2.1. Анализ конструкции изделия на технологичность

2.1.1. Общие сведения

Перед разработчиками новых изделий ставится задача не только обеспечения требуемого технического уровня, но и максимально возможного снижения затрат трудовых, материальных и энергетических ресурсов на его проектирование, изготовление, техническое обслуживание и ремонт. Величина затрат характеризуется рядом свойств изделия, которые в совокупности представляют собой технологичность конструкции изделия.

Согласно ГОСТ 14.205-83 «Технологичность конструкции изделия есть совокупность свойств конструкции изделия, определяющих её приспособленность к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объёма выпуска и условий выполнения работ».

Анализ технологической рациональности конструкции в сварочном производстве должен проводится с позиции следующих основных требований:

1) Требований к основному материалу с оценкой его свариваемости;

2) Требований к характеру конструкции;

3) Требований к способу получения неразъёмных соединений;

4) Требований к сварным соединениям;

5) Требований к точности изготовления изделия и величине остаточных сварочных напряжений и деформаций.

2.1.2 Анализ целесообразнсти используемого материала изделия

Правильность выбора материала является одним из основных вопросов при проектировании сварных конструкций, поскольку материал определяет работоспособность изделия, технологию его изготовления, стоимость изделия.

С учётом предъявляемых требований, технологических свойств и стоимости для изготовления сварной балки возможно и предпочтительно применение углеродистых сталей.

Углеродистая сталь является основным металлическим материалом промышленности. Углеродистая сталь промышленного производства- сложный по химическому составу сплав. Кроме основы железа, в ней имеется рад элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), либо невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными примесями (хром, никель, медь и др.). В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей. Однако один элемент, а именно - углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому при малом содержании всех прочих возможных примесей основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава железа, является углерод. Углерод является основным легирующим элементом в углеродистых конструкционных сталях и определяет механические свойства этой группы. Повышение его содержания усложняет технологию сварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения без дефектов/2/.

Углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (С=0,09..0,25%), среднеуглеродистые (С=0,25..0,46%) и высокоуглеродистые(С=0,46..0,75%). Низкоуглеродистые стали чаще применяют в строительстве; среднеуглеродистые – в машиностроении; высокоуглеродистые – в инструментальном производстве.

Химический состав стали или сплава на производстве определяется по плавочной (ковшевой) пробе, отбираемой при разливке стали в соответствии с ГОСТ 7565-81, а химический состав и марка стали проката – по сертификату металлургического завода.

По степени раскисления сталь изготавливают кипящей, спокойной и полуспокойной (соответствующие индексы «кп», «сп» и «пс»). Кипящую сталь, содержащую не более 0,07% Si, получают при неполном раскислении металла. Сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околшовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах. В спокойной стали, содержащей не менее 0,12% Si, распределении серы и фосфора более равномерно. Эти стали менее склонны к старению. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталью. /3/.

По качеству конструкционная сталь делится на группы: обыкновенного качества, качественная, высококачественная, особовысококачественная.

Качество стали определяется содержанием вредных примесей.

Основные вредные примеси - это сера и фосфор. Так же к вредным примесям относятся газы (азот, кислород, водород ).

Сталь обыкновенного качества – сталь широкого потребления, идет для строительных конструкций, крепежных деталей, листового проката, заклепок, труб, арматуры, мостов, профильного проката.

Качественная сталь идет для деталей, требующих более высокой пластичности, сопротивления удару, работающих при повышенных давлениях: для зубчатых колес, труб, винтов, болтов, для деталей, подлежащих цементации, для сварных изделий.

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешёвые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, листы, трубы и поковки.

Кипящие стали, содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30-40 ^ºС выше, чем спокойные стали. Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные стали.

С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке/2/.

Низкоуглеродистые стали обыкновенного качества более чувствительны к надрезу, чем качественные стали.

Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, содержание углерода должно быть снижено до 0,2% (во избежание образования трещин в сварном шве и его охрупчивания). Рассмотрим наиболее подходящие по механическим свойствам и химическому составу стали - Ст2сп; ВСт3сп. Химический состав выбранных материалов приведен в таблице 3.1.

Таблица 2.1.1 – Химический состав сталей

Марка стали	C	Si	Mn	Cr	Ni	As	Cu	S		P
				Не более
Ст2сп	0,09-0,15	0,15-0,30	0,25-0,50	0,30	0,30	0,08	0,30	0,05	0,040
ВСт3сп	0.14 - 0.22	0.05 - 0.17	0.4 - 0.65	до 0.3	до 0.3	до 0.08	до 0.3	до 0.05	до 0.04

Механические свойства сталей приведёны в таблице 3.2

Таблица 2.1.2 – Механические свойства

Марка стали	Вид поставки	НД	0,2 Н/мм2	В Н/мм2	δ %
Ст2сп	Лист (х/к)	ГОСТ 1050-74	225	300-380	26
ВСт3сп	Лист (х/к)	ГОСТ 1050-74	215	330-400	24

Для изготовления сварной балки в рассмотренных вариантах наиболее приемлемым является выбор материала ВСт3сп, который имеет преимущества: более высокие механические характеристики и меньшее содержание серы, что повышает надёжность изделия и уменьшает вероятность образования горячих трещин.

Данная сталь относится к первой группе по свариваемости. Сварные соединения из этих сталей отличаются высоким качеством, получаются без применения дополнительных приёмов. Заготовки для элементов балки изготовляются из листового проката термической резкой и не нуждаются в дальнейшей механической обработке. Все сварные соединения располагаются симметрично, отсутствует скопление сварных швов в одном месте, имеется хороший доступ к местам сварки и для выполнения контрольных операций. Сварная балка позволяет применять высокопроизводительные способы сборки и сварки с применением прогрессивного оборудования и не требует высокой квалификации основных рабочих. Все выше сказанное позволяет сделать вывод, что спроектированная сварная балка является технологичной.

ВСт3сп обладает хорошими технологическими свойствами/1/.

Таблица 2.1.3 - Механические свойства при Т=20^oС стали ВСт3сп /1/

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Прокат горячекатан.	до 20		370-480	245	26			Состояние поставки
Прокат горячекатан.	20 - 40			235	25			Состояние поставки

sв	- Предел кратковременной прочности, [МПа]
sT	- Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5	- Относительное удлинение при разрыве, [ % ]
y	- Относительное сужение, [ % ]
KCU	- Ударная вязкость, [ кДж / м2]

Таблица 2.1.4 - Физические свойства стали ВСт3сп /2/

T Град	E 10-5 МПа	a106 1/Град	l Вт/(м·град)	r кг/м3	C Дж/(кг·град)	R 109 Ом·м
20	2.13		52	7859
100	2.08	11.6	50.6	7834	486	219
200	2.02	12.6	48.6	7803	498	292
300	1.95	13.1	46.2	7770	514	381
400	1.87	13.6	42.8	7736	533	487
500	1.76	14.1	39.1	7699	555	601
600	1.67	14.6	35.8	7659	584	758
700	1.53	14.8	32	7617	636	925

T	- Температура, при которой получены данные свойства, [Град]
E	- Модуль упругости первого рода , [МПа]
a	- Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o - T ) , [1/Град]
l	- Коэффициент теплопроводности (теплоемкость стали) , [Вт/(м·град)]
r	- Плотность стали , [кг/м3]
C	- Удельная теплоемкость стали (диапазон 20o - T ), [Дж/(кг·град)]
R	- Удельное электросопротивление, [Ом·м]