Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Описание изделия и условий его эксплуатации
• 2. Анализ конструкции изделия на технологичность
• 2.1 Общие сведения
• 2.2 Обоснование выбора материала штуцера 20-150 и его характеристики
• 2.3 Оценка свариваемости материала штуцера 20-150
• 2.4 Анализ характера конструкции изделия и выбор неразъемных соединений
• 2.5 Анализ точности изготовления конструкции, характера остаточных сварочных напряжений и деформации, способов их уменьшения
• 2.6 Вывод по разделу
• 3. Разработка технологического процесса изготовления штуцера 20-150
• 3.1 Выбор способов получения неразъемных соединений
• 3.1.1 Автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом с присадочной проволокой
• 3.1.2 Аргонодуговая сварка плавящимся электродом
• 3.2 Разработка вариантов маршрутного технологического процесса
• 3.3 Выбор и расчет режимов сварки
• 3.4 Выбор оборудования и вспомогательных материалов
• 3.4.1 Автоматическая дуговая сварка неплавящимся электродом с присадочной проволокой
• 3.4.2 Полуавтоматическая сварка плавящимся электродом
• 3.5 Выводы по разделу
• 4. Разработка технического предложения на проектирование технологического оснащения
• 4.1 Техническое задание на проектирование технологического оснащения
• 4.2 Назначение и область применения технологического оснащения
• 4.3 Описание и обоснование выбранной конструкции технологического оснащения
• 4.3.1 Описание аналогов и прототипа
• 4.4 Работоспособность, надежность и ремонтопригодность конструкции технологического оснащения
• 4.5 Ожидаемые технико-экономические показатели
• 4.6 Уровень стандартизации и унификации
• 4.7 Выводы по разделу
• 5. Разработка технологического оснащения
• 5.1 Описание технологического оснащения и принципа его работы
• 5.2 Расчет силы для прижатия изделий
• 5.3 Расчёт усилия на штоке и усилия разжатия деталей
• 5.4 Расчет штока пневмопривода поджатия
• 5.5 Расчет размеров пневмопривода
• 5.5 Расчет толщины стенки пневмоцилиндра
• 5.6 Определение времени срабатывания пневмоцилиндра
• 5.7 Определение частоты вращения планшайбы вращателя
• 5.8 Вывод по разделу
• 6. Экономическая эффективность конструкторско-технологических разработок
• 6.1 Затраты на годовую программу выпуска
• 6.2 Затраты на производство единицы изделия
• 6.2.1 Затраты на основные материалы
• 6.2.2 Затраты на вспомогательные материалы
• 6.2.3 Затраты на содержание и эксплуатацию оборудования и технологического оснащения
• 6.2.4 Затраты на технологическую оснастку
• 6.2.5 Затраты на электроэнергию
• 6.2.6 Затраты на заработную плату основных производственных рабочих
• 6.2.7 Определение капитальных вложений по сравниваемым вариантам
• 6.3 Определение экономической целесообразности внедрения проектных технических решений
• 6.4 Определение экономической целесообразности предлагаемого технологического процесса
• 6.5 Определение критического объема производства
• 7.3.2 Обеспечение необходимого воздухообмена

Введение

Механизация и автоматизация сварочного производства является важнейшим средством повышения производительности труда, повышения качества сварных изделий и улучшений условий труда.

В настоящее время особое внимание уделяется ускорению замены и модернизации, морально устаревших машин и агрегатов, наращиванию объемов выпуска специализированного сварочного и вспомогательного оборудования общего назначения, создание новых технологических процессов и прогрессивных средств малой механизации, которые бы в сочетании с основным сварочным оборудованием обеспечили комплексную механизацию производственного процесса, повышение производительности.

Проводимая за последнее время в условиях многономенклатурного производства широкая механизация вспомогательных операций с заменой ручного труда машинным стала возможна на базе применения двух современных принципов конструировании:

- создания переналаживаемой оснастки с индивидуальным механизированным приводом (пневматическим, гидравлическим, гидромеханическим);

- создания универсальных силовых приводов.

Наряду с этим в единичном и мелкосерийном производстве широкое применение получила система универсально сборочных приспособлений, основанная на принципе агрегатирования - многократного использования определенной совокупности стандартных деталей и узлов, из которых в течение нескольких часов компонуются разнообразные приспособления.

Создание и внедрение переналаживаемых технических средств снижает затраты и время на подготовку производства в 3-5 раз, что способствует быстрому вводу в строй новых промышленных образцов машин, позволяющая экономить металл.

штуцер неразъемное соединение сварочный

Целью дипломного проекта является совершенствование сварочного производства применительно к сварной конструкции штуцера 20-150.

Профилизация "Оборудование и технология сварочного производства" определяет следующий перечень задач выпускной работы:

- целевой поиск и анализ информационных материалов;

- технико-экономический анализ одной из стадий производства сварного штуцера 20-150;

- разработка технически и экономически обоснованного варианта модернизации реального технологического процесса сварочного производства;

- проектирование конструкции модернизированного технологического оснащения.

В дипломной работе совершенствуется технологический процесс изготовления сварного штуцера 20-150 с упором на большую степень механизации.

1. Описание изделия и условий его эксплуатации

Штуцер 20 - 150 (рисунок 1.1) является элементом колонны сепарации ANC P-T-250. Штуцер представляет собой конструкцию, состоящую из 4 деталей.

1 - донышко; 2 - патрубок; 3 - патрубок; 4 - фланец.

Рисунок 1.1 - штуцер 20 - 150

После изготовления штуцера он устанавливается и приваривается к корпусу колонны затем проводится контроль качества приварки штуцера к корпусу. При монтаже колонны на месте у заказчика ответный фланец убирается, вставляется термодатчик в гильзу штуцера. В процессе эксплуатации за счёт теплового воздействия на датчик определяется температура в аппарате.

Условия эксплуатации должны соответствовать требованиям ПБ 03-584-03 "Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением".

Условия работы:

1. Давление рабочее, не более, МПа ………………… 0,5;

2. Интервал рабочих температур, С…………..……. от - 32 до +153;

3. Сейсмичность по СНиП II-7-81, не более, баллов...6;

Заготовки всех деталей получают с помощью термической резки и токарной обработки. Патрубки изготавливаются из труб соответствующего размера ГОСТ 9941-81, фланец из поковки нержавеющей стали 08Х18Н10Т ГОСТ 25054-81, донышко из круга 30 мм ГОСТ 2590-88.

Кольцевые швы получают односторонней ручной сваркой неплавящимся электродом в среде Ar.

2. Анализ конструкции изделия на технологичность

2.1 Общие сведения

Согласно ГОСТ 14.205-83 "Технологичность конструкции изделия есть совокупность свойств конструкции изделия, определяющих её приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объёма выпуска и условий выполнения работ".

Важнейшим условием снижения затрат в сварочном производстве является выбор рационального варианта конструкции и принципиальной технологии её изготовления.

Анализ технологической рациональности конструкции в сварочном производстве должен проводится с позиций следующих основных требований:

- требований к основному материалу с оценкой его свариваемости;

- требований к характеру конструкции;

- требований к способу получения неразъемных соединений;

- требований к сварным соединениям;

- требований к точности изготовления изделия и величине остаточных сварочных напряжений и деформаций. /1/

2.2 Обоснование выбора материала штуцера 20-150 и его характеристики

Выбор материала является одним из основных вопросов при проектировании сварных конструкций, так как материал определяет работоспособность изделия, технологию его изготовления и стоимость.

Материалы для изготовления сосудов и аппаратов работающих под давлением устанавливаются согласно ГОСТ Р 52630-2006 "Сосуды и аппараты стальные сварные" на основании требуемых эксплуатационных и технологических требований.

Материал выбирается исходя из трех условий: соответствия материала условиям эксплуатации изделия, свариваемости и стоимости материала.

Штуцер эксплуатируется в среде различных растворителей а также их паров, которые являются коррозионными. Температура эксплуатации изделия от - 32 до +153 С.

Материал должен:

работать при высоких температурах в течение заданного периода времени в условиях сложнонапряженного состояния

иметь коррозионную стойкость

обладать жаростойкостью и стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при различных температурах

иметь высокие механические характеристики

возможность использования при отрицательных температурах

обладать хорошими технологическими свойствами

С учетом вышеназванных требований, для изготовления штуцера 20-150, необходимо назначить коррозионностойкую группу сталей и сплавов ГОСТ 5632 - 72.

Условиями жаростойкости и коррозионной стойкости отвечают однофазные стали ферритного класса на основе системы Fe-Cr, аустенитные хромоникелевые стали и сплавы на основе Fe-Ni и Ni.

Стали ферритного класса (типа 15Х25Т, 12Х25 и другие) находят применение для изготовления труб теплообменной аппаратуры, работающей в агрессивных средах. По сопротивляемости коррозии ферритные стали не уступают Сr-Ni аустенитным сталям, превосходят их по стойкости к коррозионному растрескиванию. Однако они имеют свои существенные недостатки: весьма частые случаи хрупкого разрушения конструкции как в процессе изготовления, так и в процессе эксплуатации. Особенностью высокохромистых сталей ферритного класса является их склонность к дополнительному резкому охрупчиванию под действием сварочного нагрева.

Ударная вязкость и пластичность металла в зоне термического влияния сварного соединения приближается к нулю. Это связано со склонностью ферритных сталей к росту зерна в околошовной зоне и образованию по границам зерен хрупких карбонитридных фаз. Исходя из вышесказанного использование сталей ферритного класса для изготовления сварного штуцера 20-150 не целесообразно.

Хромоникелевые стали аустенитного класса находят применение для изготовления деталей трубопроводов, сварной аппаратуры, работающей в агрессивных средах.

Рассмотрим коррозионностойких сталей аустенитного класса, например таких:

08Х18Н10Т

12Х18Н10Т

12Х18Н12Т

Существующие аустенитные высоколегированные стали и сплавы различают по содержанию основных легирующих элементов - хрома и никеля и по составу основы сплава. Высоколегированными аустенитными сталями считают сплавы на основе железа, легированные различными элементами в количестве до 55%, в которых содержание основных легирующих элементов - хрома и никеля обычно нe выше 15 и 7% соответственно. К аустенитным сплавам относят железоникелевые сплавы с содержанием железа и никеля более 65% при отношении никеля к железу 1: 1,5 и никелевые сплавы с содержанием никеля не менее 55%.

Аустенитные стали и сплавы классифицируют по системе легирования, структурному классу, свойствам и служебному назначению. Высоколегированные стали и сплавы являются важнейшими материалами, широко применяемыми в химическом, нефтяном, энергетическом машиностроении и других отраслях промышленности для изготовления конструкций, работающих в широком диапазоне температур. Благодаря высоким механическим свойствам при отрицательных температурах высоколегированные стали и сплавы применяют в ряде случаев и как хладостойкие. Соответствующий подбор легирующих элементов определяет свойства и основное служебное назначение этих сталей и сплавов. Характерным отличием коррозионно-стойких сталей является пониженное содержание углерода (не более 0,12%). При соответствующем легировании и термической обработке стали обладают высокой коррозионной стойкостью при 20°С и повышенной температуре как в газовой среде, так и в водных растворах кислот, щелочей.

По системе легирования аустенитные стали делятся на два основных типа: хромоникелевые и хромомарганцевые.

В зависимости от основной структуры, получаемой при охлаждении на воздухе, различают следующие классы аустенитных сталей: аустенитно-мартенситные, аустенитно-ферритные, аустенитные.

После соответствующей термической обработки высоколегированные стали и сплавы обладают высокими прочностными и пластическими свойствами.

В отличие от углеродистых эти стали при закалке приобретают повышенные пластические свойства. Структуры высоколегированных сталей разнообразны и зависят не только от их состава, но и от режимов термической обработки, степени пластической деформации и других факторов. При легировании стали свыше 6% Ni, он резко облагораживает электрохимический потенциал, а также, являясь

прочным, высокопластичным металлом, обладает высокой коррозионной стойкостью, повышенными механическими свойствами и высокой температурой плавления (Тпл=1452…1455С). Применение никеля, несмотря на его высокую стоимость и дефицитность, в качестве основного элемента, способствующего созданию устойчивой аустенитной структуры стали, связано с благоприятным его действием практически на все нержавеющие стали. Повышается коррозионная стойкость стали, пластичность и вязкость, улучшаются технологические свойства (способность к горячей и холодной деформации, свариваемость), снижается склонность к росту зерна. Одновременное присутствие свыше 12% Сr способствует проявлению защитных свойств окисной пленки, образующейся на поверхности металла, хром оказывает также определенное положительное влияние и на сдвиг в положительную сторону электрохимического потенциала стали. /3/

Введение хрома в стали и сплавы повышает их сопротивление к окислению при повышенных температурах, причем тем больше, чем выше его содержание в сплавах. Хром образует с углеродом ряд карбидов, которые в результате закалки и старения, упрочняют аустенитные стали, так как введение углерода в аустенитные стали, способствует стабилизации аустенита. В сталях этого типа, хром (до 18%) способствует получению структуры аустенита. Высокая коррозионная стойкость нержавеющих сталей во многих агрессивных средах, обеспечивается высоким содержанием хрома. Особенно высока их стойкость в атмосферных условиях. Все эти свойства хромоникелевых сталей на аустенитной основе и с соотношением содержания 18% Сr и 8% Ni позволяют использовать их в данных условиях.

В высоколегированных сталях на аустенитной основе может быть достигнуто сочетание особых свойств: жаропрочности, коррозионностойкости, хладостойкости и высокой прочности, значительно превышающих по своим показателям аналогичные характеристики низко - и среднелегированных сталей, а также высоколегированных хромистых. Такая особенность свойств связана прежде всего с особенностями аустенитной основы, а также со свойствами низкоуглеродистого "никелевого” мартенсита.

Для наглядности механические свойства, свойства при низких температурах и жаропрочность сталей приведены соответственно в таблицах 2.1.1; 2.1.2 и 2.1.3.

Таблица 2.1.1 - механические свойства сталей при 20 С

Марка	Режимы ТО	0.2	В			KCU
		МПа	%	Дж/см2
12Х18Н10Т	Закалка 1050-1080 С, охлаждение на воздухе.	225 - 315	550 - 650	46 - 74	66 - 80	300
08Х18Н10Т		275	610	41	63	245
12Х18Н12Т		225 - 315	550 - 640	46 - 74	66 - 80	300

Данные стали выплавляются в открытых дуговых или индукционных печах.

Для повышения качества стали рекомендуется переплавлять в вакуумных дуговых печах. Стали хорошо деформируются в горячем состоянии.

Температура деформирования 1180…850С. Охлаждение после деформации - воздушное. В закаленном состоянии стали обладают высокой пластичностью.

Температура ковки сталей колеблется, начала - 1220…1200, конца - 900…850С. Обрабатываемость резанием в закаленном состоянии - хорошая.

Таблица 2.1.2 - Cвойства сталей при низких температурах /2/

Марка стали.	Температура испытания.	0.2	в
	С	МПа	%
12Х18Н10Т	- 40	320	940	42	40
08Х18Н10Т	- 40	310	890	37	32
12Х18Н12Т	- 40	280	840	50	42

Таблица 2.1.3 - жаропрочность сталей /2/

Марка стали.	Температура испытания.	Предел длительной прочности , Мпа.	Предел ползучести , Мпа.	При комнатно-временных испытаниях 0.2, Мпа.
	С	104ч	105ч	10-5
12Х18Н10Т	600	130	80	75	120
	700	54	35	-	120
08Х18Н10Т	600	110	74	70	87
	700	40	26	-	75
12Х18Н12Т	600	135	100	75	120
	700	54	35	-	120

Стоимость стали 12Х18Н12Т при прочих равных условиях выше, чем сталей 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т. Это определяется тем, что в стали 12Х18Н12Т содержание Ni, равное 11…13%, выше чем в двух других (9…11%). А Ni является дорогостоящим, стратегическим металлом, и повышение его содержания в сталях резко повышает их стоимость.

Стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т имеют одинаковую цену (117 руб. за кг), но в стали 08Х18Н10Т пониженное содержание углерода.

Исходя из этого, материалом для изготовления штуцера, выбираем сталь марки 08Х18Н10Т, как марку стали, удовлетворяющую требованиям условий эксплуатации, назначения, механическим свойствам, а также свариваемости и стоимости.

Таблица 2.1.4 Химический состав в % материала 08Х18Н10Т

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Ti
				Не более
до 0,08	до 0,08	до 2,0	9,0 - 11,0	0,020	0,035	17 - 19	5. C - 0,7

2.3 Оценка свариваемости материала штуцера 20-150

Свариваемость - способность материала к образованию, при данной конструкции и технологии, соединений удовлетворяющих требованиям эксплуатации.

К числу основных показателей свариваемости относятся:

сопротивление образованию горячих и холодных трещин в сварном шве и зоне термического влияния;

стойкость металла шва и зоны термического влияния к переходу в хрупкое состояние;

чувствительность к порообразованию;

соответствие свойств сварных соединений заданным эксплуатационным требованиям.

Сталь 08Х18Н10Т хорошо сваривается всеми видами ручной и автоматической сварки.

Основные трудности сварки рассматриваемой стали обусловлена многокомпонентностью их легирования и разнообразием условий эксплуатации сварных конструкций. Главной и общей особенностью сварки является склонность к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер. Они могут наблюдаться как в виде мельчайших микронадрывов, так и видимых трещин. Горячие трещины могут возникнуть и при термической обработке или работе конструкции при повышенных температурах. Образование горячих трещин связано с формированием в зоне сварки крупнозернистой макроструктуры, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя, и наличием напряжений усадки.

В сталях с большим запасом аустенитности получение швов с аустенитно-ферритной структурой затруднено. Возможность предотвращения в них горячих трещин достигается ограничением содержания в швах примесей, образующих легкоплавкие эвтектики (фосфора, серы). Для этого применяют сварочные материалы, изготовленные из сталей вакуумной выплавки или электрошлакового переплава, и ограничивают проплавление основного металла. В некоторых случаях можно улучшить стойкость швов против горячих трещин повышением содержания легирующих примесей до концентраций, обеспечивающих получение на завершающих стадиях кристаллизации обильной эвтектики на поверхности кристаллитов, например при легировании стали бором (0,3-1,5%). При этом уменьшаются деформации, накапливаемые в металле шва к концу кристаллизации, вследствие понижения верхней температуры эффективного интервала кристаллизации. Снижение действия силового фактора (ограничением тока, заполнением разделки валиками небольшого сечения, рациональной конструкцией соединения и др.) также является фактором предупреждения горячих трещин.

В околошовной зоне некоторых жаропрочных аустенитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что может повести к образованию в этой зоне трещин. Подобные изменения свойств основного металла вызываются развитием диффузионных процессов, приводящих к повышенной концентрации в металле околошовной зоны поверхностно-активных элементов (углерода, кислорода и др.), которые совместно с другими примесями могут образовывать легкоплавкие эвтектики и в конечном итоге обусловливать появление горячих третий. Кроме того, при длительной эксплуатации в этой зоне могут выделяться мелкодисперсные карбиды и интерметаллиды. Образование непрерывной прослойки карбидов и интерметаллидов по границам зерен приводит к охрупчиванию шва. При сварке этих сталей для предупреждения горячих трещин в шве часто получают наплавленный металл, по составу отличающийся от основного и имеющий двухфазную структуру.

Локальные разрушения характерны для участка перегрева околошовной зоны и являются межкристаллическими разрушениями вследствие концентрации деформаций по границе зерен и развития процесса, межзёренного проскальзывания. Лучшим средством снижения склонности к локальным разрушениям является получение более пластичного металла шва.

При сварке высокопрочных сталей в околошовной зоне возможно образование холодных трещин. Поэтому до сварки рекомендуется произвести их аустенизацию для получения высоких пластических свойств металла, а упрочняющую термическую обработку проводить после сварки. Предварительный и сопутствующий нагрев до 350-450⁰ С также уменьшает опасность образования холодных трещин.

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы наиболее часто используют как коррозионно-стойкие. Основным требованием, которое предъявляется к сварным соединениям, является стойкость к различным вида коррозии.

Межкристаллитная коррозия может развиваться как в металле шва, так и в основном металле у линии сплавления (ножевая коррозия) или на некотором удалении межкристаллитной коррозии по сравнению с аустенитными.

Возрастание протяженности границ зерен вследствие измельчения зерен увеличивает площадь поверхности, на которой выделяются карбиды.

Выделяющиеся карбиды более дисперсны, и местное обеднение объема зерна хромом происходит на меньшую глубину. Кроме того, процессы диффузии в феррите происходят значительно быстрее, что ускоряет выравнивание концентрации хрома в обедненных приграничных и центральных участках зерен.

Межкристаллитная коррозия (МКК) основного металла на некотором расстоянии от шва также вызвана действием термического цикла сварки на ту часть основного металла, которая была нагрета до критических температур.

Склонность стали и швов к межкристаллитной коррозии предупреждается /4/:

1) снижением содержания углерода до пределов его растворимости в аустените (до 0,02-0,03%);

2) легированием более энергичными, чем хром, карбидообразующими элементами (стабилизация титаном, ниобием, танталом, ванадием и др.);

3) стабилизирующим отжигом при 850-900 С в течение 2-3 ч или аустенизацией - закалкой с 1050-1100° С;

4) созданием аустенитно-ферритной структуры с содержанием феррита до 20-25% путем дополнительного легирования хромом, кремнием, молибденом, алюминием и др. Однако такое высокое содержание в структуре феррита может понизить стойкость металла к общей коррозии. Эти же меры способствуют и предупреждению ножевой коррозии.

Ножевая коррозия поражает основной металл. Этот вид коррозии развивается в сталях, стабилизированных титаном и ниобием па участках, нагретых при сварке до температур выше 1250° С, где карбиды титана и ниобия растворяются в аустените. Повторное тепловое воздействие па этот металл критических температур 500-800° С (например, при многослойной сварке) приведет к сохранению титана и ниобия в твердом растворе и выделению карбидов хрома.

Общая коррозия, т.е. растворение металла в коррозионной среде, может развиваться в металле шва, на различных участках или в околошовной зоне в целом и в основном металле. В некоторых случаях наблюдается равномерная общая коррозия основного металла и сварного соединения.

Имеется еще один вид коррозионного разрушения - коррозионное растрескивание, возникающее под совместным действием растягивающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транскристаллитное. Снижение остаточных сварочных напряжений - одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного разрушения.

Аустенитные стали не имеют ограничений по свариваемости, для сварки изделия применимы любые способы сварки.

2.4 Анализ характера конструкции изделия и выбор неразъемных соединений

При анализе на технологичность конструкции узла с неразъемными соединениями следует рассмотреть следующие основные вопросы, такие как количество входящих в узел деталей и технологических разъемов для выполнения неразъемных соединений; использование листового, сортового и фасонного проката; наличие и характер концентраторов напряжений в изделии и др.

Общие принципы создания технологичных конструкций требуют экономически рационального уменьшения количества входящих в изделие деталей с целью уменьшения количества неразъемных соединений, что при модернизации сварного узла требует изменения конструкции и, во многих случаях, технологии изготовления комплектующих деталей.

Обоснованное назначение технологических разъемов и конструкции неразъемных соединений во многих случаях позволяет упростить сборочно-сварочные приспособления, снизить требования к точности собираемых деталей, отказаться от применения сложных систем слежения или копирования при сварке.

Правильное назначение технологических разъемов и конструкции неразъемных соединений позволяет существенно снизить затраты на изготовление изделия за счет широкого использования листового, сортового и фасонного проката, рациональной организации производства комплектующих деталей и изделия в целом, более экономичного технологического процесса изготовления изделия.

Концентратами напряжения являются сварные швы. Наиболее рациональным типом соединения для данной конструкции является стыковое соединение, выполняемое сваркой плавлением.

Такое соединение обладает работоспособностью удовлетворяющей условиям и наибольшей экономичностью.

Эскиз изделия и основные конструктивные размеры сварных соединений представлены, соответственно на рисунках 2.4.1, 2.4.2, 2.4.3, 2.4.4

Рис. 2.4.1 Эскиз изделия

Рисунок - 2.4.2 Конструктивные размеры сварного соединения ГОСТ 14771 - 76-С20

Рисунок - 2.4.3 Конструктивные размеры сварного соединения ГОСТ 14771 - 76-С17

Автор предлагает заменить стыковое соединение с разделкой кромок (ГОСТ 14771 - 76-С17) на стыковое соединение без разделки кромок на медной подкладке (ГОСТ 14771 - 76-С4).

Рисунок - 2.4.4 - Конструктивные размеры сварного соединения ГОСТ 14771 - 76-С4.

Рис. 2.4.5 Конструктивные размеры сварного соединения ГОСТ 14771 - 76-С11.

2.5 Анализ точности изготовления конструкции, характера остаточных сварочных напряжений и деформации, способов их уменьшения

Требования точности обуславливаются условиями взаимозаменяемости изделий и эксплуатационными требованиями. Точность изделий определяется:

отклонением действительных размеров изделий от заданных;

отклонением геометрических форм изделий и отдельных элементов от заданных чертежом;

отклонениями во взаимном расположении поверхностей и осей изделий.

Большое влияние на точность изготовления сварных конструкций оказывает точность их сборки. При изготовлении сварных конструкций необходимо обеспечить правильную сборку отдельных деталей и узлов, т.е. правильное их взаимное расположение. Точное и жёсткое пространственное закрепление деталей относительно друг друга обеспечивается использованием спецприспособления.

На точность изготовления сварных конструкций также оказывает влияние способ сварки. В процессе изготовления в сварных конструкциях возникают сварочные напряжения и деформации. Причинами возникновения сварочных напряжений и деформаций являются неравномерный нагрев металла при сварке, литейная усадка расплавленного металла и структурные превращения в металле в процессе его охлаждения. В случае, когда остаточные сварочные напряжения превышают у_т, происходит разрушение сварного соединения. При нагревании все металлы расширяются, а при охлаждении сжимаются. При наличии жестких связей между нагретыми и холодными участками металла это приводит к образованию сжимающих либо растягивающих внутренних сварочных напряжений.

В результате остывания и затвердевания жидкого металла сварного шва происходит его усадка. Явление усадки обусловлено тем, что при затвердевании металл становится более плотным, вследствие чего объем его уменьшается. Ввиду того, что металл шва жестко связан с основным металлом, остающимся в неизменном объеме и противодействующим этой усадке, в сварном соединении возникают внутренние напряжения. При сварке происходит продольная и поперечная усадка расплавленного металла, в результате чего образуются продольные и поперечные внутренние напряжения, вызывающие деформации сварных конструкций. Очевидно, что усадка металла влияет на геометрические размеры изделия. Так как швы получают с минимальной зоной термического влияния можно судить о том, что изменение геометрических размеров укладывается в допуск и не влияет на эксплуатационную надёжность изделия. Опыт эксплуатации ёмкости показывает, что технология базового предприятия обеспечивает получение механических характеристик, предъявляемых к изделию.

Способы уменьшения сварочных деформаций, напряжений и перемещений:

1. рациональное конструирование

За счет выбора размеров и расположения сварных швов можно добиться существенного уменьшения коробления конструкции. Для этого следует назначать минимальные, найденные из расчета на прочность катеты угловых швов; обеспечивать максимальную жесткость конструкции к моменту сварки швов; располагать швы симметрично для взаимной компенсации перемещений от отдельных швов. В ряде случаев можно компенсировать перемещения при сварке путем корректировки размеров заготовок с учетом последующей усадки или создания предварительных искажений формы деталей противоположного знака. В случае неизбежности перемещений при сварке в конструкции должен быть обеспечен доступ для последующей правки.

2. рациональная технология сборки и сварки

Сборка в жестком приспособлении или на прихватках перед началом сварки; рациональной последовательности наложения швов, а также выбора способа и режима сварки с минимальной погонной энергией. При многопроходной сварке погонная энергия существенно ниже, чем при однопроходной сварке такого же шва, а при контактной, лазерной и электронно-лучевой - ниже, чем при дуговой. Предварительный и сопутствующий подогревы при сварке позволяют уменьшить пластические деформации и напряжения.

3. пластическое деформирование после сварки

Этот прием применяется в основном для правки конструкции. Чаще всего деформация осуществляется за счет сжатия шва и околошовной зоны в направлении толщины сваренных пластин. При этом уменьшается усадка шва, образовавшаяся после сварки. Одновременно снижаются продольные остаточные напряжения в шве. Применяются различные способы деформирования: прокатка роликами, проковка, обработка взрывом. Обработка может быть осуществлена как после полного остывания, так и сразу после сварки (например, роликом, движущимся вслед за дугой, или сварочным электродом при точечной контактной сварке).

Недостатком всех указанных методов является снижение пластичности деформируемой зоны.

4. создание неравномерных нагревов или охлаждений

Этот метод широко используют для перераспределения остаточных напряжений. Для уменьшения напряжений растяжения необходимо создавать нагрев вблизи зоны с напряжениями растяжения или охлаждение в самой этой зоне. Для уменьшения напряжений сжатия необходимо греть зоны с такими напряжениями или охлаждать окружающие зоны. Эффект от местного нагрева определяется его концентрацией и перепадом температур, поэтому следует создавать небольшие пятна нагрева и охлаждения. При потере устойчивости листовых элементов местный нагрев сжатых участков позволяет вызвать их пластическое укорочение после остывания и исправление деформаций.

5. термическая обработка (закалка или отжиг)

При температуре Т >800°С карбиды хрома растворяются, а они могут привести к потери коррозионных свойств сварными швами. В большинстве случаев при сварке аустенитных сталей термообработка не требуется. Её применяют тогда, когда в состоянии после сварки соединения проявляют склонность к межкристаллитной коррозии.

Отжигом называют термообработку, направленную на получение в металлах равновесной структуры. Любой отжиг включает в себя нагрев до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее медленное охлаждение. Цель отжига - уменьшить внутренние напряжения в металле, уменьшить прочностные свойства и увеличить пластичность.

Закалка - это термообработка, направленная на получение в сплаве максимально неравновесной структуры и соответственно аномального уровня свойств. Любая закалка включает в себя нагрев до заданной температуры, выдержку и последующее быстрое резкое охлаждение. /5/

Уменьшение напряжения, коробления, усадочных деформаций достигается за счет жесткого закрепления изделия в специальном приспособлении. /6/

2.6 Вывод по разделу

Наиболее подходящей для изготовления камеры распределительной будет являться сталь 08Х18Н10Т ГОСТ 5632-72.

1 Коррозионностойкая сталь аустенитного класса 08Х18Н10Т не имеет ограничений по свариваемости, следовательно для сварки штуцера 20-150 применимы любые способы сварки.

2 Конструкция штуцера 20-150 позволяет осуществить свободный доступ к месту сварки и использовать различные методы неразрушающего контроля неразъёмного соединения.

В качестве проектных вариантов выбрано сварное соединение - согласно ГОСТ14771-76 С4.

3 На точность изготовления сварных конструкций оказывает влияние способ сварки. В процессе изготовления в сварных конструкциях возникают сварочные напряжения и деформации

Способы уменьшения сварочных деформаций, напряжений и перемещений:

рациональное конструирование;

рациональная технология сборки и сварки;

пластическое деформирование после сварки;

создание неравномерных нагревов или охлаждений;

термическая обработка (закалка или отжиг).

3. Разработка технологического процесса изготовления штуцера 20-150

Основной целью разработки технологического процесса является назначение таких способов и последовательности изготовления изделия, которые явились бы наиболее технологически и экономически рациональными. Это подразумевает правильное и полное использование всех технических возможностей оборудования и оснастки, работу на наиболее выгодных режимах при минимальных затратах времени, рабочей силы, вспомогательных материалов. Технологический процесс разрабатывается с учетом двух принципов: технического и экономического. Технический принцип предусматривает полное соответствие изделия требованиям чертежа. Экономический принцип предусматривает изготовление изделия с минимальными затратами материальных, трудовых и энергетических ресурсов. /7/

3.1 Выбор способов получения неразъемных соединений

Развитие процессов, описанных выше, как правило, может оказывать отрицательное влияние на свойства и работоспособность сварных соединений, если эти процессы будут активными. Поэтому, хотя данную сталь можно сваривать всеми видами сварки, предпочитать следует такие, при которых тепловое воздействие на свариваемый металл будет наименьшим - сварку в защитных газах, электроннолучевую и разные способы сварки давлением - шовную, точечную, диффузионную и др.

Электрошлаковая и сварка под флюсом технически невозможны, в связи с толщиной металла. Очевидно, что для данного изделия и стали применение плазменной, лазерной и электронно-лучевой сварки экономически нецелесообразно из-за дорогостоящего оборудования и вспомогательных материалов. Контактная сварка не подходит типом соединения.

Таким образом, подходят ручная дуговая сварка, сварка в защитных газах.

Сварка в защитных газах нашла широкое применение в промышленности. В качестве защитных газов используют инертные (аргон, гелий) и активные (углекислый газ, азот), а также различные смеси инертных или активных газов и инертных с активными. При сварке в инертных газах повышается стабильность дуги и снижается угар легирующих элементов.

Рациональными способами для данного изделия и стали будут автоматическая сварка в защитных газах неплавящимся электродом и полуавтоматическая сварка в защитных газах плавящимся электродом.

Рассмотрим автоматическую сварку в аргоне неплавящимся электродом с присадочной проволокой как первый проектный вариант и полуавтоматическую сварку в среде аргона плавящимся электродом как второй.

3.1.1 Автоматическая аргонодуговая сварка неплавящимся электродом с присадочной проволокой

Сварка вольфрамовым электродом в среде инертных газов (аргона) является одним из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений. Основными преимуществами этого способа являются: минимальное металлургическое влияние на свариваемый материал. Процесс сварки имеет высокую стабильность горения дугового разряда и формирования шва, возможность визуального контроля формирования шва. К недостаткам данного способа можно отнести: использование дорогого защитного газа, а также дефицитных и дорогих вольфрамовых электродов. Использование аргонодуговой сварки на форсированных режимах имеет приемлемую производительность, а также необходимые параметры шва.

Сварку вольфрамовым электродом производят в аргоне и гелии или их смесях и применяют обычно для материала толщиной до 5-7 мм.

В зависимости от толщины и конструкции сварного соединения сварку вольфрамовым электродом производят с присадочным материалом или без него.

В качестве присадочного материала используют холоднотянутую стальную проволоку по ГОСТ 2246-70.

В первом проектном варианте сварку неплавящимся электродом выбираем с присадочной проволокой. В связи с тем, что данная коррозионностойкая сталь подвержена коррозионному разрушению, а именно межкристаллитной коррозии (МКК) для предупреждения МКК необходимо легировать элементами: титаном, ниобием, танталом и т.д., обладающими большим сродством к углероду чем хром.

В данном проектном варианте выбираем проволоку Св-07Х19Н10Б. В таблице 2.3.1 приведён химический состав используемой сварочной проволоки

Таблица 3.1 Химический состав сварочной проволоки Св-07Х19Н10Б.

C	Mn	Si	S	P	Cr	Ni	Другие элементы
0,08	1-2	0,4-1	0,018	0,03	18-20	8-10	0,5-1 Ti

Процесс сварки осуществляют автоматически, с использованием специальных сварочных головок, на постоянном токе прямой полярности. Так как при прямой полярности на изделие выделяется до 70% /8/ теплоты дуги, что обеспечивает глубокое проплавление основного металла.

Сварку в защитных газах выберем непрерывно горящей дугой. Для сварки высоколегированных сталей используют аргон высшего (99,99%) или 1-го (99,98%) сортов по ГОСТ 10157-79. В первом проектном варианте будем использовать аргон 1-го сорта, так как аргон высшего сорта применяют при сварке активных металлов (титан, цирконий, ниобий), а первого сорта для сварки коррозионно-стойких сталей. Также аргон первого сорта с экономической точки зрения выгодней высшего сорта.

3.1.2 Аргонодуговая сварка плавящимся электродом

В качестве второго проектного варианта используем полуавтоматическую сварку плавящимся электродом в среде защитных газов. Сварку плавящимся электродом выполняют в инертных, активных газах или смесях. При сварке в инертных газах возможен капельный и струйный перенос электродного металла.

При струйном переносе дуга имеет наиболее высокую стабильность и значительно улучшается перенос электродного металла в сварочную ванну и уменьшается разбрызгивание металла.

Для сварки используют электродные проволоки малого диаметра (до 3 мм). Поэтому швы имеют узкую форму провара и в них может наблюдаться повышенная зональная ликвация. Применяя поперечные колебания электрода, изменяют форму шва и условия кристаллизации металла сварочной ванны уменьшают вероятность зональной ликвации.

Расстояние от сопла горелки до изделия обычно выдерживают в пределах 8…15 мм. Токоподводящий наконечник должен находиться на уровне краев сопла.

Сварку плавящимся электродом выберем струйным переносом электродного металла. При струйном переносе дуга имеет наиболее высокую стабильность и значительно улучшается перенос электродного металла в сварочную ванну, практически исключается разбрызгивание металла. Для этого сварку коррозионных сталей следует выполнять на токе выше критического для диаметра электрода.

Сварочную проволоку выберем Св - 07Х19Н10Б ГОСТ 2246 - 70 диаметром 1 мм, в качестве защитного газа выберем аргон первого сорта. Выбор обеспечивается по тем же соображения, что и для сварки неплавящимся электродом.

Защитный газ - аргон - подаётся через сопло горелки и служит для обеспечения защиты свариваемого металла и легирующих элементов от взаимодействия с окружающёй атмосферой.

Показатели качества аргона 1-го сорта ГОСТ 10157-79 приведены в таблице 3.1.1

Таблица 3.2 Показатели качества аргона 1-го сорта

	Объемная доля, %
Аргон, не менее	99,987
Кислород, не более	0,002
Азот, не более	0,01
Водяной пар, не более Что соответствует температуре насыщения аргона водяными парами при 760 мм рт. ст.00С, не выше	0,001 минус 58
Сумма углеродсодержащих соединений в пересчете на СО, не более	0,001

При обратной полярности напряжение дуги выше, чем при прямой полярности. На аноде-электроде выделяется большое количество энергии, что приводит к его оплавлению.

Таким образом, сварка производится на постоянном токе обратной полярности.

Основные преимущества сварки в среде защитных газов плавящимся электродом:

широкие технологические возможности по видам материалов и сварных соединений;

высокая производительность наплавки металла, которая при полуавтоматической сварке может быть в 2-3 раза выше, чем при сварке покрытыми электродами, а при автоматической сварке - до 8 раз (по сравнению с РДС покрытыми электродами);

возможность визуально контролировать формирование сварного соединения;

практическое исключение в сварном шве неметаллических включений (т.к. защита только газовая);

высокая стабильность формирования сварных соединений.

Основные недостатки:

значительный уровень разбрызгивания электродного металла, если на используется специальное дорогостоящее оборудование (потери на разбрызгивание: обычный процесс - несколько %, в других до 20%). Для обычного оборудования достаточно узкие диапазоны режима, где достигается удовлетворительное разбрызгивание;

сварка в активных защитных газах возможна в основном лишь для углеродистых и низколегированных сталей; в инертных газах - процесс значительно более дорогостоящий, менее применим. Современное оборудование сложное и дорогостоящее по сравнению с РДС покрытыми электродами.

3.2 Разработка вариантов маршрутного технологического процесса

Базовый вариант технологического процесс изготовления изделия начинается с комплектации требуемыми деталями для сборки изделия (005 комплектовочная) на столе комплектовочном. Далее для изготовления патрубков предусмотрена операция заготовительная (010) выполняемая на станке трубоотрезном 7-50-046. Затем следует токарная операция (015), где выполняют подготовки кромок под сварку на станке токарно-винторезном 1К62. При этом детали перед сваркой должны быть чистыми, без следов ржавчины, масла и грязи. Для этого в технологии предусмотрена операция слесарная (020), которая включает в себя зачистку и протирку свариваемых поверхностей. Применяемое оборудование: машина шлифовальная и металлическая щетка. При протирки детали протираются салфеткой, смоченной в ацетоне. Следующая операция - сборочная (025). В ней производится сборка патрубка (2) и фланца (1) при помощи прихваток. Затем выполняется сварочная операция (030), которая осуществляется ручной аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки. Используемое оборудование: УДГУ - 501 AC/DC, М11010A. После сварки проводят слесарную операцию (035), зачищают грубые наплывы сварного шва. Контрольная операция (040) - внешним осмотром проверяется отсутствие заусенцев, острых кромок, вмятин и других механических повреждений.

Слесарная операция (045) - зачищаются свариваемые поверхности сборочных единиц и деталей: штуцер 20 - 150 и патрубок. Затем производится сборочная операция (050), в процессе которой штуцер 20 - 150 и патрубок прихватываются и далее свариваются ручной сваркой неплавящимся электродом с подачей присадочной проволоки - операция 055.

Слесарная операция (060) - зачищают грубые наплывы сварных швов.

Контрольная операция (065) - внешним осмотром проверяется отсутствие заусенцев, острых кромок, вмятин и других механических повреждений.

Слесарная операция (070) - зачищаются свариваемые поверхности патрубка и донышка. Далее производится сварочная операция (075) ручной дуговой сваркой плавящимся электродом. Затем следует слесарная операция (080) - зачищают грубые наплывы сварных швов. Контрольная операция (085) - капиллярный метод и операция (090) - производится визуально измерительный контроль, где проверяется соответствие геометрических размеров изделия размерам, заданным чертежом.

Анализ приведенного базового техпроцесса позволяет сделать вывод, что применение прихваток повышают трудоемкость изготовления штуцера 20 - 150.

Автор предлагает механизировать процесс изготовления путем введения в технологический процесс сборочно-сварочной технологической оснастки с пневмоприводом. Эта технологическая оснастка позволяет:

исключить использование прихваток;

повысить точность сборки и производительность;

Таким образом, предлагаемая технологическая оснастка позволяет упростить технологический процесс изготовления штуцера 20-150.

Модернизированный технологический процесс исключает сборочные операции (025,050).

В разработанном технологическом варианте Проектный №1 сварку производят автоматической аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом с присадочной проволокой. В варианте Проектный №2 сварку производят полуавтоматической сваркой плавящимся электродом в среде аргона.

3.3 Выбор и расчет режимов сварки

Под режимом обработки понимают значения регулируемых параметров процесса. Вид и количество параметров определяются конкретным способом обработки.

Режимы автоматической и полуавтоматической сварки в среде аргона неплавящимся электродом с присадочной проволокой и плавящимся приведены в таблице 3.1 и 3.2 соответственно/1/

Одним из основных энергетических элементов режима дуговой сварки является сварочный ток.

Для расчёта величины сварочного тока при сварке тонколистовых материалов быстродвижущимся источником можно использовать формулу: /7/

(1)

где V - скорость сварки, см/с;

F_ПР - площадь проплавления основного металла, см²;

- плотность материала, г/см³

h_ПЛ - теплосодержание металла в сварочной ванне, Дж/г

U - напряжение на дуге, В

a - коэффициент температуропроводности, см²/с;

- толщина материала в свариваемом сечении, см.

_U - эффективный КПД дуги

_t - термический КПД процесса проплавления (_t=0,485);

Численные значения параметров V и U подбираются по литературным источникам:

V = 25-30 м/ч, возьмем V=28 м/ч, V=0,78 см/с;

U = 12-15 В, берем U=13 В.

_t = 0,485;

Т_ПЛ = 1440 С;

T_ПЕР =0,2*T_ПЛ=0,2*1440=288 С;

с = 7,86 г/см³;

а = 0,05 см²/с;

= 3 мм;

L = 250 Дж/г;

С = 0,628 Дж/г С.

Площадь проплавления F_ПР считается по следующей приближенной формуле:

(2)

где д - толщина свариваемого сечения.

Теплосодержание расплавленного металла h_ПЛ в сварочной ванне определяется из соотношения:

(3)

где С - удельная теплоемкость, Дж/г єС;

Т_{ПЛ -} температура плавления металла, єС;

Т_{ПЕР -} температура перегрева металла в сварочной ванне (обычно принимают Т_ПЕР = 0,2Т_ПЛ), єС;

L - скрытая теплота плавления, Дж/г.

Величина сварочного тока:

Полученное значение сварочного тока не входит в диапазон литературных данных: 140-180 А. Значения выберем из справочных данных.

Таблица 3.1 - Режимы автоматической в среде Ar неплавящимся электродом с присадочной проволокой \9\

д, мм	Число слоев	d непл. эл мм	Iсв, А	Uсв, В	Vсв, м/ч	d пр.	V пр, м/ч	QЗГ, л/мин
3	1	2	140-180	12-15	25-30	1,6	65	12-16

Для полуавтоматической сварки режимы выберем из справочных данных

Таблица 3.2 - Режимы полуавтоматической сварки в среде Ar плавящимся электродом

д, мм	Число слоев	dэл, мм	Iсв, А	Uсв, В	V пр, м/ч	QЗГ, л/мин
3	1	1,2	230-260	24-28	100-140	6-8

3.4 Выбор оборудования и вспомогательных материалов

К сварочному оборудованию относят основное технологическое оборудование, обеспечивающее процесс сварки и его регулирование: источники питания, сварочные головки, сварочные горелки и плазмотроны, машины для контактной сварки, установки для лазерной и электронно-лучевой сварки, печи и высокочастотные установки для пайки и т.д., а также механическое оборудование сварочного производства: вращатели, кантователи, колонны и др.

К сварочным материалам относятся материалы, которые расходуются при сварке с целью получения неразъемного соединения: сварочная проволока, сварочные электроды, флюсы и газы

3.4.1 Автоматическая дуговая сварка неплавящимся электродом с присадочной проволокой