K004394 Дипломная работа Технологический процесс сборки и сварки стойки манипулятора

Содержание

1. Введение

2. Описание конструкции

3. Оценка свариваемости основного металла конструкции

4. Рассмотрение приемлемых способов сварки

5. Выбор способа сварки

6. Выбор сварочных материалов

7. Рассчёт и выбор режимов сварки

8. Выбор сварочного оборудования

9. Дефекты сварных соединений

10. Контроль

11. Технологический процесс сборки и сварки

12. Выводы

13. Список литературы

1. Введение

Способ получения неразъемных соединений деталей путем сварки и пайки стал известен людям в глубокой древности. История не сохранила нам имен первых сварщиков. Об их искусстве мы можем судить лишь по раскопкам археологов и гипотезам ученых. В египетских пирамидах были найдены золотые изделия, которые имели паяные оловом соединения, а при раскопках Помпеи обнаружены свинцовые водопроводные трубы с продольным паяным швом.

Значительного совершенства в древности достигла кузнечная сварка. При кузнечной сварке металл нагревается до состояния пластичности, а затем проковывается в местах соединения. Этим достигается плотное прилегание соединяемых кусков, образуется сварное соединение.

Сварка позволила создать кольчугу - новое средство защиты воина, более совершенное, легкое и удобное, чем латы рыцарей. В кольчуге, состоящей из 10-20 тыс. колец, кольца были сварные.

Но быстрое развитие сварки началось только в конце XIX в. В 1802 г. профессор В.В.Петров открыл явление электрической дуги - один из видов электрического разряда в газовой среде. В.В. Петров рекомендовал применять электрическую дугу как источник тепла для мгновенного расплавления металла. Однако прошло свыше 80 лет, прежде чем явление электрической дуги было практически использовано. Наши соотечественники Н.Н. Бенардос и Н.Г.Славянов первыми применили «дугу Петрова» для сварки.

Интенсивная разработка новых способов сварки и их внедрение в промышленность начались позднее - в середине XXв. В это время возникла необходимость соединять элементы конструкций толщиной от нескольких микрометров до нескольких метров из весьма разнообразных материалов.

Краны и манипуляторы используются во многих сферах жизни и производства: машиностроении, сельском хозяйстве, строительстве и т. д. Поэтому цель дипломного проекта -  разработка технологии производства стойки манипулятора, а так же разработка необходимой оснастки и организация производственного участка является своевременной и актуальной.

2. Описание конструкции

Стойка манипулятора представляет собой металлоконструкцию с габаритными размерами: длина 695 мм; ширина 90 мм; высота 298 мм. Материал изделия Сталь 20 ГОСТ 1050-88, которая относится к качественным углеродистым сталям. Свариваемость без ограничений. Возможные способы сварки: ручная дуговая сварка, автоматическая под слоем флюса, полуавтоматическая в среде защитных газов. К отпускной хрупкости  сталь не склонна.

Применение: трубы перегревателей, коллекторов и трубопроводов котлов высокого давления, листы для штампованных деталей, цементуемые детали для длительной службы при температурах до 3500С.

Материал Сталь 20 (ГОСТ 1050-88); содержание химических элементов, в массовых долях  процента, представлен в таблице 3.8,  механические свойства в табл. 3.9.

Таблица 2.1.  Массовая доля химических элементов.

C Si Mn S P Cr Ni As N Cu

0.17-0.24 0.17-0.37 0.35-0.65  0.040  0.035  0.25  0.30  0.08  0.008  0.30

Вид поставки: Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050-74, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 8509-86, ГОСТ 8510-86, ГОСТ 8240-72, ГОСТ 8239-72. Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74. Лист тонкий ГОСТ 16523-70. Полоса ГОСТ 1577-81, ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70.

Таблица 2.2.  Механические свойства Стали 20.

 , МПа

 , МПа

 , %

 , %

 , Дж/см2

410 - 28 - -

3. Оценка свариваемости основного металла конструкции

Свариваемость - свойство металла или сплава образовывать при установленной технологии сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, эксплуатации конструкции.

Различают физическую и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость - свойство материалов образовывать монолитное соединение с межатомной связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.

Технологическая свариваемость это характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность при этом образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами. Технологическая свариваемость зависит от физических и химических свойств материала, его кристаллической решетки, степени легирования, наличия примесей и пр. Кроме технологических характеристик основного металла свариваемость определяется способом и режимами сварки, составом электродного или присадочного металла, флюса, покрытия, защитного газа, а также конструкцией сварного узла.

Основными критериями технологической свариваемости являются:

− окисляемость металла при сварочном нагреве;

− сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин;

− чувствительность металла к тепловому воздействию, характеризующаяся склонностью металла к росту зерна, структурным и фазовым изменениям в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

− чувствительность к порообразованию;

− соответствие свойств сварного соединения заданным эксплуатационным свойствам;

− обеспечение качества формирования сварного шва;

− удовлетворение требованиям минимальных (допустимых) напряжений и деформаций.

Наиболее опасными, с точки зрения несущей способности конструкции, являются горячие и холодные трещины.

На чувствительность к образованию горячих трещин существенное влияние оказывает химический состав стали. Зависимость склонности сварного шва к образованию горячих трещин от его химического состава с известным приближением выражается уравнением

(3.1.1)

где символы химических элементов - концентрация элементов шва, массовые доли %.

Принимаем для Стали 20 следующие значения содержания углерода и легирующих элементов (по ГОСТ 1050-88):

С=0.2%, S=0.04%, P=0.035%, Si=0.2%, Ni=0.3%, Mn=0.4%, Cr=0.25%.

  (%)

 <4, следовательно, горячие трещины в сварном соединении не образуются.

Образование холодных трещин конструкционных углеродистых и легированных сталей зависит от степени легирования, структуры, содержания примесей и пр. Наибольшее влияние на свариваемость сталей оказывает углерод. С увеличением содержания углерода, а также ряда легирующих элементов свариваемость сталей ухудшается.

Чем выше содержание углерода в стали, тем выше опасность образования холодных трещин. Ориентировочным количественным показателем свариваемости стали является эквивалентное содержание углерода.

Эквивалентное содержание углерода  , % определяется по формуле:

(3.1.2)

Где С - содержание углерода в массовых долях %.

  (%)

На количественное значение эквивалента углерода для каждой группы свариваемости существенное влияние оказывает толщина элементов конструкции, определяемая размерным эквивалентом углерода.

Размерный эквивалент углерода  , % равен

(3.1.3)

Где   - толщина свариваемой детали, мм;

0,005 – коэффициент толщины.

  (%)

Конструкционные стали с повышенным содержанием углерода, легированные Cr, Mn, Ni и другими элементами склонны при сварке к образованию в зоне термического влияния неравновесной мартенситной структуры, интенсивность образования которой возрастает с увеличением содержания углерода и легирующих элементов. На образование закалочных структур в околошовной зоне влияют также выбранные режимы сварки, так как они определяют температуру нагрева и скорость охлаждения. Для снижения интенсивности образования мартенситных прослоек в зоне термического влияния, которые могут привести к образованию холодных трещин требуется применение специальных технологических мер. Наиболее эффективным из которых является снижение скорости охлаждения околошовной зоны путем предварительного подогрева. При выборе температуры предварительного подогрева закаливающихся сталей следует учитывать, что недостаточный подогрев приводит к повышению вероятности появления холодных трещин, а излишне высокий снижает пластичность и особенно ударную вязкость стали вследствие чрезмерного роста зерен аустенита (Ас3+100°С). Определение необходимой температуры предварительного подогрева производится с учетом полного эквивалента углерода  , %, который определяется по формуле

(3.1.4)

  (%)

Температура предварительного подогрева  , 0С вычисляется по формуле

(3.1.5)

 (0С)

4. Рассмотрение приемлемых способов сварки

В практике применяются следующие виды сварки: руч¬ная дуговая, металлическим электродом; механизированная ду¬говая без защиты дуги специальными проволока¬ми, или порошковой проволокой, сварочной проволокой с защитой дуги газом; механизированная дуговая под керамическими и плавлеными флюсами; автоматическая ду¬говая в тех же вариантах, что и механизированная; электрошла¬ковая; газовая ацетиленокислородная и на газах заменителях.

4.1. Ручная дуговая сварка покрытым электродом

Рис. 4.1.1. Схема сварки покрытым электродом.

При зажигании дуги напряжение между электродом и свариваемым изделием обычно равно 60 В, для электродов отдельных промышленных марок напряжение холостого хода должно быть повышено до 70 В. При замыкании сварочной цепи напряжение падает почти до нуля и после возбуждения дуги поддерживается в пределах 16-30 В в зависимости от длины дуги и марки электрода.

Основными характеристиками процесса плавления электрода является количество расплавленного электродного металла g3 и относительные потери   (коэффициент потерь) электродного металла в процессе сварки из-за разбрызгивания, испарения и окисления.

При установившемся процессе сварки плавление электрода под действием дуги происходит равномерно по следующей приближенной зависимости, установленной опытным путем при большой плотности тока:

(4.1.1)

Где   - коэффициент расплавления, определяемый опытным путем,  ; I - сила тока, A; t - время горения дуги, ч.

Коэффициент расплавления зависит от материала электродного стержня и состава обмазки, покрывающей его поверхность, от рода и полярности тока и колеблется в пределах 8-14  . При сварке на постоянном токе он несколько повышается.

Потери наплавленного металла, определенные разностью массы   расплавленного металла электрода и массы   металла, образующего шов, определяются коэффициентом

(4.1.2)

Величина  , возрастающая с увеличением тока, меняется в пределах 5-30% для обычных электродов. Коэффициент   также зависит от стабильности процесса сварки и особенностей отрыва и переноса капель через дуговой промежуток.

Коэффициент расплавления   изменяется незначительно с повышением плотности тока. В процессе сварки электродами на токе большей плотности скорость плавления увеличивается за счет подогрева стержня током.

Приближенно можно принять, что масса наплавленного металла на изделие

(4.1.3)

где   - коэффициент наплавки, г/А-ч.

Коэффициент наплавки   менее постоянен, чем коэффициент расплавления  , так как потери меняются от действия различных факторов, в результате которых увеличиваются потери на разбрызгивание и угар. Для электродов с толстым покрытием различных марок коэффициент наплавки   изменяется в пределах 7-14 г/А-ч.

Не вся мощность дуги используется для наплавки металла, так как неизбежны потери ее на излучение, конвективный теплообмен с окружающей средой, потери вместе с испаряющимся и разбрызгиваемым металлом, унос теплоты нагретыми газами, на плавление электродного покрытия и др. Значительное ускорение плавления металла электрода во многих случаях нежелательно, так как нарушаются нормальные соотношения между количеством расплавленного основного и электродного металла, что приводит к нарушению формирования шва и является одним из факторов, определяющих силу тока дуги для данного электрода.

Рис. 4.1.2. Эскиз сварного шва.

Валик наплавленного металла (рис. 4.1.2.) характеризуется глубиной расплавления h=2...6 мм, высотой Н=2...5 мм, шириной b=2...25 мм и площадью поперечного сечения. Технологически важными характеристиками являются отношения   и  . Вследствие значительного перегрева металл шва теряет марганец, углерод и кремний. Фосфор и сера в металле шва сохраняются полностью.

Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются сила сварочного тока, напряжение дуги и скорость сварки. Тип электрода определяют в зависимости от химического состава свариваемого металла, согласно паспортным данным изготовителя электродов, руководствуясь каталогами на электроды. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла, положения шва в пространстве и размеров изделия. По принятому диаметру электрода и положению шва в пространстве подбирают сварочный ток.

Зависимость силы тока от диаметра электрода показана на рис. 4.1.3., где между штриховыми кривыми заключены допустимые отклонения силы тока.

Рис. 4.1.3. Зависимость силы тока от диаметра электрода.

Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10-20% ниже, чем для сварки в нижнем положении.

Рис. 4.1.4. Траектории движения конца электрода

На рис. 4.1.4. показаны траектории движения конца электрода: а) - при наплавке усиленного валика; б), в) и г) - при выполнении углового шва с усиленным прогревом соответственно его краев, одного края и середины шва.

Для получения валика постоянной ширины необходимо, чтобы в процессе сварки поперечные колебания электрода и скорость его перемещения вдоль шва не менялись, при этом амплитуда поперечных колебаний не должна превышать 2…4 d электрода.

Увеличение диаметра электрода ограничено возможностью возникновения прожогов свариваемого изделия, затруднением сварки швов в вертикальном и потолочном положениях, а также возникновением непровара при наложении первого слоя, который в многослойном шве обычно выполняют электродами диаметром 4-5 мм.

При укладке первого слоя многослойного шва электрод ведут без поперечных колебаний.

4.2. Сварка в среде защитных газов

Сварка в углекислом  газе (рис. 4.2.1.) является одним из ведущих процессов в отрасли.

Рис. 4.2.1. Схема сварки плавящимся электродом в защитных газах.

Достоинства сварки плавящимся электродом в защитном газе:

− повышенная производительность (по сравнению с дуговой сваркой покрытыми электродами);

− отсутствуют потери на огарки, устранены затраты времени на смену электродов;

− надёжная защита зоны сварки;

− минимальная чувствительность к образованию оксидов;

− отсутствие шлаковой корки;

− возможность сварки во всех пространственных положениях.

Недостатки сварки плавящимся электродом в защитном газе:

− большие потери электродного металла на угар и разбрызгивание (на угар элементов 5-7%, при разбрызгивании от 10 до 30%);

− мощное излучение дуги;

− ограничение по сварочному току;

− сварка возможна только на постоянном токе.

Основные проблемы, обусловливающие совершенствование этого способа сварки, заключаются в снижении остаточных сварочных деформаций, улучшении формообразования шва и получении бездефектных сварных соединений, разработке мероприятий, устраняющих повышенное разбрызгивание.

С целью снижения деформаций в ИЭС им. Е. О. Патона разработана электродная проволока на основе Si-Mn-Zr, позволяющая проводить сварку на прямой полярности в среде углекислого газа. По сравнению со сваркой на обратной полярности коэффициент наплавки увеличивается на 25-30%, повышается стойкость против кристаллизационных трещин вследствие меньшего перехода примесей из основного металла в шов, а угловые сварочные деформации снижаются на 35-40%.

Применение переменного тока промышленной частоты для питания дуги при сварке в углекислом газе позволяет использовать более простое и дешевое оборудование. Однако попытки вести сварку на переменном токе не имели успеха из-за низкой стабильности процесса. В работе сообщается о разработке способа сварки активированной проволокой на переменном токе, обеспечивающего высокую стабильность процесса. При этом устраняется явление магнитного дутья, а потери металла на разбрызгивание снижаются до 4-6% при удовлетворительной форме шва.

Все большее распространение получает сварка в смесях защитных газов. Защитная среда, определяя форму дуги, оказывает влияние на склонность металла шва к образованию пор. Швы, выполняемые при сварке в смеси СО2 + 20% 02 (при токе до 500 А и скорости сварки до 70 м/ч), не имеют дефектов пористости. Наименьшие потери на разбрызгивание достигаются при использовании проволоки диаметром 1,4 мм и вылете электрода