Технологический процесс сборки и сварки бортовой секции

Введение. Развитие сварочного производства в России на современном  этапе.

Задачей сварочной операции является получение механически неразъемных  соединений, подобных по свойствам свариваемому материалу. Это может быть достигнуто, когда по своей природе сварное соединение будет максимально приближаться к свариваемому металлу.

Свойства твёрдых тел, в том  числе и механические (прочность, упругость, пластичность и др.), определяются их внутренними энергетическими связями, т.е. связями межмолекулярного, межатомного и ионного взаимодействия.

В зависимости от материала сварной  конструкции, её габаритов, толщины  свариваемого металла и других особенностей свариваемого изделия предпочтительное применение находят определённые разновидности электрической дуговой сварки.

Так, при изготовлении конструкций  из углеродистых и низколегированных  конструкционных сталей наибольшее применение находят как ручная дуговая сварка качественными электродами с толстым покрытием, так и автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом, а так же сварка в углекислом газе; при сварке конструкций из высоколегированных сталей, цветных металлов и сплавов на их основе предпочтительное использование находит аргонно-дуговая сварка, хотя при определённых условиях применяются и некоторые другие разновидности электрической дуговой сварки.

Сварка является широко распространенным и эффективным технологическим  процессом. В машиностроении и стройиндустрии, на транспорте и в сельском хозяйстве процессы сварки, пайки, огневой резки, наплавки и металлизации являются эффективным средством промышленного производства. От технического уровня применяемых сварочных процессов в значительной степени зависит качество и стоимость выпускаемых машин и приборов, аппаратов и изделий, строящихся объектов и другой техники.

Сварке подвергаются самые различные  материалы: углеродистые и нержавеющие  стали, медь, алюминий, никелевые сплавы, бронза, пластмассы и т.д. Толщина  свариваемых изделий колеблется от десятков микронов до сотен миллиметров. Для решения этих задач необходимо использовать самые разнообразные способы сварки. Поэтому постоянно происходит совершенствование известных способов сварки и создание новых.

Особенностью сварочного процесса является то, что в нем объединены самые различные направления: электротехника, металлургия, химия, физика, металловедение, теплофизика, математика, вычислительная техника и многое другое.

Поэтому перед сварщиками встают постоянно  новые задачи. Как сказал великий  датский ученый Нильс Стивен: «Прекрасно то, что мы видим, еще прекраснее то, что мы знаем, но далеко превышает по красоте то, что нам не известно». Таких, неизвестных решений в сварке еще очень много.

В последнее время стали широко использоваться методы плазменной резки, сварки, наплавки, напыления и плазменно - механической обработки, что позволяет  значительно повысить производительность труда и сократить расход дефицитных материалов.

Разработан принципиально новый  для сварочного производства технологический  процесс - лазерная технология. Преимущества данного способа состоят в  том, что энергия лазерного луча может передаваться на большие расстояния, а также от одной точки изделия к другой в соответствии с заданной программой. Лазерным лучом можно варить или резать детали в любой атмосфере и в таких местах, куда невозможно проникнуть ни одним из известных сварочных источников теплоты, за исключением электронного луча.

Надежность и экономичность, быстрота и универсальность - все это делает сварку незаменимым технологическим  процессом. Сейчас невозможно себе представить, как суметь осуществить производство миниатюрных электровакуумных и полупроводниковых приборов, современных самолетов и космических ракет, трубопроводов и высотных зданий, ЭВМ и атомных реакторов без применения сварки. Реальностью стало применение сварки в медицине - сварка сетчатки глаза, сварка и резка костей, других органических тканей.

По заданию кардиологов разработана  технология микроплазменной сварки сердечных клапанов. Заметными преимуществами по сравнению с другими, обычными медицинскими приемами, обладает сварка биологических тканей. В организм не нужно вводить инородные тела, а потом извлекать их, как это делается при сшивании, скреплении стержнями или скобками. Обеспечивается герметичность соединений, упрощается работа хирургов, соответственно уменьшаются страдания пациентов.

Интенсификация производства, увеличение скоростей, давлений и температур - важнейшие требования научно-технического прогресса. И чем дальше идут специалисты по этому пути, тем серьезнее препятствия приходится преодолевать. Одно из них - недостаточная стойкость узлов машин и оборудования. Например, недостаточная стойкость против износа деталей вызывает простои оборудования, понижение режимов его эксплуатации, является причиной брака. Иногда износ или коррозия приводят и к еще худшим последствиям - авариям в промышленности и на транспорте, загрязнению окружающей среды (в результате утечки газов, нефтепродуктов, кислот и т.п.). Конечно, принимаются все меры к тому, чтобы не допускать критических ситуаций. Но цена этих мер еще более высока. Так, на изготовление запасных частей для автомобилей и сельскохозяйственной техники сейчас расходуется столько же металла, сколько и на производство новых машин. Каждая шестая доменная печь в мире работает только для того, чтобы возместить потери металла от коррозии. К этому можно добавить и недополучение продукции в период ремонта и затраты труда на сам ремонт и многое другое.

Чтобы обеспечить нормальную, безопасную работу самых различных изделий, сварщиками предложено использовать наплавку, которая применяется для ремонта  и улучшения качества новых деталей.

Но кроме наплавки сварщиками освоен еще один способ - напыление. Методы термического нанесения покрытий получают в последнее время широкое распространение. Плазменное, газопламенное, лазерное, детонационное напыление, электродуговая металлизация объединены общим принципом. Защитный слой формируется из отдельных частиц материала, нагретых и движущихся к напыляемой поверхности.

Таким способом можно наносить покрытие на металлы, керамику, пластмассы и  даже дерево и ткани. При этом покрытие может быть тугоплавким (карбида, оксиды) и таким же легкоплавким, как пластмасса, потому что скоростью нагрева деталей и частиц можно управлять, не допуская чрезмерного термического воздействия. Толщина напиленного слоя может изменяться от нескольких микронов до десятков миллиметров.

Невозможно перечислить все  проблемы, которые приходится решать сварщикам при производстве различных  изделий. И решить эти проблемы может  только специалист, хорошо подготовленный теоретически, ибо «увлекающийся практикой без науки - словно кормчий, ступающий на корабль без руля и компаса, он никогда не уверен, куда приплывет» (Леонардо да Винчи).

 1 Общая часть

1.1 Описание и выбор  конструкции секции верхней палубы

Даная конструкция является секцией верхней палубы судна в районе 31- 37-го шпангоутов.

Она состоит из настила и набора (бимсов и карлингсов). Верхняя палуба служит водонепроницаемым перекрытием, является одним из главных элементов прочных связей корпуса, обеспечивает общую прочность и поперечную жесткость судна. На верхней палубе размещаются надстройки, палубные механизмы, вооружение и т. д.

Полотно настила палубы состоит  из 6 деталей толщиной 10мм. Продольный набор (карлингсы) представляют собой сварные тавровые балки, поперечный набор (бимсы) – неравнополочные уголки. В конструкции секции палубы входят кницы (детали россыпи), которые являются подкреплением бимсов.

Для изготовления полотна и набора борта используется сталь 10Г2С1.

Секция имеет следующие габариты:

длина – 6000 мм

ширина – 4000 мм

Эскиз секции верхней палубы в районе 31-37 шп. представлен на рисунке 1.

Рис.1

1.2 Выбор и техническая характеристика основных материалов

Для изготовления настила палубы применяют листы металла из стали 10Г2С1, поставляемой по ГОСТ 19281-89 и неравнополочные уголки по ГОСТ 8510-86  . Сталь 10Г2С1  является среднелегированной, конструкционной, качественной.

         Химический состав стали 10Г2С1 должен соответствовать таблице 1.

          Таблица № 1  Химический состав стали 10Г2С1 ГОСТ 19281-89

         Механические свойства стали 10Г2С1 должны соответствовать таблице 2.

        Таблица № 2 Механические свойства стали 10Г2С ГОСТ 19281-89

Временное сопротивление разрыву – напряжение соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению.

Предел текучести – напряжение, при котором образец  деформируется без заметного увеличения нагрузки.

Относительное удлинение – отношение в процентах, приращения расчетной длины образца после разрыва к ее первоначальной величине.

Предел прочности -  механическое напряжение, выше которого происходит разрушение материала.

Установлены следующие технологические требования к листам:

• на поверхности проката не должно быть трещин, пузырей, пленок, вздутий, отдельных рисок и других дефектов;
• прокат  должен выдержать испытание на излом, а так же испытание на изгиб образцов и оправке диаметром, равным двум толщинам листа на угол 120° без образования трещин и надрывов;
• на поверхности проката допускается слой окалины, не препятствующий выявлению дефектов поверхности, рябизна, отдельные отпечатки и другие дефекты, не выводящие размеры проката за предельные отклонения;
• на поверхности проката после абразивной зачистки допускается переход от шлифовального круга высотой до 0,3 мм.

Прокат изготовляют с обрезной кромкой, на них не должно быть волосовин, расслоений, трещин, расщеплений, следов усадочных раковин, рыхлости, пазовых пузырей, шлаковых включений.

Допускается устранение дефектов поверхности  местной зачисткой на глубину  не более 5% номинальной толщины сверх предельного минусового отклонения, но не более 3мм. В этом случае суммарная площадь зачистки должна составлять не более 2% поверхности проката с каждой их сторон. Удаление поверхностных дефектов огневой зачисткой и заварка дефектов не допускается.

Каждая партия проката сопровождается документом о качестве, содержащим:

• товарный знак или наименование и товарный знак предприятия-изготовителя;
• наименование потребителя;
• номер заказа;
• дату выписки документа о качестве;
• наименование продукции, размеры, количество мест, их общая масса и, в случае поставки по сдаточной (теоретической) массе, знак ТМ;
• класс прочности;
• фактический химический состав;
• точность прокатки;
• механические свойства;
• вид плоскостности для листа;
• характер кромки для листа;
• группу качества поверхности для сортового проката;
• вид термической обработки (при поставке проката в термически обработанном состоянии);
• номер НТД;
• штамп отдела технического контроля.

Различают физическую  и технологическую  свариваемость. Физической свариваемостью обладают практически все металлы и их сплавы, то есть способностью образовывать монолитное неразъемное соединение с установлением химических связей. Под технологической свариваемостью понимается реакция металла на воздействие конкретных условий сварки и при этом возможность образовывать соединение с заданными эксплуатационными свойствами. Свариваемые металлы должны иметь близкие физические, механические, термические, химические свойства, близость коэффициентов термического линейного расширения металлов в стыке.

На свариваемость стали наибольшее влияние оказывает ее химический состав. Сталь в основном состоит  из железа с примесью углерода. Для  повышения прочностных характеристик и приобретения особых свойств стали применяют легирование металла различными полезными элементами, которые, улучшая ее свойства, вместе с тем, ухудшают ее свариваемость.

         Углерод повышает предел текучести, и временное сопротивление стали, однако пластичность и свариваемость стали уменьшаются. Металл шва закаливается, что может привести к появлению трещин. Окисление углерода во время сварки вызывает появление большого числа пор.

Кремний раскисляет сталь. Он, как  и углерод, но в меньшей степени, увеличивает предел текучести и  временное сопротивление, но несколько  ухудшает свариваемость, стойкость  против коррозии и сильно снижает  ударную вязкость. Вредное влияние  кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца.

Марганец увеличивает предел текучести, и временное сопротивление стали, незначительно снижая ее пластические свойства и мало влияя на свариваемость. Он повышает ударную вязкость, и хладноломкость стали, являясь хорошим раскислителем, способствует уменьшению содержания кислорода в стали.

Медь несколько повышает прочность  стали. Никель и хром являются легирующими  компонентами, улучшая те или иные механические свойства стали, а никель еще всегда улучшает ее свариваемость.

Никель повышает ударную вязкость, повышает жаропрочность и сопротивление коррозии.

Фосфор резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, а так  же делает ее хладноломкой (хрупкой при отрицательных температурах). Допускается в сталях не более 0,08%.

Сера несколько уменьшает прочностные  характеристики стали, и главное, делает ее красноломкой, хрупкой и склонной к образованию трещин при температуре 800-1100°С. Допускается в сталях 0,02-0,06%, в некоторых до 0,01%.

Как правило, повышение уровня легирования  и прочности стали приводит к  ухудшению ее свариваемости. Первостепенная роль принадлежит углероду. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. Свариваемость стали можно приближенно определить по количеству легирующих элементов, эквивалентных (приравненных) углероду по формуле:

С_экв =С +Mn/6 +Si/24+Cr/5+Ni/40+Cu/13+V/14+P/2

C_экв=0,12+1,3/6+0,8/24+0,3/5+0,3/40+0,3/13+0,035/2=0,39

Так как C_экв=0,39, сталь 10Г2С1 хорошо сваривается и при сварке не потребует дополнительных технологических приемов. Следовательно, данная сталь может свариваться без ограничений в широком диапазоне сварки, независимо от толщины металла, жесткости конструкции и температуры окружающей среды.

         1.3 Выбор способов сварки для изготовления секции верхней палубы

При реализации технологического процесса изготовления секции палубы применяются следующие виды сварки:

- ручная электродуговая сварка, покрытыми электродами– для установки прихваток, приварки временных креплений и сварки в труднодоступных местах;

- полуавтоматическая сварка –  для приварки набора к полотну  и сварки набора между собой;

- автоматическая сварка под  слоем флюса – для выполнения  стыковых соединений полотен,  тавровых соединений: стенки к  полке набора, набора к полотну.

         1.3.1 Ручная электродуговая сварка покрытыми электродами

Ручная электродуговая сварка покрытыми  металлическими электродами  в настоящее время остается одним из распространенных методов, используемых при изготовлении сварных конструкции. Это объясняется простотой, универсальностью и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполнения сварки в различных пространственных положениях и в местах, труднодоступных для механизированных способов сварки.

Сварка электродом с нанесенным на его поверхность покрытием (обмазкой), изготовленный из порошкообразной смеси различных компонентов, которые обеспечивают устойчивое горение дуги, проведение металлургической обработки сварочной ванны и улучшают химический состав и механические свойства сварного шва, поскольку при расплавлении они создают шлаковую и газовую защиту сварочной ванны от вредного влияния  кислорода и азота атмосферного воздуха и повышения качества сварки, а также обеспечивают устойчивость горения дуги, очищают металл шва от вредных примесей и легируют его для улучшения свойств.

Существенный недостаток ручной дуговой  сварки  металлическим электродом - малая производительность процесса и зависимость качества сварочного шва от практических навыков сварщика.

1.3.2 Механизированная сварка

Полуавтоматическая сварка в защитном газе СО₂ в настоящее время применяется практически во всех отраслях промышленности. Сварка в углекислом газе применяется для углеродистых и легированных сталей. Сварка в среде защитных газов обладает рядом преимуществ:

1. Возможность сварки в различных пространственных положениях;
2. Возможность визуального наблюдения за образованием шва, что особенно важно при полуавтоматической сварке;
3. Отсутствие операций по засыпке и уборке флюса и удалению шлака;
4. Высокая производительность и легкость в механизации и автоматизации;
5. Низкая стоимость при использовании активных защитных газов.

В процессе сварки защитные газы подают в зону горения дуги через сопло  сварочной горелки и оттесняют атмосферные газы от сварочной ванны. Дуга поддерживается между электродной проволокой и свариваемым металлом. Сварка в углекислом газе дает более глубокий провар, чем ручная электродуговая сварка покрытыми электродами, поэтому при переходе с ручной сварки оправданным считается уменьшение катетов примерно на 10%, это объясняется повышенной плотностью тока на 1мм электродной проволоки.

Недостатки:

1. Возможное нарушение защиты при сварке на открытых площадках и на сквозняке (нарушается защита сварочной ванны);

1.3.2 Автоматическая сварка под флюсом

 Автоматическая сварка под флюсом – это дуговая сварка с использованием плавящегося электрода и введением в зону дуги гранулированного (зернистого) флюса, слой которого полностью закрывает дугу и, частично расплавляясь, создает вокруг нее подвижную защитную оболочку, перемещающуюся вместе с дугой. Сварочная ванна полностью защищена от действия кислорода и азота воздуха. Кроме того, расплавленный флюс в результате химического взаимодействия с жидким металлом дает возможность получать определенный химический состав металла шва и заданные механические свойства. Производительность процесса сварки под флюсом по сравнению с ручной сваркой увеличивается в 5-12 раз. При сварке под флюсом можно использовать повышенные (25…100 А/мм²) плотности сварочного тока, не опасаясь значительного перегрева электрода.

Автоматическая сварка выполняется  при помощи специальных аппаратов, которые осуществляют подачу сварочной  проволоки в сварочную ванну  и перемещение проволоки вдоль  сварного стыка. Эти аппараты имеют  устройство для подачи и уборки флюса. Бункер для подачи флюса находится на механизме (тележке) перемещения вдоль шва и расположен впереди электродной проволоки. Эти механизмы (тележки) называют сварочными автоматами, сварочными тракторами и сварочными головками.

Достоинства автоматической сварки:

1. Повышенная производительность и экономичность (снижение расхода сварочных материалов, уменьшение расхода электроэнергии на 30..40%, снижение трудоемкости работ по разделке кромок под сварку, зачистке шва от брызг и шлака);
2. Минимальные потери электродного металла (не более 2%);
3. Отсутствие брызг;
4. Высокая стабильность горения дуги;
5. Не требует защитных приспособлений от светового излучения;
6. Высокое качество сварного соединения (достигается благодаря надежной защите расплавленного металла от взаимодействия с воздухом, металлургической обработке и легированию металла, расплавленным шлаком).

Недостатки:

1. Нет возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях .

1.4 Выбор сварочных материалов, требования к ним и техническая  характеристика.

К сварочным материалам относятся:

1. Электроды.
2. Электродная проволока.
3. Защитные газы (активные и  инертные газы).
4. Флюсы.

Все сварочные материалы должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Обеспечивать стойкость сварных швов против холодных и горячих трещин.
2. Обеспечивать получение наплавленного металла близкого по химическому составу и механическим свойствам к основному металлу.
3. Обеспечить хорошие технологические свойства сварного шва.
4. Обеспечивать низкую себестоимость и высокое качество.
5. Обеспечивать минимальную токсичность.

С помощью сварочных материалов реализуется процесс сварки и  осуществляется сложная физико-химическая обработка расплавленных основного  и электродного металла, производимая в газовой и шлаковой фазе и завершающаяся в сварочной ванне, что приводит к образованию шва необходимого химического состава.

Каждая партия электродов и флюса, плавка проволоки должны иметь сертификат.

Сварочные материалы следует назначать  в зависимости от категории (марки) стали, предназначенной для изготовления конструкции.

Сварочные материалы следует хранить  в сухих, отапливаемых помещениях в  условиях, предохраняющих их от загрязнения, увлажнения и механических повреждений. В помещениях для хранения сварочных материалов температура воздуха должна быть не ниже 17°С и относительной влажностью не более 50%.

Электроды, проволоку, и флюс необходимо выдавать сварщику с этикеткой (биркой). На этикетках (бирках) должны быть указаны:

• марка электродов, проволоки и флюса;
• номер плавки или партия;
• дата прокалки (для низколегированных электродов, а также флюса, предназначенного для сварки низколегированной проволокой и содержание водорода);
• срок годности;
• дата выдачи.

      1.4.1 Электроды УОНИИ 13/45А

Электроды данной марки изготавливают из сварочной проволоки марки 08А или 08АА, на поверхность которой  нанесен слой основного покрытия – фтористо-кальциевого, УОНИИ 13/45А поставляют по ОСТу 5.9224-75. Электроды с покрытием данного вида  применяются в основном для сварки на постоянном токе  обратной полярности.

 Электроды с основным покрытием  имеют шлакообразующую основу, состоящую  из карбонатов и фторидов кальция.  Газовая защита расплавленного  металла обеспечивается углекислым  газом и окисью углерода, образующимися вследствие диссоциации карбонатов кальция в процессе нагрева и плавления покрытия. В качестве раскислителей покрытие содержит ферромарганец, ферросилиций. Легирование осуществляется марганцем и кремнием при переходе их из ферромарганца и ферросилиция в сварочную ванну, что придает соединению высокую прочность. Химический состав металла шва должен соответствовать таблице №3.

Таблица №3 Химические свойства металла  шва,в %

Механические свойства металла  шва должны соответствовать таблице  №4.

Таблица № 4 Механические свойства металла  шва 

Наличие в покрытие большого количества соединений кальция, хорошо связывает  серу и фосфор с выделением их в  шлак, обеспечивает высокую чистоту  наплавленного металла. Значительная концентрация марганца в сварочной  ванне способствуют десульфации металла. Содержание серы и фосфора в наплавленном металле не превышает 0,035% каждого и делает швы, выполненные электродами этой группы, чувствительными к кристаллизационным трещинам. Но установлено, что небольшое содержание кислорода в сварочной ванне уменьшает вероятность взаимодействия кислорода с растворенным в металле водородом. Поэтому количество растворенного в металле водорода достаточно велико, что при наличии ржавчины на свариваемых кромках, повышенной влажности покрытия и сварке длинной дугой приводит к порам в шве, несмотря на эффективное удаление водорода за счет плавикового шпата, имеющегося в покрытии.

         1.4.2 Сварочные материалы для механизированной сварки

1.4.2.1 Проволока Св-08Г2С

 Проволока сварочная Св – 08Г2С поставляется по ГОСТу 2246-70 для механизированной сварки в сочетании проволока +защитный газ (ГОСТ 8050-85) во всех пространственных положениях. Химический состав Св – 08Г2С должен соответствовать таблице 5.

Таблица №5 Химический состав сварочной  проволоки Св – 08Г2С ,в %