Разработка режимов и описание физических основ процессов сварки

Задание на курсовую работу

Эскиз детали

Тема курсовой работы: Разработка режимов и описание физических основ процессов сварки.

В 1802 году впервые в мире профессор физики Санкт-Петербургской медико-хирургической академии В. В. Петров (1761−1834гг.) открыл электрическую дугу и описал явления, происходящие в ней, а также указал на возможность её практического применения. В 1888 году русский инженер Н. Г. Славянов (1854−1897гг.) предложил дуговую сварку плавящимся металлическим электродом. Он разработал научные основы дуговой сварки, применил флюс для защиты металла сварочной ванны от воздействия воздуха, предложил наплавку и сварку чугуна.

Среди всех способов сварки наиболее распространена ручная дуговая сварка покрытыми электродами как наиболее универсальная. Способ позволяет без замены сварочного инструмента и оборудования (при правильно выбранном сварочном режиме) выполнять швы различных типов и назначения, а также вести сварку в любом пространственном положении и в труднодоступных местах.

Ручная дуговая сварка — это сварка покрытым металлическим электродом. Является наиболее старой и универсальной технологией дуговой сварки.

Сварочный электрод — металлический или неметаллический стержень из электропроводного материала, предназначенный для подвода тока к свариваемому изделию.

Цель курсовой работы состоит в формировании опыта комплексного решения задач профессиональной деятельности, закрепление, систематизация и расширение теоретических знаний и приобретение практических навыков в вопросах оценки свариваемости металла, выбора рационального способа сварки.

Задача курсовой работы — практические решения этих вопросов применительно к изготовлению конкретной сварной конструкции.

1. Описание физической сущности ручной дуговой сварки покрытым электродом

1.1 Применение ручной дуговой сварки

Ручная дуговая сварка покрытым электродом — универсальный технологический процесс, пригодный для сварки черных и цветных металлов и различных сплавов практически любой толщины (от 1 до 200 и более миллиметров), но все же обычно диапазон толщин находится в пределах от 3 до 20 мм. Сварку можно выполнять во всех пространственных положениях и в условиях монтажа. Ручную дуговую сварку покрытыми электродами рационально применять для коротких швов, расположенных в различных пространственных положениях и при мелкосерийном производстве. На монтаже применение этого способа сварки оправдано при небольшом объеме работ. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами рациональна для выполнения прихваток при сборке конструкций под сварку и при исправлении дефектных участков шва небольшой протяженности.

1.2 Сущность процесса сварки

К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания сварочной дуги от источников сварочного тока подводится постоянный или переменный сварочный ток. Дуга расплавляет металлический стержень электрода, его покрытие и основной металл как показано на (Рис. 1.1).

Рисунок 1.1 — Схема ручной электродуговой сварки

1.3 Физическая сущность процесса сварки

Расплавляющийся металлический стержень электрода в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну. В сварочной ванне электродный металл смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность. Глубина, на которую расплавляется основной металл, называется глубиной проплавления. Она зависит от режима сварки (силы сварочного тока и диаметра электрода), пространственного положения сварки, скорости перемещения дуги по поверхности изделия (торцу электрода и дуге сообщают поступательное движение вдоль направления сварки и поперечные колебания), от конструкции сварного соединения, формы и размеров разделки свариваемых кромок и т. п.

Размеры сварочной ванны зависят от режима сварки и обычно находятся в пределах: глубина до 7 мм, ширина 8−15 мм, длина 10−30 мм. Доля участия основного металла в формировании металла шва обычно составляет 15−35%.Расстояние от активного пятна на расплавленной поверхности электрода до другого активного пятна дуги на поверхности сварочной ванны называется длиной дуги. Расплавляющееся покрытие электрода образует вокруг дуги и над поверхностью сварочной ванны газовую атмосферу, которая, оттесняя воздух из зоны сварки, препятствует взаимодействиям его с расплавленным металлом.

Кристаллизация металла сварочной ванны по мере удаления дуги приводит к образованию шва, соединяющего свариваемые детали. При случайных обрывах дуги или при смене электродов кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образованию сварочного кратера (углублению в шве, по форме напоминающему наружную поверхность сварочной ванны). Затвердевающий шлак образует на поверхности шва шлаковую корку. В момент зажигания дуги промежуток еще недостаточно нагрет и для его ионизации необходима увеличенная кинетическая энергия, которая может быть получена усилением электрического поля, т. е. некоторым повышением напряжения между электродами сравнительно с тем напряжением, которое требуется для поддержания дуги в установившемся состоянии.

Рассмотрим, какие структурные превращения происходят в зоне термического влияния при сварке малоуглеродистых сталей (рис. 1.2). В пределах шва металл был нагрет до расплавления, и поэтому после затвердения имеет в основном дендритную (литую) структуру. Непосредственно к сварному шву прилегает участок неполного расплавления. На участке I (участок перегрева) металл был нагрет от 1370 до 1770° К (от 1100 до 1500° С), и поэтому имеет крупнозернистую структуру с игольчатыми включениями феррита. Это участок перегрева, а структуру металла в нем называется видманштедтовой. Участок II (участок нормализации) характерен тем, что металл был нагрет до интервала от критической точки Ас3 до 1370° К (1100° С). В связи с тем, что охлаждение происходило на воздухе, металл в этом участке претерпел нормализацию и значит, отличается мелкозернистой структурой.

Рисунок 1.2 — Кристаллизация сварочной ванны В участке III (участок неполной перекристаллизации) металл нагревается до интервала температур от критической точки Ac1, до Ас3. Нагрев до таких температур приводит к неполной перекристаллизации, а поэтому в пределах этого участка есть мелкие зерна перлита некрупные зерна феррита, т. е. структура характерна геометрической неоднородностью. В пределах участка IV (участок рекристаллизации) металл нагревается до температур от 770° К (550° С) до критической точки Ас1 что приводит к рекристаллизации. В результате этого вытянутые зерна основного металла, если это был стальной прокат, приобретают глобулярную форму, а размеры зерен увеличиваются. Участок V (участок синеломкости) — видимых изменений в структуре металла сварного шва не происходит. Отличается цветами побежалости. Из рассмотренных участков особое внимание должно уделяться участку с видманштедтовой структурой. Он вследствие перегрева имеет крупное зерно и обладает пониженной прочностью. Сварку следует выполнять так, чтобы участок перегрева был минимальный. Наиболее высокие механические свойства на участке нормализации, в пределах которого металл имеет однородную мелкозернистую структуру.

1.4 Химические процессы

При ручной дуговой сварке электродами с толстым слоем покрытия химические реакции между металлом, шлаком и газами дуги протекают в момент перехода капель расплавленного металла электрода и покрытия через дуговой промежуток при температуре 2100−2300° С. Дальнейшие химические и физические процессы протекают в сварочной ванне. При сварке под флюсом основные химические реакции происходят только в сварочной ванне под слоем расплавленного флюса.

Рассмотрим основные реакции в зоне сварки для стали, как наиболее распространенного металла, подвергаемого сварке.

Окисление. Кислород является наиболее вредной примесью в зоне сварки, так как окисляет элементы, входящие в состав металла шва, и ухудшает его качество, образуя химические соединения — окислы. Окисление элементов в основном происходит за счет кислорода, содержащегося в газах и шлаках сварочной зоны. В меньшей степени окисление может быть вызвано кислородом поверхностных окислов свариваемого металла (окалины, ржавчины). При случайном увеличении длины дуги капли электродного металла могут окисляться кислородом окружающего воздуха.

С железом кислород образует три окисла:

закись железа по реакции 2Fe+O2=2Feo ,

окись железа по реакции 2Fe+1,5О2=Fe2O3 ,

закись-окись железа по реакции 3Fe+2O2=Fe3O4 .

Раскисление кремнием и марганцем происходит по реакции:

FeО + Мn= Fе + МnО.

Выгорание углерода при сварке стали протекает по реакциям:

Fe3C+½O2=3Fe+CO ,

Fe3C+O2=3Fe+CO2 .

Выгорание углерода при сварке стали протекает по реакциям:

Fe3C+½O2=3Fe+CO ,

Fe3C+O2=3Fe+CO2 .

Серу удаляют введением марганца, который образует с ней химическое соединение — сернистый марганец (MnS) по реакциям:

FeS + Mn = MnS + Fe ,

FeS + МпО = MnS + FeO .

Удалению серы способствует также окись кальция; при этом происходит реакция:

FeS + СаО = FeO + CaS.

1.5 Основные и вспомогательные материалы

Ручная дуговая сварка производится покрытыми электродами, конструктивно представляющими собой металлический стержень с нанесенным на него опрессовкой под давлением покрытием соответствующего состава (рис. 1.3). Покрытие электрода обеспечивает:

легкое зажигание и устойчивое горение дуги;

получение металла шва требуемого химического состава;

равномерное расплавление стержня и покрытия электрода;

высокую производительность при небольших потерях электродного металла на угар и разбрызгивание;

получение плотных беспористых швов, не склонных к образованию горячих трещин;

легкую отделяемость шлаковой корки от поверхности шва;

минимальную токсичность при сварке.

Рисунок 1.3 — Покрытый электрод: 1 — стержень; 2 — участок перехода; 3 — покрытие; 4 — контактный торец без покрытия; L — длина электрода; D — диаметр покрытия; d — номинальный диаметр стержня; l — длина зачищенного от покрытия конца Один из концов стержня освобожден от покрытия для его зажатия в электродо-держателе с обеспечением электрического контакта. Второй конец только слегка очищен для облегчения зажигания дуги посредством контакта с изделием. На контактный торец электрода может быть нанесен слой ионизирующего вещества, облегчающего возбуждение сварочной дуги, состав которого должен соответствовать предусмотренному стандартом или техническими условиями на электроды конкретной марки.

Покрытый электрод, несмотря на внешнюю конструкционную простоту, имеет достаточно сложную технологическую и металлургическую систему. Металлургические процессы, протекающие в нем при плавлении, сложны и отличаются от металлургических процессов, протекающих при выплавке стали. Они характеризуются своей кратковременностью, малым объемом реагирующих веществ, высокой температурой в зоне сварки и интенсивностью взаимодействия между металлом, шлаком и газом.

В дуге происходит не только расплавление, но и испарение железа и содержащихся в нем различных химических элементов. Активно протекают окислительные процессы и процессы поглощения расплавленным металлом азота, кислорода и водорода. В результате сложных окислительно-восстановительных реакций, протекающих как в газовой среде, так и на границе ее раздела с металлом, а также между металлом и шлаком, происходит легирование, окисление и раскисление металла, образующего сварной шов.

Химический состав шлакообразующей основы покрытия электродов определяет главным образом технологические свойства шлака. Соотношения компонентов покрытия выбирают таким образом, чтобы обеспечить достаточно низкую температуру плавления и низкую вязкость шлака, а также короткий интервал его затвердевания.

Основное назначение электродных покрытий — обеспечение стабильности горения сварочной дуги и получение металла шва с заранее заданными свойствами (прочность, пластичность, ударная вязкость, стойкость против коррозии и т. п.). Стабильность горения сварочной дуги достигается снижением потенциала ионизации воздушного промежутка между электродом и свариваемой деталью.

Шлак, образующийся при расплавлении покрытия, создает на поверхности расплавленного металла защитный покров, а кроме того, служит для защиты капель электродного металла, переходящих через дуговой промежуток, от воздействия кислорода и азота воздуха путем образования на их поверхности шлаковых оболочек.

Шлак, покрывающий сварной шов, уменьшает скорость охлаждения и затвердения металла шва, способствуя выходу из него газовых и неметаллических включений. Шлакообразующими компонентами являются: титановый концентрат, марганцевая руда, каолин, мрамор, мел, кварцевый песок, доломит, полевой шпат и др., Легирование металла шва производится для придания специальных свойств наплавленному металлу. Наиболее часто применяются такие легирующие компоненты, как хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, титан и др. Чаще металл шва легируют введением легирующих компонентов в состав покрытия электрода. Для повышения производительности, т. е. для увеличения количества наплавляемого металла в единицу времени, в электродные покрытия иногда вводят железный порошок, что улучшает технологические свойства электродов и повышает производительность сварки.

Для закрепления покрытия на стержне используют связывающие компоненты, наиболее распространенным из которых является жидкое стекло, которое обладает еще и стабилизирующими свойствами. Покрытые электроды классифицируются по следующим признакам: по назначению, типу и марке, по толщине покрытия, видам покрытия, по допустимым пространственным положениям сварки или наплавки, по роду и полярности применяемого при сварке или наплавке тока, а также по номинальному напряжению холостого хода используемого источника питания сварочной дуги переменного тока.

1.6 Достоинства и недостатки

Достоинства способа:

— Простота оборудования;

— Возможность сварки во всех пространственных положениях;

— Возможность сварки в труднодоступных местах;

— Быстрый по времени переход от одного вида материала к другому;

— Большая номенклатура свариваемых металлов.

Недостатки способа:

— Большие материальные и временные затраты на подготовку сварщика;

— Качество сварного соединения и его свойства во многом определяются субъективным фактором;

— Низкая производительность (пропорциональна сварочному току, увеличение сварочного тока приводит к разрушению электродного покрытия);

дуговой сварка электрод

1.7 Вредные и опасные факторы

Любой сварочный процесс всегда сопровождается рядом факторов, представляющих опасность для здоровья как сварщика, так и людей, находящихся вблизи во время сварки. При любом виде сварки в той или иной мере присутствуют следующие вредные факторы:

ультрафиолетовое излучение;

слепящая яркость видимого света;

инфракрасное излучение;

искры и брызги расплавленного металла;

дым;

вредные вещества, выделяющиеся в процессе сварки в виде аэрозолей и газов (зависят от вида сварки, вида электрода, вида выполняемых работ и свариваемых материалов).

2. Оценка свариваемости

2.1 Описание материала изделия

Ст5- сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества.

Назначение — детали клепаных конструкций, болты, гайки, ручки, тяги, втулки, ходовые валики, клинья, стержни, звездочки, трубные решетки, фланцы и другие детали, работающие при температуре от 0 до 4250С.

Таблица 2.1 — Химический состав, % (ГОСТ 19 282)

2.2 Влияние химических элементов на свариваемость

При оценке свариваемости роль химического состава стали является превалирующей. По этому показателю в первом приближении проводят оценку свариваемости. Влияние основных легирующих примесей на свариваемость сталей приведены ниже.

Углерод (С) — одна из важнейших примесей, определяющая прочность, пластичность, закаливаемость и др. характеристики стали. Содержание углерода в сталях до 0,25% не снижает свариваемости. Более высокое содержание «С» приводит к образованию закалочных структур в металле зоны термического влияния и появлению трещин.

Сера (S) и фосфор (P) — вредные примеси. Повышенное содержание «S» приводит к образованию горячих трещин — красноломкость, а «P» вызывает хладноломкость. Поэтому содержание «S» и «P» в низкоуглеродистых сталях ограничивают до 0,4?0,5%.

Кремний (Si) присутствует в сталях как примесь в количестве до 0,3% в качестве раскислителя. При таком содержании «Si» свариваемость сталей не ухудшается. В качестве легирующего элемента при содержании «Si» — до 0,8?1,0% (особенно до 1,5%) возможно образование тугоплавких оксидов «Si», ухудшающих свариваемость.

Марганец (Mn) при содержании в стали до 1,0% - процесс сварки не затруднен. При сварке сталей с содержанием «Mn» в количестве 1,8?2,5% возможно появление закалочных структур и трещин в металле ЗТВ.

2.3 Расчет свариваемости

Находим по содержанию химических элементов в этой стали эквивалентный углерод Сэкв:

Сэкв. = C + Mn/6 +Cr/5+Mo/5+V/5+Ni/15+Cu/15,

где С — содержание углерода, %;

Mnсодержание марганца, %;

Cr — содержание хрома, %;

Moсодержание молибдена, %;

V — содержание ванадия, %;

Ni — содержание никеля, %;

Cu — содержание меди, %.

Сэкв. = C + Mn/6 +Cr/5+Mo/5+V/5+Ni/15+Cu/15=0,3+0,6/6+0,3/5+ +0,3/15+0,3/15= 0,5%>0,45%

При Сэкв > 0,45% - стали склонны к образованию холодных трещин.

В этом случае необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры:

Т = 350 (С общ -0,25)? ,

где Собщ — общий эквивалент углерода, зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых деталей:

Собщ = Сэкв (1 + 0,005h)= 0,5?(1+0,005?100)= 0,75

Тогда,

Т =350 (С общ -0,25)? = 350 (0,75 -0,25) ?= 247,5С Для приближенной оценки склонности сплавов образованию горячих трещин рассчитаем фактор склонности к горячим трещинам HCS:

где С — содержание углерода, %;

Sсодержание cеры, %;

Pсодержание фосфора, %;

Si — содержание кремния, %;

Niсодержание никеля, %;

Mnсодержание марганца, %;

Cr — содержание хрома,%;

Moсодержание молибдена,%;

V — содержание ванадия, %.

2.4 Вывод о свариваемости металла

Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества марки Ст5 склонна к образованию горячих и холодных трещин. Свариваемость — удовлетворительно свариваемая (относится к 3 группе).

3. Расчет параметров режима процесса сварки

3.1 Влияние параметров на качество сварного соединения

При ручной дуговой сварке к параметрам режима сварки относятся сила сварочного тока, напряжение, скорость перемещения электрода вдоль шва (скорость сварки), род тока, полярность и др. От этих параметров зависят форма и размеры шва, его химический состав. На форму и размеры шва также влияет и техника сварки.

С повышением сварочного тока возрастает глубина провара, а ширина шва практически не изменяется.

С увеличением напряжения дуги ширина шва резко возрастает, глубина провара уменьшается. Также снижается и выпуклость (высота усиления) шва. При сварке на постоянном токе (в особенности обратной полярности) ширина шва будет гораздо больше, чем при сварке на переменном токе с таким же значением напряжения.

С возрастанием скорости сварки ширина шва уменьшается, а глубина провара сначала увеличивается (до скорости 40−50 м/ч), а затем понижается. При скорости сварки свыше 70−80 м/ч возможны подрезы по обеим сторона шва из-за недостаточного прогрева основного металла.

С уменьшением диаметра проволоки (при прочих равных условиях) возрастает плотность тока в электроде, что приводит к росту глубины провара и выпуклости шва, но при этом снижается ширина шва. Таким образом, при уменьшении диаметра проволоки можно получить более глубокий провар при неизменной силе тока или такой же провар при меньшей силе тока.

3.2 Расчет параметров режима процесса сварки

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла, типа сварного соединения и положения шва в пространстве.

При выборе диаметра электрода для сварки можно использовать следующие ориентировочные данные:

Таблица 3.1 — Выбор диаметра электрода

Принимаем диаметр электрода равным 5 мм.

Из справочной литературы с учетом материала выбираем марку электрода — УОНИ-13/55.

Сила сварочного тока, рассчитывается по формуле

Iсв = К· dэ,

где К — коэффициент, равный 25−60 А/мм;

dэ — диаметр электрода, мм.

Коэффициент К в зависимости от диаметра электрода dэ принимается равным по следующей таблице:

Таблица 3.2 — Значение коэффициента К

Тогда, Iсв = К· dэ =50· 5=250 А.

Силу сварочного тока, рассчитанную по этой формуле, следует откорректировать с учетом толщины свариваемых элементов, типа соединения и положения шва в пространстве. Если толщина металла S?3dэ, то значение Iсв следует увеличить на 10−15%. Если же S?1,5dэ, то сварочный ток уменьшают на 10−15%. При сварке угловых швов и наплавке, значение тока должно быть повышено на 10−15%. При сварке в вертикальном или потолочном положении значение сварочного тока должно быть уменьшено на 10−15%.

Поскольку толщина листа S?3dэ, то сварочный ток увеличивают на 10−15%.

Таким образом, принимаем Iсв = 280 А Для большинства марок электродов, используемых при сварке углеродистых легированных конструкционных сталей, напряжение дуги

U = 20+0.02 Iсв= 20+0,02?280= 25,6 В.

Расчет скорости сварки, производится по формуле

где бН — коэффициент наплавки, г/А· ч (принимают из характеристики выбранного электрода из справочной литературы);

принимаем бН = 9,5 г/А· ч.

Fшв — площадь поперечного сечения шва при однопроходной сварке (или одного слоя валика при многослойном шве), см2;

При сварке швов стыковых соединений площадь поперечного сечения (мм) металла, наплавляемого за один проход, при которой обеспечиваются оптимальные условия формирования, должна составлять:

для первого прохода (при проварке корня шва) с — плотность металла электрода, г/см3 (для стали =7,8 г/см3).

Тогда,

см/ч.

Масса наплавленного металла для ручной дуговой сварки рассчитывается по формуле

где l — длина шва, см;

с — плотность металла электрода, г/см3 (для стали = 7,8 г/см3).

Следовательно, для трещины А:

г;

для трещины B:

г.

Время горения дуги (основное время) определяется по формуле Полное время сварки (наплавки) приближенно определяется по формуле

где T0 — время горения дуги (основное время), ч;

КП — коэффициент использования сварочного поста, который принимается для ручной сварки 0,5−0,55.

Уточним расчет параметров по справочным данным.

Сварочный ток Iсв =260А, Напряжение дуги U= 26 В, Скорость сварки Vсв= 10 см/с, Диаметр электрода dэ= 5 мм.

Таким образом, принимаем Таблица 3.3 — Уточненное значение параметров

Заключение

В данной курсовой работе были решены следующие задачи:

изучена ручная дуговая сварка покрытыми электродами, описаны области ее применения, достоинства и недостатки;

описаны физические и химические процессы ручной дуговой сварки;

проведена оценка свариваемости материала сталь5;

рассчитаны параметры режима процесса сварки.

Поставленная цель формирования опыта комплексного решения задач профессиональной деятельности достигнута.

Таким образом, приобретены теоретические знания и практические навыки в вопросах оценки свариваемости металла, которые необходимы для дальнейшей профессиональной деятельности.

1. СТО УГАТУ 016−2007.

2. Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы по дисциплине «Физические основы получения неразъемных соединений"/ Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т; Сост.: Н. И. Маркелова, К. В. Тефанов. — Уфа, 2011. — 63 с.

3. http://weldingsite.com.ua/rds.html

4. http://svarkainfo.ru/rus/technology/dugsvar/

5. http://osvarke.info/75-texnologiya-ruchnoj-dugovoj-svarki.html

6. http://www.migatronic.ru/content/view/28/46/½/

7. http://penzaelektrod.ru/articles/art14.htm

8. http://www.rosomz.ru/consumers/articles/?pub=8&PHPSESSID=4dd8dd343d1418ff1697759b2db05496

9. http://metallicheckiy-portal.ru/articles/svarka/dugovaa_svarka/processi_pri_svarke_svarochnii_shov/1