Участок сборки и механизированной сварки цилиндров шахтных крепей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Повышение эффективности дуговых сварочных и наплавочных процессов сопровождается непрерывным совершенствованием используемого оборудования, организацией рабочего места и рационального его использования. Во всех отраслях промышленности широко используются высокопроизводительные методы работы.

Широкое внедрение сварочных операций оказало большое влияние на практику проектирования и изготовления сварных конструкций различного назначения. В настоящее время сварка - наиболее гибкая ресурсообразующая технология.

Сварка в смеси защитных газов - один из способов электродуговой сварки. Защитный газ, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферы, окисления, азотирования. Сварка в смеси защитных газов осуществляется как ручным, так и механизированным способом [1].

Основными факторами сварки в смеси защитных газов являются следующие:

хорошая защита сварного шва от воздействия окружающей среды;

высокая производительность процесса сварки;

хорошие механические свойства шва;

отсутствие необходимости применения флюса;

возможность визуального наблюдения за процессом формирования шва;

малая зона термического влияния;

возможность полной механизации и автоматизации процесса сварки.

Механизация и автоматизация сварочного производства - важнейшее средство повышения производительности труда, повышения качества сварного изделия, улучшения условий труда [2].

Вместе с тем качественные показатели сварных соединений и наплавленных поверхностей зависят не только от технических возможностей механической части использованного оборудования, но и от гибкости реализуемого технологического процесса.

Актуальность решения данной задачи постоянно возрастает, поскольку технический прогресс не стоит на месте, и предъявляет все более высокие требования качеству сварных конструкций и экономичности сварочного производства.

Также проведем работу по научно-техническому обоснованию наиболее рациональных и целесообразных в технико-экономическом отношении решений поставленной задачи: повышения качества продукции, рационального использования рабочего места, снижения себестоимости.



1. ИННОВАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ

Изготовленное изделие - цилиндр, является неотъемлемой составной частью шахтной крепи. Цилиндр состоит из 8 наименований. В качестве материала этих деталей используются стали марок Сталь 20,Сталь 30, Сталь 35, Сталь 30ХГСА.

Главной характеристикой всякого сварного изделия является его технологичность, которая оказывает значительное влияние на технико-экономическую эффективность и рентабельность проектируемого производства.

Технологичность по ГОСТ 18831-73 - совокупность свойств конструкции, определяющих ее способность к достижению оптимальных затрат при производстве, технологическом обслуживании и ремонте при заданных показателях качества, объема выпуска и условий выполнения работ.

Производя анализ конъюнктуры, т.е. существующей на данный момент, в сфере производства, сбыта и потребления изделий, предназначенных для шахтных работ, необходимо отметить то, что все конструкторские, технологические, организационно-технические мероприятия по подготовке производства рассматриваемого изделия осуществляются не на пустом месте.

Существенные и широко используемые технологии и методы работы по изготовлению цилиндров значительно облегчают проектную задачу. А наличие обширной материальной базы, в том числе производственных площадей, складских помещений, коммуникаций, средств производства (оснастка, основное и вспомогательное оборудование, трудовые ресурсы, энергия и т.п.) и другие параметры разрабатывают технологи. Характеризуя конъюнктуру в сферах сбыта и потребления, ее оценивают как достаточно низкую. Это связано, в первую очередь, с тем негативным влиянием внешних экономических условий и факторов, которые обуславливают снижение объема выпуска продукции и реализации услуг, капитального строительства и спад в динамике внутри и внешнеторгового оборота, уменьшение статей использования производственных мощностей и других качественных и количественных показателей, характеризующих конъюнктуру не только на отдельно взятом предприятии, но и в экономике в целом.

Абстрагируясь от макроэкономической ситуации в сферах сбыта и потребления, необходимо сказать, что планируемые к изготовлению изделия, как составная часть шахтного оборудования, может найти широкое применение в нашем и других регионах. Однако для пополнения портфеля заказов и увеличения количества заключаемых сделок необходимо повысить конкурентоспособность изделия. Основным направлением ее повышения следует считать: снижение себестоимости продукции и повышения качества, которые в свою очередь могут быть достигнуты за счет уменьшения затрат труда, материалов, энергии, сокращения длительности производственного цикла, технологии производства, повышения уровня механизации и автоматизации, производительности и коэффициентов загрузки оборудования, ускорения оборачиваемости оборотных средств и т.д.



2. ФОРМУЛИРОВКА ПРОЕКТНОЙ ЧАСТИ

Целью выпускной квалификационной работы является сопоставление достигнутого выпускником уровня гуманитарной, социально-экономической, естественнонаучной, общепрофессиональной и специальной подготовки с требованиями Государственного общеобразовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства».

Технологическая подготовка производства - это совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятия к выпуску изделий заданного уровня качества, при установленных сроках объема выпуска и затратах. Она тесно связана с конструкторской подготовкой, является ее продолжением целую разработку методов изготовления спроектированной конструкции.

Совокупность работ по технологической подготовке сварочного производства должны обеспечивать создание и внедрение оптимальных вариантов технологического процесса сборки и сварки в целях достижения высокого качества сварных конструкций, повышения производительности труда и экономии основных и вспомогательных сварочных материалов [2].

Технологическую подготовку производства новой конструкции можно разделить на 4 укрупненных этапа работ: технологический контроль чертежей, проектирование технологических процессов, разработка технологической оснастки, наладка и внедрение запроектированных технологических процессов.

Технологический контроль чертежей имеет своей целью проверку конструкции с точки зрения технологических возможностей и простоты ее изготовления. Эта работа ведется технологами на стадиях разработки конструкторской документации (технологического и рабочего проектирования), при этом учитываются технические возможности производства.

Этап проектирования технологических процессов включает разработку межцеховых технологических маршрутов деталей и сборочных единиц, разработку технологических процессов на все виды работ, составление материальных и трудовых норм, определение методов и средств технологического контроля.

Разработка технологической оснастки состоит в проектировании, изготовлении и опробовании специализированной технологической оснастки. В сварочном производстве - это разработка различного рода упоров, зажимов, распоров, стоек, а также сборочных и сборочно-сварочных приспособлений.

Наладка и внедрение запроектированных технологических процессов производства по мере получения цехами технологической документации. Эта работа ведется группой внедрения отдела главного технолога совместно с отделом главного сварщика и главного металлурга. В ней принимают участие технологи, разрабатывающие технологический процесс, а также технологи цехов и другой цеховой персонал. Технологический процесс считается внедренным после изготовления всех деталей, сборочных единиц и конструкции в целом, соответствии с требованиями чертежей и технических условий.

Одним из условий рациональной технологической подготовки производства является правильный выбор вариантов технологических процессов. Это обуславливается тем, что современная техника позволяет изготовить одну и ту же продукцию разными методами и с разной экономической эффективностью. Выбирая из нескольких вариантов наиболее приемлемый, технолог должен найти оптимальное решение. Для этого применяется экономический анализ технологических решений.

Сокращение длительности технологической подготовки и снижение затрат на производство достигается посредством типизации технологических процессов и унификации технологической оснастки.

В ходе выполнения выпускной квалификационной работы необходимо разработать участок механизированной сборки и сварки в защитных газах цилиндров шахтных крепей, включающий выбор наиболее эффективного метода сварки и сварочных материалов, расчет режимов сварки и выбора необходимого сварочного оборудования.

Техническое нормирование операций, определение потребного состава всех необходимых элементов производства, расчет и конструирование оснастки, планировку плана участок механизированной сборки и сварки в защитных газах цилиндров шахтных крепей. Кроме того, в выпускной квалификационной работе разрабатывается организационная и экономическая части, которые в сочетании с технологической частью должны обеспечить возможность создания наиболее совершенного по технологическому уровню и высокоэффективного сборочно-сварочного участка по выпуску изделия.

Технологическая часть должна содержать результаты проектирования процесса изготовления технического объекта в условиях той или иной формы организации производства (единичное, серийное, массовое), завершающегося выпуском товарной продукции требуемого уровня качества. Наряду с этим в разделе должны быть представлены: обоснованный выбор предмета производства - технический объект, его элементы; технологический анализ выбранного производства; цель и задача технологического проектирования, отвечающая особенностям выбранного производства - изготовления детали, сборка узла и технического объекта, испытания технологического объекта или его компонента и т.п.; расчет параметров выбранной структуры технологического процесса, характеризующих режим процесса, его продолжительность, точность и т.д.

Конструкторская часть должна содержать результаты разработки конструкции вспомогательного (механического) оборудования: сборочных и сварочных приспособлений, манипуляторов, вращателей, кантователей, автоматических установок, шаблонов и т.д. В раздел должны быть включены: цель и задачи оптимального конструирования; совокупность технических идей в виде конструктивных схем; необходимые расчеты и описания устройства; работа узла или приспособления.

Организационная часть должна представлять результаты проектирования комплекса мероприятий, образующих рационально упорядоченный процесс научно-технической, конструкторской и технологической подготовки производства к освоению, планомерному, устойчивому и эффективному изготовлению и сбыту технического объекта требуемого уровня качества при определенных сроках и объемах выпуска.

Эргономическая и экологическая часть должна включать результаты проектирования системы «человек - технический объект», обеспечивающий эффективную, надежную и безопасную работу в условиях стабильной и изменяющейся окружающей среды, включая экстремальные ситуации.

Экономическая часть должна содержать результаты расчета показателей, определяющих экономический эффект и эффективность инженерных решений.



3. ПОИСК ИННОВАЦИОННЫХ ВАРИАНТОВ

Главная характеристика всякого сварочного изделия - его технологичность. Понятия этого заключается в следующем. Технологичность изделия характеризует соответствие требованиям прогрессивной экономической технологии изготовления в условиях серийности заданной программы выпуска данного изделия при наименьших затратах материалов, труда, энергии, средств, с возможным обеспечением заданных эксплуатационных свойств, высокого качества, удобного выполнения операция производственного цикла небольшой длительности, а также соблюдении требований гигиены труда и техники безопасности.

Существующий технологический процесс изготовления цилиндров шахтных крепей, как и любой другой имеет свои недостатки, и поэтому существуют возможности его улучшения, или снижения негативного влияния всех недостатков на качество изделия и эффективность производства. Наиболее очевидной из них связан со способом сварки, а также за счет улучшения технологического процесса, за счет сокращения транспортных операций, физического труда.

Повышенное разбрызгивание металла и привариваемость брызг является неотъемлемыми особенностями используемого способа сварки в смеси защитных газов.

Существуют различные способы устранения указанных недостатков и совершенствования сварки в смеси защитных газов. Одни из них улучшают формирование и внешний вид шва, другие снижают разбрызгивание или влияют не только на плавление и перенос металла, но и на металлургические особенности процесса сварки.

В настоящее время существуют ряд направлений по совершенствованию технологического процесса сварки, в том числе использование гофрированной проволоки и проволоки со специальными добавками, применение системы оптимизации режима сварки и импульсного модулирования параметров режима сварки, широко используются методы по уменьшению привариваемости брызг за счет применения специальных защитных покрытий.

Наиболее широко используется покрытие ПЗ-1. Выбор данного покрытия обусловлен тем, что оно имеет низкую стоимость, легко наносится на поверхность деталей перед сваркой и удаляется с нее после сварки, а также обеспечивает легкое удаление брызг со свариваемого изделия. Покрытия на основе водных растворов - КБЖ (ПЗ-1) не оказывают существенного влияния на стабильность процесса сварки в отличии от покрытий на основе жидкого стекла (АЖС, ЦЖС, МЖС), при применении которых число коротких замыканий снижается, а потери металла на разбрызгивание, наоборот, увеличивается [3].

Нельзя забывать и о возможности принципиального изменения технологического процесса сварки путем обоснованной замены используемого способа сварки на иной, или комбинирования этого способа с другими.

Одним из инновационных вариантов может считаться рациональная планировка плана участок механизированной сборки и сварки в защитных газах цилиндров шахтных крепей. Это заключается в рациональном размещении рабочих мест, производственного оборудования, применении рольгангов, монорельс, кран-укосина и т.д. Все это используется для сокращения длительности производственного цикла, за счет устранения некоторых транспортных операций или замены их другими.

Для улучшения технологического процесса сборки и сварки требуемого изделия по возможности автоматизируют процесс. Автоматизация производственного цикла позволяет устранить так называемый «субъективный фактор», когда вследствие усталости, плохого самочувствия рабочий может выполнить брак. Также автоматизация позволяет отстранить человека от выполнения трудной монотонной работы в неблагоприятных условиях (световое и тепловое излучение, задымленность). Введение автоматической сварки на некоторых операциях процесса сварки изделия значительно сокращается длительность производственного цикла детали, снижается ее себестоимость, увеличивается количество выпускаемых изделий в смену, сокращается количество рабочих, занятых в процессе изготовления детали. С этой же целью в технологический процесс вводят новые приспособления, шаблоны, манипуляторы и т.д. [4,5].



4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Некоторые детали цилиндра изготовляются из Стали 30ХГСА, которую можно назвать условно «проблемной» для сварки без предварительного подогрева, так как она склонна к образованию холодных трещин. Так же сложно произвести качественную сварку в щелевую разделку, не применяя специальной техники, что затрудняет и усложняет процесс производства механизированной сваркой в защитных газах.

Существующие в настоящее время технологии традиционных способов сварки наряду с достоинствами имеют серьезные недостатки.

Технология, связанная с уменьшением объема наплавленного металла при сварке за счет сокращения площади разделки кромок, т.е. сварка в щелевую разделку, является рациональным направлением повышения работоспособности сварных конструкций при высокой экономической их эффективности.

Достоинства технологии сварки в щелевую разделку.

1. Снижение объема и веса наплавленного металла, что в свою очередь:

2. Уменьшение зоны термического влияния за счет использования небольшой погонной энергии (особенно актуально для сварки металлов чувствительных к термическому циклу).

3. Повышение эффективного КПД источника нагрева.

4. Улучшение механических свойств сварного шва.

5. Улучшение условий удержания сварочной ванны в различных пространственных положениях.

Однако у существующей технологии сварки в щелевую разделку есть ряд существенных недостатков, которые снижают возможность ее широкого использования, а именно:

1. Необходимость точного направления электрода строго по центру зазора (во избежание «перекидывания» дуги на одну из стенок зазора или закорачивания сварочного мундштука или наконечника, что приводит к выходу его из строя).

2. Необходимость поддерживать постоянный вылет электрода по мере заполнения узкого зазора.

3. Наибольшая вероятность образования таких дефектов сварных швов как:

а) склонность к образованию пор (так как быстрый процесс охлаждения и кристаллизации металла сварочной ванны затрудняет процесс дегазации металла сварочной ванны);

б) склонность к несплавлению сварного шва с кромками разделки (характерно для механизированной сварки в смеси защитных газов.

4. Снижение устойчивости горения дуги за счет влияния ферромагнитных масс и эффекта магнитного дутья дуги.

Традиционными методами трудно решить эту технологическую задачу. Одним из вариантов можно предложить процесс сварки плавящимся электродом в смеси газов на основе аргона.

В данной выпускной квалификационной работе предложено отказаться от предварительного подогрева перед сваркой. Для того чтобы отменить предварительный подогрев Стали 30ХГСА, произведем расчет времени в течении которого первый проход кольцевого шва будет иметь температуру выше температуры подогрева [6].

Расчет произведем по формуле:

, (1)

где ДТ - разница температур плавления и температуры подогрева, К;

Q - мощность источника, Q=9920Вт;

ср - объемная теплоемкость, сr=5Дж/(см³·К);

t - время, с;

a - коэффициент температуропроводности, а=0,09см²/с.

С формулы (1) выразим время t и получим следующее уравнение:

, (2)

, (3)

Из расчета следует, что сварку первого прохода необходимо провести за 1,23мин, и если в дальнейшем расчете время, затраченное на сварку будет находиться в рассчитанном пределе или меньше, то тогда можно будет отменить предварительный подогрев.



5. ИНЖЕНЕРНЫЙ РАСЧЕТ

5.1 Выбор способа сварки и сварочных материалов

Изготавливаемое изделие - цилиндр шахтной крепи, состоит из 8 наименований деталей. В качестве материалов используется, Сталь 20, Сталь 35, Сталь 30ХГСА. Химический состав и механические свойства приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Химический состав [7]:

Сталь	C, %	Mn, %	Si, %	S, %	P, %	Cr, %	Cu, %	Ni, %	As, %
Сталь 20	0,17-0,24	0,35-0,65	0,05-0,17	0,04	0,035	0,25	0,25	0,25	0,08
Сталь 35	0,32-0,40	0,50-0,80	0,17-0,37	0,04	0,035	0,25	0,25	0,25	0,08
Сталь 30ХГСА	0,28-0,34	0,8-1,1	0,9-1,2	0,025	0,025	0,8-1,1	0,3	0,3	-

Таблица 2

Механические свойства [7]:

Сталь	в, МПа	0,2, МПа	, %
Сталь 20	490	295	16
Сталь 35	390	195	20
Сталь 30 ХГСА	655	490	16

На участке сборки и сварки цилиндров шахтных крепей предложено применить механизированную сварку в смеси защитных газов.

Для сварки, состав металла шва выбирают близким к составу основного металла, при этом необходимые свойства металла шва получают за счет сварочной проволоки. Поэтому сварку в смеси защитных газов ведут проволокой с повышенным содержанием элементов раскислителей. Этим требованиям удовлетворяет кремнево-марганцевая сварочная проволока СВ-08Г2С ГОСТ 2246-70. Химический состав проволоки приведён в таблице 3. Механические свойства шва при сварке проволокой СВ-08Г2С приведены в таблице 4.

Таблица 3

Химический состав проволоки СВ-08Г2С [8]:

Марка проволоки	Химический состав по ГОСТ 2246-70, %
	C	Si	Mn	Cr	Ni	Al	S	P
							Не более
СВ-08Г2С	0,05-0,11	1,8-2,1	0,7-0,95	0,2	0,25	0,05	0,025	0,03

Таблица 4

Механические свойства шва [8]:

Марка Проволоки	в, МПа	, %	н, Дж/См2
			200 С	00 С
СВ-08Г2С	510	24	120	60

При сварке проволокой СВ-08Г2С металл шва имеет: хорошую стойкость против образования горячих трещин, имеет наименьшее количество шлаковых включений. Сварочная проволока поставляется в мотках. Поверхность проволоки должна быть чистой и гладкой, без ржавчины и масла. Мотки проволоки обернуты парафинированной бумагой или полиэтиленовой пленкой. На рабочее место проволока подается в кассетах, на которые она наматывается на специальных мотках.

В соответствии с ГОСТ 2246-70 промышленность поставляет проволоку СВ-08Г2С следующих диаметров: 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 8,0; 10,0; 12,0 мм.

Для защиты сварочной дуги и сварочной ванны используется смесь Ar и СО₂.

5.1.1 Защитные газовые смеси. Классификация и назначение

Сварка в смеси углекислого газа с кислородом. Используемые смеси содержат обычно 20-40% О2. При сварке могут быть получен процесс с крупнокапельным переносом и импульсно-дуговой с частыми короткими замыканиями. Добавление кислорода к углекислому газу незначительно изменяет характер течения процесса. Процесс в основном отличается более высоким окислительным потенциалом защитной среды и более высокой температурой жидкого металла. Для сварки используют проволоки с повышенным содержанием раскислителей. Формирование шва несколько лучше, чем при сварке в чистом углекислом газе, но поверхность покрыта большим количеством шлака.

Сварка в аргоне с кислородом. Наиболее часто используют аргон с добавлением 1-2% или 3-5% 02. В обоих случаях могут быть получены те же процессы сварки, что и в чистом аргоне. Процесс с крупнокапельным переносом во многом подобен сварке в аргоне.

Основные закономерности струйного процесса сварки в смеси Аr + С02 такие же, как и при сварке в чистом аргоне. При сварке в смеси наблюдается некоторое уменьшение тока и диаметра капель и увеличение разбрызгивания. На больших токах наблюдается также узкое проплавление. С увеличением вылета электрода и его подогрева уменьшается как величина Iкз, так и максимальная сила тока устойчивого течения струйного процесса; увеличивается скорость расплавления электрода и уменьшается величина узкого проплавления. Процесс сварки на прямой полярности отличается очень большим излучением, скорость расплавления проволоки повышается в 1,6 раза; критическая сила тока больше, чем на обратной полярности, а максимальная сила тока стабильного процесса меньше.

Сварка в смеси аргона с углекислым газом. На производстве применяют смеси аргона, содержащие 20-25% С02 или 50% С02, а также смесь аргона с 20% С02 и 5% 02. При содержании в смеси до 15% С02 могут быть получены те же процессы, что и в чистом аргоне. С увеличением содержания углекислого газа повышается напряжение дуги и уменьшается ее длина. При содержании в смеси более 25% СО2 процессы сварки становятся близкими к процессам сварки в чистом углекислом газе. Однако только при содержании около 50% СО2 форма провара становится похожей на форму провара в чистом углекислом газе. Сварка в смеси аргона с 20-25% СО2 или с 20% СО2 и 5% О2 обеспечивает лучшее формирование шва и меньшее разбрызгивание, чем сварка в углекислом газе, а по сравнению со сваркой в аргоне получается лучше форма провара и меньшее излучение дуги; кроме того в широком диапазоне силы тока можно получить процесс с частыми короткими замыканиями.

Защитные газовые смеси для сварки плавящимся электродом на основе аргона:

- Газовая смесь К-2 (Pureshield P3`). Это наиболее универсальная из всех смесей для углеродисто-конструкционных сталей. Состоит из 82% аргона и 18% двуокиси углерода. Подходит практически для всех типов материалов;

- Газовая смесь К-3.1 (Argoshield 5). Эта смесь состоит из 92% аргона, 6% двуокиси углерода, 2% кислорода. Разработана для листовых и узких профильных (сортовых) сталей. Дает устойчивую дугу с низким уровнем разбрызгивания, небольшим усилением и плоским гладким профилем сварного шва. Смесь превосходна для глубокого провара и идеально происходит для сварки листового металла;

- Газовая смесь К-3.2 (Argoshield TC). Это смесь 86% аргона, 12% двуокиси углерода, 2% кислорода. Дает устойчивую дугу с широкой зоной нагрева и хорошим проваром профиля, подходит для глубокого провара, сварки коротких швов и для ручной, автоматической и сварки с применением робота-автомата;

- Газовая смесь К-3.3 (Argoshield 20). Это смесь 78% аргона, 20% двуокиси углерода, 2% кислорода, специально разработаная для глубокого провара широкого ассортимента профилей. Смесь хорошо подходит для наплавки и сварки толстых прокатных (сортовых) сталей;

- Газовая смесь НП-1 (Helishield H1). Это смесь 85% гелия, 13,5% аргона, 1,5% двуокиси углерода. Данная смесь дает великолепные чистые швы с гладким профилем и незначительное, либо не дает совсем, окисление поверхности. Идеально подходит для тонких материалов, где высокая скорость прохода дает низкий уровень деформации (искривления) металла;

- Газовая смесь НП-2 (Helishield H7). Это смесь 55% гелия, 43% аргона, 2% двуокиси углерода. Придает низкий уровень сварочному армированию и обеспечивает высокую скорость сварки. Смесь хорошо подходит для автоматической сварки и для применения роботов-автоматов с использованием широкого спектра толщин свариваемых материалов;

- Газовая смесь НП-3 (Helishield H101). Это смесь 38% гелия, 60% аргона, 2% двуокиси углерода. Придает стабильность дуге, что обеспечивает низкий уровень разбрызгивания и снижает вероятность появления дефектов шва. Газовая смесь НП-3 рекомендуется для сварки материалов толщиной свыше 9 мм.

От выбора защитной газовой смеси зависит качество сварки. Так, смеси, содержащие в своем составе гелий, повышают температуру сварочной дуги, что улучшает проплавление сварного шва, увеличивая производительность сварки в целом.

Данные защитные газовые смеси применимы для электродуговой сварки, как углеродистых, так и легированных сталей.

5.2 Оценка свариваемости материала конструкции

Совокупность технологических характеристик основного металла, определяющих его реакцию на изменения, происходящие при сварке и способность при принятом технологическом процессе обеспечивать надежное в эксплуатации и экономичное сварное соединение, объединяют в понятие - свариваемость.

Свариваемость определяют технологическими характеристиками, способом и режимами сварки, составом присадочного металла, флюса, покрытия или защитного газа, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатации изделия. Современное знание о природе сварочных процессов позволяет утверждать, что все однородные металлы и сплавы могут образовывать при сварке плавлением сварные соединения удовлетворительного качества. Разница между металлами, обладающими хорошей и плохой свариваемостью, заключается в том, что для соединения последних необходима более сложная технология сварки (предварительный подогрев, ограничение погонной энергии сварки, последующая термообработка, сварка в вакууме, облицовка кромок и так далее).

На свариваемость стали, наибольшее влияние оказывает ее химический состав. Хорошая свариваемость низкоуглеродистых и низколегированных сталей, позволяет широко применять их для строительных конструкций.

Свариваемость стали, приблизительно, можно определить по эквивалентному содержанию углерода. Эта расчетная методика позволяет оценить влияние химических элементов на свариваемость исследуемых углеродистых и низколегированных сталей. По данной методике определяют эквивалентное содержание углерода, зная химический состав, сопоставляя влияние отдельных элементов и примесей на образование трещин.

В производственной и научно-исследовательской практике используют целый ряд эмпирических формул для определения эквивалентного содержания углерода. Особенно часто применяется следующая формула [9]:

; (3)

где С_ЭКВ - эквивалентное содержание углерода, %;

С, Mn, Cr, Ni, Mo - содержание в стали этих элементов, %.

При С_ЭКВ?0,35% сталь хорошо сваривается, а при толщине свариваемых элементов до 8 мм хорошо сваривается при С_ЭКВ до 0,5%. При больших толщинах металла при С_ЭКВ>0,35%, требуется предварительный подогрев металла с последующей термообработкой или другие методы сварки.

Как видно из формулы увеличение в стали содержания Mn, Cr, Ni, Mo примерно в равной степени влияет на ухудшение свариваемости. Значительно ухудшает свариваемость увеличение содержание фосфора более 0,05%.

Также для оценки свариваемости применяются следующие формулы [9]:

; (4)

; (5)

где С, Mn, Cr, Si и так далее - содержание в стали этих элементов, %;

d - толщина свариваемого металла.

Последние две формулы учитывают толщину металла, повышающую склонность к образованию трещин.

Подставляя данные таблицы 1 в формулы 3,4,5 получаем С_экв= 0,413; 0,421; 0,418 соответственно.

Чтобы определить, каким способом сварки можно получить неразъемное соединение, удовлетворяющее требованиям его эксплуатации, необходимо знать, обладает ли материал технологической свариваемостью.

Технологические особенности сварки обычно вызывают ряд нежелательных последствий:

- резкое отличие химического состава, механических свойств;

- изменение структуры и свойств металла в зоне термического влияния;

- возникновение значительных внутренних напряжений, что часто сопровождается короблением сварной конструкции и образованием трещин;

- образование тугоплавких, и трудно удаляемых окислов и других химических соединений, загрязняющих металл шва и ухудшающих его свойства;

- образование пористости и другие.

Существуют универсальные и специальные виды оценки технологической свариваемости.

К универсальным относят - определение механических свойств, склонности к образованию горячих трещин, стойкости против образования трещин в зоне термического влияния. К специальным относятся - определение стойкости сварного соединения против коррозии и истирания, обрабатываемости наплавленного металла зоны термического влияния, стойкости металла шва против старения и другие.

Методы определения технологической свариваемости могут быть прямыми и косвенными. Прямые - свариваемость определяют непосредственным осуществлением сварки образцов, а иногда и изделий. Косвенные - сварочный процесс заменяется другим, имитирующим влияние сварки на металл изделия.

На основе проведенных испытаний устанавливается технологическая свариваемость испытуемого материала, то есть решается вопрос о том, при каких способах сварки и с использованием каких сварочных материалов можно получить качественное сварное соединение, удовлетворяющее условиям эксплуатации.

5.3 Металлургические и технологические особенности принятого способа сварки

Сварочная металлургия отличается от других металлургических процессов высокими температурами термического цикла сварки и малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии, т.е. в состоянии, доступном для металлургической обработке металла сварного шва. Кроме того, специфичны процессы кристаллизации сварочной ванны, начинающегося от границ сплавления, и образования измененного по своим свойствам металла зоны термического влияния.

Высокие температуры, используемые при сварке плавлением, с одной стороны, понижают термодинамическую устойчивость оксидов, но, с другой стороны, скорость их образования резко увеличивается и за очень небольшое время сварочного цикла, металлы поглощают значительное количество кислорода. Источниками кислорода в металле при сварке служат окислительно-восстановительные реакции между металлом и атмосферой сварочной дуги.

Восстановление металла сварного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.

Восстановление и раскисление сварочной ванны можно осуществить несколькими путями:

- извлечение его более активными металлами - раскисление осаждением;

- восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны;

- извлечение оксидов из металлической ванны путем обработки ее шлаками.

Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применятся с разным успехом.

В зоне сварки металлы, жидкие или нагретые до температуры, близкой к температуре плавления, встречаются не только с кислородом, но и со сложными газами, такими, как угарный газ, углекислота, аргон, пары воды. В результате взаимодействия металлы могут подвергаться окислению или, восстановлению в зависимости от температуры и соотношений концентраций компонентов газовой атмосферы [9].

Состав металла шва при сварке в защитных газах плавящимся электродом определяется составом газа, составом электродной проволоки и основного металла, их долями в металле шва и ходом металлургических реакций в сварочной ванне.

Температура сварочной ванны является основным параметром, который определяет направление и интенсивность физико-химических процессов в ней.

Углекислый газ, входящий в состав смеси в области высоких температур происходит разложение на СО и О₂.

2СО₂-2СО+О₂ (6)

В условиях высоких и быстро меняющихся температур при сварке состав разложения углекислого газа в разных точках дугового разряда будет изменяться.

Наличие в атмосфере дуги значительного количества кислорода требует дополнительного легирования сварочной проволоки кремнием (около 1%) и марганца (около 2%) поэтому для сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей применяют специальные сварочные проволоки СВ-08ГС, СВ-08Г2С.

Легирующие добавки с каплями электродного металла растворяются в жидком металле сварочной ванны и задерживают окисление железа.

Окислы кремния и марганца образуют легкоплавкие соединения, которые в виде шлака всплывают на поверхность сварочной ванны. При сварке в защитном газе количество шлака несколько увеличивается и составляет примерно от 1 до 1,5% массы наплавленного металла 9.

При сварке в смеси защитных газов происходит выгорание легирующих элементов.

Пределы содержания углерода, марганца и кремния в металле швов на различных сталях, выполненных в смеси защитных газов проволокой СВ-О8Г2С диаметром 1,6 мм остаются на приемлемом уровне.

На содержание легирующих элементов в сварном шве при сварке в защитном газе большое влияние оказывает режим сварки. Напряжение сварки в наибольшей степени повышает окисление и испарение элементов. В таблице 6 показано, как изменение величины тока влияет на переход легирующих элементов в шов.

Из таблицы видно, что с увеличением тока окисления металла уменьшается, так как увеличивается количество расплавленного металла и уменьшается количество защитного газа, приходящегося на единицу массы переплавляемого металла.

Таблица 6

Переход легирующих элементов в шов в зависимости от состава защитной среды и сварочного тока

Состав защитной атмосферы	Марка проволоки	I, A	Химический состав и коэффициент перехода
			C	Si	Mn
			Сш, %		Сш, %		Сш, %
Аr +СО2	СВ-08Г2С	300	0,11	0,76	0,12	0,41	0,9	0,67
		400	0,12	0,83	0,15	0,51	1,03	0,71
		500	0,12	0,84	0,18	0,59	1,14	0,84

Технология сварки выбирается в зависимости от марки стали и требований, предъявляемых к сварным соединениям. Разработанная технология сварки должна обеспечивать получение соединений, отличающихся достаточной работоспособностью при минимальной трудоемкости.

Конструктивные элементы подготовки кромок, типы сварных швов и их размеры при сварке в защитном газе должны соответствовать ГОСТ 14771-76.

Основной металл до сварки в метах сварки должен быть очищен от ржавчины, масла, влаги и других загрязнений. Сборка под сварку должна обеспечивать возможность качественной сварки.



5.4 Расчет режимов сварки

Параметрами режима дуговой сварки в смеси защитного газа плавящимся электродом являются:

1) диаметр электродной проволоки ;

2) скорость сварки ;

3)сварочный ток ;

4) напряжение сварки ;

5) вылет электродной проволоки ;

6) скорость подачи электродной проволоки ;

7) расход смеси защитного газа (Ar + СО2) .

Рассчитаем режимы сварки кольцевого шва №6 ФЮРА.М13801.000.000.00.СБ:

Расчет режима сварки в смеси защитного газа выполняем по площади наплавленного металла [9]:

Площадь наплавленного металла =220мм², варить за 6 проходов.

Рассчитаем диаметр электродной проволоки:

, (7)

где - коэффициент зависящий от положения сварки, ;

- площадь наплавленного металла за один проход, мм², =35 мм².

мм



Принимаем диаметр проволоки =1,6мм.

Рассчитаем скорость сварки :

, (8)

После подстановки получаем:

Данное значение удовлетворяет условия (по времени) пункта 4.

Скорость подачи электродной проволоки определяется:

, (9)

Подставив полученные значения получаем:

Рассчитаем сварочный ток и напряжение :

Сварочный ток:

, (10)

Подставив значения, получаем:



=362,3А

Напряжение сварки:

, (11)

Подставив значения, получаем:

В

По рекомендациям [10]принимаем: =32В, =310А.

Рассчитаем расход смеси защитного газа по формуле:

, (12)

0,24л/с=14,4л/мин

Рассчитаем режимы сварки шва №2 ФЮРА.М13801.000.000.00.СБ:

Площадь наплавленного металла =50мм², варить за 2 прохода.

Рассчитаем диаметр электродной проволоки: где ;

=25 мм².

мм

Принимаем диаметр проволоки =1,2мм.

Рассчитаем скорость сварки :



Скорость подачи электродной проволоки:

Сварочный ток:

=337А

Исходя из рекомендаций [10] принимаем: =310А. Напряжение сварки:

В

Исходя из рекомендаций [10] принимаем =32В.

Расход смеси защитного газа:

0,19л/с=11,4л/мин

Остальные швы считаются аналогично. Результаты расчета сводим в таблицу 7.



Таблица 7

Режимы сварки

Номер шва	, мм	, А	, В	, л/мин
№1	1,2	310±5	32	11,4
№2	1,2	310±5	32	11,4
№3	1,2	310±5	32	11,4
№4	1,2	310±5	32	11,4
№5	1,2	310±5	32	11,4
№6	1,6	310±5	32	14,4
№7	1,2	310±5	32	11,4
№8	1,2	310±5	32	11,4



6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1 Технологический анализ выбранного производства

В разработке проектов сварочного производства большое значение имеет определение наиболее целесообразных форм организации производственных процессов для выпуска заданной продукции.

В зависимости от числа различных заданных видов изделий и повторяемости их изготовления может быть установлена принадлежность проектируемого цеха к определенному типу производства (единичное, мелкосерийное, крупносерийное, массовое). Однако нередко в одном цехе предусматривают организацию производства разных типов. Особенно часто в одном цехе совмещают единичное и мелкосерийное производство.

Единичное и мелкосерийное производство отличается большой и неустойчивой номенклатурой выпускаемых изделий. В производственном процессе применяют универсальное оборудование и переналаживаемую оснастку упрощенной конструкции с ручной подачей исходного металла и штучных заготовок. В основном используют общецеховой транспорт [2].

В серийном производстве номенклатура выпускаемых изделий ограниченная и достаточно устойчивая. Изготовление изделия производят периодически повторяющимися сериями на специализированных участках, на переменно-поточных линиях с применением универсального оборудования. Характерно применения простой и комбинированной оснастки с ручной или механизированной подачей листов, прутков, полос или штучных заготовок. Используют общецеховой и напольный транспорт [2].

В крупносерийном производстве номенклатура выпускаемых изделий ограниченная и устойчивая. Изделие производят периодически повторяющимися крупными сериями на специализированных участках, механизированных переменно-поточных линиях. Применяют специализированное оборудование, комплексно-механизированные поточные линии раскроя и специальное нестандартное оборудование. Широко используется подвесной и напольный транспорт [2].

Массовое производство отличается весьма устойчивой номенклатурой выпуска продукции, включающий один тип изделий в большом количестве. Изделия производят с постоянным ритмом потока на комплексно-механизированных и автоматических поточных линиях с применением специализированного транспорта [2].

Из указанных выше характеристик следует: чем ближе проектируемое производство к типу массового, тем быстрее происходит в нем продвижение изготовляемых изделий, тем больше и равномернее загрузка производственного оборудования, тем целесообразнее применение механизированных подъемно-транспортных устройств для передвижения сборочных единиц изготовляемых изделий и использование высокопроизводительных механизированных и автоматизированных способов сварки продукции, требующих для своего осуществления сложного оборудования [2].

На основе вышеизложенных характеристик и данных таблицы 1 [2], учитывая, что годовая программа выпуска составляет N=10000шт. и масса цилиндра m=128кг, делаем вывод что, проектируемое сварочное производство относится к типу серийное.

6.2 Общая структура процесса изготовления сварной конструкции

Технологический процесс изготовления изделия начинается с подбора деталей, входящих в сборочную единицу, согласно комплектовочной карте.

Технологический процесс изготовления изделия начинается с операции комплектования, в которой подбирают детали, входящие в сборочные единицы согласно комплектовочной карте; проверяется наличие паспорта.

Устанавливают заготовку цилиндра поз. 1 в приспособление ПСС-1. Далее на поз. 1 по приспособлению согласно чертежу ставятся две бобышки поз. 4. Размеры обеспечиваются приспособлением. Также ставятся детали поз. 3 и поз. 6, устанавливаются заглушки на поз. 3 и поз. 6 предохраняющие от брызг сварки, после которой заглушки убираются, далее производится предварительный подогрев в зонах прихваток деталей поз. 3, поз. 4, поз. 6. На околошовную зону, деталей поз. 3, поз. 4, поз. 6, наносится защитное покрытие ПЗ-1. Прихватываются детали поз. 3, поз. 4, поз. 6, в порядке установки, после которой сборочную единицу снимают с приспособления с помощью крана-балки и устанавливают на подставку цеховую. Производится предварительный подогрев перед сваркой каждой позиции. Привариваются детали поз. 4, поз. 6, поз. 3, после сварки производится отпуск сварных швов после сварки каждой детали. Зачищается сварное соединение от брызг сварки, срубаются наплывы. Проверяется сварное соединение внешним осмотром. Кран-балкой сборочная единица перемещается на стенд сварочный. Дно поз. 2 устанавливается через оправку в стенд и собирается со сборочной единицей согласно чертежу. Производится приварка дна поз. 2 со сборочной единицей, сварка выполняется за 5-6 проходов. Сразу после сварки производится отпуск согласно инструкции. Кран-балкой сборочная единица снимается со стенда для сварки и устанавливается на подставку цеховую. По месту устанавливаются заглушки поз. 3 и поз. 6. Далее прихватываются и привариваются детали поз. 7 и поз. 8. Изделие подвергается слесарной обработке и контролю.

6.3 Сравнительная оценка вариантов технологического процесса изготовления изделия и выбор оптимального

Весь технологический процесс представляет собой последовательность взаимосвязанных операций. Работы, сопряженные с повышенными физическими нагрузками выполняются с использованием кран-укосина. Основная сборка цилиндра производится на сборочно-сварочных приспособлениях, обеспечивающих точность и быстроту сварки.

В качестве оптимального технологического процесса сборки и сварки цилиндра шахтной крепи, я предлагаю применять технологический процесс с применением импульсной сварки и отмены предварительного подогрева для некоторых операций. Что позволит снизить время, затрачиваемое на сварку сборочных единиц, понизить трудоемкую операцию по зачистке изделия от брызг.

6.4 Техническое нормирование операций

Техническое нормирование является основой правильной организации труда и заработной платы.

Большое значение нормирования труда имеет для организации оперативного планирования. Расчет загрузки оборудования, производственной мощности оборудования, каждого рабочего места, участка, цеха, предприятия осуществляют на основе норм затрат труда.

Нормирование труда является неотъемлемой частью организации его оплаты [11].

Для примера произведем нормирование операции 070, приварки дна поз. 2 к цилиндру поз.1 (автоматическая сварка).

Норма штучного времени для всех видов дуговой сварки рассчитывается по формуле:

, (13)

где - неполное штучно-калькуляционное время;

- длина свариваемого шва по чертежу;

- вспомогательное время, зависящее от изделия и типа оборудования.

Неполное штучно-калькуляционное время на 1 м шва рассчитывается по формуле:

, (14)

где - основное время сварки;

- вспомогательное время, зависящее от длины свариваемого шва;

- соответственно время на обслуживание, отдых и личные необходимости, подготовительно-заключительную работу, % к оперативному времени, для автоматической сварки - , для механической -

Основное время сварки для автоматической сварки в смеси защитного газа рассчитывается по формуле:

, (15)

где - площадь поперечного сечения наплавленного металла шва, мм²;

г/см³ - плотность наплавленного металла [11];

- сила сварочного тока;

г/(А ч) - коэффициент наплавки электродной проволоки [11].

По формуле рассчитываем основное время сварки:

мин

Подставляем основное время сварки в формулу:



мин

Норма штучного времени равна:

мин

где - - время, учтенное в операциях 060 и 080 (на установку и снятие сборочной единицы).

Так как на данной операции используется способ импульсно дуговой сварки длинной дугой, то за счет стабилизации дуги и уменьшения размеров капель, снижения разбрызгивания уменьшаем время сварки на 30%.

Произведем нормирование 060 операции, приварка заглушек поз. 7 и поз. 8.

Основное время сварки в смеси защитного газа:

Шов №1:

мин

Шов №8:

мин

Подставляем основное время сварки в формулу:

Шов №1:

мин



Шов №8:

мин

Норма штучного времени равна:

мин

Остальные операции нормируются аналогичным образом. Результаты расчета сводим в таблицу 8.

Таблица 8

Нормирование операций

Наименование операции	Базовый техпроцесс	Предлагаемый техпроцесс
Комплектовочная	9?	9?
Сборка	9?	9?
Нагревание	4,8?	4,8?
Сварка	1,8?	1,8?
Слесарная	6?	6?
Нагревание	27?	27?
Сварка	38,4?	38,4?
Термообработка	18?	18?
Слесарная	6,18?	6,18?
Контроль	4?	4?
Слесарная	4,44?	4,44?
Нагревание	18?	-
Сварка	4,75?	4,75?
Термообработка	15,7?	10,95?
Слесарная	3?	3?
Сварка	2,6?	2,6?
Слесарная	12?	12?
Контроль	5?	5?
Итого	189,7?	166,9?

Как видно из расчетов предлагаемого технологического процесса сборки и сварки цилиндра, время на изготовления изделия стало меньше на 18 минут по сравнению с базовым вариантом.

6.5 Выбор технологического оборудования

На участке сборки и механизированной сварки в смеси защитного газа

цилиндров шахтных крепей, я предлагаю применить следующее оборудование: полуавтомат PDE 7FW, выпрямитель Magtronic 500W.

Таблица 9

Технические характеристики полуавтомата PDE 7FW

п/п	Характеристики	Значение
1	Скорость подачи электродной проволоки, м/мин.	1ч24
2	Скорость нарастания подачи электродной проволоки, %	10ч100
3	Диаметр электродной проволоки, мм	0,8ч1,6
4	Габаритные размеры, мм	335Ч465Ч645
5	Масса, кг	20

Таблица 10

Технические характеристики выпрямителя «Magtronic»

п/п	Характеристики	Значение
1	Мощность источника, кВт	27
2	Сила тока, А	500
3	Напряжение, В	18ч47
4	Габаритные размеры, мм	445Ч920Ч950
5	Масса, кг	150

6.6 Контроль технологических операций

Обеспечение высокого качества сварочных работ - одна из наиболее важных научно-технических и производственных проблем в области сварки.

Качество сварки контролируется внешним осмотром и измерением швов, которые проводятся самостоятельно или предшествует применению любого другого метода разрушающего и неразрушающего контроля. Осмотру подвергаются сварной шов и зона прилегающего к шву основного металла на расстояние не менее 20 мм от границы шва.

Внешний осмотр производится для выявления дефектов, выходящих на поверхность. Возможность и необходимость проведения контроля и нормы допустимых дефектов определяются техническими условиями на продукцию. Контролируемый сварной шов должен быть в соответствии с ГОСТ 23479-79 [12].

Внешний осмотр производится невооруженным глазом, а также с помощью лупы, четырех-семикратного увеличения, после тщательной очистки швов и околошовной зоны от шлака, брызг и других загрязнений.

6.7 Разработка технической документации

В целях наиболее удачного расположения всех записей и расчетных данных разработку технических процессов выполняют на особых бланках, называемых ведомостями технологического процесса, технологическими картами и инструментальными картами. Эти бланки после их заполнения составляют документацию разработанного технологического процесса. Содержание ее зависти от степени детализации разработки технологического процесса, требуемой для разных типов проектного производства.

Для изделий крупносерийного производства составляют подробные технологические карты для каждого рабочего места или по каждой операции. Помещаемые в технологических картах данные о принятых режимах сварки должны включать все необходимые параметры, обеспечивающие для каждого выбранного способа сварки требуемое высокое качество и эксплутационную надежность заданных сварных соединений с указанием на использование при их выполнении надлежащих марок, размеров и количеств присадочных материалов, защитных газов, а также типов применяемых машин, аппаратуры и оснастки.

В практике проектирования обычно разделяют детальную разработку технологического процесса на две части, существенно различающиеся между собой. Первую часть, представляющую собой собственно технологическое проектирование производственного процесса, называют планированием технологического процесса. Эта часть включает составление последовательного перечня операций технологического процесса и определения по каждой операции режима ее выполнения, необходимых типов оборудования, оснастки, числа и квалификации рабочих. Вторая, заключительная часть детальной разработки технологии производства, называется нормированием технологического процесса, содержит необходимые подсчеты по определению трудоемкости и продолжительности каждой операции, а также затрачиваемых на их выполнение количеств материалов и производственной энергии [13].

Документация производственного технологического процесса изготовления цилиндра представлена в приложении к пояснительной записке.



7. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

7.1 Общая характеристика механического оборудования

Механизация и автоматизация производственного процесса изготовления сварочных изделий представляет собой одну из основных задач современного сварочного производства, решение которой резко повышает производительность труда.

Сборочные операции при изготовлении сварочных конструкций имеют цель - обеспечение правильного взаимного расположения и закрепления деталей собираемого изделия. Наиболее рационально для сборки использовать прижимы.