Вал Гидротурбины

ВВЕДЕНИЕ
Сваркой называется процесс соединения материалов путем нагрева их до высокой температуры и последующего охлаждения, что приводит к образованию прочного соединения. Сварка широко применяется в различных отраслях промышленности, таких как производство металлоконструкций, автомобильное производство, судостроение, нефтегазовая отрасль и многие другие.
Сварка является важным процессом для создания надежных и прочных конструкций, поскольку она позволяет соединять материалы различной формы, размера и толщины. Существует множество видов сварки, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.
Кроме того, сварка играет ключевую роль в повышении эффективности производства и сокращении затрат на производство. Поэтому овладение навыками сварки является важным требованием для специалистов в различных отраслях промышленности.
Таким образом, сварка имеет огромное значение для современной промышленности и является неотъемлемой частью процесса производства и строительства.
Целью работы – разработка перспективного технологического процесса сварки детали «Вал гидротурбины» с описанием применяемого оборудования для сборки и сварки, а также расчет режимов сварки и определение экономической эффективности предложенного технологического процесса изготовления сварного изделия «Вал гидротурбины».



1 ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Описание конструкции
Вал — одна из наиболее ответственных деталей гидротурбин. Вал работает в особо тяжелых условиях и предназначен для передачи крутящего момента от рабочего колеса ротору генератора. Вал воспринимает осевые и радиальные усилия, а в нестационарных режимах и знакопеременные нагрузки. Общий вид вала гидротурбины представлен на рисунке 1.


Рисунок 1 – Вал гидротурбины

1.2 Обоснование выбора материала конструкции
Вал гидротурбины изготавливается из стали марки 20Х1М1Ф1БР – это жаропрочная релаксационностойкая сталь. Сталь относится к перлитному классу с рекомендуемой температурой применения до 500-580 °С. Применяется для изготовления крепежных деталей турбин и фланцевых соединений паропроводов и аппаратуры с рабочей температурой до 580 °С.
Химический состав стали марки 20Х1М1Ф1БР представлен в таблице 1. Механические свойства стали марки 20Х1М1Ф1БР представлены в таблице 2.
Склонность сварного шва к образованию горячих трещин определяется по величине эквивалента углерода и его можно определить по формуле:
.
Отметим, что при и предельной концентрации углерода равна - вероятность образования горячих трещин отсутствует.
Содержание химических элементов определим как среднее значение показателя химических элементов.
Отсюда, найдем:
.
Отсюда можно сделать вывод, что сталь марки 20Х1М1Ф1БР относится к 3 группе по свариваемости и возможно образование горячих трещин. Для сварки изделия необходимо подогрев.
1.3 Технические условия изготовления
При изготовлении изделия «Вал гидротурбины» будут применяться следующие технические условия и стандарты [2]:
- ГОСТ 23887-79 «Сборка»;

- ГОСТ 2.312-72 «Единая система конструкторской документации. Условные изображения и обозначения швов сварных соединений»;
- ГОСТ 9.903-81 «Единая система защиты от коррозии и старения. Стали и сплавы высокопрочные. Методы ускоренных испытаний на коррозионное растрескивание»;
- ГОСТ 12.3.003-86 «Система стандартов безопасности труда. Работы электросварочные. Требования безопасности»;
- ГОСТ 2246-70 Проволока стальная сварочная. Технические условия;
- ГОСТ 8713-79 Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры»;
- ГОСТ 9087-81 «Флюсы сварочные плавленые»;
- ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация»;
- ГОСТ 23118-99 Конструкции стальные строительные. Общие технические условия;
- ГОСТ 24297-87 «Входной контроль продукции. Основные положения»;
- ГОСТ Р 12.4.238-2007 «Система стандартов безопасности труда. Средства индивидуальной защиты глаз и лица при сварке и аналогичных процессах. Общие технические условия».

1.4 Схема технологического процесса изготовления
Схема технологического процесса изготовления изделия «Вал гидротурбины» состоит из следующих операций:
- Операция 005 – Контрольная (проверка документов на прокат и сварочные материалы);
- Операция 010 – Резка (газокислородная резка на машине термической резки);
- Операция 015 – Подготовка кромок (обработка кромки под сварку);
- Операция 020 – Вальцовка (гибка обечайки из листа);
- Операция 025 – Сборка (установка деталей друг относительно друга, обеспечение точности сопряжения);
- Операция 030 – Нагрев (объемный нагрев перед сваркой);
- Операция 035 – Наложение сварных швов;
- Операция 040 – Термическая обработка изделия;
- Операция 045 – Контроль.

1.5 Поставка металла и сварочных материалов
Основные требования к прокату, из которого изготавливается изделие [3]:
- наличие сертификата, подтверждающего соответствие материала ГОСТ;
- на поверхности металла не допускается наличие окалины, трещин, ржавчины и расслоений.
Основные требования к сварочным материалам:
- наличие сертификата, подтверждающего соответствие сварочного материала ГОСТ;
- на поверхности сварочной проволоки не должно быть окалины, ржавчины, грязи и масла,
- флюсы принимают партиями. Партия должна состоять из флюса одной марки и оформляться одним документом о качестве, содержащим:
- товарный знак или наименование и товарный знак предприятия-изготовителя;
- марку флюса;
- номер партии;
- массу партии;
- результаты химического анализа;
- дату изготовления;
- обозначение стандарта.

1.6 Обоснование выбора сварки
Выбор автоматической сварки под флюсом обусловлен тем, что необходимо обеспечить большое количество проходов, а также высокое качество швов, чего невозможно достичь ручной сваркой, поскольку процесс является трудоемким и тяжелым в силу непрерывности процесса.
При автоматической сварке под флюсом сварочная дуга горит между изделием и торцом сварочной проволоки. При этом дуга закрыта слоем флюса. Отметим, что сварочная проволока подается в направлении сварки при помощи специального механизма. Основной металл и флюс плавятся под действием тепла дуги, при этом флюс образует эластичную пленку вокруг зоны сварки, которая изолирует зону сварки от доступа воздуха, тем самым обеспечивается высокое качество сварного шва [5].
Отметим, что наиболее выгодно использовать автоматическую сварку под флюсом при изготовлении однотипных сварных конструкций, имеющих протяженные швы, при этом толщина свариваемого металла может варьироваться от 1,5-2,0 мм до 120 мм.
Схема автоматической сварки под флюсом представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема автоматической сварки по флюсом
Преимущества автоматической сварки под флюсом:
- повышенная производительность;
- минимальные потери электродного металла;

- отсутствие брызг;
- максимально надежная защита зоны сварки;
- минимальная чувствительность к образованию оксидов;
- низкая скорость охлаждения металла.
Недостатки:
- велики трудозатраты, связанные со стоимостью флюса;
- трудности корректировки положения дуги относительно кромок свариваемого изделия;
- невидимость места сварки, расположенного под толстым слоем флюса;
- нет возможности выполнять сварку во всех пространственных положениях без специального оборудования;
- повышенная жидкотекучесть расплавленного металла и флюса;