Лекции по свариваемости металлов (1088762), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

При разработке технологии сварки принимают, что стойкость металла шва против горячих трещин (технологическая прочность металла шва) зависит от следующих факторов:

1. химического состава металла шва;

2. величины и скорости нарастания деформаций, действующих в процессе кристаллизации металла шва;

3. формы сварочной ванны, определяющей направление роста столбчатых кристаллитов, характер их смыкания между собой, расположение межкристаллических участков по отношению к растягивающим напряжениям и характер изменения пластической деформации;

4. величины первичных кристаллитов.

Влияние химического состава шва.

Элементы, входящие в состав металла сварного шва, по характеру их влияния на стойкость против образования горячих кристаллизационных трещин могут быть разделены на три группы.

• элементы снижающие стойкость литого металла шва против образования горячих трещин;

• элементы, которые при одних концентрациях и в сочетаниях в другими элементами могут влиять на стойкость металла шва против образования горячих трещин положительно, а при других концентрациях или в сочетании с другими элементами – отрицательно;

• элементы, не влияющие на стойкость металла шва против образования горячих трещин.

В состав углеродистых и низколегированных конструкционных сталей входят углерод, кремний, сера, фосфор, марганец, никель, хром, водород и кислород.

(С) Углерод является вредной примесью, так как отрицательно влияет на стойкость сварных швов против образования горячих трещин. Его критическое содержание зависит от конструкции соединения, формы шва, наличия подогрева и содержания других легирующих элементов. В сочетании с серой критическое содержание углерода при котором в шве появляются трещины уменьшается. Введением марганца можно уменьшить вредное влияние серы. Углерод также снижает стойкость металла шва против образования горячих трещин, особенно при повышении содержания углерода.

(Si) Введение кремния в шов при сварке необходимо, так как он повышает прочность металла и стойкость против образования пор. Для низколегированных и углеродистых конструкционных сталей оптимальное содержание кремния составляет от 0,15 до 0,60%.

(S) Сера влияет на стойкость металла шва против образования горячих трещин резко отрицательно, так как образует легкосплавную эвтектику Fe-FeS, располагающихся по границам столбчатых кристаллитов. Критическое содержание серы, при котором образуются трещины, зависит от содержания в шве углерода и марганца, формы или величины растягивающих напряжений. Отрицательно влияет и фосфор, поэтому содержание его, как и серы, в сталях ограниченно от 0,01 до 0,03%.

(Mn) Влияние марганца зависит от содержания в металле шва углерода. Если в шве содержится 0,10-0,12% углерода, то повышение содержания марганца до 2,5-4% влияет положительно. Марганец связывает серу в сульфид марганца, имеющий высокую температуру затвердевания.

При дальнейшим повышении содержания марганца его влияние делается отрицательным. При повышении содержания углерода интервал концентраций полезного влияния марганца сужается.

(Ni) Никель, при содержании его до 2,5% не влияет на стойкость металла шва против образования трещин. При дальнейшем повышении содержания, влияние его переходит в отрицательное, особенно при одновременном повышении содержания серы и углерода.

(Cr) Хром в тех количествах, в которых он присутствует в углеродистых и низколегированных сталях, на стойкость металла шва к росту горячих трещин не влияет.

(H) Водород является вредной примесью. Он снижает пластичность и способствует образованию пор, и тем самым повышает склонность сварных швов к образованию трещин особенно при повышенном содержании в металле шва хрома и никеля.

(O) Кислород при содержании до 0,04-0,06% на склонность сварных швов к образованию трещин не влияет, а при большем содержании влияет положительно. Однако следует учитывать, что увеличение содержания углерода в шве отрицательно влияет на пластичность и ударную вязкость.

Для повышения технологической прочности металла шва при сварке среднеуглеродистых, высокоуглеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей снижает количество углерода в электродных стержнях и электродной проволок. При сварке легированных сталей одновременно уменьшают и содержание легирующих элементов, усиливающих отрицательное влияние углерода. Швы среднелегированных сталей дополнительно легируют марганцем и хромом.

4.2 Стойкость металла сварного шва против образования холодных трещин

Образование холодных трещин в шве и в зоне термического влияния (околошовной зоне) обусловлено недостаточной деформационной способностью металла, особенно границ зерен, при резком уменьшении напряженного состояния в процессе фазовых и структурных превращений во время охлаждения.

По расположению трещины распределяются на продольные и поперечные, распространяющиеся в шве и зоне термического влияния.

На образование холодных трещин влияют следующие факторы: фазовые и структурные превращения; напряжения и деформации; наличие водорода в закристаллизовавшемся металле шва.

При сварке холодные трещины чаще образовываются у сплавов имеющих перлитную и мартенситную структуру, т.е. которые в результате нагрева и охлаждения претерпевают фазовые изменения с образованием закаленных структур (восприимчивость к закалке). Эти трещины называют закаленными.

При сварке металлов и сплавов, претерпевающих фазовые и структурные превращения, в сварных соединениях развиваются напряжения первого рода (обусловленные неравномерном нагревом и охлаждением, изменением удельного объема в процессе фазовых превращений и разностью теплофизических свойств отдельных участков соединения). Возникают также напряжения второго рода. Их природа – изменение удельного объема, и коэффициента объемного расширения, при фазовом превращении (например, у сталей – аустенитного превращения это приводит к появлению напряжений между зеркалом. Напряжения релаксируются, неравномерно, что вызывает концентрацию напряжений в отдельных участках объема. В связи с низкими пластичными свойствами металла в околошовной зоне, вследствие нагрева и закалки следует ожидать, что его сопротивляемость деформации будет снижена и возможно образование холодных трещин.

В образовании холодных трещин при сварке сталей и сплавов титана существенную роль играет водород. В сварных соединениях атомарный водород перемещается путем диффузии из металла шва в околошовную зону, где скапливается в микропустотах и в несовершенствах кристаллической решетки. При соединении атомарного водорода в молекулы развиваются высокие давления, которые ведут к развитию напряжений и возможному образованию холодных трещин. Мерами предупреждения образования холодных трещин могут быть:

1. Ограничение содержания в основном металле углерода и легирующих элементов, приводящих к закалке металла шва и околошовной зоны.

2. Следует максимально ограничить содержание водорода в металле шва.

3. Обеспечение однородности металла шва с основным металлом по химическому составу, структуре.

4. Регулирование термического цикла сварки путем выбора оптимальных режимов. Во время медленного охлаждения сварного соединения тормозится мартенситное превращение. Происходит самоотпуск мартенсита при температурах 150-300^оС. Применяют предварительный и сопутствующий подогрев до температуры 200-300 ^оС.

5. Снижение жесткости сварной конструкции и устранение закреплений свариваемых элементов.

6. Применение термообработки сразу же после сварки (низкий или высокий отпуск).

Табл.1. «Разновидности холодных трещин»

5 Технологическая свариваемость при сварке давлением.

5.1 Классификация и основные параметры процессов сварки давлением, влияющих на свариваемость.

Характерным признаком сварки давлением является применение давления для осадки металла, а также нагрева.

В процессе сварки давлением собранные детали сдавливают усилием P. Операция сдавливания называется осадкой, а прилагаемое давление – осадочным давлением. Осадочное давление должно создавать значительную пластическую деформацию в зоне сварки с перемещением выдавливаемого металла вдоль поверхности раздела. Для обеспечения осадки применяют подогрев металла.

Процессы образования соединений без нагрева называют механическими. К таким процессам относится:

1. Холодная сварка основана на использовании пластической деформации материалов в месте соединения при осадке. Эта сварка нашла применение только для достаточно пластичных материалов: Аl, Cu и др. Для соединения материалов необходима зачистка соединения элементов от жира и удаления окисных пленок в процессе деформации.

2. Сварка трением используется обычно для стержневых изделий. При сварке одна часть изделия неподвижна, а другая вращается. При контакте обеих частей и приложении осадочного усилия P вследствие сил трения происходит разогрев и пластическая деформация металла. Эту сварку применяют для металлов и пластмасс.

3. Ультразвуковая сварка. Частный случай холодной сварки с положением пульсирующего усилия (ультразвукового колебания с частотой 18-20кгц.

4. Сварка взрывом. Энергией от детонации взрывчатых веществ подается соединяемым деталям. При соударении поверхностей происходит очистка от загрязнений и окислов. В точках соударения обеспечивается прочное сварное соединение.

К термомеханическим процессам относят процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке.

Теплота может выделятся при протекании электрического тока, газопламенном или индукционном нагреве и т.д. Отметим наиболее распространенную – контактную сварку. Она применяется для металлов и сплавов. Основной источник энергии – выделяемая теплота вследствие протекания электрического тока в зоне контакта. Давление, сжимающее детали, формирует сварное соединение.

Контактная сварка бывает: стыковая, точечная и шовная.

Любые технологические процессы сварки давлением управляются пятью основными параметрами: давление (деформация), температура, время, среда (состав газовой фазы), скорость взаимного перемещения (трение).

Давление – осадка создает пластические деформации, вызывает течение металла вдоль поверхности раздела соединяемых материалов, вызывает перемешивание, разрушает поверхностные слои металла, выводит на поверхность внутренние, свежие - ювенильные (не бывшие в соприкосновении с атмосферой) слои металла, сближает соединяемые поверхности и способствует соприкосновению их атомов.

Нагрев ослабляет связи между атомами, делает их более подвижными, снижает твердость металла и повышает его пластичность – способность к пластическим деформациям.

Нагрев и осадка при сварке взаимосвязаны: чем выше нагрев, тем меньше давление осадки и наоборот. Иногда отдельные параметры взаимосвязаны настолько тесно, что не могут самостоятельно регулироваться и контролироваться. Например, при сварке взрывом в результате быстрой пластической деформации металл в зоне сварки нагревается, что помогает осуществлению сварки, при этом температура в зоне соединения не задается и не контролируется.

Все процессы сварки давлением протекают во времени. В некоторых их них время мало сказывается на результатах, в других оно влияет лишь не условия подготовки металла к сварке (выравнивание температуры по сечению).

Преимущества и недостатки сварки давлением по сравнению со сваркой плавлением.

«+» Соединение может образовываться без применения промежуточного (присадочного) материала, отличного от соединяемого металла. Сварка давлением не изменяет химический состав металла, а структуру меняет лишь незначительно. При этой сварке есть возможность приблизиться к идеальному случаю тождества металлов в зоне сварки и вне ее, полной неразличимости зоны сварки.

«-» Сварка давлением требует более тщательной подготовки и зачистки соединяемых поверхностей.

Характеристики

Список файлов лекций