Разработка технологии сварки стали 12Х18Н10Т

Кафедра: "Оборудование и технология сварочного производства"

Курсовая работа

по дисциплине "Технология и оборудование сварки плавлением"

Тема: "Разработка технологии сварки стали 12Х18Н10Т"

Содержание

• Введение
• 1. Разработка конструкции сварной сборочной единицы
• 2. Выбор способа сварки и типа сварных швов
• 3. Расчёт параметров режимов сварки
• 4. Расчёт норм времени на выполнение сварочных операций
• 5. Определение химсостава и структуры стали в исходном состоянии
• 6. Технологические особенности сварки сталей аустенитного класса
• 7. Выбор сварочных материалов
• 8. Расчёт расхода сварочных материалов
• 9. Расчёт химического состава шва и определение его структуры
• 10. Выбор сварочного оборудования
• 11. Расчёт расхода электроэнергии
• Заключение
• Список используемой литературы
• Введение
• Основные цели курсовой работы следующие:
• 1. Приобретение студентам навыков по практическому применению теоретических знаний, полученных при изучении курса "Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки".
• 2. Расширить свои знания в области технологии сварки высоколегированных сталей.
• 3. Проработать стандарты по основным способам дуговой сварки.
• 4. Провести необходимые расчеты для определения структуры стали в исходном состоянии и металла шва.
• 5. Выбрать необходимые сварочные материалы и оборудование для реализации технологического процесса сварки кронштейна.
• 6. Определить основные режима сварки и выполнить нормирование сварочной операции.
• 1. Разработка конструкции сварной сборочной единицы
• В данном случае предлагается выполнить сварную сборочную единицу, состоящую из трёх деталей (рис. 1):
• Рисунок 1 - Внешний вид деталей: а- основание (1 шт.); б - фланец (1 шт.); в - ухо (2 шт.);
• На рисунке 2 представлен внешний вид сборочной единицы - кронштейна.
• Рисунок 2 - Внешний вид кронштейна.
• 2. Выбор способа сварки и типа сварных швов
• Для соединения данных деталей будем применять ручную дуговую сварку ГОСТ 5264-80. В разработанной сварочной сборочной единице будет использовано 2 типа сварных швов, приведенных в таблице 1.
• Таблица 1 - Типы сварных швов.
• 3. Расчёт параметров режимов сварки
• Расчёт параметров режима сварки ведётся в зависимости от заданного способа сварки. Основными параметрами режима являются: сила сварочного тока I_св, напряжение на дуге U_д, диаметр электрода d_ЭЛ, скорость сварки V_св.
• Для сварного шва по ГОСТ 5264-80-С7:
• Первоначально задаемся диаметром электрода dэл. Его значение зависит от толщины свариваемого металла и типа сварного соединения. Для двухстороннего стыкового шва глубина проплавления равна:
• , (4.1)
• где ? - толщина металла, ? = 5 мм
• Тогда, согласно рекомендаций [ 1, с. 65] принимаем диаметр электрода равным:
• мм.
• Для ручной дуговой сварки силу сварочного тока можно определить по формуле:
• А,(4.2)
• где j - плотность тока ( j = 17 А/мм²).
• Тогда:
• А.
• Принимаем I_св = 120 А.
• Напряжение на дуге определяется по формуле:
• .(4.3)
• Тогда:
• В.
• Принимаем В.
• Скорость сварки определяется следующей формулой:
• , м/час (4.4)
• где ?_н - коэффициент наплавки, ?_н = 8-10 г/А·час;
• F_н - площадь поперечного сечения наплавленного металла, см²;
• ? - плотность наплавленного металла, ? = 7,8 г/см³ .
• Площадь наплавленного металла стыкового шва определяется площадями геометрических фигур, которые заполняются электродным металлом при сварке. Для шва, выполненного без разделки кромок, площадь наплавленного металла состоит из площади зазора между деталями F₃ и площади валика шва F_в:
• где b - зазор между деталями, мм;
• h_пр - глубина проплавления, мм;
• е - ширина шва, мм;
• g - выпуклость сварного шва, мм.
• Тогда:
• Принимаем ?_н = 9 г/А·час, тогда:
• м/час
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• Согласно рекомендаций [ 1, с. 65] принимаем диаметр электрода равным:
• мм.
• Сила сварочного тока определяется по формуле:

• А.
• Принимаем I_св = 214 А.
• Определяем напряжение на дуге:
• ,
• В.
• Принимаем U_д = 29 В.
• Скорость сварки определяется по формуле:
• ,
• ,
• где а - коэффициент, учитывающий форму шва, для выпуклых швов = 1,2;
• - катет сварного шва;
• мм.
• см²;
• Тогда скорость сварки равна:
• м/час;
• 4. Расчёт норм времени на выполнение сварочных операций
• Общее время на выполнение сварочной операции t_св состоит из нескольких времён и определяется по формуле:
• ;(5.1)
• где t_o - основное время;
• t_в - вспомогательное время;
• t_п.з. - подготовительно-заключительное время;
• t_обс - время на обслуживание рабочего места;
• t_п - время перерывов на отдых и личные надобности;
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-С7:
• Основное время определяется по формуле:
• ,(5.2)
• где - масса наплавленного металла;
• F_н - площадь наплавленного металла;
• L_ш - длина шва.
• Согласно сборочного чертежа (см. приложение А) см.
• Тогда:
• г.
• Таким образом получаем:
• мин
• Подготовительно-заключительное время:
• ,(5.3)
• мин;
• Время на обслуживание рабочего места:
• ,(5.4)
• мин;
• Время перерывов на отдых и личные надобности:
• ,(5.5)
• мин;
• Вспомогательное время рассчитывается по формуле:
• ,(5.6)
• где t_э - время на смену электрода;
• t_кр - время на осмотр и очистку свариваемых кромок;
• t_бр - время на очистку швов от шлака и брызг;
• t_кл - время на клеймение швов;
• t_изд - время на установку и поворот изделия, его закрепление;
• Время на смену электрода:
• ,(5.7)
• где c. Принимаем с.
• V_э - объём одного электрода, см³
• ,(5.8)
• где L_э - длина электрода, L_э = 350 мм
• см³;
• с.
• Время на осмотр и очистку кромок и время на очистку швов от шлака и брызг:
• ,
• с.
• Время на клеймение принимаем: мин;
• Время на установку и поворот изделия принимаем: мин;
• Рассчитываем вспомогательное время:
• с. что равно 3,5 мин.
• Таким образом, получаем время на выполнение сварки шва ГОСТ 5264-80-С7:
• мин;
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• Расчёт ведется аналогично расчёту норм времени сварного шва ГОСТ 5264-80-С7:
• ;
• ,
• где D - диаметр фланца, D = 66 мм
• см;
• см²;
• ? = 7,8 г/см³;
• г.
• Таким образом получаем:
• мин.
• Подготовительно-заключительное время:
• ,
• мин;
• Время на обслуживание рабочего места:
• ,
•  мин;
• Время перерывов на отдых и личные надобности:
• ,
• мин;
• Вспомогательное время рассчитывается по формуле:
• ,
• Время на смену электрода:
• ,
• где c. Принимаем с.
• ,
• см³;
• с.
• Время на осмотр и очистку кромок и время на очистку швов от шлака и брызг:
• ,
•  с.
• Время на клеймение принимаем: мин. Время на установку и поворот изделия принимаем: мин. Рассчитываем вспомогательное время:
• с. что равно 3,2 мин.
• Таким образом, получаем время на выполнение сварки шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• мин;
• 5. Определение химсостава и структуры стали в исходном состоянии
• Химический состав стали, выданной в задании, определяется согласно рекомендациям [1, стр. 270] и приведен в таблице 2.
• Таблица 2 - Химический состав стали 12Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72

		Массовая доля компонентов %
C	Si	Mn	Cr	Ni	T	S	P
?0,12	?0,8	2	17,0-19,0	10,0-12,0	0,6-0,8	0,020	0,035

• Определение структуры стали осуществляется по диаграмме Шеффлера (рисунок 3). Для этого первоначально для стали рассчитывается эквивалентные значения хрома и никеля:
• ЭквCr = %Cr+%Mo+2·%Ti+2·%Al+%Nb+1,5·%Si+%V = 18+2·0,8+1,5·0,8=20,8%
• ЭквNi = %Ni+30·%N+0,5·%Mn = 10+30·0,12+0,5·2,0=14,6%
• По значениям ЭквCr и ЭквNi на диаграмме Шеффлера наносится точка,
• соответствующая аустенитной структуре стали - т.1 (рисунок 3).
• Рисунок 3 - Диаграмма Шеффлера
• 6. Технологические особенности сварки сталей аустенитного класса
• Аустенитные стали - наиболее многочисленная группа высоколегированных сталей. Они, как правило, легируются Cr>16% и Ni>7%, что придаёт им коррозионную стойкость, жаропрочность, а при Cr>20% - жаростойкость.
• Остановимся на основных трудностях, встречающихся при сварке сталей данного класса:
• - повышенная склонность аустенитных сталей к образованию кристаллизационных трещин, что объясняется следующими причинами:
• - однофазной структурой шва, которая способствует беспрепятственному росту кристаллов и снижению пластичности;
• - увеличенной литейной усадкой расплавленного металла шва, что вызвано повышенным коэффициентом линейного расширения;
• - значительными растягивающими напряжениями, которые связаны с неравномерным нагревом металла, вызванным пониженной теплопроводностью стали;
• - многокомпонентным легированием, которое увеличивает вероятность попутного попадания в шов элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик (S;P;Pb;Zn и др.).
• - возможная потеря коррозионных свойств сварными швами. Это может произойти в результате образования карбида хрома Cr₂₃C₆.
• Основные направления решения трудностей следующие:
• С кристаллизационными трещинами:
• Создание в шве двухфазной аустенитно-ферритной структуры.
• Ограничение (особенно при сварке глубоко аустенитных сталей, расположенных на диаграмме Шеффлера далеко от ферритной границы) в основном и наплавленном металле вредных (сера, фосфор) и ликвирующих (свинец, олово, висмут) примесей, а также газов кислорода и водорода.
• Регулирование процесса кристаллизации шва, что может осуществляться:
• - необходимо правильно выбирать форму шва, что влияет на направление роста кристаллов;
• - при автоматической сварке целесообразны поперечные колебания проволоки, что изменяет схему кристаллизации и уменьшает вероятность трещин.
• Уменьшение силового фактора (растягивающих напряжений), возникающих в результате термического цикла сварки.
• С потерей коррозионных свойств:
• Уменьшение содержания углерода в основном металле и металле шва до 0,02-0,03%, что предотвращает образование карбидов хрома.
• Дополнительное легирование шва титаном, ниобием, ванадием за счёт большего содержания этих элементов в сварочной проволоке и электродах, чем в стали. Применение высоких скоростей охлаждения швов в интервале температур 600-800 ⁰С, при которых происходит интенсивное образование карбидов хрома.
• Проведение термообработки - закалки ил отжига. При температуре Т>800 ⁰С карбиды хрома растворяются.
• Ручная сварка широко используется при монтаже химического и энергетического оборудования. Сила тока на 10-30% ниже, чем для углеродистых сталей. Используются электроды с основным покрытием. Химический состав стержня электрода соответствует химическому составу стали, но содержит, как правило, больше хрома и меньше никеля для обеспечения двухфазной структуры шва. Некоторые марки электрода имеют повышенное содержание ниобия, титана или ванадия.
• Длина электрода для сварки аустенитных сталей меньше, чем для углеродистых, так как стержень имеет повышенное электрическое сопротивление и в процессе сварки сильно нагревается. Это может привести к отслоению покрытия.
• 7. Выбор сварочных материалов
• Для ручной дуговой сварки будем применять электрод с основным типом покрытия, марки ОЗЛ-7, тип Э-08Х20Н9Г2Б [1, с.153].
• Химический состав стержня электрода представлен в таблице 3.
• Таблица 3 - Массовая доля элементов, % по ГОСТ 10052-75

C	Cr	Ni	Mn	Nb	Si	S	P
0,08	19-21	8-10	2	1,2	0,8	0,025	0,025

• 8. Расчёт расхода сварочных материалов
• Определяем вес стержня электрода по формуле:
• G_пр=М_нм(1+),
• где - коэффициент потерь.
• Для ручной сварки, с учётом потерь на огарки электродов = 0,2 (20%).
• Для определения полного веса электродов необходимо учитывать вес покрытия:
• G_э=G_пр^.К_в.п. ,
• где К_в.п. - коэффициент веса покрытия; К_в.п.=1,3--1,5.
• Принимаем К_в.п. = 1,4.
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-С7:
• G_пр= 25·1,2 = 30 г.
• G_э = 30·1,4 = 42 г.
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• G_пр = 8,08·1,2 = 9,696 г.
• G_э = 9,696·1,4 = 13,57 г.
• 9. Расчёт химического состава шва и определение его структуры
• Сварной шов состоит из основного и наплавленного металлов, которые в процессе сварки перемешиваются, образуя общую сварочную ванну. При этом в сварочную ванну попадают химические элементы из основного металла в количестве, пропорциональном доли основного металла в металле шва _о, и из проволоки в количестве, пропорциональном доли наплавленного металла в металле шва - _н:
• ; ; ; ,
• где F_о -- площадь основного металла в металле шва;
• F_н -- площадь наплавленного металла в металле шва;
• F_ш -- площадь шва.
• Площадь шва можно определить по формуле:
• ,
• где е -- ширина шва;
• q -- высота валика или выпуклости;
• Н -- высота шва.
• Высота стыкового шва равна глубине проплавления h. Высота углового шва Н=h+а, где h приблизительно равна глубине проплавления h=0,6; а=0,7К; е=1,4к.
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-С7:
• мм²= 0,35 см²;
• см²;
• ;
• ;
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• мм²= 0,356 см²;
• см²;
• ;
• ;
• После вычисления _о и _н необходимо рассчитать химический состав шва. Содержание каждого элемента вычисляется по формуле:
• ;
• где Э_о -- содержание элемента в стали;
• Э_пр -- содержание элемента в проволоке.
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• Э_с = 0,12·0,58+0,08·0,42 = 0,103;
• Э_Cr = 18·0,58+20·0,42 = 18,84;
• Э_Ni = 11·0,58+9·0,42 = 10,16;
• Э_Ti = 0,7·0,58+0 = 0,41;
• Э_Si = 0,8·0,58+0,8·0,42 = 0,8;
• Э_Mn = 2,0·0,58+2,0·0,42 = 2,0;
• Э_S = 0,020·0,58+0,025·0,42 = 0,022;
• Э_P = 0,035·0,58+0,025·0,42 = 0,031;
• Сводим результаты расчета в таблицу 4.
• Таблица 4 - Массовая доля элементов, % в сварном шве ГОСТ 5264-80-Т1.

C	Cr	Ni	Ti	Si	Mn	S	P
0,103	18,84	10,16	0,41	0,8	2	0,022	0,031

• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-С7:
• Э_с = 0,12·0,4+0,08·0,6 = 0,096;
• Э_Cr = 18·0,4+20·0,6 = 19,2;
• Э_Ni = 11·0,4+9·0,6 = 9,8;
• Э_Ti = 0,7·0,4+0 = 0,28;
• Э_Si = 0,8·0,4+0,8·0,6 = 0,8;
• Э_Mn = 2,0·0,4+2,0·0,6 = 2,0;
• Э_S = 0,020·0,4+0,025·0,6 = 0,023;
• Э_P = 0,035·0,4+0,025·0,6 = 0,029;
• Результаты расчёта сводим в таблицу 5.
• Таблица 5 - Массовая доля элементов, % в сварном шве ГОСТ 5264-80-С7.

C	Cr	Ni	Ti	Si	Mn	S	P
0,096	19,2	9,8	0,28	0,8	2	0,023	0,029

• После расчета химсостава определяется его структура.
• При этом для определения эквивалентов по никелю и хрому необходимо пользоваться формулами, несколько отличающимися от формул, используемых для стали:
• ЭквNi=%Ni+30%C+30%N+10%В+0,5%Мn;
• ЭквСr=%Сr+2%Аl+%V+5%Тi+1,5%S+2%Nb+2%Мо+1,5%W.
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• ЭквNi=%Ni+30%C+30%N+10%В+0,5%Мn=10,16+30·0,103+0,5·2,0 = 14,25
• ЭквСr=%Сr+2%Аl+%V+5%Тi+1,5%S+2%Nb+2%Мо+1,5%W=18,84+5·0,41+1,5·0,022 = 20,92
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-С7:
• ЭквNi=%Ni+30%C+30%N+10%В+0,5%Мn=9,8+30·0,096+0,5·2,0 = 13,68
• ЭквСr=%Сr+2%Аl+%V+5%Тi+1,5%S+2%Nb+2%Мо+1,5%W=19,2+5·0,28+1,5·0,023 = 20,63
• Для аустенитной стали 12Х18Н10Т структура шва аустенитно-ферритная (рис. 4 - т.2, т.3). Двухфазная структура шва обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики вследствие более мелкого зерна.
• Рисунок 4 - Диаграмма Шеффлера
• 10. Выбор сварочного оборудования
• Сварочное оборудование выбирается в зависимости от заданного способа сварки.
• Для ручной сварки в качестве источника питания должен быть выбран выпрямитель. Трансформаторы использовать нельзя, т.к. сварка высоколегированных сталей производится на постоянном токе. Характеристика источника питания для ручной сварки крутопадающая. Марка выпрямителя должна соответствовать рассчитанной силе сварочного тока. Обычно номинальный ток выпрямителя несколько превышает расчетное значение.
• Всем этим требованиям удовлетворяет сварочный выпрямитель ВД-303, технические характеристики которого приведены в таблице 6.
• Таблица 6 - Технические характеристики сварочного выпрямителя ВД-303.

Техническая характеристика	Ед. изм.	Значение
Напряжение питания	В	3?380
Номинальная потребляемая мощность	кВА	24
Сварочный ток, (ПН)	А, %	315(60%), 245(100%)
Регулирование сварочного тока		Плавное, 2 диапазона
Диапазон регулирования сварочного тока	А	45 - 315
Рабочее напряжение	В	22…32
Напряжение холостого хода	В	70
Диаметр штучных электродов	мм	2…6
Степень защиты		IP 22
Масса, не более	кг	150
Габариты (Д?Ш?В)	мм	850?610?840

• 11. Расчёт расхода электроэнергии
• При расчете расхода электроэнергии обычно учитывают три составляющие:
• _,
• где -- расход электроэнергии в сварочной дуге;
• -- расход электроэнергии от холостого хода источника питания при перерывах в сварке;
• -- расход электроэнергии от работы вентилятора источника питания.
• В курсовой работе допускается рассчитать только первую составляющую:
• ,
• где -- КПД источника питания, =0,75 .
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-С7:
• Вт/ч;
• Для сварного шва ГОСТ 5264-80-Т1:
• Вт/ч;
• Разработанная карта технологического процесса сборки и сварки кронштейна представлена в приложении В.
• Заключение
• В результате курсовой работы были решены поставленные задачи, а именно: был выбран способ сварки, рассчитаны режимы, выбрано необходимое сварочное оборудование, а также разработана операционная карта техпроцесса.
• Для данной стали 12Х18Н10Т аустенитного класса была разработана технология сварки. Были отражены проблемы, наиболее встречающиеся при сварки данного класса сталей, а также были указаны пути их устранения. Сделан выбор сварочных материалов, а также был произведен расчет их расхода.
• Список используемой литературы
• 1. Куликов В.П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки. - Мн.: Экоперспектива, 2003. - 415 с.; ил.
• 2. Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением/ А.И. Акулов - М.: Машиностроение, 1977.-423 с.
• 3. Сварка и свариваемые материалы/ Под ред. В.Н. Волченко.- М.: Металлургия, 1991.- 527 с.
• 4. Оборудование для дуговой сварки/Под ред. В. В. Смирнова. -- Л.: Энергоатомиздат, 1986.--655 с.
• 5. Сайт www.svarkainfo.ru
• 6. ГОСТ 10052-75 Электроды покрытые металлические для ручной дуговой сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами. Типы. 5264-80