Проектирование подкрановой конструкции

Требования к конструктивным элементам  и геометрическим размерам сварных  швов для ручной дуговой сварки регламентируются ГОСТ 5264 - 80.

Для сварки углеродистых сталей применяют электроды типов  Э42 и Э46. Наиболее широко используют электроды типа Э46Т с рутиловым  покрытием из-за высокой технологичности  и хороших гигиенических показателей. При сварке низкоуглеродистых сталей электродами АНО-З, АНО-4, МР-1, МР-З этого типа обеспечивается следующий уровень механических свойств металла шва: σ_т≥380 МПа; σ_в≥480 МПа; δ≥25 %; ψ≥65 %; KCU≥1,5 МДж/м².

При необходимости  обеспечить наряду с другими показателями достаточную сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин рекомендуется использовать электроды с фтористокальциевым покрытием типа Э42А марки УОНИ 13/45, предназначенные для сварки на постоянном токе обратной полярности.

Конструктивные элементы подготовки кромок и размеры сварных швов для сварки под флюсом регламентируются ГОСТ 8713 - 79.

Необходимый уровень механических и технологических свойств сварных  соединений достигается при использовании  в качестве сварочных проволок Св-08, Св-08А, Св-О8ГА и Св-IОГА в сочетании с высококремнистыми флюсами АН-348-А, ОСЦ-45. При этом удается реализовать такое преимущество данного вида сварки, как возможность обеспечить получение швов с глубоким проплавлением за один проход без разделки кромок. Увеличение при этом доли участия основного металла в металле шва не снижает технологической прочности швов вследствие пониженного содержания в них углерода. Возможно применение сварки с полным проплавлением металла с формированием обратной стороны шва на флюсовой подушке или флюсомедной подкладке.

При сварке проката толщиной до З  мм применяют сварочную проволоку  диаметром З мм. При этом сила сварочного тока I=80÷150 А. двустороннюю сварку проката толщиной от 10 до 40 мм осуществляют сварочной проволокой диаметром 5 мм. С увеличением толщины свариваемого проката силу сварочного тока увеличивают от 650 до 1200 А, напряжение - от 34 - 38 до 40 - 40 В для переменного тока и от 30 - 32 до 32 - 36 В для постоянного тока (обратная полярность). Скорость сварки при этом снижают с 32 - 34 до 12 - 14 м/ч. Указанные режимы относятся к условиям сварки под флюсом на флюсовой подушке. Для увеличения производительности процесса сварки может быть использована технология сварки с дополнительным гранулированным присадочным материалом (ДГПМ).

2.4 ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА СПОСОБА СВАРКИ

Для изготовления подкрановой балки  из стали марки Ст3сп можно использовать  почти все виды сварки. Это и  сварка в среде защитных газов, и  ручная дуговая сварка, автоматическая сварка под флюсом.

Дуговая механизированная сварка под флюсом отличается от других широко применяемых способов сварки плавлением наибольшей производительностью и лучшими гигиеническими условиями труда, высоким уровнем механизации сварочных работ. В этом процессе электродная проволока плавится дугой под слоем флюса (сыпучего гранулированного вещества). Флюс как важнейшая технологическая составляющая обеспечивает ведение процесса, требуемое качество швов и применяется при сварке и наплавке под флюсом, сварке по флюсу, сварке с магнитным флюсом, а также при электрошлаковой сварке и наплавке.

Флюс влияет на устойчивость дуги, формирование и химический состав металла  шва; в значительной мере определяет стойкость швов против образования  пор и кристал4изационных трещин; от его состава зависит сила сцепления шлаковой корки с поверхностью шва. При плавлении флюса выделяются газы и пары. Наличие во флюсе оксидов щелочных и щелочноземельных металлов увеличивает электрическую проводимость и длину дугового промежутка, что повышает устойчивость процесса сварки; наличие соединений фтора, напротив, снижает эти показатели. Таким образом, флюсы обладают разными стабилизирующими свойствами в зависимости от их химического состава.

  На форму шва оказывают существенное влияние стабилизирующие свойства флюса, его насыпная масса и гранулометрический состав. Укорачивая дугу, флюс с плохими стабилизирующими свойствами приводит к формированию узких швов с большой глубиной проплавления и высоким усилением. Флюс с хорошими стабилизирующими свойствами удлиняет дугу, дает  широкие швы с малым проплавлением и небольшой высотой усиления.

 Во время сварки плавлением  происходит взаимодействие между  жидким шлаком и металлом, длительность  этого взаимодействия обычно  очень невелика и при дуговой  сварке может колебаться от  нескольких секунд до 1 мин. При ЭШС шлак и металл взаимодействуют дольше (до нескольких минут). Взаимодействие прекращается после затвердевания металла и шлака. Несмотря на кратковременность реакции, взаимодействие между шлаком и металлом при дуговой сварке, как правило, проходит очень энергично, что обусловлено высокими температурами расплавленных металла и шлака, значительными поверхностями их контакта и относительно большим количеством шлака (в среднем 30—40 % массы металла при сварке под флюсом и до 10 % массы металла при сварке по флюсу). В связи с небольшим расходом флюса при ЭШС жидкие металл и шлак взаимодействуют слабо.

Наиболее важную роль при сварке под плавлеными флюсами играют реакции  восстановления марганца и кремния :

(MnО) + [Fе] (FеО) + [Mn],

(Si0₂) + 2 [Fе] 2 (FеО) + [Si].

При снижении температуры равновесие этих реакций смещается справа налево, т. е. марганец и кремний окисляются и переходят из металла в шлак. Направление реакций зависит  также от концентрации реагирующих  веществ. Если в металле сварочной ванны содержится мало марганца и кремния, а в шлаке много MnO и SiO₂ и мало FeО, то при высоких температурах (вблизи дуги) марганец и кремний восстанавливаются из шлака в металл. Если же в металле сварочной ванны много марганца и кремния, а в шлаке нет MnO и SiO₂ или много FeO, марганец и кремний будут окисляться даже в зоне высоких температур. Переход марганца в шов тем значительнее, чем больше MnO и меньше SiO₂ содержится в сварочном флюсе (шлаке). Переход марганца из флюса в шов зависит также от степени окисленности флюса: чем она выше, т. е. чем больше содержание Mn₂O₃ во флюсе, тем переход марганца меньше. Затрудняет переход марганца и повышение содержания оксида железа во флюсе, как это следует из реакции.

В отличие от перехода марганца переход  кремния из сварочного шлака в металл обычно невелик (0,1—0,2 %); он пропорционален концентрации кремнезема в шлаке и мало зависит от степени окисленности шлака. Увеличение основности флюса снижает переход кремния из шлака в металл.

Появлению в швах пор способствует: наличие ржавчины или окалины на свариваемых поверхностях; чрезмерное увлажнение флюса и свариваемых поверхностей; загрязнение свариваемых поверхностей органическими веществами; недостаточная защита зоны сварки от воздуха (малый слой флюса, большие зазоры между свариваемыми кромками); плохие технологические свойства флюса или несоответствие флюса составу основного металла и электродной проволоки.

На удаление газов из сварочной  ванны оказывает влияние ее форма: из мелкой и широкой ванны газы удаляются легче, чем из глубокой и узкой. Увеличение скорости сварки и уменьшение сварочного тока (уменьшение погонной энергии сварки), как и понижение температуры свариваемого металла, приводит к увеличению скорости кристаллизации и повышению склонности шва к образованию пор. С увеличением напряжения (длины) дуги при сварке под флюсом повышается содержание азота и водорода в металле шва и вероятность образования в нем пор.

Чтобы водород не попадал в сварочную  ванну, кромки свариваемого металла  и поверхность сварочной проволоки тщательно очищают и высушивают, а флюс прокаливают. Главным Условием отсутствия пор в шве при сварке под флюсом является правильный выбор флюса (по химическому составу и строению зерен).

С помощью флюса водород связывают  в зоне дуги в нерастворимые в Жидком металле соединения, прежде всего HF. Основную роль при этом играют составляющие флюса CaF₂ и SiO₂. В зоне сварки протекают следующие реакции:

2CaF₂ + 3SiO₂ = SiF₄+2CaSiO₃,

SiF₄ + 2H₂O = SiO₂ + 4HF,

SiF₄ + ЗH = SiF + ЗHF,

 CaF₂ + H = CaF + HF.

Образующийся HF нерастворим в жидком металле, поэтому содержание водорода в металле шва и вероятность образования пор уменьшаются. Преимущественное значение имеют реакции, т. к. без SiO₂ во флюсе связывание водорода фтором неэффективно. Таким образом, наибольшей стойкостью против водородной пористости обладают высококремнистые флюсы.

Флюсы одинакового химического  состава, но с разным строением зерен  по-разному влияют на образование  пор в металле шва. Флюсы пемзовидного строения намного эффективнее предотвращают образование пор в шве, чем стекловидные. Объясняется это тем, что выделение газообразных фторидов, связывающих водород в зоне горения дуги, начинается до расплавления флюса (примерно с 600 “С) с поверхности зерен. Чем более развита поверхность зерен, тем больше выделяется газообразных фторидов и тем интенсивней связывается водород в сварочной ванне в нерастворимые соединения. Максимально развитую поверхность, а следовательно, и стойкость швов против образования пор имеют пемзовидные флюсы.

Влияние флюса на стойкость швов против образования кристаллизационных трещин. Изменяя содержание в металле шва углерода, серы, марганца и других элементов, флюс оказывает существенное влияние на стойкость швов против кристаллизационных трещин. Увеличение содержания углерода и серы в шве снижает, а увеличение содержания марганца повышает стойкость сварных швов против образования кристаллизационных трещин. Наиболее высокую стойкость швов против образования трещин при сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей обеспечивают высококремнистые флюсы с высоким содержанием оксидов марганца (35—40%).

Весьма вредной примесью в шве, оказывающей резко отрицательное  влияние на его стойкость против образования трещин, является сера, поэтому следует всемерно снижать  ее содержание в металле шва. Необходимо применять флюсы с возможно более низким содержанием серы и вводить в сварочную ванну элементы, препятствующие переходу серы в металл шва. Таким элементом прежде всего является марганец. Восстанавливаясь из флюса и переходя в металл сварочной ванны, он связывает серу в малорастворимое в жидком металле соединение MnS, которое в дальнейшем переходит в шлак. При содержании во флюсе 25 % MnO сера почти не переходит из флюса в металл шва. Повышение содержания марганца в металле сварочной ванны и введение в нее алюминия и титана также препятствует переходу серы из шлака в металл, тем самым повышая стойкость против образования кристаллизационных трещин.

К снижению стойкости швов против образования трещин приводит повышение  содержания в них углерода и в меньшей степени — кремния. Поэтому применение флюсов, окисляющих углерод в сварочной ванне, способствует увеличению стойкости швов против образования трещин.

Отрицательное влияние на стойкость  швов против образования трещин оказывает  и фосфор.

Легкая отделимость шлаковой корки  — необходимое условие высокой  производительности сварочных работ.

Степень прилипания шлака к поверхности  шва зависит от характера взаимодействия жидкого шлака н затвердевшего  металла. Жидкий сварочный шлак может  оказывать окисляющее действие на поверхность уже затвердевшего шва. Шлак прочно удерживается на поверхности шва тогда, когда эта поверхность окислена, а в составе шлака имеются соединения, которые могут прочно сцепляться с этой поверхностью. Такими соединениями при сварке являются оксиды алюминия, хрома и ванадия.

Механическому удержанию шлака (заклиниванию в разделке) способствуют такие дефекты  шва, как подрезы, подвороты и  т. п. Заклинивание части шлака наблюдается  при многослойной сварке в узкую  и глубокую разделку и при сварке угловых швов. Отделимость шлаковой корки от поверхности шва улучшается и при увеличении разности температурного коэффициента линейного расширения шлака и металла шва.

При изготовлении подкрановой конструкции, вследствие большой протяженности поясных швов 12 м и толщиной свариваемых кромок 14 – 36 мм, выбираем автоматическую сварку под флюсом. Тавровое, нахлесточное и угловое соединение сваривается угловыми швами. Угловой шов можно сваривать двумя способами:

- в положении «лодочки» электродом, расположенным вертикально

- в нижнем положении наклонным  электродом.

Сварка в «лодочку» вертикальным электродом требует кантовки изделия  и может производиться при  симметричном и не симметричном расположении свариваемых листов. Основной трудностью сварки угловых швов в «лодочку» является то, что жидкий металл легко протекает в зазоры. Поэтому к сборке под сварку предъявляются более жесткие требования. Наилучшее формирование шва обеспечивается при сварке в симметричную «лодочку».

Необходимый уровень механических и технологических свойств, сварных соединений достигается при использовании в качестве сварочной проволоки Св-08А  в сочетании с высококремнистым флюсом АН-348-А. При этом удается реализовать такое преимущество данного вида сварки, как возможность обеспечить получение швов с глубоким проплавлением за один проход без разделки кромок. Увеличение при этом доли участия основного металла шва, не снижает технологической прочности швов вследствие пониженного содержания в них углерода.