 Оценка свариваемости материала

Свариваемость - это технологические свойства, которые необходимы при соединении сварных конструкций и должны обеспечивать требуемые эксплуатационные способности. Степень свариваемости  металлов зависит от содержания в  нем углерода: чем меньше в стали  углерода, тем лучше она сваривается. О свариваемости стали судят по эквивалентному содержанию углерода, которое рассчитывается по эмпирической формуле:  

 Степень  свариваемости металлов подразделяется  на четыре группы:

1 - хорошо свариваемые ≤ 0,25%

2 - удовлетворительно  свариваемые ≥ 0,25-0,35%;

3 - ограниченно  свариваемые≥ 0,35-0,45%;

        4 - плохо свариваемые≥ 0,45%.

     Так  как содержание углерода в стали 20 менее 0,25%, она относится к 1 группе свариваемости. После сварки не требует последующей термообработки, сварное соединение получается высокого качества.

     Простые  углеродистые стали, не могут  удовлетворять потребности народного  хозяйства, поэтому в настоящее  время широкое распространение  получили легированные стали.  К ним относятся стали, в состав которых введены легирующие элементы, отсутствующие в обычных углеродистых сталях или имеющие повышенное против допустимого в углеродистых сталях содержание марганца и кремния.

     Марганец  считается легирующим элементом  при содержании его более 1,0%, а кремния более 0,8%. Благодаря применению легирующих сталей появляется возможность снижения массы изделия, что экономит значительное количество металла и повышает грузоподъемность судов, вагонов и других конструкций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Технологический раздел

2.1 Критический анализ существующей технологии

В настоящее  время на Нефтекамском заводе автосамосвалов применяют технологию сборки и сварки изделия "Борт боковой 9334", при которой используют в качестве зажимных элементов ручные и винтовые прижимы. Они просты в эксплуатации, но малопроизводительны. Для сокращения вспомогательного времени необходимо частично ввести в использование пневматические прижимы, особенно если требуется закрепить изделие в нескольких местах.

Для сварки данной конструкции применяют сварочный  полуавтомат ПДГ-525 (габаритные размеры- 470•298•260 мм) и выпрямитель ВДУ-504 (1275•816•940 мм). Полуавтомат и выпрямитель  занимают значительную рабочую площадь. Поэтому предлагаю замену сварочных  аппаратов. В настоящее время промышленные заводы начали выпускать полуавтоматы для сварки в среде защитных газов совмещенные с источником питания. Например, полуавтомат "ПДГ-280", который является одной из прогрессивных моделей полуавтоматов этого класса.

При существующей технологии при сварке в качестве защитного газа используют углекислый газ  I сорта (ГОСТ 8050-85), чистотой 99,5%. При использование углекислого газа в чистом виде во время сварки бывает сильное разбрызгивание расплавленного металла, этот недостаток частично можно устранить, используя в качестве защиты смесь углекислого газа с кислородом (СО₂+5% О₂). К тому же смесь дешевле, чем чистый газ.

 

         2.2 Обоснование выбора способа сварки

Для изготовления различных сварных конструкций  применяют следующие виды сварки:

1. Специальная;

2. Контактная;

3. Электрическая сварка плавлением.

Специальный вид  сварки включает в себя:

1. Плазменная;

2. Электро-лучевая.

Эти способы  сварки имеют ряд преимуществ  и недостатков, а именно:

а)  повышенная трудоемкость;

б)  громоздкость оборудования;

в)  дороговизна;

г)  вредность  для человеческого организма.

Поэтому, учитывая все эти отрицательные свойства, специальные виды сварки не приемлемы  для сварки данной конструкции.

Применение  контактной сварки невозможно по конструктивным причинам.

Поэтому, для изготовления изделия «Борт боковой» наиболее применима электрическая сварка плавлением, которая подразделяется на:

1. Ручная дуговая сварка;

2. Электрошлаковая;

3. Сварка под флюсом;

4. В среде защитного газа.

В массовом или крупносерийном производстве не выгодно применение РДС, так как:

а)  низкая производительность;

б)  большое  выделение вредных веществ;

в)  большой  расход сварочных материалов.

Применение  электрошлаковой сварки не возможно, так как она ведется при  сварке деталей больших толщин.

Автоматическая  сварка под флюсом считается не технологической.

Наиболее применима  полуавтоматическая сварка в среде  СО₂. При данном методе сварки производится механизированная подача сварочной проволоки в зону сварки и защита металла шва подаваемым углекислым газом. Сварка возможна в любых пространственных положениях. На эффективность газовой защиты влияет  тип сварного соединения и скорость сварки. С увеличением скорости сварки защита сварочной ванны снижается.

Для обеспечения надежной защиты зоны сварки и сварочной ванны от окружающей среды важное значение имеет расстояние сопла от изделия, размер сопла расход защитного газа. Чрезмерное приближение сопла к изделию увеличивает разбрызгивание металла, а удаление приводит к нарушению защиты зоны сварки. При существующем оборудовании расстояние сопла от изделия обычно выдерживают в пределах 7-25 мм.

 Она имеет  ряд особенностей:

1. Высокая производительность (приблизительно в два раза выше чем при РДС покрытыми электродами);

2. Малая зона термического влияния и относительно небольшие деформации в связи с высокой степенью концентрации дуги;

3. Возможность сварки в любых пространственных положениях;

4. Высокое качество защиты, отсутствие необходимости применения зачистки швов при многослойной сварке;

5. Простота механизации и автоматизации;

6. Доступность наблюдения за процессом сварки;

7. Возможность сварки металлов различной толщиной (от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров).

Наряду с  другими преимуществами, которые  характерны для сварки в защитных газов, сварка в среде углекислого газа характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью.

Полуавтоматической  сваркой в среде углекислого  газа можно сваривать большинство  сталей, удовлетворительно сваривающимися другими видами дуговой сварки. К недостаткам можно отнести повышенное разбрызгивание и не всегда удовлетворительный внешний вид сварного шва. Данный способ сварки достаточно технологичен и экономичен. Целесообразно оставить данный способ сварки и в проектном варианте.

 

            2.3 Расчет режимов сварки

Режимом сварки называют совокупность характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных соединений заданных размеров и качества.

Основными параметрами режима полуавтоматической сварки в среде защитного газа проволочным электродом являются следующие:

• сила сварочного тока, I_св;
• скорость подачи электрода, V_п.э.;
• скорость сварки, V_св.;
• толщина свариваемого металла, δ;
• глубина провара, h_пр.;
• диаметр сварочной проволоки, d_эл.;
• сварочное напряжение, U_св.;
• расход газа, q_з.г..

Параметры режима сварки должны обеспечить устойчивость процесса, необходимое проплавление свариваемого металла и оптимальную скорость сварки.

Изготовление  сварной конструкции осуществляется дуговой полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа. Соединение элементов конструкции выполнено тавровыми и нахлесточными швами. Сварные швы однопроходные, выполнены в нижнем положении.

Режимы процесса сварки для тавровых, стыковых и нахлесточных соединений рассчитываем по следующей методике:

 

                                                                               

                  а)                                б)                                в)

 

                                  К – катет шва

                                  q – усиление шва

                                  e – ширина шва

Рисунок 2. Сварные соединения: а) тавровое-Т1, б) стыковое-С2, в) нахлесточное соединения-Н1

 

      Определяем параметры режимов сварки для швов Т1 и Н1 с катетом 3 мм.

Площадь поперечного сечения шва вычисляется по формуле:

 

                                    F_сеч =K²/2+0.75*q*L ,                                    [11] стр. 244 (1)

 

где, К- катет  шва, мм;

       q- выпуклость шва, мм;

       е- ширина  шва, мм;

Принятые числовые значения символов:

       К=3 мм 

       q=1,5 мм

       L= 4,5 мм

Решение:          

                                F_сеч =3²/2+0,75*1,5*4,5=6,2 мм²

 

Глубина провара вычисляется  по формуле:

 

                                           hp=(0.4-1.1)*K ,                                      [11] стр. 244 (2)

 

    где,  К- катет шва, мм;

Принятые числовые значения символов:

           К=3 мм

Решение:

 

                                       h_Р=0.8*3=2,4 мм              

 

Диаметр электродной  проволоки определяется по формуле:

 

                                     d_эл= ±0.05h_Р ,                                          [11] стр. 244 (3)

 

Решение:        

 

                                 d_эл= ±0,05*3=1,5±0,15

 

          d_эл принимаем = 1,2 мм

 

Скорость сварки вычисляется по формуле:

 

                                       V_СВ=К_V (h^1.6/L^3.36),                                     [11] стр. 245 (4)    

                                

где, К_V – коэффициент, учитывающий скорость сварки

        h_Р – глубина провара, мм

        L – ширина шва, мм

Принятые числовые значения символов:

       К_V = 1080

       h_P= 2,4 мм

       L= 4,5  мм

Решение:

 

                                V_св=1080(2,4^1,32/4.5^3,36)=13,2 м/ч

 

Сварочный ток вычисляется по формуле:

 

                                              ,                             [11] стр. 245 (5)

 

где,   h_Р- глубина провара, мм

         Кп – коэффициент  пропорциональности.

         Кп - принимается по табличным данным

Принимаем:

Кп=1,8

Решение:

 

 

 

Напряжение  вычисляется по формуле:

 

                                        U_св=14+0,05*I_СВ                                      [11] стр. 246 (6)      

 

Принятые числовые значения символов:

         I_св = 135 А

Решение:

 

                                   U_св=14+0,05*135 = 20 В

 

Вылет электродной  проволоки вычисляется по формуле:

 

                                            L_эл=10*d_эл ± 2*d_эл                                [11] стр. 246 (7)

 

где, d_ЭЛ- диаметр электродной проволоки, мм;

Принятые числовые значения символов:

       d_ЭЛ= 1,2 мм

 

Решение:

 

                                       L_эл= 10*1,2±2*1,2= 12±2,4 мм

 

          Принимаем L_эл=12 мм

 

Скорость подачи электродной проволоки вычисляется  по формуле: 

 

                            V_эл=0,53(I_СВ/d_эл²)+6,96*10^-4(I_ЭЛ²/d_эл²) ,              [11] стр. 246 (8)

 

Решение:

 

                           V_эл= 0,53(135/1,2²)+6,96*10^-4(135²/1,2²)= 132 м/ч

Принимаем  V_эл= 44 м/ч

 

Расход защитного  газа вычисляется по формуле:

 

                                 q_З,.Г= 3.3*10^-3*I_СВ^0,75                                      [11] стр. 246 (9)

 

где, I_СВ- сварочный ток, А;

Принятые числовые значения символов:

       I_СВ=135 А

Решение:

 

                             q_З,.Г= 3,3*10^-3*135^0,75= 13,5 л/мин

 

Определяем  параметры режимов сварки для  шва С2.

Площадь поперечного  сечения вычисляется по формуле (1):

 

                                      F_сеч =0.75*q*L+s*в                          

 

где, е- ширина шва, мм;

       q- выпуклость шва, мм;

       s- толщина металла, мм;

       в- ширина  зазора между свариваемыми кромками, мм;

Принятые числовые значения символов:

      L= 7 мм;

      Q= 1,5 мм;

      S= 3 мм;

      В= 0,5 мм.

Решение:

 

                               F_сеч= 0,75*1,5*7+3*0,5=10,3 мм²                                                                  

Глубина провара рассчитывается по формуле (2):

 

                                                hp=S – 0,5*в,                                                                             

        

где,  S- толщина металла, мм;

Принятые числовые значения символов:

        S=3 мм

Решение:

 

                                           hp=3 – 0,5*0,5=2,75 мм

 

Диаметр электродной проволоки  вычисляется по формуле (3):

 

                                               d_эл= ±0.05h_Р                                                                                   

 

Принятые числовые значения символов:

        h_Р= 2,75 мм

Решение:

 

                                   d_эл= √2,75±0,05*2,75=1,49±0,13 мм

 

           Принимаем d_ЭЛ.ПР=1,2 мм

 

Скорость сварки вычисляется по формуле (4):

 

                                                V_СВ=К_V(h^1,32/L^3.36)                                                

 

где, К_V= коэффициент учитывающий скорость сварки

Принятые числовые значения символов:

        К_V = 1080

        h_P= 2,75 мм

        L= 7  мм

Решение:

 

                                          V_св=1080(2,75^1,32/7^3,36) = 22,4 м/ч

 

Сварочный ток  вычисляется по формуле (5):

 

                                             ,                                   

 

где,    h_Р- глубина провара, мм

          Кп – коэффициент  пропорциональности.

          Кп - принимается по табличным  данным 

Прин

Кп=1,8

Решение:   

 

 

 

Напряжение вычисляется  по формуле:

 

                                              U_св=14+0,05*I_СВ                                                 (15)

 

где, I_св- сварочный ток, А

Принятые числовые значения символов:

        I_св = 152 А

Решение:

                                             U_св=14+0,05*152 = 22 В

 

Вылет электродной  проволоки вычисляется по формуле (7):

 

                                               L_эл=10*d_эл ± 2*d_эл  ,                                                                    

 

где, d_ЭЛ- диаметр электродной проволоки, мм

Принятые числовые значения символов:

       d_ЭЛ= 1,2 мм

Решение:

 

                                         L_эл= 10*1,2±2*1,2= 12±2,4 мм

 

Скорость подачи электродной проволоки вычисляется  по формуле (8):

 

                                        V_эл=0,53(I_СВ/d_эл²)+6,96*10^-4(I_ЭЛ²/d_эл²)      

 

где,  I_св- сварочный ток, А

        d_ЭЛ- диаметр электродной проволоки, мм

Решение:

 

                              V_эл= 0,53(152/1,2²)+6,96*10^-4(152²/1,2²)= 138 м/ч

 

Расход защитного  газа вычисляется по формуле (9):

 

                                                q_З,.Г= 3.3*10^-3*I_СВ^0,75                                              

 

где,  I_СВ- сварочный ток, А

Принятые числовые значения символов:

        I_СВ=152 А

Решение:

 

                                     q_З,.Г= 3,3*10^-3*152^0,75= 14,28 л/мин

 

 Расход углекислого  газа в значительной степени  влияет на качество сварного  шва. Необходимое для сварки  количество газа зависит от  режима сварки.

                 

2.4 Установление общей маршрутной схемы технологических операций

Сборка деталей  под сварку должна производиться  в сборочно-сварочных приспособлениях. Детали под сварку должны поступать  очищенными от грязи, масла. Ржавчины и  других загрязнений, принимаемые бюро технического контроля (БТК) цеха изготовителя с обязательным сопровождением документацией. Конструктивные элементы, подготовленных под сварку кромок, их размеры и предельные отклонения по ним должны соответствовать требованиям ГОСТ 14771-76, ГОСТ 14776-79.

Приводим схему маршрутных операций согласно техпроцессу:

 

Труба, поз 1 – 2шт