Технология изготовления коробчатой балки

Зміст

1. Вихідні данні ………………………………………………………………………………….    4                                                                                                 

2. Розрахунково – пояснювальна  записка

2.1 Вступ……………………...................................................................................      5                                                                                                          

2.2 Конструкторсько – технологічний  аналіз виробу …………………………………      6                                     

2.3 Вибір з обґрунтуванням  двох способів зварювання……………………………..      8                                 

2.4 Вибір з обґрунтуванням  зварювальних матеріалів………………………………    10                                  

2.5 Вибір стандартних розмірів  швів і підготовки кромок…………………………     12                              

2.6 Розрахунок параметрів режиму  зварювання……………………………………..      14                                            

2.7 Вибір зварювального обладнання  загального призначення…………………..      16                    

2.8 Розрахунок технологічної собівартості………………………………………………     20                                                    

2.9 Прийняття кінцевого рішення…………………………………………………………      23                                                                 

2.10 Нормування зварювальної операції………………………………………………..     24                                                        

2.11 Висновки…………………………………………………………………………………..     25                                                                                                 

2.12 Оформлення специфікації зварювання, операційної або технологічної  карти                                                                                                                   

2.13 Список посилань……………………………………………………………………………. 26                                                                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Вихідні  дані

1.1 Назва зварного виробу  – балка коробчата 

1.2 Матеріал – сталь  10Г2С1

1.3 Тип виробництва  – серійне

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Розрахунково  – пояснювальна записка

 

2.1 Вступ

 

Метою даної курсової роботи є ознайомлення студента з  розробкою технології зварювання плавленням, одержання студентом навичок  виконання даної роботи.

Завданням даної курсової роботи є розробка технології зварювання даного в завданні виробу, тобто для розробки правильної й коректної технології потрібно виконати наступні пункти завдання:

Зробити конструктивно - технологічний аналіз виробу, при цьому приділяючи особливу увагу розташуванню й доступності швів. Раціонально розрахувати зварюваність основного металу, щоб вірно обрати спосіб зварювання. Вибрати два способи зварювання, з огляду на тип виробництва. Вибрати зварювальні матеріали, з огляду на специфіку матеріалу та їхню дефіцитність. Вибрати тип підготовки крайок із ДСТУ, з огляду на особливості конструкції. Зробити розрахунок режимів зварювання. Обмовити техніку зварювання, для того щоб зварники мали уявлення про те, як буде виконуватися технологічний процес. Вибрати зварювальне устаткування, з огляду на його вартість і дефіцитність. Зробити розрахунок технологічної собівартості зварювання за всіма обраними технологіями, щоб можна було порівняти экономічну ефективність. Ухвалити рішення щодо того, яка з технологій є більш коректною у цьому випадку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструктивно-технологічний аналіз

балки коробчатої

Рис.1 Зварний  виріб

 

Балки коробчатого перетину застосовуються як стрижні ферм залізничних мостів. Балка коробчата складається з двох стінок (1), двох поясів (2) і має всередині діафрагми (3).

При заданих  габаритних розмірах розрахуємо обсяг  балки:

Vc=(Sc · (Hб-2 ·  Sn) ·2·Lб=(0.008(1-2 ·0,012)·2·6=0.09396 м³

Vn=(Sn · Bб) ·2·6=(0.012·0.240)·2·6=0.03456 м³

Vб=Vc+Vn=0.12825 м³

Розрахуємо  вагу балки, основний метал якої - сталь 10Г2С1, що має щільність 7.8 т/м³:

Мб=Vб ·ρ=0.12825 ·7.8 = 1.00035т.

Балка коробчата являє собою великогабаритний виріб, що потрібно враховувати при організації зварювальних робіт.

Умови експлуатації балки  на відкритому повітрі характеризуються впливом на неї корозії, природного коливання температур, що залежить від кліматичної зони, наприклад від -40 до +60. з огляду на це все (балка буде використовуватись при будуванні залізничних мостів та на неї будуть діяти статичні навантаження), балку коробчату слід віднести до особливо відповідальної конструкції.

Основний  метал, що зварюється:

Марка сталі – 10Г2С1 ДЕРЖСТАНДАРТ 19282-73

Вміст хімічних елементів, %:

С≤ 0.12                           Cu ≤0.3

Si=0.9-1.2                      S ≤0.035

Mn=1.3-1.65                    P ≤0.035

Сталь 10Г2С1 відноситься до низьковуглецевої низьколегованої сталі(С≤0.24%).

        Перевіримо схильність металу  шва до утворення гарячих тріщин  при найбільш несприятливому сполученні вмісту легуючих елементів і домішок:

HCS=C·(S+P+0.04·Si+0/01·Ni)/(3Mn+Cr+Mo+V)=0.012(0.03+0.03+0.04*1/(3·15)=0.00266

Оскільки HCS < 0.004, то метал не схильний до утворення гарячих тріщин при найбільш несприятливому  легуванні, тобто при максимальному вмісті легуючих елементів і домішок.

        Перевіримо схильність металу шва до утворення холодних тріщин:

С_экв=С+Mn/6+(Ni+Cu)/15=0.12+1.5/6+0.2/15=0.3, оскільки менше 0.4... 0.45, то основний метал не схильний до утворення холодних тріщин.

Знайдемо механічні властивості сталі 10Г2С1:

σ, кг·с/мм²           52                        а при -40°С     4.0кг·с·м/см²

σ, кг·с/мм²           38

δ, %                      21

Наявність Mn у  сталі підвищує ударну в'язкість  і холодноламкість, забезпечуючи задовільну зварюваність. Це дозволяє одержати зварні з'єднання високої міцності при знакозмінних ударних навантаженнях.

                              Зварні з'єднання

    При  додаткових навантаженнях у вертикальній і горизонтальній площинах, а також при дії крутного моменту, більш доцільно використання балок коробчатого перерізу.

Зварювальні елементи коробчатого перерізу знайшли своє застосування як стрижні ферм залізничних мостів. З метою запобігання гвинтоподібного скривлення, зварювання здійснюють накладанням одночасно двох симетрично розташованих в одній площині кутових швів нахиленими електродами.

При зварюванні герметично закритих стрижнів коробчатого перерізу шви виконують ззовні.

 

При зварюванні балок  коробчатого перерізу не всі шви є довгими (тобто є шви менше одного метра)                               

 Загальна довжина швів:

Lш=6·4+((1-2·0.012-(1-2·0.12/22)·2+8/14·0.24)·5=34.002 м.

           

 

 

    

 

Номер з'єднання	Вид  з'єднання	Товщина металу, мм	Протяжність,     мм	Кількість з'єднань	Конфігура- ція  з'єднання	Доступність
1	Таврове	8;8	966	10	Прямолінійне	Без обмежень
2	Таврове	12;8	192	5	Прямолінійне	Без обмежень
3	Таврове	8;12	6000	4	Прямолінійне	Обмеження із однієї сторони

 

                            Організація зварювальних робіт

Зборка балки починається  з укладання на стелажі верхнього  поясу й розміщення та прихватки до нього діафрагм. Після приварювання до нього швом 2 діафрагм, устанавлюють, притискають і прихватують бічні стінки. Потім зібраний П- подібний профіль кантують і внутрішніми кутовими швами.

 

Стінки приварюють до діафрагм швами 1 і 3. Збирання закінчують встановленням нижнього пояса. Поясні шви зварюються після завершення зборки. Балку в положення «у човник» повертають рольгангом.

 Важким видом виробництва таких балок є приварення діафрагм до стінок у тавр кутовими швами. Обмеженість відстані між стінками затруднює застосування автоматичного зварювання у нижньому положенні, а в ручну – зварникові доводиться виконувати ці шви в незручному положенні. Таврові з'єднання доцільно виконувати у вертикальному положенні відразу ж після зборки, це дозволяє виключити операцію кантування балки й виконати одночасно два кутових шви за допомогою гравітаційного зварювання покритими електродами або автоматичним зварюванням у СО₂.

2.3 Вибір з обґрунтуванням двох способів зварювання

Вибір типових  способів зварювання балки коробчатої.   

Встановлено, що матеріал балки коробчатої  - сталь10Г2С1 відноситься до групи низьковуглецевих та низьколегованих сталей, що добре зварюються. Пропонуються такі способи зварювання:

1. Ручне дугове - Е
2. У вуглекислому газі - УП
3. В інертному газі плавким електродом, - ІП
4. В інертному газі неплавким електродом, - ІН
5. Під флюсом - АФ
6. Электрошлакове - ШЕ
7. Газове - Г
8. Плазмове - П
9. Электронно-променеве - ЕЛ
10. Лазерне – Л

 

Фактори способів	Е	УП	ІП	АФ	ШЕ	Г	ІН	П	ЕЛ	Л
Матеріал	++	++	–	++	(+)	(+)	-	–	–	–
Товщина	+	++	+	++	–	–	+	–	+	+
Положення шва	+	++	–	++	–	–	–	–	–	–

 

« – »    - не рекомендується;

«(+)»    - рекомендується обмежено;

« + »     - рекомендується

«+ +»    - рекомендується переважно

Оскільки сталь 10Г2С1 не містить Ti, Al і інші елементи з високою хімічною активністю, то для подальшого аналізу виключаємо способи дугового зварювання ІП, ІН у дорогих інертних газах. Сталь 10Г2С1 відноситься до тугоплавких матеріалів і при цьому немає необхідності в застосуванні способів зварювання з дорогим устаткуванням і з високою щільністю енергії П, ЕЛ і Л.

Таким чином, для подальшого аналізу залишаються способи Е, УП, АФ ШЕ, Г. Оцінимо можливість їхнього застосування при зварюванні сталі товщиною 8...12 мм. Очевидно, що при такій товщині недоцільно застосовувати низькопродуктивне газове зварювання (багатопрохідне зварювання із присадкою), і ШЕ з низькою продуктивністю.

Із  залишившихся АФ і УП за один прохід і Е за багато проходів.

Продовжуємо аналіз і  враховуємо наступний фактор - положення  при зварюванні  - нижнє. Остаточне вирішення вибору способу зварювання можна буде застосувати після економічної оцінки ефективності різних варіантів зварювання, включаючи й спеціальні.

У нашому випадку  шви 4,5,6,7 виконуються у нижньому положенні, при цьому більш доцільно застосовувати спосіб зварювання під флюсом. Шви 1,2,3, доцільніше виконувати способом зварювання в СО₂.

        

Номер зварного з'єднання	Положення при  зварюванні	Товщина, мм	Варіанти типових  способів зварювання
1	В	8;8	АФ, УП
2	Н	8;12	АФ, УП
3	В	8;8	АФ, УП
4	Н	8;12	АФ, УП
5	Н	8;12	АФ, УП
6	Н	8;12	АФ, УП
7	Н	8;12	АФ, УП

 

    2.4 Вибір з обґрунтуванням зварювальних матеріалів

 

1.) Зварювання у вуглекислому газі (УП)

Вибір захисного газу.

Основний метал сталь 10Г2С1 відноситься до матеріалу з  низькою хімічною активністю. Тому допускається вибір активного газу СО₂  та струйної форми захисту. Враховуючи особливо відповідальне призначення виробу, слід вибрати зварювальний вуглекислий газ вищого сорту ГОСТ 8050-76, що має більш низький вміст вологи, ніж харчова вуглекислота.

 

Вибір зварювального дроту.

Для зварювання низьколегованої  сталі 10Г2С1 необхідно, перш за все, шукати зварювальний дріт в аналогічній групі низьколегованих сталей. Так як сталь 10Г2С1 не має схильності до утворення гарячих тріщин, то зварювальний дріт може бути однорідним та близьким за складом до основного металу. Вуглекислий газ не легує метал шва, а навпаки, викликає їх окиснення. Тому дріт повинен містити необхідну кількість легуючих та розкислюючих елементів. В каталогах зварювальних матеріалів вибираємо зварювальний дріт Св–08Г2С (ГОСТ 2246-70), хімічний склад якого:

 

C	Mn	Si	Cr	Ni	S	P
0.05-0.11	1.8-2.1	0.7-0.95	≤0.2	≤0.25	0.025	0.03

 

2.) Автоматичне зварювання під флюсом (АФ).

Вибір флюсу.

Флюс слід шукати у групі флюсів для дугового зварювання низьковуглецевих та низьколегованих  сталей. Сталь 10Г2С1 відноситься до матеріалу  з низькою хімічною активністю. Тому можна вибрати флюс із числа кисневих, високоактивних або активних, високо- або низько кремнієвих, марганцевих. Враховуючи особливо відповідальне призначення виробу, слід віддати перевагу вибору флюсу із числа активних або малоактивних низько кремнієвих марганцевих, що забезпечують більш високу пластичність та ударну в’язкість при низьких температурах. Необхідний склад металу шва можна забезпечити за рахунок складу зварювального дроту, тому немає необхідності у виборі легуючого керамічного флюсу. В каталогах зварювальних матеріалів знаходимо флюс марки АН-47.

Склад флюсу АН – 47:

SiO₂=41 – 44%          MnO=34 – 38%

CaO=6.5%                  MgO = 5 – 7.5%

Al₂O₃ = 4.5%          CaF₂ = 4 – 5.5%

Fe₂O₃ = 2%                                   S = 0.15%

P = 0.12%

 

Вибір електродного дроту.

Для зварювання низьколегованої  сталі 10Г2С1 необхідно шукати зварювальний дріт в групі низьколегованих  сталей. Для досягнення необхідного  рівня механічних та технологічних  властивостей зварних з’єднань у поєднанні з вже обраним флюсом АН-47, використаємо у якості зварювального дроту Св-10ГС (ГОСТ 2246-70), хімічний склад якої:

 

C≤0.12                            Ni≤0.25

Mn=1.50-1.90                 S≤0.030

Si≤0.03                           P≤0.030

Сr≤0.2 

                      2.5 Вибір стандартних розмірів швів і підготовки кромок

1.) Зварювання в СО₂  (УП)

Тип з´єднання	Форма підготовлених крайок	Характер виконаного шва	Форма поперечного перерізу підготовлених крайок	Форма поперечного перерізу виконаного шва	Товщина зварюваних деталей для способу зварювання УП	Умовне позначення зварного з’єднання
Таврове	Без скосу крайок	Однобіч-ний			0,8-40,0	Т1

 

 Форма підготовки крайок                                Форма шва

  Рис 2. ГОСТ 14771-76.

 

 

 

 

 

2.) Автоматичне зварювання під флюсом (АФ)

                           

Тип з´єднання	Форма підготовлених крайок	Характер виконаного шва	Форма поперечного перерізу підготовлених крайок	Форма поперечного перерізу виконаного шва	Товщина зварюваних деталей для способу зварювання УП	Умовне позначення зварного з’єднання
Таврове	Без скосу крайок	Однобіч-ний			3,0-40,0	Т1

 

  Форма підготовки крайок                                Форма шва

Рис.3 ГОСТ 8718-79

 

 

 

 

 

 

 

2.6 Розрахунок параметрів режиму зварювання

1.) Розрахунок режиму дугового зварювання під флюсом по площі наплавленого металу

Підготовка вихідних даних.

1. Основний метал - сталь 10Г2С1
2. Зварювальний флюс - АН - 47
3. Зварювальний дріт - СВ – 10ГС
4. Зварювання - автоматичне
5. Товщина металу - 8 мм.
6. Тип з'єднання - таврове.
7. Тип шва - у човник.
8. Положення шва - нижнє.
9. Тип шва по кількості проходів - однопрохідний.
10. Форми й розміри підготовки крайок, наведені на мал.3.

 

Розрахунок режиму зварювання:

            1. Визначаємо площу наплавленого металу по кресленню(рис 3).

Тому що шов однопрохідний:

F_н=F₁+F₂=K₃·e·g+½K²=0.7·√2·5·2+½·5²=17мм².

            2. Діаметр електродного дроту розраховуємо по формулі:

d_ел=K_α·F_н=(0.036...0.160)·17=(0.612...2.72).

Коефіцієнт K_α вибраний по таблиці для автоматичного зварювання на змінному струмі.

Округляємо розрахунковий d_ел до стандартних значень і обмежуємо діапазон припустимих значень: 1.6,2,3 мм.

З метою досягнення високої продуктивності вибираємо значення дроту 3 мм.

3. Розраховуємо швидкість зварювання на змінному струмі:

V_зв≤110·d_эл/Fн=110·3/17=19.4мм/с=69м/год.

4. Визначаємо швидкість подачі електродного дроту:

V_ел=4·F_н·V_зв/(π·d_эл²)=4·17·19.4/( π·9)=46.6мм/с=168м/год.

5. Визначаємо зварювальний струм по формулі:

          I_зв=d_ел·(√(450· d_эл·V_эл+5185)-72)=3·(√(450·3·46.6+5185)-17)=731.85А.

Розрахунковий зварювальний струм не виходить за межі допусків:

I_зв≤(180... 190) d_ел=(720…760)А.

 

6. Визначаємо напругу зварювання:

U_зв=22+0.02·I_зв=22+0.02·731.85=36.63В

7. Виліт електродного дроту:

L_в=10·d_ел±2· d_ел=30±6мм

 

2.) Розрахунок режиму дугового зварювання в СО₂  по площі наплавленого металу

Підготовка вихідних даних.

З технологічного аналізу зварного виробу встановлено, що основний метал - сталь 10Г2С1, товщиною 8 мм. Зварювання автоматично виконується дротом Св-08Г2С у нижньому положенні. Шов тавровий однопрохідний (Рис.2).

Площа наплавленого металу визначаємо за формулою:

F_н=F₁+F₂=k₃·e·g+½·k²=0.7·√2·6·1+½·5²=17мм²

                                  Розрахунок режиму зварювання

1. Розраховуємо діаметр електродного дроту для швів за площею:

К_α =(0.149...0.409)

d_ел ≥K_α ·F_н^0.625≥(0.149...0.409)·17^0.625=(0.8...2.22)мм

d_эл=1.6мм.

2. Швидкість зварювання:

V_зв=(15.9·d_эл²+67.4·d_эл^1.5)/F_н=(15.9·1.6²+67.4·1.6^1.5)/17=10мм/с=36м/год

3. Тому що зварювання в СО₂ виконується в діапазоні швидкостей    (3...10мм/с), то приймаємо швидкість зварювання з урахуванням цих обмежень.
4. При відомій площі наплавленого металу, діаметрі електродного дроту й швидкості зварювання, розраховуємо швидкість подачі електродного дроту по формулі:
5. V_ел=(4·V_зв·F_н)/(π·d_ел²·(1-ψp))=(4·10·17)/(π·1.6·(1-0.01))=85мм/с=306м/год

 

Розраховуємо зварювальний струм для шва при зворотній полярності:

I_зв= d_ел·(√(1450· d_ел· Vел+145150)-382)=1.6·(√(1450·1.6·85+145150)-382)=

=324А

 

Розрахункове значення зварювального струму не виходить за межі обмежень:

I_зв≤180· d_ел^1.5≤364А    

4. Визначаємо напругу зварювання для шва     

U_зв=14+0.05· I_зв=14+0.05·324=30.2 В

   

5. Визначаємо витрата вуглекислого газу для шва:

q_зг=3.3·10^-3· I_зв^0.75=3.3·10^-3·324^0.75=0.25л/с=15.6л/хв.

 

 

6. Виліт електродного дроту:

L_в=10·d_эл±2· d_эл=16±3.2мм

 

Параметр	Розрахункові значення
	Під    флюсом	СО2
	По площі наплавленого металу	По площі наплавленого металу
Iзв, A	731.85	324
Vзв, мм/с	19.4	10
Uзв, B	36.63	30.2
Vел,   мм/с	46.6	85
dел,мм	3	1.6
qзг , л/с	--	0.25
Lв  ,мм	30±6	16±3.2

 

2.7  Вибір зварювального обладнання загального призначення

Оскільки у результаті конструктивно - технологічного аналізу встановлено, що зварювання всіх з'єднань виконується в приміщенні,то джерело зварювального струму повинен мати групу В  по кліматичному виконанню й групу С по категорії розміщення. Тому що до заводу підведена електрика, то краще вибрати трансформатор або випрямляч. Для зварювання під флюсом необхідно вибрати джерело з пологопадаючою характеристикою, а для зварювання в СО₂ із жорсткою характеристикою. Оскільки тип виробництва серійний, то джерело можна вибрати із числа універсальних, загального призначення. У зв'язку зі зварюванням у заводських умовах і транспортабельністю виробу не потрібно пересувне або переносне джерело,можна використати джерело з високим завантаженням (ПН=100%). Очевидно, при виконанні швів не потрібне зосередження більше 7-9 постів. Тому більш экономічно вибрати однопостове джерело.     Вибір роду струму залежить від способу зварювання. У нашому випадку при зварюванні під флюсом допускається пряма полярність постійний струм, а у випадку зварювання в СО₂ зворотна полярність, постійний струм. Отже, ми можемо вибрати тільки джерела постійного струму - випрямляч або перетворювач. Перевагу віддаємо випрямлячу, що має кращі техніко-економічні показники, чим перетворювач.

Для вибору конкретної марки випрямляча необхідно знати силу зварювального струму. Відповідно до розрахунку, сила зварювального струму при зварюванні під флюсом I_зв=731, при зварюванні в СО₂ I_зв=324. Отже, можна вибрати джерело з номінальним струмом 1000А и 400А. По переліку електрозварювального устаткування знаходимо найближчі по номінальному струму зварювальні випрямлячі ВДУ - 1000 і ВДУ - 400.

Виберемо випрамляч для зварювання в СО₂

Технічні характеристики, яких наведені в таблиці:

ВДУ-400С.

 Випрямляч призначений для зварювання електродним дротом, що плавиться, низьковуглецевих, легованих і коррозійно-стійких сталей у середовищі захисних газів на постійному струмі. Існує плавне регулювання зварювального струму. Випрямляч універсальний, тому що має два види зовнішніх характеристик: жорстку й падаючу. Переваги:

1. Легке запалювання й стійке горіння дуги.
2. Наявність термозахисту від перевантаження.
3. Дистанційне регулювання зварювальних параметрів за допомогою пульта.
4. Наявність розетки   для живлення підігрівника газу. Клас ізоляції Н за ДСТ 8865-70

Виберемо випрамляч для автоматичного зварювання під флюсом (АФ).

ВДУ-1000. Випрямляч призначений для зварювання в середовищі захисних газів, а також для зварювання й наплавлення під флюсом виробів з  низьковуглецевих сталей. Переваги:

1. Надійне запалювання й стійке горіння дуги.
2. Наявність термозахисту від перевантаження.
3. Можливість як місцевого, так і дистанційного ррегулювання зварювальних параметрів.
4. Володіє двома видами твердих зовнішніх ввольтамперных характеристик для зварювання й ннаплавлення під шаром флюсу.
5. Висока надійність обмотувальних вузлів - Клас ізоляції Н по ГОСТ 8865-70.

 

 

 

Марка випрямляча	Напруга живлення мережі, В	Номінальний зварювальний струм (приПН,ПВ%),А	Споживча Потужність, Вт	Діаметр електродного дроту, мм	Габаритні розміри,мм маса,кг
ВДУ-400	380	400 (40%)	35	1.2-8	300 750-650-1150
ВДУ-1000	380	1000(100%)	63	--	520 790-600-1410