Кафедра «Технология иоборудование сварочного производства»
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: «Теория сварочныхпроцессов»
Тема: «Разработать схему Источника“ПТИ” с использованием стали 45»
Содержание
Введение
1. Характеристикасвариваемого металла и способа его сварки
1.1 Системалегирования свариваемого металла, его состав и класс
1.2Структура и свойства свариваемого металла
1.3Характеристика способа сварки и выбор режимов
2. Исследованиепроцессов взаимодействия между металлом, газом и шлаком
2.1Характеристика защиты металла от взаимодействия с окружающей атмосферой
2.2 Описаниеметаллургических процессов, обеспечивающих получение качественных соединений
2.3Термодинамическое исследование одного из вероятных металлургических процессов
3. Исследованиепроцессов нагрева, плавления и охлаждения основного металла
3.1 Выбор иобоснование расчётной схемы нагреваемого тела и источника тепла
3.2 Расчёттемпературных полей при нагреве тела подвижными источниками тепла
3.3 Расчётскорости охлаждения
3.4Определение изотермы на поверхности свариваемого металла
3.5 Расчетизотерм на поверхности свариваемого металла
3.6Определение протяженности отдельных участков в ЗТВ
3.7Определение максимальных температур в поперечном сечении шва
4. Оценкасвариваемости металла и разработка мероприятий по повышению технологическойпрочности
4.1 Оценка структурызоны термического влияния по скорости охлаждения и роста зерна по временипребывания металла при температурах роста
4.2Расчётное определение сопротивляемости образованию холодных трещин
4.3Определение сопротивляемости образованию горячих трещин
4.4Разработка мероприятий по повышению технологической прочности и улучшениюсвойств соединений
Вывод
Списокиспользуемых источников
Введение
Сварка представляет собой прогрессивный метод получениянеразъёмных сварных соединений в промышленности и строительстве, поэтомусварочное производство непрерывно развивается, охватывая практически всеотрасли народного хозяйства. Сварочное производство постоянно оснащаетсяпередовыми технологиями; по уровню автоматизации сварочных работ и по объёмувыполняемых работ оно занимает одно из первых мест на производстве.
Разработка новых технологических процессов сварки, сварочныхматериалов и процессов термической обработки сварных соединений требуетосновательной теоретической подготовки в области сварочных процессов.Дисциплина «Теория сварочных процессов» — базовая при подготовкеинженеров-механиков по специальности «Оборудование и технология сварочногопроизводства» — служит именно этим целям. Она охватывает широкий кругпроцессов, происходящих при сварке металлов и определяющих в конечном итогекачество и работоспособность сварных соединений.
Таким образом, теория сварочных процессов – теоретическийфундамент науки о сварке в части формирования свойств сварного соединения.
1. Характеристика свариваемогометалла и способа его сварки
1.1 Система легирования свариваемогометалла, его состав и класс
Сталь 45 принадлежит к качественным углеродистым сталям.Приблизительный химический состав данной стали указан в таблице 1.
Таблица 1- Химический состав и основные показатели стали 45С Si Mn P S Cr Ni Cu Аs 0,42-0,5 0,5-0,8 0,17-0,37 0,035 0,04 0,25 0,25 0,25 0,08
Легированные стали широко применяют втракторном и с/х машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжёлом итранспортном машиностроении и в меньшей степени в станкостроении,инструментальной и других видах промышленности. Эти стали широко применяют длятяжелонагруженных металлоконструкций.
В качестве легирующих элементов чащеиспользуют сравнительно недорогие и недефицитные элементы – марганец, кремний ихром. Для изготовления высоконагруженных деталей стали легируют значительноболее дорогими и дефицитными элементами – никель, молибден, вольфрам, ниобий ит.д. Стали в которых суммарное количество легирующих элементов не превышает 2,5%, относятся к низколегированным, содержащие 2,5 – 10 % — к легированным, иболее 10 % — к высоколегированным. Наиболее широкое применение в строительствеполучили низколегированные стали, в машиностроении – легированные стали.
Углерод является основным легирующимэлементом в углеродистых конструкционных сталях и определяет механическиесвойства сталей этой группы. Повышение его содержания усложняет технологиюсварки и затрудняет возможности получения равнопрочного сварного соединения бездефектов. По качественному признаку углеродистые стали разделяют на две группы:общего назначения и качественные.
По степени раскисления стали общегоназначения обозначают: кипящая – кп (Mn), полуспокойная – пс (Mn, Al) и спокойная – сп (Mn, Al, Si). Стальхарактеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфорапо толщине проката; их содержание не превышает 0,05 %. Углеродистые сталиобщего назначения делятся на три группы:
— группа А – поставляют помеханическим свойствам;
— группа Б – поставляют похимическому составу;
— группа В – поставляют похимическому составу и механическим свойствам.
Качественные стали отличаются от сталей общего назначенияболее высокими требованиями к химическому составу и структуре, более низкимсодержанием серы и фосфора (менее 0,04 %), меньшим количеством неметаллическихвключений, регламентированной микро- и макроструктурой,. Интервал измененияуглерода в этих сталях уже чем в сталях общего назначения.
Легирующие элементы, вводимые в сталь45, образуя с железом, углеродом и другими элементами твердые растворы и химическиесоединения, изменяют ее свойства. Это повышает механические свойства стали и, в частности, снижает порогхладноломкости. В результате появляется возможность снизить массу конструкций.
Сталь 45 применяется для изготовления осей, цилиндров, коленчатыхвалов, крепёжных деталей, втулок, звездочек, валов, шестерней и других деталей невысокойпрочности испытывающих небольшие напряжения, паровых газовых и гидравлическихтурбин, арматуры АЭС и т.д. Данная сталь поставляется в виде сортового проката,поковок, листов, труб, лент, проволоки.
1.2 Структура и свойства свариваемогометалла
Общей характеристикой углеродистых сталей являются ихсвойства (таблица 2).
Таблица 2- Основные свойства стали 45
Δωопт, град/сек
А С1
АС3
Мн
Тнир 2.0 — 4.0 730 755 350 1050
Сталь 45 характеризуется как ограниченно свариваемая (присварке данной стали рекомендуются или необходимы дополнительные операции).
Технология её сварки должнаобеспечивать определенный комплекс требований, основными из которых являютсяравнопрочность сварного соединения с основным металлом и отсутствие дефектов всварном шве. Для этого механические свойства металла шва и околошовной зоныдолжны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. Внекоторых случаях конкретные условия работы конструкций допускают снижениеотдельных показателей механических свойств сварного соединения. Однако вбольшинстве случаев, особенно пpисварке ответственных конструкций, швы не должны иметь трещин, непроваров, пор,подрезов. Геометрические размеры и форма швов должны соответствовать требуемымразмерам. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкоесостояние. В отдельных случаях к сварному соединению предъявляют дополнительныетребования (работоспособность при вибрационных и ударных нагрузках, пониженныхтемпературах и т. д.). Однако во всех случаях технология должна обеспечиватьмаксимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемойнадежности и долговечности конструкции. Механические свойства металла шва исварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом,режимом сварки и предыдущей и последующей термической обработки. При сваркерассматриваемой стали состав металла шва незначительно отличается от составаосновного металла. В металле шва меньше углерода для предупреждения образованияструктур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможноеснижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода,компенсируется легированием металла марганцем и кремнием через проволоку,покрытие или флюс.
Скорость охлаждения металла шваопределяется толщиной свариваемого металла, конструкцией сварного соединения,режимом сварки и начальной температурой изделия.
Сварку стали 45 осуществляют:
— ручной дуговой сваркой покрытыми электродами;
— ручной аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом;
— автоматической сваркой под флюсом;
— механизированной сваркой плавящимся электродом в средеуглекислого газа;
— электрошлаковой сваркой.
Для этих способов сварки рекомендуется подогрев притемпературе 100 – 250˚С с последующей термообработкой. Контактную сваркуиспользуют без ограничений.
Основные теплофизические коэффициенты стали 45 занесены втаблицу 3.
Таблица 3- Теплофизические коэффициенты стали 45.λ – коэффициент теплопроводности 41,9 Вт/м·град а – коэффициент температуропроводности
8,7 · 10-6 м3/c сρ – объёмная теплоёмкость
4,8 Дж/м3·град α – коэффициент теплоотдачи
60 м2/с
1.3 Характеристика способа сварки ивыбор режимов
Для сварки стали 45 выбираем ручную дуговую сварку покрытымиэлектродами.
Параметры для сварки выбираем исходяиз задания курсовой работы и заносим их в таблицу 4.
Таблица 4- Исходные данные для сварки стали 45.Точечный источник постоянной мощности ПТИ
Iсв, А
Uд, В
ηU
υсв, м/ч 330 28 0,75 9
Электрод выбирают в зависимости отназначения конструкций и стали, а режим сварки — в зависимости от толщиныметалла, типа сварного соединения и от пространственного положения сварки.
Рекомендуемые для электрода данноймарки значения сварочного тока, его род и полярность выбирают согласно паспортуэлектрода, в котором приводят его сварочно-технологические свойства, типичныйхимический состав шва и механические свойства. При сварке рассматриваемыхсталей обеспечиваются высокие механические свойства сварного соединения и поэтомув большинстве случаев не требуются
специальные меры, направленные напредотвращение образования в нем закалочных структур.
2.Исследование процессов взаимодействия между металлом, газом и шлаком
2.1 Характеристика защиты металла отвзаимодействия с окружающей атмосферой
Сварка плавлением — высокотемпературный процесс, сопровождающийся изменением состава металласварного соединения, а следовательно, и его свойств, в результатевзаимодействия с окружающей средой (атмосферой). Высокая восстановительнаяактивность металлов приводит к образованию оксидов, нитридов и гидридов, а таккак скорость химических реакций и диффузионных процессов при температурахсварочного цикла очень высокая, то даже в очень ограниченное время могут,произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкоеприменение сварки в различных отраслях промышленности, строительства итранспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надежные методызащиты зоны сварки от атмосферы.
Рассматривая различные виды сварки,можно выделить четыре способа защиты зоны сварки:
1) шлаковая защита;
2) газовая;
3) газошлаковая;
4) вакуумная.
Смешанная газошлаковая защитасварочной ванны.
Исторически этот метод появилсяраньше всех. Он реализуется при ручной дуговой сварке толстопокрытыми иликачественными электродами, промышленное применение которых началось в середине20-х годов. Свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки.Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он долженвыполнять: защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха, раскисление металласварочной ванны, легирование ее нужными компонентами, стабилизация дуговогоразряда. Производство электродов сводится к нанесению на стальной стерженьэлектродного покрытия определенного состава. Электродные покрытия состоят изцелого ряда компонентов, которые условно можно разделить на ионизирующие,шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие и вяжущие.
Ионизирующие компоненты – соединения,содержащие ионы щелочных металлов: Na2CO3, K2CO3. пары этих соединений снижаютсопротивление дугового промежутка и делают дуговой разряд устойчивым.
Шлакообразующие – минералы: полевойшпат K2O3.Al2O3.6SiO2; мрамор,мел CaCO3, магнезит MgCO3,глинозем Al2O3, флюорит CaF2, рутил TiO2, кварцевый песок SiO2 и иногда гематит Fe2O3. При сплавлении эти компонентыобразуют шлаки различного состава.
Газообразующие – вещества,разлагающиеся с выделением большого объема газа – мрамор, мел или органическиевещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге,дают много газообразных продуктов – CO2;CO; H2, H2O.
Раскислители и легирующие компоненты– металлические порошки или порошки ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций,феррохром, ферровольфрам и др. Ферросплавы – это лигатуры, быстрорастворяющиеся в жидкой стали. Только никель вводят в виде порошка металла, таккак он при сварке почти не окисляется. Раскислителями кроме ферромарганца иферросилиция могут быть ферротитан и алюминий.
Вяжущими компонентами могут быть илижидкое стекло, или полимеры. Они соединяют порошки вышеупомянутых компонентов взамес, который и напрессовывается на подготовленный металлический стержень вособых прессах. Можно также готовить электроды окунанием в жидкий замес,однородность которого поддерживается перемешиванием или обработкойультразвуком.
Все материалы, идущие на изготовлениепокрытий, должны строго контролироваться по содержанию таких вредных примесей,как сера и фосфор.
В зависимости от вида компонентов,которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, все электродныепокрытия можно разбить на следующие четыре группы (ГОСТ 75):
а) кислые покрытия (А), в составкоторых входят оксиды железа, марганца, титана и кремния, представляющие собойшлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими(крахмал). При сварке создаётся значительное количество газов (СО2; СО; H2; H2O) в результате разложения и окисленияорганических компонентов и обеспечивается хорошую защиту от атмосферноговоздуха Раскислителем служит ферромарганец.
б) основные покрытия (Б) построены наоснове карбоната кальция (мрамор) и плавикового шпата (флюорита), которыйслужит шлакообразующим компонентом. Содержание в покрытии несколькихраскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, содержащий малосеры и не склонный к образованию горячих трещин. Газовая защита создаётсядиссоциацией мрамора (СаСОз). Атмосфера сварочной дуги состоит из СО, СО2,Н2 и Н2О. Пары воды выделяются из покрытия и во избежаниепоявления водорода в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливатьпри температуре 470...520 К. В качестве раскислителей используют ферротитан,ферромарганец и ферросилиций. К этой же группе относятся безокислительныепокрытия, содержащие мало СаСО3 и много CaF2 (до 80%), предназначенные для сварки высокопрочных сталей.
Уменьшение доли мрамора в составепокрытия снижает окисление металла и уменьшает в нем содержание углерода.
Недостаток этих электродов — малаяустойчивость дугового разряда, требующая сварки на постоянном токе обратнойполярности. Таким образом, технологические сложности электродов группы Бнесколько ниже, чем электродов группы А. Повышенное содержание СаF2 вызывает образование токсичных соединений и требуетсоздания надежной вентиляции.
в) рутиловые покрытия (Р) построенына основе рутила TiO2 с добавками полевого шпата,магнезита и других шлакообразующих компонентов которые, разлагаясь, даютбольшой объем СО2, к тому же, защитная атмосфера пополняетсяорганическими компонентами. В качестве газообразующих веществ используютсяорганические материалы (целлюлоза, декстрин) и карбонаты (MgCO3, СаСОз). Раскислителем служит ферромарганец. Дляповышения коэффициента наплавки в эти электроды вводят порошок железа.
Электроды этой группы обладаютвысокими технологическими свойствами — обеспечивают высокую устойчивостьгорения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки,возможность сварки в любом пространственном положении шва. Кроме того,рутиловые электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства унаплавленного металла.
г) целлюлозные покрытия (Ц) построенына органических веществах (целлюлоза, пищевая мука), при разложении и окислениикоторых выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту отвоздушной среды. Для предотвращения водородной хрупкости или появления пор присварке надо вводить окислители: ТiO2, МnO2. Для уменьшениявлияния водорода в покрытия вводят также плавиковый шпат СаF2. Для раскислениясварочной ванны добавляют ферромарганец и ферросилиций. Надежная газовая защитапозволяет снижать относительную массу покрытия: Кп ≈ 20%.Технологические свойства электродов довольно высокие и их применяют при сваркев различных пространственных положений.
Общие требования к электродам:
— точность размеров;
— соосность покрытия и стержня;
— прочность сцепления покрытия сметаллическим стержнем (сколы);
— гарантированные механическиесвойства наплавленного металла.
Каждая партия электродов имеетсоответствующий паспорт.
2.2 Описание металлургическихпроцессов, обеспечивающих получение качественных соединений
Высокие температуры, используемые присварке плавлением, с одной стороны, понижают термодинамическую устойчивостьоксидов, но, с другой стороны, скорость их образования резко увеличивается и заочень небольшое время сварочного цикла металлы поглощают значительноеколичество кислорода. Поглощенный кислород может находиться в металле илирастворенном состоянии в виде оксидов или субоксидов, а также может создаватьнеметаллические включения эндогенного типа, образовавшиеся при раскисленииметалла более активными элементами. И то, и другое резко снижает качествосварных соединений, особенно пластичность металла шва. Исследования этоговопроса показали, что основная масса кислорода в металле обычно находится внеметаллических включениях. Источниками кислорода в металле при сварке служатокислительно-восстановительные реакции между металлом и атмосферой сварочнойдуги, металлом и шлаками, образующимися в результате плавления флюсов или приразложении и плавлении компонентов электродного покрытия, а также взаимодействиис наполнителям порошковой проволоки.
Особенно велики скоростивзаимодействия металла с окружающей средой в высокотемпературной зоне сварки, ккоторой следует отнести каплю плавящегося металла на торце электрода илиэлектродной проволоки, дуговой или плазменный разряд и переднюю часть ванны.Более медленно эти процессы развиваются в хвостовой части ванны, так как тамтемпература приближается к температуре кристаллизующегося металла.Температурный перепад между этими зонами настолько велик, что реакции окисления– восстановления меняют свое направление. Так в капле плавящегося на электродеметалла происходит интенсивное поглощение кремния и марганца в результатеокисления железа, в то время как в хвостовой части сварочной ванны кремний имарганец восстанавливают железо, окисляясь сами. Кроме того, взаимодействиеметалла с кислородом при сварке осложняется образованием растворов оксидов в металлах,а это сильно изменяет термодинамическую устойчивость из-за возрастания энтропиив процессе растворения.
Раскисление металла сварочной ванны — восстановление металласварочного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока онанаходится в жидком состоянии.
Восстановление или раскисление сварочной ванны можноосуществлять несколькими способами:
1) Извлечение его более активными металлами – раскислениеосаждением.
2) Восстановление металла газовой атмосферой, контактирующейс металлом сварочной ванны.
3) Извлечение оксидов из металлической ванны, путем обработкиее шлаками.
Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но дляразличных металлов они будут применяться с различным успехом. Так, для металлас высокой термодинамической устойчивостью оксидов эти способы восстановленияпочти не дают эффекта и для получения качественного соединения из этих металловнеобходима по возможности полная изоляция их от окисляющей атмосферы.
Легирование металла шва при ручной сварке покрытыми электродами:Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия,легирование осуществляется следующим образом:
— легирование путем введения в покрытие электродапорошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния,титана;
— легирование в результате восстановления оксидов, входящих всостав покрытия, легко осуществляемое для малоактивных металлов и ограниченноедля таких элементов, как марганец, кремний и хром;
— легирование путем изменения состава электродных проволок,дающие самые стабильные результаты;
— легирование в результате расплавления основного металла,что имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.
2.3 Термодинамическое исследованиеодного из вероятных металлургических процессов
Рассмотрим реакцию
/>
Определим вероятность протекания прямой реакции при различныхтемпературах.
Табл. 3.2 – Значения стандартных параметров реагирующихвеществ.Вещество
/>, кДж/моль·К
/>, кДж/моль·К
/>, кДж/моль·К Fe 0,02715 0,025 O 0,20504 0,02935 FeО -264,8 0,06075 0,04925
ΔGтº = ΔHº298 – ΔSº298 ·T – /> ·f(T) · T
где ΔGтº-свободная энергия Гибса, кДж/моль;
ΔHº298 – энтальпия (кДж/моль);
ΔSº298 – энтропия (ДЖ/моль.К);
/> – теплоемкость (ДЖ/моль.К);
f(T) – функцияУлиха;
Т – абсолютная температура (К).
Формула для вычисления энтальпии:
ΔHº298 = ΣΔHºпр – ΣΔHºисх = />–(/> + /> )
ΔHº298 = – 1676 – (0 + 0) =– 1676 кДж/моль
Знак “–“ для ΔHсвидетельствует о том, что процесс протекает с выделением тепла.
Формула для вычисления энтропии:
ΔSº298 = ΣΔSºпр + ΣΔSºисх = />–(/> + /> )
ΔSº298= 50,92 – (28,35 + 205,04) = – 182,47 кДж/моль·К
Формула для вычисления теплоемкости:
Δ/> = ΣΔСрºпр + ΣΔСрºисх = /> – (/>+/>)
Δ/> = 79,04 – (24,35 + 29,35)= 25,34 кДж/моль·К
Функцию Улиха вычисляем по формуле:
f(T) = ln(/>) + /> – 1
Найдем численные значения функции Улиха для определенных температур:
f(0) =0;
f(1000)= 12,8895;
f(2000)= 26,6782;
f(3000)= 35,6941;
f(4000)= 42,3547;
f(5000)= 47,6316;
f(6000)= 51,9999.
Рассчитаем свободную энергию Гиббса ΔG°т для температур 298 – 6000 К, результатызаносим в таблицу 6.
Таблица 6- Результаты вычисленийТ, К
ΔG°т, кДж/моль 298 52700,06 1000 -145825,67 2000 -988786,13 3000 -2167732,39 4000 -3564868,28 5000 -5124248,52 6000 -6812922,03
По данным таблицы строим график зависимости ΔG°т(Т) (рисунок 1).
/>
Рисунок 1. График зависимости ΔG°т(Т)
По графикам можно сказать, что:
а) с повышением температуры термический эффект реакцииснижается, поскольку энтальпия возрастает;
б) с увеличением температуры скорость реакции тольконарастает.
3. Исследование процессов нагрева,плавления и охлаждения основного металла
3.1 Выбор и обоснование расчётнойсхемы нагреваемого тела и источника тепла
Исходя из условий сварки применяем подвижный точечный источниктеплоты мощностью q, движущийсяпрямолинейно с постоянной скоростью по поверхности полубесконечного тела. СхемаПТИ применяется для исследования температурных полей при ручной дуговой сварке.
Условия процесса:
— вид сварки: ручная дуговая сварка покрытыми электродами;
— сила тока: I =330 A;
— напряжение: U = 28В;
— эффективный КПД: h = 0,75;
— скорость сварки: υсв = 9 м/час.
Формы тел, нагреваемых при сварке разнообразны.Распространение теплоты существенно зависит от формы и размеров тела. Точныйучет конфигурации тела может привести к таким усложнениям расчета, что егопрактическое использование окажется затруднительным. Поэтому во всех техслучаях, когда пренебрежение второстепенными особенностями формы тела неприводит к большим погрешностям расчета, целесообразно упрощать формы рассматриваемыхтел, сводя их к простейшим. Но грамотное применение такой схематизации должноосновываться на четком понимании физической сущности процесса.
Полубесконечное тело представляет собой массивное тело содной ограничивающей плоскостью z = 0.Остальные поверхности находятся на значительном удалении и не влияют нараспределение теплоты (рисунок 2).
x
/>
z
y
Рисунок 2-Полубесконечное тело
Для термическихпроцессов сварки плавлением источник энергии должен обеспечивать концентрациютепловой энергии и температуру в зоне сварки, достаточные для плавления металлаи провара его на требуемую глубину, но без интенсивного испарения.
3.2 Расчёт температурных полей принагреве тела подвижными источниками тепла
Рассчитываем распределение температур вдоль оси шва.
Расчет температурных полей производится по уравнению предельногосостояния распространения тепла, отнесенное к подвижной системе координат:
T(R,x) = (/>) · exp/> + Тн,
где qu – погонная энергия (Вт):
q = I · U · h,
q = 330 · 28 · 0,75 = 6930 Вт,
l – коэффициент теплопроводности, l = 41,9 Вт/м · град;
υсв – скорость сварки (м/ч);
I – сила тока (А);
U – напряжение (В);
a – коэффициенттемпературопроводности, a =8,7 · 10-6 м3/c,
r = />,
где х — координата по оси х (см);
у — координата по оси (у) см.
Для расчёта распределения температур вдоль оси шва,рассчитываем Х в диапазоне от -50 см до 76 см. Распределение строим на оси шва(у=0), на расстоянии 1см от оси шва (у=1), 1,5см и 2см. График распределенияпредставлен ниже.
/>
Рисунок 3- Изотермы вдоль оси шва
Распределение температур вдоль оси У рассчитываем по той жеформуле, что и распределение температур вдоль оси Х.
Проводим расчёт распределения температур в поперечном сечениишва, т. е. вдоль оси Y, на поверхности металла при х={1; 2; 3; 4} см. Расчётведем по формуле,
T(R,x) = (/>) · exp/> + Тн.
Графики представлены ниже.
/>
Рисунок 4- Изотермы в поперечном сечении оси шва
Термический цикл точек сварного соединения.
Термический цикл строим для />.По формуле для ширины зоны с температурой выше заданной,
/>
см. Для построения графика используем формулу
/>.
График представлен ниже.
/>
Рисунок 5 — Термический цикл
3.3 Расчёт скорости охлаждения
Мгновенная скорость охлаждения является первой производнойтемпературы по времени:
/>
Так как в большинстве случаев оказывается достаточнымприближённое определение скорости охлаждения, то используют теорию мощныхбыстродвижущихся источников тепловой энергии без учёта теплоотдачи. Скоростиохлаждения обычно определяют для оси шва ввиду незначительного её отличия отскорости охлаждения околошовной зоны.
Для расчета скорости охлаждения используем формулу:
w = 2p · l · (Т–Тн)2/[q/V],
где q –эффективная тепловая мощность, Вт,
Т – критическая температура, Т = Ас3 =755 0С,
Тн – начальная температура, Тн = 20 оС,
l – коэффициент теплопроводности, l = 41,9 Вт/м0С,
cr – объемная теплоемкость, cr = 4,8Дж /см3С,
V – скорость сварки, cм/с.
w = 2 · 3,14 · 0,419 · (755 — 20)2/(6930 / 0,09) =18,46 гр/с.
Полученное значение Δω не входит в оптимальный диапазон скоростей охлаждения (2…4). Для сваркистали 45 необходимо применять специальные технологические приемы.
3.4 Определение изотермы наповерхности свариваемого металла
В результате воздействия сварочного источника теплотысвариваемый металл расплавляется. Металл, ограничиваемый изотерической поверхностьюТ = Тпл, образует сварочнуюванну.
Сварочная ванна перемещается по свариваемому изделию вместе систочником теплоты. После затвердевания расплавленного металла сварочной ванныобразуется шов. Глубина и форма проплавления зависят от сосредоточенностиисточника теплоты, определяемой способом сварки и силой сварочного тока.
Кристаллизация расплавленного металла состоит из двухэлементарных, одновременно протекающих процессов:
1) зарождение зародышей или центров кристаллизации,
2) роста кристаллитов из этих центров.
Кристаллы растут с некоторыми остановками, т.е. слоями.Центрами кристаллизации для каждого последующего слоя являются различныенеровности предыдущего.
Скорость кристаллизации определяется числом центровкристаллизации и линейной скоростью роста кристаллов в единицу времени.
Теория непрерывной кристаллизации предполагает спокойноезатвердевание жидкости без перемешивания жидкого металла внутренними конвективнымитоками. Эта теория имеет ограниченное применение.
Условия в которых протекают кристаллизационные процессы всварочной ванне:
а) наличие в ванне центров кристаллизации в виде зереносновного металла на границе сплавления;
б) одновременный с кристаллизацией ввод теплоты в сварочнуюванну движущимся сварочным источником энергии, скорость движения которого определяетскорость перемещения фронта кристаллизации;
в) значительный градиент температур в ванне, большой перегревметалла в центре шва;
г) интенсивное перемешивание металла ванны;
д) малый объем и непродолжительное существование сварочнойванны, большие средние скорости роста кристаллов;
е) воздействие на кристаллизирующийся металлтермодеформационного цикла.
При затвердевании расплавленного металла сварочной ванныпреобладает гетерогенный процесс кристаллизации и только в центральной части ванныв очень редких случаях возможна гомогенная кристаллизация. Под влиянием конкретныхтепловых и кинетических условий кристаллизации металла шва, химического составасплава, градиента температур, скоростей сварки и кристаллизации в различныхзонах шва возможно образование разной первичной структуры—столбчатой,полиэдрической. Столбчатая и полиэдрическая структура могут в свою очередь бытьячеистыми, ячеисто-дендритными, дендритными. Все эти структуры в шве можно не толькополучить, но и управлять их развитием, изменяя условия роста, как это следуетиз теории концентрационного переохлаждения. Такие параметры роста кристалла,как скорость кристаллизации Vкр и градиент температур в жидкой фазе grad Тф, оказывающий наиболее существенное влияние на образующую структуру,можно рационально подбирать и изменять при сварке .
Температурный градиент в жидкости может быть повышенувеличением тепловой мощности дуги путем повышения напряжения или силы тока илиможет быть понижен путем предварительного подогрева. Скорость кристаллизацииможно регулировать изменением скорости сварки.
При сварке в пределах сварочной ванны одновременноосуществляется два процесса:
а) плавление;
б) кристаллизация.
Сварочная ванна и связанная с ней изотерма кристаллизацииперемещаются вдоль оси шва со скоростью сварки.
Под схемой кристаллизации понимают форму осей кристаллитов изначение угла два aмежду касательными к осям. Ось кристаллита — воображаемая линия, определяющаяформу и направление границ кристаллитов. Форма, ориентировка и размерыкристаллитов могут изменятся в широких пределах в зависимости от технологиисварки и оказывать существенное влияние на деформационную способность металлашва. Направление роста кристаллита совпадает с направлением максимальноготеплоотвода, т.е. с нормалью к изотерме кристаллизации.
3.4Расчёт изотерм на поверхности свариваемого материала
Построение изотерм производим аналитическим методом. Дляэтого выведем уравнение изотермы, опираясь на уравнение предельного состоянияпроцесса.
Пусть требуется построить изотерму для некоторой температурыТ. Подставив эту температуру в уравнение предельного состояния, получим:
Затем, учитывая /> ипроизведя несложные преобразования, получим:
/>
откуда вытекает
/>.
Преобразуя относительно у, получим в итоге:
/>.
Рассчитываем изотермы в пределах от х=-0,8 см до х=46,45 см. Графики изотерм представлены ниже.
/>
Рисунок 6 – Графики изотерм
Данные изотермы построены для температур Тнир, ТАС1,ТАС3, ТМн (перечислены в порядке возрастанияэксцентриситета вдоль оси ОХ).
В связи с тем, что изотерма Т=Мн очень вытянута по осиОХ, частично не показана.3.5 Определение протяжённости отдельных участков в ЗТВ
Величина ЗТВ зависит от способа сварки, её режима,химического состава свариваемого и присадочного металла, физических свойствсвариваемых металлов, и т. д. Увеличение сварочного тока, снижение скоростисварки увеличивают ширину ЗТВ.
Протяжённость отдельных участков ЗТВ для стали 45 определимиз строения ЗТВ для данного сварного соединения. Температурные интервалыучастков:
-участок неполного расплавления: />,
— участок перегрева: />,
— участок нормализации: />,
— участок неполной перекристаллизации: />,
— участок рекристаллизации: />
— участок синеломкости: />.3.6 Распределение максимальных температур в поперечном сечениишва
Для определения протяжённости отдельных участков ЗТВнеобходимо построить график распределения максимальных температур в поперечномсечении шва.
Для построения этого графика используем формулу
/>
График распределения максимальных температур в поперечномсечении шва показан ниже.
/>
Ширины зон с температурами, превышающими характерныетемпературы, приведены ниже: ширина участка Тпл 1536 0,57 см Тпере 1500 0,59 см Тпере2 1100 0,80 см Тнорм 905 0,97 см Тнпкр 727 1,21 см Трекр 450 1,95 см Тсине 200 4,40 см
Откуда можно видеть, что ширины соответствующих зонсоставляют:ширина зоны в см Неполного расплавления 0,01 Перегрева 0,21 Нормализации 0,17 Неполной перекристаллизации 0,08 Рекристаллизации 0,14 Синеломкости 0,04
4. Оценка свариваемости металла иразработка мероприятий по повышению технологической прочности
4.1 Оценка структуры ЗТВ по скоростиохлаждения и роста зерна по времени пребывания металла при температурах роста
Зона термического влияния (ЗТВ) – участок основного металла, примыкающийк сварному шву, в пределах которого вследствие теплового воздействия сварочногоисточника нагрева протекают фазовые и структурные превращения. Это частоприводит к тому, что ЗТВ имеет отличные от основного металла вторичнуюмикроструктуру и величину зерна.
В ЗТВ в процессе нагрева и охлаждения при сварке, а также вшве при охлаждении получают развитие целый ряд фазовых и структурныхпревращений. Под фазовыми превращениями понимают превращения с образованиемновых фаз, отличающихся от исходных атомно-кристаллическим строением, частосоставом, свойствами, и разграниченных с ними поверхностями раздела. Приобразовании новой фазы в ее объеме меняется свободная энергия, скачкообразно изменяютсяэнтропия, теплосодержание и в момент превращения теплоемкость стремится кбесконечности. В связи с этим фазовое превращение сопровождается выделением илипоглощением теплоты.
При структурных превращениях происходит перераспределениедефектов кристаллической решетки, легирующих элементов и примесей и изменениесубструктуры существующих фаз. Структурные превращения сопровождаются плавнымизменением свободной энергии, энтропии и теплосодержания, скачкообразным –теплоемкости, и не сопровождаются выделением теплоты.
4.2Расчетное определение сопротивляемости образованию холодных трещин
Холодные трещины – локальное хрупкое межкристаллическое разрушениеметалла сварных соединений – представляют собой частый сварочный дефект всоединениях углеродистых и легированных сталей, если при сварке онипретерпевают частичную или полную закалку. Трещины образуются после окончаниясварки в процессе охлаждения ниже температуры 400К или в течении последующихсуток. Они могут возникать во всех зонах сварного соединения и располагатьсяпараллельно или перпендикулярно оси шва. Место образования и направление трещинзависит от состава шва и основного металла, соотношение компонент сварочныхнапряжений и некоторых других обстоятельств.
Оценку к образованию холодных трещин производим по эквиваленту углерода:
Сэкв = С + Mn/9 +Cr/9 + Ni/18
Cэкв= 0,5 + 0,37/9 +0,25/9 + 0,25/18 = 0,555
C’экв= 0,555 больше 0,4следовательно сталь склонна к образованию холодных трещин.
4.3 Определение сопротивляемости кобразованию горячих трещин
Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушениясварного шва или околошовной зоны, возникающие в области температурногоинтервала хрупкости в результате воздействия термодиформационного сварочногоцикла. Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выраженнымкрупнокристаллическим строением, с повышенной концентрацией легкоплавких фаз.Согласно общепринятым представлениям, они возникают в том случае, еслиинтенсивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в периодостывания приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данныхтемпературных условиях. Способность сварного соединения воспринимать безразрушения деформации, вызванные термодеформационным циклом сварки, определяетуровень его технической прочности.
Сопротивляемость сварного соединения образованию горячих трещинопределяется тремя основными факторами: пластичностью металла в температурноминтервале хрупкости, значением этого интервала и характером нарастаниядеформации при охлаждении.
Склонность легированных сталей к образованию горячих трещинориентировочно можно провести по химическому составу.
HCS = (C(S + P + Si/25 + Ni/100).103)/(3Mn+ Cr)
HCS =(0,5 (0,04+0,035 +0,8/25 + 0,25/100).103)/(3·0,37 + 0,25)= 40,26.
Т.к. HCS> 4, горячие трещины в сталяхобразуются.
4.4 Разработка мероприятий поповышению технологической прочности и улучшению свойств соединений
Для повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячихтрещин необходимо в процессе производства стремиться к такому сочетанию ихсвойств, технологических приемов и способов сварки, а также к такомуконструкционному оформлению узлов, которые обеспечивали бы при минимальныхзначениях деформации формоизменения максимальный уровень показателей ап– асв. для этого необходимо стремиться к уменьшению интервалахрупкости, увеличению пластичности металла шва и снижению темпа деформаций.
Все вышеизложенные способы в конечном счете приводятся к трем основным:
— изменение химического состава;
— выбор оптимального режима сварки;
— применение рационального типа конструкций и порядка наложения швов.
Химический состав металла шва и основного металла – один из главныхфакторов, определяющих значение δminи в известной мере интенсивностьразвития деформации усадки.
При сварке с применением присадочного материала – ручной, сварке подфлюсом, в аргоне химический состав металла шва и особенности его кристаллизацииопределяется долей участия основного и присадочного металла и схемойкристаллизации.
Эффективное средство повышения технологической прочности – снижениесодержания в сварных швах вредных примесей, а также дополнительное легирование.
Большое влияние оказывает характер структуры, образующейся прикристаллизации. Технологическую прочность можно повысить изменением фазовогосостава металла шва.
Влияние режима сварки на сопротивляемость образованию горячих трещинвесьма важно вследствие следующих причин: он представляет собой главный фактор,определяющий форму шва, характер и схему кристаллизации. Мягкие режимыспособствуют протеканию равновесной кристаллизации, зона стыка противоположныхфронтов кристаллизации выражена слабее, уменьшается концентрация деформаций.Для уменьшения образования трещин часто применяют режимы, отличающиеся малымискоростями и большим током, иногда даже рекомендуют предварительный подогрев,однако результаты в этом случае не всегда оказываются положительными, так какбольшое тепловыделение при незначительной жесткости конструкции может вызватьдополнительные деформации формоизменения.
Способы предотвращения холодных трещин в сварных соединениях направленына уменьшение или устранение отрицательного действия основных факторов,обуславливающих их образование, путём:
1) регулирование структуры металла сварных соединений;
2) снижение концентрации диффузионного водорода в шве;
3) уменьшение уровня сварочных напряжений.
Наиболее часто для предотвращения холодных трещин применяют предварительныйили последующий подогрев сварных соединений. При сварке углеродистых сталей,подогрев может исключить закалочные структуры в шве и ЗТВ. Кроме того, подогревспособствует интенсивному удалению НД из соединения.
Вывод
В ходе курсовой работы по теории сварочных процессов мною былипроизведены исследование процессов нагрева, плавления и охлаждения исследуемойстали 45, также произведена оценка свариваемости этой стали. Сталь 45 относитсяк углеродистым качественым сталям, обладает нормальной свариваемостью,.
Подобраны тип и режимы сварки – ручная дуговая сваркапокрытыми электродами. Iсв = 330 A, U = 28 B, Vсв = 9/час. Сварка производится электродами марки УОНИИ 13/45диаметром 5мм. Что обеспечивает получение качественного сварного соединения.
Список используемых источников
1 Куликов В.П. Технология и оборудование сварки плавлением.- Могилёв:ММИ, 1998,-256с.
2 Сварка в машиностроении. Справочник. Т.1-4.-М.:Машиностроение, 1978-1979.
3 Куликов В.П. Технология сварки плавлением.- Мн: Дизайн ПРО,2000.-256с., ил.
4 Методические указания