Технология сварки корпуса телескопа из сплава АМг3

Содержание 

Введение

1. Описание конструкции  изделия и условий его эксплуатации

1.1 Описание конструкции  изделия

1.2 Обоснование выбора  материала, его основные свойства

1.2.1. Основные физико-химические  и механические свойства сплава  АМг3

2. Оценка свариваемости сплава АМг3

2.1 Металлургическая свариваемость

2.2. Тепловая свариваемость

3. Разработка директивного  технологического процесса сборки  и сварки корпуса

3.1. Расчет параметров  режима сварки

3.2. Выбор оборудования  и разработка сборочно-сварочной  оснастки

3.3. Выбор способа контроля  сварных соединений и метода  испытаний готового 

изделия

3.4. Разработка директивной  технологии

Заключение

Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

          Сварка – это получение неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. [ГОСТ 2601-84]

          В условиях современного производства  сварка является одним из ведущих  технологических процессов обработки  металлов. Изготовление приборов, аппаратов, машин, инженерных сооружений, немыслимо без применения сварки и близкого к ней технологического процесса термической резки.

Дуговая сварка в среде защитных газов является одним из широко применяемых технологических процессов в машиностроении.

Сущность процесса сварки в среде защитных газов неплавящимся и плавящимся электродами такова. В первом случае электрическая дуга возбуждается между вольфрамовым или угольным электродом и основным металлом и горит в среде защитного газа. Для заполнения разделки в дугу подается присадочная проволока.

При сварке плавящимся электродом электрическая дуга горит в среде защитного газа между сварочной проволокой и основным металлом. Проволока подается механически с постоянной скоростью или переменной, зависящей от напряжения дуги.

Дуговая сварка обладает значительным преимуществом по сравнению с ранее применявшимся в строительстве соединением частей конструкций при помощи клепки: уменьшается расход металла, повышается производительность труда, сокращаются сроки строительства и его стоимость. Развитию процесса сварки уделяется большое внимание.

 

 

 

 

 

1. Описание конструкции  изделия и условия его эксплуатации

1.1 Описание конструкции  изделия

Корпус, рассматриваемый в данном курсовом проекте, является составной частью телескопа и предназначен для работы в условиях открытого Космоса.  Корпус состоит из обечайки 2, к которой с одной стороны приваривается фланец 1, а с другой стороны – полусфера 3 (рис. 1.1).

Рис.1.1 – Корпус: 1- фланец, 2- обечайка, 3- полусфера

Рассматриваемый корпус является частью телескопа, работающего на орбите планеты, и будет эксплуатироваться при следующих условиях:

1. Давление глубокого космического вакуума ( сверх глубокий вакуум на h=30000км, p= 2,5·10-11 Па);

2. Высокие температуры на этапе выведения на орбиту и сверх низкие космического пространства (от +150 до –100 оС);

3. Радиационное воздействие – электромагнитные и корпускулярные излучения;

4. Материал должен быть высокотехнологичным, обладать наименьшим склонностям к дефектам;

5. Высокая удельная прочность (обеспечение наименьшего веса конструкции при высокой механической прочности).

Исходя из рассмотренных условий эксплуатации изделия, к нему будут предъявляться следующие требования:

1. Высокая удельная прочность и хорошая свариваемость;
2. Герметичность сварных соединений.

 

1.2. Обоснование выбора материала, его основные свойства

 

Исходя из основных требований, предъявляемых к изделию, для его изготовления целесообразно использовать алюминиевые сплавы, так как они легко обрабатываются давлением (штамповка, гибка), имеют высокую теплопроводность, хорошо свариваются и обладают хорошей коррозионной стойкостью, высокой механической прочностью при относительной низкой плотности металла.

В литературе отмечается, что этот материал, имея высокую прочность и жесткость, может десятилетиями работать в космических условиях практически без ухудшения механических свойств. К главному недостатку данного материала можно отнести высокий коэффициент расширения.

Исходя из условий эксплуатации, из алюминиевых сплавов для изготовления конструкции наиболее предпочтительно использовать сплав АМг3, который обладает высоким комплексом механических свойств в сочетании с хорошей свариваемостью.

 

 

 

 

1.2.1. Основные физико-химические и механические свойства сплава АМг3

Основные механические и физические свойства сплава АМг3 представлены в таблицах 1.2.1. и 1.2.2.

Таблица 1.2.1. Химический состав сплава АМг3 ( в масс. %) (по ГОСТ 4784 – 97)

Аl	Mg	Si	Mn	Fe	Ti	Cu	Zn	Cr	Примесей
Осн.	3,2-3,8	0,5-0,8	0,3-0,6	до 0,5	до 0,1	до 0,1	до 0,2	до 0,05	Прочие, каждая 0,05; всего 0,1

 

Таблица 1.2.2. Механические и физические свойства сплава АМг3 (по ГОСТ 4784 – 97)

Плотность r  , кг/м3 (при Т=200)	2620
Температура плавления Тпл, ° С	658
Коэффициент линейного расширения a  ×  10–6, град-1 (диапазон 200 -1000)	23,5
Теплопроводность l , Вт/(м × град)	151
Предел прочности при растяжении s в, МПа	165–245
Условный предел текучести s  0,2, МПа	59–69
Относительное удлинение при разрыве  δ5 (%)	7-15
Удельная теплоемкость материала C (Дж/(кг*град)) (Т=1000)	820
Удельное электросопротивление R( Ом*м)( Т=200)	49,6*109
Твердость по Бринеллю (МПа)	45

 

Упрочнение сплавов достигается в результате образования твердого раствора и в меньшей степени избыточных фаз.

Структура сплава представляет собой α-твердый раствор с включением интерметаллической β-фазы (Mg5Al8). При этом содержание магния в сплаве порядка 7% позволяет измельчить микрозерна, что делает структуру однородной и мелкозернистой. Диаграмма состояния  Al – Mg представлена на рисунке 1.2.1.

Сплавы, содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке. Вследствие этого сплавы типа АМг упрочняют с помощью пластической деформации и используют в нагартованном (АМгН 80 % наклёпа) и полунагартованном (АМгП — 40 % наклёпа) состояниях.

Рис. 1.2.1. Диаграмма состояния Al-Mg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Оценка свариваемости сплава АМг3

Определение свариваемости по ГОСТ 29273-92: Металлический материал считается поддающимся сварке до установленной степени при данных процессах и для данной цели, когда сваркой достигается металлическая целостность при соответствующем технологическом процессе, чтобы свариваемые детали отвечали техническим требованиям, как в отношении их собственных качеств, так и в отношении их влияния на конструкцию, которую они образуют.

Под технологической свариваемостью понимают возможность получения сварного соединения требуемого качества в условиях принятого технологического процесса. Технологическая свариваемость данного металла тем выше, чем больше число применяемых к нему способов сварки, проще их технология и шире пределы допускаемых режимов сварки, обеспечивающих заданные показатели качества сварного соединения. Технологическая свариваемость зависит от свойств свариваемых материалов; от способа и режима сварки; от конструктивных особенностей свариваемого изделия (габаритов, массы); условий последующей эксплуатации изделия.

Технологическую свариваемость целесообразно разделять на тепловую и металлургическую. Тепловая свариваемость — реакция металла на тепловые воздействия в принятых условиях сварки. Металлургическая свариваемость — поведение металла в сварочной ванне и изменение его свойств в результате взаимодействия с окружающими газами и шлаками, а также кристаллизации в условиях сварочного процесса.

Такая дифференцированная оценка технологической свариваемости позволяет инженеру-технологу выбрать оптимальный технологический вариант выполнения сварного соединения.

Оценка тепловой свариваемости важна для выбора оптимального термического цикла сварки, то есть источника теплоты и режимов. Точно так же оценка металлургической свариваемости необходима для выбора средств защиты и металлургической обработки ванны. Поэтому оценку свариваемости следует проводить применительно к определенным условиям сварки. В связи с этим можно говорить об удовлетворительной или неудовлетворительной свариваемости того или иного металла в условиях принятого технологического процесса и даже принятых режимов сварки.

 

2.1. Металлургической свариваемость

В сварочной ванне АМг3 взаимодействуют с газами и шлаками. Металлургические особенности сварки определяются взаимодействием их с газами окружающей среды, интенсивностью испарения легирующих элементов, а также особенностями кристаллизации в условиях сварочного процесса.

Магний увеличивает растворимость водорода в алюминии, поэтому к пористости при сварке АМг3 объясняется другим механизмом образования пор, не таким как в чистом алюминии. На поверхности сплавов, содержащих магний, присутствует окисная пленка, состоящая из окислов Al2О3 и MgO. Такая пленка имеет большую толщину, меньшую плотность из-за дефектов её строения и больший запас влаги, чем пленка Al2O3.

В процессе сварки при расплавлении основного и присадочного металлов часть влаги, содержащейся во внутренних дефектах пленки, не успевает прореагировать. Попадающие  в ванну частицы пленки содержат остатки влаги, которая разлагается с выделением водорода. Образовавшийся водород в дефектах пленки переходит в молекулярную форму и затем выделяется в жидком металле ванны в вид пузырьков, минуя стадию растворения.

При таком механизме образования пор в качестве уменьшения пористости, кроме обычных мер (применение рациональной обработки поверхности проволоки и основного металла, сокращение удельной поверхности проволоки), так же  эффективной мерой борьбы становится ужесточение режимов. Однако при ужесточении режимов возникает опасность увеличения давления водорода в несплошностях, что затрудняет выполнение многослойных швов и подварку.

Способность этих сплавов образовывать пористость в зонах термического воздействия связывается с наличием в слитках молекулярного водорода. После обработки таких слитков (прессования или прокатки) в металле образуются несплошности в виде каналов или коллекторов, в которых водород находится под высоким давлением. Для проверки качества металла, предназначенного для сварки, рекомендуется проводить специальную пробу. Многолетняя статистика брака сварных конструкций позволяет установить, что одним из основных дефектов (~48 %) при сварке алюминиевых и магниевых сплавов является газовая пористость.

Исследования взаимодействия Аl и Mg с различными газами показали, что наибольшую растворимость в них имеет водород. Так, анализ газов в Аl при температуре 1200°С показал следующее соотношение: 78 % Н, 12 % СО, 4 % СO2, 6 % N.

Частицы окисной пленки, попавшие в ванну, а также часть пленок с поверхности основного металла, не разрушенных в процессе сварки, могут образовывать окисные включения в швах, снижающие свойства соединений. Для осуществления сварки должны быть приняты меры по разрушению и удалению пленки и защите металла от повторного окисления. С этой целью используют специальные сварочные флюсы или сварку осуществляют в атмосфере инертных защитных газов.

Введение в алюминий 0,5…0,7 % Mg резко повышает склонность сплава к трещинообразованию (~65 %). В дальнейшем характеристика (К) снижается и стабилизируется на уровне 30% при 6…7% Mg. 

При сварке алюминевых сплавов рекомендуется:

1) Окисная пленка на поверхности алюминевых сплавов затрудняет процесс сварки. Обладая высокой температурой плавления (2050°С) она не растворяется в жидком металле в процессе сварки. Попадая в ванну, она затрудняет сплавление между собой частиц металла и ухудшает формирование шва. Необходимо удалить окисную пленку с поверхности металла перед сваркой.

2) Необходима самая тщательная  химическая очистка сварочной  проволоки и механическая очистка  и обезжиривание свариваемых  кромок. В связи с резким повышением  растворимости газов в нагретом  металле и задержкой их в  металле при его остывании  возникает интенсивная пористость, обусловленная водородом, приводящая к снижению прочности и пластичности металла. Предварительный и сопутствующий подогрев замедляет кристаллизацию металла сварочной ванны, что способствует более полному удалению газов и снижению пористости.

3) Для предотвращения образования  трещин необходимо применять  присадочный материал с большим содержанием магния.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2. Тепловая свариваемость