Разработка технологии ручной дуговой сварки стали 30ХГСА

Введение

Сварочная техника и технология занимает одно из ведущих мест в современном производстве. При помощи спецпроцесса «сварка» соединяются различные детали и их узлы разной сложности и конструкции. Свариваемые детали выполнены из самых различных материалов. Материалы изделий могут быть как из одного металла, так и из разнородных материалов.

Сварка начинает свою историю с 1881 года, русский ученый Бенардос предложил частично расплавлять и сваривать металл с помощью электрической дуги. В 1888 году русский ученый Славянов предложил использовать вместо угольного электрода металлический, а уже 1907 году шведский ученый Кельберг предложил применять для сварки, покрытые металлические электроды. С каждым годом ученые разных стран развивали и делали открытия в сфере сварки. Это было связано с тем, что сварка – это самый прогрессивный метод производства сварных конструкций, высокопроизводительный, с хорошим качеством конструкции, а также помогает изготовить сложные конструкции с меньшими затратами, по сравнению с такими операциями литьем, гибкой, штамповкой.

Большой вклад в освоении технологии сварочного производства внесли такие академики как: В.В. Петрову, Н.Г. Славянову, Е.О. Патону.

Сварка во многих случаях заменила такие трудоемкие процессы изготовления конструкций, как клёпка, литье, соединение на резьбе и ковка.

Преимущества сварки

• экономия металла – 10…30% и более в зависимости от сложности конструкции;
• уменьшения трудоемкости работ, сокращение сроков изготовления конструкции и уменьшения ее стоимости;
• удешевления оборудования и технологической оснастки;
• возможность использования наплавки для восстановления изношенных деталей;
• герметичность сварных соединений выше, чем клепаных или резьбовых;
• уменьшения производственного шума и улучшения условий труда рабочих.

В выпускной квалификационной работе предлагается разработать технологию сварки пластин толщиной 4мм и длинной 2м из стали 30ХГСА, расположенных в стык и сваренных ручной дуговой сваркой в нижнем положении.

Сталь 30ХГСА разрабатывалась учеными Советского Союза для применения в отрасли авиационной промышленности. Системы управления, включая педали и другие механизмы самолетов, изготавливаемых после 50-х годов прошлого века, были сделаны исключительно из указанного сплава. Сталь 30ХГСА характеристики имела хорошие, что позволило существенно расширить область ее применения. Массово начали применять данный состав в машиностроении и при производстве станков. В настоящее время сталь 30ХГСА применяется для изготовления валов, осей, зубчатых колес, фланцев, корпусов обшивки, лопаток компрессорных машин, работающих при температуре до 200 °С, рычагов, толкателей, ответственных сварных конструкций, детали работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, детали работающие при низких температурах.

Эскиз сварочного соединения

В соответствии с ГОСТ 5264-80-С5 «Ручная дуговая сварка» при толщине деталей 4мм эскиз изображен на Рис.1.1.

Рис.1.1 Эскиз сварного соединения ГОСТ 5264-80-С5

Расчет параметров режимов сварки

В данной курсовой работе применяется ручная дуговая сварка покрытым электродом. В соответствии с таблицей №2.1 выбираем диаметр электрода в зависимости от толщины свариваемого металла.

Толщина металла, мм	2	3-5	5-10	10-20
Ручная дуговая сварка	2,5	3,0-4,0	4,0-5,0	5,0-6,0
Полуавтоматическая сварка	0,8-1,0	1,2	1,2-1,6	1,6
Автоматическая сварка в среде защитного газа	1,0	1,2-2,0	1,6-2,0	3,0-4,0
Автоматическая сварка под флюсом	—	2,0-3,0	3,0-4,0	4,0-5,0

Принимаем dэ=3,0 мм.

Сварочный ток определяем по формуле: j=13 А/мм2 — плотность тока на электроде таблице 2.2.

Таблица 2.2.

Напряжение определяется по формуле:

Fн- площадь поперечного сечения наплавленного металла за один проход, см3. Коэффициент наплавки ручной дуговой сваркой покрытым штучным электродом составляет αн=(8-10) г/(А*ч). Площадь наплавленного металла зависит от типа сварного соединения. Для угловых и тавровых швов (рис.4.1) она определяется как площадь треугольника, умноженного на коэффициент α учитывающий форму шва. Для определения площади сечения наплавленного металла, можно изобразить сечение шва на миллиметровой бумаге (рис.4.1.).

Рис.4.1 Сечение сварного соединения (Fн=11,5мм2, Fо=5мм2)

Расчет нормы времени на выполнение сварочной операции

Общее время на выполнение сварочной операции tсв состоит из нескольких компонентов и определяется по формуле: tсв= tп.з. +tв +tо +tобс +tп

tсв=0,96+0,096+0,036+0,185+0,27+0,06=1,607 час

где, tп.з.- подготовительно-заключительное время; tо – основное время; tв – вспомогательное время; tобс – время на обслуживание рабочего места; tп- время перерывов на отдых и личные надобности.

где, М н.п. — масса наплавленного металла. М н.п.=Fн.Lш.=0,115*7,8*200=178 гр.

где, Fн — площадь наплавленного металла; — плотность металла; L ш =2м — длина шва (т.к. сварочный шов сплошной).

tп.з.=10 % * tо=0,96*0,1=0,096 час

где tэ — время на смену одного электрода; Vэ — объем одного электрода; V = (d2 /4) Lэл =4396 мм3=4,4 см3; Lэл=350 мм, d=4мм; Fн.Lш — объем наплавленного металла.

Время зачистки кромок или шва tкр.(tбр) вычисляют по формуле tкр(tбр)=Lш(0,6+1,2(nс-1)), tкр(tбр)=2(0,6+1,2(2-1))=3,6мин= где, nс — количество слоев при сварке за несколько проходов; Lш — длина шва, м

Время на установку клейма принимают 0,03 мин на один знак. Время на установку, поворот и снятие изделия зависит от его массы. При массе изделия до 15 кг эти операции выполняются вручную. В курсовой работе это время можно принять равным tизд=3 мин.

Время на обслуживание рабочего места включает в себя время на установку режима сварки, наладку полуавтомата или автомата, уборку флюса, инструмента и т.д. Для ручной сварки: tобс=0,05*tо=0,185 час

Время перерывов на отдых и личные надобности зависит от положения, в котором сварщик выполняет работы. При сварке в удобном положении: tn=0,07*tо=0,27 час

Определения химсостава и структуры стали в исходном состоянии

В качестве основного металла применяется сталь 30ХГСА. Эта сталь относится к конструкционным высокопрочным высоколегированным. Химический состав представлен в таблице 4.1.

C	S	P	Mn	Cr	Cu	Si	Ni	Fe
0,28-0,34	≤0,025	≤0,025	0,8-1,10	0,8-1,1	До 0,3	0,90-1,20	До 0,3	Ост.

По ТУ 14-1-1083-74 суммарное содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%.

Определение структуры стали осуществляется по эквиваленту углерода. Для этого первоначально для стали рассчитываются эквивалентные значения хрома и никеля:

Т.к. эквивалент углерода больше 0,3, то можно утверждать, что при сварке 30ХГСА предварительный подогрев требуется в пределах 200-300°.

Технологические особенности сварки деталей данного структурного класса

Сварка данной стали требует предварительного подогрева до температуры 200-300⁰С. Свариваемость 30ХГСА ограниченная.

Хром снижает растворимость углерода, вступая с ним в реакцию и образую карбиды. При охлаждении сварочного шва на его границах образуется дельта-феррит, резко снижая пластичность зоны термического влияния.

Т.к. содержание углерода превышает 0,2% требуется предварительный подогрев до 250⁰С. После сварки требуется высокотемпературный отпуск 500-600⁰С.

Выбор сварочных материалов

Т.к. сварку стали 30ХГСА производят ручной дуговой сваркой покрытым электродом, то в качестве электрода необходимо использовать электроды Э85 ГОСТ 9467-75. К данному типу относятся электроды УОНИ-13/85 диаметром 4мм ГОСТ 9467-75.

Сварку УОНИ-13/85 производят только на короткой и предельно короткой длине дуги по очищенным кромкам. Перед сваркой необходима прокалка электродов при температуре 250-300°С в течении 1 часа.

Химический состав электродов УОНИ 13/85 представлен в таблице №6.1.

C	Mn	Si	Mo	S	P	Fe
0,12	1,9	0,75	0,65	0,017	0,027	Ост.

Расчет расхода сварочных материалов

Сварной шов состоит из наплавленного металлов, которые в процессе сварки перемешиваются, образуя общую ванну. При этом в сварочную ванну попадают химические элементы из основного металла в количестве, пропорциональном доли в основном металле шва Ɵо, и из проволоки в количестве, пропорциональном доли наплавленного металла в металле шва Ɵн.

где, — площадь основного металла в металле шва; — площадь наплавленного металла в металле шва; — площадь шва;

где, e –ширина шва; q — высота валика или выпуклости; H – высота шва. Высота углового шва Y=g+a, где h приблизительно равна глубине проплавления.

Расчет расхода сварочной проволоки для ручной дуговой сварки

, где — коэффициент потерь. Для ручной дуговой сварки с учетом потерь электродов на огарки (20%). Для ручной дуговой сварки мы определил только вес одних стержней. Для определения полного веса электродов необходимо учитывать вес покрытия:

, где — коэффициент веса покрытия.

Расчет химсостава сварочного шва и определение его структуры

Сварной шов состоит из основного и наплавленного металлов, которые в процесс сварки перемешиваются, образуя общую сварочную ванну. При этом в сварочную ванну попадают химические элементы из основного металлав количестве, пропорциональном доли основного металла в металле шва Ɵо, и из проволоки в количестве, пропорциональном доли наплавленного металла в металле шва Ɵн.

В соответствии с пунктом №2: Fн=5мм2, Fо=4мм2, Fш=9мм2.

После вычисления Ɵо и Ɵн необходимо рассчитать химический состав шва. Содержание каждого элемента вычисляется по формуле: Эш = Ɵо*Эо + Ɵн*Эпр, где Эо – содержание элементов в стали; Эпр – содержание элементов в проволоке.

После расчета химсостава по диаграмме Шефлера определяем его структуру. Т.к. эквивалент углерода шва больше 0,3 то можно утверждать, что сварочный шов детали из 30ХГСА при сварке электродами УОНИ-13/85 склонен к образованию холодных трещин, что говорит о необходимости последующего отпуска при температуре 500-550° на протяжении 3 часов.