Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт: Неразрушающего контроля

Кафедра: Оборудование и технология сварочного производства

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе:

«Технологические основы сварки плавлением и давлением»

Студент Стеквашов Е. А.

Руководитель Трущенко Е. А.

Томск 2011



ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

ВАРИАНТ №13

Материал:

1. Сталь 17ГС

2. Сталь 15.

S - толщина пластины.

1. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

2. Сварка в среде защитных газов плавящимся электродом.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Механические свойства и химический состав сталей

1.1.1 Механические свойства и химический состав стали 15

1.1.2 Механические свойства и химический состав стали 17ГС

1.2 Оценка свариваемости стали

2. СПОСОБЫ СВАРКИ

2.1 Сущность, достоинства и недостатки ручной дуговой сварки покрытыми электродами

2.2 Сущность, достоинства и недостатки сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

3. ВЫБОР СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Выбор сварочных материалов для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

3.2 Выбор сварочных материалов для сварки в среде защитных газов неплавящимся электродом

4. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ СВАРКИ

4.1 Расчет режимов для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

4.2 Расчет режимов для сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

5. РАСХОД СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1 Расход электродов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

5.2 Расход электродной проволоки при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА ШВА

6.1 Определение химического состава металла шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

6.2 Определение химического состава металла шва при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом

7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОЖИДАЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛА ШВА

7.1 Определение ожидаемых механических характеристик металла шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

7.2 Определение ожидаемых механических характеристик металла шва при сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

8. ВЫБОР СВАРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

8.1 Выбор сварочного оборудования для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

8.2 Выбор сварочного оборудования для сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

9. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ

10. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

11. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СВАРОЧНЫХ РАБОТ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластической деформации, или совместном действии того и другого.

Для получения неразъемного соединения при сварке плавлением кромки металла свариваемых элементов (основной металл) и дополнительный металл (сварочная проволока и др.) в месте соединения расплавляются, самопроизвольно сливаются в общую, так называемую сварочную ванну, в которой происходят многие физико-химические процессы и устанавливаются металлические связи.

Сварка - один из наиболее широко распространенных технологических процессов. С помощью сварки соединяются между собой различные металлы, пластмассы, стекла и разнородные материалы. Основное применение находит сварка металлов и сплавов при сооружении новых конструкций, ремонте различных изделий, машин и механизмов, создание двухслойных материалов. Прочность сварного соединения, в большинстве случаях, не уступает прочности целого металла.

Целью данной работы является: получение сварного соединения двух листов встык толщиной 5мм и 7мм. Материалы - Сталь 15 и Сталь 17ГС.



1. ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1 Механические свойства и химический состав сталей

1.1.1 Механические свойства и химический состав стали 15

Сталь 15 - сталь конструкционная углеродистая качественная. Данная сталь поставляется по ГОСТ 1050-74. Заменителями являются сталь 10 и сталь 20.

Класс стали: перлитная.

Применение: болты, винты, крюки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой пластичности работающие при температурах от -40 до 450;после ХТО - рычаги, кулачки, гайки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и невысокой прочности сердцевины[10].

Таблица 1. Химический состав в % стали 15

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0,12-0,19	0,17-0,37	0,35-0,65	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,25	до 0,3	до 0,08

Таблица 2. Механические свойства при стали15

Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное сужение, %	Относительное удлинение при разрыве, %
375	230	55	27

1.1.2 Механические свойства и химический состав стали 17ГС

Сталь 17ГС - сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций(марганцевая). Данная сталь поставляется по ГОСТ 19281-89. Заменителем является сталь 16ГС.

Класс стали: перлитная.

Применение: корпуса аппаратов, днища, фланцы и другие сварные детали, работающие под давлением при температурах от -40 до 475 [10].

Таблица 3. Химический состав в % стали 17ГС

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As
0,14-0,20	0,4-0,6	1-1,4	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,3	до 0,008	до 0,3	до 0,08

Таблица 4. Механические свойства при стали17ГС

Предел прочности, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное сужение, %	Относительное удлинение при разрыве, %
520	350	45	23

1.2 Оценка свариваемости стали

В данной курсовой работе рассматриваются две марки стали относящиеся к группе низкоуглеродистых конструкционных сталей, но с разным содержанием легирующих элементов. Поэтому расчет свариваемости можно производить на основе низколегированной стали 17ГС.

Полный эквивалент углерода равен:

, (1)

где - химический эквивалент углерода в стали;

- размерный эквивалент углерода, учитывающий толщину свариваемого материала[4, стр.35].

Химический эквивалент содержания углерода подсчитаем по формуле[2, стр.75]:

Согласно химическому составу стали 17ГС (таблица 3) химический эквивалент равен:

Определим размерный эквивалент углерода по формуле:

(3)

где S - толщина свариваемой детали, S=5 мм.

Тогда:

Следовательно, полное эквивалентное содержание углерода равно:

Так как входит в диапазон 0,35 0,45 можно сделать вывод, что свариваемость у стали ограниченная и нужен предварительный подогрев.

Чтобы не производить подбор температуры предварительного подогрева деталей, можно использовать выражение для ее определения[4, стр.35]:

(4)

Стали этих групп относятся к хорошо сваривающимся практически всеми видами сварки. Основные требования при их сварке - обеспечение равнопрочности сварного соединения основному металлу, отсутствие дефектов, требуемая форма сварного; шва, производительность и экономичность. При сварке плавлением эти требования обеспечиваются выбором и применением типовых сварочных материалов, режимов и технологии выполнения сварки.

Выпускаются низкоуглеродистые качественные стали с нормальным (10,15,20 и др.) и повышенным (15Г, 20Г) содержанием марганца.

Эти стали хорошо свариваются всеми способами дуговой сварки. Однако они обладают невысокими механическими характеристиками и их применение связано с увеличением металлоемкости и массы конструкций. Уменьшить удельный расход стали можно, повышая прочностные характеристики. С этой целью в сталь вводят легирующие элементы, которые, образуя твердые растворы и химические соединения, повышают ее свойства. Это позволяет снизить массу изготовляемых конструкций. Сейчас все шире применяют низкоуглеродистые низколегированные стали с содержанием легирующих элементов до 2,5%. Основными легирующими элементами являются марганец, кремнии, хром и никель. Для повышения коррозионной стойкости стали вводят медь (0,3-0,4%). Такие стали обладают удовлетворительной свариваемостью. Предусмотрен выпуск 28 марок низколегированных сталей, применяемых для сварных конструкций [11].



2. СПОСОБЫ СВАРКИ

2.1 Сущность, достоинства и недостатки ручной дуговой сварки покрытыми электродами

Сущность процесса: Дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Под действием теплоты дуги электрод и основной металл плавятся, образуя металлическую сварочную ванну. Капли жидкого металла с расплавляемого электродного стержня переносятся в ванну через дуговой промежуток. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защиту, вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковая ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги металл сварочной ванны затвердевает и образует сварной шов. Жидкий шлак по мере остывания образует на поверхности шва твёрдую шлаковую корку, которая удаляется после остывания шва (рисунок 1).

Рис.1 Схема процесса ручной дуговой сварки покрытым электродом

Основные преимущества данного способа сварки:

§ возможность сварки во всех пространственных положениях и в условиях монтажа;

§ относительная простота, надежность и мобильность оборудования сварки;

§ возможность сварки различного спектра металлов (углеродистые стали, цветные металлы, медь и т. д.) и толщин;

§ возможность использования более дешевого оборудования;

§ высокоманевренный способ.

Основные недостатки данного способа сварки:

§ низкая производительность;

§ наличие на сварной ванне шлака;

§ самый тяжелый способ сварки по технике выполнения;

§ многофакторность качества сварного соединения (человеческий фактор, оборудование и т. д.);

§ тяжелые условия труда для сварщика.

2.2 Сущность, достоинства и недостатки сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

Сущность процесса: дуга возбуждается и горит между электродной проволокой и изделием и все место сварки находится под действием защитного газа. Полуавтоматический или автоматический вариант. Механизированная подача электродной проволоки (рисунок 2).



Рис.2 Схема процесса сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

Достоинства данного способа сварки:

§ Высокая производительность;

§ Отсутствие на поверхности сварочной ванны шлака;

§ Возможность сварки во всех пространственных положениях (вертикальный, сверху вниз, без использования специальных сварочных материалов);

§ Легкая автоматизация, механизация процесса;

§ Более лучшие условия труда для рабочего;

§ Легкая техника сварки;

§ Значительный спектр свариваемых материалов;

§ Отсутствие операций по удалению шлака, по засыпке флюса.

Недостатки данного способа:

§ На некоторых режимах возможно повышенное разбрызгивание;

§ Необходимость использования дополнительного газового оборудования;

§ Значительное воздействие сквозняка и ветра на сварку;

§ Более сложное сварочное оборудование;

§ При сварке в активных газах необходимость применения проволоки с повышенным содержанием элементов раскислителей.



3. ВЫБОР СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

3.1 Выбор сварочных материалов для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

Низколегированные низкоуглеродистые стали сваривают электродами типов Э42, Э50А с основным покрытием марок УОНИ-13/45, СМ-11, УОНИ-13/55 и др. Так как мы имеем две стали разной толщины и нам нужно обеспечить получение равнопрочного соединения, то подбор электродов производим по стали, имеющей меньшую толщину, т.е. по стали 17ГС. Выберем электроды типа Э50А, так как предел прочности низколегированной стали составляет 520 МПа. К этому типу относятся такие марки электродов, как ТМУ-21У, АНО-10, СЗСМ-02, УОНИ-13/55 и др. Рассмотрим две марки электродов этого типа.

Таблица 5. Сварочно-технологические свойства электродов

Сварочно-технологические свойства	ТМУ-21У	УОНИ-13/55
Род тока и полярность	Постоянный, обратная полярность	Постоянный, обратная полярность
Коэффициент наплавки, г/Ач	9,5	9,5
Устойчивость горения дуги	удовлетворительная	удовлетворительная
Разбрызгивание	среднее	среднее
Формирование шва	удовлетворительное	удовлетворительное
Отделимость шлаковой корки	удовлетворительная	удовлетворительная
Расход электродов на 1кг наплав-ленного металла	1,7	1,7
Технологические особенности сварки	Сварку производят на короткой и предельно короткой длине дуги. Возможно кратков-ременное удлинение дуги без образования пор. Прокалка перед сваркой: 360-400°С; 1 ч.	Сварку производят только на короткой дуге по очищенным кромкам. Прокалка перед сваркой: 350°С, 1 ч

Выберем электроды УОНИ 13/55, пригодные для сварки во всех пространственных положениях на постоянном токе обратной полярности, за исключением вертикального сверху вниз. Марки ТМУ-21У и УОНИ 13/55 имеют одинаковый расход электродов и коэффициент наплавки. Но эти электроды имеют преимущество в сравнении с электродами аналогичного назначения: электроды УОНИ-13/55 обеспечивают получение металла шва с высокой стойкостью к образованию кристаллизационных трещин и низким содержанием водорода.

Таблица 6. Типичный химический состав наплавленного металла, %

C, не более	Si	Mn	S, не более	P
0,11	0,18-0,30	0,65-1,20	0,030	0,035

Таблица 7. Типичные механические свойства наплавленного металла, полученного при плавлении электродов марки УОНИ-13/55

Временное сопротивление, МПа	Предел текучести, МПа	Относительное удлинение, %	Ударная вязкость, Дж/см?
540	410	28	240

3.2 Выбор сварочных материалов для сварки в среде защитных газов неплавящимся электродом

При сварке низколегированных низкоуглеродистых сталей в среде защитных газов используют углекислый газ, а также смеси углекислого газа с аргоном и кислородом, в качестве сварочных проволок в этом случае применяют проволоки марок Св-08ГС, Св-08Г2С и др.

Инертные газы и смеси инертных газов, как правило, не применяют в связи с повышенной склонностью швов на этих сталях к образованию пор.

Для сварки данных сталей выберем смесь

Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050-85. Он может находиться в газовой смеси с аргоном, кислородом и др. Но чаще находит промышленное применение при сварке низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей газовая смесь углекислого газа с кислородом. Смесь оказывает более интенсивное окисляющее действие на жидкий металл, чем чистый углекислый газ. Благодаря этому повышается жидкотекучесть металла, что улучшает формирование шва. Кроме того, кислород дешевле углекислого газа, что делает смесь экономически выгодной.

Смесь по сравнению с при сварке плавящимся электродом обеспечивает более высокую стойкость сварных швов против образования водородных пор и и кристаллизационных трещин. Кроме того, в связи с повышенным окислительным потенциалом защитного газа капли электродного металла, вылетающие в виде брызг из зоны горения дуги, как правило, не привариваются к основному металлу, поскольку они оказываются покрытыми пленкой окислов [11].

Основной особенностью сварки в углекислом газе является использование электродных проволок с повышенным содержанием элементов раскислителей, компенсирующих их выгорание в зоне сварки. Для сварки нашего соединения выбираем стальную сварочную поволоку марки Св-08ГС ГОСТ 2246-70. Химический состав проволоки представлен в таблице 8.

Таблица 8. Химический состав сварочной проволоки Св-08ГС,%

C	Cr	Si	Mn	S	P	Ni
?0,10	?0,20	0,6 -0,85	1,4-1,7	0,025	0,030	?0,25



4. РАСЧЕТ РЕЖИМОВ СВАРКИ

4.1 Расчет режимов для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

Определение режимов сварки обычно начинают с диаметра электрода, который назначают в зависимости от толщины листов при сварке швов стыковых соединений.

Сварку осуществляем без подкладок и за несколько проходов, так как нужно обеспечить провар и формирование корня шва. Первый проход (корень шва) выполняем электродом диаметром 2,5 мм, все последующие проходы выполняются электродом диаметром 4 мм.

Таблица 9. Геометрические размеры сварного шва и подготовленных кромок под сварку по ГОСТ 5264-80

Условное обозначение сварного элемента	Конструктивные элементы	S=S1	e	g
	подготовленных кромок свариваемых деталей	сварного шва		номин.	пред. откл.	номин.	пред. откл.
С17			Св.5,0до8,0	12	± 2	0,5	+ 1,5 - 0,5

Сварка стыковых соединений деталей неодинаковой толщины при разнице, не превышающей значения 2 мм для нашего случая, должна проводиться так же, как деталей одинаковой толщины; конструктивные элементы подготовленных кромок и размеры сварного шва следует выбирать по большей толщине.

Для осуществления плавного перехода от одной детали к другой допускается наклонное расположение поверхности шва[6].

Рис.3 Наклонное расположение поверхности шва

При сварке швов стыковых соединений площадь поперечного сечения металла, наплавляемого за один проход, при которой обеспечиваются оптимальные условия формирования, должна составлять не более, :

для первого прохода (при сварке корня шва)

, (5)

для последующих проходов

(6)



Рис.4 Геометрические элементы площади сечения стыкового шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

Определим площадь поперечного сечения наплавленного металла:

(7)

Находим необходимое число проходов для обеспечения заданной геометрии шва:

Принимаем число проходов равным 2.

Произведем расчет режимов сварки для электродов диаметрами 2 мм и 3 мм.

1.)Определим силу сварочного тока:

где - диаметр электродного стержня, мм;

j - допускаемая плотность тока, А/.

Для электродов диаметром 2 мм:

Принимаем

для электродов диаметром 3 мм:

Принимаем

2.)Определим напряжение на дуге:

(10)

для электродов диаметром 2 мм:

для электродов диаметром 3 мм:

Для электродов с основным покрытием значения дуги целесообразно повысить до 5%. Принимаем для электродов диаметром 2 мм и для электродов диаметром 3 мм.

3.)Определим скорость сварки:

где - коэффициент наплавки, г/Ач;

- площадь поперечного сечения наплавленного металла за данный проход, ;

- плотность наплавленного металла за данный проход, равная 7,85 г/

Для электродов диаметром 2 мм:

Для электродов диаметром 3 мм:

4.)Определим погонную энергию при сварке:

где - эффективная тепловая мощность сварочной дуги, Дж;

- ток сварочной дуги, А;

- напряжение на дуге, В;

- эффективный КПД нагрева изделия дугой, для сварки покрытыми электродами на постоянном токе 0,75…0,85. Принимаем .

- скорость перемещения сварочной дуги, см/с.

Для электродов диаметром 2 мм:

Для электродов диаметром 3 мм:

Глубину провара допускается рассчитывать только для одного из диаметров электрода. Рассчитаем для диаметра 2 мм.

5.)Определим глубину проплавления:



Если в формулу подставить значения всех констант для низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, то получим выражение, в котором погонная энергия подставляется в тепловых величинах.

, (14)

Так как действительные условия ввода теплоты в изделие при ручной дуговой сварке отличаются от расчетной схемы, то глубина провара равна:

(15)

4.2 Расчет режимов для сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

Сварка встык деталей неодинаковой толщины в случае разницы по толщине, не превышающей значения 2 мм для нашего случая, должна проводиться так же, как деталей одинаковой толщины; конструктивные элементы подготовленных кромок и размеры сварного шва следует выбирать по большей толщине[7].

Для осуществления плавного перехода от одной детали к другой допускается наклонное расположение поверхности шва (рис. 5).



Таблица 10. Геометрические размеры сварного шва и подготовленных кромок под сварку по ГОСТ 14771-76

С17	Условное обозначение сварного элемента
	Подготовленных кромок свариваемых деталей	Конструктивные элементы
	сварного шва
УП	Способ сварки
5,0-7,0	S=S1
1	Номин.	b
±1,0	Пред. откл.
1	Номин.	c
±1,0	Пред. откл.
8	Номин.	e
±2	Пред. откл.
1	Номин.	g
±1	Пред. откл.
20	, град.(пред. откл. )



Рис.5 Наклонное расположение поверхности шва

Выбираем диаметр электродной проволоки согласно рекомендации [5, стр.45] равным 1,2 мм.

Принимаем величину вылета электрода равной 10 мм. Число проходов равно 2[5, стр.47].

Рис.6 Геометрические элементы площади поперечного сечения стыкового шва при сварке в плавящимся электродом

1.)Определим площадь наплавленного металла по формуле(7)[3, стр.129]:

Примем площади поперечного сечения наплавленного металла для первого и второго проходов

Рассчитаем параметры сварки для первого и второго проходов.

2.) Определим величину силы тока по формуле(9):

где - допустимая плотность тока, . Примем для первого прохода , для второго Тогда

для первого прохода Примем

для второго прохода Примем

3.) Определим напряжение дуги:

для первого прохода . Примем ;

для второго прохода . Примем

4.)Определим скорость сварки по формуле(10):

где - коэффициент наплавки, г/Ач;

- плотность наплавленного металла, равная 7,85 г/

При сварке в среде углекислого газа величина коэффициента наплавки может существенно отличаться от величины коэффициента расплавления проволоки в связи с потерями электродного металла.

(17)

где - коэффициент потерь, в относительных единицах[4, стр.18].

(18)

Это уравнение позволяет рассчитать ожидаемую величину коэффициента потерь в диапазоне плотностей тока Тогда

для первого прохода

для второго прохода

5.)Определим величину коэффициента расплавления:

где Тогда:

для первого прохода ,

для второго прохода

6.)Определим коэффициент наплавки:

для первого прохода ,

для второго прохода

7.)Тогда скорость сварки для первого прохода равна:

для второго прохода равна:

8.)Определим скорость подачи электродной проволоки:

где - площадь поперечного сечения электрода, ;

- плотность электродного металла,

Для первого прохода скорость подачи электродной проволоки равна:

Для второго прохода равна:

Так как мы не знаем глубину проплавления при первом проходе и имеем площадь , то можно из чертежа определить высоту шва.

Из чертежа получили, что



Рис.7 Определение высоты шва после первого прохода

9.) Определим глубину провара для первого прохода:

(22)

Полагая, что при сварке на принятом режиме с разделкой кромок общая высота шва C остается неизменной, можно определить глубину провара притупления .

10.) Определим глубину провара притупления:

(23)

где - высота заполнения разделки одним проходом.

где - площадь поперечного сечения металла, наплавленного за данный проход;

- зазор в стыке;

- общая высота шва;

- угол разделки.

Тогда глубина провара притупления равна:

Данная глубина проплавления притупления соответствует данным ГОСТа 14771-76.



5. РАСХОД СВАРОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1 Расход электродов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

Определим расход электродов для ручной дуговой сварки:

(25)

где - масса электродного материала;

- коэффициент расхода электродов на 1 кг наплавленного металла. Для электродов УОНИ-13/55

- масса наплавленного металла[1, стр.36].

Масса наплавленного металла определяется по формуле:

(26)

где - площадь наплавленного металла, ;

- длина шва, ;

- плотность металла;

Тогда требуемая масса электродов равна:

Расход электродов - 289 г на 0,6 м шва.

5.2 Расход электродной проволоки при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом

Определим расход сварочной проволоки:

где - коэффициент потерь, под которым понимают отношение количества металла, потерянного в виде брызг и угара, к полному количеству расплавленного электродного металла: .

Определим массу наплавленного металла по формуле(26):

для первого и второго прохода

Тогда расход электродной проволоки равен:

Определим расход газа, требуемого для выполнения шва:

(28)

где - норма расхода газа. Согласно [3, стр.168] данным

- основное время сварки. Его определяем по формуле:

Время сварки для первого прохода равно:

Время сварки для второго прохода равно:

Тогда расход газа равен:

для первого прохода

для второго прохода

Общий расход газа для двух проходов равен:

6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА ШВА

Так как у нас две стали одного класса, то содержание рассматриваемого элемента в металле шва определяется на основании правила смешения по формуле [1, стр.23]:

. (30)

где - концентрация рассматриваемого элемента в металле шва;

- концентрация рассматриваемого элемента в низкоуглеродистой стали;

- концентрация рассматриваемого элемента в низколегированной стали;

- доля участия металла низкоуглеродистой стали в металле шва;

- доля участия металла низколегированной стали в металле шва;

- доля участия электродного металла в металле шва;

- концентрация рассматриваемого элемента в электродном металле;

- переход данного элемента из покрытия в шов или его выгорание.

6.1 Определение химического состава металла шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

Определим долю участия основного металла в формировании шва:

где - площадь поперечного сечения проплавленного металла, ;

- площадь поперечного сечения наплавленного металла().

(32)

где - площадь поперечного сечения шва, .

Определим площадь поперечного сечения шва:

(33)

Можно сделать допущение, что фактическая форма провара представляет собой полуэллипс (рис.8).

Рис.8 Форма провара при ручной дуговой сварке

Определим площадь полуэллипса по формуле:

где и - полуоси эллипса.

Полуоси и

Тогда площадь полуэллипса равна:

Определим площадь поперечного сечения усиления валика:



(35)

Тогда площадь поперечного сечения шва равна:

Определим площадь поперечного сечения проплавленного металла:

.

Тогда доля участия основного металла в формировании шва равна:

Так стали относятся практически к одному классу, то доля участия основного металла в формировании шва будет примерно одинаковой. Тогда примем, что и .

Теперь определим химический состав шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами, %:

[C]

[Si]

[Mn]

[Cr]

[Ni]

[Cu]

[S]

[P]



6.2 Определение химического состава металла шва при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом

Рис.9 Форма провара при сварке в среде защитных газов

Площадь поперечного сечения наплавленного металла .

Полуоси и

Определим площадь полуэллипса по формуле(34):

Определим площадь поперечного сечения усиления валика по формуле(35):

Площадь поперечного сечения шва находим по формуле(33):

Площадь поперечного сечения проплавленного металла определим по формуле(32):



Определим долю участия основного металла в формировании шва по формуле(31):

Так стали относятся практически к одному классу, то доля участия основного металла в формировании шва будет примерно одинаковой. Тогда примем, что и .

Теперь определим химический состав шва при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом, %:

[C]

[Si]

[Mn]

[Cr]

[Ni]

[Cu]

[S]

[P]



7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОЖИДАЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МЕТАЛЛА ШВА

Прочность и работоспособность сварного соединения зависят от его формы и соотношения механических свойств металла шва, околошовной зоны (обычно зоны термического влияния) и основного металла.

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необходимо учитывать действие следующих технологических факторов:

- долю участия основного металла в формировании шва и его химический состав;

- тип и химический состав сварочных материалов;

- метод и режим сварки;

- тип соединения и число проходов в сварном шве;

- размеры сварного соединения;

- пластические деформации растяжения в металле шва при его остывании.

дуговой сварка электрод газ

7.1 Определение ожидаемых механических характеристик металла шва при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

Экспериментальное определение механических характеристик металла швов позволило установить коэффициенты влияния каждого элемента и составить эмпирические уравнения для расчета ожидаемых механических характеристик металла сварных низколегированных швов в следующем виде. [1, стр.246]

для предела прочности шва, МПа

(36)

для относительного удлинения шва, %

(37)

для предела текучести шва

(38)

для ударной вязкости шва при

(39)

для относительного поперечного сужения

(40)

Определим по формуле (36) предел прочности металла шва:

Определим по формуле (38) предел текучести металла шва:

Определим относительное удлинение при разрыве по формуле (37):

Определим по формуле (40) относительное поперечное сужение:

Определим значение ударной вязкости при разрыве по формуле (39):

7.2 Определение ожидаемых механических характеристик металла шва при сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

Определим по формуле (36) предел прочности металла шва:

Определим по формуле (38) предел текучести металла шва:

Определим относительное удлинение при разрыве по формуле (37):

Определим по формуле (40) относительное поперечное сужение:

Определим значение ударной вязкости при разрыве по формуле (39):



8. ВЫБОР СВАРОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Источники питания должны удовлетворять следующим основным требованиям:

- возможности функционирования при периодических коротких замыканиях сварочной цепи, происходящих как в процессе сварки, так и при зажигании дуги;

- значение тока короткого замыкания должно быть в 1,5-2 раза больше значения рабочего тока;

- напряжение холостого хода источника должно позволять легко зажигать дугу, обеспечивать устойчивое ее горение и быть безопасным для сварщика при соблюдении им правил техники безопасности;

- возможности регулирования сварочного тока в широком диапазоне;

- масса и габариты источника питания должны быть как можно меньше.

8.1 Выбор сварочного оборудования для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

Наш источник питания должен подходить по все параметрам указанным выше. Ручная дуговая сварка производится на постоянном токе обратной полярности.

Рассмотрим 3 различных источника питания: сварочный выпрямитель ВД-131 (СЭЛМА, Украина), источник сварочного тока трансформаторного типа AC/DC 225/125 (Lincoln Electric, США), сварочный аппарат QUALITY 220 AC/DC (Telwin, Италия)[12,13,14].

Характеристики источников питания представлены в таблице 11.



Таблица 11. Характеристики выбранных источников питания

	ВД-131	AC/DC 225/125	QUALITY 220 AC/DC
Номинальный сварочный ток, А	130	125	130
Пределы регулирования тока, А	35-130	35-135	40-130
Номинальное рабочее напряжение, В	25	25	25
Напряжение холостого хода, В	100	69	54
ПВ при номинальном токе, %	20	21,5	20
Максимальная потребляемая мощность, кВА	12,5	7	6
Размеры, мм	360х360х940	610х438х305	750х360х940
Масса, кг	58	55,8	30

Все параметры данных источников питания удовлетворяют рассчитанному режиму ручной дуговой сварки.

Первый источник питания - ВД-131 имеет самую большую массу, и потребляемую мощность, которая практически в 2 раза больше, чем у двух остальных источников питания, что невыгодно с экономической стороны, потому что затраты на электроэнергию будут больше. Также нас не устраивает высокое напряжение холостого хода, так как оно не удовлетворяет правилам техники безопасности.

Характеристики двух других источников питания практически не отличаются, кроме массогабаритных показателей. QUALITY 220 AC/DC имеет меньший вес и потребляемую мощность, также этот источник питания удобен при транспортировки, так как у него имеются колеса.

На основе анализа характеристик рассматриваемых источников питания выбираем сварочный аппарат QUALITY 220 AC/DC (Telwin, Италия).

8.2 Выбор сварочного оборудования для сварки в среде защитных газов плавящимся электродом

Сварка производится на постоянном токе обратной полярности.

Рассмотрим 3 различных современных полуавтомата: INVERPULSE 320 (Telwin, Италия), сварочный полуавтомат MIG 350 (J72) (Сварог, Россия), полуавтомат трансформаторного типа Powertec 300S (Lincoln Electric, США)[12,13,14].

Характеристики сварочного оборудования представлены в таблице 12.



Таблица 12. Характеристики выбранных полуавтоматов

	MIG 350 (J72)	Powertec 300S	INVERPULSE 320
Номинальный сварочный ток, А	350	300	320
Диапазон регулирования тока в СО2, А	15-350	30-300	10-300
Номинальное напряжение, В	27	29	27
Диаметр сварочной проволоки, мм	1,0-1,2	1,2	0,6-1,2
ПВ, %	60%	35%	35%
КПД,%	85	-	85
Максимальная потребляемая мощность, кВА	16	14	10,5
Размеры, мм	500х280х440	790х460х925	1150х600х1190
Масса, кг	33	95	96

Все характеристики источников питания удовлетворяют рассчитанному режиму сварки, поэтому выбирать сварочный полуавтомат по массогабаритным показателям. Выбираем полуавтомат MIG 350 (J72), так как он имеет наименьшую массу и габаритные размеры. Также данный полуавтомат имеет наибольшую продолжительность включения, что говорит о большем времени сварки, чем у остальных полуавтоматов.

Полуавтомат установлен на транспортной тележке, что делает его мобильным и компактным. С обратной стороны аппарата предусмотрена площадка для установки и фиксации газового баллона, имеется ящик для инструментов и аксессуаров, подающий механизм выполнен отдельным блоком с возможностью легкого снятия. Таким образом, весь сварочный пост, включая баллон с защитным газом, легко и удобно можно перемещать по производственной площадке без применения дополнительных транспортных средств.



9. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ

Процесс изготовления данной конструкции состоит из нескольких операций: подготовка листов под сварку, сборка листов под сварку, сварка листов и механическая обработка шва после завершения процесса сварки.

Конструктивные элементы подготовки кромок, размеры зазоров при сборке сварных соединений, а также выводных планок и предельные отклонения размеров сечения швов должны соответствовать требованиям рабочих чертежей, а при их отсутствии -- величинам, указанным в ГОСТ 5264, ГОСТ 8713, ГОСТ 14771, ГОСТ 11534 на швы сварных соединений.

Все местные уступы и неровности, имеющиеся на собираемых деталях и препятствующие их соединению в соответствии с требованиями чертежей, надлежит до сборки устранять зачисткой в виде плавных переходов с помощью абразивного круга или напильника[9, п.5.2].

Непосредственно перед сборкой кромки и прилегающие к ним участки на ширину 20 мм при ручной или механизированной дуговой сварке, а также места примыкания начальных и выводных планок должны быть тщательно зачищены от окалины, грязи, краски, масла, ржавчины, влаги. [9, п.5.6]

Сварке всегда предшествует сборка конструкции, т.е. установление и фиксация деталей в предусмотренном проектом положении Она должна обеспечивать возможность качественной сварки конструкции. Сварные соединения для фиксации входящих в них деталей относительно друг друга и выдерживания необходимых зазоров перед сваркой собирают в сборочных приспособлениях или при помощи прихваток. Прихватки выполняют обычно покрытыми электродами или полуавтоматами в углекислом газе. Их рекомендуется накладывать со стороны, обратной наложению первого слоя в многопроходных швах.

При сварке прихватки следует переплавлять полностью, так как в них могут образовываться трещины ввиду высокой скорости теплоотвода. Поэтому перед сваркой прихватки тщательно зачищают и осматривают. При наличии в прихватке трещины ее вырубают или удаляют другим способом.[1, стр.272]

Прихватки выполняются на режимах, рекомендованных для сварки таких швов. Прихватки должны быть зачищены от шлака. К качеству прихваток предъявляются такие же требования, как и к основному сварному шву. Прихватки, имеющие недопустимые дефекты, следует удалять механическим способом. По рекомендациям РД 34.15.132-96, для используемых нами материалов длина прихваток должна быть не менее 50 мм и расстояние между ними не более 500 мм. Высота прихватки должна составлять 0,3--0,5 высоты будущего шва, но не менее 3 мм. Прихватки необходимо расставлять в порядке, показанном на рисунке 10.

Рис.10 Схема расположения прихваток

Что избежать дефектов в начале и конце шва присутствует необходимость использовать входные и выводные планки, привариваемых к кромкам свариваемых пластин. Планки изготавливаются из стали 15, той же толщины что и свариваемый металл, но так как в нашем случае две разных толщины, то толщина планок будет 7 мм. Размеры планок: длина a = 60 мм ширина b= 80 мм (рисунок 11). [9]



Рис.11 Схема расположения выводных планок

Перед сваркой электроды должны обязательно прокаливаться при температуре 120-160°С в течение получаса.

Так как длина выполняемого шва 60 см, то сварку следует вести обратно ступенчатым способом от середины к краям.

Рис.12 Схема сварки обратноступенчатым способом от середины к краям

Обратноступенчатый способ состоит в том, что длинный предлагаемый к исполнению шов делят на сравнительно короткие ступени. Такое выполнение шва по длине и сечению обеспечивает наиболее равномерное распределение температур, что значительно уменьшит общие остаточные деформации свариваемого изделия.

Сварка листов производится углом назад, как при ручной дуговой сварке, так и при механизированной, потому что образуется меньше шлака и толщина деталей 5 мм и 7 мм.

После окончания сварки со шва и околошовной зоны должен быть удален шлак наплывы и брызги металла. Удаление шлака должно производиться после остывания шва (через 1-- 2 минуты после потемнения). Снятие усиления, зачистку корня шва, лицевой стороны шва и мест установки выводных планок рекомендуется осуществлять с помощью высокооборотных электрических шлифовальных машинок с абразивным кругом. При этом риски от абразивной обработки металла должны быть направлены вдоль кромок свариваемых деталей.

Так как данная конструкция сваривается из листов 5 мм и 7 мм, то необходимо для обеспечения плавного перехода от одного листа к другому и снижения концентрации напряжений выполнить переход с плавным скосом.

Далее производят визуально-измерительный контроль сварных швов. При этом проверяется наличие видимых дефектов, таких как трещины, наплывы, натеки, прожоги, свищи, подрезы, незаваренные кратеры и поры. Допускаемые отклонения размеров сечения шва сварного соединения от проектных не должны превышать величин, указанных в соответствующих ГОСТ.



10. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Приемы устранения напряжений и деформаций весьма многообразны, хотя в основе их лежат одни и те же принципы. Существует три принципиально возможных пути уменьшения сварочных деформаций и напряжений, если исходить из механизма процесса, лежащего в основе того или иного метода.

1. Уменьшение пластической деформации при нагреве и уменьшение объема металла, участвующего в пластической деформации в процессе нагрева, может быть достигнуто регулированием термического воздействия, например предварительным подогревом, погонной энергии сварки, путем искусственного охлаждения.

Аналогичные результаты можно получить механическим путем, например приложением растягивающих усилий в процессе сварки.

2. Если в стадии нагрева возникли пластические деформации укорочения определенной величины, то в стадии охлаждения или при последующей правке следует стремиться увеличить пластические деформации удлинения проковкой, прокаткой, растяжением, изгибом, жестким закреплением в приспособлениях, высоким отпуском. Во всех случаях либо в процессе сварки, либо после сварки создается пластическая деформация, уменьшающая остаточные деформации укорочения.

3. Компенсация возникающих деформаций можно достигнуть путем создания предварительных обратных деформаций, симметричного расположения швов, рациональной последовательности сборки и сварки.

Разделение методов борьбы со сварочными напряжениями и деформациями можно разделить на две группы: мероприятия, предотвращающие возникновение деформаций и напряжений или их уменьшение в процессе сварки и мероприятия, позволяющие исправить возникшие деформации и снять возникшие остаточные напряжения.

1.) Предварительный и сопутствующий подогрев при сварке снижает тепловложение при сварке для образования сварного соединения. При этом уменьшаются размеры зон, нагреваемых сварочным источником тепла, что может привести соответственно к уменьшению объема металла, где протекали пластические деформации и образовались растягивающие напряжения. Помимо уменьшения объема пластически деформированного металла, при подогреве может снизиться максимальный уровень остаточных растягивающих напряжений.

2.) Проковку металла можно производить непосредственно после сварки по горячему металлу или после остывания. При проковке благодаря осадке металла в направлении удара происходит расширение его в двух направлениях. Растягивающие напряжения снижаются, а при интенсивной проковке даже переходят в сжимающие. Эффект проковки распространяется обычно на относительно небольшую глубину, в пределах до 10 мм и менее. Такая операция может уменьшить вероятность появления холодных трещин. Остаточные напряжения сжатия являются надежным средством повышения прочности сварных соединений и конструкций, работающих при переменных нагрузках.

3.) Прокатка зоны сварного соединения роликами в основном рекомендуется для устранения деформаций листовых конструкций. Одновременно происходит значительное понижение растягивающих напряжений и переход их в сжимающие.

4.) Приложение нагрузки к сварным соединениям можно применять как в процессе сварки, так и после нее. Снижение остаточных напряжений может оказаться весьма значительным.

Как средство перераспределения остаточных напряжений используют местный нагрев. Вблизи зоны местного нагрева, сопровождавшегося пластической деформацией, после остывания образуются напряжения сжатия.

5.) Высокий отпуск сварных конструкций получил наибольшее распространение в промышленности. Основное его преимущество в том, что снятие напряжений происходит во всей сварной конструкции, независимо от ее сложности и конфигурации.

Степень снятия напряжений в случае необходимости может достигать 85-90% от исходного уровня. Высокий отпуск - практически единственный способ, когда одновременно с напряжениями первого рода снимается наклеп и напряжения второго и третьего родов.[2, стр.180]



11. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СВАРОЧНЫХ РАБОТ

Рассмотренные методы сварки требуют соблюдения определенного комплекса правил техники безопасности и охраны труда, которые должны находить отражение в технологических картах и строго соблюдаться при выполнении сварочных работ. Для всех указанных методов сварки плавлением в той или иной степени существует возможность опасных воздействий на сварщика в связи со следующими факторами:

1) поражение электрическим током при прикосновении человека к токоведущим частям электрической цепи;

2) поражение лучами электрической дуги глаз и открытой поверхности кожи;

3) ожоги от капель металла и шлака при сварке;

4) отравление вредными газами, выделяющимися при сварке и при загрязнении помещений пылью и испарениями различных веществ;

5) взрывы из-за неправильного обращения с баллонами сжатого газа либо из-за производства сварки в емкостях из-под горючих веществ, либо выполнения сварки вблизи легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ;

6) пожары от расплавленного металла и шлака в процессе сварки;

7) травмы различного рода механического характера при подготовке тяжелых изделий к сварке и в процессе сварки.

Если сварщик работает в тесном помещении, может иметь большую площадь контакта с металлической поверхностью, с целью уменьшения опасности поражения электрическим током необходимо соблюдение следующих мероприятий:

1. Надежная изоляция всех, проводов, связанных с питанием источника тока и сварочной дуги, устройство геометрически закрытых включающих устройств, заземление корпусов сварочных аппаратов. Заземлению подлежат: корпуса источников питания, аппаратного ящика, вспомогательное электрическое оборудование.

2. Надежное устройство электрододержателя с хорошей изоляцией, которая гарантирует, что не будет случайного контакта токоведущих частей электрододержателя со свариваемым изделием или руками сварщика [8].

3.Работа в исправной сухой спецодежде и рукавицах.

Опасность взрывов возникает при неправильной транспортировке, хранении и использовании баллонов со сжатыми газами, при проведении сварочных работ в различных емкостях без предварительного контроля степени их очистки и наличия с них остатков горючих веществ и т. д.

При использовании баллонов со сжатыми газами необходимо соблюдать установленные меры безопасности: не бросать баллоны, не устанавливать их вблизи нагревательных приборов, не хранить вместе баллоны с кислородом и горючими газами, баллоны хранить в вертикальном положении. При замерзании влаги в редукторе баллона с СО2 отогревать его только через специальный электроподогреватель или обкладывая тряпками, намоченными в горячей воде. Категорически запрещается отогревать любые баллоны со сжатыми газами открытым пламенем, так как это почти неизбежно приводит к взрыву баллона.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении курсового проекта, целью которого было получение сварного соединения с требуемыми механическими характеристиками и химическим составом, была разработана технология сварки стыкового соединения листов разной толщины ручной дуговой сваркой покрытыми электродами и сваркой в среде углекислого газа плавящимся электродом.

Режимы сварки выбраны в соответствии с данной толщиной металла, заданной глубиной проплавления и требуемыми размерами шва.

Источники питания для ручной дуговой сварки и сварки в среде углекислого газа выбраны на основе полученных режимов сварки. При соблюдении разработанной технологии сварки ожидается получение сварного соединения, отвечающего своему назначению.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением: Учебник для студентов вузов.- М.: Машиностроение, 2003.-560с.

2 Виноградов В.С. Оборудование и технология дуговой автоматической и механизированной сварки: Учебник для проф. учеб. заведений.-4-е изд.- М.: Высшая школа; Изд.Центр «Академия», 2001.-319с.

3 Кононенко В.Я. Сварка в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом: Справочник для студентов.- К.: Изд.Центр «Ника-Принт», 2007.-266с.

4 Методические указания к курсовому и дипломному проектированию «Расчет режимов дуговой сварки». Составитель Е. А. Трущенко. Изд-во Томского политехнического университета, 2008-41с.

5 Юхин Н.А. Механизированная дуговая сварка плавящимся электродом в среде защитных газов: Пособие для студентов.- М.: Изд.Центр «СОУЭЛО», 2008.-74с.

6 ГОСТ 5264-80 Ручная дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.- М.: Изд.Центр «Стандартинформ», 2005.-35с.

7 ГОСТ 14771-76 Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.- М.: Изд.Центр «Стандартинформ», 2003.-39с.

8 ГОСТ 14651-78 Электродержатели для ручной дуговой сварки. Технические условия. .- М.: Изд.Центр «Стандартинформ», 2002.-8с.

9 РД 34.15.132-96.

10 Марочник сталей и сплавов. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.splav.kharkov.com/main.php

11 Электроды для сварки углеродистых и низколегированных. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://penzaelektrod.ru/articles/art6.htm

12 Сварочное оборудование. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.svarog-spb.ru/catalog

13 Сварочное оборудование. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.lincolnweld.ru

14 Сварочное оборудование. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.telwin.com

Размещено на Allbest.ru