Выбор и техническо-экономическое обоснование выбора способа сварки

 

2.3.1 Области применения ручной дуговой сварки. Дуговая сварка металлическими электродами с покрытием в настоящее время остается одним из самых распространенных методов, используемых при изготовления сварных конструкций. Это объясняется простотой и мобильностью применяемого оборудования, возможностью выполнения сварки в различных пространственных положения и в местах труднодоступных для механизированных способов сварки.

Существенный недостаток ручной дуговой сварки металлическим электродом, также как и других способов ручной сварки, - малая производительность процессов и зависимость качества сварного шва от навыков сварщика.

2.3.2 Области применения сварки под флюсом. Благодаря ряду преимуществ, дуговая сварка под флюсом в настоящее время стала наиболее распространенным видом механизированной дуговой сварки металлов. Этот способ сварки позволяет не только заменить тяжелый труд сварщика ручника, но вследствие более высокой производительности (возможности использования большого по величине сварочного тока), а также ряда технологических преимуществ коренным образом изменить технологию производства в некоторых отраслях промышленности.

В настоящее время успешно сваривают под флюсом различные стали, сплавы, цветные металлы. Наряду с конструкциями из углеродистых сталей сварку под флюсом применяют для конструкций и аппаратов из низкоуглеродистых сталей, нержавеющих, кислотостойких, жаропрочных, сплавов на никелевой основе. В последние годы освоена сварка под флюсом нового конструкционного металла – титана, а также сплавов на его основе. Под флюсом сваривают медь и ее сплавы. Широко применяются в промышленности сварка по слою флюса алюминия и алюминиевых сплавов.

Сварка под флюсом успешно применяется при изготовлении аппаратуры, конструкций и изделий самого ответственного назначения, которые должны надежно работать и в условиях глубокого холода, и под действием высоких температур, агрессивных жидких и газовых сред.

Наиболее выгодно автоматическую сварку под флюсом применять при массовом производстве однотипных металлических изделий, имеющих соединения протяженностью более одного метра правильной формы и удобных для удерживания слоя флюса и металлов толщиной более 8-10мм. В некоторых случаях способ полуавтоматической сварки под флюсом может быть использован не только при массовом производстве однотипных изделий, но и при единичном производстве изделий с соединениями значительной протяженности и удобных для удержания флюса. Сборка, не обеспечивающая нужные зазоры для получения качественного шва, является основным фактором, сдерживающим внедрение большинства способов автоматической сварки. Нецелесообразно сваривать под флюсом решетчатые конструкции с большим количеством коротких соединений.

2.3.3 Области применения дуговой сварки в защитных газах. Дуговая сварка в защитных газах выполняется в среде как инертных, так и активных газов. В качестве инертных газов применяют аргон и гелий, практически почти не взаимодействующие с расплавленным металлом. А в качестве активных применяют: углекислый газ, азот, пары воды, смеси аргона с кислородом, аргона с азотом, аргона с углекислым газом, углекислого газа с кислородом и другие, взаимодействующие в большей или меньшей степени с расплавленным металлом.

В некоторых случаях применяют газо-флюсовую сварку, при которой наряду с газом в зону сварки подается небольшое количество раскисляющих, шлакообразующих или легирующих веществ. Эти вещества вдуваются в зону сварки в виде пыли с защитным газом или вводятся с проволокой, в виде наносимой на нее пасты или порошковой проволоки, находящейся в сердечнике.

Защитная среда определяет название каждого из этих способов: аргоно-дуговая, гелие-дуговая, газо-флюсовая, сварка в углекислом газе и т.д.

Сварка в защитных газах может выполняться плавящимся и неплавящимся электродами, вручную, полуавтоматом или автоматом. Сварка неплавящимся электродом выполняется с присадкой или без присадки электродного металла.

С целью экономии аргона при сварке сталей неплавящимся электродом может применяться комбинированная защита зоны сварки аргоном и углекислым газом. При этом используют специальную горелку с двумя кольцевыми каналами для подачи защитных газов: внутренним – для подачи аргона и внешним – для углекислого газа. В результате удается в 4-6 раз уменьшить расход аргона без ущерба для качества металла шва.

Вместо аргона при газоэлектрической сварке может применяться гелий. При этом необходимы корректировка режима сварки и увеличение расходов газа на 30-40%.

Применение сварки в среде углекислого газа позволило механизировать сварочные работы при изготовлении ответственных сварных конструкций и заменить во многих случаях ручную дуговую сварку полуавтоматической и автоматической сваркой. Полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа позволяет механизировать процесс сварки в монтажных условиях, когда применение других методов механизированной сварки исключается или затруднено.

Дуговая сварка в углекислом газе плавящимися электродами находит большое применение. Сравнительная дешевизна углекислого газа, высокое качество сварных швов при правильно выбранной технологии сварки, а также ряд технологических преимуществ открывает этому способу широкие перспективы в различных отраслях машиностроения и строительства. Дуговая сварка в углекислом газе оказывается особенно целесообразной при изготовлении изделий из тонкого металла и различных малогабаритных деталей. Этот способ также внедряют при сварке соединений из толстого металла со швами небольшой протяженности и различной формы, расположенными в разных плоскостях. Указанным способом удается механизировать сварку вертикальных соединений, обеспечить хороший провар корня стыковых соединений без прожогов на весу, без подкладных колец и т. д.

В углекислом газе не следует сваривать изделия из толстого металла со швами большой протяженности и правильной формы (особенно в массовом производстве, где может быть применена дуговая сварка под флюсом).

Наиболее целесообразным в большинстве случаев оказывается метод полуавтоматической сварки в углекислом газе.

В развитии этого способа сварки в настоящее время определилось два основных направления:

- сварка проволокой диаметром 1,6 - 2,0мм (это направление создано ЦНИИТМАШем);

- сварка тонкой проволокой диаметром 0,5 – 1,2мм (это направление создано Институтом электросварки).

Проволока диаметром 0,5 – 2,0мм применяется для сварки в различных пространственных положениях конструкций с толщиной свариваемых элементов от 0,8 до 4мм.

На турбинном заводе, изготавливающем толстостенные сварные конструкции, наибольшее применение нашел способ сварки в углекислом газе проволокой диаметром 1,6 – 2,0мм.

Автоматическую сварку в углекислом газе рекомендуется применять при массовом изготовлении малогабаритных деталей с угловыми соединениями, при выполнении кольцевых поворотных стыков без подкладок соединений толстого металла с тонким, а также при выполнении многослойных швов на соединениях с глубокой разделкой кромок и т.д. Для сварки толстого металла проволокой диаметром 1,6-2,5мм можно использовать любую сварочную автоматическую головку, но со специальным мундштуком.

Прогрессивный способ сварки в защитной среде углекислого газа имеет следующие технические и экономические преимущества перед другими способами сварки:

- производительность сварки в углекислом газе при одинаковых режимах на 25% выше производительности сварки под флюсом и в 3 раза выше производительности ручной дуговой сварки. Количество расплавленного металла при полуавтоматической сварке на обратной полярности в углекислом газе составляют 6-8 кг/час;

- стоимость одного килограмма металла, наплавленного в углекислом газе, на 20% дешевле, чем при сварке под флюсом, в 2 раза дешевле, чем при ручной дуговой сварке качественными электродами;

- хорошая видимость открытой дуги обеспечивает точность наложения швов, что особенно важно при полуавтоматической сварке криволинейных, прерывистых и труднодоступных швов и различных монтажных швов, для которых затруднено применить сварку под флюсом

Широкое распространение в настоящее время получил способ полуавтоматической сварки в смеси защитных газов плавящимся электродом. Применение защитных газовых смесей «АРГОМИКС-Т» и «АРГОМИКС-У» на основе аргона для полуавтоматической сварки углеродистых и низколегированных сталей обусловлено рядом преимуществ:

- увеличенной глубиной проплавления;

- высокой стабильностью дуги;

- минимальным разбрызгиванием;

- повышенной плотностью металла шва [3, 11, 14, 17, 18, 19, 21].

2.3.4 Экономическое обоснование способа сварки. Выбор наиболее целесообразного способа сварки из числа возможных для заданной сварной конструкции или операции разрабатываемого технологического процесса производится на основе экономического их сравнения.

Для этого производят расчеты стоимости сварки одного погонного метра или килограмма наплавленного металла по тем статьям, которые зависят от способа сварки. Такими статьями являются: стоимость сварочных материалов, прямая заработная плата сварщика, стоимость расходуемой при сварке электроэнергии, амортизационные отчисления и расходы на текущий ремонт сварочного оборудования. Сравнение стоимости погонного метра или килограмма наплавленного металла при различных способах сварки даст возможность сделать вывод о применении наиболее экономичного способа сварки.

Рассмотрим методику технико-экономического обоснования способа сварки. Произвести выбор наиболее целесообразного способа сварки, например, для продольного стыка обечайки диаметром 2000 мм, высотой 1000 мм и толщиной стенки 10 мм из стали 15ХМ.

Для сварки продольного стыка обечайки применимы два способа сварки; автоматическая сварка под флюсом и автоматическая сварка в среде углекислого газа. Определим стоимость одного погонного метра шва при этих двух способах по тем статьям, которые зависят от способов сварки, руб

 

Сп.м = См + Зс + Ам + Тр + Сэ, (1)

 

где Сп.м – себестоимость 1 погонного метра шва, руб;

См – стоимость сварочных материалов, руб;

Зс - основная заработная плата, руб;

Ам – амортизационные отчисления, руб;

Тр – отчисления на текущий ремонт, руб;

Сэ – стоимость электроэнергии, руб.

В соответствии с ГОСТ14771-79 для металла толщиной 10мм применимо стыковое соединение С7:

S = S1 = 10мм; b = 1,5 ± 1,0мм; е = 12; q = 2 ± 1,5мм.

 

 

 

Рисунок 1

 

В соответствии с ГОСТ 8713-79 конструктивные элементы выполненного автоматической сваркой под флюсом стыковое соединение С5 толщиной 10мм имеет вид:

S = S₁ = 10мм; е = 22 ± 4мм; е₁= 4 ± 2мм; b = 2,0 ± 1,5мм;

q = 2 ± 1,5мм; q₁ = 2 ± 1мм.

 

а) б)

Рисунок 2

 

Находим площадь поперечного сечения шва продольного стыка обечайки при автоматической сварке в среде углекислого газа, мм²

 

F_н = Sb + 1,5еq, (2)

 

F_н = 10 1,5 + 1,512 2 = 51

Находим площадь наплавки при автоматической сварке под флюсом, мм²

 

F_н = Sb + 0,75еq + 0,75е₁, (3)

 

F_н = 10 2 + 0,75 22 2 + 0,75 4 2 = 59

Определим стоимость сварочных материалов. Для этого находим расход сварочных материалов при двух способах сварки. При автоматической сварке в среде углекислого газа стали 15ХМ применяется стандартная проволока СВ-08ГСМА и углекислота. При автоматической сварке под флюсом той же стали, рекомендуется проволока Св-08ХМ и флюс АН-22.

Расход сварочной проволоки на 1 погонный метр определяется по формуле, кг/м

 

m_пр = m _н k_р, (4)

 

где m_н – масса наплавленного металла на 1 погонный метр, кг/м

kр – коэффициент расхода проволоки, учитывающий неизбежные потери (таблица 18 методических указаний).

Масса наплавленного металла на 1 погонный метр находится по формуле, кг/м

 

m_н = F_н γ 10‾³, (5)

 

где γ – плотность наплавленного металла (для стали 7,8г/см³);

m _н = 51 7,8 0,001 = 0,4 – при сварке в углекислом газе;

m _н = 59 7,8 0,001 = 0,46 – при сварке под флюсом.

Коэффициент расхода проволоки при автоматической сварке в углекислом газе k_р = 1,12; при сварке под флюсом k_р = 1,02 (таблица 19 методических указаний).

Тогда расход сварочной проволоки составит при автоматической сварке в среде углекислого газа

m _{п р} = 51 7,8 10‾³ 1,12 = 0,45

при автоматической сварке под флюсом

m _{п р} = 59 7,8 10‾³ 1,02 = 0,47

Расход флюса определяется по расходу проволоки m_пр и коэффициенту расхода флюса k_ф и на 1 погонный метр составит, кг/м

 

m_ф = m_пр k_ф , (6)

 

При сварке стыковых соединений без скоса кромок принимаем k_ф=1,3, (таблица 20).

Тогда расход флюса на 1 погонный метр шва составит

m_ф = 0,47 1,3 = 0,61

Расход углекислого газа Н_г находится из соотношения, л

 

Н_г = q_г Т_о l _ш 1,2, (7)

 

где q_г - удельный расход газа, л/мин;

Т_о – основное время сварки одного погонного метра шва;

l_ш – длина шва, м;

1,2 – коэффициент, учитывающий расход газа при настройке и продувке шлангов.

Согласно режимов автоматической сварки в СО₂ удельный расход газа 15л/мин (см. п. 2.7)

Рассчитаем основное время автоматической сварки в СО₂ одного погонного метра шва рассматриваемого продольного стыка обечайки по формуле, мин

 

То = 60 / Vсв, (8)

 

или определяем То по нормативам [29].

Тогда расход углекислого газа на 1 погонный метр составит, л

Н_г = 15 6,5 1 1,2 = 117

Один килограмм углекислоты дает 509 литров углекислого газа. Исходя из этого, расход углекислоты на сварку 1 погонного метра шва составит, кг

Н_г = 117 / 509 = 0,21

Стоимость сварочных материалов определяется, исходя из расходов их и цены за килограмм. Цена проволоки Св-08ХГСМА диаметром 2,5мм составляет 30000руб/т, а проволоки Св-18ХМ диаметром 4мм составляет 25000руб/т.

Тогда стоимость сварочной проволоки Сп составит: при автоматической сварке в углекислом газе:

Сп = 30 0,45 = 13,5.

При автоматической сварке под флюсом:

Сп = 25 0,47 = 11,75

Цена одного килограмма углекислоты - 13руб, тогда стоимость газа составит

13 0,21 = 2,73.

Цена флюса АН-22 составляет 20руб/кг; тогда стоимость флюса С_ф на 1 погонный метр шва составит:

С_ф = 0,61 20 = 12,2.

Определяем основную заработную плату сварщика, выполняющего 1 погонный метр шва. Примем разряд работы при обоих способах сварки – 4. При этом часовая тарифная ставка рабочего сварщика – Ст составляет 20руб/час, а норма штучного временит сварки 1 погонного метра шва при автоматической сварке под флюсом и в углекислом газе рассчитывается по формуле, мин

 

Тш = [(То + Тв.ш) lш +Тв.и] k₁,₂ , (9)

 

или определяем по нормативам [29].

Основная заработная плата определяется по формуле, руб

 

Зо = С_т Тш, (10)

 

Тогда основная заработная плата сварщика, выполняющего 1 погонный метр шва, составит:

- при автоматической сварке в среде углекислого газа

Зо = 20 (9,5 / 60) = 3,16

- при автоматической сварке под флюсом:

Зо = 20 (7,1 / 60) = 2,36.

Амортизационные отчисления и расходы на текущей ремонт устанавливаются в процентах от удельной стоимости оборудования, принятого для выполнения автоматической сварки в среде углекислого газа – автомат АДПГ-500 с источником питания ВДУ-504, а для автоматической сварке под флюсом – трактор ТС-17 с источником питания ТД-500.

Стоимость автомата АДПГ-500 в комплексе с источником питания 62320 рублей, трактора с источником питания 120000 рублей. Для нахождения удельной стоимости оборудования, отнесенной к 1 погонному метру сварки, необходимо знать производительность поста сварки. Примем действительный годовой фонд времени работы оборудования 3975 часов, коэффициент использования поста – 0,8. Тогда производительность поста автоматической сварки определим по формуле:

 

, (11)

 

Тогда производительность поста сварки при сварке в углекислом газе составит:

П = 3975 0,8 60 / 9,5 = 30210;

- при автоматической сварке под флюсом:

П = 3975 0,8 60 / 7,1 = 26870.

Удельная стоимость оборудования определяется по формуле:

 

, (12)

 

И составит при автоматической сварке в среде углекислого газа:

62320 1,08 / 30210 = 2,22;

- при автоматической сварке под флюсом:

120000 1,08 / 26870 = 4,82

Коэффициенты 1,08 и 1,12 учитывают транспортные, заготовительно-складские расходы и расходы по монтажу сварочного оборудования, устанавливаются в зависимости от цены единицы оборудования.

Нормы амортизационных отчислений и расходов на текущий ремонт сварочного оборудования соответственно составляют 34,2% и 10%[11]. Определяем амортизационные отчисления и расходы на текущий ремонт, отнесенные к 1 погонному метру сварки:

 

А_м + Т_р = =0,44 С_уд.

 

Указанные расходы составят при автоматической сварке в защитных газах:

А_м + Т_р = 0,44 2,22 = 0,97;

- при автоматической сварке под флюсом:

А_м + Т_р = 0,44 4,82 = 2,12.

Определяем стоимость расходуемой при сварке электроэнергии по удельному расходу и массе наплавленного металла. Удельный расход электроэнергии при автоматической сварке на переменном токе автоматами тракторного типа под флюсом составляет 3-4кВт час/кг наплавленного металла; автоматами и полуавтоматами на постоянном токе – 5-6кВт час/кг.

Цена на 1кВт час устанавливается по заводским данным. При цене на 1кВт – 1,5руб, стоимость энергии, расходуемой на 1 погонный метр шва составит, руб

- при автоматической сварке в углекислом газе:

Сэ = 1,5·5·0,40 = 3

- при автоматической сварке под флюсом:

Сэ = 1,5·4·0,46 = 2,76.

где 0,40 и 0,46 – масса наплавленного металла, кг/м, которую определили по формуле (40). Результаты расчетов сводим в таблицу 6

 

Таблица 6

 

Статья расходов	Расходы, руб.
При автоматической сварке в СО2	При автоматической сварке под флюсом
Стоимость сварочной проволоки	13,5	11,75
Стоимость углекислого газа	2,73
Стоимость флюса		12,2
Заработная плата	3,16	2,36
Амортизационные отчисления и расходы на текущий ремонт	0,97	2,12
Продолжение таблицы 6
Статья расходов	Расходы, руб.
При автоматической сварке в СО2	При автоматической сварке под флюсом
Стоимость электроэнергии		2,76
ИТОГО:	23,36	31,19

 

Расчет показал, что себестоимость 1 погонного метра сварки ниже при автоматической сварке в углекислом газе, поэтому для сварки продольного стыка обечайки принимаем этот способ [15,19,1,10,11].