2 (1016816), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В течение ряда лет многими исследователями экспериментально и теоретически изучались тепловые процессы при сварке, которые в настоящее время можно представить как тепловые основы сварки, являющиеся частью её теоретических основ. В разработке тепловых основ сварки и тепловых расчётов при сварке, применяемых в настоящее время, основная роль принадлежит советским учёным, и в первую очередь академику Н. Н. Рыкалину (27.05.1903 г, Одесса, 21.05.1985 г, Москва).
Николай Николаевич Рыкалин в 1929 г. окончил Дальневосточный государственный университет. С 1939 г. работал в Институте машиноведения АН СССР, с 1941 г. - в секции по научной разработке проблем сварки и электротермии, с 1953 г. руководил лабораторией теории сварочных процессов в Институте металлургии им. А. А. Байкова. В 1930-х годах разработал ведущие разделы теории тепловых основ сварки и ряд других способов металлообработки. В последующие годы под его руководством разработаны ванная дуговая сварка, сварка металлов ультразвуком, термокомпрессионная сварка, технология металлообработки сжатой дугой, исследованы металлургические превращения ряда сплавов, электрофизические процессы в дуге и др. Он автор более 100 печатных работ, в том числе опубликованных во многих странах мира, академик АН СССР, член Сербской Академии наук. Награждён почётной медалью Американского сварочного общества, отмечен государственными наградами СССР.
В основу тепловых расчётов, расчётных методов определения температурных полей, скоростей нагрева и охлаждения положены данные о теплофизических величинах и процессах теплообмена. Полученный уровень знаний позволяет определять необходимые условия, при которых достигаются нагрев изделия и его сваривание, а также решать задачи о распределении температур в теле и его изменении во времени в каждом конкретном случае, например определять температурное поле в полу бесконечном теле по заданным значениям тепловой мощности источника теплоты д, скорости его движения у температуропроводности а и теплопроводности А, (рис. 1.7).
Рис. 1.7. Температурное поле предельного состояния при движении точечного источника теплоты по поверхности полубесконечного тела: а - изотермы на поверхности хОу; б – изотермы в поперечной плоскости хОг, проходящей через центр источника теплоты; в распределение температуры по прямым, параллельным оси* и расположенным на поверхности массивного тела; г- распределение температуры по прямым, параллельным оси у и лежащим в поперечной плоскости хОz; д - схема расположения координатных осей; д = 4000 Дж/с; v = 0,1 см/с; а = 0,1 см2/с; Х'=~ 0,4 Дж/(см • с • град)
1.3. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МЕТАЛЛА ШВА
Химический состав металла шва определяется химическим составом свариваемого металла, электродной (присадочной) проволоки и физико-химическими процессами, протекающими в сварочной ванне.
В условиях высокой температуры электрической дуги и металла сварочной ванны происходит диссоциация молекул газов - кислорода, азота и водорода, а также химических соединений - углекислого газа и паров воды с образованием атомарного кислорода, азота, водорода и углерода, которые становятся весьма активными и реагируют с металлом. Так, при сварке сталей кислород, взаимодействуя с железом, образует оксиды РеО, Ре3О4, Ре2О3. Наиболее опасным для качества шва является оксид РеО, способный растворяться в жидком металле. После остывания шва ввиду невысокой температуры затвердевания РеО остаётся в нём в виде выделений по границам зёрен, что сильно снижает пластичность шва. Чем больше кислорода в шве находится в виде РеО, тем хуже его механические свойства. Высшие оксиды Ре3О4 и Ре2О3 не растворяются в жидком металле и всплывают на поверхность сварочной ванны в виде шлака.
Кроме железа окисляются и другие легирующие элементы стали, например марганец, кремний, углерод:
Мп + О -> МпО,
51 + 2О -> ЗЮ2, С + О -> СО.
В сварочной ванне легирующие элементы могут окисляться и взаимодействуя с оксидом РеО:
Мп + РеО <-> МпО + Ре, 31 + 2РеО <-> 8Ю2 + 2Ре,
С + РеО <-» СО + Ре.
Окисление этих элементов приводит к уменьшению их содержания в металле шва. Кроме того, образующиеся оксиды могут оставаться в шве в виде различных включений или пор (СО), значительно снижающих механические свойства сварных соединений.
Поэтому одним из условий получения доброкачественного металла шва является предупреждение его окисления, в первую очередь путём создания различных защитных сред. Однако принимаемые при сварке защитные меры не всегда обеспечивают отсутствие окисления расплавленного металла. В этом случае металл шва требуется раскислить. Раскислением называют процесс восстановления железа из его оксида и перевод кислорода в форму нерастворимых соединений с последующим удалением их в шлак. В общем случае реакция раскисления имеет вид
V РеО + Ме 4-» Ре + МеО,
где Ме раскислитель.
Раскислителем является элемент, обладающий в условиях сварки большим сродством к кислороду, чем железо. В качестве раскислителей применяют кремний, марганец, титан, алюминий. Раскислители вводят в сварочную ванну с электродной проволокой, покрытия-ми электродов, флюсами.
Азот; воздуха, попадая в столб дуги, диссоциирует и, находясь в атомарном состоянии, растворяется в жидком металле. В процессе охлаждения азот выпадает из раствора и взаимодействует с железом, образуя нитриды Ре2М, Ре4Ы. Содержание азота в металле шва вредно влияет на его механические свойства, особенно пластичность. Кроме того, насыщение металла азотом способствует образованию газовых пор.
Водород в зону сварки попадает из влаги покрытия электрода или флюса, ржавчины на поверхности сварочной проволоки и детали, из воздуха. Атомарный водород хорошо растворяется в жидком металле. При охлаждении и особенно кристаллизации сварочной ванны растворимость водорода резко (скачкообразно) уменьшается. Выделившийся водород не успевает полностью удалиться из металла шва, и образуются газовые поры. Кроме того, атомы водорода, диффундируя в имеющиеся полости, приводят к повышению в них давления, развитию в металле внутренних напряжений и образованию микротрещин.
1.4. МИКРОСТРУКТУРА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Сварное соединение включает сварной шов, образующийся в результате кристаллизации сварочной ванны; зону сплавления, в которой металл при нагреве находился в твёрдо-жидком состоянии, и зону термического влияния, являющуюся частью основного металла, подвергавшегося тепловому воздействию, вызывающему изменение структуры и свойств.
Сварной шов имеет структуру литого металла, которая сформировалась в результате развития первичной и вторичной кристаллизации.
Первичной кристаллизацией называют переход металла из жидкого состояния в твёрдое, в результате чего образуются кристаллиты (зёрна). Процесс первичной кристаллизации начинается на частично оплавленных зёрнах основного металла, находящихся на дне сварочной ванны. При многослойной сварке центра-ми кристаллизации служат поверхности кристаллитов предыдущего слоя. Кристаллит, растущий от отдельного зерна на границе сплавления, представляет собой группу совместно растущих элементарных столбчатых кристаллов, сросшихся общим основанием, т. е. с оплавленным зерном основного металла. Рост кристаллитов происходит в результате присоединения к их поверхности отдельных частиц (атомов) из окружающего расплава.
В зависимости от формы и расположения кристаллитов затвердевшего металла различают зернистую, столбчатую и дендритную структуру. При зернистой структуре зёрна не имеют определённой ориентации, а по форме напоминают многогранники. Такая структура обычно характерна для металла шва, выполненного покрытыми электродами, при его довольно быстром охлаждении. При столбчатой и дендритной структурах зёрна вытянуты в одном направлении. В столбчатой структуре они имеют компактную форму, а в дендритной — ветвистую. Такие структуры шов имеет при медленном охлаждении - при сварке под флюсом и электрошлаковой сварке.
Направление роста кристаллов связано с интенсивностью отвода теплоты от ванны жидкого металла. Кристаллы растут перпендикулярно к границе сплавления в направлении, противоположном отводу теплоты (рис. 1.8).
Рис.1.8. Схемы направления роста кристаллитов при кристаллизации шва: а - с глубоким проваром; б - широкого; в - электрошлакового; м.п. - медные ползуны
При сварке сталей на железной основе кристаллиты имеют аустенитную структуру, представляющую собой твердый раствор углерода в железе. При понижении температуры происходят аллотропические превращения, которые проявляются в переходе у железа, с гранецентрированной кубической решеткой, в а железо с объемно-центрированной кубической решеткой. Это сопровождается изменением строения металла вследствие появления новых образований в пределах первичных столбчатых кристаллитов. Кристаллиты, имеющих структуру аустенита, распадаются, образуя механическую смесь почти чистого а железа (феррита) и карбида железа Ре3С (цементита). Такое явление называется вторичной кристаллизаций при перекристаллизацией.
При сварке низкоуглеродистой стали в около шовной зоне различают следующие участки: сплавления 7, перегрева 2, нормализации 3, неполной перекристаллизации 4 и рекристаллизации 5 (рис. 1.9). Далее находится основной металл, не подвергавшийся действию высоких температур.
Зона сплавления (участок неполного расплавления) непосредственно примыкает к сварному шву. На этом участке и происходит сварка. Ширина его в зависимости от источника нагрева и режима сварки составляет (ориентировочно) 0,1—0,4 мм.
Участок перегрева. На этом участке, где металл нагрет примерно от 1100 °С до температуры начала плавления основного металла, развивается крупное зерно, что приводит к образованию игольчатой (вид манштеттовой) структуры. Механические свойства на участке перегрева понижены. Ширина его составляет 1-3 мм.
Рис. 1.9. Структура около шовной зоны при сварке низкоуглеродистой стали
Участок нормализации (перекристаллизации) охватывает часть основного металла, нагретого до 900-1100 °С. На этом участке металла создаются благоприятные условия для образования мелкозернистой вторичной структуры, вследствие чего его механические свойства обычно выше механических свойств основного металла, не подвергавшегося нормализации. Ширина участка 1,2-4 мм.
Участок неполной перекристаллизации включает металл, нагретый до 720-900 °С и подвергавшийся только частичной перекристаллизации из-за недостатка теплоты для перекристаллизации и измельчения всех зерен. Поэтому здесь наряду с довольно крупными зернами основного металла, не изменившимися при нагреве, имеются мелкие зерна, образовавшиеся в результате перекристаллизации. Механические свойства такой смешанной структуры невысоки.
Участок рекристаллизации наблюдается при сварке сталей, подвергавшихся ранее пластическим деформациям (прокатке, ковке, наклепу), в результате которых часть зерен основного металла сплющилась и вытянулась, а часть раздробилась. На данном участке металл нагревают до 500-720 °С, что вызывает его рекристаллизацию, поскольку из обломков зерен зарождаются и растут новые зерна, размер которых значительно увеличивается. При сварке металла, не подвергавшегося пластической деформации (например, литых деталей), процесса рекристаллизации и соответствующего участка не наблюдается.
Общая ширина зоны термического влияния зависит от вида, способа и режима сварки, мм:
Вид сварки:
ручная дуговая .................................................. 3-6
в защитных газах.............................................. 1-3
под флюсом....................................................... 2-4
электрошлаковая............................................... 11-14
газовая* ............................................................. 20-30
* При этом виде сварки ширина зоны термического влияния велика вследствие большой зоны разофева основного металла.
1.5. НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ
1.5.1. Причины возникновения напряжений и характер деформаций
В процессе изготовления сварных конструкций в них возникают сварочные напряжения и деформации. Сварочные напряжения, превышающие предел текучести металла, вызывают его пластическую деформацию, которая приводит к изменению размеров и формы изделия т. е. к его короблению. Если сварочные напряжения превышают временное сопротивление (сгв), то происходит разрушение сварного шва или соединения, т. е. образуются трещины.
Причины возникновения сварочных напряжений и деформаций — неравномерное нагревание металла при сварке, литейная усадка расплавленного металла и структурные превращения в металле в процессе его охлаждения.
Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. При наличии жестких связей между нагретыми и холодными участками металла приводит к образованию сжимающих или растягивающих внутренних сварочных напряжений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
