Расчет режимов ручной дуговой сварки

Режимом сварки называют совокупность основных характеристик сварочного процесса, обеспечивающую получение сварных швов заданных размеров, формы и качества.

При ручной дуговой сварке основными параметрами режима являются:

· Диаметр электрода, d_э, мм.

· Сила сварочного тока, I_св, А.

· Напряжение на дуге, U_д, В.

· Скорость сварки, V_св, м/ч.

Дополнительными параметрами режима являются:

· Род тока.

· Полярность тока (при постоянном токе).

Швы стыковых соединений могут выполнятся с разделкой и без разделки кромок по ГОСТ 5264-80.

 

Электрофизические и электрохимические методы

Обработки

Необходимо познакомиться с электрофизическими и электрохимическими методами формообразования поверхностей деталей машин. Знать физические и химические процессы, лежащие в основе этих технологических методов. Нужно иметь в виду, что в современном машиностроении и металлообработке все шире применяются материалы, обработка которых обычными методами либо затруднена, либо вообще невозможна.

 

Изготовление деталей из порошковых,

Неметаллических, композиционных материалов

Необходимо знать особенность порошковой металлургии и область ее применения, перспективы развития. Знать технологические свойства порошков, значение подготовки порошков перед прессованием. Познакомиться с различными методами формообразования заготовок. Знать условия спекания изделий из порошков.

Необходимо уяснить методы получения заготовок и деталей из неметаллических материалов. Знать свойства пластмассы и резины, область применения. Рассмотреть технологию основных способов изготовления изделий из пластмасс путем прессования, экструзии, формовки, штамповки, сварки, резания. Изучить технологию изготовления изделия из резины путем прессования, литья под давлением, экструзии, наслаивая на форму.

Необходимо знать принципы создания и основные типы композиционных материалов, их характерные признаки. Изучить технологические особенности проектирования и изготовления деталей, дополнительной обработки и соединения композиционных материалов.

Примеры решения типовых задач

Задача 1. Вычертите диаграмму состояния железо - цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0° С (с применением правил фаз) для сплава, содержащего 0,8 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите: состав фаз, т. е. процентное содержание углерода в фазах при этой температуре; количественное соотношение фаз.

Решение:

Находим на оси концентраций диаграммы железо - цементит точку, определяющую состав заданного сплава – 0,8 % С и проводим вертикальную линию, которая пересекает данную диаграмму. Там где заданная линия пересекла линии диаграммы ставим точки (0-1-2-3). Рассмотрим, что будет происходить на диаграмме в заданных точках.

При охлаждении температуры от 1600°С до 1485°С понижение температуры расплава происходит равномерно. В точке 0 сплав находится в жидком (расплавленном) состоянии. При температуре 1485°С (точка 1) начинается кристаллизация аустенита из жидкости. При t=1370°С (точка 2) наблюдается окончание процесса кристаллизации. Весь расплав превращается в твердый аустенит. Закристаллизовавший аустенит равномерно охлаждается до температуры 727°С (точка S на диаграмме). При этой температуре (точка 3) на кривой охлаждения появляется горизонтальная площадка, которая соответствует перекристаллизаций аустенита в перлит (эвтектоидное превращение). Сталь, имеющая структуру перлита, называют эвтектоидной. Ниже t=727°С никаких изменений в структуре стали не наблюдается. Имеет место просто равномерное снижение температуры. Строение эвтектоидной стали при нормальной температуре пластинчатое, т.е. структура стали состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита.

Химический состав фаз любого сплава системы можно определить с помощью каноды, а их количество - по правилу рычага.

Выбираем между линиями ликвидус и солидус температуру 1425°С. Для определения химического состава фаз сплава составао,0,8% С при температуре 1425°С, проводим каноду XYZ.

Точка Xхарактеризует твердую фазу (аустенит), а точка Z- жидкую фазу. Спроектировав их на ось концентраций, получим состав фаз – Х ' -состав твердой фазы, а Z ' ^!- жидкости при температуре1425°С сплава состава Y ¢.

По диаграмме состояния определяем, что жидкая фаза содержит 1,7%, а твердая 0,6% углерода и представляет собой аустенит.

Правило рычага для определения количества равновесных фаз: отрезки каноды Х- Zмежду точкой, опре­деляющей состав сплава Y и точка­ми, определяющими составы фаз (Х, Z ), обратно пропорциональны коли­честву этих фаз.

Q_ж/Q_А. = Х Y/ YZ,

где: Q_ж - количество жидкости; Q_А. - количество аустенита при температуре1425°С, соответствующей точке Y.

Пусть в точкеY масса всего сплава составляет 100 г, тогда Q_ж/(100-Q_ж) = Х Y/ Х Z.

 

 

 

Подставляя значения отрезков в сплав, взятые из диаграммы состояния, можно определить количество жидкости, а затем и количество аустенита. Следует пользоваться значениями концентраций как координатами на числовой оси.

Q_ж= Х Y /XZ*100% Q_ж= 0.2/1.1*100%=19%

Q_A= YZ / XZ *100% Q_A=0.9/1.1*100%=81%

Таким образом, при t=1425^О сплавов содержит 81% твердой фазы (аустенита) и 19% жидкой фазы.

 

Задача 2. Расшифруйте марочный состав сплавов: У8; СЧ24. Определить название. Укажите основной химический элемент сплавов, их механические свойства и области применения.

Решение:

Марка	Расшифровка	Характеристика. Механические свойства. Область применения
СЧ 24	Серый чугун, основа-Fe σв = 240МПа, HB 240	Относится к черным сплавам. Конструкционный серый чугун имеет в структуре графит пластинчатой формы и перлитную основу. Химический состав: 3.2-3.4 %С; 1,4-2,2% Si; 0,7-1% Mn; £0,2%Р; £0,15% S. Имеет хорошие литейные свойства. Применяется для ответственных отливок. В двигателестроении изготовляют: блоки цилиндров, распределительные валы, гильзы, головки, седла клапанов, поршневые кольца, направляющие втулки, диски сцепления, тормозные барабаны, картеры коробок скоростей и сцепления.
У8	Углеродистая инструментальная сталь с 0,8% С	Относится к черным сплавам.Химический состав: 0,8% С; 0,15-0,4 %Mn; £0,15%Cr. Твердость HRC 58-62; =1950МПа. Применяют для изготовления зубил, молотков и др. деревообрабатывающего инструмента, т.к. они имеют хорошую ударную вязкость из-за небольшого % углерода. Недостаток - малая прокаливаемость, не позволяющая изготовить инструмент сечением более 20-25 мм, сталь не теплостойкая.

 

ПРИМЕЧАНИЕ: Для определения механических свойств или химического состава сплава необходимо пользоваться учебниками или справочниками.

Задача 3. Выбрать материал для изготовления шестерни автомобильного двигателя диаметром 40 мм с расчетным напряжением по поверхности 1300 МПа. Деталь предусмотрена для серийного производства.

Решение:

Шестерня работает в условиях динамических изгибающих нагрузок, при контактном воздействии и трении поверхностей при повороте. При анализе данных о работе подобных шестерен установлено, что шестерни разрушаются в результате усталости, деформируются при перегрузках, зубья шестерен подвержены износу из-за трения при зацеплении.

Деформация зуба недопустима, поэтому в качестве оценочной характери­стики прочности материала примем предел текучести, т. е. способность сопротивляться пластической деформации ( > 580 МПа). Контактная выносливость зависит от твердости поверхности и имеет эмпирическую зависимость = 23 HRС. Зная уровень контактных напряжений (1300 МПа), находим необходимую твердость поверхности зуба - > 57 HRС.

Шестерня испытывает также циклические и динамические нагрузки, по­этому материал должен обладать достаточным запасом вязкости. Из анализа работы подобных деталей следует, что ударная вязкость КСU должна быть не менее 0,5 МД/м².

Работа в условиях трения требует достаточной твердости поверхности (ка­чественно чем выше твердость, тем лучше износостойкость поверхности).

Кроме того, вероятность усталостного разрушения требует от материала достаточно высокого предела выносливости Сталь должна обладать пластичностью > 10%, что обеспечивает надежность работы.

Для обеспечения высокой твердости поверхности детали в сочетании с необходимой вязкостью и прочностью ее сердцевины существует несколько видов упрочняющей обработки, основными из них являются химико-термическая обработка и поверхностная закалка ТВЧ.

Анализируя конструктивные особенности шестерни (диаметр 40 мм, т. е. шестерня с малым модулем), приходим к выводу, что применение закалки ТВЧ вряд ли целесообразно. Зуб шестерни должен иметь равномерный упрочненный поверхностный слой в пределах 0,5 - 0,8 мм, т. к. толщина зуба подобной шестерни небольшая. Такое требование накладывают на точность изготовления индуктора жесткие допуски, что практически невозможно осуществить. Различная величина зазора между зубом и индуктором по поверхности зуба приведет к неравномерности глубины слоя, что недопустимо.

Таким образом, целесообразно использовать в качестве упрочняющей химико-термическую обработку. Наиболее дешевой и широко используемой обработкой является цементация или нитроцементация. Нитроцементация пред­почтительнее, поскольку она проводится при более низких температурах (820-860 °С) по сравнению с цементацией (920-950 °С), что позволяет избежать деформации после ХТО и закалки. Кроме того, длительность процесса меньше, нитроцементация интенсивнее повышает твердость поверхности и предел выносливости. Для этого вида ХТО применяют специальный вид сталей, называемый цементуемыми сталями. Анализируя рабочие свойства цементуемых сталей и используя справочные данные, видим, что почти каждая из них может быть рекомендована для изготовления этих деталей.

Выберем и сравним некоторые из них:

 

Марка стали	Термическая обработка	МПа	, МПа	,%	КСИ, МДж/м2	HRCповер
требуе­мые свойст­ва	ХТО, закал­ка, низкий отпуск	>580	>1300	>10	>0,5	57-60
20Х	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,6	55-57
15ХФ	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,8	56-82
20ХН	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,8	61-63
12ХН3А	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				1,2	61-63
18ХГТ	ХТО, закал­ка, низкий отпуск				0,8	61-63

 

Сопоставляя данные, приведенные в таблице, определяем, что стали двух по­следних марок можно считать наиболее пригодными для изготовления нашей шестерни, т.к. они имеют достаточный запас прочности и вязкости по сравне­нию с другими марками.

Для окончательного выбора марки стали, проведем сравнительную оценку стали 12ХН3А и 18ХГТ по другим параметрам. Без каких-либо расчетов ясно, что преимущество имеет сталь 18ХГТ, которая не содержит дефицитного никеля и других дефицитных элементов.

Оценка по обрабатываемости резанием является очень важным параметром, т. к. основные расходы по изготовлению шестерни ложатся на механическую обработку. Коэффициент обрабатываемости резанием K_v определяется по отношению к обрабатываемости эталонной стали (сталь 45), скорость резания которой принята за единицу. Согласно справочным данным K_v для стали 12ХН3А - 0,43, а для стали 18ХГТ - 1,0, т. е. такой же, как эталонной стали. Таким образом, оптимальной маркой стали для заданной шестерни и условий ее работы будет 18ХГТ.

 

Задача 4.

Разработать технологический процесс ручной дуговой сварки плавящимся электродом с покрытием в нижнем положении со стыковым соединением свариваемых элементов. Исходные данные для выполнения задания приведены в таблице.

Марка стали	Временное сопротивление при растяжении, σ В МПа	Толщина свариваемой стали, d, мм	Длина шва l, мм
09Г2СД		11,0

Методика решения (данные расчета указаны в таблице 2 в колонке 5)

 

Стыковые соединения - самые типичные сварные соединения, в которых торцы соединяемых деталей располагаются так, что поверхность одной детали является продолжением другой. При сварке заготовок больших толщин необходимо обрабатывать соединяемые кромки для обепечения провара по всему сечению. В табл. 3 представлены два типа стыковых сварных соединений: С 2, применяемое при сварке односторонним швом заготовок толщиной до 4 мм, без скоса кромок и С 17, применяемое при сварке заготовок односторонним швом с V – образным скосом кромок для толщины от 3 до 60 мм. Учитывая заданную толщину свариваемого шва, выберите тип стыкового соединения (табл. 3). Кроме формы разделки кромок, которая бывает, также U - образная и Х - образная, ГОСТ устанавливает величину зазора b (мм) и притупления a (мм) между кромками. Раскрытие кромок и зазор необходим для обеспечения провара всего сечения, а притупление предотвращает прожог.

Вторым этапом при разработке технологии ручной электродуговой сварки является выбор типа и марки электрода. Типы и требования, предъявляемые к металлическим электродам для ручной дуговой сварки конструкционных и теплоустойчивых сталей, регламентированы ГОСТом 9467-75. Для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей предусмотрено девять типов электродов (Э38, Э42, Э42А, Э46,

Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60); для сварки легированных и конструкционных сталей повышенной и высокой прочности пять типов (Э70, Э85, Э100, Э125, Э150) (табл. 5).

Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, показывающей гарантируемый предел прочности металла шва (временное сопротивление) σв (10-1МПа). Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов.

Учитывая заданную марку стали и временное сопротивление при растяжении этой стали, (табл. 1- задание) выберите тип электрода (табл. 5). Если сварное соединение должно работать при ударных нагрузках, выбирайте электрод с повышенными пластическими свойствами.

Каждому типу электрода соответствует несколько марок (табл. 7), на каждую из которых разработаны технические условия. Марка электрода - это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие.

Электродные покрытия делят на две группы: тонкие (стабилизирующие) и толстые (качественные). Назначение тонкого покрытия - облегчить возбуждение дуги и стабилизировать ее горение. Оно не создает защиты для расплавленного металла шва, и поэтому при сварке происходит его окисление и азотирование. Шов получается хрупким, пористым, с различными неметаллическими включениями. Поэтому электроды с тонким покрытием используют при выполнении неответственных сварных швов. Сварные соединения высокого качества выполняют электродами с толстым покрытием. Качественное покрытие обеспечивает устойчивое горение дуги, защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха, раскисляет образующиеся в металле шва оксиды и удаляет невосстанавливаемые оксиды в шлак, легирует наплавляемый металл, удаляет серу и фосфор из расплавленного металла шва и образует шлаковую корку над металлом шва, замедляет его охлаждение и тем самым способствует выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла шва.

По виду покрытия электроды подразделяются: с рудно-кислым покрытием - условное обозначение А, с основным покрытием - Б, с целлюлозным покрытием - Ц, с рутиловым покрытием - Р.

Рудно-кислые покрытия содержат руды в виде оксидов железа и марганца, при плавлении они выделяют кислород, способный окислить металл ванны и легирующие примеси. Для ослабления действия кислорода в покрытие вводят раскислители в виде ферросплавов. Кислые покрытия имеют хорошие сварочно-технические свойства, высокопроизводительны, позволяют сваривать металл с ржавыми кромками и окалиной и получать плотные швы. Однако наплавленный металл имеет относительно малую ударную вязкость и пластичность и пониженное содержание легирующих примесей, к тому же эти электроды токсичны. К этому виду относятся покрытия: ОММ-5, ЦМ-7, ЦМ-8 и др.

В рутиловых покрытиях основным компонентом является рутил (TiO2). Благодаря высоким сварочно-технологическим свойствам, механическим свойствам металла шва и благоприятным санитарно-гигиеническим характеристикам электроды с рутиловым покрытием очень широко применяются, в том числе и взамен электродов с рудно-кислым покрытием. К рутиловым относятся покрытия: ЦМ-9, МР-3, АНО-3, АНО-5, ОЗС-3 и др.

Целлюлозные покрытия содержат большое количество органических составляющих, разлагающихся в процессе плавления и обеспечивающих газовую защиту расплавленного металла. Эти покрытия придают хорошее качество сварному шву при соблюдении теплового режима. Их недостаток - большие потери от разбрызгивания. К этой группе покрытий относятся: ОМА-2, ЦЦ-1, ВСЦ-4 и др.

Основные покрытия составлены на основе плавикового шпата (Ca F₂) и мрамора. Эти электродные покрытия дают высокое качество металла шва и применяются для сварки ответственных швов. Однако, так как основные электродные покрытия адсорбируют влагу при хранении, перед применением их нужно прокаливать. Кромки свариваемых изделий необходимо тщательно очищать от ржавчины и загрязнений, иначе в сварном шве будут поры. Широко используются электроды марок: УОНИ-13/45, УОНИ-13/55, СМ-11, АНО-7, АНО-8 и др.

Одним из основных параметров режима ручной дуговой сварки является диаметр электрода d_э (мм). Для стыковых соединений диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок (табл. 4).

В табл. 7 представлены наиболее часто применяемые электроды. Каждому типу электрода соответствует несколько марок. В табл. 7 указаны диаметры и коэффициенты наплавки электродов. Коэффициент наплавки оценивает массу электродного металла, перешедшую в сварной шов в течение часа горения дуги, отнесенную к одному амперу сварочного тока. Учитывая, что производительность сварки прямопропорциональна коэффициенту наплавки, а тип электрода и его диаметр уже выбран, подберите марку электрода из табл. 7.

Величину сварочного тока I_св (А), основного параметра режима сварки, устанавливают по известному диаметру электрода. При сварке стыкового шва в нижнем положении используют формулу I_св = kd_э, где d_э – диаметр электрода (мм), k - коэффициент пропорциональности, зависящей от диаметра электрода, определяется по табл. 4.

Длина дуги L_д (мм) значительно влияет на качество сварки. Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение высококачественного шва, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше подвергается окислению и азотированию. Но слишком короткая дуга вызывает “примерзание” электрода, дуга прерывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво и с характерным шипением. Глубина проплавления недостаточная, расплавленный металл электрода разбрызгивается и больше окисляется и азотируется. Шов получается бесформенным, а металл шва содержит большое количество оксидов. Длину дуги можно определить по формуле L_д = 0,5(d_э + 2), где d_э - диаметр электрода (мм). Самое широкое применение нашла дуга с жесткой характеристикой, когда напряжение U_д (В) практически не зависит от силы тока и пропорционально её длине L_д. Такая дуга горит устойчиво и обеспечивает нормальный процесс сварки. Для нахождения U_д можно использовать формулу

U_д = α + βL_д, где L_д – длина дуги (мм), α (В) коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах (при использовании стальных электродов α=10–12 В), β (В/мм) - коэффициент характеризующий падение напряжения на 1 мм длины дуги (β = 2,0 – 2,5 В/мм).

Количество металла, необходимого для сварного шва Q_н (г) можно определить по формуле Q_н = 10^-3 lSγ, где l - длина свариваемого шва (мм), S – площадь поперечного сечения шва (мм²), γ– плотность электродного металла, для стали γ = 7,8 г/см³. Для одностороннего стыкового шва без скоса кромок площадь поперечного сечения S можно определить по формуле: S = bδ, где δ - толщина свариваемого металла (мм), b - зазор (расстояние) между свариваемыми деталями (мм).

Для одностороннего шва с V-образным скосом двух кромок площадь поперечного сечения S можно определить по формуле:

S =δ(b – 1)+0,5(δ² +1), где δ и b – указанные выше конструкционные элементы сварного шва. Величину зазора между свариваемыми деталями берём из табл. 3.

Основное время горения дуги t_о (ч) определим по формуле t_о = Q_н/I_свαн, где Q_н – масса наплавленного металла (г), I_св – сила сварочного тока (А), α_н – коэффициент наплавки (г/А.ч), (табл. 7).

В процессе сварки электроду сообщаются следующие движения: а - по направлению оси электрода 1 в зону дуги. Скорость движения должна соответствовать скорости плавления электрода, чтобы сохранить постоянство длины дуги; б - вдоль линии свариваемого шва 2.

 

 

Скорость перемещения не должна быть большой, так как металл электрода не успеет сплавиться с основным металлом (непровар). При малой скорости перемещения возможны перегрев и пережог металла. Шов получается широкий и толстый. Производительность сварки оказывается низкой; в – поперечные колебательные движения применяют для получения уширенного валика шириной 3-4 d_э. Поперечные движения замедляют остывание наплавляемого металла, облегчают выход газов и шлаков и способствуют наилучшему сплавлению основного и электродного металлов и получению высококачественного шва. Скорость сварки V_св (м/ч) можно определить по формуле V_св = 10^-3l/t_о, где l – длина сварного шва (мм), t_о - основное время горения дуги (ч).

 

Таблица 2.