Методика выполнения курсовой работы по дисциплине «Теория сварочных процессов»

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:

  1. Сила сварочного тока (I)
  2. Напряжение дуги (U)
  3. Скорость сварки (V)
  4. Род и полярность тока
  5. 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 — 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:

  1. Расчет площади поперечного сечения разделки кромок.
  2. Определение площади наплавляемого за один проход валика.
  3. 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:

  1. 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.
  2. 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

  1. ГОСТ 14771-76. Сварка в защитных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. Изд. стандартов. 1980.
  2. ГОСТ 2246-70. Проволока стальная сварочная. Технические условия.
  3. Кошкарёв Б.Т. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория сварочных процессов» — Ростов н/Д: ДГТУ,2003. – 27 с.
  4. 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.
  5. Шоршоров М. Х., Белов В. В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке. Атлас. М. Наука. 1972г. 220 с., ил.

Похожие записи