Курсовая работа по теории сварочных процессов — это не просто формальность, а первая серьезная проверка способности будущего инженера применять фундаментальные знания на практике. Она учит системному мышлению: от анализа свойств материала до прогнозирования характеристик готового изделия. Цель этой работы — не просто выполнить набор расчетов, а провести целостное инженерное исследование, обосновывая каждое принятое решение.
Типичная структура курсовой работы включает в себя следующие ключевые разделы:
- Введение, где обосновывается актуальность и ставятся цели.
- Общий раздел, содержащий описание свариваемой конструкции и анализ исходного материала.
- Технологический раздел — сердце работы, где происходит выбор и обоснование всех технологических аспектов.
- Расчетная часть, где теория превращается в конкретные цифры: от параметров режима до термических циклов.
- Раздел по охране труда и технике безопасности.
- Заключение, где подводятся итоги исследования.
Чтобы сделать это руководство максимально наглядным и практичным, все этапы мы будем рассматривать на сквозном примере — разработке технологии сварки для условной конструкции из стали 17Г1С. Этот материал выбран не случайно: как одна из наиболее распространенных низколегированных сталей, она является репрезентативным примером для отработки базовых методик расчета.
Раздел 1. Как провести анализ исходных данных и свариваемого материала
Любой технологический процесс начинается с глубокого изучения материала. Невозможно правильно выбрать режим сварки или сварочную проволоку, не понимая, как поведет себя металл при нагреве и охлаждении. Этот раздел — фундамент всей вашей курсовой работы.
В нашем случае объектом исследования является сталь 17Г1С. Это конструкционная низколегированная сталь, которая широко используется для изготовления ответственных сварных металлоконструкций. Ключевые области ее применения включают:
- Элементы, работающие под давлением в диапазоне температур от -40 до +475 °С.
- Детали и элементы трубопроводов атомных станций.
- Трубы для строительства газо- и нефтепроводов, в том числе повышенной коррозионной стойкости.
Центральным понятием при анализе является свариваемость. Для стали 17Г1С она характеризуется как «без ограничений». На практике это означает, что для получения качественного соединения в большинстве случаев не требуется применять усложняющие технологические приемы, такие как предварительный подогрев или последующая термическая обработка. Однако стоит помнить, что это справедливо для относительно небольших толщин. При работе с толстым металлом (как правило, свыше 30-40 мм) для предотвращения образования нежелательных закалочных структур могут потребоваться особые меры, например, применение многослойной сварки.
В рамках курсовой работы обычно задается и конкретная сварная конструкция с техническими условиями. Например, это может быть сосуд, работающий под давлением, где к сварным швам предъявляются повышенные требования по прочности и герметичности. Эти требования будут напрямую влиять на выбор способа сварки и методов контроля.
Раздел 2. Обосновываем выбор способа сварки и сварочных материалов
После детального анализа материала и требований к конструкции наступает самый ответственный этап — выбор технологии. Это инженерное решение, которое должно быть не интуитивным, а строго аргументированным. Ваша задача — доказать, почему выбранный способ является оптимальным в данных конкретных условиях.
Для стали 17Г1С потенциально могут подойти несколько способов, например, ручная дуговая сварка (РДС) покрытыми электродами или полуавтоматическая сварка в среде защитных газов (MIG/MAG). Сравнительный анализ показывает, что для изготовления ответственных конструкций, где важны производительность и стабильное качество шва, полуавтоматическая сварка в среде защитных газов часто является предпочтительной. Она обеспечивает лучшую защиту сварочной ванны, меньшее разбрызгивание и более высокую скорость процесса по сравнению с РДС.
Следующий шаг — подбор сварочных материалов. Главный принцип здесь — обеспечение максимального соответствия свойств металла шва свойствам основного металла. Для этого химический состав присадочного материала (сварочной проволоки) должен быть максимально близок к составу стали 17Г1С.
При выборе материалов важно добиться, чтобы металл шва был равнопрочен основному металлу, а его ударная вязкость и пластичность соответствовали требованиям технических условий на конструкцию.
Для нашего примера (сварка стали 17Г1С) в качестве сварочной проволоки может быть выбрана проволока марки Св-08Г2С. В качестве защитного газа часто используют смесь аргона (Ar) с углекислым газом (CO₂), например, 80% Ar + 20% CO₂. Такая смесь обеспечивает стабильное горение дуги и хорошее формирование шва.
Раздел 3. Выполняем расчет основных параметров режима сварки
Технологический выбор переводится на язык цифр через расчет параметров режима. Это ключевой этап, где теоретические знания о процессах в дуге находят прямое практическое применение. Основные параметры, которые необходимо определить:
- Сила сварочного тока (I)
- Напряжение дуги (U)
- Скорость сварки (V)
- Род и полярность тока
- Диаметр электродной проволоки
Расчет начинается с определения силы тока, так как это основной энергетический параметр, влияющий на глубину проплавления. Силу тока можно рассчитать по эмпирической формуле. Например, для полуавтоматической сварки она может выглядеть так:
I = K * dЭ
где K — коэффициент, зависящий от типа сварки и пространственного положения (для стали может варьироваться от 25 до 60 А/мм), а dЭ — диаметр электродной проволоки в мм. Предположим, мы выбрали проволоку диаметром 1,2 мм. Тогда, приняв среднее значение коэффициента, мы получим расчетное значение тока.
Напряжение дуги подбирается в зависимости от силы тока, состава защитного газа и длины дугового промежутка. Для углеродистых и легированных сталей при сварке в смесях газов его значение обычно лежит в диапазоне 22-28 В. Скорость сварки — это параметр, который определяет, как быстро перемещается горелка вдоль стыка. Она напрямую влияет на погонную энергию (тепловложение) и, следовательно, на размеры шва и зону термического влияния. Чем выше скорость, тем меньше тепловложение, и наоборот.
Раздел 4. Рассчитываем геометрические параметры сварного шва
Определив энергетические параметры, мы переходим к геометрии. На этом этапе необходимо обосновать тип сварного соединения, форму разделки кромок и рассчитать размеры самого шва. Эти параметры зависят в первую очередь от толщины свариваемого металла.
Для нашего примера со сталью 17Г1С при толщине, скажем, 20 мм, потребуется V-образная разделка кромок для обеспечения полного провара по всей толщине. Расчет геометрических параметров шва включает определение его ширины, глубины проплавления и высоты усиления. Эти величины связаны с параметрами режима и теплофизическими свойствами металла.
Особое внимание следует уделить сценарию сварки металла большой толщины. Выполнить такое соединение за один проход практически невозможно и технологически неверно. В этом случае применяется многослойная сварка. Технология заключается в последовательном заполнении разделки кромок несколькими слоями металла.
Алгоритм расчета в этом случае включает:
- Расчет площади поперечного сечения разделки кромок.
- Определение площади наплавляемого за один проход валика.
- Деление общей площади сечения на площадь одного валика для получения необходимого количества проходов.
Такой подход не только обеспечивает гарантированный провар, но и позволяет термически обработать нижележащие слои последующими, что положительно сказывается на структуре и свойствах всего шва.
Раздел 5. Подбираем и обосновываем сварочное оборудование
Теоретические расчеты должны быть реализованы на практике, а для этого нужно соответствующее оборудование. Его выбор напрямую диктуется рассчитанными ранее параметрами режима сварки.
Ключевой элемент — это источник питания. Он должен удовлетворять следующим требованиям:
- Обеспечивать стабильное значение сварочного тока и напряжения в требуемом диапазоне.
- Иметь соответствующую вольт-амперную характеристику (ВАХ). Для полуавтоматической сварки, как правило, требуются источники с жесткой ВАХ.
- Номинальный сварочный ток источника должен быть выше расчетного значения с определенным запасом.
На основе этих требований для нашего примера со сталью 17Г1С можно выбрать конкретную модель сварочного выпрямителя или инвертора, приведя в курсовой работе его основные технические характеристики (диапазон регулирования тока, напряжение холостого хода, ПВ — продолжительность включения).
Помимо источника питания, необходимо описать и вспомогательное оборудование. При полуавтоматической сварке это:
- Механизм подачи проволоки, обеспечивающий ее равномерную подачу в зону дуги.
- Сварочная горелка для подвода тока, проволоки и защитного газа.
- Газовый редуктор для регулирования расхода защитного газа.
Грамотный выбор оборудования гарантирует, что рассчитанный режим будет не просто цифрой на бумаге, а реализуемым технологическим процессом.
Раздел 6. Анализируем тепловые процессы, строим температурные поля и циклы
Это наиболее наукоемкая часть работы, где студент должен продемонстрировать понимание физики сварочных процессов. Анализ распределения тепла в металле позволяет предсказать, какие изменения произойдут в его структуре и, как следствие, в свойствах.
Ключевым понятием здесь является погонная энергия — количество тепла, вводимое источником на единицу длины шва. Именно она определяет размеры сварочной ванны и зоны термического влияния (ЗТВ) — области основного металла, структура и свойства которой изменились под действием тепла сварки.
Практическая задача на этом этапе — построить два ключевых графика:
- График распределения максимальных температур. Он показывает, до какой максимальной температуры нагрелась каждая точка металла в сечении, перпендикулярном шву. Это позволяет определить границы участков с разной термической историей.
- Термический цикл. Это график зависимости температуры от времени для конкретной точки в ЗТВ. Он показывает, как точка нагревалась и с какой скоростью остывала.
Анализ термического цикла, особенно скорости охлаждения в интервале температур фазовых превращений, является главным инструментом для прогнозирования будущей структуры и свойств металла в ЗТВ.
Выполнив эти расчеты и построения для нашего примера со сталью 17Г1С, мы получаем возможность не просто констатировать факт изменений, а управлять ими, например, изменяя погонную энергию для предотвращения образования хрупких закалочных структур.
Раздел 7. Прогнозируем структуру и свойства сварного соединения
Понимая, какой термический цикл претерпел металл, мы можем с высокой долей вероятности спрогнозировать его конечную структуру и механические свойства. Этот раздел логически завершает технологическое исследование.
Первым шагом выполняется расчет химического состава металла шва. Он не идентичен ни основному, ни присадочному металлу, а представляет собой их сплав. Его состав рассчитывается с учетом долей участия основного и присадочного металлов в формировании шва.
Далее, зная химсостав и термический цикл (в частности, скорость охлаждения), можно предсказать конечную структуру. Для этого используются специальные термокинетические CCT-диаграммы (температура-время-превращение) для данной марки стали. Они показывают, какие фазовые превращения (например, распад аустенита на феррит, перлит, бейнит или мартенсит) произойдут при данной скорости охлаждения.
Для практического определения структуры и механических свойств в различных участках ЗТВ (например, на участке перегрева, нормализации, неполной перекристаллизации) широко используется номографический метод, например, по атласу Шоршорова М.Х. Эти атласы содержат номограммы, связывающие термический цикл с итоговыми свойствами для различных марок сталей.
Проведя такой прогноз для стали 17Г1С, мы можем оценить риски. Например, если расчет показывает, что скорость охлаждения слишком высока и это может привести к образованию хрупких закалочных структур и появлению холодных трещин, мы должны вернуться на предыдущие этапы и скорректировать режим сварки для снижения скорости охлаждения.
Раздел 8. Завершаем работу, формулируем выводы и требования по охране труда
Инженерное исследование практически завершено. Осталось грамотно оформить результаты и позаботиться о безопасности.
Раздел «Охрана труда и техника безопасности» должен быть конкретным и привязанным к выбранной технологии. Для полуавтоматической сварки в защитных газах необходимо перечислить основные вредные производственные факторы:
- Интенсивное излучение сварочной дуги (ультрафиолетовое и инфракрасное).
- Выделение сварочных аэрозолей и газов.
- Опасность поражения электрическим током.
- Брызги расплавленного металла.
Для каждого фактора следует указать конкретные меры защиты: использование сварочной маски со светофильтром, спецодежды, работа при включенной местной вытяжной вентиляции, проверка исправности оборудования.
Заключение — это не пересказ работы, а квинтэссенция полученных результатов. В нем нужно кратко и емко сформулировать выводы по каждому этапу. Например, для нашего сквозного примера формулировки могут быть такими:
1. На основе анализа свойств стали 17Г1С и требований к конструкции был обоснован выбор полуавтоматической сварки в среде защитных газов как оптимальный.
2. Рассчитаны и обоснованы основные параметры режима сварки (I = … А, U = … В), обеспечивающие получение качественного сварного соединения.
3. На основе анализа термического цикла спрогнозирована структура и механические свойства в зоне термического влияния, которые соответствуют требованиям технических условий.
В конце работы не забудьте уделить внимание правильному оформлению списка литературы и приложений в строгом соответствии с требованиями ГОСТ. Это демонстрирует вашу академическую культуру и уважение к источникам, на которые вы опирались.
Список использованной литературы
- ГОСТ 14771-76. Сварка в защитных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. Изд. стандартов. 1980.
- ГОСТ 2246-70. Проволока стальная сварочная. Технические условия.
- Кошкарёв Б.Т. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория сварочных процессов» — Ростов н/Д: ДГТУ,2003. – 27 с.
- Щёкин В.А., Моисеенко В.П. Методическое руководство по расчету и выбору параметров режимов и размеров шва при сварке в углекислом газе. — Ростов-на-Дону: ДГТУ,1985. — 28 с.
- Шоршоров М. Х., Белов В. В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке. Атлас. М. Наука. 1972г. 220 с., ил.