4 (О сварке), страница 8

Микроскопический анализ применяют для:

- определения формы и размеров зёрен, из которых состоит сплав;

- обнаружения изменений внутреннего строения сплава, проис­ходящих под влиянием термического цикла сварки;

- выявления дефектов сварного соединения (микропор, микро­трещин и т. п.);

- обнаружения неметаллических включений (например, сульфи­дов, оксидов).

Для микроанализа из исследуемого сварного соединения выреза­ют образец; исследуемую поверхность подвергают шлифованию, полированию (механическому, электролитическому), травлению. Подготовленная поверхность называется микрошлифом.

Для исследования структуры металлов и сплавов на микрошли­фах применяют металлографические микроскопы (рис. 4.59). По оп­тической схеме микроскоп состоит из двух основных раздельных оптических систем: окуляра, располагающегося в непосредственной близости к глазу, и объектива, обращенного к объекту исследования

- микрошлифу. Объектив даёт действительное увеличение проме­жуточного изображения объекта, которое увеличивается окуляром. Таким образом, изображение увеличивается дважды. Общее увели­чение представляет собой произведение увеличения объектива на увеличение окуляра. Оптические микроскопы дают увеличение до 1500 раз.

Микроструктуры сварного соединения из ферритно-перлитной стали приведены на рис. 4.58,6-е. Из анализа фотографий видно, что структура металла вверху и внизу (рис. 4.58, б) состоит из лучистых кристаллов верхнего бейнита, округлённых полосами феррита и пер­лита. При переходе от основного металла ко шву (рис. 4.58, в) слева виден крупнозернистый бейнит зоны перегрева, справа - бейнит ме­талла шва.

На рис. 4.58, г приведена структура участка перегрева, располо­женного рядом со швом; она содержит до 80 % крупнозернистого бейнита, а также около 10 % феррита и 10 % перлита. Структура участка, где металл нагревался выше температуры Ас2 (рис. 4.58, д), состоит из феррита и перлита. Основной металл, не подвергавшийся термическому влиянию сварки, имеет строчечную ферритно-перлитную структуру (рис. 4.58, е).

При необходимости большего увеличения пользуются электрон­ными микроскопами (рис. 4.60), которые обеспечивают увеличение до 200000 раз. Эти микроскопы работают по схеме проходящих элек­тронных лучей. Вместо стеклянных линз в электронном микроско­пе установлены электромагнитные линзы, преломляющие электрон­ные лучи. Источником электронов служит раскалённая вольфрамо­вая нить.

Электронный микроскоп предназначен для исследования объек­тов в проходящих электронных лучах, и предмет исследования дол­жен быть очень тонким. Поэтому при исследовании используются не сами образцы, а тонкие плёнки - реплики, воспроизводящие ре­льеф поверхности микрошлифа.

Структуру можно анализировать и на изломах сварного соедине­ния с помощью сканирующих растровых электронных микроскопов, предназначенных для исследования объектов в отражённых от по­верхности электронных лучах. Данный метод называют ф р а к т о -графическим.

Рис. 4.60. Схема (а) и общий вид (б) электронного микроскопа просвечива­ющего типа;

1 - источник электронов; 2 - кондедсорная линза; 3 - объект; 4 - объектив­ная линза; 5 - промежуточное изображение; б - проекционная линза; 7 -конечное изображение

Изломы сварных соединений исследуют после механических ис­пытаний образцов (см. рис. 4.48), а также после разрушения свар­ных конструкций. По излому можно определить характер разруше­ния - пластическое или хрупкое, а также выявить дефекты - поры, трещины, неметаллические включения и др.

Если металл пластичен, то его разрушение под воздействием ра­стягивающих усилий будет происходить в результате зарождения, развития и слияния микропор. Поверхность разрушения в этом слу­чае характеризуется наличием типичного ямочного (чашечного) рельефа (рис. 4.61). При этом чем больше размеры ямок, чем глубже они, тем металл обладает большим запасом пластичности. При хруп­ком разрушении в изломе присутствуют фасетки скола (рис. 4.62).

Испытания на коррозию проводят для определения коррозион­ной стойкости сварного соединения или отдельных его зон при ра­боте в различных средах. Различают испытания на общую и мест­ную коррозию.

Общая коррозия является результатом растворения металла в агрессивной среде. По характеру общая коррозия может быть: рав­номерной, при которой с одинаковой скоростью разрушается основ-иой металл и металл шва; неравномерной, при которой быстрее раз­рушается металл шва или же в определенных местах основной ме­талл и металл по линии сплавления.

Эта коррозия характерна для углеродистых и низколегированных сталей. Основные методы оценки коррозионной стойкости металла следующие (ГОСТ 13819-68): гравиметрический, профилографический, электрохимический; механические испытания на растяжение и изгиб.

Гравиметрический метод заключается в том, что сваривают две пластины, а затем разрезают на полосы шириной до 15 мм каждая. Образцы очищают от окалины, заусенцев, взвешива­ют и погружают в сосуд с кислотой (азотной, серной или соляной) различной концентрации. По истечении определённого времени (6-48 ч. в зависимости от материала и концентрации кислоты) образцы вынимают и повторно взвешивают. О развитии процесса коррозии судят по потере массы образцов.

Профилографический метод заключается в том, что степень коррозии сварных соединений определяют по профилограммам, которые строят для каждого образца на основании измерения профиля поверхности стрелочным индикатором до и после воздей­ствия на металл агрессивной среды с последующим сравнением ре­зультатов измерения. Электрохимический метод определения коррозионной стойкости заключается в установлении разницы потенциалов между отдельными зонами сварного шва в той или иной коррозионной среде.

Метод механических испытаний на растяжение и изгиб заключа­ется в сравнении прочностных и пластических свойств образцов до и после коррозионных испытаний.

Местная коррозия может развиваться в зоне термического влияния основного металла на некотором удалении от шва (по ли­нии сплавления основного металла с металлом шва) и в металле шва. Местная коррозия возникает в результате нагрева металла отдель­ных зон сварного соединения до определённых температур. Этому виду коррозии подвержены аустенитные и аустенитно-ферритные стали. Существует несколько методов оценки местной коррозии, рег­ламентированных ГОСТ 6032-75.

Химический анализ служит для отбраковки материалов по соста­ву, а также для установления причин появления дефектов в сварном соединении. При исследовании сварных соединений обычно прово­дят химический анализ основного, присадочного (электродного и проволоки) и наплавленного металла шва.

При химическом анализе металла шва устанавливают, находится ли содержание углерода, кремния, марганца и других легирующих элементов в пределах, которые регламентированы технической до­кументацией (например, ГОСТами, ОСТами). Кроме того, важно ус­тановить, что содержание вредных элементов (примесей - серы, фос­фора и др.) в стали не превышает допустимых пределов. В некото­рых случаях, особенно при разработке нового состава покрытия или технологии сварки, проводят также анализ шва на содержание азота, кислорода и водорода.

Химический анализ металла может быть проведен спектральным методом, при котором на поверхности образца зажигают дугу. Пары металла, попадающие в дугу, дают свой, присущий им спектр, кото­рый разлагают на аналитические линии. Сравнивая эти линии с эта­лонными, находят количественный и качественный состав элемен­тов в сплаве.

Рис. 4.61. Топография поверхности разрушения образца из основного ме­талла: а ~ х20; б - х500; в - Х2000; г - х 10000

Рис. 4.62

4.7. ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СВАРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Сварка как один из основных технологических процессов совре­менного машиностроения не осталась в стороне от широкого приме­нения новых информационных технологий и САПР (систем автома­тизированного проектирования).

САПР объединяет технические средства, математическое и про­граммное обеспечение. Под автоматизацией проектирования по­нимается такой способ выполнения процесса разработки проекта, при котором проектные процедуры и операции осуществляются разра­ботчиком изделия при тесном взаимодействии с ЭВМ, Автоматиза­ция проектирования предполагает систематическое использование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и при обоснованном вы­боре методов машинного решения задач. Рациональное распределе­ние функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен, в основном, решать задачи творческого характера, а ЭВМ -задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с тра­диционным ручным способом.

Существенное преимущество машинных методов проектирования состоит в возможности проводить на ЭВМ эксперименты на матема­тических моделях объектов проектирования, отказавшись или зна­чительно сократив дорогостоящее физическое моделирование. Ком­пьютеризация охватывает практически все сферы научно-техничес­кой и инженерной деятельности в сварочном производстве. Схема основных направлений использования в сварке САПР на основе ком­пьютерных средств представлена на рис. 4.63

Важным направлением САПР является моделирование на основе численных методов и метода конечных элементов.

Компьютерное моделирование широко применяется для описа­ния физических процессов, протекающих в условиях ускоренного нагрева и охлаждения металла при сварке. В качестве математичес­кой основы для современных вычислительных комплексов инженер­ного анализа в последнее время успешно применяется метод конеч­ных элементов (МКЭ). Пример компьютерного разбиения детали на конечные элементы представлен на рис. 4.64.

Такие вычислительные комплексы оформлены в отдельное направ­ление развития компьютерных технологий, получившее название САЕ-системы (САЕ-технологии). В сфере сварки, например, разра­ботан мощный программный комплекс MscMarc.

На начальной стадии при­менения МКЭ решали зада­чи нестационарной тепло­проводности (рис. 4.65), что позволяло делать вывод об изменении свойств металла зоны термического влияния (ЗТВ) в зависимости от режи­мов сварки или резки. При этом рассчитывались и разме­ры участков ЗТВ с различны-' ми структурами.

Развитие компьютерного моделирования в настоящее время связана во многом с изучением сварочных деформаций

Рис. 4.64

твердотельная время связано во многом с модель детали, разбитой на конечные элементы.

Рис. 4.65. Изображение на компьютере нестационарного температурного поля, характерного для процесса сварки

Рис. 4.66. Компьютерный расчёт остаточных сварочных деформаций