Разработка технологического процесса изготовления меллоконструкции

Введение

 

Сварка является одним из ведущих технологических процессов как в области машиностроения, так и в строительной индустрии.

Николай Николаевич Бенардос — один из крупнейших русских изобретателей второй половины XIX в., создатель электрической дуговой сварки. В 1890 г. Н. Н. Бенардос издал каталог своих изобретений (всего более 120); транспорт, двигатели разных типов, военное дело, электротехника, электросварка, бытовая техника, станки и механизмы — вот направления техники, в которых он работал. Самым крупным изобретением, принесшим Н. Н. Бенардосу мировую известность, было открытие в 1882 г. дуговой электросварки металлов. Суть открытия заключалась в применении электрической дуги, возникающей между электродом из угля и обрабатываемым изделием, для соединения и разъединения металлов. В России большинстве новинок Бенардоса не находило применения, Многие его изобретения прошли ни кем не замеченными на Родине, но были присвоены и использованы на Западе.

Но он неутомимо продолжал работать. Разрабатывая новые типы аккумуляторов, он отравился свинцом, тяжело заболел. Бенардос умер, так и не дождавшись признания. Только в годы Советской власти дуговая электросварка металлов, изобретенная Бенардосом, получила широкое распространение. Жизнь и труд Н. Н. Бенардоса — пример бескорыстного служения науке и технике.

Красавец мост перекинулся через Днепр в Киеве. Во всей этой 1150-метровой громаде нет ни одной заклепки. Он цельносварный. В этом сооружении — творении Е.О. Патона — как бы слились воедино два дела, которым он посвятил жизнь: мостостроение и сварка.

Евгений Оскарович Патон — выдающийся советский инженер и ученый, академик, Герой Социалистического Труда — родился в семье русского консула в Ницце (Франция), окончил политехнический институт в Дрездене (Германия). Но, вернувшись в Петербург известным инженером-строителем, автором проекта Дрезденского вокзала, Патон снова сел на студенческую скамью, спустя год сдал все экзамены и, получив диплом инженера путей сообщения, стал специалистом по сооружению железнодорожных мостов. Он положил начало советской школе мостостроения и за выдающиеся заслуги в этой области был избран действительным членом Академии наук УССР. А на 60-м году жизни... изменил профессию. «Желание послужить делу пятилеток,— говорил он,— после 35 лет работы по мостам толкнуло меня взяться за новое тогда дело в стране — электросварку». Он стал организатором первого в мире Института электросварки в Киеве, в котором разработал новые методы проектирования, расчетов и возведения сварных конструкций. Быстрее, дешевле, надежнее стали строиться каркасы заводских цехов, цистерны и вагоны, паровые котлы и суда, а в годы Великой Отечественной войны — танки. В возрасте 70 лет он изобрел новый способ сварки под слоем флюса. И сегодня тысячи километров газопроводов свариваются знаменитым методом Патона.

Удивительную творческую энергию сохранял ученый всю жизнь. В 80 лет он руководит проектированием и строительством первого в стране цельносварного моста в Киеве, названного его именем.

Сварка представляет собой процесс создания неразъемного соединения металлических деталей, важнейшую операцию сборки деталей в узлы и целые конструкции. Сегодня в промышленности внедрено более 100 способов сварки, появляются новые способы, совершенствуются старые. Но прежде чем сварка заняла свое место в современной технике, она прошла долгий путь.

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗДЕЛИЯ

 

 

Рисунок 1 – Контейнер

 

Наиболее популярным методом транспортировки и складирования крупногабаритных грузов и отходов производства, а также строительного мусора считается вывоз контейнером. Контейнер требуется для вывоза и уборки различных видов мусора: строительный мусор, металлолом, снег, отходы древесины, собираемого в съемных контейнерах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор материала для изготовления конструкции

 

Контейнер необходимо изготавливать из таких конструкционных материалов, чтобы они удовлетворяли всем требованиям эксплуатации данной конструкции. При этом нужно учесть, что контейнер – это сварная металлоконструкция, поэтому изготовлять его  необходимо из материалов, обладающих хорошей свариваемостью и обрабатываемостью резанием.

Исходя, из условий эксплуатации и назначения конструкции выбираем сталь Ст3. Сталь для изготовления сварных листовых конструкций, клапанных конструктивных деталей. Рассмотрим основные характеристики данных марок сталей.

Сталь Ст3

Сортамент горячекатаных листов соответствует ГОСТ 19903-74, ГОСТ 14637-89. Лист стальной горячекатаный (гк) изготавливается толщиной от 4 мм. Прокат листовой горячекатаный изготавливается из различных марок стали в зависимости от дальнейшего его применения. 

 

Таблица 1 - Химический состав стали, %

Химический элемент	%
Мышьяк (As), не более	0,08
Кремний (Si), не более	0.05
Марганец (Mn), не более	0.4
Никель (Ni)	0.30
Фосфор (P), не более	0.04
Хром (Cr)	0.3
Медь (Cu), не более	0.3
Сера (S), не более	0.05
Углерод (С), %	0.14

 

 

 

 

Таблица 2 - Механические свойства стали

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	Предел текучести σ0,2, МПа	Предел прочности, σB, МПа	Относительное сужение Ψ, %
Листы горячекатаные	20-40	370-480	235	25

 

Таблица 3-  Механические свойства при повышенных                                                               температурах

t испытания, °C	σ0,2, МПа	σB, МПа	Ψ, %	Ударная вязкость KCU Дж/см2
100	1000	1270	8	98
200	100	1250	8	98
300	980	1180	7	88
400	880	1020	7	103
500	770	860	10	176
600	670	730	12	196

 

Свариваемость стали Ст3

Свариваемостью называется способность металлов образовывать при установленной технологии сварки сварное соединение, металл шва которого имел бы механические свойства, близкие к основному металлу.

 

Сэв=0,14+0,4/20+0,30/15+0,3+0,3+0,05+0,08+0,05+0,04/10=0,20%

Свариваемость хорошая. Сварка таких сталей без трещин возможна в нормальных условиях, когда температура окружающей среды выше 0 °С, отсутствует ветер и т. п. 

           

 

 

 

3.Выбор способа сварки плавлением

 

Для сборки и сварки контейнера необходимо использовать полуавтоматическую сварку в среде защитных газов.

 

Назначение и сущность

Сварка в среде защитных газов применяется как для соединения различных сталей, так и цветных металлов и таких активных, как титан, цирконий, тантал и др.

     Технологическими преимуществами  являются относительная простота  процесса сварки, возможность полуавтоматической  и автоматической сварки швов, находящихся в различных пространственных  положениях, что позволяет механизировать сварку в различных пространственных положениях, в том числе сварку неповоротных стыков труб. Небольшой объём шлаков, участвующих в процессе сварки в СО2, позволяет в ряде случаев получать швы высокого качества.

     Сварка в среде защитных газов заключается в том, что специально подаваемый в зону сварки газ защищает переплавляемый дугой основной и присадочный металл от воздействия окружающего воздуха.

     Преимущества этого  вида сварки состоит в том, что сварщик может наблюдать за ходом процесса и горения дуги, которая не закрыта флюсом; не нужны приспособления для подачи и отсоса флюса, усложняющие сварочное оборудование; отпадает необходимость в последующей очистке швов от шлака и остатков флюса, что особенно важно при многослойной сварке.

     Основными достоинствами  способа сварки в углекислом  газе являются:

1. Хорошее использование тепла сварочной дуги, вследствие чего обеспечивается высокая производительность сварки ;

2. Высокое качество сварных швов;

3. Возможность сварки в различных пространственных положениях с применением аппаратуры для полуавтоматической и автоматической сварки;

4. Низкая стоимость защитного газа;

5. Возможность сварки на весу без подкладки.

     Процесс сварки отличается  высокой производительностью, достигающей 18 м/ч наплавленного металла. Скорость сварки достигает 60 м/ч.

      Сварка в защитных  газах имеет высокую производительность, легко поддаётся автоматизации  и позволяет выполнять соединения  металлов без применения электродных  покрытий и флюсов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Заготовительные операции

Поступающий на завод для производства сварных конструкций металлопрокат доставляют на склад сварочного производства. На складе металл сортируют и проверяют соответствие техническим условиям заказа по количеству, сортаменту и маркам. При этом сверяют соответствие характеристик, приведенных в сертификате завода-поставщика, с требованиями ГОСТа, выборочно проверяют размеры сечения металла, а также внешним осмотром устанавливают наличие расслоений и трещин, раковин, закатов и газовых пузырей. После проверки на принятый металл составляют приемочный акт. На металл, имеющий отклонения от требований ГОСТа или ТУ заказа, составляют рекламационный акт.

Принятый и рассортированный металл до запуска в производство укладывают для хранения на специальные стеллажи .

После подбора металла по размерам и марке стали приходиться выполнять следующие операции: правку, разметку, резку, обработку кромок, гибку и очистку под сварку.

 

 

 

4.1 Правка

Пресс станок

Различные изделия и заготовки могут иметь искривления, волнистость, выпучины и другие неровности. Правка и рихтовка металлов позволяет исправить эти дефекты.

Правка металла - это выравнивание незакаленных листов, заготовок и деталей. Отличается относительной простотой и может быть выполнена в домашних условиях.

До начала правки проверяют кривизну деталей и заготовок. Делают это на глаз или путем прикладывания к детали металлической линейки (на ребро). Края изогнутых мест отмечают мелом.

Правку ведут на правильной плите или надежных ровных подкладках. Необходимо правильно выбирать места, по которым следует наносить удары.

Сила ударов должна быть соразмерна с величиной кривизны и постепенно уменьшаться по мере перехода от наибольшего изгиба к наименьшему.

При правке металлических листов, заготовок и деталей необходимо соблюдать требования техники безопасности. Для предохранения рук от ударов и ранения острыми углами следует надевать рукавицы.

Обрабатываемые листы, заготовки и детали следует прочно удерживать на правильной плите или наковальне, чтобы они не соскочили и не принесли вреда рабочему.

 

Рисунок 2 – пресс

 

4.2 Разметка, резка и обработка кромок

 

                                               

Рисунок 3 – координатная машина Магнит-CNC

Переносная 2-х координатная машина термической резки с ЧПУ "Магнит-CNC" (возможно 3-х координатное исполнение с добавлением перемещения по вертикали) представляет собой лёгкий обрабатывающий комплекс для раскроя листового металлопроката по заданным чертежам с использованием системы ЧПУ. Основное назначение машины прямолинейная и фигурная вырезка деталей в ручном или автоматическом режиме по программе, записанной в памяти "ЧПУ-Терминала". Машина может оснащаться аппаратом для воздушно-плазменной резки металлов, а также оборудованием для газовой резки.

Функции, доступные в режиме "Ручной":  
 
- нарезание полос немерным движением вдоль координаты Х по заранее сделанной разметке, с возможностью регулировки скорости в процессе резания.  
- аналогично по координате Y  
- вырезание профилей типа квадрат, прямоугольник  
- по предварительно сделанной разметке.  
- нарезание полос под углом к кромке листа, используя возможность переустановки машины относительно листа.  
- для удобства использования функций ручного режима машина может быть оснащена лазерным указателем.  
 
Функции доступные в режиме "Автомат":  
 
- Вызов программы по ее номеру  
- Пуск программы  
- Фигурная резка по УП, записанной в памяти ЧПУ-Терминала

ЧПУ-Терминал .

Аппаратная часть комплекса (модуль ЧПУ) предназначена для непосредственного управления приводами станка и представляет собой миниатюрное, мобильное (переносное) микропроцессорное устройство с энергонезависимой памятью.  
Программная часть комплекса функционирует на ПЭВМ и предназначена для ввода, редактирования и загрузки управляющих программ (УП) в модуль ЧПУ и поддержки его файловой системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 Очистка

                                       

Рисунок 4 – пескоструй КСО-130 ИСФР

Назначение: предназначена для работы в закрытых помещениях без подключения к системам вентиляции. Оборудована системой удаления загрязненного воздуха из рабочей зоны и его очистки, с одновременной очисткой абразивного материала от пыли.

 

 

 

 

 

 

 

4.4Гибка

                          

 

Рисунок 5 – Листогиб

 

Листогиб гидравлический оснащенный ЧПУ серии FOG-S предназначен выполнения операций гибки металлических листов вертикально опускающейся траверсой с гидравлическим приводом. Автоматическое позиционирование по двум осям устанавливается с помощью контроллера CNC и обеспечивает высокую производительность. Традиционно применяемая для этого вида оборудования сварная рама, прошедшая термическую обработку, механическая синхронизация работы гидроцилиндров и моторизованная система перемещения задних упоров, оснащенная винтовыми шариковыми парами, позволяют добиться высокого качества угла гибки. Закаленные и хорошо отшлифованные инструменты стандартного типа, либо выполненные по специальному заказу, дают широкий диапазон видов получаемых изделий.

 

 

5. Расчет режимов механизированной  сварки

При механизированной сварке задаются следующие параметры: сила тока, скорость подачи электродной проволоки, ее диаметр

Выбор диаметра проволоки: диаметр сварочной проволоки зависит от толщины свариваемого изделия.

 

Таблица 4 – Выбор сварочной проволоки от толщины изделия

Толщина листа, мм	1,0-2,0	3,0-6,0	6,0-24,0 и более
Диаметр электродной проволоки dэ, мм	0,8-1,0	1,2-1,6	2,0

 

В нашем случае выбираем при толщине листа 6мм диаметр электродной проволоки dэ = 1,6мм

Расчет сварочного тока, А: производится по формуле

,

где а - плотность тока в электродной проволоке, А/мм2 (при сварке в СО2 а = 110 - 130 А/мм2);

dэ - диаметр электродной проволоки, мм.

Iсв=3,14*1,62*110/4=220 А

Механизированные способы сварки позволяют применять значительно больше плотность тока по сравнению с ручной сваркой. Это объясняется меньшей длиной вылета электрода.

Напряжение дуги и расход углекислого газа выбираются в  зависимости от силы сварочного тока по таблице 5.

 

 

Таблица 5 - Зависимость напряжения и расхода углекислого газа от силы сварочного тока

Сила сварочного тока, А	50-60	90-100	150-160	220-240	280-300	360-380	430-450
Напряжение дуги, В	17-28	19-20	21-22	25-27	28-30	30-32	32-32
Расход СО2, л/мин	8-10	8-10	9-10	15-16	15-16	18-20	18-20

 

При силе сварочного тока равным 220А получим:

Напряжение дуги 25-27В;

Расход СО2,  15-16л/мин;

При сварочном токе 220 А длина дуги должна быть в  
пределах 1,5- 3,0 мм.

Вылет электродной проволоки составляет 5-10 мм (уменьшается с повышением сварочного тока).

Скорость подачи электродной проволоки, м/ч: рассчитывается 
по формуле:

,

где dр - коэффициент расплавления проволоки, г/А· ч;

dэ – диаметр электродной проволоки, мм .

Значение dр рассчитывается по формуле:

,

dр = 3+0,08+220/1,6=14 г/А· ч

Теперь высчитаем скорость подачи электродной проволоки:

 Vпр = 4*4*220/3,14*2,56*7,8=12320/63=195м/ч

6. Выбор сварочного материала

 

6.1 Сварочная проволока

Для сварки стали Ст3 выбираем сварочную проволоку марки  

СВ-08Г2С            

Таблица 6 - Химический  состав проволоки, %

C	Si	Mn	Cr	Ni	S	P	Прочие элементы
					Не более
0,05-0,11	0,7-0,95	1,8-2,1	<0,2	<0,25	<0,03	<0,03	Cu<0,25

 

 Преимущества сварочной проволоки СВ-08Г2С:

– экономически недорогой вид сварочной проволоки  
широкого применения;

– может применяться в области короткой дуги и дуги  
стройного переноса.

– рядная намотка, высокое качество омеднения, герметичность упаковки, стабильный химический состав.

 

 

 

Таблица 7 - Механические свойства металла шва при нормальной температуре

Механические свойства	Временное сопротивление, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, Дж/см2
Нормы	≥540	Не нормируется	≥20	≥80
Типичные	660	440	34,1	124

 

 

6.2 Защитная среда

 

При газовой защите в связи с отсутствием шлаков возможности для металлургической обработки ограничены. Раскислители или легирующие элементы вводят в ванну только за счет сварочной проволоки.

Из активных газов наибольшее применение для защиты металла при сварке получил углекислый газ. В отдельных случаях для создания защитной среды используют водород, азот и водяной пар. Углекислый газ относится к окислительным. Поэтому его в основном применяют для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Назначение его состоит в защите расплавленного металла от азота воздуха.

Углекислый газ обычно получают как побочный продукт (обжиг известняка, брожение и др.). Поэтому он — недефицитный газ. Качество углекислого газа оказывает большое влияние на свойства сварного шва. Необходимо применять сварочную углекислоту, содержащую С02 > 99,5—99,0%, а водяных паров не более 0,17—0,5 г/м3 (ГОСТ 8050—76).

Вывод: Использование углекислого газа  намного дешевле, чем использование других защитных газов. Поэтому на больших предприятиях используют именно его.

 

 

 

 

 

 

7.Выбор основного сварочного  оборудования

Для полуавтоматической сварки выбираем инверторный сварочный аппарат серии BRIMA MIG 200 предназначенных для сварки углеродистых и нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов с источниками питания постоянного тока. Модификации Multimotive снабжены функцией высокотемпературной пайки проволочными припоями. Применяются в легкой промышленности, автосервисах, при ремонтных работах. Простой и дружественный интерфейс этих сварочных полуавтоматов позволяет сварщику быстро и легко подобрать нужные настройки. 

Отличительные функции инверторного полуавтомата от стандартног

- Использованы энергосберегающие технологии

- Отличные функциональные характеристики

- Стабильные сварочные характеристики при колебании напряжения сети до ± 15%

- Непрерывный процесс сварки, небольшое количество сварочных брызг, глубокая ванна, отличное формирование шва

- Плавная регулировка подачи проволоки

- Рекомендован для средних и тонких толщин листов от 0,8 мм

- КПД данного аппарата может достигать 85% и экономить до 30% электроэнергии по сравнению со стандартными аппаратами с диаметром 0,8-1,6мм

 

Таблица 8 - Техническая характеристика аппарат серии BRIMA MIG 200

ХАРАКТЕРИСТИКА	ЗНАЧЕНИЕ
Напряжение питающей сети, В	220
Частота питающей сети, Гц	50/60
Потребляемая мощность, кВт	4,9
Диапазон регулирования сварочного тока, А	50–200
ПВ, %	60
КПД, %	85
Коэффициент мощности	0,93
Подающий механизм	Встроенный
Диаметр катушки, мм	300
Диаметр сварочной проволоки, мм	0,8-1,2
Класс изоляции	F
Степень защиты	IP23
Габаритные размеры, мм	500х270х430
Вес, кг	25

 

Рисунок 6 - Инверторный полуавтомат BRIMA MIG 200

 

Аппараты BRIMA MIG 200 оборудованы надежным четырехроликовым механизмом подачи проволоки, инверторный источник гарантирует стабильное питание, безопасное возбуждение сварочной дуги и превосходное качество сварки углеродистой стали.

 

 

 

Важным шагом к повышению эффективности и качества выполнения монтажных сварных швов является применение механизмов перемещения сварочных горелок полуавтоматов, позволяющих полностью автоматизировать процесс сварки.

Новинкой среди такого оборудования можно считать механизмы серии NOBORUDER, которые представляют собой устройства, способные перемещать горелки сварочных полуавтоматов практически любой марки, и предназначены для выполнения сварных швов в различных пространственных положениях. Таким образом, у сварщика в руках оказывается инструмент, способный при необходимости (протяженные горизонтальные, вертикальные швы, швы в труднодоступных местах) легко заменить ручную полуавтоматическую сварку автоматической, необходимо лишь закрепить горелку обычного полуавтомата в механизме перемещения.

Важной отличительной особенностью является то, что в корпусе этого механизма перемещения горелки полуавтомата встроен постоянный магнит, с помощью которого сам механизм закрепляется и удерживается непосредственно на изделии. При этом сама тележка механизма установлена на четыре приводных немагнитных колеса с постоянным воздушным зазором между магнитом и изделием (равным 6,5 мм) и может свободно перемещаться с задаваемой скоростью сварки по изделию, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости. Ширину (или катет) шва можно настраивать с помощью регулятора поперечных колебаний горелки, скорость или частота которых устанавливается на панели управления. Формированием шва можно управлять установкой и регулированием временных задержек колебаний в крайних положениях горелки и по центру. Для начала сварки необходимо лишь настроить скорость сварки, частоту и амплитуду колебаний при помощи регуляторов по шкале в режиме "тест" и нажать клавишу "пуск". Корректировку настроек можно выполнять и в процессе сварки. Такая конструкция механизма позволяет осуществлять автоматическую сварку горизонтальных и вертикальных стыковых и угловых швов в направлении сверху вниз и снизу вверх. Использование механизма поперечных колебаний обеспечивает получение катета вертикального шва (или заполнение разделки стыкового шва) за один проход до 15 мм (амплитуда поперечных колебаний горелки - до 25 мм).

 

 

Рисунок 7 – Механизм перемещения