Проектирование свариваемой конструкции

В легированных сталях доля влияния каждого легирующего элемента на свариваемость может быть отнесена к доле влияния углерода. Ориентировочным количественным показателем свариваемости легированной стали известного химического состава является эквивалентное содержание углерода, которое определяется по формуле Международного института сварки:

где С – содержание углерода в процентах;

Mn – содержание марганца в процентах;

Cr – содержание хрома в процентах;

Mo – содержание модибдена в процентах;

V – содержание ванадия в процентах;

Ni – содержание никеля в процентах;

Cu – содержание меди в процентах.

Считают, что если Сэ<0,4 %, то трещины в около шовной зоне не возникают; при Сэ = 0,4…0,7 % необходим предварительный подогрев; если

 

Сэ=0,7...1 % — предварительный и сопутствующий подогрев. При Сэ более 1 % сталь не сваривается обычными методами сварки плавлением.

следовательно, необходим предварительный подогрев, так как данная сталь потенциально склонна к образованию трещин.

Сэ является обобщенным параметром состава стали, характеризующим ее прокаливаемость. При Сэкв ≥ 0,40 % при сварке становится возможным образование закалочных структур в металле сварного соединения, что при условии насыщения металла водородом и высоких сварочных напряжений может привести к образованию холодных трещин. Значение Сэкв вне связи с этими условиями не может служить показателем сопротивляемости сварного соединения трещинам.

Горячие трещины образуют, прежде всего, сера, затем углерод, фосфор, кремний, медь, никель (при содержании 2,5...4,5 %), а также примеси металлов с низкой температурой плавления (свинец, олово, цинк). А марганец, кислород, титан, хром и особенно ванадий повышают стойкость швов против трещин и нейтрализуют действие серы.

Образование горячих трещин можно предупредить путем уменьшения числа и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки, кромок, устранения излишней жесткости, предварительного подогрева, применения плазменной дуги, импульсной сварки, устранения концентраторов, вызванных формой швов.

Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рационального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Холодные трещины чаще всего возникают из-за закаливаемости стали при быстром охлаждении и насыщении металла шва и зоны термического влияния водородом. Они, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после сварки и наплавки и развиваются в течение нескольких часов или даже суток.

 

Для оценки склонности металла к появлению холодных трещин чаще всего используется углеродный эквивалент, для его расчета существует ряд формул, составленных по различным методикам, которые позволяют оценить влияние химического состава низколегированных сталей на их свариваемость.

Каждая из этих формул приемлема лишь для определенной группы сталей. Так как сталь 20ХГСА является низколегированной конструкционной сталью перлитного класса, то расчеты химического углеродного эквивалента будем выполняють по формуле Сефериана:

 

Где где С – содержание углерода в процентах;

Mn – содержание марганца в процентах;

Cr – содеражние хрома в процентах;

Mo – содержание модибдена в процентах;

Ni – содержание никеля в процентах;

По свариваемости стали условно делят на четыре группы: хорошо сваривающиеся, удовлетворительно сваривающиеся, ограниченно сваривающиеся, плохо сваривающиеся (Таблица 4.1).

 

 

 

Таблица 4.1- Классификация сталей по свариваемости

Группа сталей	Свариваемость	Эквивалент Сэ, %	Технологические меры
			подогрев		термообработка
			перед сваркой	во время сварки	перед сваркой	после сварки
1	Хорошая	< 0,2	-	-	-	Желат.
2	Удовлетворит.	0,2 - 0,35	Необх.	-	Желат.	Необх.
3	Ограниченная	0,35 - 0,45	Необх.	Желат.	Необх.	Необх.
4	Плохая	> 0,45	Необх.	Необх.	Необх.	Необх.

 

 

Согласно таблице 4.1 данная сталь 20ХГСА относится ко второй группе (Сэ = 0,2-0,35). Для получения сварных соединений с хорошим качеством требуется строгое соблюдение режимов сварки, применение специального присадочного металла, особо тщательной очистки свариваемых кромок и нормальные температурные условия. При сварке данной стали в нормальных условиях производства трещин не образуется, но для предупреждения образования трещин необходимо предварительно нагревать до 100 – 150° С с и подвергать последующей термообработке.

Термообработка до сварки различная и зависит от марки стали и конструкции детали. Детали машин из проката или поковок, не имеющих жестких контуров, можно сваривать в термически обработанном состоянии (закалка и отпуск). Сварка при температуре окружающей среды ниже 0°С не рекомендуется. Сварку деталей с большим объемом наплавляемого металла рекомендуется проводить с промежуточной термообработкой (отжиг или высокий отпуск).

 

5 Разработка технологической схемы и сборки сварки

Технологическая схема и сборка сварки изделия представлена на   рисунке 5.1.

Для правильной организации сварочного процесса на производстве, в обязательном порядке составляется технологическая карта сварки, включающая в свой состав все необходимые параметры и используемые материалы, а также требования, предъявляемые к качеству работ.

Технологическая карта — это стандартизированный документ, содержащий необходимые сведения, инструкции для персонала, выполняющего некий технологический процесс или техническое обслуживание объекта.

Технологическая карта (ТК) должна отвечать на вопросы:

1. Какие операции необходимо выполнять
2. В какой последовательности выполняются операции
3. С какой периодичностью необходимо выполнять операции (при повторении операции более одного раза)
4. Сколько уходит времени на выполнение каждой операции
5. Результат выполнения каждой операции
6. Какие необходимы инструменты и материалы для выполнения операции.

Технологические карты разрабатываются в случае:

1. Высокой сложности выполняемых операций;
2. Наличие спорных элементов в операциях, неоднозначностей;
3. При необходимости определения трудозатрат на эксплуатацию объекта.

Как правило, ТК составляется для каждого объекта отдельно и оформляется в виде таблицы. В одной ТК могут быть учтены различные, но схожие модели объектов. Технологическая карта составляется техническими службами предприятия и утверждается руководителем предприятия (главным инженером, главным агрономом).

Все работы, указанные в технологической карте на сварочные работы выполняются с использованием аттестованных технологий, причем

 

производитель работ должен гарантировать, что технология исполнения каждого шва гарантируется.

Рисунок 5.1 – Технологическая схема сборки и сварки

 

 

6 Выбор типа сварки, сварочного материала и оборудования для сварки

Хромокремнемарганцевые стали (хромансиль) обладают большой прочностью, упругостью и хорошо выдерживают вибрационные и ударные нагрузки. Содержание углерода в сталях: 20ХГСА 0,17-0,23. В термообработанном состоянии они имеют предел прочности 800 МН/м2 (80 кгс/мм2), относительное удлинение 10%,  ударную вязкость 0,6 МДж/м2 (6 кгс•м/см2).

При сварке этих сталей хром и кремний частично выгорают, что может привести к появлению в шве включений окислов и непровара. В качестве присадочной проволоки используют низкоуглеродистую проволоку Св-08 и Св-08А или легированную Св-8ХГСА и Св-18ХМА.

Необходима тщательная зачистка и подгонка кромок, а также точное соблюдение зазора между ними, который должен быть одинаковым по всей длине шва, что проверяют шаблоном. Сварку ведут в один слой.

Возможны соединения встык, тавровые, угловые, реже - внахлестку. Отношение толщин свариваемых металлов соединяемых элементов не должно превышать при стыковых соединениях 1:2, при соединениях втавр и внахлестку 1:6.

Изделия, сваренные из стали 25ХГС и 30ХГС, нагревают до температуры 650 —680° С с выдержкой в течение 1 ч на каждые 25 мм толщины и охлаждают на воздухе или в горячей воде. Если изделия из такой стали сварены аустенитовыми электродами, то термической обработке их можно не подвергать.

Дуговая сварка в защитных газах имеет высокую производительность, легко поддается автоматизации и позволяет выполнять соединение металлов без применения электродных покрытий и флюсов. Этот способ сварки нашел широкое применение при изготовлении конструкций из сталей, цветных металлов и их сплавов.

Дуговая сварка в защитных газах может быть выполнена плавящимся и неплавящимся (вольфрамовым) электродами.

Для защиты зоны сварки используют инертные газы гелий и аргон, а иногда активные газы — азот, водород и углекислый газ. Применяют также смеси отдельных газов в различных пропорциях. Такая газовая защита оттесняет от зоны сварки окружающий воздух. При сварке в монтажных условиях или в условиях,

 

когда возможно сдувание газовой защиты, используют дополнительные защитные устройства.

Эффективность газовой защиты зоны сварки зависит от типа свариваемого соединения и скорости сварки. На защиту влияет также размер сопла, расход защитного газа и расстояние от сопла до изделия (оно должно быть 5— 40 мм).

Преимущества сварки в защитных газах следующие:

1. нет необходимости применять флюсы или покрытия, следовательно, не требуется очищать швы от шлака;
2. высокая производительность и степень концентрации тепла источника позволяют значительно сократить зону структурных превращений;
3. незначительное взаимодействие металла шва с кислородом и азотом воздуха;
4. простота наблюдения за процессом сварки;
5. возможность механизации и автоматизации процессов.

При сварке плавящимся электродом дуга горит между изделием и расплавляемой сварочной проволокой, подаваемой в зону сварки. По сварке неплавящимся электродом (вольфрамовые прутки) сварочная дуга может быть прямого или косвенного действия. Разновидностью сварочной дуги косвенного действия может быть дуга, горящая между вольфрамом, и беспрерывно подаваемой в зону дуги сварочной проволокой.

Аргонодуговую сварку применяют для соединения легированных сталей, цветных металлов и их сплавов, ее выполняют постоянным и переменным током плавящимся и неплавящимся электродами. 

Аргонодуговая сварка также подходит для различных сплавов. Присадочный материал выбирается близкий по составу к металлу, из которого изготовлена деталь.

Шов, получившийся после дуговой сварки с аргоном, представляет собой единое целое со свариваемыми деталями, что позволяет обеспечить прочность, герметичность, и долговечность будущего изделия.

 

 

Проанализировав все достоинства и недостатки различных сварочных аппаратов, и в виду большой серийности выпускаемой продукции выбираем сварочный полуавтомат инверторного типа.

Полуавтоматическая сварка являются одной из самых современных технологий дуговой сварки, идеально подходящей для производства. Полуавтоматы получили широкое распространение в промышленности. Этому способствует широкая функциональность оборудования, высокое качество сварки и простота эксплуатации. Сварочный полуавтомат очень удобен для сварки тонкого металла.

Таким образом, для сварки деталей изделия используем инверторный сварочный полуавтомат BRIMA MIG-500 (Рисунок 6.1)

Рисунок 6.1 – Инверторный сварочный полуавтомат BRIMA MIG-500

Данный сварочный полуавтомат отличается своей мощностью и простотой эксплуатации. Высокий класс защиты предотвращает перегрев и замыкание, что увеличивает срок службы и делает эксплуатацию устройства безопасной. Множество регулировок позволяют настроить работу системы под нужную марку и толщину стали.

 

 

Скорость подачи проволоки регулируется от 1,5 до 16 метров в минуту. Все эти параметры позволяют сделать процесс сварки простым, быстрым и качественным.

Средняя стоимость данного аппарата 77106 рублей.

В качестве электродной проволоки выбираем Св-18ХМА ГОСТ 2246-70. Легированная стальная сварочная проволока Св-18ХМА применяется для сварки в среде защитного газа сталей типа хромансиль (20ХГСА, 30ХГСА и др.), а также для изделий, выполненных из конструкционных сталей. Используется для изготовления конструкций ответственного назначения. Широкое применение данная марка сварочной легированной проволоки нашла во многих отраслях промышленности: в машиностроении, химической отрасли, пищевой промышленности и медицине. Выпускаются следующие диаметры сварочной проволоки данной марки: 1,2, 1,6, 2, 3, 4 и 5 мм.