Технология металлов и сварка

Задания и методические указания к расчетно-графической работе по дисциплине “Технология металлов и сварка” для студентов направления 653500 – Строительство; специальностей:

290300 – Промышленное и гражданское строительство

290500 – Городское строительство и хозяйство

290600 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций

Тверь 2006

Приведены задания и методические указания к выполнению расчетно-графической работы для студентов строительных специальностей по дисциплине «Технология металлов и сварка». Методические указания могут быть использованы и для студентов-заочников.

Работа подготовлена на кафедре «Технология металлов и материаловедение».

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

Студенты выполняют одно контрольное
задание, состоящее из 2-х частей. К первой части относятся
вопросы, стоящие под номерами №1...4, по технологии металлов и
сварке, ко второй - вопрос № 5, представляющий собой задачу по
разработке технологического процесса по сварке. Контрольное
задание составлено из 10 вариантов.

Контрольное задание выполняется на листах формата А4 с соблюдением требований ЕСКД от руки либо с использованием текстовых редакторов (Word и др.). Текст каждого вопроса и эскиз к нему следует взять из задания. Ответы должны быть краткими, точными, только по существу вопроса. При выполнении расчетов необходимо приводить буквенное выражение с указанием смыслового значения и размерности входящих в него величин, а, затем выполнять числовой расчет с точностью до одного знака после запятой с указанием размерности искомой величины.

Графическую часть работы следует выполнять от руки с использованием чертежных инструментов либо с использованием графических редакторов (AUTOCAD, Компас и пр.). Использовать фотографии и другие копии не разрешается.

Все страницы и рисунки пронумеровать. В конце работы
привести список использованной литературы, дату выполнения работы и свою подпись.

ЧАСТЬ I (вопросы №1 - 4)

Вариант 1

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите
превращения и постройте кривую охлаждения в интервале
температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 0,6 % C.

2. Закалка стали и ее назначение. Выбор температуры, продолжительности нагрева и скорости охлаждения. Влияние закалки на структуру и механические свойства стали.

3. Расшифруйте марки сплавов: СтЗпс, 35, У7, А-1, Амг2, укажите
свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Опишите строение сварного шва при электродуговой сварке. Какие структурные изменения, протекающие в зоне термического влияния, при сварке сталей 20 и 45 могут привести к снижению прочности сварного соединения.

Вариант 2

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и постройте кривую нагрева в интервале
температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 0,6 % C.

2. Отпуск стали. Виды и значение отпуска стали. Влияние различных видов отпуска закаленной стали на структуру и механические свойства.

3. Расшифруйте марки сплавов: Ст3пс, 09Г2С, СЧ10, Вр-II, Амг2,
укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Опишите основные методы электродуговой сварки, области их применения. Как обеспечивается получение качественного сварного соединения при ручной дуговой сварке, при сварке под слоем флюса и в среде защитных газов?

Вариант 3

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите
превращения и постройте кривую охлаждения в интервале
температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 0,8 % С.

2. Нормализация стали. Влияние нормализации на структуру и свойства стали.

3. Расшифруйте марки сплавов: 25, 10ХСНД, У8А, Ат-VI и БрКМцЗ-1, укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Изложите сущность автоматической и механизированной электросварки под слоем флюса, приведите схему процесса, укажите применяемые источники питания, автоматы, и полуавтоматы, роль флюса, область применения этих методов.

Вариант 4

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и постройте кривую нагрева в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 0,8 % С.

2. Отжиг стали. Виды отжига и их назначение. Влияние отжига на структуру и свойства стали.

3. Расшифруйте марки сплавов: СтЗсп, 10ХСНД, КЧ37-12, У13, ЛС59-1, укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Опишите основные методы электросварки в среде защитных
газов, схемы процессов, области применения. Преимущество процесса сварки в среде углекислого газа углеродистых конструкционных сталей. Дефекты, возникающие при сварке в среде защитных газов.

Вариант 5

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и построите кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 1,2 % С.

2. Что называется улучшением стали? Почему этот вид термической обработки широко применяется для высоконагруженных ответственных деталей? Опишите структуру и свойства сталей после улучшения.

3. Расшифруйте марки сплавов: СтЗГсп, 30ХГСА, В-II, ВЧ100, AMц, укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Перечислите виды дефектов сварных соединений и конструкций, причины их возникновения и способы устранения. Изложите сущность методов контроля качества сварных соединений.

Вариант 6

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и постройте кривую нагрева в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 1,2 % С.

2. Влияние нагрева на структуру и механические свойства холодного деформированного металла. Рекристаллизация стали.

3. Расшифруйте марки сплавов: Ст5Гсп, 18пс, С345, У9А, БрС30, укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Изложите сущность и приведите схемы стыковой, точечной и роликовой сварки и области их применения. Вычертите и обоснуйте метод контактной сварки для изготовления оконных переплетов из профилей алюминиевых сплавов толщиной 1,0 мм.

Вариант 7

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 3,4 % С.

2. Термомеханическая обработка (ТМО) арматурной стали. Виды и их назначение. Влияние ТМО на структуру и свойства стали.

3. Расшифруйте марки сплавов: СтЗГпс, 12Г2СМФ, У10, А-II, Амг6, укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Изложите сущность процессов газовой сварки и газовой резки металлов. Аппаратура для газовой сварки и резки. Способы механизации процесса газовой резки.

Вариант 8

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 4,3 % С.

2. Поверхностное упрочнение металлов химико-термической обработкой. Краткая сущность процессов цементации и азотирования, цианирования и диффузионного насыщения металлами.

3. Расшифруйте марки сплавов: СтЗпс, 40XH, 20, Вр-I, Д16 Укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Опишите основные способы сварки арматуры железобетонных конструкций и закладных изделий.

Вариант 9

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения, и постройте кривую нагрева в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 4,3 % С.

2. Что такое наклеп (нагартовка)? Как изменяются механические и физические свойства металла при наклепе? Приведите примеры, когда нагартовка металла является частью технологического процесса.

3. Расшифруйте марки сплавов: 30, 12ГН2МФАЮ, Ат-VI, ХВСГ, Бр0ЦС4-4-2,5. Укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Особенности сварки низко-, средне- и высокоуглеродистых низколегированных сталей. Укажите способы их сварки.

Вариант 10

1. Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0 °С для сплава, содержащего 5 % С.

2. Перегрев и пережог стали. Их влияние на структуру и свойства стали. Какой вид термической обработки применяют для устранения перегрева.

3. Расшифруйте марки сплавов: 20, 18Г2АФпс, У11А, Aт-V, ЛКС80-3-3. Укажите свариваемость и способы сварки сталей первых двух марок.

4. Опишите основные способы резки металлов, бетона и железобетона.

ЧАСТЬ II (вопрос № 5)

Варианты № 1-2

Ручная дуговая сварка

Разработайте процесс ручной электродуговой сварки двутавровой балки (рис.1) из стали (табл. 1). Шов прерывистый l / t =100/200. Производство единичное. Укажите тип соединения, форму разделки кромок под сварку и дайте эскиз сечения шва с указанием его размеров. Подберите тип, марку электродов и диаметр электрода, определите режим сварки. По размерам шва подсчитайте массу наплавленного металла. Определите расход электродов с учетом потерь, электроэнергии и время сварки балки. Укажите методы контроля качества сварного шва.

Рис 1. Эскиз балки

Таблица 1

Исходные данные к вариантам № 1-6, 9, 10

№ варианта	Сталь по ГОСТ 2772-88	Марка стали
1, 3, 5, 9	C255	СтЗпс по ГОСТ 380-88
2, 4, 6, 10	С440	16Г2АФ по ГОСТ 19282-73

Варианты № 3-4

Механизированная сварка в среде углекислого газа

Разработайте процесс механизированной сварки в среде углекислого газа балки (рис. 2) из стали (табл. 1). Производство – мелкосерийное. Укажите тип соединения и форму разделки кромок под сварку. Дайте эскиз сечения шва с указанием его размеров. Выберите марку и диаметр электродной, проволоки. Подберите режим сварки. Укажите вылет электрода, род и полярность тока. По размерам шва подсчитайте массу наплавленного металла. Определите расход электродной проволоки с учетом потерь, защитного газа и электроэнергии, а также время сварки балки. Укажите методы контроля качества сварного шва.

Рис. 2. Эскиз балки

Варианты № 5-6

Автоматическая сварка под флюсом

Разработайте процесс автоматической сварки под слоем флюса балки (рис. 3) из стали (табл. 1). Производство - крупносерийное. Укажите тип соединения и форму разделки кромок под сварку. Дайте эскиз сечения шва с указанием его размеров. Выберите марку и диаметр электродной проволоки и флюса. Подберите режим сварки. По размерам шва подсчитайте массу наплавленного металла. Определите расход электродной проволоки и флюса с учетом потерь и электроэнергии, а также время сварки балки.

Рис.3. Эскиз балки

Варианты № 7-8

Электроконтактная точечная сварка

Разработайте процесс электроконтактной точечной сварки балки (рис. 4) из стали (таблица 2). Шаг точек t=5d_m. Производство массовое. Укажите подготовку заготовок под сварку. По толщине свариваемых заготовок выберите тип машины и укажите её технические данные. Рассчитайте площадь контактной поверхности электрода. По значениям j (А/мм2) и p (МН/м2) определите сварочный ток I_св (А) и усилие Р (МН), приложенное на электродах. Определите время сварки изделия. Начертите и опишите цикл точечной сварки. Укажите возможные дефекты и причины их возникновения.

Рис. 4. Эскиз сварной балки

Таблица 2

Исходные данные к вариантам № 7-8

№ варианта	Марка стали	L, мм	S1, мм	S2, мм
	СтЗсп по ГОСТ З80-88
	12Х18Н10Т по ГОСТ 1542-71

Варианты № 9-10

Газовая сварка

Разработайте процесс газовой сварки технологической трубы (рис. 5, табл. 3) из стали (табл. 1). Производство единичное. Укажите тип соединения и форму разделки кромок под сварку. Дайте эскиз сечения шва с указанием его размеров. Определите характер пламени газовой сварки, тип горелки и ее мощность. Выберите марку и диаметр присадочной проволоки. Укажите состав флюса (если он необходим), и способ сварки (левый или правый). По размерам шва определите массу наплавленного металла. Установите расход присадочной проволоки с учетом потерь, кислорода, ацетилена, карбида кальция и времени сварки. Укажите методы контроля качества сварного шва.

Таблица 3

Исходные данные к вариантам № 9-10

№ варианта	S, мм

Рис. 5. Эскиз сварной трубы

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАЗДЕЛУ II (вопрос № 5)

Разработку процесса дуговой сварки (варианты № 1-6) начинать с указания типа сварного соединения и формы разделки кромок.

Форма разделки установлена ГОСТом, номер которого указан на эскизе изделия. Например: на эскизе изделия задания указано А-Т1 (ГОСТ 8713-79), что означает: А - автоматическая сварка под слоем флюса; Т1 - условное обозначение шва сварного соединения. В этом же ГОСТе приведены поперечные сечения сварных швов с указанием геометрических размеров для заданных толщин металла.

Для выполнения сварного шва определяют режим сварки, обеспечивающий высокое качество и производительность.

При ручной дуговой сварке (варианты № 1-2) основные параметры режима сварки: диаметр электрода d_э (мм), сварочный ток I_св (А), напряжение дуги U_Д (В) и скорость сварки V_св (м/ч). Определение режима начинают с выбора диаметра электрода, его типа и марки. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины S (мм) свариваемого металла при сварке стыковых соединений и от катета шва K (мм) при сварке тавровых, угловых и нахлесточных соединений (табл. 4).

Таблица 4

Выбор d_э (мм) при однослойной сварке

Толщина деталей при сварке встык S, мм	3…5	4...10	12 и более
Диаметр электрода dэ , мм	3…4	4...5	5...6
Катет шва K, мм	3…5	6...9	10 и более
Диаметр электрода dэ , мм

Тип и марку электрода выбирают в зависимости от свойств и химического состава свариваемого металла (табл. 5).

Таблица 5

Тип и марка электрода в зависимости от свойств и химического состава свариваемого металла

	Способы сварки
Марка стали по ГОСТ 380-88, ГОСТ 19282-73	Ручная дуговая покрытыми электродами	Механизиро­ванная	Автоматическая под флюсом
Тип элек­трода	Марка элек-трода	Род тока, поляр­ность	Марка сварочной проволоки	Марка флюса	Марка сварочной проволоки
СтЗпс	Э42 Э46	АНО-6 АНО-4	Перем. Пост.	CB-08Г2C Св-08Г2СЦ	АН-348А АН-60	Св-08А Св-08ГА
16Г2АФ	Э50 Э60	ВСЦ-3 УОНИ -13/65	Пост., Поляр­ность обратн.	Св08Г2С Св-08Г2СЦ	АН-47 АН-43 AH-I7M	Св-10НМА Св-08ХМ Св-10ГА

Значение сварочного тока I_св (А) определяют по формуле:

I_св=k∙d_э,

где d_э - диаметр электрода, k - коэффициент, равный при сварке низкоуглеродистой стали (C≤0,25%) 40...50 А/мм, а при сварке высоколегированных сталей 35...40 А/мм;

Напряжение дуги U_Д (В) в среднем составляет 25…28 В.

Скорость сварки V_св (м/ч) вычисляют по формуле:

где - коэффициент наплавки, г/(А∙ч), для электродов марок АНО-4 и АНО-6 = 8,5 г/(А∙ч); для ВСЦ-3 - = 13 г/(А∙ч); для УОНИ-13/65 - = 9 г/(А∙ч);

- плотность металла, г/см³; для стали = 7,8 г/см³;

- площадь поперечного сечения наплавленного металла шва (см²), представляющая собой сумму площадей элементарных геометрических фигур, составляющих сечение шва.

Массу наплавленного металла G_H (г) рассчитывают по формуле:

G_H = F_H∙∙L∙ ,

где L - длина сварных швов на изделии, см.

Расход толстопокрытых электродов с учетом потерь приближенно можно принять равным 1,6...1,8 от массы наплавленного металла.

Время сварки t_св (ч) изделия устанавливается по формуле:

Количество электроэнергии W (кВт∙ч) подсчитывают по формуле:

W = I_св∙ U_Д∙∙t_св∙10³

При механизированной сварке в среде защитных газов плавящимся электродом (варианты № 3-4) основное параметры технологического процесса (сварочный ток I_св (А), напряжение дуги U_Д (В), скорость сварки V_св (м/ч), диаметр электродной проволоки d_э (мм), вылет электродов (мм), расход газа, род тока и полярность) выбирают по справочнику (табл. 6).

Таблица 6

Режимы механизированной сварки угловых швов в углекислом газе

для низкоуглеродистых и низколегированных низкоуглеродистых

сталей

Марка стали	Толщина S, мм	dэ , (мм)	Iсв, (А)	UД, (В)	Вылет электрода, мм	Расход газа, л/мин
СтЗпс 16Г2АФ		1,4	300-	32-	10-	12-

Марку электродной проволоки выбирают в зависимости от химического состава свариваемого материала и вида защитного газа.
При сварке в углекислом газе для предупреждения образования пор рекомендуется применять электродную проволоку с повышенным содержанием раскислителей (Si и Mn)(табл. 5).

Механизированную дуговую сварку в углекислом газе необходимо выполнять только на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде).

Массу наплавленного металла G_H (кг), время сварки t_св (ч) и скорость сварки V_св (м/ч) определяют по той же методике, что и при ручной дуговой сварке. Коэффициент наплавки г/(А∙ч) можно принять равным при сварке в углекислом газе 18...20 г/(А∙ч). При определении расхода электродной проволоки следует учитывать потери металла на угар и разбрызгивание, которые составляют 5…10 % от массы наплавленного металла.

Расход защитного газа устанавливают по справочнику (табл. 5). Зная минутный расход защитного газа и время сварки, можно легко подсчитать общее количество защитного газа, идущего на сварку изделия.

При автоматической сварке под флюсом (вариант № 5-6) в режим входят: диаметр электродной проволоки d_э (мм), сварочный ток I_св (А), напряжение дуги U_Д (В) и скорость сварки V_св (м/ч). Они назначаются в зависимости от толщины свариваемого металла по справочнику (табл. 7).

Таблица 7

Режимы автоматической сварки под флюсом угловых швов для низкоуглеродистых и низколегированных низкоуглеродистых сталей

Марка стали	Толщина S, мм	dэ, мм	Iсв, А	UД, В
перемен.	постояи.
СтЗпс 16Г2АФ			600-	34-	32-

Марку электродной проволоки и флюса назначают в зависимости от химического состава свариваемого металла (табл. 5).

Далее определяют массу наплавленного металла G_H (г) и расход электродной проволоки с учетом потерь на угар и разбрызгивание, которые составляют для сварки под флюсом от 2 до 5 % от массы наплавленного металла.

Расход флюса принимают равным массе наплавленного метаяпа. Коэффициент наплавки г/(А∙ч) выбирается в зависимости от I_св (А) и d_э (мм) и составляет 14...16 г/(А∙ч).

Скорость сварки V_св (м/ч), время сварки t_св (ч) и количество электроэнергии W (кВт∙ч) рассчитывают по той же методике, что и при ручной дуговой сварке.

При контактной точечной сварке (варианты № 7-8) тип машины выбирают по справочнику [10] в зависимости от толщины свариваемых заготовок (мм) и их химического состава. После выбора типа машины необходимо указать ее техническую характеристику.

В режим контактной точечной сварки входят: плотность тока j (А/мм²), давление р (МН/м²), длительность протекания тока t_св (с).

Для расчета основных технологических параметров при точечной сварке необходимо определить диаметр контактной поверхности электрода, который зависит от толщины свариваемых заготовок: d_т = 2 S +3, мм, где S - толщина более тонкой заготовки, мм. Затем рассчитывают площадь контактной поверхности:

Сварочный ток I_св (А) и усилие Р (МН), приложенное на электродах, для точечной сварки подсчитывают как произведение площади контактной поверхности F_эл (мм²) на плотность тока j (А/мм²) и давление р (МН/м²):

I_св = j ∙ F_эл,где F_эл в мм²,

Р = р ∙ F_эл, где F_эл в м².

При этом необходимо учитывать, какие режимы наиболее целесообразно применять - жесткие или мягкие.

Мягкие режимы характеризуются большой продолжительностью времени сварки, плавным нагревом. Эти режимы применяются для сварки углеродистых и низколегированных сталей и сталей, склонных к закалке. Параметры мягких режимов: j = 80-160 А/мм², р = 15-40 МН/м², t_св = 0,5-3 с.

Жесткие режимы характеризуются уменьшенным временем сварки, малой зоной термического влияния и повышенной производительностью. Эти режимы применяются в основном для сварки нержавеющих сталей типа 12Х18Н9Т, алюминия, меди и медных сплавов. Параметры жестких режимов: j = 160-360 А/мм², р = 40-150 МН/м², t_св = 0,001-0,01 с. Время сварки изделия t (с) определяется по формуле t = t_св∙n, где n - число точек на изделии, а t_св - время сварки одной точки, с.

При газовой сварке (варианты № 9-10) необходимо определить тип соединения и форму разделки кромок, указать в зависимости от химического состава свариваемого металла характер газового пламени. При сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей используется нормальное пламя:

(1)

Затем устанавливается в зависимости от толщины свариваемого металла способ сварки: при толщине металла до 5 мм - левый, при большей толщине правый.

Расход ацетилена (мощность пламени) определяют по формулам: при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей левым способом Q_А =(100…120)∙ S, л/ч, правым Q_А = (150…200)∙ S, л/ч.

Расход кислорода Q_К (л/ч) определяют по формуле (1). По мощности пламени устанавливают номер наконечника газовой горелки.

Марку присадочной проволоки и флюс (если он необходим) выбирают в зависимости от химического состава свариваемого металла. При сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей флюс не применяется.

Диаметр сварочной проволоки d_пр (мм) рассчитывают по формулам:

Ø при левом способе

Ø при правом способе

где S – толщина металла (мм).

Массу наплавленного металла G_H (г) подсчитывают по той же методике, что и для ручной дуговой сварки.

Расход присадочной проволоки G_пр (г) с учетом потерь металла на yгaр и разбрызгивание определяется по формуле:

G_пр = 1,1∙5∙ G_H.

Для приближенных расчетов; можно пользоваться следующими формулами: расход ацетилена Q_А = 8∙ S, л/м шва, расход кислорода Q_К = 9,5∙ S, л/м шва, расход проволоки G_пр = 10∙S, л/м шва.

Расход карбида кальция можно определить, зная, что 1 кг карбида кальция средней грануляции дает 260 л ацетилена. По расходу ацетилена можно рассчитать расход карбида кальция на сварку изделия.

Время сварки t_св = k ∙ S ∙ L, мин, где k - коэффициент, зависящий от типа сварного соединения, вида шва и свариваемого металла, мм; S – толщина свариваемого металла, мм; L - длина шва, мм. При сварке стыковых соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей левым способом k =5, правым - k =4.

Библиографический список

1. Лахтин Ю. M. Металловедение и термическая обработка металлов. M.: Металлургия, 1983, 36Oc.

2. Технология конструкционных материалов / Ред. А. И. Дальский. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1985, 448 с.

3. Технология металлов и материаловедение / Кнорозов Б. В., Усова Л. Ф. и др. М.: Металлургия, 1987, 800с.

4. ГОСТ 5264-80. Швы сварных соединений. Ручная дуговая сварка. Основные типы и конструктивные элементы.

5. ГОСТ 1477-76. Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

6. ГОСТ 8713-79. Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

7. ГОСТ 14098-85. Соединения сварные из арматуры и закладных изделий железобетонных конструкций. Типы конструкций и их размеры.

8. ГОСТ 15878-79. Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры.

9. ГОСТ 16037-80. Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры.

10. Сварка в машиностроении / Под ред. Ю. Н. Зорина. М.: Машиностроение, 1979. Т.4.

11. СниП П-23-81.