Металлы и сварка (лекционный курс)

Храмцов Н. В.

Тюмень, 2001 г.

Сварка металлов.

Сварка является одним из ведущих технологических процессов изготовления    и упрочнения деталей , изготовления строительных конструкций,

тем самым создаются хорошие условия для отвода паров. Процесс полимеризации происходит тоже быстрее. Терморадиационная сушка почти в два раза выполняется быстрее конвекционной сушки.

В    качестве   источников   инфракрасного   излучения применяются термоизлучатели, нагреваемые электрическим током или газом. Панели излучателей нагреваются до 400... 500 °С и излучают инфракрасные лучи с длиной волны 3...5 мкм, которые легко проходят слой краски и , поглощаясь металлом, нагревают его .

«Полезность»      ржавчины.   Прежде всего польза от коррозии- это возвращение на круги свои. Трубы, лист , швеллер и другой металл, зарытый в результате небрежной работы в землю, утопленный в болота и реки возвращается в свое естественное состояние- окислы (руда).

Архитектор Джон Динел в 1959 году в городе Молине создал «ржавое здание», считая что людям тошно смотреть на полированные алюминевые фасады и человечество должно вернутся к более грубому стилю. Институт американской архитектуры присудил «ржавому» зданию золотую медаль. В Чикаго построен небоскреб «Сивин сэнтер», покрывающийся потокамиржавчины во время дождя.

Мост через реку Консумнес через несколько месяцев после постройки приобрел красивую и редкую зеленовато - коричневую окраску (подобрана такая низкоуглеродистая сталь, которая покрывалась такой пленкой в атмосферных условиях).

Есть мостовые стали, которые ржавеют 2... 4 года, а потом образуется черная и плотная пленка, крепко сцепляющаяся с металлом и надежно защищающая его от дальнейшей коррозии.

трубопроводов и судов, ремонта деталей и конструкций. Эффективно использование технологических приемов сварки и при резке металлов.

Исторически сваркаизвестна человечеству со времен использования, меди, серебра, золота и , особенно, железа, при получении которого выполнялась проковка , т.е. сваривание криц (кусочков технически чистого железа) . Это и есть первый способсварки -кузнечная сварка металла.

Наиболее распространена в производстве электродуговая сварка, являющаяся чисто российским изобретением. Впервые электрический дуговой разряд был выявлен петербургским профессором физики Петербургской медико-хирургической академии Петровым Василием Владимировичем в 1802 году, но только через 80 лет (1882 г.) российский инженер Бенардос Николай Николаевич, работая со свинцовыми аккумуляторными батареями, открыл способсварки не плавящим угольным электродом. Он освоил технологиюсварки свинцовых пластин. Далее он разработал способысваркиметалла в среде защитного газа и электродуговой резки металла. Бенардос Н.Н. назвал свое изобретение «Электрогефест». По греческой мифологии Гефест — бог , покровитель кузнецов, поэтому в этом названии представлено новое -электричество и старое ( Гефест) , представляющее первый известныйспособсварки (кузнечная сварка). Через 6 лет в 1888 году инженер Славянов Николай Гаврилович разработал способсварки плавящим электродом.

Дальнейшую работу Славянов Н. Н. и Бенардос Н. Г. выполняли вместе. Внедрение сварки в производствопроходило очень интенсивно, так в России с 1890 по 1892 года было по их технологии отремонтировано с высоким качеством 1631 изделие , общим весом свыше 17 тыс. пудов, это в основном чугунные и бронзовые детали. Они даже разработали проект ремонта российского памятника литейного производства «Царь-колокола», но работа не была разрешена , и мы сейчас можем любоваться на российские нетленные символы: колокол, который не звонил, и на пушку, которая не стреляла.

Известный мостостроитель академик Патон Евгений Оскарович, предвидя огромное будущее электросварки в мостостроении и в других отраслях хозяйства, резко сменил поле своей научной деятельности и в 1929 году организовал сначала лабораторию, а позднее первый в мире институт электросварки (г. Киев). Им было разработано и предложено много новых и эффективных технологических процессов электросварки. В годы войны в короткий срок под его руководством    были разработаны технология и автоматические стенды для сварки под слоем флюса башен и корпусов танков. самоходных орудий , авиабомб.

В настоящее время широкое развитие получили такие новые способысварки как: порошковыми материалами, плазменная, контактная и электрошлаковая, сварка под водой и в космосе и др. многие из которых были разработаны в Институте электросварки имени Е.О. Патона, который в последние годы возглавлял сын основателя института - академик Борис Евгеньевич Патон.

Кроме головного, в этой отрасли, института сварки имени Е.О. Патона, вопросами сварки успешно занимаются многие учебные институты (УПИ, ЧИМЭСХ, ЛГАУ и др.), институты объединения «Ремдеталь».

Рис. 2.1.Схемы возможных областей сварки (давлением и плавлением) в

зависимости от температуры (Т ) и давления ( Р ), реализуемых в процессе сварки. Преимущества использования сварки перед заклепочными и резьбовыми

соединениями деталей при изготовлении строительных конструкций следующие: -рациональность конструкций; -экономия металла ( до 15...20 %); -более высокая производительность (на 15...20 %).; -более низкая себестоимость снижение на 20...45%

2.2. Тепловые процессы при сварке.

Энергия теплового источника (электрической .дуги, газового пламени и т.д.) расходуется на нагрев металла детали, на расплавлениеэлектрода или присадочного материала, на плавление защитного флюса (обмазки электрода ) и на тепловые потери. Распределение температуры в свариваемом металле зависит от мощности теплоисточника, физических свойствметалла ( теплоемкость, температураплавления и др.), размеров конструкции, скорости перемещения и т.д.

В настоящее время известны сотни и сотни различных способовсварки в зависимости от вида энергии, особенностей технологического процесса, защиты от воздуха и др. Самая приближенная классификация видов сварки представлена на рис 2.2. расплавлениеметалла происходит за счет энергии дуги при электродуговой сварке и электрического тока, проходящего через расплавленный флюс при электрошлаковой сварке, бомбардировки в вакууме свариваемых поверхностей электронами, энергии от горения газов при газовой сварке, энергии от горения порошковой смеси при термитнойсварке и расплавлением кромок деталей перегретым расплавленным присадочным металлом при литейной сварке.

Виды сварных соединений различаются по взаимному положению деталей и по формеразделки сварного шва, а так же по положению сварного шва в пространстве (рис. 2.3).

Отличия сварочной ванны от металлургической ванны :следующие: - малый объем и кратковременность существования ванны ,поэтому плохо перемешивается металл, возможны поры (не успевают выделиться газы ) и шлаковые включения в сварном шве;

-значительная поверхность контакта расплавленного металла с атмосферой., поэтому происходит выгорание « полезных» кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в сталиприводит к снижению её прочности , пластичности и коррозийной стойкости и сообщает стали красноломкость) и насыщение сварного шва азотом (увеличивается хрупкость ).

Сварной шов образуется за счет расплавленияметаллаэлектрода и частично основного металла (рис. 2. 5.). В зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие как основному, так и присадочному металлу. В зоне термического влияния из-за быстрого нагрева и охлажденияметалла происходят структурные изменения металла.

2.3. Свариваемость металлов.

Свариваемость — комплексная технологическая характеристика, отражающая реакцию свариваемых материалов на технологический Процесс сварки, и возможность получения сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации.

Три группы факторов, определяющих Свариваемость : 1.Химический состав и структура металла, наличие примесей, степень раскисления, предшествующие операции изготовления (ковка, прокатка, термообработка) деталей.

2.Сложность формы и жесткость конструкции, масса и толщина металла, последовательность выполнения сварных швов.

3.Технологический фактор : вид сварки и сварочные материалы, режимы термических воздействий на основной материал.

Степень свариваемости это качественная или количественная характеристика ответа на вопросы: «Как изменяются свойстваметалла при сварке?», «Выполнимо ли сварное соединение?».

Основной характеристикойсвариваемости является отсутствие холодных или горячих трещин при сварке.

Трещины, образующиеся при температурах выше 800...900 °С называются горячими, а при температурах ниже 200...300°С — холодными. Холодные трещины образуются под влиянием трех факторов :закалочных явлений, присутствия атомовводорода и остаточными растягивающими напряжениями.

Чувствительность сварного соединения к образованиям холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали:

Сэкв = С + Mn / 6 + (Cr + V + Mo) / 5 + (Ni + Cu ) / 15.

При Сэкв < 0,45 сталь сваривается без холодных трещин., а при Сэкв > 0,45 — стали склонны к образованию холодных трещин. В этом случае необходим предварительный подогрев свариваемого изделия до температуры :

Т= 350 (С общ -0,25) / , где Собщ — общий эквивалентуглерода , зависящий от Сэкв и толщины h свариваемых деталей:

С общ = Сэкв ( 1 + 0,005 h ) . Пример: Определить возможность сварки деталей толщиной 5 мм из стали 40ХН.

Находим по содержанию химических элементов в этой стали Сэкв : Сэкв=0,4+1/5+1/15=0,67 > 0,45 . Следовательно, необходимо нагревать детали перед сваркой. С учетом поправки на толщину детали получаем значение Собщ:

Собщ= 0.67( 1+0,005 - 5)=0,69. Далее определяем температуру, до которой деталь нужно нагреть перед сваркой:

Т=350 (0,67-0,25) 1/2 =232 °С.

Чувствительность сварного соединения HCS к образованию горячих трещин    находится по формуле:

HCS = C ( S + P + Si/25 + Ni/100 ) 103 .

3Мп + Cr + Mo + V При HCS < 4 горячие трещины не образуются. Для высокопрочных сталейкоэффициент HCS должен быть менее 1,6...2.

2.4. Деформации при сварке.

Деформации деталей конструкции при сварке происходят вследствие образования внутренних напряжений, причинами которых являются ( рис.2.7.):

1. ТемпературныеДеформации из-за местного нагрева изделия ;

2. Усадка наплавленного металла;

3. Фазовые превращения, происходящие в металле при охлаждении.

В результате местного нагрева при сварке происходит значительное местное расширение металла, в то время как остальная часть изделия остается в холодном состоянии. Это приводит к образованию внутренних напряжений и к изгибам элементов конструкции.

4.Усадка сварного шва при кристаллизации

Температура сварного шва > 1600 °C

5. Усадка в результате фазовых превращений.

Усадка металла .происходящая вследствие уменьшения объема жидкого металла при затвердевании, является второй по значимости причиной появлений внутренних напряжений .

Фазовые превращения при охлаждении нагретого при сваркеметалла также сопровождаются относительно небольшим изменением объема металла. Так ,для сталейпереход a-железа в g -железо вызывает изменение объема примерно на 1 %., это (третья причина) также приводит к образованию внутренних напряжений.