AKADEMIA TECHNICZNO-ROLNICZA

IM. J.J. ŚNIADECKICH

W BYDGOSZCZY

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Praca projektowa z Elementów Technologii Spajania

Temat: Technologia wykonania konstrukcji

spawanej - belki skrzynkowej

Arkadiusz Rosiak

St. dzienne MGR

Semestr IX

Grupa A

Bydgoszcz 15.02.2004

Projekt obejmuje wykonanie belki skrzynkowej z materiału: stal 10H. Wymiary belki:

L=4500 mm

h=370 mm

b1=270 mm

b2=220 mm

Ze względu na znaczną długość elementu (4500 mm) do prac spawalniczych zostanie wykorzystany robot przemysłowy. Aby w pełni zautomatyzować proces spawalniczy, robot będzie się znajdował w stanie nieruchomym, jedynie operacje kiścią będą sterowane numerycznie.

Do transportu elementu będzie służyć ruchoma obrotnica. Oprócz elementów łożyskujących, umożliwiających obrót elementu dookoła własnej osi, będzie ona przesuwana wzdłużnie na maksymalną długość 5000 mm. Przesunięcie będzie możliwe za wykorzystaniem silnika oraz prostej przekładni z której moment jest przekazywany za pomocą sprzęgła. Za silnik posłuży nam rozrusznik samochodowy do samochodu osobowego Daewoo Nubira.

Zgodnie z zawartą umową zobowiązany jestem do wykonania 30 konstrukcji skrzynkowych - belek mostowych. Każda z konstrukcji wykonana musi być zgodnie z obowiązującymi normami i w odpowiedniej klasie konstrukcji.

Materiał 10H

W celu wykonania konstrukcji wykorzystano stal niskostopową o podwyższonej odporności na korozję: 10H. Skład stali 10H jest następujący:

C 0,07 - 0,14

Mn 0,35 - 0.65

Si 0,15 - 0,4

P (max) 0,04

S (max) 0,04

Cr (max) 0,3

Ni (max) 0.3

Cu (max) 0,3

Molibden 0,10

SPAWALNOŚĆ STALI

W zespole właściwości charakteryzujących materiały przeznaczone na konstrukcje spawane istotne miejsce zajmuje właściwość szczególna, określająca przydatność materiału do spawania - spawalność.

Spawalność należy zaliczyć do trudniejszych do zdefiniowania pojęć technicznych z uwagi na to, że określenie to obejmuje zespół czynników, których wspólne oddziaływanie decyduje o przydatności danego materiału do wykonania określonej konstrukcji spawanej.

Spajalność 10H

Znając skład chemiczny stali oceniono jej przydatność do spawania zwaną spawalnością. Stopień zdolności materiału do zachodzania dobrych właściwości mechanicznych po procesie spawania określa się obliczając tzw. równoważnik węgla Ce. Spawalność określa zdolność materiału do zachowania dobrych własności mechanicznych po procesie spajania.

Spawalność zależna od składu chemicznego stali jest możliwa do ocenienia za pomocą rownoważnika węgla Ce - jeżeli zawartość węgla nie przekroczy 0.20%, można mówić o dobrej spajalności stali. Stale z rodziny 10H (podwyższonej wytrzymałości na korozję) są dość dobrze spawalne, jak większość stali niskostopowych. Jednakże spawalność zależy od szeregu czynników i zajmowanie się samym zgładem albo strukturą może być bardzo mylne.

` Wartość równoważnika węgla mówi nam o spawalności stali. Gdy jego wartość jest niższa niż 0,45, można uznać że stal jest ogólnie dobrze spawalna, w aspekcie dostępnych nam technologii.

Jeżeli otrzymamy wynik wyższy niż 0,45, taką stal należy albo podgrzać przed spawaniem, albo wyżarząć po spawaniu (szczególnie dotyczy to stali o podwyższonych wytrzymałościach). Równoważnik obliczamy ze wzoru:

Analizując otrzymany wynik dochodzimy do wniosku, że stal należy do dobrze spawalnych, gdyż CE wynosi w tym przypadku 0,3083(3) << 0,45

Analizując cykl cieplny stali 10H należy wziąć pod uwagę wykresy spawalnicze dotyczące przemian austenitu czyli CTPc-S (czas, temperatura, przemiana ciągła spawania). Badania dylatometryne oraz magnetyczne dostarczyły danych do wykonania ów wykresów. Można z nich odczytać początek oraz koniec przemiany austenitu, przyjmując dane warunki chłodzenia. Dla podanej stali 10H wykresy zostały sporządzane przy pomocy programu ekspertowego SPAW-EXPERT. Temperaturę t800-500 możemy określić przy pomocy wykresów CTPc-S, bądź namogramów. Idąc dalej z wykresów CTPc-S oraz aplikacji SPAW-EXPERT można odczytac strukturę stali przy danym chłodzeniu.

Do procesu spajania wykorzystamy maszynę pozwalającą spawać drutem elektrodowym w otoczeniu Ar+1% O2. Jest to metoda doskonale nadająca się do sterowania numerycznego (za pomocą komputera), gdyź możemy w łatwy regulować parametry spawania, począwszy od prędkości wysuwania drutu, poprzez prędkość spawania, co w wyniku odpowiednich nastawów powoduje, że metoda GMA, jest bardzo wysoka wydajnościowo. Znając energię liniową źródła prądu, oraz wiedząc że spawany element będzie bez wstępnego podgrzania (temperatura początkowa to=20 C), jesteśmy w stanie wyznaczyć za pomocą namogramu wyznaczyć czas t800-500 (s). Przy pomocy oprogramowania ekspertowego SPAW-EXPERT, jesteśmy w stanie przeanalizować skład naszej stali i znając szereg wielkości wywnioskować jej przydatność w procesie spajania.

Rys. Stanowisko półautomatyczne do wykonywania belek skrzynkowych

Rys. Namogram do określania czasu t _8-5 przy spawaniu w osłonach

W celu uzyskania temperatury t _800-500 należy w pierwszej kolejności na namogramie połączyć wizualnie temeraturę początkową (w naszym przypadku to=20C) oraz grubość blachy, jaką zamierzamy spajać.

Następnie prowadzimy linię od przecięcia się poprzesniej z osią, która nie zawiera żadnych wartości i prowadzimy ąż do danej energii liniowej - w naszym przypadku E=20. W ten oto sposób uzyskaliśmy temperaturę przemiany austenitu dla danego przypadku.

Jest również inna metoda korzystania z namogramu, przy danych innych zmiennych, ale w naszym przypadku - nieprzydatna.

Rys. Wpływ rodzaju mieszanki gazu ochronnego na kształt ściegu spoiny pachwinowej przy spawaniu GMA złącza teowego

Wychodząc z założenia, że q₁=g₂=q₃=q₄ = ok. 20 kJ/cm oraz grubość blachy g=12 mm pozwala nam to dobrać parametry spawania na postawie norm technologicznych oraz pozycji Andrzeja Klimpela „Technologie: spawanie, zgrzewanie, cięcie metali” dla spawania metodą GMA.

Warunki technologiczne spawania GMA łukiem natryskowym złączy teowych blach ze stali niskowęglowych i niskostopowych:

Energia liniowa 20 kJ/cm

Grubość spoiny 7 mm

Grubość blachy 12 mm

Pozycja spawania korytkowa

Liczba ściegów 1

Długość boku spoiny 8,0 mm

Natężenie prądu 450 A

Prędkość podawania drutu 42 mm/s

Napięcie łuku 28 V

Prędkość spawania 0,30 m/min

Zużycie drutu na 1 ścieg 0,167 kg/m

Łączne zużycie drutu 0,668 kg/m

Czas główny spawania na 1 ścieg 15 min

Łączny czas główny spawania 60 min + czas czynności przygotowawcze

Spawanie prądem stałym z biegunowością dodatnią drutem o średnicy 2,4 mm. Jako gaz ochronny Ar + 5 % O₂ o natężeniu przepływu 20-25 l/minutę.

Połączenia powinny być wykonywane starannie, aby nie było widocznych niedoróbek w strukturze. Wszystkie spoiny odpowiedzialne, czyli łączenia, którymi się łączy np. teowniki, albo inne kątowniki, stosowane później w odpowiedzialnych konstrukcjach. Bardzo ważna jest ocena okiem nieuzbrojonym. Należy wyłapywać wszelkie nierówności, garby oraz inne zmiany. Wszystkie tego typu zmiany mogą być w najmniej oczekiwanym momencie inicjatorem, pęknięć czy działań dynamicznych niepożądanych i niebezpiecznych.

Żeby temu zapobiec zastosowano stanowisko półautomatyczne, zrobotyzowane. Istotą tego stanowiska, jest zapewnienie odpowiednich nastawów i stałej orientacji kiści spawającej zaleconych przez normatywy.

Rys. Zalecane ustawienie i prowadzenie palnika względem złącza przy spawaniu GMA (spawanie półautomatyczne)

Spawanie z użyciem robota przemysłowego Irb-60 oraz płynne podawanie materiału stanowi poważne udogodnienie w pracach spawalniczych, oraz zapewnia jakże pożądaną powtarzalność spawanych elementów. Zastosowanie zmechanizowanego stanowisko powala uzyskać wyższą jakość spoiny niż spod ręki zawodowego spawacza.

OBLICZENIE WZDŁUŻNYCH ODKSZTAŁCEŃ KONSTRUKCJI

Współrzędne środka ciężkości przekroju:

x_c=12,5 cm y_c=17,5 cm

Momenty bezwładności przekroju poprzecznego

Powierzchnia całkowita przekroju poprzecznego belki wynosi

Dane wejściowe:

dla stali 18G2A(niskostopowa o podwyższonej wytrzymałości)

α_p=12-16·10⁶[1/K], c·ρ=4,9-5,2[J/(cm³K)]

Obliczenia:

1)

- odkształcenia w wyniku wykonania spoiny 1

- krzywizna względem x_d

- krzywizna względem y_c

- odkształcenia wstępne w strefie spoiny 2 w wyniku wykonania spoiny 1

- współczynnik B

- w oparciu o współczynnik B określamy współczynnik m_B2

2)

- odkształcenia po wykonaniu spoiny 1 i 2

3)

- odkształcenia po wykonaniu spoiny 1 , 2 i 3

4)

- odkształcenia po wykonaniu spoiny 1 , 2 , 3 i 4

Całkowite skrócenie belki w wyniku wykonania spoin wynosi:

Strzałka ugięcia belki

PN-EN 729-2:1997- Spawalnictwo. Spawanie metali. Pełne wymagania dotyczące jakości w spawalnictwie

PN-EN ISO 13916:1999 - Spawalnictwo. Spawanie. Wytyczne pomiaru temperatury podgrzania, temperatury międzyściegowej i temperatury utrzymania

Literatura

[1] Eugeniusz Ranatowski „Elementy fizyki spajania.”

[2] Eugeniusz Ranatowski „Podstawy fizyczne spajania”

[3] Andrzej Klimpel „Technologie: spawanie, zgrzewanie i cięcie metali”

KARTA TECHNOLOGICZNA

Przedmiot: Belka skrzynkowa.

Energia liniowa [kJ/cm]	Grubość spoiny	Grubość blachy [mm]	Pozycja spawania	Ilość ściegów	Dlugość brzegów spoiny [mm]	Natężenie prądu [A]	Prędkość spawania drutu [mm/s]	Napięcie łuku [V]	Prędkość spawania [m/min]
20	7	12	korytkowa	1	8	450	42	28	0,30

Metoda spawania: Spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie - GMA

Drut: OK TUBROD 14.01 drut proszkowy o rdzeniu metalowym do spawania stali o normalnej i podwyzszonej wytrzymałosci.

Gaz ochronny:Ar + O₂

Biegunowość: (+)

Kolejność czynności:

1. Zmontować elementy stalowe wg zamierzonego kształtu finalnego.

2. Zamknąć obrotnicę.

3. Wykonać spoiny czepne metodą pierwotną (GMA)

4. Przystosować robota, jego kiść i maszynerię do warunków pracy.

5. Załączyć rozrusznik i wykonać spoinę wzdłużną (GMA).

6. Ręcznie wycofać stół.

8. Obrócić obrotnicę o 90^o

9. Ponowić 3-krotnie czynnośći 5-8.

10. Zdemontować element, wyłączyć robota.

Interfejs

Panel sterowan.a

Szafa sterująca

Mechanizm przemieszczający element wraz z obrotnicą

Komputer osobisty

Robot przemysłowy IRB-60

Element spawany

Silnik, sprzęgło, przekładnia

---