Експериментальне дослідження зварювальних процесів

Зміст

Введення

1. Характеристика властивостей металу, що зварюється

1.1 Основні параметри і константи зварюється металу

1.2 Структура і властивості металу, що зварюється

1.3 Оцінка зварюваності металу

2. Дослідження процесів взаємодії між металом, газом і шлаком

2.1 Характеристика захисту металу від взаємодії з навколишнім середовищем

2.2 Опис металургійних процесів

2.3 Термодинамічне дослідження металургійного процесу

3. Розрахунок теплових процесів

3.1 Вибір розрахункової схеми

3.2 Розрахунок швидкості охолодження

3.3 Розрахунок розподілу температур уздовж осі шва

3.4 Розрахунок ізотерм на поверхні зварюваного матеріалу

3.5 Розрахунок розподілу температур у поперечному перерізі шва

3.6 Визначення протяжності окремих ділянок у ЗТВ

3.7 Розподіл максимальних температур в поперечному перерізі шва

4. Аналіз процесу формування первинної структури зварного з'єднання

5. Аналіз процесів у ЗТВ

6. Оцінка технологічної міцності зварного з'єднання

6.1 Гарячі тріщини зварного з'єднання

6.2 Холодні тріщини зварного з'єднання

Висновок

C писок використаної літератури

Введення

Курсова робота з дисципліни «Теорія зварювальних процесів» є заключним етапом освоєння дисципліни. Метою курсової роботи є набуття навичок теоретичного та експериментального дослідження зварювальних процесів і пошуку шляхів управління цими процесами для отримання якісних зварних з'єднань.

Серед основних завдань роботи можна виділити наступні:

- Дослідження і опис фізико-хімічних процесів взаємодії металу з газом і шлаком;

- Дослідження процесів нагріву, плавлення і охолодження основного металу при зварюванні;

- Вивчення та опис процесів кристалізації металу при утворенні зварного з'єднання;

- Розробка способів підвищення технологічної міцності в процесі кристалізації зварного шва і остигання з'єднання.

1. Характеристика властивостей металу, що зварюється

1.1 Основні параметри і константи зварюється металу

Сталь 30ХМА належить до середньовуглецевих низьколегованих сталей. Для цієї сталі приблизний хімічний склад і основні властивості вказані у нижченаведених таблицях:

Таблиця 1.Хіміческій складу сталі і основні показники.

Таблиця 1.2. Основні властивості сталі.

Таблиця 1. 3. Теплофізичні коефіцієнти:

1.2 Структура і властивості металу, що зварюється

Сталь 30ХМА характеризується різко вираженою нерівномірністю розподілу сірки та фосфору по товщині прокату. Місцева підвищена концентрація сірки може призвести до утворення кристалізаційних тріщин у шві і біляшовній зоні. Введення в низьколеговані сталі невеликої кількості міді (0,3-0,4%) підвищує стійкість стали проти корозії (атмосферної і в морській воді). Для виготовлення зварних конструкцій низьколеговані сталі використовують в гарячекатаному стані. Легуючі елементи, що вводяться в сталь 30ХМА, утворюючи з залізом, вуглецем та іншими елементами тверді розчини і хімічні сполуки, змінюють її властивості. Це підвищує, механічні властивості сталі і, зокрема, знижує поріг хладноломкости. У результаті з'являється можливість знизити масу конструкцій. У промисловості при виробництві зварних конструкцій широко використовують середньовуглецеві, низьколеговані сталі. Сумарний вміст легуючих елементів в цих сталях не перевищує 4,0% (не рахуючи вуглецю), а вуглецю 0,3%.

Таблиця 1.2.1. - Механічні властивості сталі 30ХМА:

1.3 Оцінка зварюваності металу

Розглянута сталь 30ХМА має обмеженою здатністю до зварювання. Технологія її зварювання повинна забезпечувати певний комплекс вимог, основними з яких є равнопрочность зварного з'єднання з основним металом і відсутність дефектів у зварному шві. Для цього механічні властивості металу шва і біляшовній зони повинні бути не нижче нижньої границі механічних властивостей основного металу. У деяких випадках конкретні умови роботи конструкцій допускають зниження окремих показників механічних властивостей зварного з'єднання. Однак у більшості випадків, особливо п p і зварюванні відповідальних конструкцій, шви не повинні мати тріщин, непроварів, пор, підрізів. Геометричні розміри і форма швів повинні відповідати необхідним. Зварне з'єднання повинно бути стійким проти переходу в крихке стан. В окремих випадках до зварному з'єднанні висувають додаткові вимоги (працездатність при вібраційних і ударних навантаженнях, знижених температурах і т. д.). Однак у всіх випадках технологія повинна забезпечувати максимальну продуктивність і економічність процесу зварювання при необхідної надійності і довговічності конструкції.

Механічні властивості металу шва і зварного з'єднання залежать від його структури, яка визначається хімічним складом, режимом зварювання та попередньої і наступної термічної обробки. При зварюванні розглянутої стали, склад металу шва незначно відрізняється від складу основного металу. У металі шва менше вуглецю для попередження утворення структур гартувального характеру при підвищених швидкостях охолодження. Можливе зниження міцності металу шва, викликане зменшенням вмісту вуглецю, компенсується легуванням металу через дріт, покриття або флюс марганцем і кремнієм.

Підвищені швидкості охолодження металу шва сприяють збільшенню його міцності, однак при цьому знижуються пластичні властивості і ударна в'язкість. Швидкість охолодження металу шва визначається товщиною металу, що зварюється, конструкцією зварного з'єднання, режимом зварювання і початковою температурою вироби.

Рекомендується підігрів і подальша термообробка.

Способи зварювання: РД, РАД, АФ, КТ.

2. Дослідження процесів взаємодії між металом, газом і шлаком

2.1 Характеристика захисту металу від взаємодії з навколишнім середовищем

Зварювання плавленням - високотемпературний процес, що супроводжується зміною складу металу зварного з'єднання, а отже, і його властивостей, в результаті взаємодії з навколишнім середовищем (атмосферою). Висока відновна активність металів призводить до утворення оксидів, нітридів і гідридів, а так як швидкість хімічних реакцій і дифузійних процесів при температурах зварювального циклу дуже висока, то навіть у дуже обмежений час можуть, відбутися істотні і небажані зміни складу металу шва. Широке застосування зварювання в різних галузях промисловості, будівництва та транспорту стало можливим тільки тоді, коли були розроблені надійні методи захисту зони зварювання від атмосфери.

Розглядаючи різні види зварювання, можна виділити чотири способи захисту зони зварювання: 1) шлаковая захист, 2) газова, 3) газошлаковая, 4) вакуумна.

Змішана газошлаковая захист зварювальної ванни.

Історично цей метод з'явився раніше за всіх. Він реалізується при ручного дугового зварювання толстопокритимі або якісними електродами, промислове застосування яких почалося в середині 20-х років.

Властивості металу шва, наплавленого електродом без покриття, дуже низькі. Склад покриття електродів визначається рядом функцій, які він повинен виконувати: захист зони зварювання від кисню та азоту повітря, розкислення металу зварювальної ванни, легування її потрібними компонентами, стабілізація дугового розряду. Виробництво електродів зводиться до нанесення на сталевий стрижень електродного покриття певного складу. Електродні покриття складаються з цілого ряду компонентів, які умовно можна розділити на іонізуючі, шлакоутворювальні, газоутворюючі, раскислители, легуючі і в'яжучі.

Іонізуючі компоненти - сполуки, що містять іони лужних металів: Na ₂ CO _3, K ₂ CO _3. пари цих сполук знижують опір дугового проміжку і роблять дугового розряд стійким.

Шлакоутворювальні - мінерали: польовий шпат K ₂ O ^_3. Al ₂ O ^_3. 6 SiO _2; мармур, крейда, CaCO _3, магнезит MgCO _3, глинозем Al ₂ O _3, флюорит CaF _2, рутил TiO _2, кварцовий пісок SiO ₂ і іноді гематит Fe ₂ O _3. При сплаві ці компоненти утворюють шлаки різного складу і різної основності.

Газоутворюючі - речовини, що розкладаються з виділенням великого об'єму газу - мармур, крейда або органічні речовини: декстрин, крохмаль, целюлоза, які, згоряючи в електричній дузі, дають багато газоподібних продуктів - CO _2; CO; H _2; H ₂ O /

Раскислители і легуючі компоненти - металеві порошки або порошки феросплавів - феромарганець, феросиліцій, ферохром, ферровольфрам та ін Феросплави - ​​це лігатури, швидко розчиняються в рідкій сталі. Тільки нікель вводять у вигляді порошку металу, так як він при зварюванні майже не окислюється. Раскислителями, крім феромарганцю і феросиліцію, можуть бути феротитан і алюміній.

В'яжучими компонентами можуть бути або рідке скло, або полімери. Вони з'єднують порошки вищезазначених компонентів в заміс, який і напрессовиваетяс на підготовлений металевий стрижень в особливих пресах. Можна також готувати електроди зануренням у рідкий заміс, однорідність якого підтримується перемішуванням або обробкою ультразвуком.

Всі матеріали, що йдуть на виготовлення покриттів, повинні строго контролюватися за змістом таких шкідливих домішок, як сірка і фосфор.

Залежно від виду компонентів, якими здійснюється захист зони зварювання від атмосфери, всі електродні покриття можна розбити на наступні чотири групи (ГОСТ 75):

Кислі покриття (А), до складу яких входять оксиди заліза, марганцю, титану та кремнію, що представляють собою жужільну основу покриття. Газова захист створюється органічними складовими (крохмаль). Розкислювачем служить феромарганець. До складу цієї групи входять електроди ОММ-5, ЦМ-7, МЕЗ-04, СМ-5 та ін

2. Основні покриття (Б) побудовані на основі карбонату кальцію (мармур) і плавикового шпату (флюориту), який служить шлакообразующим компонентом. Газова захист создется дисоціацією мармуру (СаСОз). Як розкислювачів використовують феротитан, феромарганець і феросиліцій. До складу цієї групи входять електроди марок УОНІІ-13, CM -1 I, ОЗС, МР та ін До цієї ж групи належать безокіслітельние покриття, що містять мало СаСО ₃ та багато CaF ₂ (до 80%), призначені для зварювання високоміцних сталей. Зменшення частки мармуру у складі покриття знижує окислення металу і зменшує в ньому вміст вуглецю. До електродів з такими покриттями відносяться ІМЕТ-4; ІМЕТ-8.

3. Рутилові покриття (Р) побудовані на основі рутилу TiO ₂ з добавками польового шпату, магнезиту та інших шлакоутворюючих компонентів. Як газоутворюючих речовин використовуються органічні матеріали (целюлоза, декстрин) і карбонати (MgCO _3, СаСОз). Розкислювачем служить феромарганець. Для підвищення коефіцієнта наплавлення в ці електроди вводять порошок заліза. Типові електроди з таким покриттям - електроди АНО-4, АНО-5, АНО-б.

4. Целюлозні покриття (Ц) побудовані на газоутворюючих речовинах (целюлоза). В деякі покриття цього типу вводять невеликі кількості оксидів заліза, марганцю і титану. Для розкислення зварювальної ванни додають феромарганець і феросиліцій. Покриття такого типу мають електроди ОМА-2, що застосовуються для зварювання сталей малих товщин, ВСП-1 (із залізним порошком), ВСЦ-2.

В даний час продовжується робота з розробки нових малотоксичних електродів зі зниженим вмістом флюориту (CaF ₂₎ і зниженим вмістом марганцю.

Загальні вимоги до електродів: точність розмірів, співвісність покриття і стрижня, міцність зчеплення покриття з металевим стрижнем (відколи), гарантовані механічні властивості наплавленого металу. Кожна партія електродів має відповідний паспорт.

Розглянемо металургійні процеси при зварюванні електродами різних груп.

Електроди групи А при зварюванні створюють значну кількість газів (СО2; СО; H _2; H ₂ O) в результаті розкладання і окислення органічних компонентів і забезпечують хороший захист від атмосферного повітря.

Зміст гематиту F е ₂ Оз у покриттях цього типу вимагає значної кількості розкислювачів, головним чином феромарганцю. Так, в електродах ЦМ-7 міститься до 33% гематиту і близько 30% феромарганцю, що достатньо для відновлення майже всього заліза, але все ж у зварювальну ванну переходить достатню кількість марганцю.

Електроди групи Б при зварюванні здійснюють захист зони зварювання внаслідок розкладання мармуру СаСО _3, а оксид кальцію СаО йде на освіту шлакової системи основного типу СО - Са F _2. Атмосфера зварювальної дуги складається із СО, СО _2, Н ₂ і Н ₂ О. Пари води виділяються з покриття і щоб уникнути появи водню в зоні зварювання ці електроди треба перед зварюванням прожарювати при температурі 470 .. .520 К (до 570 К).

Вміст у покритті декількох розкислювачів дозволяє отримати добре відновлений метал, який містить мало сірки і не схильний до утворення гарячих тріщин. При зварюванні високоміцних, жароміцних сталей застосовують покриття з підвищеним вмістом СаСО ₃ (15 ... 20%), збільшуючи CaF ₂ (60 ... 80%). У цьому випадку вдається уникнути поглинання вуглецю зварювальної ванни і забезпечити вміст вуглецю в металі шва на рівні (0,05 ... 0,02%) С, як це потрібно за технічними умовами. Недолік цих електродів - мала стійкість дугового розряду, що вимагає зварювання на постійному струмі зворотної полярності. Таким чином, технологічні складнощі електродів групи Б трохи нижче, ніж електродів групи А. Підвищений вміст Са F ₂ викликає утворення токсичних сполук і потребує створення надійної вентиляції.

Електроди групи Р здійснюють захист зони зварювання шлаками на основі Т iO _2, польового шпату, магнезит, який, розкладаючись, дає великий обсяг З _2, але, крім того, захисна атмосфера поповнюється органічними компонентами. Електроди цієї групи володіють високими технологічними властивостями - забезпечують високу стійкість горіння дуги, хороше формування шва і отделяемость шлакової кірки, можливість зварювання в любомпространственном положенні шва. Крім того, рутилові електроди малотоксичні і забезпечують високі механічні властивості у наплавленого металу.

Електроди групи Ц з органічним покриттям містять своєму складі до 50% органічних речовин (харчове борошно, целюлоза) і при їх розкладанні і окисленні виділяється велика кількість газу, що забезпечує хороший захист від повітряного середовища. Для запобігання водневої крихкості або появи пор при зварюванні треба вводити окислювачі: Т iO _2, МnO _2. Для зменшення впливу водню в покриття вводять також плавиковий шпат СаF _2. Надійна газова захист дозволяє знижувати відносну масу покриття: До _п ≈ 20%. Технологічні властивості електродів типу Ц (ОМА - 2, ВРЦ, ВСП) досить високі і їх застосовують при зварюванні в різних просторових положень.

2.2 Опис металургійних процесів забезпечують отримання якісних з'єднань

Високі температури, використовувані при зварюванні плавленням, з одного боку, знижують термодинамічну стійкість оксидів, але, з іншого боку, швидкість їх утворення різко збільшується і за дуже невеликий час зварювального циклу метали поглинають значну кількість кисню. Поглинений кисень може знаходитися в металі або розчиненому стані у вигляді оксидів або субоксідов, а також може створювати неметалеві включення ендогенного типу, що утворилися при раскислении металу більш активними елементами. І те, й інше різко знижує якість зварних з'єднань, особливо пластичність металу шва. Дослідження цього питання показали, що основна маса кисню в металі зазвичай знаходиться в неметалевих включеннях. Джерелами кисню в металі при зварюванні служать окислювально-відновні реакції між металом і атмосферою зварювальної дуги, металом і шлаками, що утворюються в результаті плавлення флюсів або при розкладанні і плавленні компонентів електродного покриття, а також взаємодії з наповнювачам порошкового дроту.

Особливо великі швидкості взаємодії металу з навколишнім середовищем у високотемпературній зоні зварювання, до якої слід віднести краплю плавкого металу на торці електрода чи електродного дроту, дугового або плазмовий розряд і передню частину ванни. Більш повільно ці процеси розвиваються в хвостовій частині ванни, так як там температура наближається до температури кристалізується металу. Температурний перепад між цими зонами настільки великий, що реакції окиснення - відновлення змінюють свій напрямок. Так у краплі плавиться на електроді металу відбувається інтенсивне поглинання кремнію і марганцю в результаті окислення заліза, у той час як в хвостовій частині зварювальної ванни кремній і марганець відновлюють залізо, окислюючись самі.

Крім того, взаємодія металу з киснем при зварюванні ускладнюється утворенням розчинів оксидів в металах, а це сильно змінює термодинамічну стійкість через зростання ентропії в процесі розчинення.

Розкислення металу зварювальної ванни.

Відновлення металу зварювального з'єднання вимагає видалення кисню з зварювальної ванни, поки вона знаходиться в рідкому стані.

Відновлення або розкислення зварювальної ванни можна здійснювати декількома способами:

1. Витяг його більш активними металами - розкислення осадженням.

2. Відновлення металу газової атмосферою, що контактує з металом зварювальної ванни.

3. Витяг оксидів з металевої ванни, шляхом обробки її шлаками.

Всі ці методи реалізуються в зварювальної технології, але для різних металів вони будуть застосовуватися з різним успіхом. Так, для металу з високою термодинамічною стійкістю оксидів ці способи відновлення майже не дають ефекту і для отримання якісного з'єднання з цих металів необхідна по можливості повна ізоляція їх від окислювальної атмосфери.

Легування металу шва при ручного зварювання покритими електродами. Метал шва утворюється з основного металу, електродного дроту і покриття, легування здійснюється наступним чином:

• легування шляхом введення в покриття електрода порошкоподібних металевих добавок або феросплавів - марганцю, кремнію, титану.

• легування в результаті відновлення оксидів, що входять до складу покриття, легко здійснюване для малоактивних металів і обмежений для таких елементів, як марганець, кремній і хром.

• легування шляхом зміни складу електродних дротів, дають самі стабільні результати.

• легування в результаті розплавлення основного металу, що має місце при зварюванні високоміцних і теплостійких сталей.

2.3 Термодинамічне дослідження одного з імовірних металургійних процесів

Досліджувана реакція:

Na + F = NaF

Імовірність протікання реакції при даній температурі визначимо за формулою:

ΔG _т º = ΔH º ₂₉₈ - ΔS º ^_298. T - ΔC º p ^_298. F ^(T). T

де ΔG _т º - вільна енергія Гібса, кДж / моль

ΔH º ₂₉₈ - ентальпія, кДж / моль

ΔS º ₂₉₈ - ентропія, ДЖ / ^моль. До

ΔC º p ₂₉₈ - теплоємність, ДЖ / ^моль. До

F (T) - функція Уліха

Т - абсолютна температура, К

Формула для обчислення ентальпії:

Δ H º ₂₉₈ = Σ ΔH º _пр - Σ ΔH º _вих = ΔH º _NaF - (ΔH º _Na + ΔH º _F)

Формула для обчислення ентропії:

ΔS º ₂₉₈ = Σ ΔS º _пр + Σ ΔS º _вих = ΔS º _NaF - (ΔS º _Na + ΔS º _F)

Формула для обчислення теплоємності:

Δ Ср º ₂₉₈ = Σ Δ Ср º _пр + Σ Δ Ср º _вих = Δ Ср º _NaF - (Δ Ср º _Na + Δ Ср º _F)

Вихідні дані наведені у вигляді таблиці:

Таблиця 2.3.1 - вихідні дані:

Речовина	ΔH º 298, кДж / моль	ΔS º 298, ДЖ / моль. До	Δ Ср º 298, ДЖ / моль. До
NaF	-573.6	51.3	46.82
Na	0	51.45	28.16
F	4.75	53.9432	7.8046

Функцію Уліха обчислюємо за формулою:

F (T) = ln (T / 298) + 298 / T - 1

Знайдемо чисельні значення функції Уліха для певних температур:

f (298) = 0

f (1000) = 0.508662

f (2000) = 1.052809

f (3000) = 1.408607

f (4000) = 1.671456

f (6000) = 2.052088

Знайдемо чисельні значення ΔH º _298, ΔS º _298, Δ Ср º _298, ΔG º ₂₉₈

ΔH º ₂₉₈ = (-573.6 - (0 + 4,75)) = -578,35 кДж / моль

ΔS º ₂₉₈ = (51,3 - (51,45 + 53,9432)) = -54,09 ДЖ / ^моль. До

Δ Ср º ₂₉₈ = (46.82 - (7.8046 + 28,16)) = 10,86 ДЖ / ^моль. До

Расчитаем вільну енергію Гіббса ΔG ° _т і ентальпію Δ Н _т для температур 298 -6000 К.

ΔG _т º = ΔH º ₂₉₈ - ΔS º ^_298. T - ΔC º p ^_298. F ^(T). T =- 578350 - ^(-54,09. 1000) ^{-10,86. 0,508662.} 1000 =- 529 , 78 кДж / моль

Δ Н _т = Δ Н ₂₉₈ - Δ Ср ₂₉₈ (Т - 298), кДж / моль.

Результати представимо в таблиці:

Таблиця 2.3.2 - Результати обчислень

Т, К	298	1000	2000	3000	4000	6000
ΔG ° т, кДж / моль	- 578, 35	- 529, 78	- 493, 0 4	- 461, 97 2	- 434, 5 8 вересня	- 387, 524
Δ Н т, кДж / моль	-642,8	-785	-933	-1078	-1186	-1411

Отже, виходячи з розрахунку, отримали, що величина Δ Н негативна, отже, реакція йде з виділенням теплоти. При стандартній температурі величина Δ G негативна, а значить, реакція йде в прямому напрямку.

3. Розрахунок теплових процесів

3.1 Вибір розрахункової схеми

Форми тіл, що нагріваються при зварюванні, вельми різноманітні. Поширення теплової енергії істотно залежить від форми і розмірів шва. Однак точний облік конфігурації тіла може істотно ускладнити розрахунки. Тому доцільно спрощувати форми розглядуваних тіл, зводячи їх до найпростішого.

В якості розрахункової схеми приймаємо нескінченну пластину - тіло, обмежене двома площинами: z = 0 і z = δ. При використанні такої схеми передбачається, що температура по товщині листа розподілена рівномірно, а теплова енергія може поширюватися тільки в горизонтальній площині.

3.2 Розрахунок швидкості охолодження

Миттєва швидкість охолодження є першою похідною температури за часом:

Так як в більшості випадків виявляється достатнім наближене визначення швидкості охолодження, то використовують теорію потужних бистродвіжущихся джерел теплової енергії без урахування тепловіддачі. Швидкості охолодження зазвичай визначають для осі шва зважаючи незначного її відмінності від швидкості охолодження околошовной зони. Швидкість охолодження розраховуємо за формулою:

.

Отримане значення Δω входить в оптимальний діапазон швидкостей охолодження (0,1 ... 10,0).

3.3 Розрахунок розподілу температур уздовж осі шва

Рівняння граничного стану процесу розподілу тепла для джерела ПТИ має вигляд:

,

де q _U - погонна енергія, що передається джерелом тілу. Визначається за формулою:

.

Для розрахунку розподілу температур уздовж осі шва, розраховуємо Х в діапазоні від -20 см до 40 см. Розподіл будуємо на осі шва (у = 0), на відстані 1см від осі шва (у = 1), 1,5 см і 2см. Графік розподілу представлений нижче.

3.4 Розрахунок ізотерм на поверхні зварюваного матеріалу

Побудова ізотерм виробляємо аналітичним методом. Для цього виведемо рівняння ізотерми, спираючись на рівняння граничного стану процесу.

Нехай потрібно побудувати ізотерму для деякої температури Т. Підставивши цю температуру в рівняння граничного стану, отримаємо:

Потім, враховуючи і провівши нескладні перетворення, отримаємо:

звідки випливає

.

Перетворюючи щодо у, отримаємо в результаті:

.

Розраховуємо ізотерми в межах від х =- 0,8 см до х = 46,45 см. наведені Графіки ізотерм представлені нижче.

Дані ізотерми побудовані для температур Т _нир, Т _АС1, Т _АС3, Т _Мн (перераховані в порядку зростання ексцентриситету вздовж осі ОХ).

3.5 Розрахунок розподілу температур у поперечному перерізі шва

Проводимо розрахунок розподілу температур у поперечному перерізі шва, тобто вздовж осі Y, на поверхні металу при х = {1, 2, 3, 4} див. Розрахунок ведемо за формулою, яка виведена в розділі 4.3. Графіки представлені нижче.

Термічний цикл точок зварного з'єднання.

Термічний цикл будуємо для . За формулою для ширини зони з температурою вище заданої, см. Для побудови графіка використовуємо формулу

.

Графік представлений нижче.

3.6 Визначення протяжності окремих ділянок у ЗТВ

Величина ЗТВ залежить від способу зварювання, її режиму, хімічного складу зварюється і присадочного металу, фізичних властивостей зварюваних металів, і т. д. Збільшення зварювального струму, зниження швидкості зварювання збільшують ширину ЗТВ.

Протяжність окремих ділянок ЗТВ для сталі 30ХМА визначимо з будови ЗТВ для даного зварного з'єднання. Температурні інтервали ділянок:

1. ділянка неповного розплавлення: ,

2. ділянка перегріву: ,

3. ділянка нормалізації: ,

4. ділянка неповної перекристалізації: ,

5. ділянка рекристалізації:

6. ділянка сінеломкості: .

3.7 Розподіл максимальних температур в поперечному перерізі шва

Для визначення протяжності окремих ділянок ЗТВ необхідно побудувати графік розподілу максимальних температур в поперечному перерізі шва.

Для побудови цього графіка використовуємо формулу

(7.12 [1]).

Графік розподілу максимальних температур в поперечному перерізі шва показаний нижче.

Ширини зон з температурами, що перевищують характерні температури, наведені нижче:

		ширина ділянки
Тпл	1536	0,57	см
Тпер	1500	0,58	см
Тпере2	1100	0,61	см
Тнорм	905	0,78	см
Тнпкр	727	0,80	см
Трекр	450	0,94	см
Тсіне	200	0,96	см

Звідки можна бачити, що ширини відповідних зон становлять:

ширина зони	в см
Неповного розплавлення	0,01
Перегріву	0,03
Нормалізації	0,17
Неповною перекристалізації	0,02
Рекристалізації	0,14
Сінеломкості	0,02

4. Аналіз процесу формування первинної структури зварного з'єднання

Кристалізація розплавленого металу складається з двох елементарних паралельно протікають процесів: зародження зародків, або центрів кристалізації, і зростання цих центрів кристалізації.

У залежності від способів утворення зародків розрізняють гомогенну і гетерогенну кристалізацію. У чистому від домішок металі при охолодженні зародки утворюються з найбільш великих фазових флуктуацій рідкої фази, виділення яких пов'язано із флуктуаціями енергії (гомогенне зародження). У технічних металах завжди є дисперсні включення домішок, на поверхні яких і відбувається утворення центрів кристалізації (гетерогенне зародження).

У результаті впливу зварювального джерела теплової енергії основний метал починає плавитися, а метал, обмежений ізотермою Т = Т _пл, утворює зварювальну ванну. Зварювальна ванна переміщається по зварюваного виробу разом з джерелом теплової енергії. Після затвердіння розплавленого металу зварювальної ванни утвориться шов.

На кристалізацію розплавленого металу зварювальної ванни впливають такі умови:

- Наявність у ванні центрів кристалізації у вигляді зерен основного металу на межі розділу твердого та рідкого металу;

- Що відбувається паралельно кристалізації введення в зварювальну ванну рухомим джерелом теплової енергії, швидкість руху якого визначає швидкість переміщення фронту кристалізації;

- Малий об'єм і невеликий час існування зварювальної ванни, великі середні швидкості росту кристалів;

- Значний градієнт температур у ванні, перегрів металу в центрі шва;

- Інтенсивне перемішування металу ванни;

- Вплив на кристалізується метал термодеформаційного циклу зварювання.

У процесі кристалізації металу шва формується його первинна структура ^1, обумовлена ​​формою, розмірами, взаємним розташуванням кристалітів, розміром дендрідних утворень і фазових виділень. Форма міжфазної поверхні фронту кристалізації може бути плоскою (при стиковому зварюванні стрижнів), циліндричної (зварювання пластин встик з повним проплавленням), просторової (зварювання масивного вироби).

При затвердінні розплавленого металу зварювальної ванни переважає гетерогенний процес кристалізації, і тільки в центрі шва можлива гомогенна кристалізація.

Під впливом конкретних теплових і кінетичних умов кристалізації металу шва, хімічного складу сплаву, градієнта температури, швидкостей зварювання і кристалізації в різних зонах шва, можливе утворення різних первинних структур - стовпчастий, поліедріческой. Ці структури можуть бути ніздрюватими, ячеисто-дендріднимі, дендріднимі.

Швидкість кристалізації V _кр і градієнт температур у рідкій фазі grad (T) надає найбільш істотний вплив на утворюється структуру, можна раціонально підбирати і змінювати при зварюванні. Температурний градієнт в рідині може бути підвищений збільшенням теплової потужності дуги шляхом зміни режиму зварювання в бік збільшення струму і напруги, або знижений при попередньому підігріві.

Первинна структура шва робить великий вплив на багато властивостей наплавленого металу, особливо якщо в недалекому майбутньому його не піддавати термообробці, прокатці або куванню. Тому важливо, щоб первинна структура була зернистою і, по можливості, равноосной. Тоді властивості металу будуть досить високими і без термообробки.

Шляхи регуляції процесів первинної кристалізації:

- Для зменшення хімічної неоднорідності і підвищення стійкості металу до утворення гарячих тріщин, необхідний підбір оптимального співвідношення між шириною В і глибиною Н зварювальної ванни.

- Щоб одержати метал високої міцності і пластичності, стійкий до виникнення кристалізаційних тріщин, необхідно подрібнювати його структуру, що можна, зокрема, досягти введенням у зварювальну ванну елементів-модифікаторів (бор, титан, ванадій, ніобій, цинк і т.д.) , або штучним підвищенням швидкості кристалізації.

- Введення в зварювальну ванну елементів, що сприяють утворенню надлишкових фаз типу твердого розчину, первинних карбідів, що має особливе значення при зварюванні легованих сталей і кольорових металів.

- Впливом на ванну ультразвуком, механічними вібраціями, електромагнітним полем.

5. Аналіз процесів у ЗТВ

У процесі зварювання відбувається зміна структури і властивостей ділянок основного металу, прилеглих до шва.

Зона термічного впливу (ЗТВ) - ділянка основного металу, що примикає до зварному шву, структура і властивості якого внаслідок теплового впливу зварювального джерела теплової енергії змінюються.

ЗТВ має декілька структурних ділянок, що відрізняються формою і будовою зерна, в залежності від температури нагріву.

Ділянка неповного розплавлення - перехідний від наплавленого металу до основного. На цій ділянці утворюється з'єднання і проходить межа сплаву. Він являє собою дуже вузьку область основного металу, нагрітого нижче лінії ліквідусу, але вище лінії солідусу. У цій зоні спостерігається значне зростання зерен і скупчення домішок, тому цю ділянку зазвичай є слабким місцем зварного з'єднання, володіючи зниженою міцністю і пластичністю.

Ділянка перегріву - область основного металу, що нагрівається до температурного діапазону 1100 .. 1500 ° С. Метал цієї ділянки зазнає Аллотропических перетворення Fe _α → Fe _γ. Метал цієї зони відрізняється грубозернистої структурою й зниженими механічними властивостями.

Ділянка нормалізації - область металу, що нагрівається до температур 905-1100 ° С. Метал цієї ділянки має високі механічні властивості, зважаючи дрібнозернистої структури.

Ділянка неповної перекристалізації - зона, метал якої нагрівається до 727-905 ° С. Неповна перекристалізація цієї ділянки обумовлена ​​нестачею часу і низькою температурою нагріву. Структура складається з дрібних перекристаллизованная і великих зерен. У порівнянні з ділянкою нормалізації, механічні властивості декілька знижені.

Ділянка рекристалізації - область металу, що нагрівається до температур 380-727 ° С. Рекристалізація - зміна структури деформованого металу при його нагріванні вище певної температури. При цьому перекручена кристалічна структура переходить в ненапружену.

Ділянка старіння (сінеломкості) - нагрівається до 200-380 ° С метал - перехідний між ЗТВ і основним металом. Через деякий час можуть відбуватися процеси старіння в зв'язку з випаданням карбідів і нітридів заліза. Помітних структурних перетворень немає.

6. Оцінка технологічної міцності зварного з'єднання

6.1 Гарячі тріщини зварного з'єднання

Гарячими тріщинами називаються тендітні міжкристалітної руйнування в шві або ЗТВ, що у області температурного інтервалу крихкості в результаті впливу термодеформаційного зварювального циклу. Гарячі тріщини найчастіше виникають у сплавах, що мають виражену крупнокрісталлітним будовою, з підвищеним вмістом локальних концентрацій легкоплавких фаз. Згідно загальноприйнятим уявленням, вони виникають в тому випадку, якщо інтенсивність наростання деформацій у металі зварного з'єднання в період охолодження призводить деформацій більшим, ніж його пластичність в даних температурних умовах.

Освіта гарячих тріщин визначається трьома основними факторами: пластичністю металу в тих, значенням цього інтервалу і характером наростання деформацій при охолодженні.

Для зменшення схильності зварних з'єднань до утворення гарячих тріщин необхідно в процесі виробництва прагнути до такого набору властивостей зварюється сплаву в тихий, а також технологічних прийомів і конструктивного оформлення вузлів, які б забезпечили найменші деформації. Для цього необхідно прагнути до зменшення тихий і зниження темпів зростання деформацій.

Всі відомі способи підвищення технологічної міцності в кінцевому підсумку зводяться до наступних:

1. Зміна хімічного складу

2. Вибір оптимального режиму зварювання

3. Застосування раціонального типу конструкції і порядку накладення зварних швів.

З методів кількісної оцінки технологічної міцності широке поширення отримав метод, винайдений в МВТУ ім. М.Е. Баумана. Сутність його полягає в наступному: випробуваний шов деформується в тихий із заданим темпом наростання деформацій, аж до повного вичерпання пластичності. Показником опірності утворення гарячих тріщин служить максимальна швидкість деформації, при якій тріщини ще не утворюються.

.

Для сталі 30ХМА знайдемо

Якщо HСS <4, то гарячі тріщини в зварному з'єднанні не утворюються. Для сталі 30ХМА характерне утворення гарячих тріщин.

6.2 Холодні тріщини зварного з'єднання

Холодні тріщини - локальне крихке межкристаллических руйнування металу зварних з'єднань - частий дефект при з'єднанні вуглецевих і легованих сталей, претерпевающих при зварюванні часткову або повну загартування. Вони можуть виникати у всіх зонах зварного з'єднання і розташовуються паралельно або перпендикулярно осі шва. Холодні тріщини утворюються після закінчення зварювання, нижче за температуру 420-370 º С, протягом наступних діб. Злам холодних тріщин світлий, без помітних слідів окиснення.

Основні фактори, що впливають на утворення холодних тріщин:

1. Структурна будова металу зварного з'єднання, що характеризується наявністю складових мартенситного та бейнітного типу

2. Концентрація дифузійно-рухливого водню в зоні зародження тріщини

3. Рівень розтягуючих зварювальних напружень I роду.

Способи боротьби з холодними тріщинами спрямовані на зменшення або усунення негативного дії основних факторів, які обумовлюють їх освіту. Найбільш часто для попередження виникнення холодних тріщин застосовують попередній і / або подальший підігрів зварного з'єднання. При неможливості підігріву застосовують низький або високий відпустку зварних вузлів безпосередньо після зварювання.

Способи оцінки схильності до утворення холодних тріщин поділяють на: а) за характером оцінки - непрямі і прямі; б) за характером критерію оцінки - якісні та кількісні; в) за характером застосування критерію оцінки - порівняльні та абсолютні. Непрямі способи дозволяють оцінювати схильність до тріщин розрахунковим шляхом за хімічним складом сталі без випробування з'єднання. Один з таких способів - оцінка потенційної схильності сталі за значенням еквівалента вуглецю С _екв.

де H - зміст дифузійного водню, см ³ / 100г;

K _О - коефіцієнт жорсткості з'єднання;

d - Товщина металу, мм.

Для сталі 30ХМА знайдемо параметр тріщиноутворення

При Р _W <0.285 холодні тріщини в зварних з'єднаннях не утворюються. Для сталі 30ХМА освіта холодних тріщин характерно.

Висновок

Сталь 30ХМА обмежено зварюється, але бажано отримання складу металу шва, близького до основного металу. Дана сталь може утворювати гарячі і холодні тріщини, тому є необхідність в підігріві і подальшої термообробки. Зварювання можна робити як на постійному, так і на змінному струмі. Цьому типу джерела відповідає автоматична дугова зварка під флюсом встик за один прохід.

Список використаної літератури

1. Теорія зварювальних процесів. Під ред. В.В. Фролова .- М.: Вища школа, 1998 .- 559 с.

2. Кох Б.А. Основи термодинаміки металургійних процесів зварювання. - Л.: Суднобудування. 1975 .- 219 с.

3. Макаров Е.Л. Холодні тріщини при зварюванні легованих сталей. М.: Машинобудування, 1981 .- 247 с.

4. Зварювання в машинобудуванні. Довідник. Т. 1 - 4, - М.: Машинобудування, 1978 .- 1979.

5. Марочник сталей / В.Г. Сорокін, А.В. Волоснікова, С.А. Вяткін і ін; За заг. ред. В.Г. Сорокіна. - М.: Машинобудування, 1989. - 640с.

6. Машинобудівні сталі. Довідник. / В.М. Журавльов, О.І. Миколаєва. - М.: Машинобудування, 1981. - 391с.