Разработка технологического процесса сварки

Разработка технологического процесса сварки

Цель задания: самостоятельно разработать технологию дуговой и газовой сварки; составить технологические карты на изготовление сварного соединения по варианту.

Исходные данные:

Способ сварки: Дуговая Марка стали: 15ГФ Вид соединения: Угловое Толщина свариваемой детали: 9 м Первая часть

Химический состав в % материала 15ГФ

Механические свойства при Т=20oС материала 15ГФ

Технологические свойства материала 15ГФ

Обозначения Механические свойства :

v ув — Предел кратковременной прочности, [МПа]

v уT — Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]

v д5 — Относительное удлинение при разрыве, [ % ]

v Ш — Относительное сужение, [ % ]

v KCU — Ударная вязкость, [ кДж / м2]

v HB — Твердость по Бринеллю Физические свойства :

v T — Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

v E — Модуль упругости первого рода, [МПа]

v a — Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o — T), [1/Град]

v l — Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м· град)]

v r — Плотность материала, [кг/м3]

v C — Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o — T), [Дж/(кг· град)]

v R — Удельное электросопротивление, [Ом· м]

ГФ — Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций. Рассматриваемая сталь обладает хорошей свариваемостью. Технология ее сварки должна обеспечивать определенный комплекс требований, основными из которых являются равнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. В некоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижение отдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако в большинстве случаев, особенно при сварке ответственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор, подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемым. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. В отдельных случаях к сварному соединению предъявляют дополнительные требования. Однако во всех случаях технология должна обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности и долговечности конструкции.

Свариваемость — свойство металлов образовывать неразъемные соединение, отвечающим конструктивным и эксплуатационным требованиям.

Свариваемость зависит от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединений и от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции.

Различают свариваемость физическую и технологическую. Физическая свариваемость — возможность получения монолитных сварных соединений. Технологическая свариваемость это реакция материала на воздействие конкретных условий сварки и способность при этом образовывать соединение с требуемыми свойствами.

Свариваемость определяют составом и физическими свойствами материала, способом и режимом сварки, конструкцией сварного узла и условиями эксплуатаций изделия.

Под свариваемостью подразумевают также стойкость против образования трещин и обеспечение специальных свойств.

Оценку свариваемость проводят по различным показателям: механическим свойствам соединений, изменению структуры металла, склонности к образованию дефектов (трещин, пор, непроваров и др.)

По свариваемость стали подразделяют на хорошо, удовлетворительно, ограниченно и плохо сваривающиеся.

Хорошо — хорошее качество соединений достигается применением режимов сварки в широких пределах, при любых температурах окружающего воздуха.

Удовлетворительно — строгое соблюдение режимов сварки, специальные электроды и флюсы, определенные температурные условия и в некоторых случаях предварительный прогрев и последующая термообработка.

Ограниченно — требуют применения специальных сварочных материалов, подогрева.

Плохо — обладают склонностью к образованию трещин и, поэтому, свариваются только при применении особых технологических приемов.

Трудности при сварке Горячие трещины — хрупкие межкристаллические разрушения в металле шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии в процессе кристаллизации (кристаллизационные трещины), а также в твердом состоянии при температурах ниже температуры солидуса (подсолидусные трещины).

Холодные трещины — для них характерен блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления. Причины холодных трещин: охрупчивание металла вследствие закалочных процессов при быстром его охлаждении; остаточные напряжения, возникающие в сварных соединениях; повышенное содержание водорода в сварных швах; толщина свариваемых элементов.

Методы борьбы с холодными трещинами основываются на уменьшении степени подкалки металла, снятии остаточных напряжении, ограничении содержания водорода.

Поры образуются в результате перенасыщения расплавленного металла шва газами. Поры могут быть поверхностные, внутренние или располагаться в цепочку. Поры возникают из-за недостаточной защиты расплавленного металла от воздуха и влаги, а также вследствие плохой очистки свариваемых поверхностей от масла и ржавчины, большой скорости сварки и остывания металла. Поры снижают прочность, нарушают герметичность изделия.

Сварной шов Сварной шов образуется затвердевающим металлом. Металл шва имеет дентритное строение. В этой зоне металл нагревается до температуры выше температуры линии ликвидуса, что определяет интенсивное протекание химических реакций и металлургических процессов между металлом шва и газами атмосферы, а также сварочными материалами: флюсами, электродными покрытиями, защитными газами и др. Здесь возможны наибольшие изменения химического состава металла, его неоднородность, образование пор, горячих и холодных трещин.

К сварному шву примыкает зона сплавления (0,1−0,4мм). Там происходит образование сварного соединения, изменение химического состава и свойств металла, рост зерен. Этот участок — наиболее слабое место сварного соединения.

Участок перегрева — область основного металла, где максимальные температуры при нагреве выше 1100oС. При охлаждении на базе крупнозернистого аустенита образуется крупнозернистая ферритно-перлитная структура с пониженными механическими свойствами.

Участок перекристаллизации (нормализации) соответствует нагреву до температур 900−1100oС. Металл участка обладает высокими механическими свойствами, так как при охлаждении на базе мелкозернистого аустенита, не подвергавшегося нагреву, образуется мелкозернистая структура (феррит + цементит).

На участке неполной перекристаллизации металл нагревается до температур 725−900 oС. Структура металла состоит из смеси мелких зерен, которые не успели перекристаллизироваться. Свойства его более низкие, чем у металла предыдущего участка.

Участок рекристаллизации наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся холодной деформации. При нагреве до температуры 450−725 oС в этой области происходит рост зерна, огрублению структуры и разупрочнению.

Участок, нагреваемый до температуры 200−450oС, является переходным от зоны термического влияния к основному металлу. В этой области может происходить старение металла в связи с выпадением карбидов и нитридов железа. Понижается пластичность и вязкость, структура металла на этом участке практически не отличается от основного.

Зона термического влияния — зона основного металла, в которой под действием температуры происходят структурные и фазовые изменения. ЗТВ имеет отличные от основного металла размер зерна и вторичную микроструктуру. Ширина этой зоны зависит от толщины металла, вида и режима сварки. При ручной дуговой сварке она составляет 5−6мм.

Для стали марки 15ГФ выбрали дуговую сварку с разделкой кромок, так как разделка кромок употребляется при толщине детали более 9 мм. При дуговой сварке будем использовать электрод dэ = 6 мм. Применяем для устойчивости дуги и лучшего прогрева стыка трансформатор ТC -300 (переменный ток) или ВД — 306 (постоянный ток) с силой тока I = 336 А. Дуга возбуждается между электродом и основным металлом и плавит их оба, причем образуется общая ванночка, где перемешивается весь расплавленный металл.

Дуговой сваркой пользуются для соединения тонких стальных заготовок, где не требуется присадочный металл, а также для цветных металлов и чугуна, и для наплавки порошковых твердых сплавов.

Угловые соединения Силу сварочного тока рассчитываем по формуле академика Хренова:

dэ = 6 мм

Iсв = (20 + 6dэ) dэ = (20+6*5)*5=336А Напряжение дуги изменяется в сравнительно узких пределах от 16 до 30 В.

Расход электроэнергии 3,5 — 4,5 кВт *ч при переменном токе, на постоянном токе 7 — 8 кВт *ч Модель сварочного трансформатора ТС -300

Стержневой;

Выдаваемая мощность трансформатора: 20 — 32 тысяч ватт.

Потребляемое напряжение: однофазное 220−380 Вольт.

Сварочный трансформатор ТС -300 предназначен для ручной электросварки металлов и их сплавов, толщиной 3 — 350 мм, электродами диаметром от 3 до 6 мм. Продолжительность непрерывного рабочего цикла составляет 60 минут. Регулировка осуществляется с помощью рукоятки.

Выпрямитель сварочный ВД-306 предназначен для питания электрической сварочной дуги постоянным током при ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов при трехфазном питании от сети переменного тока.

Ручная дуговая сварка Ручная дуговая сварка, источником теплоты которой служит электрическая дуга, занимает одно из ведущих мест среди различных видов сварки плавлением. Электрическая дуга, возникающая за счет дугового разряда между электродом и свариваемым металлом, возникает и поддерживается источником постоянного или переменного тока. Под действием теплоты, полученной при помощи электрической дуги, происходит плавление основного и присадочного материалов, в результате чего образуется сварочная ванна. Остывая, металл кристаллизуется, образуя прочное сварное соединение. Все операции по зажиганию дуги, поддержанию ее длины и перемещению вдоль линии шва выполняются сварщиком вручную без применения механизмов. Дуговая сварка выполняется как плавящимся, так и неплавящимся электродом.

Правильное поддержание дуги и ее перемещение является залогом качественной сварки. Слишком длинная дуга способствует окислению и азотированию расплавленного металла, разбрызгивает его капли и создает пористую структуру шва. Красивый, ровный и качественный шов получается при правильном выборе дуги и равномерном ее перемещении, которое может происходить в трех основных направлениях.

Поступательное движение сварочной дуги происходит по оси электрода. При помощи этого движения поддерживается необходимая длина дуги, которая зависит от скорости плавления электрода. По мере плавления электрода, его длина уменьшается, а расстояние между электродом и сварочной ванной — увеличивается. Для того чтобы это не происходило, электрод следует продвинуть вдоль оси, поддерживая постоянную дугу. Очень важно при этом поддерживать синхронность. То есть, электрод продвигается в сторону сварочной ванны синхронно с его укорочением.

Продольное перемещение электрода вдоль оси свариваемого шва формирует так называемый ниточный сварочный валик, толщина которого зависит от толщины электрода и скорости его перемещения. Обычно ширина ниточного сварочного валика бывает на 2 — 3 мм больше диаметра электрода. Собственно говоря, это уже есть сварочный шов, только узкий. Для прочного сварочного соединения этого шва бывает недостаточно. И поэтому по мере перемещения электрода вдоль оси сварочного шва выполняют третье движение, направленное поперек сварочного шва.

Поперечное движение электрода позволяет получить необходимую ширину шва. Его совершают колебательными движениями возвратно-поступательного характера. Ширина поперечных колебаний электрода определяется в каждом случае индивидуально и во многом зависит от свойств свариваемых материалов, размера и положения шва, формы разделки и требований, предъявляемых к сварному соединению. Обычно ширина шва лежит в пределах 1,5 — 5,0 диаметров электрода.

Таким образом все три движения накладываются друг на друга, создавая сложную траекторию перемещения электрода. Практически каждый опытный мастер имеет свои навыки в выборе траектории перемещения электрода, выписывая его концом замысловатые фигуры. Классические траектории движения электрода при ручной дуговой сварке приведены на рис. 1. Но в любом случае траекторию перемещения дуги следует выбирать таким образом, чтобы кромки свариваемых деталей проплавлялись с образованием требуемого количества наплавленного металла и заданной формы шва.

Рис. 1 Траектории движения конца электрода Если шов не будет закончен до того, как длина электрода уменьшится настолько, что требуется его замена, то сварку на время прекращают. После замены электрода следует удалить шлак и возобновить сварку. Для завершения оборванного шва зажигают дугу на расстоянии 12 мм от углубления, образовавшегося на конце шва, называемого кратером. Электрод возвращают к кратеру, чтобы образовать сплав старого и нового электродов, а затем снова начинают перемещать электрод по первоначально выбранной траектории.

Схема дуговой сварки Порядок заполнения шва по сечению и длине определяет способность сварного соединения воспринимать заданные нагрузки, влияет на величину внутренних напряжений и деформаций в массиве шва.

Швы различают: короткие — длина которых не превышает 300 мм, средние — длиной 300 — 100 мм и длинные — свыше 1000 мм. В зависимости от длины шва его заполнение может выполняться по различным схемам сварочного заполнения, которые представлены на рис. 2

Рис. 2 Схемы дуговой сварки: 1 -сварка напроход; 2-сварка от середины к краям; 3-сварка обратноступенчатым способом; 4-сварка блоками; 5-сварка каскадом; 6-сварка горкой При этом короткие швы заполняют за один проход — от начала шва до его конца. Швы средней длины могут заполняться обратноступенчатым методом или от середины к концам. Для выполнения обратноступенчатого метода заполнения шов разбивают на участки длина которых равна 100 -300 мм. На каждом из этих участков заполнение шва выполняют в направлении, обратном общему направлению сварки.

Если для нормального заполнения шва одного прохода сварочной дуги мало, накладывают многослойные швы. При этом, если число накладываемых слоев равно числу проходов, шов называют многослойным. Если же некоторые слои выполняют за несколько проходов, такие швы называют многослойно-проходными. Схематически такие швы отражены на рис. 3.

Рис. 3 Виды швов: 1-однослойный; 2-многопроходной; 3-многослойный, многопроходной С точки зрения производительности труда наиболее целесообразными являются однопроходные швы, которым отдают предпочтение при сварке металлов небольших (до 8−10 мм) толщин с предварительной разделкой кромок.

Но для ответственных конструкций (сосуды, работающие под давлением, несущие конструкции и т. д.) этого бывает мало. Внутренние напряжения, возникающие в процессе сварки, могут вызвать появление трещин в шве или в околошовной зоне из-за недостаточной пластичности шва и большой жесткости основного металла. При сварке изделий с относительно небольшой жесткостью внутренние напряжения вызывают местное или общее коробление (деформации) свариваемой конструкции. Кроме того, при сварке металлов толщиной более 10 мм. появляются объемные напряжения и возрастает опасность появления трещин. В таких случаях принимают целый ряд мер, позволяющих уменьшить напряжения и деформации: применяют сварные швы минимального сечения, сварку многослойными швами, наложение швов «каскадными методами» или «горкой», принудительное охлаждение или подогрев.

При сварке «горкой» сначала у основания разделанных кромок прокладывают первый слой, длина которого должна быть не более 200 — 300 мм. После этого первый слой перекрывают вторым, длина которого на 200 — 300 мм больше первого. Точно так же накладывают третий слой, перекрывая второй на 200 — 300 мм. Таким образом продолжают заполнение до тех пор, пока количество слоев в зоне первого шва не окажется достаточным для заполнения. Следующий слой накладывают в месте окончания первого слоя, перекрывая последний (если позволяет длина шва) на те же 200 — 300 мм. Если первый шов прокладывался не в начале шва, а в его средней части, то горку формируют последовательно в обоих направлениях (рис. 23,е). Так, формируя горку, последовательно заполняют весь шов. Преимущество данного метода состоит в том, что зона сварки все время находится в подогретом состоянии, что способствует улучшению физико-механических качеств шва, так как внутренние напряжения получаются минимальными и предупреждается появление трещин.

«Каскадный метод» заполнения шва по существу является той же «горкой», но выполняют его в несколько другой последовательности. Для этого детали соединяют между собой «на прихватках» или в специальных приспособлениях. Прокладывают первый слой, а затем, отступив от первого слоя на расстояние 200 — 300 мм, прокладывают второй слой, захватывая зону первого (рис. 23,д). Продолжая в той же последовательности, заполняют весь шов.

Угловые швы (рис.4) можно выполнять двумя методами, каждый из которых имеет свои преимущества и свои недостатки. При сварке «в угол» допускается больший зазор между деталями (до 3 мм), проще сборка, но техника сварки сложнее. Кроме того, возможны подрезы и наплывы, снижается производительность из-за необходимости за один проход сваривать швы небольшого сечения, катет которых меньше 8 мм. Сварка «в лодочку» допускает большие катеты шва за один проход и поэтому более производительна. Однако такая сварка требует тщательной сборки.

Указанные приемы дуговой сварки рассматривались на нижних положениях шва, выполнение которых наименее трудоемко. На практике часто приходится выполнять горизонтальные швы на вертикальной плоскости, вертикальную и потолочную сварку. Для выполнения этих работ используются те же приемы, что и для швов с нижним положением, но трудоемкость работ и некоторые технологические особенности требуют более детального подхода и изменения некоторых методов.

При сварке таких швов появляется вероятность вытекания расплавленного металла, что приводит к падению капель к незаполненным сваркой местам, потекам расплавленного металла по горизонтальным плоскостям и т. д. Рис. 4 Положение электрода и изделия при выполнении угловых швов: А-сварка в симметричную «лодочку»; Б-в несимметричную «лодочку»; В-«в угол» наклонным электродом; Г-с оплавлением кромок Рассматривая суть процессов, происходящих в подобных швах, мы говорили, что удерживать металл в расплавленной ванне могут силы поверхностного натяжения. Для того чтобы эти силы были достаточными, сварщик должен владеть приемами сварки виртуозно. Здесь приходится понижать сварочный ток и применять электроды пониженного сечения. Это в конечном итоге сказывается на производительности, так как приходится увеличивать количество сварочных проходов. Поэтому на практике стараются в дополнение к силам поверхностного натяжения добавить «пленку поверхностного натяжения». Суть данного метода заключается в том, что дугу держат не постоянно, а с определенными промежутками, то есть импульсами.

Для этого дугу постоянно прерывают, зажигая ее с определенными промежутками времени, давая возможность расплавленному металлу частично закристаллизоваться. Именно здесь и проявляется умение сварщика выбрать такие интервалы, когда не успевает образоваться сварочный катет и одновременно металл потерял бы часть своей текучести.

Потолочный шов является самым сложным. Поэтому проводить его непрерывным горением дуги — дело бесперспективное. Сварку выполняют короткими во времени замыканиями дуги на сварочную ванну так, чтобы она не успела остыть, пополняя ее новыми порциями расплавленного металла.

При сварке данным методом следует следить за размером дуги, так как ее удлинение может вызвать нежелательные подрезы. Кроме того, при сварке таких швов создаются неблагоприятные условия для выделения шлаков из расплавленного металла, что может привести к пористости сварного шва.

Вертикальные швы можно варить в двух направлениях — снизу вверх и сверху вниз. И тот и другой метод имеет право на существование, но всегда предпочтительнее сварка на подъем. В этом случае расположенный снизу металл удерживает сварочную ванну, не давая ей растекаться.

При сварке на спуск труднее удерживать сварочную ванну, и поэтому добиться качественного шва гораздо сложнее. Суть такого метода практически не отличается от потолочной сварки, и применяют его тогда, когда сварка на подъем технологически невозможна.

Горизонтальные швы на вертикальной плоскости тоже имеют свои особенности. В данных швах особую сложность представляет удержание сварочной ванны у обеих кромок свариваемых деталей. Для того чтобы облегчить этот процесс, скос нижней кромки не выполняют. В таком случае получается полочка, которая способствует удержанию на месте расплавленной сварочной ванны. Уместен здесь и прием импульсной сварки с кратковременным зажиганием дуги, как и для потолочных швов.

Удаление сварочных шлаков выполняют обрубочным молотком. Для этого, подождав, пока заготовка остынет настолько, что ее можно брать рукой, прижимают крепко к столу и ударами молотка, направленными вдоль шва, удаляют шлак, покрывающий сварочный шов. После этого шов проковывают для снятия внутренних напряжений. Для этого боек молотка разворачивают вдоль шва и выполняют проковку по всей его длине.

Завершают очистку жесткой проволочной щеткой, перемещая ее резкими движениями сначала вдоль шва, а потом — поперек, чтобы удалить последние остатки шлака.

Существует несколько неразрушающих методов контроля сварных соединений, которые применяют в соответствии с техническими условиями. Вид и количество методов зависят от технической оснащенности сварочного производства и ответственности сварного соединения.

· Внешний осмотр

· Химический метод

· Магнитный контроль

· Радиационный контроль

· Ультразвуковой метод

· Гидравлический метод

· Проверка керосином

· Пневматические испытания

· Рентгеноскопия Радиационный контроль позволяет обнаружить в полости шва дефекты, невидимые при наружном осмотре. Сварной шов просвечивают рентгеновским или гамма-излучением, проникающим через металл (рис.5), для этого излучатель (рентгеновскую трубку или гамма-установку) размещают напротив контролируемого шва, а с противоположной стороны — рентгеновскую пленку, установленную в светонепроницаемой кассете.

Рис. 5 А-рентгеновское излучение; Б-гамма-излучение 1-экраны усиливающие; 2-рентгеновская пленка; 3-кассетарентгеновское излучение; 5-рентгеновская трубка; 6-гамм излучение; 7-свинцовый кожух; 8-ампулу радиоактивного вещества Лучи, проходя через металл, облучают пленку, оставляя в местах дефектов более темные пятна, так как дефектные места обладают меньшим поглощением. Рентгеновский метод более безопасен для работающих, однако его установка слишком громоздка, поэтому он используется только в стационарных условиях. Гамма-излучатели обладают значительной интенсивностью и позволяют контролировать металл большей толщины. Благодаря портативности аппаратуры и дешевизне метода этот тип контроля широко распространен в монтажных организациях. Но гамма-излучение представляет большую опасность при неосторожном обращении, поэтому пользоваться этим методом можно только после соответствующего обучения. К недостаткам радиографического контроля относят тот факт, что просвечивание не позволяет выявить трещины, расположенные не по направлению основного луча.

Наряду с радиационными методами контроля применяют рентгеноскопию, то есть получение сигнала о дефектах на экране прибора. Этот метод отличается большей производительностью, а его точность практически не уступает радиационным методам.

Вторая часть

1. Установить заготовку

2. Произвести разделку кромок

3. Определить корень шва

4. Определить диаметр электрода

5. Установить деталь

6. Произвести прихватку

7. Осмотреть деталь на корабление

8. Произвести сварку

9. Отбить шлак

10. Осмотреть шов с целью выявления дефектов Технологическая карта:

Операции и переходы выполняемые при дуговой сварке:

1. Установить заготовку

2. Произвести разделку кромок

3. Определить корень шва

4. Определить диаметр электрода

5. Установить деталь

6. Произвести прихватку

7. Осмотреть деталь на корабление

8. Произвести сварку

9. Отбить шлак

10. Осмотреть шов с целью выявления дефектов

дуговая газовая сварка ТС-300 — трансформатор сварочный, предназначен для питания электрической сварочной дуги переменным током первая цифра, указывают номинальный сварочный ток в сотнях ампер.

ВД-306 — Выпрямитель сварочный предназначен для питания электрической сварочной дуги постоянным током при ручной дуговой сварке.