Плазменная сварка

66

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка состоит из

110 страниц, 5 рисунков, 26 таблиц, графических документов в дипломном проекте - 8 листов А1.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ, ПЛАЗМЕННАЯ СВАРКА, ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, СИСТЕМЫ МЕХАНИЗАЦИИ И АВТОМАТИЗАЦИИ,      СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ,      СЕКТОРНЫЙ ОТВОД

В дипломном проекте разработан технологический процесс плазменной сварки секторного отвода на угол в 90 градусов, проведен анализ технического задания, расчет технологического времени, выбор основного и дополнительного оборудования. Произведен расчет производительности, разработан алгоритм функционирования технологического комплекса, составлена маршрутная карта, разработан план участка.

В экономической части проведено обоснование эффективности проектируемого технологического процесса. Произведен расчет себестоимости продукции и годовой экономический эффект.

Рассмотрены вопросы охраны окружающей среды и техники безопасности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………… 4

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ И ЕГО АНАЛИЗ………………………8

1. 1 Методы сварки………………………………………………………… 8

1.1.1 Аргонодуговая сварка ………………………………………………..8

1.1.2 Электродуговая сварка под  флюсом…………………………………9

1.1.3 Плазменная сварка ……………………………………………………9

1.1.4 Классификация плазменных установок…………………………….11

1.1.5 Устройство и функционирование  плазменных установок………..14

1.2 Назначение и условия эксплуатации детали…………………………16

1.3 Механические и физические  свойства стали 09Г2С…………………17

1.4 Расчёт массы детали……………………………………………………19

1.5 Анализ технического задания…………………………………………19

2 РАСЧЕТ РЕЖИМОВ СВАРКИ, ВЫБОР ОСНОВНОГО И

         ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОРУДОВАНИЯ…………..…………...………..21

2.1 Расчет  режимов процесса сварки……………………………………...21

2.2 Выбор основного оборудования………………………………………22

2.3 Выбор сварочного робота……………………………………………..25

2.4  Выбор вспомогательного оборудования…………………………….28

2.4.1 Выбор электродугового полуавтомата……………………………..28

2.4.2 Выбор гидравлической листогибочной машины………………….29

2.4.3 Устройства перемещения……………………………………………31

3 ДЕФЕКТЫ В СВАРНЫХ ШВАХ И МЕТОДЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ………………………………………..32

 3.1 Классификация дефектов……………………………………………..32

3.2 Наружные дефекты…………………………………………………..33

3.3 Внутренние дефекты………………………………………………….35

3.4 Методы контроля………………………………………………………39

3.5 Контроль сварных швов…………………………………………..…43

4 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ  ПЛАЗМЕННОЙ СВАРКИ СЕКТОРНОГООТВОДА……………………………………………………...46

4.1 Разработка технологии сборочных  и сварочных работ……...………46

4.2 Расчет штучного времени……………………….……………………..47

4.3 Разработка технологической документации………………………….49

4.4 Разработка алгоритмов…………………………………   ……………53

4.5 Проектирование участка цеха…………………………………………54

5 ОБОСНОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТИРУЕМОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СВАРОЧНЫХ РАБОТ СЕКТОРНОГО ОТВОДА ………………………...56

6 ОХАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ….......................71

7 ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ………………………………..85

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………..90

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………...………..91

ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………...……….…..94

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

           Плазма - ионизированный газ, содержащий электрически заряженные частицы и способный проводить ток. Ионизация газа происходит при его нагреве. Степень ионизации тем выше, чем выше температура газа. В центральной части сварочной дуги газ нагрет до температур 5000-30000° С, имеет высокую электропроводность, ярко светится и представляет собой типичную плазму. Плазменную струю, используемую для сварки и резки, получают в специальных плазматронах, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах. 
           Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазматрона и охлаждая его поверхностные слои, повышает температуру столба. В результате струя проходящего газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы. Увеличение при нагреве объема газа в 50-100 и более раз приводит к истечению плазмы со сверхзвуковыми скоростями. Плазменная струя легко расплавляет любой металл. 
           Дуговую плазменную струю для сварки и резки получают по двум основным схемам. При плазменной струе прямого действия изделие включено в сварочную цепь дуги, активные пятна которой располагаются на вольфрамовом электроде и изделии. При плазменной струе косвенного действия активные пятна дуги находятся на вольфрамовом электроде и внутренней или боковой поверхности сопла. Плазмообразующий газ может служить также и защитой расплавленного металла от воздуха. В некоторых случаях для защиты расплавленного металла используют подачу отдельной струи специального, более дешевого защитного газа. Газ, перемещающийся вдоль стенок сопла, менее ионизирован и имеет пониженную температуру. Благодаря этому предупреждается расплавление сопла. Однако большинство плазменных горелок имеет дополнительное водяное охлаждение. 
Дуговая плазменная струя - интенсивный источник теплоты с широким диапазоном технологических свойств. Ее можно использовать для нагрева, сварки или резки как электропроводных металлов, так и неэлектропроводных материалов, таких как стекло, керамика и др. (плазменная струя косвенного действия). Тепловая эффективность дуговой плазменной струи зависит от величины сварочного тока и напряжения, состава, расхода и скорости истечения плазмообразующего газа, расстояния от сопла до поверхности изделия, скорости перемещения горелки (скорости сварки или резки) и т. д. Геометрическая форма струи может быть также различной (квадрат, ной, круглой и т. д.) и определяться формой выходного отверстий сопла.

        Техника сварки. Питание дуги, как правило, осуществляется переменным или постоянным током прямой полярности (минуя на электроде). Возбуждают дугу с помощью осциллятора. Для облегчения возбуждения дуги прямого действия используют дежурную дугу, горящую между электродом и соплом горелки.. Для питания плазмообразующей дуги требуются источники сварочного тока с рабочим напряжением до 120 В, а в некоторый случаях и более высоким; для питания плазматрона, используемого для резки, оптимально напряжение холостого хода источника питания до 300 В. Плазменной струей можно сваривать практически все металлы в нижнем и вертикальном положениях, В качестве плазмообразующего газа используют аргон или гелий, которые также могут быть и защитными. К преимуществам плазменной сварки относятся высокая производительность, малая чувствительность к ко-лебаниям длины дуги, устранение включений вольфрама в металле шва. Без скоса кромок можно сваривать металл толщиной до 15 мм с образованием провара специфической формы. Это объясняется образованием сквозного отверстия в основном металле, через которое плазменная струя выходит на обратную сторону изделия. Расплавляемый в передней части сварочной ванны металл давлением плазмы перемещается вдоль стенок сварочной ванны в ее хвостовую часть, где кристаллизуется, образуя шов. По существу процесс представляет собой прорезание изделия с заваркой места резки. 
           Плазменной струей можно сваривать стыковые и угловые швы. Стыковые соединения на металле толщиной до 2 мм можно сваривать с отбортовкой кромок, при толщине свыше 10 мм рекомендуется делать скос кромок. В случае необходимости используют дополнительный металл. Для сварки металла толщиной до 1 мм успешно используют микроплазменную сварку струей косвенного действия, в которой сила сварочного тока равна 0,1-10 А. Резка плазменной струей основана на расплавлении металла в месте реза и его выдувании потоком плазмы. Плазменную струю используют для резки металла толщиной от долей до десятков миллиметров. Для резки металла малой толщины используют плазменную струю косвенного действия. При повышенной толщине металла лучшие результаты достигаются при плазменной струе прямого действия. При резке даже углеродистых сталей во многих случаях она более экономична, чем газокислородная, ввиду высокой скорости и лучшего качества реза. 
           В зависимости от металла в качестве плазмообразующих газов можно использовать азот, водород, аргоно-водородные, аргоно-азотные, азото-водородные смеси. Использование для резки смесей газов, содержащих двухатомные газы, энергетически более эффективно. Диссоциируя, двухатомный газ поглощает много теплоты, которая выделяется на холодной поверхности реза при объединении свободных атомов в молекулу. В последнее время, когда появилась возможность использовать водоохлаждаемые циркониевые и гафниевые электроды, в качестве режущего газа стали использовать и воздух. Сварку и резку можно выполнять вручную и автоматически.

Опыт  промышленного  применения  процессов  сварки  с использованием концентрированных источников энергии  свидетельствует о том, что в ряде случаев они имеют неоспоримые преимущества перед традиционными технологиями получения   неразъемных   соединений:   более   высокие   качество   и производительность процессов. Минимальные деформации и высокие физико-механические характеристики сварных соединений, полученных плазменной сваркой, как правило, позволяют исключить последующую механическую и термообработку.

Основными предпосылками использования концентрированных потоков энергии для обработки материалов являются:

1) высокая плотность мощности  и возможность плавной ее регулировки в широких пределах;

2) простота управления лучом;

3) высокая производительность;

4) возможность осуществления процессов, недоступных большинству других  технологий, за счет высоких температур, скоростей нагрева и охлаждения;

5) возможность полной автоматизации;

6) экологическая чистота [1].

Возможность плазменной обработки деталей в воздухе и в воде, что существенно расширяет спектр технологических возможностей применения плазменной обработки. Плазменная сварка титановых, медных и алюминиевых сплавов широко распространена и не встречает трудностей.

Также необходимо отметить, что использование плазменных установок в современной промышленности обусловлено низкой стоимостью плазменных установок, их автоматизацией, механизацией, простотой в эксплуатации, исключающей привлечение дополнительных специализированных кадров.

Высокий КПД использования энергии плазменной дуги – 75-90%, следовательно, низкая себестоимость процесса плазменной обработки. В среде современных рыночных отношений, когда идет активный переход от энергоемких, дорогих технологий к простым энергосберегающим, это особенно актуально.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ И ЕГО АНАЛИЗ

 

1. 1 Методы сварки

1.1.1 Аргонодуговая сварка

Применяют два вида аргонно-дуговой сварки: 1) неплавящимся вольфрамовым электродом; 2) плавящимся электродом из того же металла, что и свариваемый.

    Автоматическая и полуавтоматическая  сварки плавящимся электродом  наиболее производительны. При сварке  применяют проволоку диаметром  до 3 мм. примерно такого же состава, что и основной металл.

Подготовка кромок и техника выполнения отдельных типов соединений примерно такие же, как и при сварке в углекислом газе.

Для защиты обратной стороны шва от действия воздуха используют медные и стальные подкладки. При этом во время сварки струю аргона подводят также под нижнюю поверхность кромок свариваемых листов, для чего в подкладке делают канавку, расположенную вдоль линии шва.

Аргонно-дуговую сварку применяют при изготовлении конструкций из нержавеющих и жаропрочных сталей, цветных металлов( алюминия, меди, магния, титана, циркония, тантала,. ниобия) и их сплавов.

Этим способом можно также сваривать разнородные металлы. Применять его для сварки углеродистых и низколегированных сталей экономически нецелесообразно[6].

 

 

1.1.2 Электродуговая сварка под флюсом

Автоматическую и полуавтоматическую сварку низколегированных сталей выполняют проволоками Св-08А, Св-08ГА, Св-10Г2 под обычными флюсами АН-348А, ОСЦ-45. Для сварки на повышенных скоростях применяют флюс АН-60. Эти стали свариваются хорошо, поэтому термической обработки сварных соединений после сварки не требуется.

Швы сварных соединений по характеру выполнения могут быть односторонние и двусторонние, однопроходные или многослойные.

Чтобы улучшить формирование нижней части шва и обеспечить полный провар, при сварке односторонних стыковых швов применяют различные технологические приемы сварки: на флюсовой подушке, на гладкой медной подкладке, на флюсовомедной  подкладки.

Сварка на гладкой подкладке применяют только при точной сборке, без смещения стыкуемых кромок[6].

 

 

1.1.3 Плазменная сварка

Плазменная сварка является дальнейшим продолжением и усовершенствованием аргонодуговой сварки вольфрамовым неплавящимся электродом. Согласно ГОСТу 2601-84, плазменная сварка – сварка плавлением, при которой нагрев проводится сжатой дугой. Сжатая дуга – дуга, столб которой сжат с помощью сопла плазменной горелки, потока газа или внешнего электромагнитного поля. Плазменную сварку осуществляют сжатой дугой прямого и косвенного действия (рис.1.1). Сжатую дугу прямого действия получают при включении изделия в сварочную цепь, активные пятна дугового разряда (катодное и анодное) располагаются на вольфрамовом или на неплавящемся электроде из другого материала и изделии. При получении сжатой дуги косвенного действия изделие в сварочную цепь не включается, активные пятна дугового разряда находятся на электроде и на поверхности сопла. При нагреве изделия дугой косвенного действия передача теплоты осуществляется теплопроводностью, конвекцией и излучением плазмы. При нагреве сжатой дугой прямого действия к перечисленным механизмам теплопередачи добавляется передача энергии заряженными частицами, двигающимися в электрическом поле. 

                 

 

 

 

 

 

Схема плазматрона прямого действия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – изолятор; 2 – электрод; 3 –  сопло; 4 – обрабатываемая деталь;

5 – плазменная дуга

 

Рис. 1.1

 

 

По сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамовым неплавящимся электродом преимущества плазменной сварки следующие:

- меньшее влияние возможного  изменения расстояния от торца сопла до                    изделия на геометрические размеры зоны проплавления;

- меньшее влияние изменение  тока на форму дуги, а следовательно, и на стабильность проплавления  металла;

- высокая надежность зажигания  дуги благодаря дежурной дуге;

- отсутствие включений вольфрама  в сварном соединении;

- повышенная скорость сварки;

- меньшее тепловложение и, следовательно, коробление изделий.

Если принять одинаковую скорость сварки, то при плазменной сварке необходим ток в два раза меньший по сравнению с аргонодуговой, сварные швы более узкие и с уменьшенной зоной термического влияния, большая глубина проплавления благодаря более высокой концентрации теплового потока на изделии. При плазменной сварке более продолжительный срок службы электрода, так как он защищен медным соплом и контакт с деталью или присадочной проволокой исключен[1].

 

 

1.1.4 Классификация плазменных установок

Плазменные установки (ПУ) являются самостоятельным классом технологических установок, широко применяемых в технологических процессах обработки в различных областях промышленности. Плазменные установки, учитывая специфику их действия, имеют ряд преимуществ перед лазерными и электронно-лучевыми технологическими установками. К ним можно отнести высокие транспортабельность; коэффициент полезного действия преобразования электрической энергии в тепловую и использования тепловой энергии для обработки (85-90%); температуры (десятки и сотни тысяч градусов); уникальные технологические возможности (например, для резки и сварки под водой, обработка любого вида материалов, высокая производительность обработки); простоту конструкции и низкую себестоимость, соответственно быстрая окупаемость. В то же время они имеют недостатки: невозможность фокусировки плазменного пучка до микронных размеров, ограниченность минимальной толщины свариваемых деталей, необходимость использования плазмообразующих и защитных газов, более низкая точность обработки.

Плазменные установки по технологическому применению разделяются на следующие классы:

• установки для сварки;
• установки для наплавки;
• установки для термической обработки (закалка, отпуск);
• установки для напыления;
• установки для резки.

Все существующие конструкции дуговых плазмотронов можно классифицировать следующим образом:

а) По способу взаимодействия дугового разряда с изделием:

• прямого;
• косвенного действия.

б) По числу дуг:

• однодуговые;
• многодуговые.

в) По составу плазмообразующего газа:

• плазмотроны, работающие на инертных газах;
• нейтральных газах;
• кислородсодержащих газах.

г) По способу подачи плазмообразующего газа:

• с тангенциальной подачей;
• с аксиальной подачей.

д) По роду сварочного тока:

• плазмотроны переменного тока прямой и обратной полярности;
• плазматроны постоянного тока прямой и обратной полярности.

е) По способу применения:

• ручные;
• механизированные.

ж) По разновидности применения:

• для микроплазменной сварки (при токе 0,1-15 А);
• плазменной сварки (15-100 А);
• плазменной сварки с глубоким и сквозным проплавлением(больше 100 А).

з) По форме канала сопла:

• цилиндрическое;
• параболическое;
• щелевое и др.

и) По способу дополнительного сжатия (фокусировки) дуги:

• плазмотроны с системой дополнительных каналов, выходящих на торец сопловой части, внутрь канала сопла (многоканальные);
• плазмотроны с системой отверстий, выходящих и внутрь, и на срез сопловой части.

к) По способу сжатия дугового разряда:

• стенками канала сопла;
• газовым потоком.

л) По способу охлаждения катода и сопла плазмотрона:

• прямое охлаждение;
• косвенное охлаждение (водяное и воздушное).

В настоящее время имеется множество конструкций плазмотронов. Наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока, как более простые по своим конструктивным схемам, обладающие высокой эффективностью преобразования электрической энергии в тепловую и имеющие простую схему электропитания. Широкое применение плазмотронов переменного тока сдерживается из-за значительной эрозии электродов и из-за невысокой стабильности горения дуги.

Несмотря на разнообразие конструкций, плазмотронам присущи следующие основные элементы: корпус, сопло, электрод, узел крепления электрода, изолятор, разделяющий находящиеся под разными электрическими потенциалами электрод и сопло, водяные и газовые коммуникации (см. рис.1.1).

Наиболее  термически нагруженными элементами являются электроды и сопла. Они отличаются по конструкции, роду используемого материла, типу охлаждения.

Тип и конструкция электрода определяются составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих в среде инертных и нейтральных газов применяются катоды из вольфрама, а в кислородсодержащих средах - гафний и цирконий.

 Охлаждение катодов бывает прямым и косвенным. Прямое охлаждение осуществляется путем циркуляции воды по поверхности или внутри электрода. Оно используется при работе на очень больших токах.

При охлаждении сопл, электродов, корпусов плазмотронов необходимо применять достаточно чистую воду, исключая образование накипи и ржавчины[1].

 

 

1.1.5 Устройство и функционирование плазменных установок

Плазменные установки состоят из следующих основных узлов: плазмотрона, блока питания и управления, баллона и системы напуска плазмообразующего газа, баллона и системы напуска защитного газа, устройства крепления плазмотрона и перемещения детали. Основным элементом ПУ является плазмотрон. Плазмотроны существуют двух типов: прямого и косвенного действия. Технологические возможности плазмотронов прямого и косвенного действия различны, поэтому для различных технологических операций могут применяться плазмотроны разного вида.

Принцип функционирования ПУ прямого действия. Плазмообразующий газ из баллона через систему напуска подается в плазмотрон. Давление газа всегда выше атмосферного. Тип газа определяется видом технологической операции и материалом детали. Могут применяться активные (воздух, кислород, пары воды), нейтральные и инертные (азот, аргон, гелий с добавками - водород, углеводороды) газы.

После подачи газа в плазмотрон между электродом и деталью (деталь служит вторым электродом) зажигается дуговой разряд. Напряжение для зажигания и поддержания горения дугового разряда подается с блока питания и управления. Плазменная дуга замыкается на деталь через сопло плазмотрона. В плазмотронах прямого действия (дуга горит между электродом и деталью) обработка детали производится непосредственно плазменной дугой. Температура плазменной дуги технологических плазмотронов достигает нескольких десятков тысяч градусов (заметим, что температура плазмы может достигать миллиона градусов). Поэтому плазмотронами прямого действия проводят в основном технологические операции резки, сварки толстых материалов, реже наплавки, напыления и легирования.

Электрод плазмотрона делается из тугоплавких материалов. При использовании активных газов электрод делается из гафния или циркония, при использовании нейтральных газов в качестве материала электрода применяют вольфрам. Процесс плазменной обработки может быть ручным или механизированным. При ручной обработке ПУ не имеет устройства перемещения, плазмотрон относительно обрабатываемой детали перемещается вручную. В механизированных ПУ плазмотрон закреплен в специальной оправе, а деталь перемещается устройством перемещения.

В качестве устройства перемещения используются токарные или фрезерные станки, специализированные координатные столы. При использовании портальных устройств перемещения плазмотрон крепится на портале и перемещается вместе с ним относительно неподвижной заготовки, например листа металла при резке или раскрое. Современные портальные устройства, управляемые системой ЧПУ, обеспечивают перемещение плазмотрона по горизонтали, вертикали, угол его поворота относительно плоскости обрабатываемой поверхности.

В настоящее время большинство плазмотронов прямого действия снабжены дополнительным блоком питания для зажигания дежурной (плотной) дуги. Данная дуга мощностью намного меньшей, чем основная дуга, зажигается между электродом и соплом, как в плазмотронах косвенного действия.

Наличие дежурной дуги облегчает условия зажигания рабочей дуги путем соприкосновения соплом с обрабатываемой деталью или просто его приближения к обрабатываемой поверхности. Пилотная дуга выдувается плазмообразующим газом из сопла и при приближении плазмотрона к детали она переходит на деталь.

Блоки питания современных плазменных установок снабжены системами контроля, автоматического поддержания тока дуги, системами защиты. Плазменные установки снабжены устройствами измерения скорости плазмообразующего газа и средствами его контроля[1].

 

 

1.2 Назначение и условия эксплуатации детали

Целью проекта является разработка технологического процесса плазменной сварки секторного отвода для трубопроводов тепловых электростанций (рис.1.2), для получения более качественных сварных швов, уменьшения технологического времени на изготовление, следовательно уменьшение себестоимости конечного изделия.

Внешний вид секторного отвода

 

Рис. 1.2

 

 

Основные параметры. Отвод состоит из пяти  элементов три из которых средние звенья и два торцевых. (Основные параметры и размеры приведены на листе графического исполнения СамГТУ 150206.082.008.04).

Изготавливается из углеродистой и низколегированной стали.

Требования к изготовлению. Выбор материалов, изготовление и испытание аппаратов должны производиться в соответствии с требованиями ОСТ 26-291, ПБ03-576, ПБ03-584 настоящих технических условий и технической документации.

         Сварные  швы должны быть стыковыми  и выполнены автоматической сваркой  по ГОСТ 8713. Ручная сварка по ГОСТ 5264 допускается только в том случае, когда по условиям производства нельзя применить автоматическую.

 

 

          1.3 Механические и физические свойства стали 09Г2С

        Отвод  изготавливается  из углеродистой и низколегированной стали 09Г2С. Требования к материалу – рабочая температура стенки корпуса до 425ºС.

Свойства сплава, его характерные особенности и области применения.

Сталь 09Г2С-сталь конструкционная низколегированная,

Заменитель- стали: 09Г2, 09Г2ДТ, 09Г2Т, 10Г2С.

Вид поставки -сортовой прокат ,в том числе фасонный.

Назначение – различные детали и элементы сварных конструкций, работающих при T= -70ºС ¸425ºС под давлением (табл.1.2).

                                                             

 

                 

                 Температура критических точек,  ºС[2]                         Таблица 1.1

Ac1	Ac3(Acm )	Ar3(Arcm)	Ar1	Mn
750	825	755	665	390

                                      

              Химический состав, % (ГОСТ 19282-73) [2]            Таблица 1.2

C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	P	S	As	N
не более			не более
0,12	0,5-0,8	1,3-1,7	0,3	0,3	0,3	0,035	0,04	0,08		0,008