Расчет прочности сварного соединения

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Современный технический прогресс в промышленности неразрывно связан с совершенствованием сварочного производства. Сварка как высокопроизводительный процесс изготовления неразъемных соединений находит широкое применение при изготовлении металлургического, химического и энергетического оборудования, различных трубопроводов, в машиностроении, в производстве строительных и других конструкций.

Сварка - такой же необходимый технологический процесс, как и обработка металлов резанием, литьё, ковка, штамповка. Большие технологические возможности сварки обеспечили её широкое применение при изготовлении и ремонте судов, автомобилей, самолётов, турбин, котлов, реакторов, мостов и других конструкций.

Перспективы сварки как в научном, так и в техническом плане безграничны. Её применение способствует совершенствованию машиностроения и развитию ракетостроения, атомной энергетики, радиоэлектроники.

Начало производственного использования простейших способов сварки и пайки теряется в глубокой древности.

Способы сварки развивались очень медленно. На протяжении столетий в связи с отсутствием технической базы не происходило заметного изменения ни в ее технике, ни в технологии.

Принципиально важным для развития и применения сварочной науки и техники стал XX век, особенно первая его половина. В последние двадцать лет сварочное производство заметно совершенствовалось, в первую очередь в области оборудования и аппаратуры.

В начале XXI в. сварка является одним из ведущих технологических процессов создание материальной основы современной цивилизации.

Сварке подвергаются практически любые металлы и неметаллы в любых условиях - на земле, в воде, в космосе.

Толщина свариваемых деталей колеблется от микронов до метров, масса конструкций - от граммов до сотен тонн.

Зачастую сварка является единственно возможным способом создания неразъемных соединений конструкционных материалов и получения заготовок, максимально приближенных к форме и размерам готовой детали или конструкции.

Соединения, получаемые сваркой, характеризуются высокими механическими свойствами, небольшим расходом металла, низкой трудоемкостью и невысокой себестоимостью. Надежность соединений, выполненных сваркой, позволяет применять ее при сборке самых ответственных конструкций.

Основоположниками дуговой сварки являются российские ученые и инженеры - В.В. Петров (1761 - 1834), Н.Н. Бенардос (1842 - 1905), Н.Г. Славянов (1854 - 1897).

Научно-технические, экспериментальные и практические работы, выполненные в последнее время в области сварки, позволили создать принципиально новые конструкции машин.

Широкие возможности сварки плавлением облегчают решения задач, стоящих перед инженерами технологами. Однако разработанный технологический процесс должен не только обеспечить требуемые свойства сварных соединений, но быть экономичным и экологически приемлемым.

1. Характеристика основного металла

Сталь 15хснд имеет широкую сферу применения. Она используется для изготовления тех конструкций и деталей, которые должны быть повышенной прочности и стойкости к коррозии. Такие детали должны работать при температурах от -70 до +450 градусов с ограничением массы. Также 15хснд используют для изготовления проката, который в свою очередь нужен для мостовых конструкций. К тому же цена на 15хснд вполне доступна.

Эта марка стали 15хснд является низколегированной и хромокремненикелевой с медью. Степень её раскисления равен Сп.

Класс прочности лист 15хснд - КП 325 при толщине до 32 мм (сортовой, фасонный и полосовой прокат), а также КП 345 (толщина составляет до 10 мм).

15хснд имеет класс прочности КП 345 при толщине до 32 мм (листовой, универсальный широкополосный прокат и гнутые профили без дополнительной обработки). В качестве заменителей данной стали могут выступать сталь 16Г2АФ, сталь 15ГФ, сталь 14ХГС, сталь 16ГС и сталь 14СНД.

Характеристики стали 15хснд ограниченно свариваемая - необходима термообработка после сваривания, сварка происходит при нагреве до 100 - 120 градусов.

Сталь 15ХСНД в процентах содержит следующие химические элементы:

Медь (Cu) - 0,2-0,4;

Кремний (Si) - 0,4-0,7;

Марганец (Mn) - 0,4-0,7;

Мышьяк (As) - менее 0,08;

Фосфор (P) - до 0,035;

Никель (Ni) - 0,3-0,6;

Азот (N) - менее 0,008;

Хром (Cr) - 0,6-0,9;

Сера (S) - до 0,04.

Свариваемость стали 15хснд.

Свариваемость - это способность металлов и сплавов образовывать соединение с помощью сварки без трещин, пор и других дефектов. Под свариваемостью в основном понимают склонность сварного соединения к образованию трещин закалочных структур и других структурных изменений в ЗТВ. Свариваемые металлы должны иметь близкие физические, механические, термические, химические свойства, близость коэффициентов термического линейного расширения металлов в стыке. Критерием хорошей свариваемости является способность сохранения сварным соединением специальных физических, механических свойств -- равнопрочности, жаростойкости, коррозионной стойкости, антифрикционное, прочности, вязкости и т. д. Свариваемость различных металлов и сплавов неодинакова.

Свариваемость характеризуется способностью изменять свойства шва и сварного соединения по сопоставлению со свойствами основного металла, способностью к взаимной кристаллизации.В данной работе рассматривается технология сборки и сварки стыкового соединения , материалом которого является сталь 15ХСНД (0,15% - углерода; до 1% - хрома; до 1% - кремния; до 1% - никеля и до 1% - меди). Сталь 15ХСНД относится к строительным сталям. Эти стали содержат 0,1…0,2% углерода. Низколегированные строительные стали по сравнению с углеродистыми обладают повышенной прочностью. Упрочнение низколегированных сталей достигается введением малых количеств марганца и кремния, а также хрома, никеля, меди и других элементов. Введение никеля и меди увеличивает коррозионную стойкость. Применяют эти стали для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефте- и газопроводов, а также в мостостроении.

Детали строительных конструкций соединяют сваркой, поэтому стали должны хорошо свариваться, т.е. не образовывать горячих и холодных трещин. Это зависит от содержания углерода.

2. Выбор способа сварки

Различают более 150 видов сварочных процессов. ГОСТ 19521--74 сварочные процессы классифицирует по основным физическим, техническим и технологическим признакам. Основа классификации по физическим признакам - вид энергии, применяемой для получения сварного соединения. По физическим признакам все сварочные процессы относят к одному из трех классов: термическому, термомеханическому и механическому.

Термический класс - все виды сварки плавлением, осуществляемые с использованием тепловой энергии (газовая, дуговая, электрошлаковая, плазменная, электронно-лучевая и лазерная).

Термомеханический класс - все виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, кузнечная, газо и дугопрессовая).

Механический класс - все виды сварки давлением, проводимые с использованием механической энергии (холодная, трением, ультразвуковая и взрывом).

По техническим признакам сварочные процессы классифицируют в зависимости от способа защиты металла в зоне сварки, непрерывности процесса и степени его механизации.

При сварке стыкового соединения (толщина заготовок 25мм) целесообразно будет применении автоматической сварки под флюсом, либо полуавтоматической сварки в среде защитных газов. Оба этих способа сварки - относятся к термическому классу.

Автоматическая сварка под флюсом - при этом способе сварки электрическая дуга горит под зернистым сыпучим материалом, называемым сварочным флюсом.

Под действием тепла дуги расплавляются электродная проволока и основной металл, а также часть флюса. В зоне сварки образуется полость, заполненная парами металла, флюса и газами. Газовая полость ограничена в верхней части оболочкой расплавленного флюса. Расплавленный флюс, окружая газовую полость, защищает дугу и расплавленный металл в зоне сварки от вредного воздействия окружающей среды, осуществляет металлургическую обработку металла в сварочной ванне. По мере удаления сварочной дуги расплавленный флюс, прореагировавший с расплавленным металлом, затвердевает, образуя на шве шлаковую корку.

После прекращения процесса сварки и охлаждения металла шлаковая корка легко отделяется от металла шва. Не израсходованная часть флюса специальным пневматическим устройством собирается во флюсоаппарат и используется в дальнейшем при сварке.

Полуавтоматическая сварка в среде защитных газов - в зону дуги, горящей между плавящимся электродом (сварочной проволокой) и изделием через сопло подаётся защитный газ, защищающий металл сварочной ванны, капли электродного металла и закристаллизовавшийся металл от воздействия активных газов атмосферы.

Теплотой дуги расплавляются кромки свариваемого изделия и электродная (сварочная) проволока. Расплавленный металл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует сварной шов.

В данной работе будет использоваться автоматическая сварка по флюсом, так как этот способ менее трудоёмкий по отношению к полуавтоматической сварке в среде защитных газов и в условиях массового производства более приемлем.

3. Параметры режима сварки

Сварочными материалами при автоматической сварке под флюсом служат сварочная проволока и соответственно флюс. При сварке углеродистых и низколегированных конструкционных сталей чаще всего используется углеродистая проволока марок Св-08 и Св-08А в сочетании с высококремнистым марганцевым флюсом марок ОСЦ-45, АН-348, ОСЦ-45Н и АН-348АН.

При сварке стыка из стали 15ХСНД была выбрана омеднённая сварочная проволока Св10НМА (углерод = 0,07-0,12%; кремний = 0,12-0,35%; марганец = 0,40-0,70%; никель = 1,0-1,50% и молибден = 0,40-0,55%). Диаметр проволоки 5мм. Данная проволока используется для автоматической и полуавтоматической сварки углеродистых и низколегированных сталей высокой прочности под флюсом и в газовой смеси (Ar-80% + CO2-20%). Флюс - АН-47 - керамический. Представляет собой механическую смесь тонкоизмельчённых природных материалов, ферросплавов и искусственных силикатов, сцементированных жидким стеклом и гранулируемых на крупинки определённых размеров.

Так как в сборочной операции и в дальнейшем для устранения дефектов сварки задействован аппарат для полуавтоматической сварки в защитных газах (смесь Ar-80% + CO2-20%), необходимо применить сварочную проволоку соответствующего диаметра - 1,6мм. Марка проволоки Св-08Г2С (0,05 - 0,11% - углерода; 0,70 - 0,95% - кремния; 1,8 - 2,1% - марганца; 0,20% - хрома; 0,25% - никеля; 0,025% - серы; 0,03% - фосфора).

Основными параметры режима автоматической сварки стали под флюсом являются: сварочный ток, напряжение на дуге, скорость перемещения дуги и скорость подачи проволоки.

Выбор режимов сварки зависит от толщины свариваемых заготовок, выбираются из справочных материалов либо могут быть вычислены при помощи специальных формул. При сварке корневого прохода стыка пояса были выбраны следующие режимы: Iсв=600-650А; Uд=32-33В; Vсв=45 см/мин.

При сварке промежуточных проходов: Iсв=700-750А; Uд=34В; Vсв=40-45 см/мин.

При сварке облицовочного прохода: Iсв=600-620А; Uд=34-36В; Vсв=35-40 см/мин.

При перевороте изделия на противоположную сторону значения силы сварочного тока, напряжения на дуге и скорости перемещения дуги при сварке промежуточного и облицовочного проходов, остаются прежними.

Список литературы

сварной конструкционный закалочный

1. Строительная механика сварных конструкций. Арнаутов Б.В. Екатеринбург 2012.

2. Сварочное производство. Колганов Л.А. Ростов н/Д: «Феникс», 2002.

3. Технология и оборудование сварки плавлением: Учебное пособие для студентов вузов А.И. Акулов, Г.А. Бельчук и В.П. Демянцевич. «Машиностроение», 1976.

Размещено на Allbest.ru