Выбор способа сварки и типа сварных швов

Содержание

 

Введение

1. Исходные данные для выполнения курсовой работы
2. Выбор способа сварки и типа сварных швов
3. Расчет параметров режима сварки
4. Расчет нормы времени на выполнение сварочных операций

5. Определение химического состава и структуры стали в исходном состоянии

          6. Технологические особенности сварки стали

7. Выбор сварочных материалов.

8. Расчет расхода сварочных материалов.

9. Расчет химического состава сварного шва и определение его структуры.

10. Выбор сварочного оборудования.

11. Расчет расхода электроэнергии.

 Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Основной целью данной курсовой работы является разработка технологии сварки стали, указанной  в виде обозначения сварного шва  с указанием марки свариваемого металла, длины сварного шва и толщины метала. Кроме этого необходимо закрепить знания в области технологии сварки легированных сталей, стандартов по основным способам дуговой сварки, необходимые расчеты для определения структуры стали в исходном состоянии и металла шва, выбрать необходимые сварочные материалы и оборудование, определить основные и дополнительные параметры режима сварки и выполнить нормирование сварочной операции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Исходные данные для выполнения курсовой работы

 

Вариант 7

 

Заменить предложенное литое изделие на сварную конструкцию, разбив его на составные части.  Обозначить сварные швы на разработанной  сборочной единице с учетом соблюдения рекомендации по обеспечению технологичности сварного соединения и выбранного способа сварки. Разработать технологию сварки изделия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание выдал:   ст. преподаватель

Дата:  

 

    

2. Выбор способа сварки и типа сварных швов

 

Проверяем условие доступности  мест наложения сварных швов.

 

 

Условие доступности  мест наложения сварных швов не выполняется.

 

Для соединения деталей  будем использовать механизированную сварку в среде защитных газов по ГОСТ 14771-76. В разработанной сварной сборочной единице будет использовано один тип сварных швов (таблица 1).

 

Таблица 1 – Типы сварных  швов

Соединяемые детали	Место соединения	Тип шва	Конструктивные элементы
			Подготовительных кромок свариваемых деталей	Сварного шва
Лист и  кронштейн		Т1
Труба и кронштейн		Т3

 

В приложении А  курсового проекта представлен  сборочный чертеж изделия и спецификация (приложение Б). 

 

 

 

 

 

 

3. Расчет параметров режима сварки

 

Определяем катет шва  по следующей формуле:

 

,       ()

где N – усилие, действующее  на деталь, Н;

[τ] – допускаемое  напряжение, [τ] = 80–90 МПа; 

β – коэффициент формы  шва (β = 0,7 – для РДС; β = 0,8 – для  механизированной сварки; β = 0,9 – для  автоматической сварки);

LШ – длина шва, м.

 

 

      

Принимаем катет k=4 мм

 

Рассчитываем катет  для соединения деталей труба  и кронштейн:

 

Принимаем катет k=4мм

 

Далее рассчитанные параметры  сварки применить для всех сварных швов.

 

Первоначально задаемся диаметром проволоки d_пр. Значение этого параметра зависит от толщины свариваемого металла и типа сварного соединения. Для одностороннего углового шва глубина проплавления равна:

 

,                 ()

 

где δ – толщина металла, δ = 4 мм

Тогда, согласно рекомендаций [1, с. 65] принимаем диаметр проволоки равным:

 мм.

Для механизированной сварки силу сварочного тока можно определить по формуле:

 

 А, ()

где k_п – коэффициент пропорциональности, зависящий от условий сварки.(k_п=1,75)

 

Тогда:

 А.

Принимаем I_св = 138 А.

После вычисления силы сварочного тока уточняют диаметр проволоки по формуле:

где j – допустимая плотность тока, А/мм² (j=90-200 A/мм²)

 

Напряжение на дуге устанавливают  в зависимости от способа сварки, а также от марки и диаметра электрода по формуле:

. ()

Тогда:

 

Принимаем

 

Скорость сварки определяется следующей  формулой:

 

, м/час ()

где α_н – коэффициент наплавки,  α_н = 12-14 г/А·час;

       F_н – площадь поперечного сечения наплавленного металла, см²;

       γ – плотность  наплавленного металла,  γ = 7,8 г/см³ .

 

Площадь наплавленного  металла FН зависит от типа сварного соединения. Для угловых швов она определяется как площадь треугольника, умноженная на коэффициент а, учитывающий форму шва (для выпуклых швов а = 1,2; для вогнутых а = 0,9):

,     ()

где α – угол, под  которым свариваются детали.

Скорость подачи, VП.ПР., м/ч, сварочной проволоки вычисляют по формуле:

 

,      ()

 

где FЭ – площадь сечения электрода (проволоки)

     ()

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет нормы времени на выполнение сварочных операций

 

Общее время на выполнение сварочной операции состоит из нескольких компонентов и определяется  по формуле:

  

                                                                     ()

где основное время;

      подготовительно-заключительное время;

        вспомогательное время;

        время на обслуживание рабочего места;

        время перерывов на отдых и личные надобности.        

 

Основное время –  это время на непосредственное выполнение сварочной операции. Оно определяется по формуле:

        

                                                                                               ()

где масса наплавленного металла.

 

                          ,                                                          ()

где    площадь наплавленного металла;

            плотность металла;

           длина шва.

 

 

Подготовительно-заключительное время включает в себя такие операции, как получение производственного  задания, инструктаж, получение и  сдача инструмента, осмотр и подготовка оборудования к работе и т.д. При его определении общий норматив времени делится на количество деталей, выпущенных в смену.

Подготовительно-заключительное время  рассчитывается по формуле:

 

                                  ;                                                       ()

 

Вспомогательное время  включает в себя время на смену  электрода  , осмотр, очистку свариваемых кромок , очистку швов от шлака и брызг , клеймение швов , установку и поворот изделия, его закрепление :

 ,     ()

где tЭ –время на заправку кассеты с электродной проволокой (при автоматической и механизированной сварке tЭ = 5 мин);

tКР, tБР – время на осмотр и очистку свариваемых кромок, очистку швов от шлака и брызг;

tКЛ – время на клеймение швов (время на установку клейма tКЛ = 0,03 мин на один знак);

tИЗД – время на установку и поворот изделия, его закрепление (при массе изделия до 25 кг эти операции выполняются вручную, в расчете прини-мается tИЗД = 3 мин).

 

Время зачистки кромок или шва вычисляют  по формуле:

 

                               ,                                          ()

где    количество слоев при сварке за несколько проходов;

  длина шва.

 

 

Время на обслуживание рабочего места включает в себя время на уста-новку режима сварки, наладку полуавтомата или автомата, уборку флюса, ин-струмента и т. д. Для механизированной сварки

 Время перерывов  на отдых и личные надобности  зависит от положения, в котором  сварщик выполняет работы. При сварке в удобном положении время перерывов определяют по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Определение химического состава и структуры стали в исходном состоянии

 

Химический состав стали, выданной в задании, определяется по справочной литературе (таблица 2).

 

Таблица 2– Химический состав стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72

C	Cr	Ni	Mn	Si	S	P	Cu	Ti
до 0,12	17-19	9-11	до 2	до 0,8	до 0,02	до 0,035	до 0,3	0,8

 

Определение структуры стали осуществляется по диаграмме Шеффлера (Рис.1). Для этого первоначально для стали рассчитываются эквивалентные значения хрома и никеля: 

 

                 Экв Cr = %Cr+%Mo+2%Ti+2%Al+%Nb+l,5%Si+%V ;                 ()

ЭквCr = 18+2·0,8+1,5·0,8=20,8% ;

 

           Экв Ni = %Ni+30%C+30%N+0,5%Mn ;                                        ()

ЭквNi = 10+30·0,12+0,5·2=14,6%.

 

По значениям Экв Cr и Экв Ni на диаграмме Шеффлера наносится точка. Сталь попала в область А+Ф с содержанием феррита до 10 %, технологию ее сварки следует описывать как технологию сварки аустенитных сталей.

 

   

    Рис. 1 – Диаграмма Шеффлера.

6.   Технологические особенности сварки стали

 

Сталь 12Х18Н10Т относиться к хорошо свариваемым. Характерной особенностью сварки этой стали является возникновение межкристаллитной коррозии. Она развивается в зоне термического влияния при температуре 500-800°С. При пребывании металла в таком критическом интервале температур по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома. Все это может иметь опасные последствия - хрупкие разрушения конструкции в процессе эксплуатации.

Чтобы добиться стойкости стали  нужно исключить или ослабить эффект выпадения карбидов и стабилизировать  свойства стали в месте сварного шва.

При сварке высоколегированных сталей используют электроды с защитно-легирующим покрытием основного вида в сочетании с высоколегированным электродным стержнем. Применение электродов с покрытием основного вида позволяет обеспечить формирование наплавленного металла необходимого химического состава, а также других свойств путём использования высоколегированной электродной проволоки и долегирования через покрытие.

Сочетание легирования  через электродную проволоку и покрытие позволяет обеспечить не только гарантированный химический состав в пределах паспортных данных, но и некоторые другие свойства, предназначенные для сварки аустенитных сталей 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н12Т и им подобных.

Содержащийся в электродных стержнях титан при сварке практически полностью окисляется. По этой причине при сварке покрытыми электродами в качестве элемента-стабилизатора используют ниобий. Коэффициент перехода ниобия из стержня при сварке покрытыми электродами составляет 60-65%.

Сварку высоколегированных сталей для снижения вероятности  формирования структуры перегрева, как правило, выполняют на режимах, характеризующихся малой величиной  погонной энергии. При этом предпочтение отдают швам малого сечения, получаемым при использовании электродной проволоки небольшого диаметра (2-3мм). Поскольку высоколегированные стали обладают повышенным электросопротивлением и пониженной электропроводностью, то при сварке вылет электрода из высоколегированной стали уменьшают в 1,5-2 раза по сравнению с вылетом электрода из углеродистой стали.

При дуговой сварке в  качестве защитных газов используют аргон, гелий (реже), углекислый газ.

Применение дуговой  сварки в атмосфере углекислого  газа позволяет снизить вероятность  образования пор в металле  шва из-за водорода; при этом обеспечивается относительно высокий коэффициент перехода легкоокисляющихся элементов. Так, коэффициент перехода титана из проволоки достигает 50%. При сварке в атмосфере аргона коэффициент перехода титана из проволоки составляет 80-90%. При сварке в углекислом газе сталей, имеющих высокое содержание хрома и низкое содержание кремния, на поверхности шва образуется тугоплавкая трудноудаляемая оксидная плёнка. Её присутствие затрудняет проведение многослойной сварки.

Технологии сварки нержавеющих высоколегированных сталей постоянно совершенствуются. На данном этапе при строгом соблюдении технологического процесса качество сварного шва нержавейки практически не уступает по своим свойствам металлу соединяемых деталей и гарантирует высочайшую надежность сварного соединения. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.  Выбор сварочных материалов.

 

Изготовление сварочной проволоки для механизированной сварки сталей и наплавки осуществляется в соответствии с ГОСТ 2246-70.        В литературе для стали 12Х18Н10Т рекомендуется сварочная проволока Св-08Х20Н9Г7Т, аналогами являются сварочная проволока            Св-08Х21Н0Г6. Рассмотрим химический состав сварочной проволоки             Св-08Х20Н9Г7Т представленный в таблице 3.

 

Таблица 3. – Химический состав сварочной проволоки Св- 08Х20Н9Г7Т .

С	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Ti
Не более 0,10	0,50-1,00	5,00-8,00	18,50-22,00	8,00-10,00	Не более 0,25	0,60-0,90
S	P	Cu	V	W	Al	N
Не более 0,018	Не более 0,035	Не более 0,25	По факту	По факту	По факту	По факту

 

Преимущества использования:

1. Равновесность, блестящая поверхность проволоки обеспечивает стабильность токоподвода в контакте (проволока-наконечник).
2. Постоянство диаметра по длине проволоки, рядная плотная послойная намотка проволоки обеспечивает стабильность горения дуги, высокое качество сварного шва.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Расчет расхода сварочных материалов.

 

Расчет расхода сварочной  проволоки для автоматической и  полуавтоматической сварки осуществляется по формуле:

 

                                         ,                                          ()

 

где Ψ – коэффициент  потерь, для сварки в СО2 Ψ = 0,12–0,15 (12–15 %).

 

Расход углекислого  газа определяется по формуле:

 

,    ()

где – удельный расход СО2 , л/мин. (q_co2=9-12 л/мин).Удельный расход СО₂ зависит от диаметра проволоки и силы сварочного тока.

.

После вычисления объема СО2 в литрах обычно переводят это значение в массу, учитывая, что при испарении 1 кг углекислоты образуется 509 л газа.

.

Зная, что в одном  баллоне содержится 25 кг углекислоты, принимаем необходимое количество баллонов 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Расчет химического состава сварного шва и определение его структуры.

 

Сварной шов состоит  из основного и наплавленного металлов, которые в процессе сварки перемешиваются, образуя общую сварочную ванну. При этом в сварочную ванну попадают химические элементы из основного металла в количестве, пропорциональном доли основного металла в металле шва , и из проволоки в количестве, пропорциональном доли наплавленного металла в металле шва - :

 

          ,                     ()

где      площадь основного металла в металле шва;

           площадь наплавленного метала в металле шва;

          площадь шва.

 

Площадь шва можно  определить по формуле:

 

                        ,                                             ()

где   - ширина шва, ;

           - высота шва.

 

Высота углового шва Н=h+а, где h приблизительно равна глубине проплавления h=0,6d; а=0,7к; е=1,4к.

              

;

;

 

После вычисления q_о и q_н необходимо рассчитать химический состав шва. Содержание каждого элемента вычисляется по формуле:

 

                                  ;                                                   ()

где  Э_о — содержание элемента в стали;

Э_н — содержание элемента в проволоке.

 

 

 

    Таблица 4 –  Массовая доля элементов, % в сварном  шве ГОСТ 5264-80-С8.

C	Mn	Cu	Ni	S	P	Ti	Cr
0,1076	3,55	0,2845	0,862	0,0194	0,035	0,862	18,62

 

После расчета химического  состава по диаграмме Шеффлера определяется его структура.

При этом для определения  эквивалентов по никелю и хрому необходимо пользоваться формулами, несколько  отличающимися от формул, использующихся для стали:

 ЭквCr=%Cr+2%Al+%V+5%Ti+1,5%S+2%Nb+2%Mo+1,5%W         ()

   ЭквNi=%Ni+30%C+30%N+10%B+0,5%Mn                                        ()

 

ЭквCr =18,62+5·0,862+1,5·0,831=24,177%

ЭквNi =0,862+30·0,1076+0,5·3,55=5,865%

 

 

Определив ЭквNi и ЭквCr, наносят на диаграмму Шеффлера точку, соответствующую структуре шва.

Структура шва обычно отличается от структуры основного  металла. Для аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н10Т структура шва аустенитно-ферритно-мартенситная. Трехфазная структура обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики шва вследствие более мелкого зерна.                                                                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Выбор сварочного оборудования.

 

Сварочное оборудование выбирается в зависимости от заданного способа  сварки.

В данном случае выбираю сварочный инверторный аппарат OLIVER MIG 200S, разработанный с применением передовой инверторной технологии. Инверторные источники питания преобразуют рабочую частоту 50/60Гц постоянного тока в ток высокой частоты с большим коэффициентом мощности. Основой аппаратов служат высокочастотные преобразователи последнего поколения модули MOSFET (до 20КГц). Они повторно выпрямляют ток, а затем используют PWM (широтно-импульсную модуляцию) для получения выходного постоянного тока с большим коэффициентом мощности, снижая, таким образом, вес и объем главного трансформатора и повышая К.П.Д. на 30%. В режиме холостого хода потребление электроэнергии в 10 раз меньше. Для поддержания горения дуги используется принцип высокочастотной вибрации. Плавная регулировка сварочного тока позволяет достаточно просто выбирать необходимые режимы сварки. 
 Сварочный инверторный аппарат OLIVER MIG 200S может стабильно работать продолжительное время при низкой силе тока, что необходимо для сварки тонких листов низкоуглеродистой стали, легированной стали и нержавеющей стали.  
 
Основные технические характеристики: 
 
Напряжение в сети питания, В (1 фаза) 220±15% 
Частота в сети питания, Гц 50/60 
Максимальная потребляемая мощность (кВA) 6,6 
Коэффициент электрической мощности  0,93 
Диапазон сварочного тока, А 20-200 
Диаметр сварочной проволоки (мм) 0,6-1,6 
Рабочий цикл, ПВ % 60 
Тип подающего устройства встроенное 
Скорость подачи проволоки (м / мин) 2.5-18 
Класс изоляции F 
Класс защиты IP21 
Габаритные размеры, мм 495х265х400 
Вес, кг 23

 

 

 

 

 

 

11.  Расчет расхода электроэнергии.

 

Рассчитаем расход электроэнергии в сварочной дуге по формуле:               

 

          ,                                         ()

где   сила сварочного тока;

             напряжение на дуге;

             основное время сварки;

             к.п.д. источника питания.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Заключение

 

В ходе выполнения курсовой работы решены следующие задачи:

1. на основании исходных данных рассчитаны основные параметры режима ручной дуговой сварки заданного изделия из стали 12Х18Н10Т;
2. определена структура данной стали (аустенитная) и ввиду того, что такая структура нежелательна из-за роста зерна при сварке, назначены меры по изменению структуры шва из аустенитной в аустенитно-ферритно-мартенстную;
3. подобраны необходимые для механизированной сварки сварочные материалы и определён их расход для сварки заданного изделия;
4. рассчитан химический состав полученных сварных швов и определена их структура (аустенитно-ферритно-мартенситная структура), сделан вывод об отсутствии необходимости в изменении структуры шва (трехфазная структура швов обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики вследствие более мелкого зерна);
5. на основании рассчитанных параметров режима сварки подобрано необходимое для сварки оборудование и разработана карта технологического процесса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1 Куликов В.П. Технология  и оборудование сварки плавнением.-Могилев:  ММИ, 1998.-256с.

2 Акулов А.И., Бельчук  ГЛ., Демянцевич В.П. Технология  и оборудование сварки плавлением.-М.: Машиностроение, 1977.-432с.

3 Сварка в машиностроении. Справочник. Т.1-4.-М: Машиностроение, 1978-1979.

4 Сварка и свариваемые  материалы/Под ред. В.Н.Волченко.-М.Металлургия, 1991.-527с.

5 Куликов В.П. Технология  сварки плавлением.-Мн: «Дизайн ПРО»,-2000.-257С.

6 Оборудование для  дуговой сварки/Под ред. В.В.Смирнова.-Л.Энергоатомиздат, 1986.-655с.

7 Прох Л.Ц. Справочник  по сварочному оборудованию.-Киев: Техника, 1983.-207с.

8 Журавлев В.Н., Николаева  О.И. Машиностроительные стали.  Справочник. М.Машиностроение, 1981.-391с.