Размещено на http://www.allbest.ru/

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

Кафедра оборудования и технологии сварочного производства

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Технологические основы сварки плавлением и давлением»

Уфа 2009г

Введение

Сварка широко применяется в основных отраслях производства, так как резко сокращает сроки выполнения работ и трудоемкость производственных процессов.

Выпуск сварных конструкций и уровень механизации сварочных работ растет из года в год. Получаемая за счет применения сварки ежегодная экономия в народном хозяйстве исчисляется многими сотнями миллионов рублей.

Применение сварки способствует совершенствованию машиностроения и развитию новых отраслей техники -- ракетостроения, атомной энергетики, радиоэлектроники. Сварка позволяет уменьшить затраты на единицу продукции, сократить длительность производственного цикла, улучшить качество изделий.

Целью данной курсовой работы является анализ технических возможностей способов сварки плавления, изделия кольцо опорное из сплава ВТ20, толщиной металла 4 мм. Выбора комплекта оборудования, рекомендуемых режимов сварки, и провести экономическое сравнение вариантов технологии сварки, и определить наиболее экономичный вариант.

1. Описание изделия

Данной сварной конструкцией является - кольцо опорное . Шов - круговой. Материал изделия - сплав ВТ20.

Шов №1

Толщина стенки 4мм

Тип производства - мелкосерийное

1.1 Описание сплава

Титан - распространенный в природе металл, в земной коре его больше, чем меди, свинца и цинка. При плотности 4,51 г/см³ титан имеет прочность 267...337 МПа, а его сплавы-до 1 250 МПа. Это тускло-серый металл с температурой плавления 1668 ⁰С, коррозионно стоек при нормальной температуре даже в сильных агрессивных средах, но очень активен при нагреве выше 400 ⁰С. В кислороде способен к самовозгоранию. Бурно реагирует с азотом. Окисляется водяным паром, углекислым газом, поглощает водород. Теплопроводность титана более чем в два раза ниже, чем у углеродистой стали. Поэтому при сварке титана, несмотря на его высокую температуру плавления, требуется меньше тепла.

Титан может находиться в виде двух основных стабильных фаз, отличающихся строением кристаллической решетки. При нормальной температуре он существует в виде ?-фазы с мелкозернистой структурой, не чувствительной к скорости охлаждения. При температуре выше 882 ⁰С образуется ?-фаза с крупным зерном и высокой чувствительностью к скорости охлаждения. Легирующие элементы и примеси могут стабилизировать ?-фазу (алюминий, кислород, азот) или ?-фазу (хром, марганец, ванадий). Поэтому сплавы титана условно разделяют на три группы: ?, ? + ? и ? сплавы. Первые (ВТ1, ВТ5-1) термически не упрочняются, пластичны, обладают хорошей свариваемостью. Вторые (ОТ4, ВТЗ, ВТ4, ВТ6, ВТ8) при малых добавках ?-стабилизаторов также свариваются хорошо. Они термически обрабатываются. Сплавы с ?-структурой, например ВТ15, ВТ22, упрочняются термообработкой. Они свариваются хуже, склонны к росту зерен и к холодным трещинам.

При комнатной температуре поверхность титана растворяет кислород, образуется его твердый раствор в ?-титане. Возникает слой насыщенного раствора, который предохраняет титан от дальнейшего окисления. Этот слой называют алъфированным. При нагреве титан вступает в химическое соединение с кислородом, образуя ряд окислов от Ti₆O до TiO₂. По мере окисления изменяется окраска оксидной пленки от золотисто-желтой до темно-фиолетовой, переходящей в белую. По этим цветам в околошовной зоне можно судить о качестве защиты металла при сварке.

С азотом титан, взаимодействуя активно при температуре более 500 ⁰С, образует нитриды, повышающие прочность, но резко снижающие пластичность металла.

Растворимость водорода в жидком титане больше, чем в стали, но с понижением температуры она резко падает, водород выделяется из раствора.

При затвердевании металла это может вызвать пористость и замедленное разрушение сварных швов после сварки.

Все титановые сплавы не склонны к образованию горячих трещин, но склонны к сильному укрупнению зерна в металле шва и околошовной зоны, что ухудшает свойства металла.

1.2 Химический состав, механические, физические и технологические свойства сплава ВТ20 и его свариваемость представлены в таблицах

Таблица 1.2.1. Химический состав в % материала ВТ20

Fe

C

Si

Mo

V

N

Ti

Al

Zr

O

H

Примесей

до 0.3

до 0.1

до 0.15

0.5 - 2

0.8 - 2.5

до 0.05

84.938 - 91.7

5.5 - 7

1.5 - 2.5

до 0.15

до 0.012

прочих 0.3

Примечание: Ti - основа; процентное содержание Ti дано приблизительно

Таблица 1.2.2 Механические свойства при Т=20^oС материала ВТ20

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2
Пруток			950-1150	840	10	25	450
Твердость материала ВТ20 ,	HB 10 -1 = 255 - 341 МПа

Таблица 1.2.3 Физические свойства материала ВТ20

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	1.12		8	4450		1110
100		8.3	8.8
200		8.3	10.2		0.587
300		9	10.9		0.628
400		9.2	12.2		0.67
500		9.3	13.8		0.712
600		9.5	15.1
T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9

Технологические свойства материала ВТ20.

Свариваемость: без ограничений. Свариваемость без ограничений - сварка производится без подогрева и без последующей термообработки

Обозначения:

Механические свойства :
sв	- Предел кратковременной прочности , [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5	- Относительное удлинение при разрыве , [ % ]
y	- Относительное сужение , [ % ]
KCU	- Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB	- Твердость по Бринеллю , [МПа]

Физические свойства

T - Температура, при которой получены данные свойства , [Град]

E- Модуль упругости первого рода , [МПа]

a - Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20^o - T ) , [1/Град]

l - Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]

r - Плотность материала , [кг/м³]

C - Удельная теплоемкость материала (диапазон 20^o - T ), [Дж/(кг·град)]

R - Удельное электросопротивление, [Ом·м]

По ГОСТ 19807-91 для сплава ВТ 20 характерными чертами являются:

Плотность - 4450 кг/м

Назначение - детали жаростойкие

Модуль упругости - Е = 112000 МПа

Модуль сдвига - G = 39200 МПа

Свариваемость - хорошая.

2. Виды сварки титановых сплавов и их характеристика

Для сплава ВТ20 применяют следующие способы сварки плавлением:

1. Дуговой сваркой в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродом

2. Дуговой сваркой под флюсом

3. Электрошлаковая сварка

4. Сварка в контролируемой атмосфере неплавящемся электродом

5. Плазменная сварка

6. Сварка лазером

Так как производство мелкосерийное, то отдаем предпочтение ручной и полуавтоматической сварке.

2.1 Дуговая сварка в инертных газах неплавящимся и плавящемся электродом

Дуговую сварку ведут в среде аргона и в его смесях с гелием. Сварку с местной защитой производят, подавая газ через сопло горелки, иногда с насадками, увеличивающими зону защиты. С обратной стороны стыка деталей устанавливают медные подкладные планки с канавкой, по длине которой равномерно подают аргон. При сложной конструкции деталей, когда осуществить местную защиту трудно, сварку ведут с общей защитой в камерах с контролируемой атмосферой. Это могут быть камеры-насадки для защиты части свариваемого узла, жесткие камеры из металла (см. рис. 1) или мягкие из ткани со смотровыми окнами и встроенными рукавицами для рук сварщика. В камеры помещают детали, сварочную оснастку и горелку. Для крупных ответственных узлов применяют обитаемые камеры объемом до 350 м ³, в которых устанавливают сварочные автоматы и манипуляторы. Камеры вакуумируются, затем заполняются аргоном, через шлюзы в них входят сварщики в скафандрах.

Аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом детали толщиной 0,5... 1,5 мм сваривают встык без зазора и без присадки, а толщиной более 1,5 мм - с присадочной проволокой. Кромки свариваемых деталей и проволока должны зачищаться так, чтобы был снят насыщенный кислородом альфированный слой. Проволока должна пройти вакуумный отжиг при температуре 900... 1000 ⁰С в течение 4 ч. Сварку ведут на постоянном токе прямой полярности. Детали толщиной более 10... 15 мм можно сваривать за один проход погруженной дугой (рис. 103). После образования сварочной ванны увеличивают расход аргона до 40...50 л/мин, что приводит к обжатию дуги. Затем электрод опускают в сварочную ванну. Давление дуги оттесняет жидкий металл, дуга горит внутри образовавшегося углубления, ее проплавляющая способность увеличивается.

Вывод

Сварка данным способом удовлетворяет необходимым требованиям по заданному изделию, то есть можно качественно выполнить сварное соединение.

2.2 Дуговая сварка под флюсом

Титановые сплавы можно сваривать дуговой сваркой под бескислородными фтористыми флюсами сухой грануляции АНТ1, АНТЗ для толщины 2,5...8,0 мм и АНТ7 для более толстого металла. Сварку ведут электродной проволокой диаметром 2,0...5,0 мм с вылетом электрода 14...22 мм на медной или на флюсомедной подкладке, либо на флюсовой подушке.

Структура металла в результате модифицирующего действия флюса получается более мелкозернистой, чем при сварке в инертных газах.

Вывод

Несмотря на то что качество сварного шва такого же , чем при аргонодуговой сварке, сварка под флюсом нас не устраивает, из - за необходимости применения сварочного автомата, а также из - за небольшого размера изделия (O 47 мм)

2.3 Электрошлаковая сварка

При электрошлаковой сварке используют пластинчатые электроды из того же титанового сплава, что и свариваемая деталь, толщиной 8...12 мм и шириной, равной толщине свариваемого металла. Используют тугоплавкие фторидные флюсы АНТ2, АНТ4, АНТ6. Чтобы через флюс не проникал кислород, шлаковую ванну дополнительно защищают аргоном. Металл зоны термического влияния защищают, увеличивая ширину формирующих водоохлаждаемых ползунов и продувая в зазор между ними и деталью аргон. Сварные соединения после электрошлаковой сварки имеют крупнокристаллическую структуру, но свойства их близки к основному металлу.

Перед электрошлаковой сваркой, так же как и перед дуговой, флюсы должны быть прокалены при температуре 200...300 ⁰С.

Вывод

Данный способ сварки не применим из - за небольшого размера изделия, толщина которого 4мм, а данным способом возможна сварка от толщины 8 мм.

2.4 Сварка в контролируемой атмосфере.

Как правило, проводится в аргоне, вольфрамовым или плавящимся электродом.

ПРЕИМУЩЕСТВА:

-гарантированное качество защиты

НЕДОСТАТКИ:

-сравнительно низкая производительность из-за больших затрат времени на подготовку сварки;

-доргое оборудование, не выпускаемое серийно.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:

-Особо ответственные конструкции, изделия. С точки зрения технологии сварки, аналогична аргоно-дуговой сварке.

ОБОРУДОВАНИЕ:

Обитаемые и необитаемые камеры. Необитаемые камеры - для небольших по габаритам деталей. Рабочий цикл сварки партии изделий в необитаемой камере обычно занимает не менее 1ч, из которых 30мин. вакуумирование. Соответсвенно, общая производительность процесса достаточно низкая. Вариант без вакуумирования, с прокачкой аргоном, применяется редко, на камерах малого размера, т. к. затрат здесь больше. В обитаемых камерах для повышения производительности используется шлюзование изделий и сварщиков. Сама камера постоянно регенерируется, т. е. удаляется дым, выделившиеся газы при сварке; если нужно частично обновляется атмосфера. Время работы сварщиков, в связи со сложными условиями, ограниченно 4 часами.

Вывод

Сварка в контролируемой атмосфере для предложенного в задании изделия подходит, можно варить в необитаемой камере небольших размеров, для мелких изделий.

2.5 Плазменная сварка

Она является перспективным способом сварки для соединения алюминиевых сплавов благодаря высокой скорости, стабильности процесса и значительному сокращению зоны термического влияния. Однако плазменная сварка требует точной сборки деталей и ведения горелки строго по свариваемому стыку. В основном сварку ведут на переменном токе. Для сварки на постоянном токе обратной полярности требуются специальные горелки с усиленным принудительным охлаждением вольфрамового электрода.

-наиболее широко применяется при сварке малых толщин, т. е как микроплазменная сварка (авиационно-космический комплекс и точное приборостроение);

-сварка однопроходная цветных металлов средних толщин (до 20 мм) в агрегатостроении;

Плазменная сварка пока еще считается процессом, имеющим перспективы увеличения промышленного применения, прежде всего из-за высокой производительности в сравнении со сваркой неплавящимся- и плавящимся электродами в среде защитных газов.

Сваривает толщины от 0,1 мм.

Преимущества:

- по сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом, повышает производительность на 50-70%, снижает расход аргона в 4-6 раз, улучшает качество сварных соединений.

-значительно более широкие технологические возможности регулирования источника нагрева и силового давления на сварочную ванну (за счет геометрии электродного и соплового узлов плазмотрона)

- высокое качество сварного шва.

Недостатки:

-с технологической точки зрения основным недостатком является большое количество параметров, влияющих на режим работы. Соответственно, проблемы стабильности и оптимизации режимов, в основном, по этой причине плазменная сварка не получила широкого применения;

-значительно сложное и дорогое оборудование, низкий ресурс электродных и сопловых элементов плазмотрона, отсюда, большие затраты на запчасти.

Вывод

Эффективна при сварке малых толщин, что удовлетворяет заданному изделию с толщиной 4мм.

2.6 Сварка лазером

Применение:

- в радиоэлектронике и электронной технике при сварке контактов проводников с пленками на микроплантах, твердых схемах и микроэлементах;

- при сварке разных композиций металлов, используемых в микроэлектронике: Au - Si, Ge - Au, Cu - Al V - Ti и др.;

- использование лазеров непрерывного действия на CO₂ дает возможность получать сварные соединения стали толщиной до 15 мм, а также разрезать и термообрабатывать изделия.

Сваривают сплавы алюминия толщинами от 0,1 до 20 мм.

Преимущества:

- плотность энергии на 10¹⁰ Вт/см²;

- диаметр фокусированного пятна можно получить до сотых долей;

- обработка производится при атмосферном давлении в отличии от электронно-лучевой сварки, соответственно выше производительность;

- возможна сварка внутри прозрачных объектов;

- так же как при электронно-лучевой сварке широкие возможности управления пучка, в принципе по любым траекториям. По необходимости с изменением фокусировки (т. е. 3 координатных перемещения источника нагрева).

Недостатки:

- очень высокая стоимость оборудования, выше чем у ЭЛС.

- сравнительно низкий КПД оборудования для твердых тел, лазеров, для газовых лазеров 10 -20 %.

Вывод

Сварка лазером для предложенного в задании изделия невыгодна так как используется дорогое оборудование.

Из перечисленных способов сварок выбираем 3 наиболее перспективные и подходящие для изготовления стыкового шва, толщиной металла 4 мм:

ь Ручная аргонодуговая сварка плавящемся электродом ;

ь Сварка в контролируемой атмосфере неплавящимся электродом ;

ь Плазменная сварка.

аргонодуговой сварка титановый сплав электрод

3. Выбор режимов обработки

3.1 Ручная аргонодуговая сварка плавящимся и неплавящемся электродом, Сварка в контролируемой атмосфере.

Основные параметры режима:

Ориентировочные режимы полуавтоматической сварки плавящимся электродом титановых сплавов (соединение встык):

Сварочный ток, А……………………………..150-250

Род тока………………………………………..Постоянный

Напряжение на дуге, В………………………..19-22

Скорость сварки, м/ч………………………….25-30

Диаметр электродной проволоки, мм………..1,5-2,0

Расход газа, л/мин……………………………..6-10

Газ………………………………………………Аргон сорт 1

Число проходов………………………………..1

3.2 Плазменная сварка

Основные параметры режима:

Ориентировочные режимы плазменной сварки алюминиевого сплава встык:

Толщина металла………………………….. 4 мм

Сварочный ток ……………………………..210-250А

Род тока……………………………………...Переменный

Напряжение на дуге……………………….. 24-26В

Скорость сварки…………………………….45-70 м/ч

Расход газа плазмообразующего…………...3-5л/мин

Расход защитного газа………………………5 л/мин

4. Выбор оборудования:

4.1 Ручная аргонодуговая сварка плавящимся и неплавящемся электродом. Сварка в контролируемой атмосфере

Phoenix 400 - универсальный инверторный аппарат для сварки плавящимся электродом в среде защитных газов (МИГ/МАГ) постоянным током металлоконструкций из углеродистых и легированных сталей, алюминия, меди, никеля и их сплавов, титановых сплавов.

Технические данные

Вид сварки	МИГ/МАГ
Сварочный ток, А	5-400
Напряжение дуги, В	14,3-36
Сварочный ток, А при ПВ% и Т=200С ПВ 33% ПВ 60% ПВ 100%	400 (45%) 360 (65%) 300
Напряжение питающей сети	3х400 (+20 -25%)
Напряжение холостого хода, В	92
Потребляемая мощность, кВА	21,5
Сетевые предохранители, А	3х35
Вес, кг	20,5-24
Габариты (ДхШхВ), мм	625х335х560
Рекомендуемая мощность генератора, кВт	29
Вес сварочного аппарата, кг	55
Устройство подачи сварочной проволоки	Phoenix Drive 4L
Скорость подачи сварочной проволоки, м/мин	0,5-24
Габариты устройства (ДхШхВ), мм	690х300х410
Охлаждение горелки	жидкостное
Степень защиты	IP23

Горелка: RB 61/RG (Цена 3000 руб.)

Номинальный сварочный ток. А	240
Охлаждение	воздушное
Длина кабеля, м	3
Масса, кг	2,6
Диаметр свар. проволок , мм	1,6-3,2

Привод подачи присадочной проволоки: Phoenix Drive 4L (Цена 150 000 руб.)

Технические данные

Напряжение питающей сети, В	42
Макс. Сварочный ток при 60% ПВ	500
Скорость подачи проволоки	от 0,5 м/мин до 24 м/мин
Стандартная установка роликов для подачи проволоки	4-роликовый (37 мм)
Привод	Центральный евро разъём или Dinse
Класс защиты	IP 23
Температура окружающей среды	-100С - +400С
Размеры, (ДхШхВ) мм	690х300х410
Масса	около 20,5

4.2 Плазменная сварка

Установка: УПНС-304 (Цена 200000 руб.)

Технические данные:

Напряжение питания, В	3Ф 380
Назначение: - сварка плазменная - сварка аргонодуговая - наплавка плазменная - напыление плазменное - упрочнение плазменное - закалка плазменная	+ + + - - +
Регулирование рабочего тока, А: - сварки - наплавки - напыления	Плавное 4...315 20...160 -
Толщина наносимого слоя за один проход, мм: - наплавка - напыление - упрочнение	1...4 - -
Материал электрода: - прямая полярность - обратная полярность	Вольфрам медь
Плазмообразующий и защитный газ:	аргон
Расход охлаждающей воды, л/час: - для плазмотрона - для насадок напыления и упрочнения - для горелки ТИГ	200 - 75
Габариты (ДхШхВ): - блока питания - блока управления
	мм	800х700х900
	мм	800х700х900
Масса установки, кг:	400

Вывод

В курсовой работе был выполнен экономический расчет трех способов сварки он показал, что суммарная себестоимость годовой программы на ручную сварку в аргоне неплавящимся электродом дешевле по сравнению с полуавтоматической аргонодуговой сваркой плавящимся электродом и плазменной сваркой. Потому что сравнительно недорогое оборудование и полный провар осуществляется за один проход.

Заключение о проведенной работе.

В ходе проведенной курсовой работы проанализировали соответствие технических возможностей способов сварки плавлением изделия из заданного материала и с заданной геометрией свариваемой поверхности;

выбрали технологические рекомендации по сварке плавлением и рекомендуемые диапазоны изменения всех необходимых параметров режима;

определили рациональные марки основного и вспомогательного оборудования, обеспечивающего требуемые параметры процесса; выполнили экономическое сравнение вариантов технологии сварки плавлением и выбрали наиболее экономичный вариант.

По приведенной суммарной себестоимости годовой программы выяснили затраты на ручную сварку в аргоне неплавящимся электродом, на полуавтоматическую аргонодуговую сварку плавящимся электродом и на плазменную сварку.

Список литературы

1. «Сварка и свариваемые материалы», В.Н. Волченко 1 том

2. «Сварка и свариваемые материалы», В.Н. Волченко 2 том

3. «Технологические основы сварки и пайки в авиастроении», В.А.Фролов; В.В. Пешков

4. «Технология и оборудование сварки плавлением», А.И. Акулов; Г.А. Бельчук

5. «Сварка и резка материалов», Ю.В. Казаков\

6. «Сварка и резка металлов», М.В. Ханапетов

7. «Справочник сварщика», Китаев

8. «Теория сварочных процессов», К.В, Багрянский

9. «Справочник по сварке», И.А. Акулов

10. «Справочник по сварке цветных металлов», С.М, Гуревич

11. «Плазменная сварка тонколистовых материалов», В.Г.Вербицкий.

Размещено на Allbest.ru