Разработка технологического процесса изготовления сварочного аппарата
Разработка технологического процесса изготовления сварочного аппарата
Разработка технологического процесса изготовления сварочного аппарата
Содержание
Реферат
Введение
1. Общая часть
1.1 Конструктивные особенности, назначение и условия работы аппарата
1.2 Выбор конструкционного материала
1.3 Определение размеров проката
1.3.1 Определение размеров развертки цилиндрической обечайки
1.3.2 Определение размеров развертки эллиптического днища
1.4 Расчет габаритности аппарата
1.5 Допуски и сопряжения
2. Технологический процесс изготовления сварной конструкции операции
2.1 Заготовительные операции
2.1.1 Очистка заготовок
2.1.2 Подбор листоправильной машины
2.1.3 Разметка заготовок
2.1.4 Резка
2.1.5 Подбор листогибочной машины
2.1.6 Подбор пресса для штамповки днища
2.2 Сборка свариваемых элементов
2.2.1 Сварочные напряжения и деформации
2.2.2 Приспособления и механизмы для проведения сварочных работ
2.2.3 Подбор роликового стенда
2.3 Расчет режима сварки
2.3.1 Расчет режима сварки под флюсом
2.3.2 Выбор сварочного оборудования
2.3.3 Выбор марки флюса и электрода
2.4 Операции термической обработки
2.5 Операционный контроль и контроль качества изделия
Список использованных источников
Введение
Современное состояние и перспективы развития нефтяной и газовой промышленности нашей страны определяются изменением структуры топливного баланса, ускоренным развитием химической промышленности. С этим связано многообразие химико-технологических процессов и конструкций аппаратов, развития машиностроения.
Технологические процессы производства аппаратуры охватывают почти все виды обработки металлов горячую и холодную обработку давлением, сварку металлов и сплавов, термическую и холодную резку и др.
Одним из критериев развития аппаратостроения является внедрение неразъемных соединений. Клепаные конструкции начали применять при изготовлении первых кубовых установок. В период перехода от клепаных конструкций к сварным изготовляли комбинированные конструкции. В результате таких операций часто наблюдалось горячие трещины в сварных швах. Применение сварных конструкций значительно сократило расход металла, снизило себестоимость. Применение сварных соединений привело к экономии стали для производства аппаратуры до 33% от веса клепаных аппаратов.
Переход к сварным конструкциям объясняется достижениями науки в области теории и практики сварочных процессов, физических методов контроля швов.
1 Общая часть
1.1 Конструктивные особенности, назначение и условия работы аппарата
Колонна состоит из двух частей. Нижняя часть оборудована шестью каскадными и пятью желобчатыми тарелками. Верхняя часть колонны оборудована 14 желобчатыми тарелками.
Техническая характеристика ректификационной колонны
рабочие условия
давление, МПа 2,4
температура среды, ºС 350
габаритные размеры, мм
диаметр 2400
высота 24000
высота опоры 1200
масса аппарата, т 145
1.2 Выбор конструкционного материала
Основной вид проката, применяемый для изготовления корпусов колонной аппаратуры – это листовой прокат.
Учитывая высокую коррозионную активность компонентов обрабатываемой среды (высокосернистый мазут) в качестве основного конструкционного материала выбирали двухслойную сталь по с основным слоем из углеродистой стали марки ВСт3сп и плакирующим слоем из нержавеющей жаростойкой стали аустенитного класса марки 08Х13. Химический состав стали и ее механические свойства приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 – Химический состав сталей
Марка стали
Содержание элементов, %
С
Mn
Si
Cr
Ni
S
P
ВСт3сп5
0,14-0,22
0,4-0,65
0,12-0,30
≤0,30
≤0,30
≤0,05
≤0,04
08Х13
≤0,08
≤0,8
≤0,8
12-14
≤0,6
≤0,025
≤0,03
Таблица 2 – Механические свойства сталей
Марка стали
σт, МПа
σв, МПа
δs, %
aн, МДж/м2
ВСт3сп5
≥210
≥380
≥25
≥0,5
08Х13
≥300
≥430
≥38
≥23
Низкоуглеродистые стали до 0,25% углерода, обладают хорошей свариваемостью. Сварные соединения легко обрабатываются режущим инструментом.
Сталь ВСт3сп5 имеет следующие характеристики температура начала ковки 1300 °С; температура конца ковки 750 °С; охлаждение на воздухе; способы сварки ручная дуговая, автоматическая дуговая под флюсом, электрошлаковая; обрабатываемость резанием – в горячем состоянии.
Сталь 08Х13 имеет следующие характеристики температура начала ковки 1220 °С; температура конца ковки 850 °С; охлаждение на воздухе; способы сварки ручная дуговая, автоматическая дуговая под флюсом, аргонодуговая; обрабатываемость резанием – в закаленном и отпущенном состоянии.
1.3 Карты раскроя
1.3.1 Определение размеров развертки цилиндрической обечайки
Карта раскроя представляет собой чертеж развертки на плоскости, который определяет количество и габаритные размеры листов – заготовок, а также продольные и поперечные швы, их расположение и протяженность. Картой раскроя определяются основные технологические операции и их последовательность, точность изготовления, влияние на себестоимость и отходы металла. Поэтому карту раскроя необходимо рассматривать в нескольких вариантах.
Карта раскроя первого типа (продольная ось симметрии листов перпендикулярна оси аппарата).
Рисунок 1 – Метод обечаек
Периметр обечайки П, мм, определяли согласно [1, с.101]
П = p × (Dв + S), (5)
где Dв – внутренний диаметр колонны, мм;
S – толщина стенки обечайки, мм.
П = 3,14 × (3000 + 12) = 9462,48 мм
Согласно [3, с.62] выбрали 9 листов с размерами L = 4500 мм и В = 2000 мм и 9 листов с размерами L = 5000 мм; В = 2000 мм.
Площадь отхода Sотх, м2, определяли по формуле
Sотх = S – So, (6)
где S – фактическая площадь, м2;
So – необходимая площадь, м2.
Фактическую площадь S, м2, определяли по формуле
, (7)
Необходимую площадь So, м2, определяли по формуле
, (8)
где Lц – длина цилиндрической обечайки аппарата, м.
Процент отхода D, %, определяли по формуле
, (9)
.
Построим карту раскроя второго типа (продольная ось симметрии листов параллельна оси корпуса).
Рисунок 2 – Метод карт
Согласно [3, с.62] выбрали 10 листов с размерами L = 6000 мм и В = 2000 мм и 5 листов с размерами L = 5500 мм; В = 2000 мм.
Фактическую площадь S, м2, определяли по формуле
, (10)
Площадь отхода Sотх, м2, определяли по формуле
Sотх = S – So, (11)
где S – фактическая площадь, м2;
So – необходимая площадь, м2.
Процент отхода D, %, определяли по формуле
.
Процент отхода карты раскроя первого типа меньше, следовательно, для изготовления корпуса приняли метод обечаек. Окончательно приняли
1.3.2 Определение размеров развертки эллиптического днища
Днище выбрали согласно ГОСТ 6533 по внутреннему диаметру аппарата согласно [4, с.117].
Таблица 3 – Геометрические размеры днища
Двн, мм
Sд, мм
Нд, мм
Hц, мм
Fд, м2
Vд, м3
3000
12
750
60
10,32
3,9423
Рисунок 3 – Днище эллиптическое
Диаметр развертки Dр, мм, определяли согласно [1, с.101]
, (12)
где Dвн – внутренний диаметр эллиптического днища, мм;
S – толщина стенки днища, мм;
h1 – высота цилиндрической части днища, мм;
eвн – коэффициент, определяемый согласно [1, с.101].
, (13)
, (14)
Диаметр заготовки Dз, мм, определяли согласно [1, с.103]
Dз = Dр + 2×zн, (15)
где 2×zн – технологический припуск на обработку, мм.
Технологический припуск на обработку 2×zн, мм, определяли согласно
[1, с.103]
2×zн = 0,03×Dр, (16)
2×zн = 0,03×3668 = 110 мм
Dз = 3668 + 110 = 3778 мм
Для изготовления днищ согласно [3, с.64] приняли 4 листа
1.4 Определение габаритности аппарата
Величину отклонения наружу концов аппарата С, м, выходящих за шкворни тележек вагона, определяли согласно [3, с.28]
, (1)
где l – длина аппарата, мм;
l1 – базовая длина вагона, мм;
R – радиус закругления, мм.
Длину аппарата l, мм, определяли согласно задания
l = 17390 мм
Длину базы вагона l1, мм, принимали согласно [3, с.27]
l1 = 9300 мм
Радиус поворота вагона R, мм, принимали согласно [3, с.30]
R = 320000 мм
Коэффициент износа ходовых частей подвижного состава К, мм, определяли согласно [3, с.28]
, (2)
Расчетный габарит по ширине аппарата А, мм, определяли согласно [3, с.29]
, (3)
где Dн – наружный диаметр аппарата, мм.
Наружный диаметр аппарата Dн, мм, определяли согласно задания
Стандартное значение габарита по ширине аппарата принимали согласно
[3, с.30]
А = 3400 мм
Максимальную длину аппарата lmax, мм, определяли согласно [3, с.28]
, (4)
Аппарат является габаритным, если выполняется условие
lmax > l,
22330 мм > 17390 мм
Условие выполняется.
Из условия видно, что аппарат габаритен.
2 Технологический процесс изготовления сварной конструкции
2.1 Заготовительные операции
2.1.1 Очистка проката
В результате прокатки на поверхности стали образуется окалина, а за время транспортирования и нахождения на складе на поверхности стали может образоваться ржавчина и появиться загрязнение.
Ржавчину, окалину и загрязнения на поверхности металла можно удалять разными способами химическим, термическим, механическим.
Для очистки травлением применяют слабые растворы кислот, которые погружают или которыми смачивают обрабатываемые поверхности, однако, этот способ очистки мало распространен вследствие неблагоприятных условий труда.
Основными способами очистки поверхности металлических заготовок являются дробеметный способ и пескоструйная очистка.
Очистку проката от окалины и ржавчины можно производить методами газопламенной обработки многопламенной газовой горелкой передвигаемой вдоль обрабатываемой поверхности. При этом поверхность нагревается до температуры, не превышающей 150 – 200 °С, т. е. очистка не сопровождается структурными изменениями в металле.
2.1.2 Подбор листоправильной машины
Правка представляет собой разновидность обработки металлов давлением и осуществляется путем многократного знакопеременного пластического изгиба обрабатываемого металла при напряжениях выше предела текучести.
Для правки листового проката применяли правильные роликовые машины.
Подбор листоправильной машины сводили к определению мощности привода.
Исходные данные
Размеры листа
ширина b, мм 2000
толщина s, мм 12
Марка стали ВСт3сп5
Предел текучести σт, МПа 210
Коэффициент упругой зоны третьего ролика k3, приняли согласно [3, с.90]
k3 = 0,06
Коэффициент второго ролика k2, приняли согласно [3, c.89]
k2 = 2 × k3, (17)
k2 = 2 × 0,06 = 0,12
Остальные значения ki, определяли согласно[3, c.89]
, (18)
где n – число роликов;
i – порядковый номер ролика.
Общее количество роликов n, приняли согласно [3, c.90]
n = 9
Усилие на первый ролик Р1, кН, определяли согласно [3, c.91]
, (19)
где sт – предел текучести стали, Па;
В – ширина листа, м;
S – толщина листа, м;
t – шаг правильных роликов, м.
Шаг правильных роликов принимали согласно [3, с.84]
t = 250 мм
Усилие на втором ролике Р2, кН, определяли согласно [3, C.91]
, (20)
Усилие на остальных роликах Рi, кН, определяли согласно [3, с.91]
, (21)
Крутящие моменты Мi’, Мi’’, Мi’’’, Н × м, необходимые для вращения роликов, определяли согласно [3, с.94]
, (22)
, (23)
, (24)
где D – диаметр роликов, мм;
Е – модуль упругости стали, Па;
f – коэффициент трения качения ролика по прокату;
d – диаметр цапфы ролика, мм;
m – коэффициент трения в подшипниках качения.
Диаметр роликов D, мм, принимали согласно [3, с.84]
D = 230 мм
Модуль упругости Е, Мпа, принимали согласно [5, с.285]
Е = 2×105 МПа
Коэффициенты f и m принимали согласно [3, с.94]
f = 0,1 мм
m = 0,1
Диаметр цапфы ролика d, мм, принимали согласно [3, с.94]
d = 150 мм
М1’ = 0
М1’’ = 120379×0,1×10-3 = 12 Н×м
М1’’’
М2’ =
М2’’ = 361574×0,1×10-3 = 36,2 Н×м
М2’’’
М3’ =
М3’’ = 480489×0,1×10-3 = 48 Н×м
М3’’’
М4’ =
М4’’ = 471070×0,1×10-3 = 47,1 Н×м
М4’’’
М5’ =
М5’’ = 450331×0,1×10-3 = 45 Н×м
М5’’’
М6’ =
М6’’ = 418191×0,1×10-3 = 41,8 Н×м
М6’’’
М7’ =
М7’’ = 374651×0,1×10-3 = 37,5 Н×м
М7’’’
М8’ =
М8’’ = 255655×0,1×10-3 = 25,6 Н×м
М8’’’
М9’ = 0
М9’’ = 80640×0,1×10-3 = 8,1 Н×м
М9’’’
Общий крутящий момент Мi(k), Н × м, на каждом ролике машины определяли согласно [3, с.94]
Мi(k) = M’ + M’’ + M’’’, (25)
где М’ – момент, затрачиваемый на деформацию полосы, Н×м;
М’’ – момент, возникающий от сил трения качения полосы по роликам и проскальзывания полосы по роликам, Н×м;
М’’’ – момент от сил трения в подшипниках ролика, Н×м.
Суммарный крутящий момент Мк, кН × м, на всех роликах определяли согласно [3, с.96]
Мк = М1(к) + М2(к) + М3(к) + М4(к) + М5(к) + М6(к) + М7(к) (26)
Значения моментов рассчитанные по формулам (25), (26) занесем в таблицу 4
Таблица 4 – Значения крутящих моментов
, Н·м
, Н·м
, Н·м
, Н·м
, Н·м
0
12
902,8
914,8
2243,5
36,2
2711,8
4991,5
4773,2
48
3603,7
8424,9
947,6
47,1
3533
4527,7
437,4
45
3377,5
3859,9
246
41,8
3136,4
3859,9
152
37,5
2809,9
2999,4
100,4
25,6
1917,4
2043,4
0
8,1
604,8
612,9
31798,7
Мощность привода правильной машины определяли по формуле [3, с.96]
, (27)
где – скорость правки, м/с;
D – диаметр роликов, м;
h – к. п. д.
Скорость правки , м/с, приняли согласно [3, с.82]
= 0,1 м/с
К. п. д. приняли согласно [3, с. 94]
h = 0,8
По найденной мощности выбрали 2 тип правильной машины, характеристика которой приведена в таблице 5.
Таблица 5 – Характеристика правильной машины
Параметры
Тип машины
II
Толщина листа, мм
6-16
Ширина листа, мм
2500
Число роликов
9
Диаметр правильных роликов, мм
230
Число рядов опорных роликов
2
Шаг правильных роликов, мм
250
Скорость правки, м/мин
8
Мощность электропривода, кВт
65
2.1.3 Разметка заготовок
Разметка заготовок из листового проката осуществляется построением разверток и вычерчиванием на плоскости. При этом имеют в виду раскрой металла с минимальными отходами.
Различают три метода разметки
1. Камеральный метод – заключается в переносе размеров на материал по предварительно разработанным эскизам развертки;
2. Плазовый метод развертки – заключается в выполнении развертки в натуральную величину на специально подготовленной плоскости, называемой плазом, или непосредственно на металле.
3. Оптический метод – заключается в применении системы линз.
Для изготовления аппарата выбрали камеральный метод, как самый распространенный при производстве аппаратуры.
2.1.4 Изотермическая резка
Различают два основных метода резания металла холодный (механический) и термический. Выбор метода резки в каждом конкретном случае производится с учетом химического состава, физико-химических свойств, размеров и формы поперечного сечения металла.
Механическая резка осуществляется без снятия стружки на ножницах гильотинных и дисковых и на ножницах для резания сортового проката.
Резка на ножницах обладает высокой производительностью. Применение этого метода возможно до толщины 60 мм, однако стоимость оборудования с увеличением толщины проката сильно возрастает. В этих случаях прибегают к термической резке. Термическая резка применяется для раскроя металла практически неограниченной толщины. Стоимость оборудования низкая и она остается неизменной с увеличением толщины разрезаемого листа. Термическая резка применяется с учетом структуры и физических свойств металла.
Так как сталь двухслойная (основной слой из углеродистой стали ВСт3сп5 и плакирующий из стали 08Х13), то применяем кислородно-флюсовый способ резки.
Кислородно-флюсовая резка заключается в том, что в струю режущего кислорода подают порошкообразный флюс.
Для оценки влияния химического состава на разрезаемость легированных сталей рассчитываем эквивалент углерода , %, согласно [3, с.134] по формуле
(28)
Т.к. , то необходим предварительный и сопутствующий подогрев.
Слой металла, окисляемого при резке С, мм, определяли согласно [1, с.110]
С = 2 + 0,025S, (29)
где S – толщина листа, мм.
С = 2 + 0,025×12 = 2,30 мм
Т.к. кислородно-флюсовая резка, то берем на 30% больше С = 3 мм
Припуск на механическую обработку zн, мм, определяли согласно [1, с.110]
сварочный механизм аппарат
zн = Нср + m + е, (30)
где Нср – средняя высота неровностей после кислородной резки, мм;
m – протяженность зоны термического влияния с измененной структурой, мм;
е – отклонение от прямолинейности, мм.
Среднюю высоту неровностей после кислородной резки Нср , мм, определяли согласно [1, с.111]
Нср = 0,1 + 0,01S, (31)
Нср = 0,1 + 0,01×12 = 0,22 мм
Протяженность зоны термического влияния с измененной структурой m , мм, определяли согласно [1, с.111]
m = 0,625 + 0,03S, (32)
m = 0,625 + 0,03×12 = 0,985
Согласно [1, с.111] е = 0,1 + 0,02S = 0,1 + 0,02·12 = 0,34 мм
Zн = 0,22 + 0,985 + 0,34 = 1,545 мм
Принимаем Zн = 3 мм.
Согласно [6, с.394] выбрали установку для кислородно-флюсовой резки УРХС-4. Установка состоит из флюсопитателя и специального резака.
Таблица 6 – Техническая характеристика установки УРХС-4
Параметры
Значения
Скорость резки, мм прямолинейной фасонной
270-760 170-475
Давление кислорода, кгс/см2
5-10
Давление ацетилена, мм вод. ст., не менее
300
Давление флюсонесущего кислорода, кгс/см2
0,35-0,45
Расход кислорода, м3/ч флюса, кг/ч ацетилена, м3/ч
8-25 6-9 0,8-1,1
Размеры флюсопитателя, мм диаметр высота
220 620
Масса флюсопитателя, кг
10,3
Емкость флюсопитателя, кг
20
Масса ручного резака с оснасткой, кг
3
Длина резака, мм
585
2.1.5 Подбор листогибочной машины
Гибка, заключается в том, что заготовка пропускается между валками, при этом используется реверсивность машины. Для гибки листа применяем симметричную трехвалковую листогибочную машину.
Исходные данные
Размеры листа
ширина b, мм 2000
толщина S, мм 12
Радиус кривизны R, мм 1506
Марка стали ВСт3сп5
Предел текучести σт, МПа 210
Модуль Юнга Е, МПа 2·105
Для гибки в холодном состоянии согласно [3, с.156] должно выполняться условие
, (33)
Т.к. условие выполняется, то производим гибку в холодном состоянии.
Коэффициент упругой зоны k, в листе определяли согласно [3, с.167]
(34)
Изгибающий момент М, кг×мм, определяли согласно [3, с.88]
(35)
Угол a определяли согласно [3, с.166]
(36)
Усилие на валках Рс, кг, определяли согласно [3, с.166]
(37)
Усилие на боковой валок Рб, кг, определяли согласно [3, с.166]
(38)
Крутящий момент М’к, кг×мм, затрачиваемый на деформацию листа, определяли согласно [3, с.94]
(39)
Крутящий момент М»к, кг×мм, затрачиваемый на трение качения валков по листу и трение в подшипниках валков определяли согласно [3, с.167]
, (40)
где f – коэффициент трения качения валков по листу, мм;
m – коэффициент трения в подшипниках;
d – диаметр шейки валов, мм.
Согласно [3, с.167] принимаем f = 0,8 мм, m = 0,1.
Суммарный крутящий момент Мк, кг×м, на боковых валках определяли согласно [3, с.168]
(41)
Мощность привода N, кВт, листогибочной машины определяли согласно
[3, с.167]
(42)
Согласно [3, с.161] приведем техническую характеристику листогибочной машины.
Таблица 7 – Техническая характеристика листогибочной машины.
Параметры
Значения
Рабочая длина валков, мм
2000
Скорость гибки, м/мин
5
Максимальная толщина изгибаемой стали, мм
18
Число роликов
3
Диаметр боковых валков, мм
350
Мощность электродвигателя, кВт
7,5
2.2 Сборка свариваемых элементов
В операцию сборки свариваемых элементов входят следующие виды работ установка, разметка для привариваемых деталей, проверка сопряжения кромок и сборочных баз, подгонка свариваемых элементов и деталей, фиксирование свариваемых кромок разъемными или неразъемными соединениями.
Применяют сборку двух технологических разновидностей
— необходимая, для последующего выполнения сварных работ;
— сборка узлов и аппарата в целом.
2.2.1 Сварочные напряжения и деформации
Образование деформаций приводит к отклонениям от заранее заданных размеров и форм. Деформации делят на
1) продольное укорачивание;
2) поперечное укорачивание;
3) изгиб конструкции;
4) скручивание;
5) выпученность и волнистость;
6) угловые деформации.
К общим мероприятиям по снижению напряжения и деформаций относят
а) преднамеренное деформирование свариваемых деталей;
б) симметричное положение швов;
в) уменьшение размеров швов.
К мероприятиям по уменьшению сварных напряжений относят
1) уменьшения сечений сварных швов;
2) уменьшение количества сварных швов;
3) использование термообработки.
2.2.2 Приспособления и механизмы для проведения сборочно-сварочных работ
Для производства сборочно-сварочных работ применяют следующие приспособления
а) Роликовый стенд – предназначен главным образом для сборки и сварки обечаек и корпусов аппаратов. При помощи стенда возможно вращение конструкции в прцессе сборки и сварки. Используется при сварке продольных швов. Его можно использовать и при установке в аппаратах внутренних устройств, т. е. при окончательной сборке.
б) Манипуляторы – применяют при производстве деталей гарнитуры (штуцеров, люков и др), а также крупных деталей (днищ, узлов шаровых резервуаров, решеток).
в) Стеллажи применяют в производстве аппаратуры из секции свариваемых из листов на плоскости.
2.2.3 Подбор роликового стенда
Согласно [2, с.306] для производства сборки и сварки приняли роликовый стенд тяжелого типа с балансирными роликоопорами, грузоподъемность которого соответствует весу аппарата.
Техническую характеристику выбранного стенда привели в таблице 8.
Таблица 8 – Техническая характеристика стенда
Параметры
Значения
Грузоподъемность, т
60
Скорость вращения изделия, м/ч при сварке маршевая
8 – 130 130
Диаметр, мм свариваемых изделий роликов
120 – 6000 510
Мощность электродвигателя, кВт
2,1
Габаритные размеры роликовых опор, мм длина ширина высота
800 900 1200
Масса роликовой опоры, т приводной холостой холостой передвижной
1,1 0,865 0,98
2.3 Расчет режима сварки
Для сварки корпуса аппарата применяли двустороннюю автоматическую сварку под флюсом, так как применяются значительно большие токи, позволяющие получить большое проплавление основного металла.
Рисунок 4 – Схема стыка без зазора, без раздела кромок
Примем толщину листа 12 мм и рассчитаем основные характеристики.
Величину сварочного тока Iсв, А, определяли согласно [7, с.13]
Iсв = (80 ÷ 100) h, (43)
где h – глубина проплавления, мм.
Глубина проплавления h, мм, определяли согласно [7, с.13]
h = (0,6 ÷ 0,7)·S, (44)
где S – толщина стенки, мм.
h = (0,6 ÷ 0,7)·10 = (6 ÷ 7) мм
h = 7 мм
Iсв = (80×÷ 100) 7 = 700 А
Диаметр электрода dэ, мм, приняли согласно [7, с.13]
dэ = 5 мм
Уточненный диаметр электрода
, (45)
где j – допустимая плотность тока, А/мм2.
Допустимую плотность тока j, А/мм2, определяли согласно [7, с.13]
j = 40 А/мм2
Скорость сварки Vсв, м/ч, определяли согласно [7, с.13]
, (46)
где А – коэффициент, зависящий от диаметра электрода, А·м/ч.
Коэффициент А приняли согласно [7, с.13]
А = 25×103 А·м/ч
Напряжение на дуге Uд, В, определяли согласно [7, с.15]
, (47)
Погонную энергию сварки q, Дж/см, определяли
, (48)
где h — эффективный КПД нагрева изделия дугой.
Эффективный КПД нагрева изделия дугой h приняли согласно [7, с.15]
h = 0,85
Коэффициент формы провара j, определяли согласно [7, с.15]
(49)
где к’ – коэффициент, зависящий от плотности тока.
Коэффициент к’, определяли согласно [7, с.15]
k’ = 0,367×j 0,1925, (50)
k’ = 0,367 × 40 0,1925 = 0,747
Фактическую глубину проплавления hф, см, и ширину шва b, см, определяли согласно [7, c.15]
, (51)
b = j × hф, (52)
b = 2,28×0,74 = 1,7 см
Площадь наплавки Fн, см2, определяли согласно [7, с.15]
, (53)
где aн – коэффициент наплавки, г/А×ч;
g – удельный вес стали, г/см3.
Коэффициент наплавки aн, г/А×ч, принимали согласно [7, с.15]
aн = 12 г/А×ч
Удельный вес стали g, г/см3, равен
g = 7,8 г /см3
Высоту валика а, см, определяли согласно [7, с.15]
, (54)
где b – ширина шва, см.
Коэффициент формы валика j, определяли согласно [7, с.15]
y = b / а, (55)
y = 1,7 / 0,24 = 7,08
Скорость охлаждения металла Wохл, оС/с, определяли согласно [7, с.17]
, (56)
где l – теплопроводность, Вт/см × оС;
сj – объемная теплоемкость, Дж/см3 × оС;
Тт – температура наименьшей устойчивости аустенита, оС;
То – начальная температура изделия, оС;
q – погонная энергия сварки, Дж/см;
s – толщина стенки, см.
Согласно [7, с.17] приняли
l = 0,42 Вт/см × °С
сj = 5,25 Дж/см3 × °С
Тm = 600 °С
То = 20 °С
Полученное значение входит в пределы относительного интервала скоростей охлаждения
1,1 < 5,89 < 15 °С/с
Следовательно, выбранный режим сварки обеспечивает получение заданных свойств металла в околошовной зоне.
Установки для сварки деталей гарнитуры (штуцера, люки-лазы и т.д.) выполняют с использованием шланговых аппаратов.
Согласно [6, с.143] приняли аппарат тракторного типа ТС-17М-1 для сварки под слоем флюса следующей технической характеристикой
Таблица 9 – Техническая характеристика ТС-17М-1
Параметры
Значения
Сила сварочного тока, А
200 – 1200
Диаметр электродной проволоки, мм
1,6 – 1,5
Скорость подачи электродной проволоки, м/мин
0,84 – 6,7
Габаритные размеры, мм
740´350´520
Масса (без флюса и проволоки), кг
42
Способ защиты сварочной зоны
Флюс
Способ настройки скорости подачи
Сменными зубчатыми колесами
Химический состав металлов привели в таблице 10
Таблица 10 – Химический состав металлов
Марка стали
Содержание элементов, %
С
Mn
Si
Cr
Ni
S
P
ВСт3сп5
0,14-0,22
0,4-0,65
0,12-0,30
≤0,30
≤0,30
≤0,05
≤0,04
08Х13
≤0,08
≤0,8
≤0,8
12-14
≤0,6
≤0,025
≤0,03
Для указанных сталей рассчитали эквиваленты хрома и никеля по формулам
, (57)
. (58)
Для стали ВСт3сп5
Для стали 08Х13
Рисунок 5 – Структурная диаграмма Шеффлера
На рисунке 5 полученным эквивалентам хрома и никеля стали ВСт3сп5 соответствует мартенситная структура, стали 08Х13 соответствует мартенситно-ферритная структура.
Линия разбавления сталей ВСт3сп5 и 08Х13 характеризуется мартенситно-ферритной мартенситной структурой в зависимости от состояния долей металлов. Далее предложим, что доля участия в шве металлов ВСт3сп5 и 08Х13 равна. Тогда структурный класс при перемешивании сталей ВСт3сп5 и 08Х13 будет соответствовать мартенситной структуре (точка С на рисунке 5, расположенная посередине линии разбавления ВСт3сп5 и 08Х13).
Структурными классами, на основе которых теоретически можно регулировать разбавление, является перлитно-ферритная, ферритная на основе высокохромистых сплавов, аустенитная или аустенитно-ферритная структура.
Вариант разбавления перлитно-ферритной структуры шва не может быть принят, так как необходимо использовать присадочный малоуглеродистый металл, а таких проволок ГОСТы не регламентируют.
Регулирование разбавления на основе высокохромистых электродов также не может быть принято из-за низких показателей технологической прочности и малой пластичности металла шва указанного типа.
Таким образом, регулировать разбавление необходимо на основе присадочного металла аустенитного или аустенитно-ферритного класса.
Для автоматической сварки сталей (ВСтЗсп5 + 08X13) выбрали проволоку марки Св-0Х17Н13М2Т.
В таблице 11 согласно [6, с.94,130] привели присадочные материалы для сварки сталей.
Таблица 11 – Присадочные материалы
Материал
ВСт3сп5
08Х13
Флюс
ОСЦ-45
АН-26
Проволока
Св-08
Св-0Х17Н13М2Т
Таблица 12 – Химический состав флюса
Марка флюса
Химический состав, %
SiO2
Al2O3
MnO
CaO
MgO
FeO
CaF2
S
P
ОСЦ-45
42-45
2,5
38-43
5
1
1,5
6-8
0,15
0,15
АН-26
32
20
£ 3,0
3,0
17
1,0
24
–
–
Таблица 13 – Химический состав сварочной проволоки
Марка проволоки
Химический состав, %
C
Si
Mn
Cr
Ni
Ti
S
P
не более
Св-08
£ 0,1
£ 0,03
0,35-0,6
£ 0,15
£ 0,3
—
0,04
0,04
Св-0Х17Н13М2Т
£ 0,08
£ 0,1
1-2
16-18
12-14
1,8-2,5
0,02
0,03
Эквивалент хрома и никеля для присадочного материала Св-0Х17Н13М2Т равен
Точку, соответствующую структуре проволоки нанесли на диаграмме Шеффлера. Далее провели линию разбавления присадочного металла с основным металлом (точка С – Св-0Х17Н13М2Т). Нашли долю участия основного металла на линии разбавления, при которой будет сохраняться аустенитная структура (точка Д). Эта точка разделяет аустенитную структуру и аустенитно-мартенситную структуры на диаграмме.
Длина разбавления на участке С – Д составляет 67% от длины всей линии разбавления, т.е. доля основного металла в шве сплава в точке Д составляет 33% и присадочного 67%. Это означает, что для сохранения структуры шва в пределах аустенитного класса доля основного металла при использовании проволоки Св-0Х17Н13М2Т не должна превышать g0 = 33%.
2.4 Операции термической обработки
2.4.1 Предварительная термическая обработка
Подогрев при сварке снижает скорость охлаждения в области субкритических температур. Для улучшения структуры требуется понизить скорость охлаждения, выбор температуры подогрева координируют со скоростью охлаждения до температуры окружающей среды. Подогрев улучшает пластичность в зоне термического влияния в том случае, если при определенной температуре подогрева завершается процесс распада аустенита.
При общем нагреве и равномерном охлаждении свариваемой стали создаются наиболее благоприятные условия. При местном нагреве могут возникнуть вторичные напряжения. Но важно помнить, что слишком высокая температура подогрева ведет к окалинообразованию.
Согласно [3, с.256] исходя из условия
S > 32 мм,
12 < 32 мм
Принимаем, что термообработка не нужна, т. е. подогрев не используют.
2.4.2 Последующая термообработка
Различают 2 вида последующей термообработки с нагревом ниже температуры фазовых превращений и с нагревом выше температуры фазовых превращений. Второй вид редко применяют в аппаратостроении, так как высокие температуры вызывают обезуглероживание, деформации.
Первый вид термообработки предупреждает хрупкий излом и деформации деталей после механической обработки и называется отпуском.
По данным практики обязательной термообработке для уменьшения напряжения подвергают сварные аппараты из углеродистой стали, толщина стенки которых превосходит 35 мм.
Так как сталь двухслойная, то необходимо провести термообработку первого вида.
2.5 Операционный контроль и контроль качества изделия
Высокие требования, предъявляемые к качеству аппаратуры и трубопроводов, могут быть выполнены при условии тщательного контроля по всем производственным операциям.
Контролю подлежат операции первичной обработки металла, операции обработки заготовок (разметка, резка и обработка, гибка), прессовые операции, сборочные, сварочные и термические.
Операции правки контролируют степенью приближения к плоскости.
Операции очистки проверяют по шероховатости поверхности.
Операции разметки контролируют по данным рабочих чертежей.
Операции термической резки и обработки кромок контролируют так же, как и предыдущие, и дополнительно по шероховатости поверхности в соответствии с допусками.
Операции гибки заготовок и прессовые контролируют по данным рабочих чертежей с учетом припусков и допусков.
Сборку сварных соединений элементов контролируют в соответствии с рабочими чертежами, особенно тщательно проверяют пригонку, просветы, радиусы кривизны или прямолинейность.
Качество сварных швов контролируется
1. внешним осмотром и обмером;
2. методами контроля плотности сварных швов;
3. механическим испытанием;
4. рентгенографией;
5. просвечиванием швов гамма лучами;
6. ультразвуковым методом контроля;
7. люминесцентным методом контроля;
8. магнитными методами контроля.
Для контроля качества сварных швов аппарат подвергли гидравлическому испытанию.
Пробное давление при гидроиспытаниях рпр, МПа, определяли согласно [5,с.9]
, (59)
где рр – расчетное давление, МПа;
– допускаемые напряжения для материала аппарата – стали марки ВСт3сп5 при температуре плюс 200С, МПа;
– допускаемые напряжения для материала аппарата при рабочих условиях, МПа.
Гидростатическое давление рг, МПа, определяли согласно [5,с.10]
, (60)
где Нц – высота аппарата, м.
Т.к. , то расчетное давление рр, МПа, определяли согласно[5,с.10]
, (61)
Допускаемые напряжения для материала аппарата при температуре плюс
20°С [s]20, МПа, определяли согласно [5, с.9]
, (62)
где h — поправочный коэффициент, учитывающий вид заготовки (листовой прокат);
s* — нормативное допускаемое напряжение при температуре плюс 20 0С, МПа.
Допускаемое напряжение [s], МПа, принимали согласно [5, с.11]
[s] = 100 МПа
Пробное давление испытания приняли ри = 0,5239 МПа.