Проектирование свариваемой конструкции

Содержание

Введение

Сваркой называют технологический процесс получения механически неразъемных соединений, характеризующихся непрерывностью структур – непрерывной структурной связью.

Это технологический процесс, с помощью которого изготавливаются все основные конструкции гидротехнических сооружений, паровых и атомных электростанций, автодорожные, городские и железнодорожные мосты, вагоны, наводные и подводные корабли, строительные металлоконструкции, всевозможные подъемные краны и многие другие изделия.

Если некоторое время тому назад конструкции изготавливались в основном из относительно просто сваривающихся материалов, то в настоящее время, наряду с традиционными, для сварных конструкций применяются материалы с весьма различными физическими характеристиками: коррозионно-стойкие и жаропрочные стали и сплавы, никелевые и медные сплавы с особыми свойствами, лёгкие сплавы на алюминиевой о магниевой основах, титановые сплавы, ниобий, тантал и другие металлы и сплавы.

Многообразие свариваемых конструкций и свойств материалов, используемых для изготовления, заставляют применять различные способы сварки, разнообразные сварочные источники теплоты.

Для сварочного нагрева и формирования сварного соединения используются:

1. энергия, преобразованная в тепловую посредством дугового разряда, электронного луча, квантовых генераторов;
2. джоулевое тепло, выделяемое протекающим током по твёрдому или жидкому проводнику;
3. химическая энергия горения, механическая энергия, энергия ультразвука и других источников.

Все эти способы требуют разработки, производства и правильной эксплуатации разнообразного оборудования, в ряде случаев с применением аппаратуры, точно дозирующей энергию, со сложными схемами, иногда с использованием технической электроники и кибернетики.

Разнообразие способов сварки, отраслей промышленности, в которых её

используют, свариваемых материалов, видов конструкций и огромные объём применения позволяют охарактеризовать технологический процесс сварки, как один из важнейших  в металлообработке.

Заданием на курсовой проект является технологическая подготовка производства сваркой изделия. Изделием проекта считается «Рычаг верхний».

Результатом работы является план  участка для изготовления данного изделия.

 Рычаг верхний представляет собой конструкцию, свариваемую из отдельных деталей, с последующей обработкой детали в сборе.

Для сборки и сварки рычага верхнего необходимо специальное приспособление.

Для решения конечной задачи курсового проекта – разработки плана участка, необходимо спроектировать свариваемую конструкцию, определить тип сварки, выбрать приспособление для сборки и сварки; пронормировать технологический процесс.

При выполнении курсового проекта необходимо разработать мероприятия по технике безопасности и провести упрощенный экономический расчет разработанного технологического процесса.

1 Проектирование свариваемой конструкции

Свариваемое изделие - рычаг верхний, состоит из металлической пластины 1, цилиндра 2, трубы 3 и еще одного цилиндра 4, приваренного к нему. На пластину 1приваривается цилиндр 2, с заранее выточенным внутренним отверстием, на него сверху приваривается труба 3 и слева вставляется в пазы в пластине другой цилиндр 4, обработанный: обточенный снаружи и выточенный внутри. Все детали изделия привариваются согласно рисунку 1.1.

Рисунок 1.1 – Сборочный чертеж изделия

2 Определение серийности производства

Таблица 2.1 – Определение типа производства

Данное изделие рычаг верхний имеет массу равную 4,282 кг. Согласно таблице 3.1 тип производства – среднесерийное, так как годовая программа выпуска 4000 шт. Значит, применяем предметную форму работы. Она обычно используется для деталей, требующих одинакового порядка обработки. Характерно для среднесерийного и мелкосерийного производства.

Согласно ГОСТ 14.004 (ЕСТПП)→ 10< - среднесерийное производство - массовое производство, т.е. в течение месяца на 1 рабочем месте можно выполнять от 10 до 20 операций.

ЕСТПП – единая система технологической подготовки производства.

3 Описание материала изделия

Изделие изготавливается из конструкционной низколегированной стали 20ХГСА, свойства которой приведены соответственно в таблицах 3.1, 3.2.

Сталь 20ХГСА  конструкционная высококачественная хромокремнемарганцовая сталь, обладает большой прочностью и повышенным сопротивлением к ударным нагрузкам. В состав марки входит углерод 0,20%, кроме углерода содержит марганец, кремний и хром, примерно в равных долях по 0,8-1,1%

Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,03% для каждого из этих элементов, поэтому в конце таких марок ставится буква А, что свидетельствует о дополнительных показателях качества марок.

Сталь 20ХГСА применяется: для изготовления горячекатаного толстолистового проката; ходовых винтов, осей, валов, червяков и других деталей, работающих в условиях износа и при знакопеременных нагрузках при температурах до +200 °С; цельнокатаных колец различного назначения.

Таблица 3.1-Химический состав

Таблица 3.2-Механические свойства

Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006,  ГОСТ 2879-2006, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 10702-78. Шлифованный пруток и серебрянка:  ГОСТ 14955-77. Полоса  ГОСТ 103-2006. Поковки и кованые заготовки: ГОСТ 1133-71, ГОСТ 4543-71.

4 Анализ свариваемости

Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке, и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие "свариваемость". Свариваемость не является неотъемлемым свойством металла или сплава, подобно физическим свойствам. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимом сварки, составом дополнительного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия.

В начальный период развития сварочной техники все материалы и сплавы в зависимости от их способности образовывать сварные соединения необходимого и достаточного качества разделяли на обладающие хорошей, удовлетворительной и неудовлетворительной свариваемостью. Для сталей в основном эта характеристика была связана с содержанием в них углерода. Современные знания о природе сварочных процессов позволяют утверждать, что все однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и т. п.).

Более всего на свариваемость оказывают влияние химический состав сплава, фазовая структура и ее изменения в процессе нагрева и охлаждения, физико-химические и механические свойства и др.

В связи с тем, что параметров, характеризующих основной и присадочный (электродный) материалы, очень много, то свариваемость представляет комплексную характеристику, включающую:

1. чувствительность металла к окислению и порообразованию;
2. соответствие свойств сварного соединения условиям эксплуатации;

3. реакцию на термические циклы, сопротивляемость образованию холодных и горячих трещин и т.д.

Из перечисленных параметров наиболее существенным при сварке и наплавке углеродистых и низколегированных сталей является сопротивляемость образованию трещин.

В легированных сталях доля влияния каждого легирующего элемента на свариваемость может быть отнесена к доле влияния углерода.

Влияние основных легирующих примесей, пристутвующих в стали 20 ХГСА, на свариваемость приведу ниже.

Углерод ("С" – 0,17-0,23%) – одна из важнейших примесей, определяющая прочность, пластичность, закаливаемость и др. характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0,25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание "С" приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния (далее по тексту – ЗТВ) и появлению трещин.

Сера ("S" – до 0,025%) и фосфор ("P" – до 0,025%) – вредные примеси. Повышенное содержание "S" приводит кобразованию горячих трещин – красноломкость, а "P" вызывает хладноломкость. Поэтому содержание "S" и "P" в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,4-0,5%.

Кремний ("Si" – 0,9-1,2%) присутствует в сталях как примесь в количестве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании "Si" свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании "Si" – до 0,8-1,0% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов "Si", ухудшающих свариваемость стали.

Марганец ("Mn" – 0,8-1,1%) при содержании в стали до 1,0% – процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием "Mn" в количестве 1,8-2,5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

Хром ("Cr" – 0,8-1,1%) в низкоуглеродистых сталях ограничивается как примесь в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях возможно содержание хрома в пределах 0,7-3,5%. В легированных сталях его содержание колеблется от 12% до 18%, а в высоколегированных сталях достигает 35%. При

сварке хром образует карбиды, ухудшающие коррозионную стойкость стали. Хром способствует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.

Никель ("Ni" – до 0,3%) аналогично хрому содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве до 0,3%. В низколегированных сталях его содержание возрастает до 5%, а в высоколегированных – до 35%. В сплавах на никелевой основе его содержание является превалирующим. Никель увеличивает прочностные и пластические свойства стали, оказывает положительное влияние на свариваемость.

Медь ("Сu" – до 0,3%) содержится в сталях как примесь (в количестве до 0,3% включительно), как добавка в низколегированных сталях (0,15 до 0,5%) и как легирующий элемент (до 0,8-1%). Она повышает коррозионные свойства стали, не ухудшая свариваемости.

При оценке влияния химического состава на свариваемость сталей, кроме содержания углерода, учитывается также содержание других легирующих элементов, повышающих склонность стали к закалке. Это достигается путем пересчета содержания каждого легирующего элемента стали в эквиваленте по действию на ее закаливаемость с использованием переводных коэффициентов, определенных экспериментально. Суммарное содержание в стали углерода и пересчитанных эквивалентных ему количеств легирующих элементов называется углеродным эквивалентом.

В легированных сталях доля влияния каждого легирующего элемента на свариваемость может быть отнесена к доле влияния углерода. Ориентировочным количественным показателем свариваемости легированной стали известного химического состава является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле Международного института сварки:

где С – содержание углерода в процентах;

Mn – содержание марганца в процентах;

Cr – содержание хрома в процентах;

Mo – содержание модибдена в процентах;

V – содержание ванадия в процентах;

Ni – содержание никеля в процентах;

Cu – содержание меди в процентах.

Считают, что если Сэ<0,4 %, то трещины в около шовной зоне не возникают; при Сэ = 0,4…0,7 % необходим предварительный подогрев; если

Сэ=0,7...1 % — предварительный и сопутствующий подогрев. При Сэ более 1 % сталь не сваривается обычными методами сварки плавлением.

следовательно, необходим предварительный подогрев, так как данная сталь потенциально склонна к образованию трещин.

Сэ является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость. При Сэкв ≥ 0,40 % при сварке становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может привести к образованию холодных трещин. Значение Сэкв вне связи с этими условиями не может служить показателем сопротивляемости сварного соединения трещинам.

Горячие трещины образуют, прежде всего, сера, затем углерод, фосфор, кремний, медь, никель (при содержании 2,5...4,5 %), а также примеси металлов с низкой температурой плавления (свинец, олово, цинк). А марганец, кислород, титан, хром и особенно ванадий повышают стойкость швов против трещин и нейтрализуют действие серы.

Образование горячих трещин можно предупредить путем уменьшения числа и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки, кромок, устранения излишней жесткости, предварительного подогрева, применения плазменной дуги, импульсной сварки, устранения концентраторов, вызванных формой швов.

Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рационального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Холодные трещины чаще всего возникают из-за закаливаемости стали при быстром охлаждении и насыщении металла шва и зоны термического влияния водородом. Они, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после сварки и наплавки и развиваются в течение нескольких часов или даже суток.

Для оценки склонности металла к появлению холодных трещин чаще всего используется углеродный эквивалент, для его расчета существует ряд формул, составленных по различным методикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость.

Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей. Так как сталь 20ХГСА является низколегированной конструкционной сталью перлитного класса, то расчеты химического углеродного эквивалента будем выполняють по формуле Сефериана:

Где где С – содержание углерода в процентах;

Mn – содержание марганца в процентах;

Cr – содеражние хрома в процентах;

Mo – содержание модибдена в процентах;

Ni – содержание никеля в процентах;

По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся (Таблица 4.1).

Таблица 4.1- Классификация сталей по свариваемости

Согласно таблице 4.1 данная сталь 20ХГСА относится ко второй группе (Сэ = 0,2-0,35). Для получения сварных соединений с хорошим качеством требуется строгое соблюдение режимов сварки, применение специального присадочного металла, особо тщательной очистки свариваемых кромок и нормальные температурные условия. При сварке данной стали в нормальных условиях производства трещин не образуется, но для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать до 100 – 150° С с и подвергать последующей термообработке.

Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск).

5 Разработка технологической схемы и сборки сварки

Технологическая схема и сборка сварки изделия представлена на   рисунке 5.1.

Для правильной организации сварочного процесса на производстве, в обязательном порядке составляется технологическая карта сварки, включающая в свой состав все необходимые параметры и используемые материалы, а также требования, предъявляемые к качеству работ.

Технологическая карта — это стандартизированный документ, содержащий необходимые сведения, инструкции для персонала, выполняющего некий технологический процесс или техническое обслуживание объекта.

Технологическая карта (ТК) должна отвечать на вопросы:

1. Какие операции необходимо выполнять
2. В какой последовательности выполняются операции
3. С какой периодичностью необходимо выполнять операции (при повторении операции более одного раза)
4. Сколько уходит времени на выполнение каждой операции
5. Результат выполнения каждой операции
6. Какие необходимы инструменты и материалы для выполнения операции.

Технологические карты разрабатываются в случае:

1. Высокой сложности выполняемых операций;
2. Наличие спорных элементов в операциях, неоднозначностей;
3. При необходимости определения трудозатрат на эксплуатацию объекта.

Как правило, ТК составляется для каждого объекта отдельно и оформляется в виде таблицы. В одной ТК могут быть учтены различные, но схожие модели объектов. Технологическая карта составляется техническими службами предприятия и утверждается руководителем предприятия (главным инженером, главным агрономом).

Все работы, указанные в технологической карте на сварочные работы выполняются с использованием аттестованных технологий, причем

производитель работ должен гарантировать, что технология исполнения каждого шва гарантируется.

Рисунок 5.1 – Технологическая схема сборки и сварки

6 Выбор типа сварки, сварочного материала и оборудования для сварки

Хромокремнемарганцевые стали (хромансиль) обладают большой прочностью, упругостью и хорошо выдерживают вибрационные и ударные нагрузки. Содержание углерода в сталях: 20ХГСА 0,17-0,23. В термообработанном состоянии они имеют предел прочности 800 МН/м2 (80 кгс/мм2), относительное удлинение 10%,  ударную вязкость 0,6 МДж/м2 (6 кгс•м/см2).

При сварке этих сталей хром и кремний частично выгорают, что может привести к появлению в шве включений окислов и непровара. В качестве присадочной проволоки используют низкоуглеродистую проволоку Св-08 и Св-08А или легированную Св-8ХГСА и Св-18ХМА.

Необходима тщательная зачистка и подгонка кромок, а также точное соблюдение зазора между ними, который должен быть одинаковым по всей длине шва, что проверяют шаблоном. Сварку ведут в один слой.

Возможны соединения встык, тавровые, угловые, реже - внахлестку. Отношение толщин свариваемых металлов соединяемых элементов не должно превышать при стыковых соединениях 1:2, при соединениях втавр и внахлестку 1:6.

Изделия, сваренные из стали 25ХГС и 30ХГС, нагревают до температуры 650 —680° С с выдержкой в течение 1 ч на каждые 25 мм толщины и охлаждают на воздухе или в горячей воде. Если изделия из такой стали сварены аустенитовыми электродами, то термической обработке их можно не подвергать.

Дуговая сварка в защитных газах имеет высокую производительность, легко поддается автоматизации и позволяет выполнять соединение металлов без применения электродных покрытий и флюсов. Этот способ сварки нашел широкое применение при изготовлении конструкций из сталей, цветных металлов и их сплавов.

Дуговая сварка в защитных газах может быть выполнена плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродами.

Для защиты зоны сварки используют инертные газы гелий и аргон, а иногда активные газы — азот, водород и углекислый газ. Применяют также смеси отдельных газов в различных пропорциях. Такая газовая защита оттесняет от зоны сварки окружающий воздух. При сварке в монтажных условиях или в условиях,

когда возможно сдувание газовой защиты, используют дополнительные защитные устройства.

Эффективность газовой защиты зоны сварки зависит от типа свариваемого соединения и скорости сварки. На защиту влияет также размер сопла, расход защитного газа и расстояние от сопла до изделия (оно должно быть 5— 40 мм).

Преимущества сварки в защитных газах следующие:

1. нет необходимости применять флюсы или покрытия, следовательно, не требуется очищать швы от шлака;
2. высокая производительность и степень концентрации тепла источника позволяют значительно сократить зону структурных превращений;
3. незначительное взаимодействие металла шва с кислородом и азотом воздуха;
4. простота наблюдения за процессом сварки;
5. возможность механизации и автоматизации процессов.

При сварке плавящимся электродом дуга горит между изделием и расплавляемой сварочной проволокой, подаваемой в зону сварки. По сварке неплавящимся электродом (вольфрамовые прутки) сварочная дуга может быть прямого или косвенного действия. Разновидностью сварочной дуги косвенного действия может быть дуга, горящая между вольфрамом, и беспрерывно подаваемой в зону дуги сварочной проволокой.

Аргонодуговую сварку применяют для соединения легированных сталей, цветных металлов и их сплавов, ее выполняют постоянным и переменным током плавящимся и неплавящимся электродами. 

Аргонодуговая сварка также подходит для различных сплавов. Присадочный материал выбирается близкий по составу к металлу, из которого изготовлена деталь.

Шов, получившийся после дуговой сварки с аргоном, представляет собой единое целое со свариваемыми деталями, что позволяет обеспечить прочность, герметичность, и долговечность будущего изделия.

Проанализировав все достоинства и недостатки различных сварочных аппаратов, и в виду большой серийности выпускаемой продукции выбираем сварочный полуавтомат инверторного типа.

Полуавтоматическая сварка являются одной из самых современных технологий дуговой сварки, идеально подходящей для производства. Полуавтоматы получили широкое распространение в промышленности. Этому способствует широкая функциональность оборудования, высокое качество сварки и простота эксплуатации. Сварочный полуавтомат очень удобен для сварки тонкого металла.

Таким образом, для сварки деталей изделия используем инверторный сварочный полуавтомат BRIMA MIG-500 (Рисунок 6.1)

Рисунок 6.1 – Инверторный сварочный полуавтомат BRIMA MIG-500

Данный сварочный полуавтомат отличается своей мощностью и простотой эксплуатации. Высокий класс защиты предотвращает перегрев и замыкание, что увеличивает срок службы и делает эксплуатацию устройства безопасной. Множество регулировок позволяют настроить работу системы под нужную марку и толщину стали.

Скорость подачи проволоки регулируется от 1,5 до 16 метров в минуту. Все эти параметры позволяют сделать процесс сварки простым, быстрым и качественным.

Средняя стоимость данного аппарата 77106 рублей.

В качестве электродной проволоки выбираем Св-18ХМА ГОСТ 2246-70. Легированная стальная сварочная проволока Св-18ХМА применяется для сварки в среде защитного газа сталей типа хромансиль (20ХГСА, 30ХГСА и др.), а также для изделий, выполненных из конструкционных сталей. Используется для изготовления конструкций ответственного назначения. Широкое применение данная марка сварочной легированной проволоки нашла во многих отраслях промышленности: в машиностроении, химической отрасли, пищевой промышленности и медицине. Выпускаются следующие диаметры сварочной проволоки данной марки: 1,2, 1,6, 2, 3, 4 и 5 мм.