Создание автоматической дугой сварки под флюсом

Содержание.

Введение…………………………………………………………………..3

1.Описание изделия……………………………………………………………..4

2. Стали применяемые  в мостостроении………………………………………5

3. Анализ и оценка свариваемости  стали………………………………………7

3.1.Влияние основных легирующих  примесей на свариваемость сталей....7

4. Обоснования выбора  способов сварки…………………………………...….10

5. Сущность автоматической сварки  под флюсом……………………………12

6. Выбор сварочных материалов………………………………………………..14

6.1.Сварочные материалы  для автоматической сварки

6.1.1. Сварочная проволока  Св-10НМА…………………………………..14

6.1.2.Флюс сварочный АН-47………………………………………….......16

6.1.3. Флюса сварочного АН-348А………………………………………..17

6.2.Сварочные материалы  для ручной дуговой сварки

6.2.1.Электроды марки УОНИИ-13/55……………………………………20

7.Расчет режимов сварки

7.1. расчет режимов ручной  дуговой сварки………………………………..22

7.2. Расчет  режимов автоматической  сварки…………………………………...23

8. Выбор оборудование  для выполнения монтажных сварных  соединений...26

8.1.Обор удование для автоматической сварки………………………….….26

8.2.Оборудование для ручной дуговой сварки……………………………...32

9. Режимы сварки второго (облицовочного) прохода…………………………34

10. Контроль сварного соединения……………………………………………..36

Список используемой литературы……………………………………..………44

Введение.

Создание автоматической дугой сварки под флюсом является крупнейшим достижением современной сварочной техники. Первоначальная идея способа сварки под флюсом принадлежит изобретателю способа дуговой сварки Н. Г. Славянову. В качестве флюса он применял дробленое оконное стекло.

Развитие автоматической сварки под флюсом изменило представление о масштабах и возможностях автоматизации процесса дуговой сварки. В ряде производств в настоящее время автоматическая сварка почти полностью вытеснила ручную сварку.

Достоинства сварки под флюсом:

• Повышенная производительность;
• Минимальные потери электродного металла (не более 2%);
• Отсутствие брызг;
• Максимально надёжная защита зоны сварки;
• Минимальная чувствительность к образованию оксидов;
• Мелкочешуйчатая поверхность металла шва в связи с высокой стабильностью процесса горения дуги;
• Не требуется защитных приспособлений от светового излучения, поскольку дуга горит под слоем флюса;
• Низкая скорость охлаждения металла обеспечивает высокие показатели механических свойств металла шва;
• Малые затраты на подготовку кадров;
• Отсутствует влияния субъективного фактора.

Недостатки сварки под флюсом:

• Трудозатраты с производством, хранением и подготовкой сварочных флюсов;

Трудности корректировки положения дуги относительно кромок.

1.Описание изделия.

Использование автоматической сварки при изготовлении сварных конструкций мостов широко распространено во всем мире. Ежегодно изготавливается порядка 50-60 тысяч тонн мостовых конструкций. Новые разработки технологий дуговой сварки и материалы находят применение при изготовлении и монтаже мостовых конструкций.

В данной работе рассмотрим монтажную автоматическую сварку под флюсом с метало-химической присадкой ортотропных плит  мостового полотна из стали 15ХСНД толщиной 14 мм..

Плита ортотропная — плита проезжей части стального пролетного строения моста, состоящая из плоских стальных листов, подкрепленных снизу перпендикулярно пересекающимися поперечными и часто расположенными продольными ребрами. (рис1)

Рисунок 1.

Одно из основных преимуществ, стальной ортотропной проезжей части - небольшой собственный вес, в 3 - 4 раза меньше, чем вес железобетонной плиты. Применение ортотропных плит для стальных мостов больших пролетов приводит к экономии металла по сравнению со сталежелезобетонными мостами, позволяет сократить сроки строительства, ликвидировать сезонность монтажных работ и создать новые аффективные формы конструкций пролетных строения, например тонкостенные мосты-оболочки коробчатого поперечного сечения.

2. Стали применяемые в мостостроении.

Условия работы и эксплуатации изделия непосредственно влияют на выбор основного металла. Так, для изготовления стальных конструкций мостов, к которым относится ортотропная плита, применяют прокат по ГОСТ 6713-91. Это стали марок 15ХСНД, 10ХСНД, а также 15ХСНДА, 10ХСНДА 2-й и 3-й категорий 1-го и 2-го классов ТУ 14-1-5120-92.

В сталях для конструкций ортотропных плит содержание углерода составляет 0.1-0.25 %. При таком его количестве сталь хорошо поддается механической обработке, обладает вязкостью, пластичностью и способностью свариваться. Увеличение содержания углерода повышает прочность и предел текучести стали, но делает ее более хрупкой, ухудшает свариваемость и увеличивает трудоемкость механической обработки.

Сера и фосфор являются вредными примесями стали. Сера образует в расплаве сульфид железа, который имеет меньшую, чем сталь, температуру плавления (1193 оС) и при нагреве до светло красного каления нарушает межкристаллитную связь между зернами сплава, в результате чего сталь теряет прочность и образует трещины при остывании после сварки. Фосфор растворяется в железе. Он резко снижает ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Поэтому ГОСТ 6713-91 ограничивает содержание серы и фосфора в сталях марок 10ХСНД и 15ХСНД: для конструкций обычного исполнения не более 0.035%, а для конструкций северного исполнения - серы не более 0.03%, а фосфора - не более 0.025%.

С целью уменьшения количества газовых пузырей, образуемых окисью углерода, применяют раскислители и успокоители (Si, Mn, Ti), которые отбирают кислород, образуя твердые невредные окислы и непосредственно связывают CО, образуя нитриды, гидриды, карбониты. Также наличие Mn повышает ударную вязкость и хладноломкость, обеспечивая удовлетворительную свариваемость. Введение в сталь небольшого количества меди (Cu =0.3-0.4 %) повышает стойкость стали против коррозии в атмосферной и морской воде.

Сталь 15ХСНД ГОСТ 6713-91-краткие сведения.

Назначение - элементы сварных металлоконструкций и различные детали, к которым предъявляются требования повышенной прочности и коррозионной стойкости с ограничением массы и работающие при температуре от -70 до 450°С.

Химический состав в % стали 15ХСНД.

Таблица 1.

Таблица 2.

3. Анализ и оценка свариваемости стали.

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».

Так как свариваемость должна оцениваться по совокупности ряда свойств, то любая методика испытания не может однозначно характеризовать комплексное понятие свариваемости. Поэтому для оценки свариваемости применяют ряд испытаний, каждое из которых выявляет на ту или иную сторону явления. Выбор методов испытания должен производиться в зависимости от назначения конструкции, свойств металла и др. Поэтому первым видом испытаний свариваемости является определение стойкости против образования горячих трещин. Вторым видом испытаний свариваемости является определение стойкости металла околошовной зоны против образования холодных трещин. Третьей группой испытаний свариваемости является оценка стойкости основного металла, металла ЗТВ и шва, а также всего сварного соединения против перехода в хрупкое состояние.  Четвертым видом испытаний свариваемости является проверка эксплуатационных характеристик металла шва, металла ЗТВ и сварного соединения в целом.

Для каждой группы испытаний разработан ряд методов, причем выбор тех или иных из них обуславливается свойствами металла, применяемым методом сварки, назначением конструкции, условиями работы сварного              соединения и т. д. [3].

3.1.Влияние основных легирующих примесей на свариваемость сталей.

Углерод (С) – 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) и фосфор (P) – вредные примеси. Повышенное содержание "S" приводит к образованию горячих трещин – красноломкость, а "P" вызывает хладноломкость. Поэтому содержание "S" и "P" в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,3-0,4%.

Кремний (Si) 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) 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) 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) 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.

Ванадий (V) в легированных сталях содержится в количестве 0,2 - 0,8%. Он повышает вязкость и пластичность стали, улучшает ее структуру, способствует повышению прокаливаемости.

Молибден (Мо) в сталях ограничивается 0,8%. При таком содержании он положительно влияет на прочностные показатели сталей и измельчает ее структуру. Однако при сварке он выгорает и способствует образованию трещин в наплавленном металле.

Титан и ниобии (Ti и Nb) в коррозионностойких и жаропрочных сталях содержатся в количестве до 1%. Они снижают чувствительность стали к межкристаллитной коррозии, вместе с тем ниобий в сталях типа 18-8 способствует образованию горячих трещин.

Медь (Си) 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.

Методы определения показателей свариваемости можно разделить на прямые, при которых оценку производят путем сварки образцов заданной конструкции, и на косвенные, при которых сварочный процесс заменяют другим, имитирующим его процессом. Косвенные методы испытания следует рассматривать только как предварительные. Результаты их в большинстве случаев должны быть проверены путем прямых испытаний.

4. Обоснования выбора способов сварки.

Основными способами сварки на строительной площадке является электрическая дуговая сварка.

При изготовлении «Мостового полотна» возможно, использовать следующие ее виды:

• Ручную дуговую сварку покрытыми электродами;
• Механизированную сварку в среде защитных газов;
• Автоматическую сварку под флюсом.

Конструкция «Мостовое полотно» имеет протяженные швы и при сборке возникает необходимость выполнения прихваток.

Для выполнения прихваток при стыковке ортотропных плит целесообразней применять ручную дуговую сварку, так как механизированной сваркой в среде защитного газа трудно добиться качества выполняемого шва, по следующим причинам:

• Необходима дополнительная защита зоны сварки от сквозняков. Выдувание защитного газа из зоны сварки может вызвать ухудшение газовой защиты и как следствие привести к образованию пор в сварном шве.
• Форма разделки кромок ортотропных плит (без разделки) затрудняет выполнение при хваток при нормальном вылете электрода. Увеличение вылета электрода приведет к снижению сварочно-технологических характеристик проволоки, таких как, укорочению дугового промежутка, увеличению размера капель, нестабильностью дуги и повышенному разбрызгиванию.

Продольные стыковые швы настильного листа ортотропных плит, а также стыки примыкания листа настила плит к поясам главных балок выполняют односторонней автоматической сваркой под флюсом с применением гранулированной металлохимической присадки (МХП) на стекло-медных подкладках с обратным формированием корня шва.

Конструкция соединения и вид шва показаны на рис. 2

Конструкция соединения.

1.Основной метал.

2.Стеклоткань.

3.Стекло оконное 3 мм.

4. Медная формирующая  подкладка.

Вид сварного шва.

5. Сущность автоматической сварки  под флюсом

Схема процесса сварки под флюсом приведена на рис.3.

Электродная проволока 1 из бухты подается в зону сварки через слой флюса 3 с помощью специального подающего механизма 2 сварочного автомата. Процесс сварки под флюсом начинается с возбуждения дуги. Для этой цели применяется несколько способов. Наиболее часто дугу возбуждают посредством закорачивания электрода 1 на изделие 9. При этом конец проволоки засыпают слоем флюса.

В зоне горения сварочной дуги под действием высокой температуры выделяется большое количество газов и паров, которые образуют газовый пузырь 4; оболочкой для него служит тонкий слой расплавленного флюса 5. Давление газа в пузыре составляет всего 7…9 г/см2, но в сочетании с давлением дуги его достаточно для оттеснения жидкого металла в хвост ванны. Это улучшает передачу тепла к основному металлу и увеличивает глубину его проплавления. При поступательном перемещении дуги относительно основного металла происходит кристаллизация жидкой ванны 6 с образованием сварного шва 7. Расплавленный шлак 8 обладает низкой теплопроводностью, что улучшает условия кристаллизации металла шва.

При автоматической сварке сварщик управляет процессом дистанционно, перемещение источника тепла – дуги – выполняет сварочный трактор, который обеспечивает нужную скорость сварки и точное расположение дуги относительно линии стыка. Это позволяет значительно улучшить условия труда и повысить производительность процесса.

Рис. 3. Сварка под флюсом: 1 - электродная проволока, 2 - подающий механизм, 3 - флюс, 4 - газовый пузырь, 5 - расплавленный флюс, 6 - жидкая ванна металла, 7 - сварной шов, 8 - расплавленный шлак, 9 – изделие

Способа сварки с применением гранулированной метало-химической присадки (мелко нарезанная сварочная проволока диаметром 2 мм, длинной 2мм. с добавлением двуокиси титана -TiO2) необходимо учитывать его преимущества и недостатки.

К числу преимуществ использования крошки относят:

- повышение стабильности  процесса автоматической сварки  за счет снижения чувствительности  к изменению зазора, позволяющее  исключить прожоги и протеки  металла;

- уменьшение остаточных  сварочных деформаций;

- расширение диапазона  толщин металла, свариваемого без  предварительной разделки кромок;

- дополнительные возможности  для получения оптимального состава  металла шва, когда ограничен  выбор сварочных материалов.

К недостаткам способа относят:

- повышение вероятности  непровара при отсутствии надежного  контроля положения электрода  по центру свариваемого стыка;

6. Выбор сварочных материалов.

 Основным требованием  к материалам для сварки является  обеспечение, при оптимальных режимах, сварного соединения, которое бы по своим эксплуатационным характеристикам не уступало основному металлу. Это достигают применением специальной сварочной проволоки, флюса, металла электродов, обмазок, обеспечивающих стабильность дуги, легирование металла шва, защиту расплавленного металла от доступа воздуха и его раскисления.

Для автоматической сварки стыковых соединений в нижнем положении будем применять следующие сварочные материалы:

• - сварочную проволоку сплошного сечения диаметром: 4 мм. марки Св10НМА-О омеднённую, намотанную на кассеты.
• - сварочную проволоку сплошного сечения диаметром: 2 мм. марки Св10НМА (изготовление гранулята)
• -двуокись титана ТiO2
• - Флюс марки АН-47
• -Флюс марки ФН-348 А

Флюсы смешиваются в пропорции 50% на 50%

Выбор проволоки Св10НМА  обусловлен достаточным содержанием легирующих элементов, позволяющих в сочетании с флюсом АН-348-А и          АН-47 получить металл шва с механическими свойствами, равными или превышающими механическими свойствами основного металла.

Для ручной сварки (прихватки, ремонт) электроды УОНИИ 13/55

6.1.Сварочные материалы для автоматической сварки.

6.1.1. Сварочная проволока Св-10НМА  применяется для - автоматической сварка под флюсом низколегированных сталей повышенного уровня прочности и хладостойкости металлоконструкций ответственного назначения (конструкций мостов, опор, котлов, труб и трубопроводов работающих при высоких давлениях и температурах).

Таблица 3. Химический состав проволоки Св-10НМА 

Таблица 4. Механические свойства наплавленного металла:

Допускается применение сварочных проволок, намотанных на катушки, как омедненных, так и не омедненных (осветленных, с ионизированным покрытием, полированных).

В качестве металлохимических присадок (МХП) необходимо применять стальную крупку, приготовленную из сварочной проволоки Св10НМА диаметром 2 мм, смешанную с химической добавкой. Металлическая крупка должна представлять собой гранулы цилиндрической формы длиной 2 мм (с допуском плюс 0,3 мм, минус 0,5 мм).

Гранулят (рубленая сварочная проволока) перед смешиванием с химической добавкой (двуокись титана ТiО2) должен быть прокален при температуре 150 °С в течение 2 часов с тщательным перемешиванием. Химическая добавка должна входить в МХП в количестве 0,3% от массы гранулята. После смешивания гранулята с химической добавкой в специальном смесителе, готовая МХП перед применением (засыпкой в сварочный зазор) встряхивается на сите 1´1 мм для удаления излишков химической добавки. Готовую к употреблению МХП хранят в закрытых емкостях в резервной печи при температуре 80-90 °С. Время доставки готовой МХП от резервной печи до засыпки в сварочный зазор должно быть не более 15 минут. Срок ее хранения не должен превышать одного месяца после изготовления.

6.1.2.Флюс сварочный АН-47

Флюс сварочный АН-47-относится к гранулированным плавленым солеоксидным и предназначается для дуговой электросварки механизированным способом. По составу он низкокремистый среднемарганцевый, и используется для соединения сварным методом повышенной прочности низколегированных сталей, а также низко-, средне, и нелегированных с использованием низколегированных сварочных проволок различных марок.

Он обеспечивает надёжную защиту сварочной ванны, способствуя формированию и поддерживая высокую устойчивость дуги, максимально длиной до 1 см. Благодаря этому позволяет сформировать шов, в составе которого обеспечен равномерный переход к основному металлу, с низкой вероятностью поро- и трещинообразования. Образовывающаяся шлаковая корка позволяет отвести из области плавления вредные включения и отличается хорошей отделимостью.

В результате получаемый шов имеет хорошие механически е свойства, ударная

                                                                                          Рисунок 4.

 вязкость его оценивается  значением 150 Дж/см2 при +20 ºС и сохраняется в допустимых пределах при низких температурах. Поэтому его используют для сварки металлоконструкций, которые эксплуатируется при температурных режимах до –60ºС.

Химический состав флюса АН-47

По химическому составу является нейтральным. Его показатель основности по Бонишевскому 1,1. По процентному составу основных компонентов в нём находится:

- оксида кремния 28–33%;

- окислов кальция и магния  – до 20%;

- оксидов алюминия и марганца  – до 30 %;

- содержание фторида кальция  – 8–13%.

Нейтральность состава флюса обеспечивает химическую чистоту металла шва. Он поддерживает низкую интенсивность протекания кремние- и марганцевовосстановительных процессов, что обеспечивает низкое засорение шва неметаллическими включениями и повышает устойчивость металла шва к среде повышенной агрессивности.

Технические характеристики.

Применяют АН-47 при сварке переменным и постоянным током с максимальным режимом по силе тока – до 1200 А, при этом может обеспечиваться скорость прокладки шва – до 2 м/мин. Напряжение источника питания не ограничивается.

АН-47 состоит из стекловидных гранул, цвет – чёрный или темно-коричневый, размер зерна – от 0,25 до 2,8 мм.

Его получают плавлением в электродуговых и пламенных печах с грануляцией в воде. Показатель объёмной массы – 1,4 – 1,8 кг/дм3. Допустимая влажность флюса должна быть не более 0,1%. При превышении показателя производится сушка при 400 ºС в течение 2 ч.

6.1.3. Флюса сварочного АН-348А  

Флюса сварочного АН-348А используется для соединения деталей конструкций из низкоуглеродистых сталей, как нелегированных, так и низколегированных. Он отличается повышенным содержанием трёхвалентного оксида железа, поэтому процесс должен выполняться с использованием низколегированной и нелегированной кремний - и марганцесодержащей проволоки.

В процессе плавления металла в области электрической дуги материал флюса расплавляется, защищая область плавления кромок и проволоки от химического взаимодействия с газами атмосферы, при этом обеспечивается удаление неметаллических включений, которые всплывают на поверхность.

Обеспечивается надёжная защита и устойчивость сварочной дуги, длина которой поддерживается до 1,3 см. При этом шов формируется хорошего качества с низким количеством пор и трещин. Шлаковая корка также имеет удовлетворительную отделяемость. Может использоваться для изготовления различных изделий, эксплуатация которых допускается в температурном диапазоне до –30ºС.

Химический состав флюса АН-348А.

Сварочный флюс АН-348А относится к оксидным высокомарганцевым и высококремнистым. Его активность находится в пределах

0,7–0,75. Содержание основных компонентов  его состава находится в следующих  пределах:

- кремниевый оксид – 41–44%;

- окисел марганца – 32–34%;

- фторид кальция – 4,5–5%;

- окисел магния – 5–7,5%;

- оксида кальция – до 6,5%, железа  – до 4,5%;

- содержание неметаллических примесей  серы и фосфора – до 0,15 и 0,12%, соответственно.

Благодаря достаточно высокой активности кремниево- и марганцевовосстановительные процессы в зоне шва протекают с высокой интенсивностью. Шов отличается высоким содержанием кислорода в виде включений оксидов для однопроходного шва – до 0,06%, для многослойного – до 0,1%.

Технические характеристики.

Применение АН-348А допускается при сварке переменным и постоянным током с режимом максимальной силы тока – до 1100 А, при этом может обеспечиваться скорость прокладки шва – до 120 метров в час. Напряжение источника питания не ограничивается.

АН-348А состоит из стекловидных гранул, цвет частиц темно-коричневый, размер зерна – от 0,35 до 3,0 мм.

Его получают методом плавления в электродуговых и пламенных печах с дальнейшей грануляцией в воде. Показатель удельного веса по объёмной массе – 1,3 – 1,8 кг/дм3. Допустимая влажность флюса должна поддерживаться в допустимых пределах – не более 0,1%. При превышении допустимых норм производится сушка при 350––400 ºС в течение 2 ч.