Проектирование сварного резервуара объемом 5000м3 и расчёт термических циклов при наплавке на сталь С345К

Для изготовления данной конструкции могут использоваться следующие виды сварки: ручная дуговая  сварка покрытым электродом, механизированная сварка в среде защитных газов, сварка под слоем флюса.

Разберём основные плюсы  и минусы выбранных видов сварки:

1)Ручная дуговая сварка  покрытым электродом.

Преимущества:

-Универсальность: сварка, наплавка, резка.

-Наличие широкой номенклатуры электродов для сварки различных материалов.

-Простота и мобильность. Производительность до Зкг/ч.

Недостатки:

-Невысокая производительность, разбрызгивание металла, плохие условия труда.

-Сварной шов не  равнопрочен основному металлу. Он имеет меньшее допускаемое напряжение, чем основной металл.

2)Сварка под слоем  флюса (автоматическая и механизированная).

Преимущества:

-Более высокое качество сварного шва. Стыковые швы, полученные этим видом сварки при работе на растяжение или сжатие равнопрочны основному металлу, т.е. сварной шов, обладаем достаточно хорошими механическими характеристиками.

-Повышенная производительность. Это достигается за счёт использования больших токов, а значит высоких плотностей токов, в связи, с чем резко увеличивается глубина проплавления и количество наплавленного металла, а также возможность сварки больших толщин за один проход без разделки кромок.

-Высокая защита флюсом металла от различных видов дефектов, например водородных, азотных пор. Формируется постоянный химический состав, а также шов с более качественной геометрией. Это уменьшает вероятность образования дефектов в шве и, в частности, горячих трещин.

-Экономичность процесса определяется снижением расхода сварочных материалов на разбрызгивание и на угар до 1-3%. Лучшее использование тепла дуги при сварке под флюсом по сравнению с ручной сваркой уменьшает расход электроэнергии на 30-40%. Повышение экономичности сварки под флюсом способствует и снижение трудоёмкости работ по разделке кромок под сварку.

-Возможность более глубокой металлургической обработки сварочной ванны, что позволяет уменьшить окисление Fе, путём его непосредственного раскисления, а также уменьшить другие дефекты в шве.

-Более комфортные  условия труда.

-Возможность выполнения  сварки за один проход при  достаточно больших толщинах  свариваемого материала, что особенно  увеличивает прочность угловых швов.

Недостатки:

-Преимущественно сварка только в нижнем положении.

-Ограниченная маневренность сварочных автоматов.

-Значительный расход флюса, равный весу расплавленной проволоки.

3)Сварка в среде  защитных газов. К особенностям дуговой сварки в защитных газах относятся:

-высокая степень концентрации дуги, обеспечивающая минимальную зону структурных превращений и относительно небольшие деформации изделия;

-высокая производительность;

-высокоэффективная защита расплавленного металла, особенно при применении в качестве защитной среды инертных газов;

-возможность наблюдения за ванной и дугой;

-низкая стоимость выполнения сварочных работ при применении в качестве защитной среды активных газов;

-возможность сварки металлов различной толщины, в пределах от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров;

-отсутствие необходимости применения флюсов или обмазок;

-широкая возможность автоматизации и механизации;

-возможность сварки в различных пространственных положениях.

Недостатки:

-необходимы меры по снижению разбрызгивания;

-этот вид сварки «боится» сквозняков, затруднена сварка на открытом воздухе;

-требуются высококвалифицированные сварщики при полуавтоматической сварке.

Проанализировав все  особенности и недостатки этих видов  сварки и с учетом того, что резервуар изготавливается методом рулонирования, выбираются следующие виды сварки: в заводских условиях и на монтаже произвести сварку соединений механизированным способом в среде защитных газов.

2.3 Выбор сварочных  материалов

К сварочным материалам в данном виде сварки относятся сварочная проволока и защитный газ. Сварочную проволоку выбираем из ГОСТ 2246-70 и EN 440-94 из легированного типа для сварки стали марки СтЗсп. К таким относятся проволоки марки Св-08Г2С и OK Autrod 12.51. Второй вариант является лучшим, так как в химическом составе меньшее содержание серы и фосфора, что повышает качество шва.

 

Таблица 10 - Химический состав Св-08Г2С, % [18]

Элемент	С	Si	Мn	Mo	Сг	Ni	S	Р
Содержание	0,05-0,11	0,70-0,95	1,80-2,10	-	<0,20	<0,25	0,025	0,030

 

Таблица 11 - Химический состав OK Autrod 12.51, % [19]

Элемент	С	Si	Мn	Mo	Сг	Ni	S	Р
Содержание	0,07-0,08	0,90-1,00	1,50-1,60	0,01	-	0,04	0,013	0,009

 

В зависимости от применяемого газа сварка разделяется на сварку в активных (СО₂, Нг, О₂, и др.) и инертных (Не, Аr, Аr+Не и др.) газах.

Наибольшее распространение  при восстановлении деталей подвижного состава получили сварка и наплавка в среде углекислого газа (СО₂ - сварка плавящимся электродом (проволокой) с защитой сварочной ванны от воздуха углекислым газом). Такой способ является самым дешевым при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Для сварки используют углекислый газ высшего сорта по ГОСТ 8050-85.

Выбранные сварочные  материалы для сварки:

-углекислый газ высшего сорта ГОСТ 8050-85;

-сварочная проволока OK Autrod 12.51.

2.4 Выбор основных параметров  режима сварки

При механизированной сварке в среде защитных газов к параметрам режима относятся сила сварочного тока I_св, напряжение U, скорость подачи проволоки, скорость сварки V_св, род тока, полярность и др.

При выборе диаметра электрода  для сварки можно использовать ориентировочные  данные, представленные в таблице 12.

 

Таблица 12 – Соотношение толщины листа и диаметра электрода

Толщина листа, мм	1-2	3-6	6-24 и более
Диаметр электродной проволоки dэ, мм	0,8-1,0	1,2-1,6	2,0

 

Расчет сварного тока, А, при сварке проволокой сплошного  сечения производится по формуле:

                                                                                                                         (36)

где а - плотность тока в электродной проволоке, А/мм (при  сварке в СО₂ а=110 - 130 А/мм2; dэ - диаметр электродной проволоки, мм.

Механизированные способы  сварки позволяют применять значительно  большие плотности тока по сравнению с ручной сваркой. Это объясняется меньшей длиной вылета электрода.

Напряжение дуги и  расход углекислого газа выбираются в зависимости от силы сварочного тока по таблице 13.

 

Таблица 13 – Основные режимы сварки [22, табл.5]

Толщина металла, мм	Диаметр сварочной проволоки, мм	Сила тока, А	Напряжение дуги, В	Скорость подачи проволоки, м/ч	Расход защитного газа, л/мин	Вылет электрода, мм
1,5	0,8 – 1,0	95 – 125	19 – 20	150 – 220	6 – 7	6 – 10
1,5	1,2	130 – 150	20 – 21	150 – 200	6 – 7	10 – 13
2,0	1,2	130 – 170	21 – 21,5	150 – 250	6 – 7	10 – 13
3,0	1,2 – 1,4	200 – 300	22 – 25	380 – 490	8 – 11	10 – 13
4,0 – 5,0	1,2 – 1,6	200 – 300	25 – 30	490 – 680	11 – 16	10 – 20
6,0 – 8,0 и более	1,2 – 1,6	200 – 300	25 – 30	–	11 – 16	10 – 20

 

Рекомендации по числу  слоев стыковых многослойных швов приведены  в таблице 14.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 14 – Примерное число слоев и валиков в сварных вертикальных и горизонтальных стыках труб, сваренных в смеси газов Ar+CO₂ и в чистом CO₂

Рисунок поперечного  сечения сварного шва	Положение	Толщина стенки трубы  в S, мм	Примерное число
			слоев	валиков
	Вертикальное	3,5-6	2	2
		6-8
	Горизонтальное	3,5-6	2	3-4
		6-8		4-5
	Вертикальное	10	2-3	2-4
		15	3-4	3-5
		20	4-5	4-6
		30	6-7	6-8
	Горизонтальное	10	3-4	5-6
		15	3-4	8-10
		20	4-5	13-16
		30	5-6	20-25
	Вертикальное	32	6-7	8-12
		40	7-8	12-16
		50	8-9	16-20
		60	10-11	18-22
		70-80	12-15	22-32
	Горизонтальное	32	6-7	30-36
		40	7-8	36-40
		50	8-9	46-52
		60	10-11	50-54
		70-80	12-15	56-68

 

При сварочном токе 200- 300 А, длина дуги должна быть в пределах 1,5 + 4,0 мм. Вылет электродной проволоки составляет 8 - 15 мм.

Скорость подачи электродной проволоки, м/ч, рассчитывается по формуле:

                                                                                                                        (37)

где α_p- коэффициент расплавления проволоки, г/Ач ; ρ – плотность металла электродной проволоки, г/см (для стали ρ =7,8 г/см³).

Значение α_р рассчитывается по формуле:

                                                                                                                    (38)

Скорость сварки, м/ч, рассчитывается по формуле:

                                                                                                                       (39)

где α_н - коэффициент наплавки, г/А ч; α_н = α_р*(1-ψ), где ψ - коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание. При сварке в СО₂ ψ = 0,1- 0.15; Fв - площадь поперечного сечения одного валика, см². При наплавке в СО₂ принимается равным 0,3 - 0,7 см².

 

2.5 Выбор источника  питания

 

Источник питания должен обеспечивать параметры выбранного режима сварки, исходя из этого условия принимаем для сварки в углекислом газе - полуавтомат KEMPPI FastMig Basic KM 300.

 

Рисунок 11 - Полуавтомат для сварки в среде защитных газов KEMPPI FastMig Basic KM 300

 

Kemppi FastMig Basic предназначен для основных нужд механизированной сварки средней и тяжёлой промышленности. Установление сварочных параметров производится легко и точно благодаря цифровому дисплею и плавной регулировке. Повышенная пропускная способность электрических цепей, обеспечивают мгновенную реакцию на изменение параметров режима или условий сварочного процесса. В серию Basic входят мощные и высокопроизводительные источники питания инверторного типа, представляющие современную компактную конструкцию, которая на 70% легче и объём потребляемой ею энергии на 10% меньше, чем у источников соответствующей мощности тиристорного типа. Сохраняет в памяти параметры последнего режима сварки. Позволяет управлять динамикой дуги. Данные источники могут комплектоваться проволокоподающими механизмами других производителей. Для этого они снабжены функцией калибровки скорости подачи между источником и механизмом. Источники могут питаться от генератора.

Основные функции: