Примечание к таблице 1

Технологические свойства

Температура ковки, °С: начала 1300, конца 750. Охлаждение на воздухе. Сваривается без ограничений; способы сварки:

§ Ручная дуговая сварка;

§ Автоматическая дуговая сварка под флюсом и газовой защитой;

§ Электрошлаковая сварка;

§ Контактная сварка.

Для толщины свыше 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка. Флокеночувствительность - не чувствительна. Склонность к отпускной хрупкости - не склонна. Сталь Ст3сп обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ 380-2005. По группе В сталь поставляют по химическому составу и механическим свойствам.

   Таблица 1 - Химический состав Ст3сп ГОСТ 380-2005                             в процентах

С	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	As
				не более
0,14-0,22	0,4-0,65	0,12-0,3	0,04	0,5	0,3	0,3	0,3	0,08

Примечание к таблице 1

ü Массовая доля хрома, никеля и меди в стали, должна быть не более 0,30 % каждого.

ü В стали, изготовленной скрап-процессом, допускается массовая доля меди до 0,40 %, хрома и никеля - до 0,35 % каждого. При этом массовая доля углерода должна быть не более 0,20 %.

ü Массовая доля азота в стали должна быть не более 0,010 %, допускается массовая доля азота в стали до 0,013 %, если при повышении массовой доли азота на 0,001% нормативное значение массовой доли фосфора снижается на 0,005%.

ü Массовая доля азота в стали, выплавленной в электропечах, должна быть не более 0,012%.

ü Массовая доля серы в стали должна быть не более 0,050 %, фосфора - не более 0,040 %,

ü Массовая доля мышьяка в стали должна быть не более 0,080 %.

ü В стали, выплавленной на базе керченских руд, массовая доля мышьяка - не более 0,15 %, фосфора - не более 0,050 %.

При назначении технологии сварки (выбор температуры подогрева, электродов, термической обработки) учитывают свариваемость стали, которую оценивают по эквиваленту углерода:

Сэкв = С% + Мn/6 + Сr/5 + V/5 + Мо/4 + Ni/15 + Cu/13 + P/2

Сэкв = 0,42 < 0,45

 2. Технические условия

2.1 Качество материала и заготовок, используемых для изготовления емкости, должны соответствовать требованиям НТД.

2.2 Качество покупных изделий должно соответствовать требованиям, действующим на них документов на поставку.

2.3 Сварку произвести согласно требованиям ОСТ 26.260.3-2001, ОСТ 26-291-94, ГОСТ 14771-76, ГОСТ 11533-75, ГОСТ16037-80.

2.4 Качество сварных швов должно соответствовать следующим требованиям:

а) поверхность шва должна иметь равномерную поверхность (без наплывов и подтеков) и плавный переход к основному металлу;

б) в швах и прилегающим к нему зонам основного металла не допускаются кратеры, свищи, прожоги, трещины, газовые и шлаковые включения;

в) подрезы основного металла по глубине не должны превышать 5%

от толщины стенки, но не более 0,5 мм и протяженностью не более 10% длины швов;

2.5 Дефектные места должны быть вырублены до металла и заварены вновь;

2.6 Наружные и внутренние поверхности емкости должны быть без плен, закатов, расслоений, грубых рисок, а также других дефектов, снижающих качество изделия. Внутри емкости не должно быть грязи и посторонних предметов;

2.7 Сварочные работы должны производиться сварщиками, не ниже 4-го разряда;

2.8 Неуказанные предельные отклонения размеров на чертежах

должны соответствовать:

- для отверстий по Н14

- для валов по h14

- для остальных ±IТ14/2

Позиционный допуск осей штуцеров не более - 10 мм.

2.9 Руководство сварочными работами должно осуществлять лицо, имеющее документ о специальном образовании или подготовке в области сварки;

2.10. Сварочную проволоку сплошного сечения следует очищать от ржавчины, жировых и других загрязнений;

2.11 Сварщик должен ставить личное клеймо на расстоянии 40-60 мм от границы выполненного шва сварного соединения. Взамен постановки клейма допускается составление исполнительных схем с подписями сварщиков;

2.12 Сварку конструкции следует производить после проверки правильности сборки;

2.13 Кромки свариваемых элементов в местах расположения швов и

прилегающие к ней поверхности шириной не менее 20 мм, а также

места примыкания начальных и выводных планок необходимо зачищать

с удалением ржавчины, жиров, краски, грязи, влаги и т.п.;

2.14 Сварку подлежит производить при стабильном режиме. Предельные отклонения заданных значений силы сварочного тока и напряжения на дуге при автоматизированной сварке не превышать 5%;

2.15 Число прокаленных сварочных материалов на рабочем месте сварщика не должно превышать полусменной потребности. Сварочные материалы следует содержать в условиях, исключающих их увлажнение;

2.16 Начало и конец шва подлежит выводить (по возможности) за пределы свариваемых элементов на начальные и выводные планки. После окончания сварки планки должны быть удалены механическим способом. Места, где были установлены планки, необходимо зачистить абразивным инструментом. Не допускается возбуждать дугу и выводить кратер на основной металл за пределы шва;

2.17 Каждый последующий валик многослойного шва сварного соединения подлежит выполнять после тщательной очистки предыдущего валика от шлака и брызг металла;

2.18 Поверхность свариваемой конструкции и выполненных швов сварных соединений после окончания сварки необходимо очищать от шлака и брызг и наплывов расплавленного металла.

2.19 Наружная поверхность емкости должна быть окрашена в соответствии с требованиями чертежа и стандартов. Окраска должна производиться после проведения гидравлического испытания емкости;

2.20 Срок службы до списания - 20 лет;

2.21 Гидравлическое испытание должно проводиться водой наливом с выдержкой не менее 4 ч, а при испытании смачиванием керосином не менее 40 мин с проведением визуального осмотра изделия. Емкость признается выдержавшей испытания, если в процессе испытания не замечается течи, капель, потения в сварных соединениях и на основном металле. После гидроиспытаний вода из емкости должна быть удалена, а емкость продута сжатым воздухом;

2.22 Контроль качества сварных швов выполнить рентгенпросвечиванием в объеме 10%, в недоступных местах выполнить послойно-визуальный осмотр и цветная дефектоскопия-100%.

 3. Выбор способа сварки на основе сравнения вариантов

Низкоуглеродистая сталь Ст3сп обладает хорошей свариваемостью, достаточно большим пределом выносливости и малой склонностью к хрупкому разрушению, что обеспечивает надежную работу сварных конструкций в течении длительного времени. Эта сталь сваривается хорошо всеми способами сварки плавлением. Поэтому рассмотрим особенности ручной дуговой сварки, механизированной сварки в среде защитных газов, автоматическую сварку под слоем флюса.

Хотя ручная дуговая сварка имеет неоспоримые достоинства:

1 простота оборудования;

2 возможность сварки в труднодоступных местах швов различной конфигурации и в любом пространственном положении и т.д. она к тому же имеет ряд недостатков:

3 низкую производительность труда, сильную зависимость качества сварки от квалификации сварщика;

4 значительные потери на угар и разбрызгивание (5-10%);

5 недостаточную защиту сварочной ванны, возможность получения пор и других дефектов.

Механизированные и автоматические способы сварки устраняют или значительно уменьшают данные недостатки РД. Это объясняется:

1 высокой производительностью процесса и высоким качеством соединения металлов при различной конфигурации швов и расположения их в пространстве;

2 малой зоной термического влияния и относительно небольшие деформации изделия в связи с высокой концентрацией тепла дуги;  

3 доступностью наблюдения за процессом сварки а также стабильностью свойств сварного соединения;

4 улучшенными условиями работы, более низкими, чем при ручной дуговой сварке расходом сварочных материалов и электроэнергии.

При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа преимущества следующие:

- высокая плотность мощности, обеспечивающая относительно узкую зону термического влияния;

- возможность металлургического воздействия на металл шва за счет регулирования состава проволоки и защитного газа.

- низкая стоимость при использовании активных (СО₂) защитных газов.

К недостаткам способа относится:

1 Повышенное разбрызгивание металла;

2 Повышенное содержание вредных примесей в металле шва.

К недостаткам способа по сравнению со сваркой под флюсом относится необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги.

В отличии от ручной дуговой сварки покрытым электродом при сварке в среде защитных газов токопровод к электродной проволоке осуществляется на небольшом расстоянии (вылет электрода) от дуги (до 30 мм при Ш 3 мм). Это позволяет без перегрева электрода использовать повышенные сварочные токи (1500 до 2000 А). Плотность сварочного тока достигает 100-150 А/мм², в то время как при ручной дуговой сварке не превышает 15 А/мм².

В результате повышается глубина проплавления основного металла и скорость расплавления электродной проволоки, т.е. достигается высокая производительность процесса. Потери на угар и разбрызгивание при оптимальных параметрах в различных пространственных положениях не превышают 7%.

Исходя из возможностей предприятия, на котором планируется изготовление данного изделия, также учитывая форму и размеры конструкции, предлагаю использовать механизированную сварку в среде защитных газов (углекислый газ), дугой прямого действия плавящимся электродом. Этот способ является сравнительно недорогим и доступным видом сварки. 

Применение автоматической сварки под слоем флюса неоправданно в связи с малыми толщинами свариваемых элементов (продольные и кольцевые швы обечаек, швы крыши), и короткими швами днища.

4. Сварочные материалы

Присадочный материал и другие вещества, используемые при сварке плавлением, с целью получения непрерывного, неразъемного соединения, удовлетворяющего определенным требованиям, принято называть сварочными материалами. К сварочным материалам относятся:

1 сварочная проволока;

2 плавящиеся покрытые электроды;

3 различные флюсы;

4 защитные (активные и инертные) газы.

Указанные материалы должны обеспечить требуемые геометрические размеры, свойства сварного шва; хорошие условия ведения процесса сварки; высокую производительность и экономичность процесса;

необходимые санитарно-гигиенические условия труда при их производстве и сварки. Это достигается тем, что сварочные материалы участвуют:

а) В защите расплавленного металла в зоне протекания металлургических процессов, а в некоторых случаях и нагретого твердого металла от вредного действия атмосферного воздуха в течение всего процесса сварки;

б) В регулировании химического состава металла шва путем его легирования и раскисления;

в) В очистке (рафинировании) металла шва - удаление серы, фосфора, включений окислов и шлаков;

г) В очистке металла шва от водорода и азота.

От правильно выбранных материалов для сварки: сварочной проволоки, газа и т.д., зависит прочность сварных соединений, работоспособность при различных нагрузках в процессе эксплуатации конструкции в целом. 

Для ручной дуговой сварки выбираем электроды типа Э-42А марки: УОНИ13/45 Ш 3 мм. Электроды фтористо-кальциевого типа по ГОСТ 9466-75, ГОСТ 9467-75.

Назначение и область применения электрода

Сварка особо ответственных конструкций из низколегированных сталей с временным сопротивлением разрыву до 410 МПа, когда к металлу сварных швов, предъявляются повышенные требования по пластичности, ударной вязкости и стойкости к образованию трещин, при нормальной и пониженной температурах.

Фтористо-кальциевые покрытия состоят из карбонатов кальция и магния, плавикового шпата и ферросплавов. Покрытия называются также основными, так как дают короткие шлаки основного характера, а электроды с таким покрытием называются также низководородистыми, так как наплавленный металл содержит водорода меньше, чем при других покрытиях. Газовая защита ванны обеспечивается двуокисью и окисью углерода, образующимися при разложении карбонатов под действием высокой температуры. Электроды чаще используются на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде).
Наплавленный металл по составу соответствует спокойной стали, отличается чистотой, малым содержанием кислорода, азота и водорода; понижено содержание серы и фосфора, повышено — марганца (0,5-1,5%) и кремния (0,3-0,б%). Металл устойчив против старения, имеет высокие показатели механических свойств, в том числе ударной вязкости, и нередко по механическим свойствам превосходит основной металл. Электроды с этим покрытием рекомендуются для наиболее ответственных конструкций из углеродистых и легированных сталей.

Электроды с фтористо-кальциевым покрытием на протяжении многих лет являются наилучшими по качеству наплавленного металла. Чувствительны к наличию окалины, ржавчины, масла на кромках основного металла и в этих случаях дают поры, как и при отсыревании электродов. Свойства наплавленного металла можно менять в широких пределах, меняя количество ферросплавов в покрытии.
Таблица 4.1 - Компоненты покрытия электродов УОНИ13/            в процентах

Компоненты	УОНИ-13/45	УОНИ-13/55	УОНИ-13/55	УОНИ-13/85
Мрамор	53	54	51	54
Плавиковый шпат	18	15	15.5	15
Кварц	9	9	8	—
Ферромарганец	2	5	7	7
Ферросилиций	3	5	3	10
Ферротитан	15	12	15.5	9
Ферромолибден	—	—	—	5

 

Назначение отдельных компонентов покрытия УОНИ-13 может быть объяснено следующим образом. Основная составная часть мрамор СаСО₃ при нагревании разлагается на окись кальция СаО, идущую в шлак, и газ СО₂, частично восстанавливающийся до СО. Двуокись углерода СО₂ производит окисляющее действие и связывает водород, попавший в зону сварки в водяной пар H₂O. Газы СО₂, и СО практически нерастворимы в металле. СО₂ заполняет зону сварки, вытесняя из нее воздух и создавая защитную атмосферу. Окислительное действие СО₂ на металл компенсируется наличием сильных раскислителей в сварочной ванне. Плавиковый шпат СаF₂ снижает температуру плавления и вязкость шлака. При нагревании СаF₂ частично разлагается, освобождающийся фтор образует с водородом очень прочный фтористый водород, не растворяющийся в металле.
Покрытие негигроскопично, не включает компонентов, содержащих водород, и при изготовлении прокаливается при температуре 300-400° С. В результате содержание водорода в наплавленном металле сводится к минимуму, устраняя источник образования пор и трещин, оно в несколько раз меньше, чем при рудно-кислых покрытиях. Кварц вводят в покрытие для разжижения шлака и уменьшения выгорания кремния в металле. Ферромарганец и ферросилиций вводят для легирования металла. Ферротитан с содержанием около 23% Ti вводят как сильный раскислитель и модификатор наплавленного металла; титан в процессе сварки выгорает почти полностью и в составе наплавленного металла практически не обнаруживается.

Согласно ОСТ 26.291-94, для сварки в среде углекислого газа выбираем сварочную проволоку Св-08Г2С ГОСТ 2246-70.

Таблица 4.2 - Химический состав Св-08Г2С ГОСТ 2246-70                     в процентах

C	Mn	Si	Сr	Тi	Ni	P	S
0,05-0,11	1,8 – 2,1	0,7 – 0,95	0,2	0,05-0,12	0,3	0,03	0,025

 

Электродная проволока при механизированной сварке в среде углекислого газа является одним из основных элементов определяющих качество шва. Сварочная проволока служит для подвода электрического тока в зону сварки. Кроме того, сварочная проволока, расплавляясь в процессе сварки, служит дополнительным металлом, участвующим в образовании шва.

При температурах, близких к температуре кристаллизации, протекает реакция раскисления сварочной ванны с углеродом.

[FeO] + [C] = [Fe] + (CO)

 

Таблица 4.3 - Механические свойства проволоки Св-08Г2С

Свойства металла шва				Назначение Сварка углеродистых и низколегированных сталей
σв, МПа	Δ, %	KCU, Дж/смІ
		20˚С	-20˚С
540	20	90	40

 

Продукт реакции газ СО в металле не растворяется и не образует с ним химических соединений, но т.к. он образуется в кристаллизующейся ванне, то не успевает уйти в атмосферу, захватывается растущими кристаллами и приводит к образованию углеродистых пор в металле шва. Для предупреждения углеродистых пор в металле шва необходимо иметь Si не менее 0,5%.

Для предупреждения кристаллизационных трещин, вызываемых серой, необходимо присутствие Mn в соотношении с S 20...25.

В сочетании с данной проволокой выбираем углекислый газ, сварочный по ГОСТ 8050-85 (двуокись углерода, углекислота) - бесцветный, со слабым запахом, с резко выраженными окислительными свойствами.

Двуокись углерода нетоксична, невзрывоопасна. Однако при концентрациях более 5% (92г/м³), двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как она тяжелее воздуха в 1,5 раза и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола и в приямках, а также во внутренних объемах оборудования. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явления кислородной недостаточности и удушья. Предельно допустимая концентрация двуокиси углерода в воздухе рабочей зоны 9/2 г/м³ (0,5%)

Углекислый газ (СО₂) обладает следующими характеристиками:

- молекулярная масса...........................………………………………….....44

- плотность (кг/м³) при 20°С ....................…………………………..….1,977

- нормальная температура кипения, °С............………………………....78,9

- теплопроводность, кал/(см * с * °С)............……………………….038 х10^-4

- удельная теплоемкость при 2000 °С, кал/г.......……………………...0,328

- наименьший потенциал ионизации, В.............………………………..14,3

В соответствии с ГОСТ 8050-85 двуокись углерода выпускают трех марок (состав в %): сварочную - 99,5, пищевую - 98,8, техническую - 98,5. Для сварки использовать техническую двуокись углерода не разрешается. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа.

 

Таблица 4.4 -Физико-химические показатели ГОСТ 8050-85                 в процентах

 

Наименование показателя	Норма
Содержание двуокиси углерода  99,5 (СО2), об не менее	99,5
Содержание водяных паров при 20°С и 101,3 кПа г/м3	0,184
Содержание минеральных веществ, мг/кг не более	0,1

     Для использования в качестве флюсовой подушки выбираем флюс марки

АН-348А ГОСТ 9087-81.

Назначение: механизированная дуговая сварка и наплавка изделий широкой номенклатуры из углеродистых и низколегированных сталей.