Характеристика стали, её свариваемости

Характеристика стали, её свариваемости

СОДЕРЖАНИЕ

1. СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ. ХАРАКТЕРИСТИКА СТАЛИ, ЕЁ СВАРИВАЕМОСТИ

.1 Характеристика основного металла

1.2 Расчет склонности стали 40х к трещинообразованию

. ВЫБОР СПОСОБА СВАРКИ

.1 Выбор способа сварки

.2 Выбор сварочных материалов

. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

.1 Выбор типа соединения

.2 Расчет параметров режима сварки

.3 Расчет химического состава металла шва

         3.4 Определение склонности металла шва к образованию трещин

4. СВОЙСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

.1 Определение механических свойств металла шва

.2 Определение склонности металла околошовной зоны холодных к образованию трещин

                                                                                                                                       5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА СВАРКИ

6. РАСЧЕТ ЛИНИИ СПЛАВЛЕНИЯ

7 ПРИЛОЖЕНИЕ А. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(СПРАВОЧНОЕ)

1. СОДЕРЖАНИЕ ЗАДАНИЯ. характеристика стали, её свариваемости

Заданием курсу “Сварка плавлением” является разработка технологии механизированной дуговой сварки стыкового соединения из стали 40х толщиной 25мм.

1.1 Характеристика основного металла

Сталь 40х обладает следующим химическим составом и механическими свойствами:

Химический состав стали 40Х по ГОСТ 4543-71, %

Механические свойства стали 40Х по ГОСТ 4543-71

1.2 Расчет склонности стали 40Х к трещинообразованию

Расчет склонности к горячим трещинам

Склонность металла к образованию горячих трещин оценивается по показателю Уилкинсона:

 (1)

Если HCS<4,( при в 700 мПа ) то говорят, что материал не склонен к образованию горячих трещин.

HCS=(0,4 (0,035+0,035+(0,27/25)+(0,3/100)) 103) / (3 0,65+0.95)=11,55

Таким образом, основной металл склонен к образованию горячих трещин.

Расчет склонности к холодным трещинам

Склонность металла к образованию холодных трещин оценивается по критерию Сэкв:

Сэкв=C+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/10)+(Cr/5)+(Mo/4)+(V/14)+5·B . (2)

Если Сэкв<0,45, то говорят, что металл не склонен к образованию холодных трещин.

Сэкв=0,4+(0,65/6)+(0,27/24)+(0,3/10)+(0,95/5)=0,84

Таким образом, основной металл склонен к образованию холодных трещин.

Поэтому необходимо подобрать такой присадочный материал, который исключал бы трещинообразование. Возможно применение подогрева. По формуле расчитываем температуру предварительного подогрева.

Tпод( °С ) = 350*= 350*= 300°C

[Cх] = [Cc]*(1+0,05*e) = [0,19]*(1+0,005*25) = 1,02

[Cc] = C + ++= 0,4 + = 0,19

Таким образом, Тпод будет равна 300°C

2. ВЫБОР СПОСОБА СВАРКИ

Сталь 40х сваривают ручной дуговой сваркой покрытым электродом, автоматической дуговой сваркой под флюсом, в защитных газах . В качестве способа сварки выбираем механизированную сварку под флюсом т.к. она является наиболее производительным, механизированным способом сварки для стали толщиной 25 мм. Сварка под флюсом имеет следующие преимущества:

Повышенная производительность;

Минимальные потери электродного металла (не более 2%);

Отсутствие брызг;

Максимально надёжная защита зоны сварки;

Минимальная чувствительность к образованию оксидов;

Мелкочешуйчатая или гладкая поверхность металла шва в связи с равномерным распределением шлака по поверхности шва;

Не требуется защитных приспособлений от светового излучения, поскольку дуга горит под слоем флюса;

Низкая скорость охлаждения металла обеспечивает высокие показатели механических свойств металла шва;

Малые затраты на подготовку кадров

Отсутствует влияние субъективного фактора.

2.2 Выбор сварочных материалов

         В качестве присадочной возьмем проволоку марки Св-08ХМ в обеспечение наилучшей свариваемости. Сварку будем осуществлять под флюсом марки АН - 60.

         Химический состав сварочной проволоки Св-08ХМ по ГОСТ 2246 -70. %

Состав флюса АН - 60 по ГОСТ 9087-81

3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ

3.1 Выбор типа соединения

Исходя из толщины свариваемого металла и обеспечения хорошего формирования шва, выбираем сварное соединение С25 .

Рисунок 1. - Эскиз сварного соединения

раз = 11*b = 11*5,12 = 56,32мм² ; b = 11*tgα = 5,12н = Sраз+0,73*e*y = 56,3+0,73*24*2,5 = 100мм²

Н = 13- = 7,3мм

Параметры сварного шва:

площадь разделки мм2 56,32

площадь наплавленного металла, Fн, мм2 100

высота шва, Н, мм 7,3

·   ширина шва, е, мм 24±4

·   высота усиления, g, мм 2,5±1,0..2,0

·   притупление, с, мм 3

·   зазор, b, мм 0

3.2 Расчет параметров режима сварки

Расчет параметров режима сварки будем вести в соответствии с методикой, предложенной [1]. Оттуда же взяты все нижеприведенные формулы.

Определяем величину сварочного тока

св(80…100) hр; (3)

где hр - глубина проплавления, равна 7,8 мм ;

Iсв=550A

Определяем величину напряжения дуги

Uд=20+, В; (4)

д=20+(0,05550)/(4)0,5=34 B ;

 (5)

=(4 550)/(3,14 42)=43,78 A/мм2 ;

Определяем скорость сварки

, м/ч, (6)

где А - коэффициент, зависящий от диаметра электродной проволоки, А м/ч, может быть выбран по таблице и для dэл=4 мм берется из интервала (12…16)103.

Принимаем А=12 103 А м/ч, тогда:

Vсв=12103/550=16,5 м/ч;

Определяем вылет электрода

э=10·dэ, мм; (7)

э=10·4=40 мм;

Рассчитаем величину погонной энергии сварки

qп= , Дж/см; (8)

где  - эффективный КПД нагрева изделия дугой, который согласно [1] для сварки под флюсом равен 0,8 - 0,85.

Примем =0,825. Тогда имеем:

qп=550 34 0,825/0.4583=33662,45 Дж/см;

Рассчитаем коэффициент формы проплавления

, (9)

где k=0,92;

0,92 (19-0,01 550) (4 34/550)=3,07;

Определим глубину проплавления

, см; (10)

=0.0076 (33662,45/3,07)0.5=0,79см

отклонение 0% (hp=0,79 см)

Рассчитаем ширину шва

, см; (11)

’=0,79 3,07=2,4253 см;

отклонение 1,04% (е=2,4 см)

Определим скорость подачи электродной проволоки

 (12)

 ; γ - плотность электродного металла, г/см3 ;

- диаметр электрода

Определим площадь сечения наплавленного металла

н=Fэ Vпод/Vсв ,см2 (13)

н=12,56/16,5= 58,6 мм2

         Отклонение 1 , 41% ( Fн=100 мм2 )

Рассчитываем высоту усиления ( шов без разделки )

=Fус/0,735 e =58.6/0,735 24=3,3 мм

Рассчитываем высоту шва ( шов без разделки )

Нр= hp+g =7,8+3.3 = 11 мм

Отклонение 0,075 ( Н=11 мм )

Рассчитываем высоту усиления ( шов с разделкой )

сталь сварка шов трещина

 (14)

где FΔ - площадь разделки , мм2

gр=(74-56,32)/(0,73524)=1 мм

Рассчитываем коэффициент остроты шва

 (15)

где и е, - глубина проплавления и ширина шва, мм

=H-g=11-2,44=8,56 мм

к=4 (ln1,056+3,5)/2,42532=2,41

Рассчитываем площадь проплавления основного металла

 (16)

 пр=1,056(3,14/2,41)0,5-0,46=0,7453см2

Рассчитываем долю участия основного металла в шве

 (17)

=0,7453/0,7453+0,89=0,501 (мас)

3.3 Расчет химического состава металла шва

Содержание элемента в металле шва с учетом коэффициентов перехода рассчитывается по формуле:

, мас.%, (18)

где   - содержание i-го элемента соответственно в сварном шве, основном металле и присадочном металле, % мас.;

- доля участия основного металла в металле шва

 - коэффициент усвоения элемента (коэффициент перехода).

По справочным данным, c=0,7; Si=0,7; Mn=0,74, Cr=0,9; Тогда имеем следующий состав металла шва (без учёта прироста Si и Mn из флюса):

·   С=(0,4 0,455+0,08·0,555)·0,7=0,1584 мас.%;

·   Si=(0,27·0,455+0,21·0,555)·0,7=0,1675 мас.%;

·   Мn=(0,65·0,455+0,5·0,555)·0,74=1,904 мас.%;

·   Сr =(0,95·0,455+1,1·0,555) 0,9=0,938 мас.%;

·   Ni =0,3·0,455+0,3 0,555=0,303 мас.%;

·   Р=0,035·0,455+0,03·0,555=0,03 мас.%;

·   S=0,035·0,455+0,025·0,555=0,0298 мас.%;

·   Mo=0,6 0,555=0,333 мас.%;

Рассчитаем прирост Si и Mn, P и S из флюса по уравнениям Н.Н.Потапова:

∆[Si]=6,7 10-2+А(SiO2) Uд/[Si]o(5,3 10-4/Iсв+3 10-7 Iсв/Vсв) мас.%; (19) ∆[Мn]=-0,1+ А(MnO) Uд/[Mn]o(5.8 10-2/Iсв+9.2 10-6  Iсв/Vсв) мас.%; (20)

∆[P]= 3 10-3+А(p) Uд/[P]o(4 10-2/Iсв+3 10-7 Iсв/Vсв) мас.%; (21)

∆[S]= 1.2 10-2 А(s)/[S]o Uд/Iсв мас.%; (22)

         где: (SiO2)ф, (MnO)ф-мольные доли кремнезёма и закиси марганца в сварочном флюсе,% (мас).;

[Si]o, [Mn]o-исходные концентрации кремния и марганца в металле сварочной ванны, %(мас).

B - основность сварочного флюса;

=(0,018·Cao+0,015·Mgo+0,006·CaF2+0,014·(Na2O+K2O)+0,007·(MnO+FeO)/(0,017· SiO2+0,005·(Al2O3+TiO2+ZrO2)); (23)

где для расчёта вместо символов компонентов флюса необходимо подставить их содержание, %(мас). В=0,6.

∆[Si]=6,7 10-2+0,7 34/0,1675(5,3 10-4/550+3 10-7 550/0.4583)=0,1182%;

∆[Мn]=-0,1+0,228 34/1,904(5,8 10-2/550+9,2 10-6 550/0,4583)=-0,05%;

∆[P]= 3 10-3+0,0583 34/0,03(4 10-2/550+3 10-7 550/0,4583)=0,0315%

∆[S]= 1,2 10-2 0,0543/0,0298 34/550=0,35%

Рассчитав прирост этих элементов, определим содержание каждого из них в металле шва:

[Si]ш=0,1182+0,1675=0,2857 мас.%;

[Mn]ш=1,904-0,05=1,854 мас.%;

[P] ш =0,0315+0,03=0,0665 мас.%;

[S] ш =0,35+0,0298=0,3798 мас.%;

3.4 Определение склонности металла шва к образованию трещин

Определение склонности металла шва к образованию горячих трещин

Склонность металла к образованию горячих трещин оценивается по критерию HCS:

. (24)

Если HCS<4, то говорят, что материал не склонен к образованию горячих трещин.

HCS=0,1584 (0,0298+0,03+0,1675/25+0,303/100) 103/(3 1,904+0,938+ 0,333) =1,57

Таким образом, металл шва к образованию горячих трещин не склонен.

Определение склонности металла шва к образованию холодных трещин

Склонность металла шва к образованию холодных трещин оценивается по параметру Сэкв:

Сэкв= С+(Mn/6)+(Si/24)+(Ni/10)+(Cr/5)+(Mo/4)+5·B. (25)

Если Сэкв<0,45; то говорят, что материал не склонен к образованию холодных трещин.

Сэкв=0,1584+(1,904/6)+(0,1675/24)+(0,303/10)+(0,938/5)+ (0,333/4)=0,76;

Исходя из полученных данных и рекомендаций литературных источников, назначаем термообработку (нормализацию).

4. СВОЙСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

4.1 Определение механических свойств металла шва

Определяем предел временного сопротивления разрыву:

 (26)

σВ=(4,8+50 0,1584+25,2 1,904+17,50,1675+23,9·0,938+7,7 0,303+ 17,6 0,11+ 16,8 0,303)·10=954,09 Мпа.

Определяем предел текучести:

=0,73 В, Мпа, (27)

=0,73 954,09=696,49 Мпа.

Относительное удлинение:

σ (28)

σ=50,4 (21,8 ,1584+15 1,904+4,9 0,1675+2,40,303+5,8 0,938+6,2 0,11)+ +2,70,303=10,403%.

Относительное поперечное сужение:

Ψ=2,32·, %; (29)

Ψ=2,32·10,403 =24,13%.

4.2 Определение склонности металла околошовной зоны холодных к образованию трещин

Определим скорость охлаждения , которая вычисляется по формуле:

, о/c, (30)

где  - коэффициент теплопроводности данной марки стали, Вт/см·°С;

с - удельная теплоемкость материала, Дж/г·°С;

 - плотность материала, г/см3;

 - толщина свариваемого металла, см;

Тmin - температура наименьшей устойчивости аустенита, оС;

Т0 - начальная температура нагрева изделия, оС.

По данным [6] для стали марки 40Х: =0,42 Вт/см·°С; с=5,25 г/см3; Тmin=550 оС; Т0=20 оС; =2,5 см.

Рассчитываем :

Оптимальная скорость охлаждения 0 от 4,0 до 14,0 о/c.

Склонность металла ОШЗ к образованию холодных трещин оценивается по критерию PS:

, (29)

где  - скорость охлаждения при нагреве до 300 оС, о/с;

 - критическая скорость охлаждения (скорость, при которой образуется 100 % мартенсита), о/с;

Н - концентрация водорода в металле, мл/100 г Ме;

          - толщина металла, мм.

         Если PS<- 0,5 , то такая сталь к образованию холодных трещин не склонна;

ω300 рассчитывается по формуле (28);

ωk для нашей стали равна по [8] 160 о/с;

Н=0,64·НМИС-0,93; при сварке под флюсом НМИС=7 мл/100 г Ме.

Имеем:

PS=lg1,5/5,7544+(0,64·7 - 0,93)/10+6625/5000=-0,105.

Таким образом, сталь к образованию холодных трещин не склонна.

ПРАВКА

Править заготовки с помощью пресса

КОНТРОЛЬ

Контролировать перекос кромок металлической линейкой

                                                                                                                             015 РАЗДЕЛКА КРОМОК

1Выполнить разделку кромок на участке механообработки согласно эскизу

         020 ЗАЧИСТКА

1 Зачистить кромки заготовок до металлического блеска, от брызг металлическими щетками на зачистных станках на ширину 30мм от кромок со всех сторон

         025 КОНТРОЛЬ

1 Контролировать геометрические размеры заготовок, притупление 10мм, угол скоса кромок 30;

Контролировать неровность поверхностей кромок заготовок;

Контролировать наличие ржавчины, окалины и различных загрязнений кромок заготовок

Контролировать предварительный подогрев до 304°С

         030 СБОРКА

1 закрепить заготовки в стык в специальном приспособлении

         035 КОНТРОЛЬ

         1 Контролировать смещение кромок заготовок

2 Контролировать перекос кромок заготовок

Контролировать плотное прижатие заготовок друг к другу

Контролировать плотное прижатие заготовок к приспособлению

СВАРКА

         1 Настроить необходимый режим сварки Iсв=550А , Uд=34 В Vсв=16,5 м/ч , Vпод=97,2 м/ч

         2 Выверить расположение сварочной проволоки по высоте и оси сопряжения заготовок относительно стыка

3 Произвести сварку шва проволокой dэл=4мм;

         045 КАНТОВКА

         1 Перевернуть заготовки для сварки шва с другой стороны

2 Поворот заготовок осуществляется приспособлением

ЗАЧИСТКА

Зачистить шов от окалины и брызг с помощью металлической щетки

Контроль

ВИК

6. РАСЧЕТ ЛИНИИ СПЛАВЛЕНИЯ

hy=h Exp(-k e2), см

hy1=1,05Exp(-2,41 0,122)=0,0151 см=1,05Exp(-2,41 0,242)=0,0604 см=1,05Exp(-2,41 0,362)=0,1360см=1,05Exp(-2,41 0,482)=0,2419 см=1,05Exp(-2,41 0,602)=0,36 см=1,05Exp(-2,41 0,722)=0,5443 см=1,05Exp(-2,41 0,842)=0,7408 см=1,05Exp(-2,41 0,962)=0,9676 см=1,05Exp(-2,41 1,022)=1,0924 см=1,05Exp(-2,41 1,142)=1,364 см

7. ПРИЛОЖЕНИЕ А. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

(СПРАВОЧНОЕ)

1. Расчет основных параметров режима механизированной дуговой сварки: Методические указания к курсовому и дипломному проектированию./Р.Ф. Катаев. Екатеринбург: УПИ, 1992. 36 с.

2. Особенности металлургических процессов при механизированной дуговой сварке под флюсом: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Теория сварочных процессов»./Г.М.Сюкасев, М.П.Шалимов. Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 1997. 15с.

3. Марочник сталей и сплавов./Под общ. ред. В.Г.Сорокина. М.: Машиностроение, 1989.640с.

4. Сварочные материалы для дуговой сварки: Справочное пособие: В 2-х т. Т.1. Защитные газы сварочные флюсы./Под общ. ред. Н.Н.Потапова. М.: Машиностроение, 1989. 544с.

5. Расчеты тепловых процессов при сварке, наплавке и термической резке: Учебное пособие./Н.В.Королев. Екатеринбург: УГТУ, 1996. 156 с.

6. А.И.Акулов, Г.а,Бельчук, В.П.Демянцевич. Технология и оборудование сварки плавлением./М.: Машиностроение, 1977. 432с.

7. М.Х.Шоршоров, В.В.Белов. Фазовые превращения и изменение свойств стали при сварке./М.: Наука, 1972. 219 с.

8. ГОСТ 2246 - 70. Проволока стальная сварочная. Технические условия. /М.: Издательство стандартов, 1993. 25с.

9. Сварка, пайка и термическая резка металлов: В 4-х ч. Ч.2. Сварные и паяные соединения. Типы, основные параметры, размеры и обозначения./М.: Издательство стандартов, 1976. 412с.