Разработка технологического процесса изготовления боковины корпуса

Аннотация

Целью данного дипломного проекта является разработка технологического процесса изготовления боковины корпуса.

В данном дипломном проекте рассмотрены следующие вопросы:

— приведена характеристика изделия;

— проанализированы его условия работы;

— обоснован выбор металла конструкции;

— приведены технические условия на изготовление сварной конструкции;

— спроектирована оснастка для сборки и сварки боковины корпуса.

Оборудование, используемое для сборки и сварки боковины корпуса, обеспечивает точность изготовления, является механизированным, быстродействующим и современным.

ИЗДЕЛИЕ, ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЛЫ, РЕЖИМЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, НОРМИРОВАНИЕ, СБОРКА И СВАРКА, ОХРАНА ТРУДА.

1. Описание сварной конструкции

2. Общая характеристика и оценка свариваемости основного материала конструкции

3. Выбор оптимальных вариантов сварочных операций

4. Выбор сварочных материалов

5. Расчет режимов сварки

6. Расчет расхода сварочных материалов

7. Выбор сварочного оборудования

8. Расчет теплового режима сварных соединений и определение структурного состояния металла зоны термического влияния

9. Оценка технологичности конструкции

10. Разработка технологической последовательности сборочно-сварочных операций

11. Проектирование сборочно-сварочной оснастки

12. Контроль качества сборочно-сварочных операций

13. Охрана труда и окружающей среды Список используемой литературы Приложение, А Приложение Б

Сварка — технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Сваркой соединяют как однородные, так и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы. Сварка — экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяется во всех отраслях промышленности. Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании прочных связей между атомами и молекулами на соединяемых поверхностях заготовок. Для образования соединения необходимо выполнение следующих условий: освобождение свариваемых поверхностей от загрязнений, оксидов и адсорбированных на них инородных атомов; энергетическая активация поверхностных атомов, облегчающая их взаимодействие друг с другом; сближение свариваемых поверхностей на расстояние, сопоставимое с межатомным расстоянием в свариваемых заготовках. Сварочное производство охватывает обширный комплекс различных по своему характеру технологических операций, начиная от операций изготовления заготовок и деталей, и заканчивая отделкой готовых сварочных изделий. Если учесть, что заготовительные операции по виду обработки металлов могут быть весьма разнородными (газовая резка, гибка, штамповка, механообработка резаньем — строганием, фрезерованием, точением) и, что в технологическом процессе обозначены сборочные операции, а иногда и термические, то станет очевидным, что сварочное производство по своей структуре значительно сложнее обычного производства специализированного для какого-либо одного вида металлообработки.

1.Описание сварной конструкции

Рассматриваемая сварная конструкция — корпус, входит в установку верхних блоков механизма главного подъема мостового крана. Кран мостовой — это кран, который имеет грузозахватное устройство и подвешивается к тележке с грузовым устройством или талям, которые способны перемещаться по подвижному стальному мосту. Кран мостовой электрический литейный. Его грузоподъемность состовляет: главный подъем — 125 тонн, вспомогательный — 30 тонн. Таким образом корпус испытывает нагрузку в 125 тонн. Можно отметить, что корпус испытывает знакопеременную нагрузку и крутящий момент. В конструкцию изделия входит 19 позиций (плита, стенки, ребра, накладки, жесткость и крюк). Толщины деталей, входящие в узел 10, 16, 20, 25, 60 мм. Конструкция работает в нормальных условиях, не в агрессивной среде при положительных температурах.

Существуют технические требования предъявляемые к сварной конструкции, а в частности: равнопрочность швов без концентраторов напряжения, после сварки обязательна термообработка.

2. Общая характеристика и оценка свариваемости основного материала конструкции

Под технологической свариваемостью понимают способность металлов образовывать прочные соединения без существенного ухудшения их технических свойств в самом соединении и в прилегающей к нему околошовной зоне. Свариваемость является переменным свойством материала. С усовершенствованием технологий и оборудования можно улучшить свариваемость материалов.

Материал из которого изготовлена боковина корпуса — 45ХМА. Эта сталь низколегированная среднеуглеродистая (ГОСТ 4543 — 71). В зависимости от основных легирующих элементов — хромомолибденовая. Химический состав и механические свойства стали приведены в таблице 2.1 и табл. 2.2.

сварочная конструкция металл технологический Таблица 2.1- Химический состав стали 45ХМА

Таблица 2.2- Механические свойства стали 45ХМА

Это низколегированная теплоустойчивая сталь, обладающая повышенной прочностью при высоких температурах и при длительных

постоянных нагрузках, а также имеет высокую пластичность и высокую стойкость против перехода в хрупкое состояние. В стали содержатся добавки кремния, марганца, никеля повышающие прочность и твердость. Кремний повышает также упругие свойства, а марганец способствует повышению стойкости против горячих трещин, так как этих элементов в стали малое количество, то на свариваемость они практически не оказывают влияния.

Введение

в сталь никеля способствует повышению пластичности и прочности стали, а также оказывает благоприятное влияние на свариваемость стали. Конструкции из стали 45ХМА можно изготовлять из термически обработанных элементов и подвергать термообработке (закалке) после сварки. Переход от сварного шва к основному металлу должен быть плавным.

Основным показателем, характеризующим склонность стали к образованию холодных трещин, является эквивалент углерода.

Расчет эквивалента углерода выполняется по следующей формуле:

где символы элементов и их содержание приведены в процентах.

Рассчитаем эквивалент углерода для стали 45ХМА Так как Сэкв?0,45%, то при сварке становится возможным образования закалочных структур в металле сварного соединения, что в случае насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может привести к образованию холодных трещин. Поэтому данная сталь нуждается в подогреве. Подогрев обеспечивает снижение скорости охлаждение металла шва и околошовной зоны, что оказывает решающее влияние на образование их конечных структур и свойств при сварке закаливающихся сталей. Конкретное значение температуры подогрева рассчитывается с учётом толщины металла:

где д-толщина металла, мм.

Полный эквивалент углерода составит:

.

3. Обоснование выбора способа сварки

Для различных способов сварки требования к конструктивным элементам подготовки кромок и размерам швов регламентируются соответствующим ГОСТом. Сварные соединения для фиксации входящих в них деталей относительно друг друга и выдерживания необходимых зазоров перед сваркой собирают в сборочных приспособлениях или при помощи прихваток. Длина прихваток зависит от толщины металла. Площадь сечения прихваток равна примерно 1/3 площади сечения шва, но не более 25. 30 мм².

Прихватки выполняют обычно покрытыми электродами или полуавтоматами в углекислом газе. Их рекомендуется накладывать со стороны, обратной наложению основного однопроходного шва или первого слоя в многопроходных швах.

При сварке прихватки следует переплавлять полностью, так как в них могут образовываться трещины ввиду высокой скорости теплоотвода. Поэтому перед сваркой прихватки тщательно зачищают и осматривают. При наличии в прихватке трещины ее вырубают или удаляют другим способом.

При автоматической сварке предусматривают применение приемов, обеспечивающих предупреждение прожогов и качественный провар корня шва. Для предупреждения образования в швах пор, трещин, непроваров и других дефектов свариваемые кромки перед сваркой тщательно зачищают от шлака, оставшегося после термической резки, ржавчины, масла и других загрязнений.

Данная сталь может свариваться следующими способами сварки:

Газовая сварка

Среднеуглеродистые низколегированные стали удовлетворительно свариваются газовой сваркой. Для сварки используется нормальное пламя. Применение флюсов не требуется. В качество присадочного металла используются сварочные проволоки марок Св-08; Св-08А; Св-08ХГС; Св-12ХГС; Св-08ХГ2С. Мощность пламени при левом способе сварки 100. 130 л/мм, при правом 120. 150 л/мм.

Металл шва содержит небольшое количество азота. Это объясняется его небольшой концентрацией в пламени. Водород остается в шве в значительных количествах и может вызывать в них поры. Окисление FeO за счет углерода с образованием СО также может привести к пористости шва. Поэтому рекомендуется применять присадочный металл с пониженным содержанием углерода. Выгорание кремния и марганца может привести к снижению пластичности металла шва — механические свойства металла шва могут быть в некоторой степени улучшены горячей проковкой или последующей термообработкой (нормализация или низкотемпературный отжиг).

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами

Режим сварки выбирают в зависимости от толщины металла, типа сварного соединения и пространственного положения сварки.

Аргон и гелий в «чистом» виде в качестве защитных газов находят ограниченное применение — только при сварке конструкций ответственного назначения.

Сварку в углекислом газе и его смесях выполняют плавящимся электродом. В некоторых случаях для сварки в углекислом газе используют неплавящийся угольный или графитовый электрод. Однако этот способ находит ограниченное применение, например, при сварке бортовых соединений низкоуглеродистых сталей толщиной 0,3 … 2 мм (канистр, корпусов конденсаторов и т. д.). Так как сварка выполняется без присадки, содержание кремния и марганца в металле шва невелико. В результате прочность соединения обычно составляет 50 … 70% прочности основного металла.

При автоматической и полуавтоматической сварке плавящимся электродом швов, расположенных в различных пространственных положениях, обычно используют электродную проволоку диаметром до 1,2 мм; при сварке в нижнем положении — диаметром 1,2 … 3,0 мм. Для сварки среднеуглеродистых и низколегированных сталей используют легированные электродные проволоки марок Св-08ХГС и Св-08ХГ2С. Проволоку марки 12ХГС можно использовать для сварки низколегированных сталей 14ХГС, 10ХСНД и 15ХСНД и спокойных углеродистых сталей марок Ст1сп и Ст2сп. Однако с целью предупреждения значительного повышения содержания углерода в верхних слоях многопроходных швов эту проволоку обычно применяют для сварки трехслойных швов.

На свойства металла шва значительное влияние оказывает качество углекислого газа. При повышенном содержании азота и водорода, а также влаги в швах могут образоваться поры. Сварка в углекислом газе менее чувствительна к отрицательному влиянию ржавчины. Увеличение напряжения дуги, повышая угар легирующих элементов, приводит к снижению механических свойств шва.

Сварка на повышенных силах тока приводит к получению металла швов с пониженными показателями пластичности и ударной вязкости, что, вероятно, объясняется повышенными скоростями охлаждения. Свойства металла шва, выполненного на обычных режимах, соответствуют свойствам металла шва, выполненного электродами типа Э50А. В промышленности находит применение и сварка в углекислом газе порошковыми проволоками. Технология этого способа сварки и свойства сварных соединений примерно те же, что и при использовании их при сварке без дополнительной защиты.

Сварка порошковой проволокой

Сварка открытой дугой порошковой проволокой является одним из перспективных способов. В промышленности находят применение порошковые проволоки марок ПП-1ДСК, ПП-2ДСК, ПП-АНЗ, ПП-АН4, ЭПС-15/2 и др. Использование проволоки ПП-1ДСК при сварке угловых и стыковых швов с зазором между кромками может привести к получению в швах пор.

Проволока ЭПС-15/2 для получения швов без пор требует соблюдения режимов в узком диапазоне. Большие рабочие токи ограничивают применение этой проволоки для сварки металла малых толщин.

Электрошлаковая сварка

Электрошлаковую сварку широко применяют при изготовлении конструкций из толстолистовых среднеуглеродистых и низколегированных сталей. При этом равнопрочность сварного соединения достигается за счет легирования металла шва через электродную проволоку и перехода элементов из расплавляемого металла кромок основного металла. Последующая термообработка помимо снижения остаточных напряжений благоприятно влияет и на структуру и свойства сварных соединений.

При электрошлаковой сварке рассматриваемых сталей используют флюсы АН-8, АН-8М, ФЦ-1, ФЦ-7 и АН-22. Выбор электродной проволоки зависит от состава стали. При сварке спокойных низкоуглеродистых сталей с содержанием до 0,15% углерода хороших результатов достигают при использовании проволок марок Св-08А и Св-08ГА. Для предупреждения образования газовых полостей и пузырей при сварке кипящих сталей, содержащих мало кремния, рекомендуется электродная проволока Св-08ГС с 0,6 … 0,85% Si. При сварке сталей марок СтЗ и некоторых марок низколегированных сталей удовлетворительные результаты получают при использовании электродных проволок марок Св-08ГА, Св-10Г2 и Св-08ГС, а стали ЮХСНД-Св-08ХГ2СМА .

Механизированная и автоматическая сварка под слоем флюса

Механизированную и автоматическую сварку под слоем флюса выполняют сплошной электродной проволокой, которая подается в зону сваривания специальным механизмом. Сварочная дуга горит под зернистым сыпучим материалом, который называется сварочный флюс. Под действием тепла сварочной дуги расплавляется электродная проволока, основной металл и часть флюса. Расплавленный флюс защищает дугу и металл в зоне сварки от вредного влияния окружающей среды. По мере перемещения сварочной дуги флюс затвердевает и образовывает шлаковую корку, которая легко отделяется от металла шва.

Достоинство этого способа заключается в возможности значительного увеличения сварочного тока, глубины проплавления и, как следствие, повышение производительности. Производительность сварки под слоем флюса в 5−10 раз выше, чем при ручной дуговой сварке. Значительно увеличивается коэффициент наплавки. Если при ручной дуговой сварке покрытыми электродами марки УОНИ — 13/55 этот коэффициент составляет _н=9 г./Ач, то при сварке под флюсом _н=12−16 г/Ач. Потери на угар и разбрызгивания составляют 1−3%.

Недостатком является невозможность визуального наблюдения за формированием сварного шва, необходимость зачистки сварного шва от шлаковой корки, а также просушка флюса перед сваркой.

Механизированная и автоматическая сварка в среде углекислого газа

Механизированная сварка в СО₂ характеризуется высокой производительностью и низкой стоимостью по сравнению с ручной дуговой сваркой. При сварке в СО₂ изменение свойств метала в околошовной зоне существенным образом отличается от аналогичных изменений свойств при сварке под флюсом тем, что здесь значительно меньшее термическое влияние на основной металл, не требуется флюсоудерживающих приспособлений. Сварка в СО₂ возможна в любом пространственном положении, удобно осуществлять визуальный контроль за направлением сварочной дуги и формированием сварного шва. Недостатком механизированной сварки в СО₂ является необходимость защиты от сквозняков, так как в этом случае подвижные потоки воздуха оттесняют углекислый газ из зоны сварки, что снижает защитное действие углекислого газа от азота и кислорода воздуха. Это, в свою очередь снижает качество сварных швов и оказывает благоприятное воздействие на образование пор. При сварке на небольших токах наблюдается сильное разбрызгивание метала, возрастает необходимость удаления брызг с поверхности изделия. Основное отличие между автоматической и механизированной сваркой состоит в различных методах механизации и автоматизации. При токах до 500 А автоматическая сварка в 2−2,5 раза производительнее ручной. При сваривании в СО₂ значительно меньше местный нагрев, в результате чего уменьшаются сварочные деформации. Питание дуги обычно осуществляется постоянным током обратной полярности, так как при этом горение дуги стабильнее и в металле шва свободного водорода значительно меньше, чем при сварке на прямой полярности. При сварке на обратной полярности допускаются большие границы значений тока, которые разрешают получить стойкий процесс и высокое качество сварного шва. При автоматической сварке в СО₂ по сравнению с ручной дуговой сваркой, подача сварочной проволоки в зону сварки (по мере ее расплавления) и движение дуги по шву с заданной скоростью сварки осуществляется с помощью специальных электроприборов. Рабочий, который обслуживает такую автоматическую установку, не принимает непосредственного участия в образовании шва, но руководит процессом сварки с помощью вспомогательного устройства — пульта управления, благодаря чему обеспечиваются безвредные условия работы.

Механизированная и автоматическая сварка в среде смесей защитных газов

Сварка рассматриваемой конструкции производится полуавтоматической сваркой в смеси ГОСТ 14 771–76 на основании следующих соображений:

1.высокая производительность (примерно в 2,5 раза выше, чем при ручной дуговой сварке покрытыми электродами);

2.высокоэффективная защита расплавленного металла, особенно при использовании инертных газов;

3.возможность визуального наблюдения за сварочной ванной и дугой;

4.широкий диапазон толщин свариваемых заготовок (от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров);

5.возможность сварки в различных пространственных положениях;

6.отсутствие необходимости зачищать швы при многослойной сварке;

7.узкая зона термического влияния.

8.отсутствие операций по засыпке и уборке флюса и удалению шлака;

9.низкая стоимость при использовании активных защитных газов.

10. сварные швы имеют небольшую протяженность и ломаную конфигурацию

11. способ обладает достаточной маневренностью.

Проанализировав представленные способы сварки выбираем полуавтоматическую сварку в среде смеси газов: инертного и активного (75%Ar+25%CO₂).

Технико-экономическое обоснование выбранного способа сварки

Определение переменных расходов

Переменные расходы включают в себя затраты на зарплату, вспомогательные сварочные материалы и переменную часть текущего ремонта оборудования:

V = Р_ПР. О.Т(1+0,375)+P_СВ.М+P_Э+P_{ПЕР. Ч.Р},

где Р_ПР. О.Т — прямые затраты на оплату труда; 0,375 — коэффициент, учитывающий отчисления с зарплаты в фонды социального страхования; Р_СВ.М— расходы на сварочные материалы; Р_Э — расходы на электроэнергию, потребляемую технологическим оборудованием; Р_{ПЕР. Ч.Р}— переменная часть расходов на ремонт оборудования.

Определение затрат на оплату труда

Затраты на оплату труда определяются по формуле:

Р_ПР. О.Т= Т_ШТ Ч_Т.СТ,

где Т_шт— штучное время сварочных работ на одно изделие, ч;

Ч_Т.СТ — средняя часовая тарифная ставка основных рабочих, грн.

Т_ШТ = t₀K

где t₀ — основное время при сварке плавящимся электродом, ч;

К — коэффициент, учитывающий время обслуживания рабочего места, время на отдых и личные надобности (при ручной дуговой сварке К=1,2; при полуавтоматической К=1,13; при автоматической К=1,09)

где m_H — масса наплавленного изделия, кг; б_Н — коэффициент наплавки, г/А^.ч; I_CB — сварочный ток, А.

Полуавтоматическая сварка

Шов № 1. =; Т_ШТ =0,11*1,13=0,13 ч.

Р_ПР. О.Т= Т_ШТ Ч_Т.СТ,=0,13*13.10=1,7.

Шов № 2. =; Т_ШТ =0,08*1,13=0,09 ч.

Р_ПР. О.Т= Т_ШТ Ч_Т.СТ,= 1,17

Шов № 3. =; Т_ШТ =0,23*1,13=0,26 ч.

Р_ПР. О.Т= Т_ШТ Ч_Т.СТ,=3,4.

Общее на все изделие: Т_ШТ =0,48; Р_ПР. О.Т=6,27 грн

РДС

Шов № 1. =; Т_ШТ =0,07*1,2=0,084 ч.

Р_ПР. О.Т= Т_ШТ Ч_Т.СТ,=0,084*13.10=1,1.

Шов № 2. =; Т_ШТ =0,17*1,2=0,2 ч.

Р_ПР. О.Т= Т_ШТ Ч_Т.СТ,= 2,72.

Шов № 3. =; Т_ШТ =0,45*1,2=0,54 ч.

Р_ПР. О.Т= Т_ШТ Ч_Т.СТ,=7,1.

Общее на все изделие: Т_ШТ =0,824; Р_ПР. О.Т=10,92 грн.

Определение затрат на сварочные материалы

Расходы на сварочные материалы зависят от выбранного способа сварки и складываются из затрат на электродные материалы Р_э и защитные газы Р_З.Г

Р_Э.М= Ц_Э.МG_Э.М,

Р_З.Г = Ц_З.ГG_З.Г,

где Ц_Э.М, Ц_З.Г — цена электродных материалов и защитного газа соответственно, грн/кг; Q_Э.М, Q_З.Г — потребность в электродном материале и защитном газе, соответственно, кг.

Потребность в электродном материале определяется по формуле:

G_Э.М = m_nk_P,

где k_Р -коэффициент расхода, учитывающий потери электродного металла на угар, разбрызгивание и т. п. (при ручной дуговой сварке k_Р =1,7, при полуавтоматической k_Р =1,15, при автоматической k_Р =1,03).

Полуавтоматическая сварка

Шов № 1. G_Э.М =0,186*1,15=0,21 кг Р_Э.М=11,76*0,21=2,47 грн Шов № 2. G_Э.М =0,436*1,15=0,50 кг Р_Э.М=11,76*0,5=5,88 грн Шов № 3. G_Э.М =1,139*1,15=1,31 кг Р_Э.М=11,76*1,31=15,4 грн Общее на все изделие: Р_Э.М=23,75 грн Потребность в защитном газе определяется по формуле:

G_З.Г = g_З.Гt₀,

g_З.Г-оптимальный расход защитного газа по ротаметру, л/мин.

Шов № 1. G_З.Г =15*6,6=99 л. Р_З.Г = 0,026*99=2,57 грн.

Шов № 2. G_З.Г =15*4,8=72 л. Р_З.Г = 0,026*72=1,87 грн.

Шов № 3. G_З.Г =15*13,8=207 л. Р_З.Г = 0,026*207=5,38 грн.

Общее на все изделие: Р_З.Г =9,82 грн.

Общее на расход всех сварочных материалов: Р_Э.М=33,57 грн.

РДС

Шов № 1. G_Э.М =0,186*1,7=0,32 кг. Р_Э.М=12,35*0,32=3,95 грн.

Шов № 2. G_Э.М =0,436*1,7=0,74 кг. Р_Э.М=12,35*0,74=9,13 грн.

Шов № 3. G_Э.М =1,139*1,7=1,93 кг. Р_Э.М=12,35*1,93=23,83 грн.

Общее на все изделие: Р_Э.М=36,9 грн

Определение затрат на электроэнергию

Затраты на электроэнергию определяются по формуле:

Р_ЭЭ = Ц_ЭЭG_ЭЭ,

где Ц_ЭЭ— стоимость 1 кВт электроэнергии, грн;=0,864 грн.

G_ЭЭ — расход электроэнергии на одно изделие, кВт:

где з — коэффициент полезного действия установки;

k_И — коэффициент, учитывающий время горения дуги (работы сварочного оборудования) в общем времени сварки (при ручной дуговой сварке k_И = 0,65, при полуавтоматической k_И = 0,60, при автоматической k_И =0,55).

РДС

Шов№ 1.

Р_ЭЭ =0,864*0,5 = 0,432 грн.

Шов№ 2.

Р_ЭЭ =0,864*2,2 = 1,9грн.

Шов№ 3.

Р_ЭЭ =0,864*1,1=0,95 грн Общее на все изделие: Р_ЭЭ = 3,3 грн.

Полуавтоматическая сварка

Шов № 1.

Р_ЭЭ =0,864*0,55= 0,47 грн.

Шов№ 2.

Р_ЭЭ =0,864* 2,57=2,22грн Шов№ 3.

Р_ЭЭ =0,864* 1,28=1,1 грн Общее на все изделие: Р_ЭЭ = 3,79 грн

Относительно-переменная часть в текущем ремонте

Относительно-переменная часть в текущем ремонте определяется по формуле:

где Fд.о. — действительный годовой фонд времени работы оборудования, 3935 ч;Т_шх — штучное время на одно изделие; р — коэффициент загрузки оборудования, для ориентировочных расчетов можно принять в пределах 0,8−0,9; А — амортизационные отчисления, грн:

А = 1,1 С_ОБ Н_А,

где С_об — стоимость основного оборудования, грн;

Н_А — норма амортизационных отчислений, для основного оборудования норма амортизации составляет 24%;

1,1- коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы. Результаты расчетов для каждого способа сварки сводятся в табл. 1

Полуавтоматическая сварка

ВДГ-401=14 965 грн, ПДГ-401=3 480 грн, ГДПГ-501−8=951 грн С_ОБ=19 396 грн, А =1,1*19 396*0,24=5120 грн Шов № 1 PV=1,8 грн.

Шов № 2 PV=1,15грн.

Шов № 3 PV=4,6грн.

Общее на все изделие: PV=7,55 грн.

РДС

ВДУЧ-200У=8280 грн, ЭД-2017У1=200 грн.

С_ОБ=8480 грн, А =1,1*8480*0,24=2238 грн Шов № 1 PV=1,23грн.

Шов № 2 PV=0,8грн.

Шов № 3 PV=3,13грн.

Общее на все изделие: PV=5,16 грн.

Определение постоянных расходов

Постоянные расходы включают в себя затраты амортизацию и постоянную часть текущего ремонта оборудования:

W = A + P_{ПОСТ.Ч.Р;}

Относительно-постоянная часть в текущем ремонте определяется по формуле:

P_{ПОСТ.Ч.Р} = 0,8 б А;

где б — коэффициент отношения расходов на содержание и ремонт к амортизации, а=0,7…0,8.

Результаты расчетов для каждого способа сварки сводятся в табл. 1.

Полуавтоматическая сварка

Для всего изделия:

P_{ПОСТ.Ч.Р} = 0,8 б А=0,8*0,75*5120=3072грн.

W = A + P_{ПОСТ.Ч.Р}=5120+3072=8192грн.

РДС

Для всего изделия:

P_{ПОСТ.Ч.Р} = 0,8 б А=0,8*0,75*2238=1343грн.

W = A + P_{ПОСТ.Ч.Р}=2238+1343=3581грн.

Определение переменных расходов

Полуавтоматическая сварка

Шов № 1

V = Р_ПР. О.Т(1+0,375)+P_СВ.М+P_Э+P_{ПЕР. Ч.Р},=1,8(1+0,375)+7,86+2+1,8=14 грн.

Шов № 2

V = Р_ПР. О.Т(1+0,375)+P_СВ.М+P_Э+P_{ПЕР. Ч.Р},= 1,17(1+0,375)+4,87+1+1,15=8,6 грн.

Шов № 3

V = Р_ПР. О.Т(1+0,375)+P_СВ.М+P_Э+P_{ПЕР. Ч.Р},= 4,7(1+0,375)+20,4+4,3+4,6=35,7 грн.

Общее на все изделие: V =57,3 грн.

РДС

Шов № 1

V = Р_ПР. О.Т(1+0,375)+P_СВ.М+P_Э+P_{ПЕР. Ч.Р},=2,8(1+0,375)+10+1,7+1,23=16,8 грн.

Шов № 2

V = Р_ПР. О.Т(1+0,375)+P_СВ.М+P_Э+P_{ПЕР. Ч.Р},= 1,8(1+0,375)+6+0,83+0,8=10 грн.

Шов № 3

V = Р_ПР. О.Т(1+0,375)+P_СВ.М+P_Э+P_{ПЕР. Ч.Р},= 7,3(1+0,375)+25+3,45+3,13=41,6 грн.

Общее на все изделие: V = 68,4 грн.

Таблица 3.1 — Сводные данные.

Расчет программы выпуска.

Критическая программа выпуска определяется по формуле:

Программа внедрения, при которой целесообразно применять более механизированный способ сварки, определяется по формуле:

где Е_н — коэффициент, Е_н =0,15.

Для определения экономического эффекта от применения предлагаемого процесса находим полную загрузку единицы оборудования.

,

гдеК_в — коэффициент выполнения нормы, принимаем К_в =1,1.

Расчет технологической себестоимости

Технологическая себестоимость заданной программы выпуска определяется по следующей формуле где V — переменные расходы, грн;

W-постоянные расходы, грн;

N — программа выпуска продукции, шт.

Полуавтоматическая сварка

РДС

грн.

Снижение себестоимости от применения процессов с большей степенью механизации или автоматизации рассчитывается по формуле:

ДC = C₁ — C₂.

Определение экономической эффективности.

Экономическая эффективность определяется по формуле:

Э = (С₁ + Е_Н К₁) — (С₂ + Е_Н К₂).

Э = (499 800 + 0,15* 8480) — (432 600 + 0,15* 19 396).=65 563

Сравниваем эффективность капиталовложений. При программе выше критической рациональным может быть вариант с большими относительно-постоянными расходами.

При этом должно выполняться условие Е_Р>Е_Н, что будет говорить об эффективности предлагаемого технологического процесса.

4. Выбор сварочных материалов

При выборе сварочной проволоки для дуговой сварки в защитном газе использую ГОСТ 2246–70. Для заданной марки стали, а именно сталь 45ХМА, предоставлена конкретная рекомендация относительно сварочных материаллов.

Выбор сварочных материалов необходимо производить в зависимости от способа сварки, свариваемости сталей и возможности получения швов равнопрочных основному металлу, стойких к порои трещинообразованию.

Данная сталь сваривается полуавтоматической сваркой плавящимся электродом в среде защитных газов. Материалом для сварки при данном способе сварки является сварочная проволока и защитный газ.

При выборе сварочной проволоки необходимо учитывать, что сталь имеют повышенную склонность к образованию холодных трещин, а также необходимо предусмотреть все необходимые меры для предотвращения образования горячих трещин.

Сварочная проволока должна обеспечивать получение металла шва сходного или близкому по химическому составу с основным материалом, способствовать получению швов равнопрочных основному материалу. Для сварки данной стали используем сварочную проволоку марки Св-08ХГ2СМ и в качестве защиты сварочной ванны от вредного воздействия атмосферного воздуха используем смесь газов 75%Ar+25%CO2. Интенсивность излучения столба дуги при использовании этой смеси относительно невелика, а форма проплавления основного металла такая же как и у углекислого газа. Использование смеси на основе аргона способствует снижению выгорания легирующих элементов, повышает устойчивость дугового процесса, благоприятно влияет на характер переноса электродного металла через дугу (более мелкокапельный).

Для получения данной смеси используем аргон марки В с содержанием аргона 99,9%, который поставляется по ГОСТ 10 157–62, и углекислый газ I-го сорта с содержанием СО2−99,5%, данная углекислота содержит меньшее количество влаги, что способствует повышению стойкости металла шва к пористости, а также для получения более лучшей формы шва.

При использовании данной сварочной проволоки и газа обеспечивается наиболее подходящий химический состав метала шва, который идентичен основному металлу. Химический состав сварочной проволоки приведен в таблице.

Таблица 4.1 — Химический состав сварочной проволоки (ГОСТ 2246−60) Св-08ХГ2СМ.

5. Расчет и выбор режимов сварки

К основным параметрам дуговой сварки относятся: сварочный ток Iсв, напряжение дуги Uд и скорость сварки Vсв. Каждый из этих параметров как отдельно, так и в совокупности с другими, оказывают существенное влияние на величину тепловложения, а следовательно, и на геометрические размеры шва, коэффициент формы провара, коэффициент формы шва и долевое участие основного и электродного металла в формировании шва.

Оптимальные параметры режима сварки обеспечивают необходимые геометрические размеры сварных швов и необходимые соотношения между основным и электродным металлом, при котором достигаются заданные механические свойства металла шва.

Шов № 1.

Способ сварки: полуавтоматическая сварка в защитном газе;

Тип швa: Н1-Д4, без скоса кромок;

Марка стали: 45ХМА

Рисунок 5.1 — Схема шва Н1 по ГОСТ 14 771–76.

Определяем площадь наплавленного металла по формуле:

F_н._общ= ,

Сварку данного шва будем выполнять за один проход.

Выбираем площадь наплавленного металла Fн_1пр=12 мм²

Задаём диаметр электродной проволоки: dэ.пр.=0,8 мм, Исходя из диаметра проволоки определяем вылет электрода:

L_э=10· d_э

где d_э— диаметр электродной проволоки, мм.

L_э=10· 0,8=8 мм,

принимаю вылет электрода равным 8 мм.

В зависимости от dэ.пр. задаём плотность тока

j=180 А/мм, зная эти данные находим силу тока:

.

Для принятого диаметра электрода и силы сварочного тока определяем оптимальное напряжение дуги

.

Скорость сварки может быть определена по формуле:

где н=16.5 — коэффициент наплавки, определяется в зависимости от тока сварки (Iсв, А) и диаметра проволоки (dэ, мм);

=7,8-плотность наплавленного металла;

Скорость подачи проволоки определяется по формуле:

.

Выполнение прихваток

Прихватка выполняется полуавтоматической сваркой проволокой диаметром 0,8 мм Св -08ХГ2СМ. Длина прихватки 20 мм, их количество 4, расстояние между ними 100 мм.

Принимаем катет 4 мм.

Исходя из площади наплавленного металла принимаем электродную проволоку. В соответствии с заданным диаметром электрода назначаем сварочный ток Где — допустимая плотность тока на заданный диаметр сварочной проволоки. Принимаем .

Определим напряжение на дуге:

Определим скорость сварки для заданного режима:

Где 16,5г/А*ч — коэффициент наплавки при сварке в углекислом газе обратной полярности.

Определим скорость подачи электродной проволоки:

Шов № 2.

Способ сварки: полуавтоматическая сварка в защитном газе;

Тип шва: Н1, катет 8, нахлесточный, односторонний, без скоса кромок;

Марка стали: 45ХМА.

Рисунок 5. 2 — Схема шва Н1 по ГОСТ 14 771–76.

Определяем площадь наплавленного металла по формуле:

Fн._общ= ,

Площадь наплавленного металла за 1 проход составляет при полуавтоматической сварке 4050 мм², выбираем Fн_1пр=42мм²,

Задаём диаметр электродной проволоки: dэ.пр.=1,6 мм, В зависимости от dэ.пр. задаём плотность тока j=160А/мм, зная эти данные находим силу тока:

.

Для принятого диаметра электрода и силы сварочного тока определяем оптимальное напряжение дуги:

.

Скорость сварки может быть определена по формуле:

где н=16,5 -коэффициент наплавки, определяется в зависимости от тока сварки (Iсв, А) и диаметра проволоки (dэ, мм);

=7,8-плотность наплавленного металла;

Вылет электрода находится по формуле:

L=(812)*dэ=(812)*1,6=12,819,2 мм.

Выбираем L=16мм.

Скорость подачи проволоки определяется по формуле:

.

V_пр1=334м/ч

Выполнение прихваток.

Fн.прихв.=1/3*Fн.общ=(1/3)*42=14мм²;

;

Lпр=20мм; расстояние между прихватками L=100мм.

Прихватка выполняется полуавтоматической сваркой в СО₂ проволокой диаметром 0,8 мм Св-08ХГ2СМ.

Шов № 3.

Способ сварки: полуавтоматическая сварка в среде защитных газов;

Тип шва: Т3, катет 10, тавровый, двусторонний, без скоса кромок;

Марка стали: 45ХМА.

Рисунок 5.3 — Схема шва Т3 по ГОСТ 14 771–76.

Определяем площадь наплавленного металла по формуле:

F_н.₁= ,

F_н._1общ = 2* F_н.₁ = 2 * 60,5 = 121 мм²

Задаём диаметр электродной проволоки: dэ.пр.=1,6 мм, Исходя из диаметра проволоки определяем вылет электрода:

L_э=10· 1,6=16 мм,

принимаю вылет электрода равным 20 мм.

В зависимости от dэ.пр. задаём плотность тока j=150А/мм, зная эти данные находим силу тока:

.

Для принятого диаметра электрода и силы сварочного тока определяем оптимальное напряжение дуги:

.

Скорость сварки может быть определена по формуле:

где н=16,5 -коэффициент наплавки, определяется в зависимости от тока сварки (Iсв, А) и диаметра проволоки (dэ, мм);

=7,8-плотность наплавленного металла;

Скорость подачи проволоки определяется по формуле:

.

Выполнение прихваток.

Fн.прихв.=25 мм².

Длина прихватки 20 мм, их количество 4, расстояние между ними 100 мм.

Для выполнения прихватки находим силу тока

Напряжение дуги:

Скорость сварки может быть определена по формуле:

;

Прихватка выполняется полуавтоматической сваркой проволокой Св08ХГ2СМ, диаметром 1,6 мм.

6. Расчет расхода сварочных материалов

Расход сварочных материалов (электродная проволока, защитный газ) рассчитывается для каждого типоразмера. Расчет производится для общей длины шва каждого типоразмера в соответствии с рекомендациями .

Норма расхода Нэ (кг) сварочной проволоки на изделие определяется исходя из длины швов lш (м) и удельной нормы расхода проволоки Gэ на 1 м шва данного типоразмера:

В общем виде удельную норму расхода рассчитывают по формуле:

где mн — расчетная масса наплавленного металла в кг/м;

kр — коэффициент расхода, учитывающий неизбежные потери электродов и проволоки;

с = 7,8 г/см³-плотность наплавленного металла;

Fн — площадь поперечного сечения наплавленного металла шва в мм².

Расчет для 1-го шва Н1-Д4:

— длина 1-го шва;

где к_р=1,05.

Расчет для прихваток: м-длина 4 прихваток;

где к_р=1,05

Расчет для 2-го шва Н1-Д8 :

— длина 2-го шва;

где к_р=1,05.

Расчет для прихваток:

= 0,132 мдлина 11 прихваток;

где к_р=1,05

Расчет для 3-го шва Т3:

— длина 3-го шва;

где к_р=1,05.

Расчет для прихваток:

— длина 4 прихваток;

где к_р=1,05

Норма расхода защитного газа на изделие Нг (л, в 1кг-509л) определяется по формуле:

где, Qг — удельная норма расхода газа на 1 м шва данного типоразмера в л;

Qд — дополнительный расход газа на подготовительно-заключительные операции: подготовку газовых коммуникаций перед началом сварки, настройку режимов сварки.

Удельная норма расхода газа определяется по формуле:

где qг — оптимальный расход защитного газа по ротаметру в л/мин;

tо — машинное (основное) время сварки 1 м шва в мин.

Основное время при сварке плавящимся электродом можно определить по формуле:

где бн-коэффициент наплавки в г/Ач;

Iсв-сила сварочного тока, А.

Расчёт для 1-го шва:

qг=10−15л/мин;

бн=16,5г/Ач;

Расчёт для прихваток:

Расчёт для 2-го шва:

qг = 10−15 л/мин;

бн = 16,5 г/Ач;

Расчёт для прихваток:

Расчёт для 3-го шва:

qг = 10−15 л/мин;

бн = 16,5 г/Ач;

Расчёт для прихваток:

7. Выбор сварочного оборудования

Так как при изготовлении изделия применяется полуавтоматическая сварка, то в качестве сварочного оборудования используются выпрямители и полуавтоматы. Особенностью оборудования для сварки в защитных газах является то, что оно включает в себя узлы, агрегаты и вспомогательные устройства, предназначенные для газовой зашиты металла шва и прилегающей зоны от действия воздуха.

Полуавтоматы выбираются исходя из выбранного способа сварки, технологического процесса, режима сварки, конструкции изделия, типа сварного шва.

Сварочный полуавтомат должен отвечать следующим требованиям:

1. Установка необходимого режима сварки и поддержание его в процессе сварки постоянным.

2. Бесперебойную подачу сварочной проволоки в зону сварки.

3. Обеспечивать защиту расплавленного металла сварочной ванны от воздействия газов воздуха.

4. Иметь удобную и надёжную систему регулирования скорости подачи сварочной проволоки.

При выборе сварочных полуавтоматов необходимо учитывать их технико-экономические показатели и эксплуатационные качества.

Для выполнения полуавтоматической сварки в среде защитных газов применяем полуавтомат сварочный ПДГ-401 с выпрямителем ВДГ-401

Полуавтомат типа ПДГ-401 предназначен для сварки стальной проволокой изделий из стали в среде защитных газов на постоянном токе.

8. Расчет теплового режима сварных соединений и определение структурного состояния металла зоны термического влияния.

При сварке основной металл в близлежащих участках шва подвергается своеобразной термической обработке. Примыкающие к шву участки с измененной по сравнению с основным металлом структурой получили общее название зоны термического влияния — ЗТВ.

Структура металла в этой зоне изменяется в соответствии с термическим циклом нагрева и охлаждения.

Для суждения о структурных превращениях в ЗТВ при сварке необходимо располагать данными по кинетике превращения аустенита.

Структурные изменения в ЗТВ можно оценить по диаграммам термокинетического превращения, построенным для условий сварки.

Такая диаграмма строится в координатах температура — время. Из-за больших диапазонов рассматриваемого времени его откладывают в логарифмическом масштабе. Отсчет времени при охлаждении аустенита начинается с момента, когда температура металла достигнет критической точки А₃ .

Выше этой температуры аустенит термодинамически устойчив, ниже — аустенитное состояние неустойчиво и в зависимости от температурно-временных условий может претерпевать перлитное, бейнитное (промежуточное) или мартенситное превращение.

В условиях непрерывного охлаждения весьма важно знать некоторые «характеристические» скорости охлаждения, которые соответствуют: W_Ф -началу появления избыточного феррита; W_П — началу появления перлита; W₁ — началу появления мартенсита; W₂ — образованию 100% мартенсита (100% условно, так как кроме мартенсита имеется некоторое количество остаточного аустенита). Скорости W₁ и W₂ принято называть критическими, т.к. они ограничивают область частичной закалки.

Типичный вид диаграммы термокинетического (анизотермического) превращения аустенита для большого числа сталей различного состава приведен на рис. 8.1 в виде трех типов диаграмм.

Рис. 8.1 — Типы диаграмм анизотермического превращения аустенита сталей в околошовной зоне при сварке.

Оценку структурных изменений в высокотемпературных участках ЗТВ можно выполнить и по скорости охлаждения. Поскольку скорость охлаждения зависит от температуры, определяют мгновенную или среднюю скорость охлаждения при температуре 823К. При этой температуре переохлажденный аустенит свариваемых сталей быстрее претерпевает распад в перлитной области. Скорость охлаждения можно рассчитать по формулам:

— для наплавки на массивное изделие:

;

— для однопроходной сварки пластин встык:

;

где q/v = I_СВ U_Д з_И /v — эффективная погонная энергия дуги, Дж/см;

I_СВ — сварочный ток, А;

U_Д — напряжение на дуге, В;

V — скорость сварки, см/с;

з_И — эффективный к.п.д. нагрева;

л — коэффициент теплопроводности, Дж/см^.с^.град;

сг — объемная теплоемкость, Дж/см³ град;

Т₀ — температура подогрева при сварке, К;

д — толщина свариваемых листов, см .

Т — температура минимальной устойчивости аустенита для заданной марки стали, К.

Значение з_И принимается равным: при ручной сварке открытой дугой металлическими электродами — в пределах 0,70−0,85; при автоматической сварке под флюсом и сварке в аргоне плавящимся электродом — в пределах 0,80−0,85; при сварке в углекислом газе, а также в аргоне вольфрамовым электродом — около 0,65. Меньшие значения з_И соответствуют наплавке на поверхности удлиненной дугой, а большие — сварке короткой дугой с углублением ее в разделку кромок или в сварочную ванну.

Знак минус в уравнениях показывает, что происходит остывание металла. Скорость охлаждения зависит от формы изделия (массивное тело, пластина), эффективной погонной энергии q/V и температуры подогрева T₀.

Температура подогрева T₀ практически позволяет в большей степени регулировать скорость охлаждения, чем эффективная погонная энергия. Однако при сварке крупных деталей нагрев приходится ограничивать по соображениям облегчения условий труда.

Влияние подогрева и погонной энергии сварки на скорость охлаждения сильнее сказывается в пластинах, чем в массивных телах. Это следует из показателей степеней в формулах .

Режим сварки на поверхности массивного тела стали 45ХМА подобран из условия качественного формирования шва и характеризуется следующими параметрами:

— для первого шва

Н1-Д4: I_CВ = 100A, U_Д = 26B, V_СВ = 18м/ч = 0,5см/с, з = 0,8.

— для второго шва

Н1-Д8: I_CВ = 320A, U_Д = 34B, V_СВ = 16м/ч = 0,44см/с, з = 0,8.

— для третьего шва

Т3-Д10: I_CВ = 300A, U_Д = 32B, V_СВ = 15,5м/ч = 0,43см/с, з = 0,8.

Требуется определить мгновенную скорость охлаждения металла при T = 380? С и в случае, если она выше 25K/c, определить температуру подогрева T₀, обеспечивающую указанную скорость охлаждения. Теплофизические коэффициенты стали: б=0,08 см²/с, л=0,38Вт/(см^.К), сс=4,8Дж/(см^3.К).

Шов № 1.

Определим вначале эффективную мощность источника теплоты и погонную энергию сварки q/V:

q= з_И U_Д І_СВ = 0,8 ^. 26 ^. 100 = 2080 Вт;

q/V=2080 / 0,5 = 4160 Дж/см.

Вычисляем при T₀ = 293 К безразмерный критерий с учетом поправочного коэффициента 2/3 на погонную энергию при сварке угловых швов:

;

;

По номограмме находим щ = 0,78.

Скорость охлаждения вычислим по формуле с учетом поправочного коэффициента 2/3 на погонную энергию.

;

Принимаем [] = 4 .

Определяем температуру подогрева, обеспечивающую скорость охлаждения -4 /с по следующей формуле:

(Т-Т₀)² = - 2/3 q / (2рл) = - 4 ^. 0,667 ^. 4160 / (2 ^. 3,14 ^. 0,38 ^. 0,78) = -5967;

(Т-Т₀) = 77? С; Т₀ = Т — 77 = 380- 77 = 303? С;

Шов № 2.

Определим вначале эффективную мощность источника теплоты и погонную энергию сварки q/V:

q = з_И U_Д І_СВ = 0,8 ^. 34 ^. 320 = 8704 Вт;

q/V= 8704/ 0,44 = 19 781 Дж/см.

Вычисляем при T₀ = 293 К безразмерный критерий с учетом поправочного коэффициента 2/3 на погонную энергию при сварке угловых швов:

;

;

По номограмме находим щ = 0,11.

Скорость охлаждения вычислим по формуле с учетом поправочного коэффициента 2/3 на погонную энергию.

;

;

Определяем температуру подогрева, обеспечивающую скорость охлаждения — 3,07 /с по следующей формуле:

(Т-Т₀)² = - 2/3 q / (2рл) = - 3 ^. 0,667 ^. 19 781 / (2 ^. 3,14 ^. 0,38 ^. 0,78) = -21 280;

(Т-Т₀) = 145,8 ?С; Т₀ = Т — 145= 380- 145= 235? С.

Шов № 3.

Определим вначале эффективную мощность источника теплоты и погонную энергию сварки q/V:

q= з_И U_Д І_СВ = 0,8 ^. 32^. 300 = 7680 Вт;

q/V=7680 / 0,43 = 17 860 Дж/см.

Вычисляем при T₀ = 293 К безразмерный критерий с учетом поправочного коэффициента 2/3 на погонную энергию при сварке угловых швов:

;

;

По номограмме находим щ = 0,75.

Скорость охлаждения вычислим по формуле с учетом поправочного коэффициента 2/3 на погонную энергию.

;

.

Принимаем [] = 4 .

Определяем температуру подогрева, обеспечивающую скорость охлаждения -4 /с по следующей формуле:

(Т-Т₀)² = - 2/3 q / (2рл) = - 4 ^. 0,667 ^. 17 860 / (2 ^. 3,14 ^. 0,38 ^. 0,78) = -25 618.

(Т-Т₀) = 160? С; Т₀ = Т — 160 = 380- 160 = 220? С.

Рис. 8.2 — Расчетный график для определения мгновенной скорости охлаждения при наплавке валика на лист.

Таблица 8.1 — Значения приведенных величин толщины и погонной энергии.

Таблица 8.2 — Скорость охлаждения для шва № 1, от Ас3 = 760? и W = 87? С/с.

Таблица 8.3- Скорость охлаждения для шва № 2 от Ас3 = 760? и W = 3,07 ?С/с.

Таблица 8.4 — Скорость охлаждения для шва № 3 от Ас3 = 760? и W = 19? С/с.