 |
 |
 |
|
|||||||||
|
 | |||||||||||
|
 |
||||||||
|
МЕНЮ
|
БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Экспериментальное исследование сварочных процессовЭкспериментальное исследование сварочных процессовСодержание
Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и предыдущей и последующей термической обработки. При сварке рассматриваемой стали, состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла. В металле шва меньше углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода, компенсируется легированием металла через проволоку, покрытие или флюс марганцем и кремнием. Повышенные скорости охлаждения металла шва способствуют увеличению его прочности, однако при этом снижаются пластические свойства и ударная вязкость. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка. Способы сварки: РД, РАД, АФ, КТ. 2. Исследование процессов взаимодействия между металлом, газом и шлаком 2.1 Характеристика защиты металла от взаимодействия с окружающей средойСварка плавлением - высокотемпературный процесс, сопровождающийся изменением состава металла сварного соединения, а следовательно, и его свойств, в результате взаимодействия с окружающей средой (атмосферой). Высокая восстановительная активность металлов приводит к образованию оксидов, нитридов и гидридов, а так как скорость химических реакций и диффузионных процессов при температурах сварочного цикла очень высокая, то даже в очень ограниченное время могут, произойти существенные и нежелательные изменения состава металла шва. Широкое применение сварки в различных отраслях промышленности, строительства и транспорта стало возможным только тогда, когда были разработаны надежные методы защиты зоны сварки от атмосферы.Рассматривая различные виды сварки, можно выделить четыре способа защиты зоны сварки: 1) шлаковая защита, 2) газовая , 3) газошлаковая, 4) вакуумная.Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны.Исторически этот метод появился раньше всех. Он реализуется при ручной дуговой сварке толстопокрытыми или качественными электродами, промышленное применение которых началось в середине 20-х годов.Свойства металла шва, наплавленного электродом без покрытия, очень низки. Состав покрытия электродов определяется рядом функций, которые он должен выполнять: защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха, раскисление металла сварочной ванны, легирование ее нужными компонентами, стабилизация дугового разряда. Производство электродов сводится к нанесению на стальной стержень электродного покрытия определенного состава. Электродные покрытия состоят из целого ряда компонентов, которые условно можно разделить на ионизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскислители, легирующие и вяжущие.Ионизирующие компоненты - соединения, содержащие ионы щелочных металлов: Na2CO3, K2CO3. пары этих соединений снижают сопротивление дугового промежутка и делают дуговой разряд устойчивым.Шлакообразующие - минералы: полевой шпат K2O3.Al2O3.6SiO2; мрамор, мел, CaCO3, магнезит MgCO3, глинозем Al2O3, флюорит CaF2, рутил TiO2, кварцевый песок SiO2 и иногда гематит Fe2O3. При сплавлении эти компоненты образуют шлаки различного состава и различной основности.Газообразующие - вещества, разлагающиеся с выделением большого объема газа - мрамор, мел или органические вещества: декстрин, крахмал, целлюлоза, которые, сгорая в электрической дуге, дают много газообразных продуктов - CO2; CO; H2; H2O/Раскислители и легирующие компоненты - металлические порошки или порошки ферросплавов - ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам и др. Ферросплавы - это лигатуры, быстро растворяющиеся в жидкой стали. Только никель вводят в виде порошка металла, так как он при сварке почти не окисляется. Раскислителями, кроме ферромарганца и ферросилиция, могут быть ферротитан и алюминий.Вяжущими компонентами могут быть или жидкое стекло, или полимеры. Они соединяют порошки вышеупомянутых компонентов в замес, который и напрессовываетяс на подготовленный металлический стержень в особых прессах. Можно также готовить электроды окунанием в жидкий замес, однородность которого поддерживается перемешиванием или обработкой ультразвуком.Все материалы, идущие на изготовление покрытий, должны строго контролироваться по содержанию таких вредных примесей, как сера и фосфор.В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, все электродные покрытия можно разбить на следующие четыре группы (ГОСТ 75):Кислые покрытия (А), в состав которых входят оксиды железа, марганца, титана и кремния, представляющие собой шлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими (крахмал). Раскислителем служит ферромарганец. В состав этой группы входят электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04, СМ-5 и др.2. Основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамор) и плавикового шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Газовая защита создется диссоциацией мрамора (СаСОз). В качестве раскислителей используют ферротитан, ферромарганец и ферросилиций. В состав этой группы входят электроды марок УОНИИ-13, CM-1I, ОЗС, МР и др. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало СаСО3 и много CaF2 (до 80%), предназначенные для сварки высокопрочных сталей. Уменьшение доли мрамора в составе покрытия снижает окисление металла и уменьшает в нем содержание углерода. К электродам с такими покрытиями относятся ИМЕТ-4; ИМЕТ-8.3. Рутиловые покрытия (Р) построены на основе рутила TiO2 с добавками полевого шпата, магнезита и других шлакообразующих компонентов. В качестве газообразующих веществ используются органические материалы (целлюлоза, декстрин) и карбонаты (MgCO3, СаСОз). Раскислителем служит ферромарганец. Для повышения коэффициента наплавки в эти электроды вводят порошок железа. Типичные электроды с таким покрытием -- электроды АНО-4, АНО-5, АНО-б.4. Целлюлозные покрытия (Ц) построены на газообразующих веществах (целлюлоза). В некоторые покрытия этого типа вводят небольшие количества оксидов железа, марганца и титана. Для раскисления сварочной ванны добавляют ферромарганец и ферросилиций. Покрытия такого типа имеют электроды ОМА-2, применяемые для сварки сталей малых толщин, ВСП-1 (с железным порошком), ВСЦ-2.В настоящее время продолжается работа по разработке новых малотоксичных электродов с пониженным содержанием флюорита (CaF2) и пониженным содержанием марганца.Общие требования к электродам: точность размеров, соосность покрытия и стержня, прочность сцепления покрытия с металлическим стержнем (сколы), гарантированные механические свойства наплавленного металла. Каждая партия электродов имеет соответствующий паспорт.Рассмотрим металлургические процессы при сварке электродами различных групп.Электроды группы А при сварке создают значительное количество газов (СО2; СО; H2; H2O) в результате разложение и окисления органических компонентов и обеспечивают хорошую защиту от атмосферного воздуха.Содержание гематита Fе2Оз в покрытиях этого типа требует значительного количества раскислителей, главным образом ферромарганца. Так, в электродах ЦМ-7 содержится до 33% гематита и около 30% ферромарганца, что достаточно для восстановления почти всего железа, но все же в сварочную ванну переходит достаточное количество марганца.Электроды группы Б при сварке осуществляют защиту зоны сварки вследствие разложения мрамора СаСО3, а оксид кальция СаО уходит на образование шлаковой системы основного типа СО -- СаF2. Атмосфера сварочной дуги состоит из СО, СО2, Н2 и Н2О. Пары воды выделяются из покрытия и во избежание появления водорода в зоне сварки эти электроды надо перед сваркой прокаливать при температуре 470.. .520 К (до 570 К) .Содержание в покрытии нескольких раскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, содержащий мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. При сварке высокопрочных, жаропрочных сталей применяют покрытия с повышенным содержанием СаСО3 (15...20%), увеличивая CaF2 (60…80%). В этом случае удается избежать поглощения углерода сварочной ванной и обеспечить содержание углерода в металле шва на уровне (0,05.. .0,02%) С, как это требуется по техническим условиям. Недостаток этих электродов -- малая устойчивость дугового разряда, требующая сварки на постоянном токе обратной полярности. Таким образом, технологические сложности электродов группы Б несколько ниже, чем электродов группы А. Повышенное содержание СаF2 вызывает образование токсичных соединений и требует создания надежной вентиляции.Электроды группы Р осуществляют защиту зоны сварки шлаками на основе ТiO2, полевого шпата, магнезит, который, разлагаясь, дает большой объем СО2, но, кроме того, защитная атмосфера пополняется органическими компонентами. Электроды этой группы обладают высокими технологическими свойствами -- обеспечивают высокую устойчивость горения дуги, хорошее формирование шва и отделяемость шлаковой корки, возможность сварки в любомпространственном положении шва. Кроме того, рутиловые электроды малотоксичны и обеспечивают высокие механические свойства у наплавленного металла.Электроды группы Ц с органическим покрытием содержат своем составе до 50% органических веществ (пищевая мука, целлюлоза) и при их разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту от воздушной среды. Для предотвращения водородной хрупкости или появления пор при сварке надо вводить окислители: ТiO2, МnO2. Для уменьшения влияния водорода в покрытия вводят также плавиковый шпат СаF2. Надежная газовая защита позволяет снижать относительную массу покрытия: Кп ? 20%. Технологические свойства электродов типа Ц (ОМА - 2, ВСЦ , ВСП)довольно высокие и их применяют при сварке в различных пространственных положений. 2.2 Описание металлургических процессов обеспечивающих получение качественных соединенийВысокие температуры, используемые при сварке плавлением, с одной стороны, понижают термодинамическую устойчивость оксидов, но, с другой стороны, скорость их образования резко увеличивается и за очень небольшое время сварочного цикла металлы поглощают значительное количество кислорода. Поглощенный кислород может находиться в металле или растворенном состоянии в виде оксидов или субоксидов, а также может создавать неметаллические включения эндогенного типа, образовавшиеся при раскислении металла более активными элементами. И то, и другое резко снижает качество сварных соединений, особенно пластичность металла шва. Исследования этого вопроса показали, что основная масса кислорода в металле обычно находится в неметаллических включениях. Источниками кислорода в металле при сварке служат окислительно-восстановительные реакции между металлом и атмосферой сварочной дуги, металлом и шлаками, образующимися в результате плавления флюсов или при разложении и плавлении компонентов электродного покрытия, а также взаимодействии с наполнителям порошковой проволоки.Особенно велики скорости взаимодействия металла с окружающей средой в высокотемпературной зоне сварки , к которой следует отнести каплю плавящегося металла на торце электрода или электродной проволоки, дуговой или плазменный разряд и переднюю часть ванны. Более медленно эти процессы развиваются в хвостовой части ванны, так как там температура приближается к температуре кристаллизующегося металла. Температурный перепад между этими зонами настолько велик, что реакции окисления - восстановления меняют свое направление. Так в капле плавящегося на электроде металла происходит интенсивное поглощение кремния и марганца в результате окисления железа, в то время как в хвостовой части сварочной ванны кремний и марганец восстанавливают железо, окисляясь сами.Кроме того, взаимодействие металла с кислородом при сварке осложняется образованием растворов оксидов в металлах, а это сильно изменяет термодинамическую устойчивость из-за возрастания энтропии в процессе растворения.Раскисление металла сварочной ванны.Восстановление металла сварочного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.Восстановление или раскисление сварочной ванны можно осуществлять несколькими способами:1. Извлечение его более активными металлами - раскисление осаждением.2. Восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны.3. Извлечение оксидов из металлической ванны, путем обработки ее шлаками.Все эти методы реализуются в сварочной технологии, но для различных металлов они будут применяться с различным успехом. Так, для металла с высокой термодинамической устойчивостью оксидов эти способы восстановления почти не дают эффекта и для получения качественного соединения из этих металлов необходима по возможности полная изоляция их от окисляющей атмосферы.Легирование металла шва при ручной сварки покрытыми электродами. Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия, легирование осуществляется следующим образом:- легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов - марганца, кремния, титана.- легирование в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия, легко осуществляемое для малоактивных металлов и ограниченное для таких элементов, как марганец, кремний и хром.- легирование путем изменения состава электродных проволок, дающие самые стабильные результаты.- легирование в результате расплавления основного металла, что имеет место при сварке высокопрочных и теплоустойчивых сталей.2.3 Термодинамическое исследование одного из вероятных металлургических процессовИсследуемая реакция:Na+F=NaFВероятность протекания реакции при данной температуре определим по формуле: ДGтє = ДHє298 - ДSє298.T - ДCєp298.f(T).T где ДGтє- свободная энергия Гибса, кДж/моль ДHє298 - энтальпия, кДж/моль ДSє298 - энтропия, ДЖ/моль.К ДCєp298 - теплоемкость, ДЖ/моль.К F(T) - функция Улиха Т - абсолютная температура, К Формула для вычисления энтальпии: ДHє298 = УДHєпр - УДHєисх = ДHєNaF - (ДHєNa + ДHєF ) Формула для вычисления энтропии: ДSє298 = УДSєпр + УДSєисх = ДSєNaF - (ДSєNa + ДSєF) Формула для вычисления теплоемкости: ДСрє298 = УДСрєпр + УДСрєисх = ДСрєNaF - (ДСрєNa + ДСрєF) Исходные данные приведены в виде таблицы: Таблица 2.3.1 - исходные данные:
Функцию Улиха вычисляем по формуле: F(T) = ln(T/298) + 298/T - 1 Найдем численные значения функции Улиха для определенных температур: f(298) =0 f(1000) = 0.508662 f(2000) = 1.052809 f(3000) = 1.408607 f(4000) = 1.671456 f(6000) = 2.052088 Найдем численные значения ДHє298 , ДSє298, ДСрє298, ДGє298 ДHє298 = (-573.6 - (0+ 4,75)) = -578,35 кДЖ/моль ДSє298 = (51,3-(51,45 + 53,9432 )) = -54,09 ДЖ/моль.К ДСрє298 = (46.82 -(7.8046 + 28,16)) = 10,86 ДЖ/моль.К Расчитаем свободную энергию Гиббса ДG°т и энтальпию ДНт для температур 298 -6000 К. ДGтє = ДHє298 - ДSє298.T - ДCєp298.f(T).T=-578350-(-54,09.1000)-10,86.0,508662.1000=-529,78 кДж/моль ДНт = ДН298 - ДСр298 (Т - 298), кДЖ/моль. Результаты представим в таблице: Таблица 2.3.2 - Результаты вычислений
Итак, исходя из расчета, получили, что величина ДН отрицательна, следовательно, реакция идет с выделением теплоты. При стандартной температуре величина ДG отрицательна, а значит, реакция идет в прямом направлении. 3. Расчёт тепловых процессов3.1 Выбор расчётной схемыФормы тел, нагреваемых при сварке, весьма разнообразны. Распространение тепловой энергии существенно зависит от формы и размеров шва. Однако точный учёт конфигурации тела может существенно усложнить расчёты. Поэтому целесообразно упрощать формы рассматриваемых тел, сводя их к простейшим.В качестве расчётной схемы принимаем бесконечную пластину - тело, ограниченное двумя плоскостями: z=0 и z=д. При использовании такой схемы предполагается, что температура по толщине листа распределена равномерно, а тепловая энергия может распространяться только в горизонтальной плоскости.3.2 Расчёт скорости охлажденияМгновенная скорость охлаждения является первой производной температуры по времени:Так как в большинстве случаев оказывается достаточным приближённое определение скорости охлаждения, то используют теорию мощных быстродвижущихся источников тепловой энергии без учёта теплоотдачи. Скорости охлаждения обычно определяют для оси шва ввиду незначительного её отличия от скорости охлаждения околошовной зоны. Скорость охлаждения рассчитываем по формуле: .Полученное значение Дщ входит в оптимальный диапазон скоростей охлаждения (0,1…10,0).3.3 Расчёт распределения температур вдоль оси шваУравнение предельного состояния процесса распределения тепла для источника ПТИ имеет вид:,где qU - погонная энергия, передаваемая источником телу. Определяется по формуле:.Для расчёта распределения температур вдоль оси шва, рассчитываем Х в диапазоне от -20 см до 40 см. Распределение строим на оси шва (у=0), на расстоянии 1см от оси шва (у=1), 1,5см и 2см. График распределения представлен ниже. 3.4 Расчёт изотерм на поверхности свариваемого материалаПостроение изотерм производим аналитическим методом. Для этого выведем уравнение изотермы, опираясь на уравнение предельного состояния процесса.Пусть требуется построить изотерму для некоторой температуры Т. Подставив эту температуру в уравнение предельного состояния, получим:Затем, учитывая и произведя несложные преобразования, получим:откуда вытекает.Преобразуя относительно у, получим в итоге:.Рассчитываем изотермы в пределах от х=-0,8 см до х=46,45 см. приведены Графики изотерм представлены ниже. Данные изотермы построены для температур Тнир, ТАС1, ТАС3, ТМн (перечислены в порядке возрастания эксцентриситета вдоль оси ОХ).3.5 Расчёт распределения температур в поперечном сечении шваПроводим расчёт распределения температур в поперечном сечении шва, т. е. вдоль оси Y, на поверхности металла при х={1; 2; 3; 4} см. Расчёт ведем по формуле, выведенной в разделе 4.3. Графики представлены ниже.Термический цикл точек сварного соединения.Термический цикл строим для . По формуле для ширины зоны с температурой выше заданной, см. Для построения графика используем формулу . График представлен ниже.3.6 Определение протяжённости отдельных участков в ЗТВВеличина ЗТВ зависит от способа сварки, её режима, химического состава свариваемого и присадочного металла, физических свойств свариваемых металлов, и т. д. Увеличение сварочного тока, снижение скорости сварки увеличивают ширину ЗТВ.Протяжённость отдельных участков ЗТВ для стали 30ХМА определим из строения ЗТВ для данного сварного соединения. Температурные интервалы участков:1. участок неполного расплавления: ,2. участок перегрева: ,3. участок нормализации: ,4. участок неполной перекристаллизации: ,5. участок рекристаллизации: 6. участок синеломкости: .3.7 Распределение максимальных температур в поперечном сечении шваДля определения протяжённости отдельных участков ЗТВ необходимо построить график распределения максимальных температур в поперечном сечении шва.Для построения этого графика используем формулу (7.12 [1]).График распределения максимальных температур в поперечном сечении шва показан ниже.Ширины зон с температурами, превышающими характерные температуры, приведены ниже:
|
РЕКЛАМА
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА | ||
 |
© 2010 | |