Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал Санкт-Петербургского государственного морского
технического университета
СЕВМАШВТУЗ
Шевцов О.А.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнениюкурсовой работы по дисциплине
“Технологические основы Сваркиплавлением и давлением”
(для студентов,обучающихся по специальности 150202)
Северодвинск
Севмашвтуз
2007г.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Общие сведения……………………………………………………………………
1. Содержание задания………………………………………………
2. Варианты задания…………………………………………………
3. Маркировка легированных сталей……………………………………………
4. Определение площади наплавки и числа проходов…………………………
5. Расчёт параметров режима сварки……………………………………………
6. Оценка геометрии сварного шва………………………………………………
7. Расчётная оценка химсоставашва и свойство шва и 3ТВ……………………
8. Оборудование для различных способов сварки………………………………
9. Рекомендации по подогреву и термообработке после сварки………………
Приложение…………………………………………………………………………
Список рекомендуемой литературы………………………………………………ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Курс“Технологические основы сварки плавлением и давлением” является одним изосновных при подготовке инженера по специальности 150202. Согласно требованиямквалификационной характеристики, специалист в области сварочного производства,должен владеть сварочными технологическими процессами. При организации производствалюбых металлоконструкций машиностроения, химических производств, сельхозтехники, арматуры или других строительных конструкцийи т.д., должен уметь назначить технологию получения неразъемного соединения металлаопределенной толщины различными способами сварки, уметь назначать разделкусогласно ГОСТАМ и подбирать необходимое сварочное оборудование и режимы сварки.
1. СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ
Согласно заданию задаётся определенная сталь заданной толщины (например,09Г2С, S=60 мм), тип соединения и ограничение на сварку (доступ к шву, кантовкаизделия и т.д.).
Необходимо разработать три технологических процесса сварки:
ручная электродуговая;
сварка под флюсом;
сварка в защитных газах.
Задание выполняется в следующем порядке.
1.Для данной толщины основного металла (S)и способа сварки определить тип соединения (C1,T3 и т.д.) согласно ГОСТ (например, ГОСТ 14771-76).Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные.
2. Согласно ГОСТ назначитьзазоры, разделку и подготовку кромок подсварку.
3. Определить размеры сварныхшвов (e1,g1,e2,g2).
4. Определить площадь наплавкиFH, рассчитать число слоев и проходов, необходимых для выполненияразделки. Назначить раскладку проходов.
5. Рассчитать необходимыепараметры режима сварки каждого прохода.
6. Подобрать необходимыесварочные материалы (электроды, электродные проволоки, флюсы, газы и т.д.).
7. Произвести расчётную оценку химсостава шва и механических свойств шва околошовной зоны.
8. Назначить требуемое сварноеоборудование и оснастку для компоновки поста.
9. При необходимости назначитьподогрев при сварке или послесварочную термообработку.
10. Произвести анализ полученных результатов.
Примечание: при выполнениизадания необходимо учесть дополнительные условия, доступ к шву и т.д.
2. ВАРИАНТ ЗАДАНИЯ
Конкретное задание каждому студенту выдается преподавателем.
3.МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Основную массу строительных легированных сталей составляютнизколегированная (ГОСТ 19282-73; 19281-73), легированная конструкционная (ГОСТ4543-71), теплоустойчивая (ГОСТ 200II-72). Маркировка всех перечисленных сталейоднотипная.
Первые две цифры – содержание углерода в сотых доляхпроцента; буквы – условное обозначение легирующих элементов; цифра после буквы– примерное содержание легирующего элемента. Буква “А” в конце марки означает, что стальвысококачественная, т.е. с пониженным содержанием серы и фосфора.
Условные обозначениелегирующих элементов
Элемент N Nb W Cu Se Co Mo Ni P B Si Ti
Обозначение А Б В Д Е К М Н П Р С Т
Элемент V Cч Zr Al
Обозначение Ф Х Ц Ю
Маленькие буквы “пс”, “сп”, “кп” в конце маркиозначает степень раскисленности стали, например: “пс”означает, что сталь полуспокойная.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ НАПЛАВКИ И ЧИСЛА ПРОХОДОВ
Приопределении площади наплавки Fнучитываются разделка, котораяхарактеризуется зазором а, притуплением с,углом скоса кромки β и углом разделки α, радиусом R, высота усиления h, ширина шва в.
При назначении числа проходов учитывают, чтокорень шва необходимо проваривать на малых токах:
F1=(6- 8)·dэл .
где dэл – диаметр электрода (при наличии притупления диаметрэлектрода выбирают минимальным-3мм).
Последующиепроходы выполняют с большим поперечным сечением
Fn=(10 — 12)·dэл .
Общееколичество проходов можно найти так: n=(Fн-F1)/Fn+1
. Затем назначаетсясхема заполнения разделки (рис. 1).
Рис.1. Схема заполнения разделки
4. РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА СВАРКИ
4.1. Ручная дуговая сварка
Определение режима сварки обычно начинают с выбора диаметра электрода dэл. Он назначается от S (толщины металла) при сварке стыковых швови от катета при сварке угловых и тавровых соединений (табл.1).
Таблица 1
S, мм
1,5 — 2,0
3
4,0 – 8
9 – 12
13 – 15
16 – 20
20
k, мм
2
3
4,5
5
6 – 8
16
20-
dэл, мм
1,6 — 2,0
3
4
4 – 5
5
5 – 6
6 – 10
Присварке металла угловыми швами катет швов назначается из расчета на прочность,но не более минимальной толщины. При многопроходной сварке первый проходвыполняется электродами dэл =3-4 мм.
Примногопроходной Fн≤ 30-40 мм2.
Дляопределения числа проходов при сварке угловых и тавровых соединений Fнможет быть вычислена по формуле
Fн=k2/2·ky,
где Ку – коэффициент увеличения, учитывающий наличиезазоров и выпуклость шва.
Значения Кув зависимости от катета шва могут быть приняты по табл.2.
Таблица 2
К, мм
3 – 4
5 – 6
7 – 10
12 – 20
20
Ку
1,5
1,35
1,25
1,15
1,10
Существуютоптимальные соотношения между dэл иплощадью поперечного сечения наплавленного металла.
Для первого прохода (припроваре корня шва)
F1=(6…8)dэл
Дляпоследующих проходов
FП=(8….12)dэл
Величина сварочного тока при РДС может бытьопределена по формуле
Iсв=π· d2эл /4·i,
где i – допускаемая плотность тока, А/мм2.
Значение допускаемой плотности тока в электроде при различных диаметрахстержня и типах покрытия приведены в табл.3.
Таблица 3.
Вид покрытия
i, А/мм2, при dэл, мм
3
4
5
6
Рудно-кислое, рутиловое
14 –20
11,5 – 16
10 – 13,5
9,5 – 12,5
Фтористо-кальцевое
13 – 18,5
10 – 14,5
9 – 12,5
8,5 – 12,0
Для другихпокрытий или при приближённых подсчётах величина Iсв может быть определенапо одной из следующих формул :
Iсв=К· dэл; (4.1)
Iсв=К1·d1,5эл; (4.2)
Iсв=d2эл·(К2+а· dэл), .(4.3)
где К =40 – 50; К1=20 – 25; К2=20; а =6 – коэффициенты.
Присварке электродами d= 4 – 5 мм используют первое выражение. Для электродов с 4>dэл следуетиспользовать выражения (2). Дляэлектродов dэл>5 ммиспользовать выражения (3).
При сварке во всех положениях, кроме нижнего,сварочный ток уменьшают на 10-15% -при сварке вертикальных швов; на15-20%- присварке горизонтальных и потолочных швов.
Напряжение на дуге колеблется в узком пределе (Uд=28-32 В) или устанавливаются по паспортным данным накаждую марку электрода, или в зависимости от вида покрытия электродов:
Основного типа Uсв=12+0,36·Iсв/ dэл,
Рутиловоготипа Uсв=12+1,7·Iсв/ dэл
Скорость сварки можно определить по выражению
Uсв=αн·Iсв/ 3600·ρ·Fн (4.4)
гдеαн – коэффициент наплавки, г/А·ч;
а)для постоянного тока обратной полярности
αн=(12+0,022/ d1,5эл ) (1- ψ% /100), где
ψ-коэффициент потерь при сварке под флюсом равен 1,при сварке в активных защитных газах
ψ= — 4,72 + 0,176i – 0,445 10-4 i2,
б) для постоянного тока прямойполярности
αн=(6,3+ 0,07/ dэл1,035Iсв)
в)для переменного тока
αн= 0,2025(Iсв/dэл)0,6
Дляэлектродов УОНИ-13 αн= 8 г/Ач, для электродов ЦМ αн=10 г/Ач
ρ– удельный вес наплавленногометалла, г/см3;
Fн – площадь поперечного сечения наплавленногометалла за данный проход, см2.
Погонная энергия может быть определена по уравнению
qn=0,24Iсв·Uд·hи/Vсв, кал/см
Учитывая, что при ручной сварке несколько изменяются напряжение на дуге,коэффициент использования тепла дуги и значение коэффициента наплавки, с достаточнойдля практических расчетов степенью точности для всех марок электродов можнопринять
qn= 145 Fн, кал/см
5.2 Определение параметров режима при механизированнойсварке под флюсом односторонних и двухсторонних стыковых швов
Основными размерами швов,выполненных автоматической сваркой под слоем флюса,влияющими на качество и работоспособность сварного соединения, являются: глубина провара h, ширина шва , высота валика с (см. рисунок 17).
f f
α0
Рис. 17. Основные размерыстыковых швов, выполненных
автоматической сваркой подфлюсом
Отношение ширины шва к глубинепровара hназывают коэффициентом формы провара ψпр:
(5.1)
Отношение ширины шва к высоте валика с называют коэффициентом формы валикаψв:
(5.2)
При сварке стыковых швов сразделкой кромок величину проплавления нескошенной части называют глубинойпроплавления притупления и обозначают h0.
Чтобырассчитать режим сварки, обеспечивающий заданные размеры и форму шва, необходимо установить связьмежду отдельными параметрами режима иразмерами шва.
Основнымипараметрами режима автоматической сваркипод флюсом, оказывающими влияние на размерыи форму шва, являются: сварочный ток, напряжение на дуге, скорость сварки,диаметр электрода или плотность тока в электроде.
Основное влияние на размеры иформу шва оказывает количество теплоты, выделяемое дугой, и условия ввода этоготепла в изделие.
Увеличение силысварочного тока приводит к возрастанию мощности дуги, вследствие чего увеличивается количестворасплавленного металла, как электродного,так и основного. Поэтому увеличение сварочноготока приводит к возрастанию глубины провара, высоты валика и ширины шва. Приэтом, вследствие увеличения давления дуги, жидкий металл более интенсивно вытесняется в хвост сварочной ванны и дуга оказываетпрямое воздействие на «дно» сварочной ванны, как бы заглубляясь в металл;поэтому главным образом сварочный ток оказывает влияние на глубину провара ивысоту валика, а ширина шва увеличиваетсянезначительно. Коэффициенты формы провара и формы валика вследствиеэтого интенсивно уменьшаются.
Увеличениенапряжения на дуге также приводит к росту тепловоймощности дуги. Так как при возрастании напряжения длина дуги увеличивается, то тепло вводится в изделиепо большей площади, что приводит кинтенсивному росту ширины шва и снижению высоты валика.
Характер влияния напряжения надуге на глубину провара зависит от величины сварочного тока.
Прибольших токах, когда дуга «заглублена» в основной металл, увеличение напряжения на дуге первоначально приводит кувеличению глубины провара; дальнейший рост напряжения связан со значительнымудлинением дуги, и увеличение тепловой мощностине компенсирует возрастающих потерь поверхностью столба дуги. При этом существенноуменьшается давление дуги на металл сварочной ванны, который накапливаетсяв основании столба дуги достаточно толстымслоем, препятствуя непосредственному воздействию дуги на основной металл.Вследствие этого глубина провара начинает падать.
При сварке на средних токахувеличение напряжения на дуге приводит к росту глубины провара лишь в диапазонеочень низких напряжений. Дальнейшее увеличение напряжения вызывает снижениеглубины провара.
При сварке на малых токахнапряжение на дуге оказывает незначительное влияние на глубину провара.
Увеличение скорости сварки вовсем диапазоне вызывает уменьшение ширины провара и некоторое уменьшение высотывалика.
Характер влияния скоростисварки на глубину провара при разных диапазонах скоростей различен. Увеличениескорости сварки до 15—20м/час (при использовании электроднойпроволоки диаметром 4—5мм), несмотряна уменьшение погонной энергии, вызываетнекоторое возрастание глубины провара, вследствие того, что при этомуменьшается количество жидкого металла в основании столба дуги. Поэтому непосредственное воздействие дуги нанерасплавленный металл усиливается.
В диапазоне 20—40м/час скоростьсварки мало влияет на глубину провара.Дальнейшее увеличение скорости сварки вызывает снижение глубины провара.
Диаметрэлектрода при неизменной мощности дуги и скорости сварки также оказывает существенное влияние на размерыи форму шва.
С увеличением диаметраэлектрода при неизменном значении тока усиливается блуждание активного пятна поповерхности ванны, тепло дуги распределяется по большей площади, вследствие чего ширина шва увеличивается, а глубинапровара и высота валика уменьшаются. Наоборот, при сварке электроднойпроволокой малого диаметра, когда плотность тока в электроде возрастает,блуждание активного пятна по поверхности ванны ослабевает, тепло вводится болееконцентрированно. В результате этого увеличивается глубина провара и высотавалика, а ширина шва уменьшается. Росту высоты валика способствует такжезначительное увеличение коэффициента расплавления, а следовательно, иколичества расплавленного электродного металла.
Коэффициенты формы провара и валика суменьшением диаметра электродной проволоки резко уменьшаются.
Режимсварки обычно устанавливают исходя из условий обеспечения заданных размеров шва и сплошностисварного соединения.
Для обеспечениясплошного провара при двусторонней однопроходнойавтоматической сварке необходимо, чтобы размеры шва удовлетворяли следующим требованиям (рис. 28 и формулы (5.3):
h1 +h2= d+ k
h > d- S (5.3)
k >0
d-толщина свариваемых листов,
h1–глубинапровара при сварке с первой стороны,
h2 — глубина провара при сварке с второй стороны,
k — величинаперекроя,
S–толщина нерасплавленного слоя металла под сварочной ванной.
При проектированиитехнологических процессов сварки необходимоопределить режимы сварки, обеспечивающие получение швов заданных размеров, формыи качества.
Метод расчета режимов, предложенныйЛенинградским политехническим институтом приближенный, но для инженерныхрасчетов достаточно точен.
Расчет режима сварки начинают с того,что задают требуемую глубину провара при сварке с первой стороны, котораяустанавливается равной:
h1 =d/2 ±(1÷3)мм (5.4)
Затемопределяют сварочный ток, имея в виду, что в среднем каждые 80-100А дают глубинупровара 1мм, т.е.
Iсв= (80 ÷100) h (5.5)
Скоростьсварки устанавливается в зависимости от принятой величины сварочного тока.
Уже отмечалось, что для сохранениягеометрического подобия сварочной ванны при изменении тепловой мощности дугинеобходимо qvсвподдерживать постоянным. Так как изменение тепловоймощности дуги пропорционально изменению тока, то для сохранениянеобходимой формы сварочной ванны произведение сварочного тока на скоростьсварки должно находиться в определенных пределах. Как известно из практики,формируется шов удовлетворительно тогда, когда произведение силы тока (А) наскорость сварки (м/час) при автоматической сварке электроднойпроволокой диаметром 4-6мм находится в пределах 20000-30000.
Исходяиз этого скорость сварки при автоматическойсварке электродной проволокой диаметром 4-6ммможно определить по формуле:
Vсв= (20 ÷30) 103/ Iсв ( м/час) (5.6 )
При этом следуетиметь в виду, что при автоматической сваркескорость сварки не должна выходить за пределы 15-60м/час. Диаметр электродной проволоки может быть определенпо формуле (5.7) по установленнойвеличине сварочного тока и допускаемой плотности тока jв электроде, которая при автоматической сваркеизменяется в довольно широких пределах, как можно видеть из табл. 4.
dЭл= 2√Iсв/πj (5.7)
Iсв=π· dэл2/4·i, (5.8)
гдеi –допускаемая плотность тока по табл.4.
Таблица 4
dэл, мм
2
3
4
5
6
i, А/мм2
95
63,5
54
40
30 Или скорость сварки можноопределить по формуле
Uсв=A/Iсв, (5.9)
гдеА-коэффициент, назначается по табл. 6.
Диаметр электродной проволокиназначается в зависимости от толщины свариваемого металла, согласно табл.5.
Таблица 5S, мм
3
5
8
10
12
16
20
dэл,мм
2
3 – 4
4 – 5
4 – 5
5
5
5
Значение коэффициента А при сварке под флюсом выбирают по табл.6.
Таблица 6
dэл,мм
2
3
4
5
А, Ам/ч
(11 – 13)103
(13 – 16)103
(18 – 22)103
(22 – 30)103
Зная величину сварочного тока и диаметр электроднойпроволоки, по кривым рис. 24 устанавливают оптимальное напряжение на дуге Uди определяют коэффициент формы провара при данном режимесварки или
Uд=20+0,05Iсв/dэл0,5; (5.10)
Погонная энергия сварки
qn=8,64Iсв·Uд·hи/Vсв (5.11)
где hи-эффективныйк.п.д. процесса сварки под флюсом, принимается 0,9.
Скорость подачи сварочной проволоки
Vnn=4·αн·Iсв/π dэл2 ρ, (5.12)
где αн– коэффициент наплавки, г/Ач;(приложение 5)
После этого рассчитываютфактическую глубину провара по формуле(5.13) для малоуглеродистой стали при сварке стыкового бесскосногосоединения и нулевом зазоре в стыке.
h=0,0156√g/ ψпрVсв (5.13)
Определив глубину провара h, по формулеb.
Теперь надо рассчитатькоэффициент формы валика