Тепловые процессы при сварке.

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

На рис.2.4. показаны изотермы — овальные кривые, сгущающиеся впереди движущегося при сварке источника тепла (электрической дуги, пламени горелки,…) . Изотерма 1600 °С это температура плавления стали, она определяет ориентировочный размер сварочной ванны. Изотерма 1000 °С указывает на зону перегрева металла, 800 °С изотерма показывает зону закалочных явлений, а 500°С- зону отпуска.

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 стали приводит к снижению её прочности , пластичности и коррозийной стойкости и сообщает стали красноломкость) и насыщение сварного шва азотом (увеличивается хрупкость ).

Сварной шов образуется за счет расплавления металла электрода 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 охлаждения металла происходят структурные изменения металла.

Свойства сварного соединения определяются характером тепловых воздействий на металл в околошовных зонах. Следовательно, может быть прочный, пластичный сварочный шов, но из-за термических воздействий на деталь качество сварки в целом низкое (рис 2.6) .

Величина зоны термического влияния составляет при ручной электродуговой сварке для обычного .электрода. 2...2,5 мм, а для электродов с повышенной толщиной обмазки — 4...10 мм. При газовой сварке зона термического влияния существенно возрастает (.до 20...25 мм).

В зоне термического влияния могут быть участки :

-старения ( 200... 300 °С );

-отпуска ( 250...650 °С );

-неполной перекристаллизации ( 700...870 °С );

-нормализации ( 840...1000 °С );

-перегрева ( 1000...1250 °С );

-околошовный участок , примыкающий к линии сплавления (от 1250 °С до 1600°С).

При сварке возможны два предельных случая :

-резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка;

-перегрев при медленном охлаждении и образование крупных зерен аустенита.

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 свойства металла при сварке?», «Выполнимо ли сварное соединение?».

Основной характеристикой свариваемости 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 атомов водорода 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) ½ ,

где Собщ — общий эквивалент углерода , 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) ^½ =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 сталей коэффициент HCS должен быть менее 1,6...2.

Деформации при сварке.

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

1. Температурные деформации 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.

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

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

Деформации изделия при сварке( рис. 2.8) могут быть уменьшены правильным выбором вида сварки и технологии её осуществления. Сварка, при которой изделие получает сосредоточенный нагрев, например, электродуговая сварка, вызывает коробления меньше, чем сварка, при которой нагревается значительный участок детали ,например, сварка газовым пламенем. Деформации при сварке плавлением больше, чем при сварке давлением.

Некоторое уменьшение коробления изделия достигается отводом тепла со свариваемого участка подкладыванием медной пластинки с обратной стороны шва, прикладыванием около шва асбеста, смоченного водой и т.п.

Коробление можно уменьшить и путем уравновешивания образовавшихся деформаций. При этом способе места соединения деталей разбивают на участки, сварка которых ведется в таком порядке, чтобы деформации, получаемые при сварке на отдельных участках, были равны по величине и противоположны по направлению. Например, при сварке двутавровой балки из трех частей можно применять очередность сварки отдельных участков, показанную на рисунке 2.9.

Значительное уменьшение деформации достигается способом «обратноступенчатой» сварки. При этом способе кромки деталей, подлежащие сварке, делят на части, которые сваривают в последовательности, показанной на рисунке 2.10. Коробление изделия в данном случае получается значительно меньше, т.к. деформации коротких швов не в состоянии вызывать значительную деформацию всего изделия.

Уменьшить коробление свариваемых изделий можно также способом «обратных деформаций». Он заключается в том, что соединяемые детали предварительно отгибают в сторону, обратную сварочным деформациям ( рис. 2.11). В процессе сварки они принимают требуемую, или очень близкую к требуемой, форму.

Широко применяется также способ жесткого закрепления свариваемых деталей при помощи специального приспособления или путем прихватки, т.е. предварительной сварки кромок в нескольких точках по длине сварки.

Полностью избежать деформаций при сварке не удается, но уменьшить их до приемлемых значений можно за счет использования следующих конструкторских и технологических мероприятий:

-рациональной конструкции сварного узла;

-припуска на усадку шва по размерам и форме изделия;

-рациональной сборки и подготовки к сварке;

-выбора наиболее рационального способа сварки;

-предварительного, сопутствующего и последующего подогрева изделия;

-проковки зоны сварного шва (в горячем состоянии или после остывания);

-механической правки;

-термической правки;

-общей термообработки сварного изделия.

На 85 …90% остаточные напряжения при сварке снижаются при высоком отпуске сварных конструкций ( нагрев до 550… 680 °С и охлаждение на воздухе). При местном отпуске нагревается часть конструкции около сварного соединения ; после остывания ее остаточные напряжения останутся, но будут меньшие по величине. Иногда проводят поэлементный отпуск отдельных сборочных элементов конструкции, а после этого окончательная сборка конструкции.

Снижение деформаций происходит при проковке металла после сварки по горячему металлу или после полного остывания детали.

Наиболее эффективными являются конструкторские и технологические мероприятия до сварки: рациональное конструирование изделия , обоснование минимально допустимых размеров швов, выбор способов сварки с наименьшими погонными энергиями, предотвращение одностороннего расположения сварных швов, использование соединений с отбортовкой кромок вместо нахлесточных или стыковых соединений, выбор рациональной последовательность сварки.

Газовым пламенем или другими способами после сварки иногда проводят местный нагрев тех зон, последующая усадка которых также уменьшает деформации изделия.