3. Постановка задачи.

Для выполнения годовой производственной программы по изготовлению корпуса механизма компенсации бура 256 шт. в год рис. 3.1 необходимо увеличить производительность и снизить себестоимость сварочных работ.

Рис. 3.1. Корпус механизма компенсации бура.

Самую большую трудоемкость имеют швы под номерами 1, 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5, 1-6, 1-7, 1-8, 1-9 чертеж А0000001, вследствие этого для снижения трудоемкости необходимо механизировать или автоматизировать сварку данных швов рис. 3.2.

Рис. 3.2. Швы, которые необходимо механизировать.

Необходимо выбрать оптимально подходящий для нас метод сварки, сварочное оборудование, разработать технологию сварки, сделать аттестацию сварочных процедур, если это необходимо и предоставить технико-экономическое обоснование выбора того или иного метода сварки. При выборе оборудование и метода сварки необходимо учитывать стесненные условия для сварки между деталями изделия рис. 3.3.

Рис. 3.3 Затруднительное место в конструкции для сварки.

4. Расчет режимов сварки.

Новая технология сварки подразумевает под собой комбинированное заполнение К образной разделки рис. 4.1 с применением полуавтоматической сварки в защитных газах с использованием меаллопорошковой проволоки и сварки под флюсом.

Рис. 4.1 Подготовка соединения под сварку в соответствии с EN ISO 9692.

Расчет режима сварки корня шва полуавтоматом металлопрошковой проволокой диаметром 1.2 мм в защитных газах.

Сварка корня шва рис. 4.2, состоит из трех проходов. Первый и второй проход выполняются на съемной керамической подкладке, далее следует подрубка корня шва и сварка третьего прохода.

Рис. 4.2. Номера проходов при сварке корня шва.

Так как имеется возможность сварки в лодочку, то порядок наложения валиков и расчёт режимов выполняется по схеме многопроходных стыковых соединений с разделкой кромок. Сварка первого прохода выполняется на съемной керамической подкладке. При этом глубина проплавления h_пр выбирается по аналогии со сваркой односторонних швов, а притупление приравнивается к толщине свариваемых элементов. Ширина валика первого прохода е_ш зависит от вида разделки, угла раскрытия кромок и ориентировочно равна (2…4 мм).

Глубина проплавления заполняющих валиков должна обеспечивать перекрытие предыдущих, а площадь наплавленного металла должна составлять 20…30 мм², что обеспечивается значением сварочного тока в 1,5…2 раза большим, чем при выполнении первого прохода.

Приближённое значение сварочного тока при сварке в защитных газах определяется по формуле 4.1.

(А) (4.1)

где – диаметр электрода, мм; – сила тока, А.

134 (А)

По формуле 4.2 определяем необходимую глубину проплавление первого валика.

(мм) (4.3)

где – толщина притупления, мм.

(мм)

По найденному значению тока и данному диаметру электродной проволоки по формуле 4.3 рассчитывается напряжение дуги:

(В) (4.3)

где – диаметр электрода, мм; – сила тока, А.

(В)

После этого производится уточненный расчёт величины сварочного тока, по формуле 4.4:

(А) (4.4)

где – диаметр электрода, мм; – сила тока, А; - ширина валика, мм; - глубина проплавления, мм; - напряжение дуги, В.

(А)

Производим уточненный расчет для напряжения дуги по формуле 4.3.

(В)

Скорость сварки рассчитываем по формуле 4.4:

(м/ч) (4.4)

где e_ш – ширина валика, мм; I_св – сила тока, А; – напряжение дуги, В; – глубина проплавления, мм.

(м/ч)

Далее по формуле 4.5 определяем площадь наплавленного металла F_нм:

(см²) (4.5)

где V_св – скорость сварки, см/ч; I_св – сила тока, А; α_н – коэффициент наплавки, г/Ач; ρ – плотность металла, г/см³.

(см²)

Рассчитаем значение тока для второго и третьего проходов по формуле 4.6:

(А) (4.6)

где V_св – скорость сварки, см/ч; I_св – сила тока, А; α_н – коэффициент наплавки, г/Ач; ρ – плотность металла, г/см³.

(А)

Далее по формуле 4.3 рассчитаем напряжение дуги для сварки второго и третьего проходов:

(В)

Далее произведем расчет для сварки под флюсом с использованием двух проволок диаметром 2,4 мм и одного источника питания в 1000 А.

Так как необходимо добиться наибольшей производительности сварки под флюсом и нет опасности прожога, так как корневой проход уже заварен при помощи полуавтоматической сварки, для расчета возьмем ток 450 А для каждой проволоки, в процессе расчета это значение можно подкорректировать при необходимости.

Для начала рассчитаем коэффициент расплавления α_н при сварке на переменном токе по формуле 4.7:

(г/Ач) (4.7)

где I_св – сила тока, А; α_р – коэффициент расплавления, г/Ач; d_э – диаметр электрода, мм.

16,7 (г/Ач)

При механизированных способах сварки под флюсом α_р примерно равен α_н [7].

Зная допустимую площадь наплавленного металла за один проход для сварки под флюсом 30…50 мм² рассчитаем нужную скорость сварки по формуле 4.8:

(м/ч) (4.8)

где V_св – скорость сварки, см/ч; I_св – сила тока, А; α_н – коэффициент наплавки, г/Ач; ρ – плотность металла, г/см³; F_н – площадь наплавленного металла за один проход, мм².

38,5 (м/ч)

По формуле 4.3 произведем расчет напряжения сварочной дуги.

(В)

Далее в соответствии со стандартом ISO EN 1011 рассчитаем допустимую погонную энергию и необходимость подогрева перед сваркой.

Так как может прийти сталь с различным содержанием химических элементов, необходимо узнать максимально допустимый эквивалент углерода для стали S355J2. В соответствии со стандартом EN 10025 - 2 максимальный эквивалент углерода для толщин от 30 мм до 150 мм составляет 0,47 %. Стандарт HLA-4A ограничивает использование стали с содержанием эквивалента свыше 0,45%.

В случае необходимости для конкретной стали можно рассчитать эквивалент углерода по формуле 4.9 в соответствии с ISO EN 1011 - 2:

(%) (4.9)

Далее для расчета предварительного подогрева необходимо узнать комбинированную толщину сварочного соединения рис. 4.3.

Рис. 4.3 Определение комбинированной толщины для таврового соединения.

Комбинированная толщина равняется:

50 + 50 + 50 = 150 мм

Согласно таблице 4.1 определяется, к какому классу содержания водорода относятся сварочные материалы.

Таблица 4.1 Шкала содержания водорода в сварочных материалах.

Все применяемые сварочные материалы содержат водорода до 5 мл на 100 г, следовательно, относятся к группе D, однако для сварки под флюсом рекомендуется при определении предварительного подогрева использовать группу С, для перестраховки.

Далее определяем тепловложение Q по формуле 4.10 согласно ISO EN 1011-1:

(кДж/мм) (4.10)

где V_св – скорость сварки, мм/с; I_св – сила тока, А; U_д – напряжение сварочной дуги, В; k – коэффициент тепловой эффективности, для сварки под флюсом 1, для сварки в защитных газах плавящимся электродом 0,8.

Рассчитаем тепловложение для полуавтоматической сварки в защитных газах плавящимся электродом.

Для первого прохода:

(КДж/мм)

Для второго и третьего проходов:

(кДж/мм)

Рассчитаем тепловложение для сварки под флюсом:

(кДж/мм)

Зная тепловпложение, комбинированную толщину соединения, эквивалент углерода для свариваемой стали и содержание водорода в наплавленном металле, определяем необходимую величину предварительного подогрева для сварки в защитных газах плавящимся электродом в соответствии с диаграммой 4.1 стандарта ISO EN 1011-2.

Диаграмма 4.1. Условия для сварки стали с определенным эквивалентом углерода.

Из данной диаграммы видно, что рекомендуется предварительный подогрев примерно 50 ÷ 70 Сº.

Далее по диаграмме 4.2 определяем необходимый подогрев для сварки под флюсом.

Диаграмма 4.2. Условия для сварки стали с определенным эквивалентом углерода.

Рекомендуемый подогрев не менее 20 Сº.