Реферат: Сварка путем плавления
Введение
Сварка – это процесс получения неразъемных соединений посредствам установления непрерывной межатомной связи между соединяемыми деталями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.
Конечная цель сварочного производства — выпуск экономичных сварных конструкций, отвечающих по своим конструктивным формам, механическим и физическим свойствам тому эксплуатационному назначению и условиям работы, для которых они создаются. Обеспечение рациональных форм и получение необходимых механических свойств сварных соединений относятся к главным задачам проектирования, решение которых должны обеспечить техпроцессы сварки.
Сварка позволяет создать конструкции, в которых целесообразно используются разнообразные металлы и сплавы в зависимости от назначения тех или иных частей конструкции, а также детали и заготовки, полученные наиболее рациональными методами их изготовления (прокат, штамповка, литье, поковки и т.д.)
Одним из самых главных и наиболее эффективных направлений развития сварочного производства является комплексная механизация и автоматизация производственных процессов. Специфической особенностью сварочного производства является диспропорция между объемами основных и вспомогательных операций: собственно сварочные операции по своей трудоемкости составляют всего 25 — 30% общего объема сборочно-сварочных работ, остальные 70 — 75% — это сборочные, транспортные и вспомогательные работы, механизация и автоматизация которых осуществляется с помощью механического сварочного оборудования и технологической оснастки. Качество сварных соединений, надежность конструкции и затраты на изготовление в значительной степени определяются технологическим процессом.
Основной задачей данного проекта является модернизация базового технологического процесса изготовления выхлопного патрубка улиты с целью повышения эффективности его производства.
1 Описание изделия
Данной сварной конструкцией является – корпус парогенератора. Применяется на гидроэлектростанциях. Сварное соединение №2 – одностороннее стыковое, обечаек (2,7) диаметром 4000 мм и полусфер (1,8). Шов – круговой. Материал изделия – сталь Х17Н2
Корпус парогенератора состоит из двух фланцев (4,5), четырех обечаек (2,3,6,7) и двух полусфер (1,8). Фланцы (4,5) свариваются швом №1 по замкнутому контуру, обечайки (2,3,6,7), полусферы (1,8), фланец (45) свариваются шестью швами №2 по замкнутому контуру.
/>
Рисунок 1 – Корпус парогенератора
2 Характеристика материала изделия и его свариваемости
Сталь Х17Н2 – сталь коррозионно-стойкая, жаропрочная мартенситно-ферритного класса химический состав ее приведен в таблице 1, механические свойства приведены в таблице 2.
Стали мартенситно-ферритного класса содержат в структуре кроме мартенсита 10–25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях — Cr (11–13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков.
Таблица 1. Химический состав стали Х17Н2 [4] ГОСТ 5632-72
Марка стали
Легирующие элементы, %
C
Cr
Ni
Ti
Si
Mn
S
Р
Cu
Х17Н2
0,11-0,17
16-18
1,5-2,5
≤0,2
≤0,80
≤0,80
≤0,025
0,030
≤0,30
Эти стали изготовляют в виде сортового проката и применяют в турбостроении для лопаток и дисков турбин, а также для крепежных деталей.
Таблица 2. Механические свойства стали Х17Н2 [4] ГОСТ 5632-72
Сталь
Состояние материала
Темпер. испыт.°С
/>,%
/>
/>
/>
HB
МПа
%
12Х17Г9АН4
Нагрев на 975 – 1040°С, охлаждение в масле, отпуск при °С, охлаждение на воздухе
20
30
1100
850
10
286
Стали мартенситного класса в условиях сварочного термического цикла в участках зоны термического влияния (а также и в металле шва, если он подобен по составу свариваемому металлу) закаливаются на мартенсит. Высокая твердость и низкая деформационная способность металла с мартенситной структурой в результате деформаций, сопровождающих сварку, а также длительного воздействия высоких остаточных и структурных напряжений, всегда имеющихся в сварных соединениях в исходном состоянии после сварки, приводят к возможности образования холодных трещин. Они, как правило, образуются на последней стадии непрерывного охлаждения (обычно при температурах 100° С и более низких) или при выдержке металла при комнатных температурах. Водород, находящийся в металле сварного соединения и диффундирующий в него даже при низких температурах, значительно способствует образованию холодных трещин.
Крупнозернистый металл швов и в зоне термического влияния более склонен к образованию трещин, чем мелкозернистый. Поэтому модифицирование металла швов,. предупреждающее рост зерна (например, титаном), и применение более жестких режимов (с меньшей погонной энергией) являются мерами, уменьшающими вероятность образования трещин [7].
Термообработка сварных соединений после сварки влияет не только на механические свойства, но и ряд специальных свойств — коррозионную стойкость, жаропрочность и др. Так, например, контактирование закаленного металла шва и зоны термического влияния с незакаленным (отпущенным) основным металлом приводит к появлению избирательной коррозии металла закаленной зоны в сварных соединениях из стали Х17Н2.
Хромистые мартенситно-ферритные стали обладают некоторой склонностью к межкристаллитной коррозии (м. к. к.). Особо высокую склонность к м. к. к. они приобретают после быстрого охлаждения с высоких температур. Для восстановления стойкости против МКК возможно применение высокого отпуска, после сварки при 680-700 С в течение 30-60 мин.
Применение видов сварки, обеспечивающих получение наплавленного металла с аустенитно-ферритной структурой, для получения соединений хромистых сталей мартенситно-ферритного классов, как правило, не обеспечивает равнопрочности сварных соединений и может быть рекомендовано только для условий работы при статической нагрузке с не очень большими напряжениями [5].
Для стали Х17Н2 мартенситно-ферритного класса применяются следующие способы сварки:
– ручная дуговая сварка покрытыми электродами
– в защитных газах (углекислый газ).
– Электрошлаковая сварка
Наибольшее распространение имеют сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие получение аустенитного наплавленного металла электроды типа ЭА-898/21 и АНВ-2 (ОК 61.41) ГОСТ 10052-75 при РД с марками проволоки электродного стержня Св-08Х19Н10Б и Св-08Х18Н2ГТ применяется электродные проволоки Св-08Х18Н2ГТ и Св-08Х14ГНТ ГОСТ 2246-70. Используются флюсы плавленые для сварки и наплавки АН-17, АН-18 ГОСТ 9087-81 [1]
Сварные соединения мартенситно–ферритных сталей должны быть подвергнуты термическому отпуску для «смягчения» структур закалки и снятия остаточных напряжений.
--PAGE_BREAK--3 Выбор способов сварки
Сталь Х17Н2 – сталь мартенситно-ферритного класса. Относится она к трудносвариваемым материалам.
Для стали Х17Н2 вести анализ будем рассматривая следующие способы сварки плавлением:
– ручная дуговая сварка покрытыми электродами (РД);
– Автоматическая сварка плавящимся электродом в среде активных газов и смесях (АПГ);
– Электрошлаковая сварка (ЭШ).
Так как производство мелкосерийное, то отдаем предпочтение ручной сварке.
3.1 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами (РД)
Применение:
Этот вид сварки является очень маневренным, он позволяет воздействовать, через электродный стержень и покрытие, на химический состав металла шва в сторону его улучшения (корректирования) для повышения жаропрочности, а также технологической прочности (повышение сопротивляемости образования горячих трещин).
Толщины:
Сварка покрытыми электродами выполняется при толщине листов > 4 мм. Металл толщиной ≥ 10 мм предварительно подогревают. Температуру предварительного подогрева выбирают в зависимости от толщины металла в интервале 100-400 ºС.
Преимущества:
— простое и надежное оборудование, маленькие затраты на приобретение и эксплуатацию;
— возможность изготовления швов практически любой сложности.
Недостатки:
— внутренняя пористость сварных швов;
— необходимость в подготовке высококвалифицированного рабочего, соответственно дорогое обучение и затраты.
Вывод:
Дуговая сварка покрытыми электродами подходит. Но при толщинах металла > 70 мм необходим нагрев металла до больших температур, что будет проблематично при данных размерах конструкции. Также будет необходимо большое число проходов.
3.2 Автоматическая сварка плавящимся электродом в среде активных газах и смесях (АПГ)
Применение:
Практически все отрасли машиностроения. В строительстве на монтаже крупногабаритных конструкций, автоматическая сварка поворотных стыков трубопроводов большого диаметра и толщины стенок (до 100 мм).
Толщины:
Для металла < 5 мм не удается добиться устойчивого горения дуги при мелкокапельном струйном переносе металла. За один проход можно сварить металл толщиной до 8 мм .
Преимущества:
— хорошее перемешивание ванны,
— высокая производительность, особенно при сварке металла больших толщин;
— возможность визуального контроля горения дуги и формирования шва;
— достаточно высокий КПД процесса в сравнении со сваркой неплавящимся электродом;
— высокая универсальность, сопоставимая с ручной сваркой покрытыми электродами;
— высокая производительность наплавки металла;
— практическое исключение в сварном шве неметаллических вкраплений, так как защита только газовая.
Недостатки:
— дорогое вспомогательное оборудование в сравнении с РД;
— значительный уровень разбрызгивания электродного металла, если не использовать дорогостоящее оборудование с программным управлением каплепереноса металла;
— дорогостоящее современное оборудование (полуавтоматы, автоматы).
Вывод:
Данный вид сварки подходит, так как:
1 – возможность сварки больших толщин;
2 – подходит для сварки громоздких конструкций. Является универсальным и подходящим, непосредственно для данного изделия.
3.3 Электрошлаковая сварка (ЭШ)
Применение:
Для сварки малых толщин и для электрошлакового переплава используется однофазная сеть, в остальных случаях – трехфазная. Преимущественно ЭШ применяется для сварки больших толщин. Тяжелое машиностроение, энергомашинострение (изготовление станин прессов, прокатных станов, валов газовых турбин электростанций, лопастей гидротурбин, корпусов).
Толщины:
Экономически выгодно применять ЭШ при толщине металла более 30 мм (возможность сваривать толщины более 100 мм).
Преимущества:
– высокой устойчивостью процесса (мало зависящей от рода тока) и нечувствительностью к кратковременным изменениям тока и даже его прерыванию;
– высокой производительностью;
– значительной экономичностью процесса (на плавление равного количества электродного металла электроэнергии затрачивается на 15–20% меньше, чем при дуговой сварке);
– исключением необходимости подготовки свариваемой или наплавляемой поверхности;
– высокой защитой сварочной ванны от воздуха;
– возможностью получения за один проход наплавленной поверхности теоретически любой толщины;
– возможностью наплавки без особых затруднений из чугуна, цветных металлов и сплавов и других трудносвариваемых материалов.
Недостатки:
– громоздкое и дорогое оборудование;
– необходимость изготовления технологической оснастки, формирующей шов;
– нижний диапазон толщин, начиная с 25 мм;
– необратимые изменения в структуре металла, снижение прочности и пластичности околошовной зоны, вследствие длительного пребывания металла при высоких температурах (1200-1250ºС).
– возможность формирования наплавленных поверхностей только в вертикальном положении;
– недопустимость прерывания процесса до окончании сварки.
Вывод:
Электрошлаковая сварка является подходящим способом для данного изделия, так как обеспечивается сварка большой толщины. Процесс высокопроизводителен, но дорогостоящий.
Рассмотренные методы сварки являются практически единственно – возможными для сварки стали Х17Н2.
4 Выбор режимов обработки
4.1 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами (РД)
Режимы дуговой сварки представляют собой совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварочного процесса. Правильно выбранные и поддерживаемые на протяжении всего процесса сварки параметры являются залогом качественного сварного соединения. Условно параметры можно разделить на основные и дополнительные.
Основные параметры режима дуговой сварки:
– диаметр электрода,
– величина, род и полярность тока,
– напряжение на дуге,
– скорость сварки,
– число проходов.
Ориентировочные режимы ручной дуговой сварки покрытым электродом корпуса парогенератора из стали Х17Н2 приведены в таблице 2.
Таблица 2. Основные параметры режима сварки РД корпуса парогенератора из стали Х17Н2 [7]:
Ток, А
170 – 350
Род тока
продолжение--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--
10 ÷ 30
Масса, кг:
375
Габаритные размеры, мм:
470×365×430
Вращатель роликовый TR-135KB (рисунок 6)
Цена:450 000 руб
Требования к источникам питания для ЭШС менее жестки, чем для дуговой сварке. Источники питания, применяемые для дуговой сварки, годятся и для ЭШС. Однако более стабильный процесс можно получить с помощью специализированных источников питания с низким напряжением холостого хода, жесткой или пологопадающей внешней характеристикой. Для ЭШС используют, как правило, трансформаторы.
Трансформатор ТДФЖ-2002 (рисунок 8)
Цена 128 500 руб.
/>
Рисунок 9 – внешний вид трансформатора ТДФЖ-2002
Трансформатор предназначен для автоматической дуговой сварки под слоем флюса на переменном токе углеродистых и низколегированных сталей, а так же для ЭШС. Имеет три ступени регулирования сварочного тока. Плавное регулирование сварочного тока в пределах одной ступени переключения и включение на сварку может осуществляться местно или дистанционно. Трансформатор может работать в составе автоматизированных сварочных линий. Принудительное воздушное охлаждение (встроенный вентилятор). Термозащита от перегрева трансформатора. Класс изоляции Н.
Технические данные трансформатора приведены в таблице 11.
Таблица 12. Технические характеристики трансформатора ТДФЖ-2002 [6]
Напряжение питающей сети, В
380
Частота питающей сети, Гц
50
Номинальный сварочный ток (ПВ, %), А
2000(100)
Пределы регулирования сварочного тока, А
600…2200
Количество ступеней регулирования тока
Плавно 3
Напряжение холостого хода, В, не более
120
Пределы регулирования рабочего напряжения, В
30-60
Масса, кг:
850
Габаритные размеры, мм:
1370×760×1220
Максимальная потребляемая мощность, кВА
240
Вспомогательные материалы:
Флюс АН-17;
Цена: 43 руб/кг.
Электродная проволока:
Св-08Х14ГНТ по ГОСТ 2246-70 ;
Цена: 97,600 руб/кг.
Заключение
В курсовой работе проанализированы технические возможности способов сварки плавлением изделия из заданного материала (Х17Н2) и с заданной геометрией свариваемой поверхности (кольцевой шов корпуса парогенератора).
Выбраны технологические рекомендации по сварке плавлением и рекомендуемые диапазоны изменения всех необходимых параметров для данной толщины (105 мм).
Определены рациональные марки основного и вспомогательного оборудования, обеспечивающего требуемые параметры процесса; выполнено экономическое сравнение вариантов технологии сварки плавлением и выбран наиболее экономичный вариант автоматической сварки плавящимся электродом в среде активных газах и смесях (АПГ) для данного производства (единичное).
Список использованной литературы
Акулов А.И., Бельчук Г.А. Технология и оборудование сварки плавлением. — М.: «Машиностроение», 1977г. — 432 с.
Груздев Б.Л., Методические указания по оформлению технологической документации при курсовом и дипломном проектировании – Уфа: УГАТУ, 2005г. – 39 с.
Б.Л. Груздев, В.М. Бычков., Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Производство сварных конструкций» – Уфа, УГАТУ, 2002г. – 34 с.
Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. – М.: Машиностроение, 1989г. – 640 с.
Масленков С. Б., Масленкова Е.А., Стали и сплавы для высоких температур. Справ. Изд. В 2-х кн. – М.: Металлургия, 1991г., 383с.
Милютин В.С., Коротков В.А. Источники питания для сварки. – Челябинск: Металлургия Урала, 1999г. – 366с.
Сварка и свариваемые материалы. Справочник. В 3-х т., Т 1/ Под ред. Э.Л.Макарова. – М.: Металлургия, 1991г. – 528 с.