Технология сварки узла станины кантователя

                                          Введение

Сварка – это технологический процесс создания неразъемных соединений элементов путем установления межатомных связей между соединяемыми частями при их местной или пластической деформации, или одновременным действием того и другого.

Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими вкраплениями (керамикой, стеклом, графитом, пластмассой и др.).

Первопроходцами в сварке являются русские ученые и инженеры - В.В. Петров, Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов.

В 1802г. профессор физики В.В. Петров открыл дуговой разряд от построенного им мощного «вольтового столба». Этот столб или батарея был самым мощным источником электрического тока в то время, однако практического применения технология не нашла.

 До  целевого применения дуги для целей сварки прошло более 80-ти лет. Н.Н. Бенардос первым применил электрическую дугу между угольным электродом и металлом для сварки. Он применил созданный им способ не только для сварки, но и для наплавки и резки металлов.

Другой русский инженер Н.Г. Славянов, разработал способ дуговой сварки металлическим электродом с защитой сварочной зоны слоем порошкового вещества, то есть флюса, и первое в мире устройство для полуавтоматической подачи электронного прутка в зону сварки. Способ сварки плавящимся металлическим электродом получил название «дуговая сварка по способу Славянова».

Изобретения Бенардоса и Славянова нашли заметное применение в то время, в первую очередь на железных дорогах, а затем на нескольких крупных машиностроительных и металлургических заводах России.

Однако, несмотря на первоначальные успехи русских изобретателей в деле разработки и внедрения дуговой сварки, к началу XX века страны Европы опередили Россию.

Только после революции 1917г. сварка получила широкое развитие в нашей стране. Тогда у нас впервые в мире были разработаны новые высокопроизводительные виды сварки, такие, как электрошлаковая, в углекислом газе и др.

Так, в 1928 году учёный Д.А. Дульчевский изобрёл автоматическую сварку под флюсом.

 Новый  этап в развитии сварки произошел к концу 30-х годов, когда коллективом института электросварки АН УССР под руководством академика Е.О. Патона был разработан промышленный способ автоматической сварки под флюсом. Внедрение его в производство началось в 1940 г. Сварка под флюсом сыграла важную роль в годы Великой отечественной войны при производстве танков, самоходных орудий и авиабомб. Позднее был разработан способ полуавтоматической сварки под флюсом.

 В  конце 40-ых годов получила промышленное  применение сварка в защитном  газе. Коллективами Центрального  научно-исследовательского института  технологий машиностроения и  Института электросварки имени Е.О. Патона разработана и в 1952 году внедрена в производство полуавтоматическая сварка в углекислом газе.

 Огромным  достижением сварочной техники  стала разработка в 1949 году электрошлаковой сварки, благодаря которой стало возможным сваривать металлы практически любой толщины.

В наше время во всех сферах деятельности человека всё большее распространение получают новые современные материалы, в связи с этим всё чаще встаёт вопрос о новых технологиях сварки, которые бы обеспечили требуемую степень качества и прочность сварных соединений. При этом появляется потребность в разработке принципиально нового оборудования для сварки, которое бы обеспечивало высокое качество сварных швов, а также простоту, надежность и безопасность.

Прогресс в современной промышленности неразрывно связан с развитием сварочного производства. Сварка находит широкое применение при изготовлении металлургического, химического и энергического оборудования, различных трубопроводов, в машиностроении, в производстве строительных и других конструкций.

Сварка во многих случаях смогла заменить такие трудоёмкие процессы изготовления конструкций, как клёпка и литьё, соединение на резьбе и ковка.

Преимущества сварки перед этими процессами:

- экономия  металла - 10..30% и более в зависимости от сложности конструкции;

- уменьшение трудоёмкости работ, сокращение сроков работ и их стоимости;

- более  дешевое оборудование;

- возможность механизации и автоматизации сварочного процесса;

- возможность использования наплавки для восстановления изношенных деталей;

- высокая  герметичность сварных соединений;

- уменьшение производственного шума и улучшение условий труда рабочих.

В данном дипломном проекте представлена «Разработка и совершенствование полуавтоматической сварки в среде СО2  узла станины».

Актуальность представленной дипломной работы определяется перспективностью дальнейшего развития процесса сварки в производстве.

Объектом данного исследования выступает процесс полуавтоматической сварки в среде СО2.

Предмет исследования – потенциал, особенности, последовательность и экономическая эффективность процесса полуавтоматической сварки в среде СО2.

Цель работы – разработать технологический процесс полуавтоматической сварки в среде СО2 узла станины кантователя. Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:

- определить  основные характеристики и назначение  изготовляемой конструкции, выбрать  способ сварки;

- выполнить  расчет параметров режимов выбранного  способа сварки, расчеты по нормированию;

- произвести  выбор сварочного оборудования  и материалов;

- разработать  процесс сборки, сварки и контроля  качества выбранной сварной конструкции;

- рассмотреть  вопросы охраны труда и техники  безопасности при проведении  сварочных работ;

- обосновать  технико – экономическую эффективность проекта.

Теоретической и методологической основой исследования послужили фундаментальные труды российских ученых в области различных видов сварки, учебная литература, статьи. Теоретические и прикладные аспекты развития сварки и его отдельных разновидностей рассмотрены в трудах российских ученых: Д.И. Новродского, Л.А. Невзорова, М.С. Баранова, А.Д. Котвецкого и др.

Практическая значимость дипломной работы состоит в том, что результаты исследования могут быть использованы при разработке мероприятий, направленных на повышение эффективности процесса полуавтоматической сварки в среде СО2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Назначение и характеристика изготовляемой конструкции

 

Данный  кантователь (рис. 1 и 2)  предназначен  для  кантовки контейнеров общего назначения.

 

Рис. 1.   Кантователь  для  кантовки  контейнеров  общего назначения.

 

1.1 Технические характеристики: 
1. Габаритные размеры установки – длина 2600, ширина 1465, высота 1643 мм. 
2. Грузоподъёмность – 1200 кг. 
3. Угол поворота – 140 град 
4. Масса (вес) – 650 кг. 
5. Производительность – до 30 т/час. 
6. Габариты стандартных контейнеров 1600х1200х1200 (европейские), 1200х800х800 (советские).

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Характеристика основного металла, из которого изготавливается конструкция.

Таблица 1- химического состава стали Ст3сп по ГОСТ 535-88

Марки стали	Содержание элементов в %
	углерод	марганец	кремний	фосфор	сера	хром не более	никель	медь
Ст3сп	0,14-0,22	0,4 - 0,65	0,12 - 0,3	0,04	0,05	0,3	0,3	0,3

 

         Таблица 2 – Характеристика стали марки Ст3сп по ГОСТ 535-88

Марка:	Ст3сп
Классификация:	Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества
Применение:	несущие элементы сварных и не сварных конструкций и деталей, работающих при положительных температурах

 

 

        Таблица 3- Свариваемость стали Ст3сп по ГОСТ 535-88

без ограничений	- сварка производится без подогрева  и без последующей термообработки
ограниченно свариваемая	- сварка возможна при подогреве  до 100-120 град. и последующей термообработке
Трудно-свариваемая	- для получения качественных  сварных соединений требуются  дополнительные операции: подогрев  до 200-300 град. при сварке, термообработка  после сварки - отжиг

 

      

 

Таблица 4-Технологические свойства стали Ст3сп по ГОСТ 535-88

Свариваемость:	без ограничений.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

 

Таблица 5-Механические свойства при Т= 20° С стали Ст3сп по ГОСТ 535-88

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5
-	мм	-	МПа	МПа	%
Прокат, ГОСТ 535-2005	20-40		370-490	205-255	23-26

 

Буквы Ст обозначают "Сталь", цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы "кп", "пс", "сп" - степень раскисления ("кп" - кипящая, "пс" - полуспокойная, "сп" - спокойная).

sв	- Предел прочности , [МПа]
sT	- Предел текучести, [МПа]
d5	- Относительное удлинение при  разрыве , [ % ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                      2. Выбор способа сварки.

 

Для правильного выбора способов сварки надо принимать во внимание следующие факторы:

- свариваемость  материала;

- требования  к качеству свариваемого изделия;

- анализ возникновения деформаций.

 

Сталь Ст3сп, сваривается без ограничений, что при правильно выбранных режимах сварки обеспечивает однородный состав металла шва, хорошее качество шва, а его механические свойства незначительно отличаются от основного металла.

Швы в изделии тавровые, угловые и стыковые, толщина металла составляет 5 мм. Пространственное положение швов – нижнее, горизонтальное и вертикальное.

На основании анализа свариваемости можно сделать вывод, что данная сталь способна свариваться следующими способами сварки. Проанализируем сварку данного изделия по следующим способам:

- ручная  дуговая сварка;

- сварка  под флюсом;

- сварка  в среде защитных газов.

Ручная дуговая сварка является высокоманевренным способом, но не всегда обеспечивает стабильность состава и свойства металла по всей длине шва. Кроме того, при ручной дуговой сварке требуется постоянная смена электродов, что ведет к появлению частых кратеров. Она обладает небольшой производительностью и не обеспечивает нужного качества формирования шва.

Сварка под флюсом имеет большее преимущество перед ручной дуговой сваркой за счет обеспечения стабильности состава и свойств металла шва, происходит более надежная защита зоны сварки от окисления легирующих компонентов кислородом воздуха. Недостатками способа является повышенная жидкотекучесть расплавленного металла и флюса. Поэтому сварка возможна только в нижнем положении при отклонении плоскости шва от горизонтали не более чем на 10-15°. В противном случае нарушится формирование шва, могут образоваться подрезы и другие дефекты. Кроме того, этот способ сварки требует и более тщательной сборки кромок под сварку и использования специальных приемов сварки. При увеличенном зазоре между кромками возможно вытекание в него расплавленного металла и флюса и образование в шве дефектов.

Сварка в защитных газах является высокотехнологичным способом, возможна сварка на больших скоростях.

Сварка в среде защитного газа имеет ряд преимуществ перед другими методами сварки:

- более  высокая производительность труда  по сравнению со сваркой под  слоем флюса,

- высокая  экономичность процесса,

- хорошее  качество наплавленного металла (высокое качество формирования  шва);

- возможность  сварки внутренних поверхностей  изделий сложной формы и малых  диаметров;

- улучшение условий труда рабочих.

Кроме того, отпадает необходимость в применении различных приспособлений для удержания флюса и расплавленного шлака, как при сварке под слоем флюса, что позволяет повысить автоматизацию процесса.

Еще одним достоинством сварки в защитном газе является также то, что и на сварные изделия, выполненные этим процессом, без особой подготовки можно наносить прочные антикоррозионные покрытия (оцинкованные и др.).

Недостатки способа сварки в среде защитного газа:

- большие  потери металла на разбрызгивание;

- потребность  в применении специальных типов  проволоки и особых источников  питания.

 При  использовании сварки в СО2 упрощается техника сварки, облегчается работа и уменьшается расход электродного металла.

Исходя из вышеперечисленного выбираем для сварки узла кантователя сварку в среде СО2.

В настоящее время существует автоматическая и полуавтоматическая сварка в среде СО2.

Для сварки рассматриваемой конструкции выбираем полуавтоматическую сварку. Данный способ является менее производительным по сравнению с автоматической сваркой в среде СО2, но позволяет выполнить швы, которые невозможно выполнить на автоматических установках.

Из всех видов дуговой сварки полуавтоматическая сварка в защитных газах имеет наименьшую трудоёмкость.

Сущность процесса сварки в углекислом газе заключается в следующем. Поступающий в зону сварки углекислый газ защищает ее от вредного влияния атмосферы воздуха. Причем при высокой температуре сварочной дуги углекислый газ частично диссоциируется на окись углерода и кислород 2С02↔2СО + O2. В результате в зоне дуги образуется смесь из трех различных газов: углекислого газа, окиси углерода и кислорода.

Вследствие того, что температура дуги не везде одинакова, неодинаков и состав газовой смеси в зоне дуги. В центральной части, где температура дуги высокая, углекислый газ диссоциирует почти полностью. В области, прилегающей к сварочной ванне, количество углекислого газа преобладает над суммарным количеством кислорода и окиси углерода. Все три компонента газовой смеси защищают металл от воздействия воздуха.

При сварке применяют постоянный ток обратной полярности. Величину сварочного тока и диаметр электродной проволоки выбирают в зависимости от толщины металла и положения шва в пространстве.

Сварку в углекислом газе выполняют во всех пространственных положениях, вертикальные и потолочные швы выполняют на малых токах и проволокой небольшого диаметра.

Схема процесса сварки в среде углекислого газа представлена на рис. 3

    

Рис. 3 - Схема процесса сварки в среде углекислого газа

1 – горелка;      6 – основной металл;

2 – электродная  проволока   7 – сварочная дуга;

3 – мундштук;     8 – сварочная ванна;

4 – наконечник;     9 – шов.

5 – сопло  горелки;

При наплавке в среде углекислого газа сварочная дуга и расплавленный металл защищаются от вредного влияния воздуха струей углекислого газа, специально подаваемого в зону сварки. Электродная проволока из кассеты непрерывно подается в зону сварки с заданной скоростью. Ток к проволоке подводится с помощью мундштука и наконечника, расположенного внутри газовой горелки, которая подает защитный газ в зону сварки.

Электродная проволока плавится под действием теплоты дуги; электродный металл переходит в сварочную ванну и смешивается с расплавленным основным металлом. В результате сплавления электродного и основного металлов образуется наплавленный валик, прочно соединенный с основным металлом. 

Функциональная схема технологического процесса сварки представлена на рисунке 4

Рис.4  Функциональная схема технологического процесса сварки в СО2

Таким образом, на основании проведенного анализа принимаем к реализации полуавтоматическую сварку стальной конструкции (узла станины кантователя) в защитном газе СО2

 

 

                             3. Технологический раздел     

      3.1. Расчет параметров режимов выбранного способа сварки

 

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

К параметрам режима сварки в углекислом газе относятся: род тока и полярность, диаметр электродной проволоки, сила сварочного тока, напряжение дуги, скорость подачи проволоки, вылет электрода, расход углекислого газа, напряжение на дуге, наклон электрода относительно шва и скорость сварки.

Род тока и полярность

При сварке в углекислом газе обычно применяют постоянный ток обратной полярности, так как сварка током прямой полярности приводит к неустойчивому горению дуги. Переменный ток можно применять только с осциллятором, однако в большинстве случаев рекомендуется применять постоянный ток.

Таким образом, при сварке применяем постоянный ток обратной полярности.

Диаметр электродной проволоки

Диаметр электродной проволоки принимаем по таблице 6, в зависимости от толщины свариваемого металла.

 

 

Таблица 6 - Рекомендуемые диаметры электродной проволоки для сварки в углекислом газе

Толщина металла, S, мм	0,6..1	1,2..2,0	3,0..4,0	5,0..8,0	9,0..12,0	13,0..18,0
Диаметр электродной проволоки, DЭ, мм	0,5..0,8	0,8..1,0	1,0..1,2	1,6..2,0	2,0	2,0..2,5

 

Элементы сварной конструкции имеют толщину 5 мм, поэтому принимаем к установке электродную проволоку диаметром 1,2 мм.

Приближенное значение сварочного тока Iсв при сварке в защитных газах определяется: Iсв=100*dэ(dэ-0.5)+50А

В нашем случае Iсв=135А.

По выражению рассчитываем напряжение на дуге. После этого определяется уточненное значение сварочного тока, напряжение и остальные параметры режима:

Ud=20+0.05*Iсв*dэл-0.5 (В).

Для нашего случая Uсв=27В.

Скорость подачи проволоки Vпр=120 м/час.

Примем скорость полуавтомата-18 м/час.

Для сварки использовался газ CO2 в количестве 12л/мин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       4. Выбор сварочных материалов

    4.1. Марки и типы выбранных сварочных материалов

Основными сварочными материалами, применяемыми в процессе полуавтоматической сварки в углекислом газе, являются:

- углекислый  газ;

- присадочная  проволока.

Применяемый для сварки углекислый газ служащий для защиты основного металла и сварочной дуги, от вредного влияния атмосферного воздуха, в частичности кислорода и азота.

Углекислый газ выпускается 3-х сортов: сварочный, пищевой, технический.

Для сварки применяется сварочный углекислый газ 1-го сорта.

Для сварки в качестве присадочной проволоки применяем проволоку, которая рекомендуется для сварки углеродистых и среднелегированных сталей, содержит элементы – раскислители. Т.к. при разложении CO2 образуется О2 и окись углерода, а СО практически не растворима в стали, необходимо введение элементов - раскислителей (Mn и Si). Кроме того, раскислители за счёт углеода приведут к получению пористых швов.

Марганец, как раскислитель обладает низкой раскислительной особенностью.

При взаимодействии с элементами металла превращается в нерастворимое соединение MnO, образует мелко всплывающий шлак.

Кремний обладает высокой раскисляющей особенностью. При окислении образует соединение SiO2, которое нерастворимо, легко удаляется в шлак.

При взаимодействии в растворе с Mn повышает раскислительную способность Si.

Введение Mn и Si способствует повышению прочностных и пластических свойств соединения, т.е. оказывают легирующие воздействия.

Выбор сварочной проволоки произведем на основании данных, представленных в таблице 7.

Таблица 7 – Зависимость марки сварочной проволоки и типа углекислого газа от марки свариваемой стали

Марка стали	Марка сварочной проволоки по ГОСТ 2246		Защитный газ
1	2		3
Ст3пс, Ст3сп, Ст10, 15, 10К	Св-08Г2С-О Св-08Г2С Св-08ГС		СО2; Аr + СО2
Ст15К, 20, 25К, 20Л
14ХГС	Св-08Г2С-О Св-08Г2С Св-08ГСМТ		Аргон; Аr + СО2
09Г2С, 10Г2, 10Г2С1, 16ГС, 17ГС, 17Г1С	Св-08Г2С-О	Ø>1,0 мм	СО2; Аr + СО2
	Св-08Г2С Св-08ГС	Ø≤1,2 мм
	Св-08ГСМТ
	Св-08Г2СНТЮР ТУ 14-1-3648	Ø>1,0 мм	СО2
	Св-08Г2С-О Св-08Г2С Св-08ГС		Аr + СО2
12МХ, 12ХМ, 15ХМ	Св-08ХМ Св-08ХГСМА Св-10ХГ2СМА		СО2; Аr + СО2

 

Для использования в процессе сварки выбираем проволоку марки СВ-08Г2С.

Характеристика выбранных сварочных материалов

Сварочный углекислый газ 1-го сорта

Характеристика представлена в соответствии с положениями ГОСТ 8050-85. «Двуoкиcь углеpoдa гaзooбpaзнaя и жидкaя. Tеxничеcкие уcлoвия».

Настоящий стандарт распространяется на газообразную и жидкую двуокись углерода (диоксид углерода, углекислый газ) высокого давления и низкотемпературную, получаемую из отбросных газов производств аммиака, спиртов, а также на базе специального сжигания топлива и других производств. Двуокись углерода выпускается жидкая низкотемпературная, жидкая высокого давления и газообразная.

Двуокись углерода всех сортов применяется: для создания защитной среды при сварке металлов; для пищевых целей в производстве газированных напитков, сухого льда, для охлаждения, замораживания и хранения пищевых продуктов при прямом и косвенном контакте с ними; для сушки литейных форм; для пожаротушения и других целей во всех отраслях промышленности. Жидкая двуокись углерода высшего и первого сортов применяется преимущественно для нужд сварочного производства.

Формула СО2.

Молекулярная масса - 44,009.

Физико – химические показатели углекислого газа представлены в таблице 8.

Таблица 8 – Физико – химические показатели двуокиси углерода первого сорта для сварки

Наименование показателя	Норма
Объемная доля двуокиси углерода (СО2), %, не менее	99,5
Объемная доля окиси углерода (СО)	Практически отсутствует
Содержание минеральных масел и механических примесей, мг/кг, не более	0,1
Содержание водяных паров при 20 °С и 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), г/см3	0,184
Содержание водяных паров при 20° С и 101,3 кПа (760 мм рт. ст.),                          г/куб. см, не более, что                     соответствует температуре                                    насыщения двуокиси углерода                                  водяными парами при давлении 101,3                          кПа (760 мм рт. ст.) и                       температуре, °С, не выше	- 34

 

Углекислый газ С02 не имеет цвета и запаха. Получают его из газообразных продуктов сгорания антрацита или кокса, при обжиге известняка и т. д.

Двуокись углерода перед поступлением в горелку должна просушиваться путем пропускания через осушитель и иметь точку росы не выше минус 34 °С.

Для наполнения осушителей применяются обезвоженный медный купорос, силикагель по ГУМХП-1800-50, едкий калий (КОН), хлористый кальций (СаСl2 ) и др.

Для целей сварки используют сварочную углекислоту. Чистота углекислоты первого сорта должна быть не менее 99,5 %. Баллоны с углекислотой окрашивают в черный цвет с желтой надписью  «Углекислый газ сварочный». Применяется при сварке низкоуглеродистых и некоторых конструкционных и специальных сталей.