Разработка технологии сварки стали

Содержание

Введение

Эскиз сварного соединения

Расчет параметров режима сварки

Расчет нормы времени на выполнение сварочных операций

Определение химического состава и структуры стали в исходном состоянии

Технологические особенности сварки стали

Выбор сварочных материалов

Расчет расхода сварочных материалов

Расчет химического состава сварного шва и определение его структуры

Список используемой литературы

Введение

Данная курсовая работа предназначена, для того чтобы научиться разрабатывать технологии сварки стали, указанной в виде обозначения сварного шва с указанием марки свариваемого металла, длины сварного шва и толщины метала. Кроме этого необходимо закрепить знания в области технологии сварки легированных сталей, стандартов по основным способам дуговой сварки, необходимые расчеты для определения структуры стали в исходном состоянии и металла шва, выбрать необходимые сварочные материалы и оборудование, определить основные и дополнительные параметры режима сварки и выполнить нормирование сварочной операции.

Эскиз сварного соединения

Рисунок 1.1 - Эскиз сварного соединения

в =600 ; б=180-в=1200 ; д=4мм ; L =5м.

Расчет параметров режима сварки

Расчет параметров режима сварки ведется в зависимости от заданного способа сварки. Основными параметрами режима являются: сила сварочного тока , напряжение на дуге , диаметр электрода или проволоки , скорость сварки . Первоначально следует задаться диаметром проволоки или электрода . Его значение зависит от толщины свариваемого металла и способа сварки. При ручной сварке покрытыми электродами примерные значения диаметров электрода будут равны 3,0; 4,0 мм.

Для ручной дуговой сварки силу сварочного тока выбирают в зависимости от диаметра электрода по формуле

,

где допускаемая плотность тока в электроде.

Напряжение на дуге устанавливают в зависимости от способа сварки, а также от марки и диаметра электрода. Для ручной дуговой сварки

(ГОСТ 95-77).

Скорость сварки вычисляем по формуле

где коэффициент наплавки;

- сила сварочного тока, А;

плотность металла;

площадь поперечного сечения наплавленного металла за один проход, .

Площадь наплавленного металла зависит от типа сварного соединения. Так как данный шов является угловым швом, то она определяется как площадь треугольника, умноженная на коэффициент а, учитывающий форму шва:

;

.



Расчет нормы времени на выполнение сварочных операций

Общее время на выполнение сварочной операции состоит из нескольких компонентов и определяется по формуле

где подготовительно-заключительное время;

основное время;

вспомогательное время;

время на обслуживание рабочего места;

время перерывов на отдых и личные надобности.

Основное время - это время на непосредственное выполнение сварочной операции. Оно определяется по формуле

где масса наплавленного металла.

где площадь наплавленного металла;

плотность металла;

длина шва.



Рассчитанное по формуле основное время сварки может быть проверено по формуле

где скорость сварки.

Подготовительно-заключительное время включает в себя такие операции, как получение производственного задания, инструктаж, получение и сдача инструмента, осмотр и подготовка оборудования к работе и т.д. При его определении общий норматив времени 1,13 делится на количество деталей, выпущенных в смену. В курсовой работе можно принять .

Вспомогательное время включает в себя время на смену электрода , осмотр и очистку свариваемых кромок , очистку швов от шлака и брызг , клеймение швов , установку и поворот изделия, его закрепление :

где время на смену одного электрода;

объем наплавленного металла.

объем одного электрода

где

Время зачистки кромок или шва вычисляют по формуле

где количество слоев при сварке за несколько проходов;

длина шва в метрах.

Время на установку клейма принимают 0,03мин на 1 знак. Время на установку, поворот и снятие изделия зависит от его массы. При массе изделия до 25кг эти операции выполняются вручную. В курсовой работе это время можно принять равным

Для ручной сварки время на обслуживание рабочего места

Время перерывов на отдых и личные надобности зависит от положения, в котором сварщик выполняет работы. При сварке в неудобном положении

Определение химического состава и структуры стали в исходном состоянии

Химический состав стали, выданной в задании, определяется по справочной литературе [3-5]. Если не удается найти в справочнике свою сталь, допускается определять ее химический состав по марке.

Химический состав стали 10Х17Н13М3Т по ГОСТ 5632-72

Химический элемент%

Кремний (Si), не более0.8

Медь (Cu), не более0.30

Молибден (Mo)2.0-3.0

Марганец (Mn), не более2.0

Никель (Ni)12.0-14.0

Титан (Ti)0.5-0.7

Фосфор (P), не более0.035

Хром (Cr)16.0-18.0

Сера (S), не более0.020

Определение структуры стали осуществляется по диаграмме Шеффлера (рисунок 4.1). Для этого первоначально для стали рассчитываются эквивалентные значения хрома и никеля:

ЭквCr=%Cr+%Mo+2%Ti+2%Al+%Nb+l,5%Si+%V=16+2+2*0,5+1,5*0,8=20%

ЭквNi=%Ni+30%C+30%N+0,5%Mn=12+30*0.1+0.5*2=16%.

По значениям ЭквCr и ЭквNi на диаграмме Шеффлера наносится точка, соответствующая аустенитной структуре стали.



Технологические особенности сварки стали

Аустенитные стали - наиболее многочисленная группа высоколегированных сталей. Они, как правило легируются Cr>16% и Ni>7%, что придает им коррозионную стойкость, жаропрочность, а при Cr>20% - жаростойкость.

В следствии того что в исходном состоянии структура стали аустенитная, а также из-за наличия большого количества легирующих элементов некоторые физические свойства аустенитных сталей существенно отличаются от свойств углеродистых сталей, что оказывает влияние на процесс сварки. Стали аустенитного класса имеют теплопроводность, которая примерно в четыре раза ниже, чем у низкоуглеродистых, а коэффициент линейного расширения в 1,5 раза выше. При сварке это приводит к более неравномерному нагреву, увеличению деформаций и напряжений.

Основные трудности, встречающиеся при сварке сталей данного структурного 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 связанны 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.)

Основным направлением борьбы с кристаллизационными трещинами при сварке аустенитных сталей следующие.

Создание в шве двухфазной аустенитно-ферритной структуры. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и феррита приводит к измельчению и дезориентации структуры, т.е. уменьшению сечения столбчатых кристаллов и утончению межкристаллитных прослоек, разделенных участками первичного феррита.

Ограничение в основном и наплавленном металле вредных (сера, фосфор) и ликвирующих (свинец, олово, висмут) примесей, а также газов

кислорода и водорода. Для этого следует применять режимы, уменьшающие долю основного металла в шве, и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названых примесей.

Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение при сварке постоянного тока обратной полярности.

Регулирование процесса кристаллизации шва, что может осуществляться различными способами. Правильный выбор формы шва, влияет на направление роста кристаллов. Направление роста кристаллов не должно совпадать с направлением действия растягивающих напряжений, как это происходит для узких и глубоких швов.

Уменьшение силового фактора, возникающего в результате термического цикла сварки. Снижение его действия достигается уменьшением тока по сравнению со сваркой углеродистых сталей на 10-30%, заполнение разделки швами небольшого сечения и устранением жестких закреплений свариваемых кромок.

возможная потеря коррозионных свойств сварными швами, это может произойти в результате взаимодействия хрома с углеродом и образования карбида хрома Cr23C6.

Основными направлениями борьбы с потерей коррозионных свойств являются следующие:

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 счет большего содержания этих элементов в сварочной проволоке, чем в стали.

Применение высоких скоростей охлаждения швов в интервале температур 600-800оС, при которых происходит интенсивное образование карбидов хром.

Проведение термообработки - закалки или отжига, при температуре Т>800оС карбиды хрома растворяются.

Выбор сварочных материалов

В зависимости от способа сварки необходимо выбрать для сварки электрод. Изготовление металлических электродов для дуговой сварки сталей и наплавки осуществляется в соответствии с ГОСТ 9466-75.Для сварки данной стали целесообразно применять сварочные электроды ОЗЛ6.

Условное обозначение

Технические требования ГОСТ 9466-75, ГОСТ 100034500011-2005.

Покрытие основное.

Сера ухудшает свариваемость, вызывает появление горячих трещин. Фосфор ухудшает свариваемость, вызывает появление холодных трещин.

Таблица6,1-Химический состав электрода ОЗЛ6

С	Cr	Mn	Ni	S	Si	P
0,12%	22,5%	1%	11%	0.02%	1%	0.03%

Расчет расхода сварочных материалов

Расчет веса стержня электрода осуществляется по формуле

где коэффициент потерь с учетом потери на огарки электродов.

Для определения полного веса электродов необходимо учитывать вес покрытия:



где коэффициент веса покрытия.

Расчет химического состава сварного 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 , и из проволоки в количестве, пропорциональном доли наплавленного металла в металле шва -:

где площадь основного металла в металле шва;

площадь наплавленного метала в металле шва;

площадь шва.

Площадь шва можно определить по формуле

где ширина шва;

высота шва.

Высота стыкового шва



Площадь основного металла в металле шва равна

Рассчитаем химический состав шва. Содержание каждого элемента вычисляется по формуле

где содержание элемента в стали;

содержание элемента в проволоке.

Определим химический состав каждого элемента в шве:

После расчета химсостава по диаграмме Шеффлера определяется его структура.

При этом для определения эквивалентов по никелю и хрому необходимо пользоваться формулами, несколько отличающимися от формул, использующихся для стали

ЭквCr=%Cr+2%Al+%V+5%Ti+1,5%S+2%Nb+2%Mo+1,5%W=18,34+5*0,32+1,5*0,02+2*1,28=22,5%

ЭквNi=%Ni+30%C+30%N+10%B+0,5%Mn=11,64+30*0,1+0,5*1,64=15,46%

Определив ЭквNi и ЭквCr, наносят на диаграмму Шеффлера точку, соответствующую структуре шва.

Для аустенитной стали 10Х17Н13М3Т структура шва аустенитно-ферритная.

Выбор сварочного оборудования

Сварочное оборудование выбирается в зависимости от заданного способа.

Для ручной сварки в качестве источника питания должен быть выбран выпрямитель. Трансформаторы использовать нельзя, т.к. сварка высоколегированной стали производится на постоянном токе. Выпрямители инверторного типа повышают стабильность дуги и уменьшают разбрызгивание металла при сварке. Возьмем однопостовой сварочный выпрямитель типа ВД-200И. Характеристика источника питания для ручной сварки крутопадающая. Марка выпрямителя должна соответствовать рассчитанной силе сварочного тока. Обычно номинальный ток выпрямителя несколько превышает расчетное значение.

Таблица 9.1. - Техническая характеристика однопостового сварочного выпрямителя инверторного типа

Параметр	ВД-200И
Диапазон сварочного тока, А	25-200
Номинальная частота , Гц	50,60
Напряжение холостого хода , В	90
Номинальная мощность, кВ·А	4,7
КПД, %	70
Габаритные размеры , мм	370\240\120
Напряжение питающей среды , В	220(+-10)
Масса , кг	6,5

Расчет расхода электроэнергии

Рассчитаем расход электроэнергии в сварочной дуге по формуле:

где сила сварочного тока;

напряжение на дуге;

основное время сварки;

к.п.д. источника питания.

Карта технологического процесса

Карта технологического процесса представляет собой сводный документ технологического процесса, в котором приводятся все его параметры.

Наимено-вание операции	Обозначение шва	Сварочные материалы	Сварочное оборудование	Режим сварки	Время сварки
				Ш, мм	, А	,В	, м/час	, мин	, мин
Сварка деталей	ГОСТ 11534-75-Т1	Марка электрода ОЗЛ6	Выпрямитель ВД-200И	3	105,97	24,2	14,7	33,5	20,4

Список литературы

Акулов А.И., Бельчук ГЛ., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением.-М.: Машиностроение, 1977.-432с.

Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. М.Машиностроение, 1981.-391с.

Куликов В.П. Технология и оборудование сварки плавнением.-Могилев: ММИ, 1998.-256с.

Куликов В.П. Технология сварки плавлением.-Мн: «Дизайн ПРО»,-2000.-257С.

Оборудование для дуговой сварки/Под ред.В.В.Смирнова.-Л.Энергоатомиздат, 1986.-655с.

Прох Л.Ц. Справочник по сварочному оборудованию.-Киев: Техника, 1983.-207с.

Сварка в машиностроении. Справочник. Т.1-4.-М: Машиностроение, 1978-1979.

Сварка и свариваемые материалы / Под ред. В.Н.Волченко.-М.Металлургия, 1991.-527с.