Разработка технологии сварки изделия из стали 08Х21Н6М2Т

Содержание.docx

Разработка конструкции сварной сборочной единицы и выбор типа сварочных швов ..
Определение химического состава и структуры стали в исходном состоянии .
Технологические особенности сварки ..
Расчет параметров режима сварки
Расчет норм времени ..
Выбор сварочных материалов
Расчет химического состава шва и определение его структуры
Расчет расхода сварочных материалов .
Выбор сварочного оборудования ..
Список литературных источников

1.cdw

3.cdw

Определение структуры
сварочного оборудования
Технические характеристики сварочного оборудования
Напряжение питающей сети
Максимальный сварочный ток
Минимальный сварочный ток

Титульник.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МЕЖГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра «Оборудование и технология сварочного производства»
КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
«Технология сварочных процессов»
«Разработать технологию сварки изделия из стали 08Х21Н6М2Т»
ст. гр. ВЭП-191 Дашевский Н.В.
ст. преподаватель Фетисова Е. А.

2.cdw

Химический состав стали 08
Значение параметров режима сварки
Химический состав сварочной проволки Св-13Х25Н18

Записка.docx

Сварка является на сегодняшний день наиболее эффективным и динамично развивающимся способом создания неразъемных соединений. Появление новых материалов и сплавов требует разработки технологий их сварки. Зачастую наибольшие трудности вызывает расчет параметров режима и выбор сварочных материалов с учетом особенностей сварки сталей заданного структурного класса.
Основной целью курсового проекта является приобретение навыков по практическому применению теоретических знаний полученных при изучении курса «Технология сварки плавлением и термической резки».
В курсовом проекте выполнен анализ сварной сборочной единицы осуществлен рациональный выбор типов сварных соединений руководствуясь технологичностью их выполнения и доступностью на основании анализа химического состава материала свариваемого изделия выбраны наиболее подходящие по типу сварочные материалы рассчитаны технологические параметры режима сварки и нормы времени подобрано сварочное оборудование.
Разработка конструкции сварной сборочной единицы и выбор типа сварочных швов
После получения индивидуального задания в виде сборочного чертежа изделия (без указания обозначения сварных соединений) была разработана конструкция сборочной сварной единицы. При этом изделие разбивается на несколько отдельных деталей соединяемых между собой с помощью сварки. При разбиении соблюдены рекомендации по обеспечению технологичности подготовки деталей под сборку и сварку а также оптимизации конструкции сварного соединения.
После разбиения исходного изделия на составляющие детали сварной конструкции для их соединения между собой были выбраны типы сварных швов по соответствующим стандартам ГОСТ 14771–76 ГОСТ 16037–80 При этом выбор типов сварных швов и соединений обусловлен толщиной свариваемых деталей месторасположением швов а также возможностью их выполнения с учетом способа сварки.
В графической части проекта необходимо приведен сборочный чертеж изделия с указанием всех сварных швов а также спецификация к нему (Лист 1).
Составлена сводная таблица содержащая эскизы сварных швов с указанием их конструктивных элементов и размеров а также геометрических параметров подготовки кромок сварного соединения под сварку (таблица 1.1).
Изделие состоит из шести деталей: 1-бобышка; 2-крышка; 34-ребро; 5-корпус; 6-дно;
Таблица 1.1 – Типы сварных соединений
Номер шва тип соединения соединяемые элементы
конструктивные параметры
Конструктивные элементы
подготовленных кромок свариваемых деталей
шва сварного соединения
Данные из таблицы 1.1 выносятся на графическую часть (Лист 2 – А1).
Определение химического состава и структуры стали в исходном состоянии
Следующим этапом выполнения курсового проекта было изучение особенностей технологии сварки заданной стали. Для этого в первую очередь был определен её структурный класс который зависит от химического состава и влияет на технологические особенности сварки такие как: необходимость выполнения термообработки предварительного подогрева выбор защитной газовой среды и типа покрытия электродов и др.
Химический состав стали 08Х21Н6М2Т представлен в таблице 2.1. Химический состав стали определяется по марочникам и справочникам [1].
Таблица 2.1 – Химический состав стали 08Х21Н6М2Т [1]
Определение структуры стали осуществлялось по диаграмме Шеффлера (рисунок 2.1 а).
а – диаграмма Шеффлера; б – определение структуры на примере стали 08Х21Н6М2Т
Рисунок 2.1 – Определение структуры стали
Для этого первоначально рассчитываются эквивалентные значения хрома и никеля по следующим формулам:
Экв Cr = % Cr + % Mo + 2 % T
Экв Ni = % Ni + 30 % C + 30 % N + 05 % Mn.
Сущность эквивалентных значений хрома и никеля заключается в том что все легирующие элементы и вредные примеси находящиеся в составе рассматриваемой стали по своему влиянию на конечную структуру являются аналогами хрома т. е. элементами-ферритизаторами либо аналогами никеля т. е. элементами-аустенизаторами.
Таким образом используя данные таблицы 2.1 получим:
Экв Cr = 22 + 25 + 2 * 04 + 15 * 08 = 245 + 08 + 12 = 265;
Экв Ni = 65 + 30 * 008 + 05 * 08 = 93.
По значениям Экв Сr и Экв Ni на диаграмме Шеффлера наносится точка соответствующая структуре стали (рисунок 2.1 б). Она попадает на А+Ф области технологию ее сварки следует рассматривать как технологию аустенитной стали.
Технологические особенности сварки
Аустенитные стали - наиболее многочисленная группа высоколегированных сталей. Они как правило легируются Сr 16 % и N применяется в химическом нефтяном энергетическом машиностроении для конструкций работающих в широком диапазоне температур - от отрицательных до положительных [2].
Вследствие 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 примерно в 4 раза ниже чем низкоуглеродистые а коэффициент линейного расширения в 15 раза выше. При сварке это приводит к более неравномерному нагреву увеличению деформаций и напряжений [2].
Стали аустенитного класса имеют высокое электрическое сопротивление (в 3 5 раз выше чем у низкоуглеродистых сталей) что вызывает более сильный нагрев электрода при ручной сварке или вылета проволоки при механизированных способах сварки. Аустенитные стали неферромагнитны что позволяет магнитными способами осуществлять их сортировку.
Остановимся на основных трудностях встречающихся при сварке сталей данного структурного класса.
Первой сложностью является 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; Pв; Zn и др.)
Основные направления 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. Уже 3 5 % феррита достаточно чтобы вероятность образования кристаллизационных трещин уменьшилась. Двухфазную структуру получают за счет использования сварочных проволок дополнительно легированных элементами-ферритизаторами обычно хромом. Однако стремление получить аустенитно-ферритную структуру на глубоко аустенитных сталях содержащих более 15 % Ni требует введения большого количества ферритообразующих элементов что может привести к потере пластичности вследствие образования хрупких интерметаллидов хрома. Для таких сталей целесообразно легирование проволоки Nв и Тi которые образуют мелкодисперсные карбиды препятствующие росту зерна [2].
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. Для этого следует применять режимы уменьшающие долю основного металла в шве и использовать стали и сварочные материалы с минимальным содержанием названных примесей. Техника сварки должна обеспечивать минимальное насыщение металла шва газами. Этому способствует применение при сварке постоянного тока обратной полярности. При ручной сварке следует поддерживать короткую дугу и сварку вести без поперечных колебаний. При сварке в защитных газах предупреждая подсос воздуха следует поддерживать коротким вылет электрода и выбирать оптимальными скорость сварки и расход защитного газа. Необходимо также применять меры к удалению влаги из флюса или покрытия электродов выполняя их необходимую прокалку.
Регулирование процесса кристаллизации шва что может осуществляться различными способами.
Во-первых правильно выбирать форму шва что влияет на направление роста кристаллов. Направление роста кристаллов не должно совпадать с направлением действия растягивающих напряжений как это происходит для узких и глубоких швов. Кроме того неблагоприятная форма шва влияет на ликвацию примесей вследствие чего они сосредоточиваются в центре шва и ослабляют его т.к. являются источником образования легкоплавких эвтектик. Во-вторых при полуавтоматической сварке целесообразны поперечные колебания проволоки что изменяет схему кристаллизации и уменьшает вероятность трещин [2].
В-третьих при автоматической сварке целесообразно использовать электромагнитное перемешивание сварочной ванны (ЭМП). При ЭМП на жидкую сварочную ванну воздействуют переменным магнитным полем вследствие чего в расплавленном металле возникают вихревые токи. Взаимодействуя с магнитным полем они заставляют металл перемещаться что затрудняет беспрепятственный рост кристаллов и измельчает зерно.
Уменьшение силового фактора (растягивающих напряжений) возникающего в результате термического цикла сварки. Снижение его действия достигается уменьшением тока по сравнению со сваркой углеродистых сталей на 10-30% заполнением разделки швами небольшого сечения и устранением жестких закреплений свариваемых кромок.
Второй сложностью при сварке аустенитных сталей является возможная потеря коррозионных свойств сварными швами. Это может произойти вследствие взаимодействия хрома с углеродом и образования карбида хрома Сr23С6. Эта реакция особенно интенсивно происходит при температурах 600-7500С вследствие чего пограничные слои зерен обедняются хромом. Его может стать меньше 12% после чего коррозионная стойкость резко падает (см.рис.6.17). Основными направлениями борьбы с потерей коррозионных свойств являются следующие [2].
Уменьшение содержания углерода в основном металле и металле шва до 002-003% что предотвращает образование карбидов хрома. Таким образом наибольшей коррозионной стойкостью обладают аустенитные стали и швы содержащие минимальное количество углерода.
Дополнительное легирование шва титаном ниобием ванадием за счет большего содержания этих элементов в сварочной проволоке чем в стали. Обладая большим сродством к углероду Тi Nв V вступают с ним в реакцию и предотвращают образование карбидов Сr. Этим обеспечивается его необходимое содержание в шве и коррозионная стойкость не нарушается.
Применение высоких скоростей охлаждения швов в интервале температур 600 800 °С при которых происходит интенсивное образование карбидов хрома. Это позволяет снизить время пребывания шва и околошовной зоны при данных температурах. Осуществляется за счет ограничения сварочного тока уменьшения размеров швов принудительного охлаждения.
Проведение термообработки - закалки или отжига. При температуре Т 800 0С карбиды хрома растворяются. В большинстве случаев при сварке аустенитных сталей термообработка не требуется. Ее применяют тогда когда в состоянии после сварки соединения проявляют склонность к межкристаллитной или ножевой коррозии либо предназначены для работы в условиях вызывающих коррозионное растрескивание.
Аустенитные стали свариваются различными способами: ручной сваркой под флюсом в среде защитных газов электрошлаковой сваркой.
При сварке в СО2 происходит науглероживание металла шва и снижается стойкость против межкристаллитной коррозии вследствие образования карбидов Сr. Одновременно окислительная атмосфера создаваемая в дуге за счет диссоциации углекислого газа способствует угару до 50 % титана и алюминия. Поэтому сварочная проволока должна содержать большее количество карбидообразующих элементов - титана ниобия. Усложняет процесс сварки в СО2 и повышенное разбрызгивание при котором происходит достаточно сильное прилипание брызг. Места падения брызг а также зоны плотного сцепления окисных пленок с металлом могут стать очагами коррозии [2].
Расчет параметров режима сварки
Расчет параметров режима сварки ведется в зависимости от заданного способа сварки. Основными параметрами режима дуговой сварки в защитных газах являются: сила сварочного тока Iсв напряжение на дуге Uд скорость подачи сварочной проволоки Vп.пр диаметр проволоки dпр скорость сварки Vсв. Также имеется ряд дополнительных но не менее важных параметров таких как расход защитного газа при сварке вылет электродной проволоки и др.
Первоначально следует задаться диаметром проволоки dпр. Его значение зависит от способа сварки требуемой глубины проплавления металла Hпр и условий сварки. Так как в рассматриваемом случае не требуется проплавление изделий на всю толщину металла (присутствуют тавровые типы соединений без полного проплавления и стыковые с разделкой кромок) выбираем диаметр проволоки dпр = 12 мм.
Рассчитаем площадь поперечного сечения наплавленного металла.
Для шва №1 (ГОСТ 14771-76-Т3):
где k – катет сварного шва;
FнТ3 – площадь поперечного сечения наплавленного металла с одной стороны (сварной шов является двусторонним);
a – коэффициент учитывающий форму шва (для шва с выпуклой поверхностью a = 12);
a – угол под которым свариваются соединяемые детали (a = 90).
При определении количества проходов следует иметь в виду что поперечное сечение металла наплавленного за один проход не должно превышать 30 40 мм2. При этом чаще всего первым проходом является сварка корневого шва. Этот проход самый ответственный и выполняется на пониженных значениях силы сварочного тока напряжения на дуге и скорости сварки. В связи с необходимостью обеспечения качественного формирования шва а также доступа к его выполнению в случаях наличия разделки кромок сварка производится проволокой и электродами небольшого поперечного сечения (малых диаметров).
Площадь поперечного сечения наплавленного металла первого прохода можно определить по формуле
После расчета площади поперечного сечения наплавленного металла и количества проходов рассчитываем силу сварочного тока. Это основной параметр определяющий глубину проплавления при сварке.
Для дуговой сварки в среде защитных газов и сварки под слоем флюса сила сварочного тока находится в зависимости от глубины проплавления и определяется по формуле
где kп – коэффициент пропорциональности Амм2.
Значение коэффициента пропорциональности зависит от способа и условий сварки. Для сварки в защитном газе СО2 при постоянном токе и обратной полярности с диаметром проволоки 12 мм – kп = 175.
Так как по условию задания и согласно выбранным типа сварных соединений для рассматриваемой конструкции отсутствуют требования по глубине проплавления принимаем глубину проплавления 3 мм (для надежного формирования сварного шва).
Таким образом сила сварочного тока для всех сварных соединений будет одинакова и соответственно равна:
После вычисления силы сварочного тока необходимо проверить условие обеспечения допустимости расчетной плотности тока в данном диаметре проволоки. Для этого можно воспользоваться формулой
Рассчитанная по этой формуле плотность тока должна находиться в диапазоне допустимых значений согласно таблице 4.1.
Таблица 4.1 – Допускаемая плотность тока в сварочной проволоке
Диаметр проволоки мм
После расчета силы сварочного тока необходимо определить напряжение на дуге. Для дуговой сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа
Так как сила тока во всех случаях одинакова то:
Далее необходимо определить скорость сварки по формуле
где aн – коэффициент наплавки г·Ач;
g – плотность наплавленного металла гсм3.
Коэффициент наплавки для ручной сварки в СО2 aн = 12 14 г(А·ч).
Таблица 4.2 – Значения параметров режима
Номер сварного соединения
Площадь наплавленного металла см2
Сила сварочного тока А
Напряжение на дуге В
Скорость подачи проволоки ммин
Составными частями технически обоснованной нормы времени являются подготовительно-заключительное время tпз основное время tо вспомогательное время tв время на обслуживание рабочего места tобс время на отдых и личные надобности (время регламентированных перерывов в работе) tп.
Общее время на выполнение сварочной операции определяется по формуле
где tо – основное время мин;
tпз – подготовительно-заключительное время мин;
tв – время на вспомогательные операции мин;
tобс – время на обслуживание рабочего места мин.
Основное время необходимое для непосредственного выполнения сварочной операции можно найти по формуле
где Mнм – масса наплавленного металла г;
Исходным объектом нормирования при определении основного времени на сварку является участок прямолинейного шва выполненного в нижнем положении.
Подготовительно-заключительное время tпз включает в себя такие операции как получение производственного задания инструктаж получение и сдача инструмента осмотр и подготовка оборудования к работе и т.д. В в единичном производстве tпз = (010 020)tо.
Вспомогательное время определяется по формуле
где tэ – время на установку катушки с проволокой (tэ = 3 мин);
tкр – время на осмотр и очистку свариваемых кромок мин;
tбр – время на очистку швов от шлака и брызг мин;
tкл – время на клеймение (установка одного знака) мин;
tизд – время на установку и поворот детали её закрепление мин.
Время зачистки кромок и очистки изделия от шлака и брызг металла
где n – количество проходов при сварке многослойных швов;
Lш – длина сварного шва м.
Время на клеймение принимается равным tкл = 003 мин на один знак.
Время на установку и поворот изделия при массе изделия до 25 кг принимается tизд = 3 мин (операции выполняются вручную).
Время на обслуживание рабочего места включает в себя время на установку режима сварки наладку полуавтомата или автомата уборку флюса инструмента и т. д. Для механизированной и автоматической сварки tобс = (006 008)tо.
Время перерывов на отдых и личные надобности зависит от положения в котором сварщик выполняет работы. При сварке в удобном положении tп = 007tо.
Таким образом нормирование времени для шва № 1:
* Время на смену кассеты с проволокой отсутствует
Выбор сварочных материалов
Сварочные материалы выбирают в зависимости от структурного класса свариваемого материала который определяется по химическому составу основного металла. По рекомендациям [2] выбираем для сварки проволоку Св-13Х25Н18 химический состав которой представлен в таблице 6.1.
Таблица 6.1 – Химический состав с варочной проволоки [3]
Расчет химического состава шва и определение его структуры
Сварной шов состоит из основного и наплавленного металлов которые в процессе сварки перемешиваются образуя общую сварочную ванну в которую попадают химические элементы из основного металла в количестве пропорциональном доле основного металла в металле шва qо и из проволоки в количестве пропорционально доле наплавленного металла в металле шва qн:
где Fо – площадь поперечного сечения основного металла в металле шва мм2;
Fн – площадь поперечного сечения наплавленного металла мм2;
Fш – площадь поперечного сечения шва мм2.
Площадь шва определяется по формуле
Высота стыкового шва равна глубине проплавления: H = Hпр. Высота углового шва H = Hпр + а где a = 07k. Ширина углового шва e = 14k. Высоту выпуклости g в случае углового шва можно принять равной 1 2 мм.
После вычисления qо и qн необходимо рассчитать химический состав шва. Содержание каждого элемента вычисляется по формуле
где Эо – содержание элемента в основном металле;
Эн – содержание элемента в электроде или проволоке.
После расчета химического состава по диаграмме Шеффлера определяется его структура. При этом необходимо пользоваться формулами несколько отличающимися от формул используемых для основного металла
Экв Cr = % Cr + 2 % Al + % V + 5 % Ti + 15 % Si + 2 % Nb +
Экв Ni = % Ni + 30 % C + 30 % N + 05 % Mn + 10 % B.
Э(С) = 012002 + 007098 = 0071 %;
Э(Cr) = 18002 + 20098 = 1996 %;
Э(S) = 002 % Э(P) = 002 %;
Э(Nb) = 0002 + 11098 = 1 %;
Э(V) = 0002 + 11098 = 1 %;
Экв Cr = 1996 + 1 + 5 0016 + 15 129 + 2 1 = 2497 %;
Экв Ni = 9 + 30 0071+ 05 2 = 1213 %.
Рисунок 6.1 – Определение структуры швов
Таким образом по диаграмме определили что структура шва будет А+Ф (аустенитно-ферритная). Двухфазная структура обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики шва.
Расчет расхода сварочных материалов
При разработке технологии сварки после расчета норм времени определяют расход сварочных материалов к которым относится расход сварочной проволоки (электродов) защитного газа или флюса. Расчет расхода сварочной проволоки для автоматической и механизированной сварки осуществляется по формуле
где y – коэффициент потерь для сварки в СО2 y = 012 015.
Расход защитного газа
где qзг – удельный расход защитного газа лмин.
Удельный расход защитного газа условно зависит от диаметра проволоки и силы сварочного тока его можно найти по таблице 7.1.
Таблица 8.1 – Удельный расход защитного газа
Удельный расход защитного газа лмин
Для сварки рассматриваемого изделия:
Выбор сварочного оборудования
Сварочное оборудование выбирается в зависимости от заданного способа сварки по расчетным режимам сварки основным из которых является сила сварочного тока.
Исходя из таблицы значений параметров режима сварки изделия выбираем сварочный полуавтомат Fronius Trans Steel 3500. Характеристики оборудования представлены в таблице 9.1.
Таблица 9.1 – Технические характеристики оборудования
Напряжение питающей сети
Максимальный сварочный ток
Минимальный сварочный ток
продолжение таблицы 9.1
Подбирая источник питания необходимо стремиться к выбору аппарата с диапазоном сварочного тока наиболее близким к расчетному. Не следует отдавать предпочтение источникам питания с максимальным значением силы тока значительно превышающим расчетное т. к. это приводит к увеличению расхода электроэнергии.
Информация о выбранном сварочном оборудовании выносится в графическую часть (Лист 3) в виде таблицы характеристик.
По результатам курсового проектирования определены основные параметры режима сварки стали заданного структурного класса. Выбор параметров происходил с учетом технологичности и особенностей сварки. Определены нормы времени выполнения сварочных операция а также осуществлен выбор сварочного оборудования.
Установлено что применения предлагаемых материалов позволяет получить в шве двухфазную структуру (А+Ф) что является необходимым условие обеспечения работоспособности и сопротивляемости образованию кристаллизационных трещин при сварке аустенитных сталей типа (08Х21Н6М2Т).
ГОСТ 5632. Классификация: Сталь жаропрочная. Продукция: Сортовой и листовой прокат трубы.
Куликов В. П. Технология сварки плавлением и термической резки: учебник В. П. Куликов. – Минск : Новое знание 2019. – 463 с. : ил.
ГОСТ 2246-70. Проволока стальная. Технические условия