Неровный В.М. - Теория сварочных процессов (1043833), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Основные соотношения, характеризующие процесс кристаллизации шва, получены в результате решения дифференциального уравнения ортогональной траектории к семейству изотермических поверхностей кристаллизации (хн) зллипсоидного типа Были использованы выражения для длины и полуширнны затвердевающей части сварочной ванны, выведенные на основе тепловой теории хз уз — + — + — =1, Л2 Р2 Нз (12.11) Ряс.
12Л2. Форма осей й крнсталлнтов прн рвзлнчном очертании сварочной ванны зллнпсонлного тнпж и ооъемнзвй процесс стелл крн нзапнн. соотаетствуюннзй точечному источнику теплоты на поверхности масснвното тела; 6 — плоский соотаетствуняпнй линейному н нсточннку по толпппю лнста; в — обьсмный пасс — плоский процесс крнсталлнзапнн, (Н, т., Р— полуоси зллнпсонла; Ь, Г, — азн , о — пазы ы крнсталлнтов с ость крнсталлнзапнн; х„— ось крнсталлнта; - - - ° н — — осн в соответственно в крнсталлнзукчнейся сварочной ванне н в закрнстлллнзоваапюмся юве) при сварке для быстродвижущихся источников теплоты.
С помощью полученных соотношений можно определить основные нара- метры схемы кристаллизации: 1) уравнение оси кристаллита; 2) угол наклона оси кристаллита к оси шва (также угол срастания противоположно растущих кристаллитов в центре шва); 3) интегральный критерий схемы крнспзллизацни; 4) скорость кристаллизации; 5) ример поперечного сечения кристаллита; 6) градиент температуры в точке пересечения оси кристазиита с изотермой кристаллизации; 7) тип первичной микроструктуры.
Эллипсоидная форма сварочной ванны соответствует сварке с относительно небольшими скоростями (до 20...25 и/ч); прн увеличении скорости сварки ванна приобретает параболоидную„а ютем коническую форму. При этом методика получения основных соотношений остается прежней, а вид соотношений изменяется. Следует отметит~, что В реальных услоВнях с~арки возможньз отклонения направления осей кристаллитов от ортогонального к фронту кристаллизации, которые в отдельных зонах могут достигать 30...40' в зависимости от природы и состава сплава, а также от параметров режима сварки.
Пространственный фронт кристаллизации широкого класса сварочньзх Ванн, Вст(зечающихся В практике„можно описать уравнением эллнпсоида полуоси которого А, Р и Н соответствуют длине, полуширине н глубине фронта кристаллизации, Для случаев действия точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела и линейного по толщине листа анализ процесса кристаллизации сварного шва проводят для поверхности шва. При сварке в пределах сварочной ванны (см. рис, 12.11) одновременно осуществляются два процесса: плавление ()тО~Ф— фронт плавления) и кристаллизация (зтМт' — фронт кристаллизации). Сварочная ванна и связанная с ней изотерма кристаллизации перемещаются вдоль оси шва со скоростью сварки.
С точностью, достаточной для инженерных расчетов, крнвую зла можно описать уравнением эллипса Рис. ИЛ4. Зависимость митегральнсго критерия схемы крисшллнззпии К от скорости сварки т (кривые / и 2 соОтветствуют значениям ц/а равнмм4,!8 Н41,8 КДЖ/см) Рис. ИЛ3. Изменение угла и наклОна Осн криствллнта к Оси шва по ширине шва в зависимости От скорости сварки (кривые /, 2, 3 н 4 — соответствуют скоростям сварки 1, 2, 3 и 4 см/с прн ц/с 41,8 КДЖ/см) АВ=АСсова =/3хсова и /!х О = сова; хр Рнс. 12.15. Схема расчета скоро- сти кристаллизации О (12.23) (12.24) (12.22) Угол срастания нроттоположно растуи/их кристаллитов в цен>нре шва оценивают по соотношению где а; принято рассчитывать для А„равного 0,04„так как прн меньших значениях й . получается, что ось кристаллита асимптотическн приближается к Осн шва, а угол на~хо~а стремится к нулю.
Для суммарной оценки схемы кристаллизации используют ин! тегральнмй критерий К„= )ао/й, (где //кх — бесконечно малый 7 О элемент ширины шва), который позволяет сулить о преимушественном направлении осей крнсталлитов по ширине шва при данном режиме сварки: к — ' оо ок /ом'-оо1 О =-+ 1п 2 ОМз - Од/2 (12.2 П Т аким образом, схема кристаллизации оценивается совокупностью у~лов, под которыми участки крнсталлитов наклонены к осн Ох. Из рис.
12.13 для варианта наплавкн на поверхность полубесконечного тела показаны распределение угла а по ширине шва от его оси (/! = О) до линии оплавления (8» = 1) при различных скоростях сварки и постоянной погонной энерпш (ц/и = сопя!). Зависимость интегрального критерия К„От скО!зости сварки поюознз на рис. 12.14. С ростом погонной энергии сварки значение К увеличивается. Используя выражение (12.19), можно получить уравнение для определения скорости кристаллизации — скорости роста кристаллов п„р на различных участках их длины при сварке. Пол скоростью кристаллизации здесь понимается средняя макроскопическая скорость перемещения межфазной поверхности.
Вектор скорости кристаллизации направлен по нормали к изотерме кристаллизации. Для оценки скорости кристаллизации используют соотношение 0„3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 /!» 0 и, см/с где А — длина закристаллизовавшегося участка (рис. 12Л5); ~и— время кристаллизации. Рассмотрим фигуру АВС. При достатОчно малом Ь/, мОИИО считать ее прямоугольным тре" угольником и принять АС = бх. Тогда так как и = — — скОрость сварки, то бх /3/ Скорость кристаллизации можно определить„выразив сов а через !ба и используя (12.19), с помошью соотношения Рис, 13Л7. Рассчитанная по тепловой теории взотерма кристаллизании (штриховая линия) и аппроксимирующий эллине (сплошная линия) с полуосями ОМИ ОЖ ОМ =- —.
Ч 2яХТ (12.22) (м =Азз!Иа,, у' = — 1п Рнс. 12.16, Схема определения ширины кристаялита Ь„; (ВС) С увеличением скорости сварки О изотермы вытши скорость кристаллизации и угол а возрастают. У линии оплавления Ояр = б, а на осн щва О зв Ширину крис~пахлита в заданной точке А; оси крнсталлита х„ можно определить, используя схему на рис. 12,16. П инято, ис талан кр иты начинают расти От Оплавленных зерен ОснОВБОГО метыща, Ширину кристаллита Ь„; измеряют по направлению касательной к изотерме кристаллизации х„, используя соотношения: ВС = Ьм и ОС = д,. Из треугольника ХЖС получаем где О, — средний условный диаметр оплавленного зерна в околошовной зоне (см.
разд. 12.8.3), от которого начинает рост кристаллит; а; — угол наклона оси кристаллита в точке А; к оси щва. При использовании формул (12.18), (12.26), (12.25) для конкретных расчетов необходимо знать размеры полуосей эллипса ОМ и ОФ (см рис. 12.11). Их можно определить, если известны очертания изотермы кристаллизации„рассчитанной по тепловой теории при сварке.
Соотношение изотермы и аппроксимирующего ее эллипса представлено на рис. 12.17. Рассмотрим температурное поле мощного быстродвижущегося точечного источника на поверхности полубесконечного тела в системе координат х'Оу', так как источник теплоты находится в О1 Ф точке О, при этом г = О. Принимаем обозначение х' = щ, причем х' -. расстояние вдоль оси Ох' от источника до рассматриваемой ~очки берем со знаком «+», если точка находится впереди источника, а если позади источника - то со знаком «-».
Тогда выраже- ННЕ ДЛЯ ТЕМПЕРЯТУРНОГО ПОЛЯ ИМЕЕТ ВНД 8 Т(х', у') =-,ехр 2я) х' ~ 4ах* ~ Определяем значение ОМ ОМ= !О'М"! — !ОО); О'М' = х' при у =. = б, откуда С учетом равенства Т = Т„„выражение (1226) мсокно представить в виде После логарифмирования выражения (1228) получаем л!у Заметим, что ОО' = хо прн у' = у,', т. е. при —, = О. После дифференцирования выражения (12.29) по х' и прирав- Ау' нивания нулю производной —, определяем значение хо.. (12З3) дт Тп Ф Ф2 б 4~йерх'и 4ах' «12.39) «12.34) а х„= 1,164 — у.
и (12.36) хо =ОО'=- 2УЙ.Теле (12.30) чаем Огсюда, используя (12.27) и учитывая направление ос Ох' ение оси, полу- Значение О»9 находим, подставляя (12,30) в формулу (12.29), поскольку ОФ =- у„при х' хо. 2а9 (12.32) (12.18), ( Уравнение оси криеталлита пол , (12.3!) и(12.32): получаем, используя выражения Аналогичные образо мощного бы дви преобр ванин выполним для расчетной схемы стро жущегося лнненного источника в пластине. Температурное псле для зтой схемы описывается фор й я чнзрмуло а уравнение оси кристаллнта имеет вид Ддя оценки типа первичной структуры металла шва необхо мо рассчитать ть градиенты температуры в точке А пересечения осн крнсталлита (хя) и нзотермы кристаллизации (х„) (рис. ! 2.! 8).
Градиент дейетвигнелъной температ ' О ратурм,„в нап»ивлениц нормали и-н к изотерме кристаллизации хн 1 Рне. 12дй. Схема расчета градиента температур и точке пересе- чения осн крнсталлита х„с изотермой кристаллизации х„: Гя — леяетеительнел теинеретуре; н-и — нормаль и нзотерме криетел- яизяпин х„; ая', ф" - проеипии при»яипеиия он не оси 0 х'н Оу' дт дт дТ Здесь —, и —, — проекции — пасси О'х'и Оу'.
Для сварочных дх' ду' дн ванн, изотерма плавления которых описывается температурной зависимостью лля случая мощного быстродвнжущегося источника на поверхности полубескоиечного тела, градиент температуры где х' - х„+ ОО' и У' = У (ОО = 0 59ОМ). Градиент температуры для случая мощного быстродвижущегося линейного источника в пластине имеет вид В формулах (12.39) и (12.40) Т вЂ” темпе!хпура точки, в которой рассчитывается градиент температур.
Для точек на изотерме кристаллизации — зто температура ликвидуса (для стали ее принимают равной 1450 'С). Распределения ерадненга температур, скорости кристаллизации и критерия конценграционного переохлаждении вдаль фронта кристаллизации показаны на рис. 12.19, а, 6 и в. -100 Рне. 12.19. Распределение параметров процесса кристаллизации ло изотерме кристаллизации: градиента температур 6, 'С/см (а); скорости кристаллизации о . см/с (б); критерия концентрационного переохлаждения Ф, С сш/смзг (в), в также зависимость тнпв структуры от содержания примеси и критерия концентрашюиного переохлаждения (г) Ориентировочные числовые значения параметров соответствуют стыковой сварке листа толщиной б .= ! см без зазора (автоматическая дуговая сварка пол флюсом, 7св = 600 А„(/д = 38 В, осв = 36 м/ч).
Тил нг)овичной структуры сварного шва формируется в соответствии с общими положениями теории кристаллизации н условиями образования концентрационного переохлаждения на фронте кристаллизации (см. разд. 12.5.!). На рис 12.!9, г приведена схема, иллюстрирующая зависимость типа первичной структуры от содержания примеси С и критерия концентрационного переохввжления Ф. 592 При затвердеванин расплавленного металла сварочной ванны преобладает гетерогенный процесс кристаллизации; готовыми центрами кристаллизации являются оплавленные зерна основного мепила в виде выступов, расположенных на поверхности сплавлеиия, а также твердые тугоплавкие частицы в жидком металле, В условиях направленного оттока те~иоты образуется столбчатая кристаллитная структура.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
