Технология литейного производства

Сварные соединения

Сварное соединение - неразъемное соединение, выполненное сваркой. Сварное соединение включает три образующиеся в результате сварки характерные зоны металла в изделии: зону сварного шва, зону сплавления, зону термического влияния, а также часть основного металла, прилегающую к зоне термического влияния.

Сварной шов - участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла.

Металл шва - сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом.

Основной металл - металл подвергающихся сварке соединяемых частей.

Зона сплавления - зона, где находятся частично оплавленные зерна металла на границе основного металла и металла шва. Эта зона нагрева ниже температуры плавления. Нерасплавленные зерна в этой зоне разъединяются жидкими прослойками, связанными с жидким металлом сварочной ванны и в эти прослойки имеют возможность проникать элементы, введенные в ванну с дополнительным металлом или сварочными материалами. Поэтому химический состав этой зоны отличен от химического состава основного металла.

Зона термического влияния - участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке, наплавке или резке.

Тип сварного соединения определяет взаимное расположение свариваемых элементов. Различают: стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные и торцовые сварные соединения.

Стыковое соединение - сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями и расположенных в одной плоскости или на одной поверхности (рис. 7). Поверхности элементов могут быть несколько смещены при соединении листов разной толщины (см. рис. 7, б).

Рис. 7. Стыковые соединения

Угловое соединение - сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев (рис. 8).

Рис. 8. Угловые соединения

Тавровое соединение - сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и приварен к боковой поверхности другого элемента (рис. 9).

Рис. 9. Тавровые соединения

Нахлесточное соединение - сварное соединение, в котором сваренные элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга (рис. 10, а, б). Отсутствие опасности прожогов при сварке облегчает применение высокопроизводительных режимов сварки. Применение нахлесточных соединений облегчает сборку и сварку швов, выполняемых при монтаже конструкций (монтажных швов).

Торцовое соединение - сварное соединение, в котором боковые поверхности сваренных элементов примыкают друг к другу (рис. 10, е).

Рис. 10. Нахлесточные (а, б) и торцовое соединения (в)

Сварные швы (типы)

Сварной шов - участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла.

Сварные швы подразделяют по разным признакам: по типу шва, по протяженности, по способу выполнения, по пространственному положению и по форме разделки кромок.

По типу сварные швы делят на стыковые, угловые и прорезные.

Стыковой шов - сварной шов стыкового соединения. Угловой шов - сварной шов углового, нахлестанного или таврового соединений. Прорезной шов (рис. 11) получается в результате полного проплавления верхнего, а иногда и последующих листов, и частичного проплавления нижнего листа (детали). Частным случаем прорезного шва является точечный или пробочный шов (электрозаклепка - при дуговой сварке) (рис. 11, г). Прорезные швы при приварке толстого листа (рис. 11, д) могут выполняться по заранее выполненным отверстиям в верхнем листе (при точечном шве) или прорези (при непрерывном шве).

Различают следующие характеристики сварного шва: ширину, выпуклость, вогнутость и корень шва.

Рис. 11. Прорезные швы

Ширина шва е - расстояние между видимыми линиями сплавления сварного шва (см. рис. 8, а). Выпуклость шва g определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы сварного шва с основным металлом и поверхностью сварного шва, измеренным в месте наибольшей выпуклости (см. рис. 8, а; 10, а). Вогнутость шва T определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы шва с основным металлом и поверхностью шва, измеренным в месте наибольшей вогнутости (см. рис. 8, в; 9, в). Вогнутость корня стыкового шва является дефектом обратной стороны одностороннего шва. Корень шва - часть сварного шва, наиболее удаленная от его лицевой поверхности (см. рис. 8, б; 10, а). По существу это обратная сторона шва, в которой различают ширину е1 и высоту g1 обратного валика (см. рис. 8, а).

Угловой шов имеет следующие размерные характеристики: катет, толщину, расчетную высоту. Катет углового шва к определяется кратчайшим расстоянием от поверхности одной из свариваемых частей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой части (см. рис. 9, в; 10, а). Катет задается в качестве параметра режима, который нужно выдерживать при сварке. Толщина углового шва а - наибольшее расстояние от поверхности углового шва до точки максимального проплавления основного металла (см. рис. 10, а). Для оценки прочности сварного соединения используют расчетную высоту углового шва - р (см. рис. 10, а). Для угловых швов более благоприятна вогнутая форма поверхности шва с плавным переходом к основному металлу (см. рис. 9, в).

По протяженности сварные швы подразделяют на непрерывные и прерывистые. Стыковые сварные швы, как правило, выполняют непрерывными. Угловые швы могут быть непрерывными (рис. 12, а) и прерывистыми (рис. 12, б), с шахматным (рис. 12, в) и цепным (рис. 12, г) расположением отрезков шва. Угловые швы могут быть выполнены и точечными швами (рис. 12, б, д).

Рис. 12. Угловые швы тавровых соединений

По способу выполнения различают сварку: одностороннюю и двустороннюю, однослойную и многослойную. Одностороннюю сварку стыкового сварного соединения выполняют со сквозным проплавлением кромок на подкладке или без подкладки (на весу). Двустороннюю сварку выполняют с зачисткой (удалением) корня шва (механической обработкой) перед сваркой обратной стороны сварного соединения или без зачистки корня шва. При двусторонней сварке зачастую приходится кантовать изделие или вести сварку в трудном потолочном положении.

Многослойный шов применяют при сварке металла большой толщины, а также для уменьшения зоны термического влияния. Под слоем сварного шва (I—IV на рис. 13) понимают часть металла сварного шва, которая состоит из одного или нескольких валиков (1-5 на рис. 13), располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва. Валик - металл сварного шва, наплавленный за один проход. Под проходом при сварке подразумевается однократное перемещение в одном направлении источника тепла при сварке или наплавке.

Рис. 13. Многослойный шов

По пространственному положению с учетом требований международных стандартов различают следующие сварные швы: горизонтальные (на вертикальной плоскости), вертикальные, потолочные и швы, сваренные в нижнем положении (рис. 14, 15). На рисунках даны русские и в скобках международные обозначения. Схемы сварки, стыков труб с горизонтальной, вертикальной или наклоненной осью показаны на рис. 15.

 

Рис. 14. Положение шва при сварке стыковых (а) и тавровых (б) соединенийлистов:  
HI - нижнее; Н2 - нижнее тавровых соединений; B1 - вертикальное (сварка низу вверх); B2 - вертикальное (сварка сверху вниз); Г - горизонтальное; П1 - потолочное; П2 - потолочное тавровых соединений

Рис. 15. Положение шва при сварке стыковых (а) и угловых (б) соединений труб: HI - нижнее при горизонтальном расположении осей труб (трубы), свариваемых (привариваемой) с поворотом; Н2 - нижнее при вертикальном расположении оси трубы, привариваемой без поворота или с поворотом; В1 - переменное при горизонтальном расположении осей труб (трубы), свариваемых (привариваемой) без поворота "на подъем"; В2 - переменное при горизонтальном расположении осей труб (трубы), свариваемых (привариваемой) без поворота "на спуск"; Г - горизонтальное при вертикальном расположении осей труб, свариваемых без поворота или с поворотом; Н45 - переменное при наклонном расположении осей труб (трубы), свариваемых (привариваемой) без поворота; П2 - потолочное при вертикальном расположении оси трубы, привариваемой без поворота или с поворотом

Недостатки

Сварочный флюс – гранулированный порошок с размером зерен 0,2–4 мм, предназначенный для подачи в зону горения дуги при сварке. Под действием высокой температуры флюс расплавляется, при этом создает газовую и шлаковую защиту сварочной ванны;обеспечивает стабильность горения дуги и переноса электродного металла в сварочную ванну; обеспечивает требуемые свойства сварного соединения; выводит вредные примеси в шлаковую корку.

Общие требования безопасности при проведении сварочных работ регламентируются стандартом ГОСТ 12.3.003-86 «Работы электросварочные. Требования безопасности», а также стандартами ГОСТ 12.1.004-85, ГОСТ 12.1.010-76, ГОСТ 12.3.002-75.

К числу опасных и вредных производственных факторов при сварке относятся:

1. опасный уровень напряжения в электрической цепи,
2. повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны,
3. повышенная температура дуги и материалов,
4. мощное световое и ультрафиолетовое излучение дуги,
5. наличие искры брызг, которые могут вызвать пожар,
6. высокое избыточное давление газов, хранящихся в баллонах, и др.

Для предотвращения влияния на здоровье человека перечисленных факторов при сварочных работах необходимо выполнять определенные требования.

В зависимости от химического состава флюсы для электрошлаковой сварки бывают следующих видов:

1. высококремнистые марганцевые – АН-348, ФЦ-7 и др.;
2. низкокремнистые марганцевые – АН-8, АН-22, ФЦ-21 и др.;
3. низкокремнистые безмарганцевые – АН-9, АН-25 и др.;
4. фторидные – АНФ-5, АНФ-14, АНФ-П и др.

Наряду с требованиями по надежной защите расплавленного металла, оптимального металлургического и химического взаимодействия и обеспечения необходимых механических свойств сварного соединения к флюсу для электрошлаковой сварки предъявляется и ряд технологических требований:

1. обеспечивать стабильное протекание электрошлакового процесса;
2. герметизировать полость сварочной и шлаковой ванны и предотвращать их протекание в зазор между изделием и ползунами, не отжимать ползуны;
3. обеспечивать легкое отделение шлаковой корки от поверхности шва.

Данные требования являются наиболее важными и обеспечиваются, прежде всего, соответствующим выбором значений электропроводности и вязкости флюсов.

Разработать технологический процесс формообразования заготовки способом листовой штамповки.

Требуется вытянуть цилиндрический стакан с сопряжением боковых стенок и дна под углом 90º из стали 20 толщиной S=1 мм, σ=42 кгс/мм (420 МПа).

Изделие имеет следующие размеры: d =60 мм, h =120 мм.

Определить диаметр заготовки, усилие вырубки, число и усилия всех вытяжных операций, радиусы закруглений и зазоры при вытяжке.

 

Выбор припуска на обрезку.

Принимая во внимание, что высота цилиндра h =120 мм укладывается в диапазон размеров h = 6K150 мм, принимаем величину припуска на обрезку     h =6 мм. Тогда общая высота изделия полученная вытяжкой, составит

 

H = S + h + h = 1 + 120 + 6 = 127 мм.

 

Средний диаметр заготовки составит

 

d = d - S = 60 - 1 = 59 мм.

 

Расчет диаметра круглой плоской заготовки D введем на основании равенства площадей заготовки изделия после вытяжки.

 

D = d + 4 *d * (h + h) = 59 + 4 * 59 * 126 =182.3

 

Расчитываем усилие, потребное для вырубки заготовки.

 

P = 1.2П * D * S * σ = 1.2 * 3.14 * 182.3 * 1 * 42 = 28850 кгс (288500 Н)

 

Определение диаметров цилиндров по переходам и числа операций. Выбор коэффициентов вытяжки m ведем, используя табл. 17.

 

d = 0.56 * 182.3 = 102

d = 0.76 * 102 = 77.52

d = 0.78 * 77.52 = 60.4

d = 0.80 * 60.4 = 48.3

 

Так как диаметр d  получился менше требуемого, то стакан можно выполнить за четыре перехода.

Далее следует уточнить значение коэффициента вытяжки на последней операции m .

 

m = d /d = 59/60.4 = 1

 

Определение усилий вытяжки ведем по эмпирическим формулам.

P = 1.25 * k * П * S * σ - (D - d) = 1.25 * 1.3 * 3.14 * 1 * 42 *(182.3-102) = 17208

P = 1.25 * k * П * S * σ - (d - d) = 5246

P = 1.25 * k * П * S * σ - (d - d) = 3669

P = 1.25 * k * П * S * σ - (d - d) = 300

 

Радиусы закругления пуаносов и матрицы выбираем используя таблицу.

 

r = 8 * S = 8 * 1 = 8 мм.

r = r =6 * S = 6 мм.

 

Зазоры между матрицей и пуаносом выбираем по таблице учитывая что операции идут без утонения стенок.

 

z = 1.4 * S = 1.4 мм.

z = z 1.2 * S 1.2 мм.

 

Сисок литературы

 

1. Фетисов Г. П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. "Материаловедение и технология конструкционных материалов". М.: Металлургия, 2000, 2002.