Определение сварки. Физические основы и классификация
Теория сварочных процессов
Конспект лекций
Составил доцент Артеменко Ю.А.
Курск 2008
Содержание
История развития сварки ……………………………………………………… 5
Определение сварки. Физические основы и классификация процессов сварки . Виды элементарных связей ………………………………………………...…. 7
Стадии процесса сварки. Сварка давлением. Сварка плавлением ……….... 8
Требования к источникам энергии при сварке. Классификация процессов сварки ……………………………………………………………………………..…...10
Физико-химические процессы в дуговом разряде ……….….11
Определение дугового разряда. Способы возбуждения ………………..……...11
Строение дугового разряда. ВАХ дуги …………………………………….…...12
Плазма столба дуги. Электропроводность столба дуги. Потенциал ионизации. Уравнение Саха ……………………………………………………………….…..14
Строение катодной области. Дуги с холодным и горячим катодами ………...17
Анодная область ………………………………………………………………….19
Схема трех источников …………………………………………………………...20
Магнитное поле дуги . Пинч-эффект ……………………………………………21
Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье ……………………….22
Дуга переменного тока …………………………………………………………...24
Плавление и перенос электродного металла ……………………………………26
Плазменная дуга. Плазмообразующие газы ……………………………………29
Сварка под флюсом…….……………………………………………………………….32
Электрошлаковая сварка …………………………………………………………33
Тепловые процессы при сварке ………………………………………35
Основные понятия ………………………………………………………………..35
Схематизация нагреваемых тел …………………………………………………36
Классификация источников ……………………………………………………...37
Закон теплопроводности Фурье ………………………………………………...38
Поверхностная теплоотдача и граничные условия ……………………………39
Дифференциальное уравнение теплопроводности …………………………….42
Температурные поля от неподвижных источников ……………………………44
Непрерывно действующие неподвижные источники ………………………….46
Точечный источник на поверхности полубесконечного тела ……………........47
Линейный источник в бесконечной пластине …………………………………..49
Период теплонасыщения. Период выравнивания температур…………….…. .51
Расчет температуры при ограниченных размерах тела ………………………...53
Термический цикл сварки ………………………………………………………..54
Плавление основного металла…………………………………………………. ..56
термодеформационные процессы при сварке………………... .58
Свойства металлов при температурах сварочного цикла ……………………...58
Схема кинетики внутренних термических напряжений ……………………….61
Стальной стержень ……………………………………………………………….61
Местный нагрев пластины ……………………………………………………....63
Вывод расчетных формул для одноосных внутренних напряжений ……........65
Упругопластическое деформирование ………………………………………....67
Последовательность расчета кинетики внутренних напряжений
при сварке…………………………………………………………………………68
Остаточные напряжения в сварных соединениях …………………………......69
Деформации и перемещения при сварке ………………………………………..71
Экспериментальные методы определения sост ………………………………..73
физико-химические и металлургические процессы при сварке ……...75
Основные понятия и определения химической термодинамики ……………...75
Первый закон термодинамики. Энтальпия ……………………………………..77
Второе начало термодинамики. Энтропия ……………………………………...79
Энергия Гиббса …………………………………………………………………...81
Изотерма химических реакций …………………………………………………..83
Равновесие в гетерогенных системах. Правило фаз ……………………………84
Константа равновесия в гетерогенных системах ……………………………….85
Термодинамика растворов……………………………………………………... ..86
Приращение изобарного потенциала вещества при растворении………... …...88
Взаимодействие с водородом…………………………………………………… 89
Взаимодействие наплавленного металла с азотом ……………………………..91
Процессы карбидообразования ………………………………………………….93
Окисление металлов……………………………………………………………... 94
Химическое сродство к газу жидких металлов, которые
ограниченно растворяют свое химическое соединение с ним ……………….96
Химическое сродство к кислороду легирующих элементов ………………….98
Раскисление металлов……………………………………………………………98
Легирование металлов через шлак …………………………………………….101
Шлаковые фазы и их назначение ……………………………………………...102
Распределение температур в зоне сварки …………………………………..…104
Металлургия сварки под флюсом …………………………………………..…106
Сварка в среде СО2 и инертных газах ………………………………………....108
Металлургия сварки покрытыми электродами ……………………………….110
Фазовые превращения при сварке …………………………………113
Первичная кристаллизация …………………………………………………….113
Схема кристаллизации сварных швов ………………………………………....116
Химическая неоднородность сварных соединений ………………………......119
Природа и причины образования горячих трещин ……………………….......121
Виды ГТ. Способы оценки склонности к ГТ ………………………………….124
Методы борьбы с ГТ …………………………………………………………...127
Характерные зоны сварных соединений ……………………………………...128
Фазовые превращения в твердом состоянии ………………………………....130
Структурные превращения в сплавах при нагреве и охлаждении ……….….133
Фазовые и структурные превращения при сварке сталей ……………….…..134
Превращения при нагреве основного металла …………………………….….134
Превращения в сталях при охлаждении ………………………………………136
Природа и причины образования холодных трещин ………………………....138
Способы оценки склонности к ХТ ………………………………………….….139
Способы борьбы с ХТ ……………………………………………………….…..141
История развития сварки
Сварка является великим русским изобретением. Она является прогрессивным высокопроизводительным методом получения неразъемных соединений в промышленности и строительстве. Основоположниками дуговой сварки являются русские ученые В.В. Петров, Н.Н. Бенардос и Н.Г. Славянов.
В 1802 г. В.В. Петров открыл и описал дуговой разряд. Его открытие намного опередило свое время и до практического применения дуги дошло лишь в конце 19-ого века.
Лишь почти 80 лет спустя, в 1881 г., талантливейший русский изобретатель Н.Н. Бенардос (1842 – 1905 гг.) впервые в мире использовал дуговой разряд для соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока, т.е. для дуговой сварки и резки металлов. Н.Н. Бенардос является автором всех основных видов электрической дуговой сварки, широко внедренных в настоящее время в промышленность, и множества других изобретений в различных областях техники.
Дальнейшее совершенствование дуговой сварки связано с именем крупного русского инженера, металлурга и электрика Н.Г. Славянова (1854 – 1897 гг.). Славянов Н.Г. предложил в 1888 г. способ дуговой электросварки металлическим электродом, впервые спроектировал и построил специальные сварочные генераторы. Работы его положили начало развитию сварочных процессов в производственной сфере.
Н.Н. Бенардос и Н.Г. Славянов не только создали новые виды сварки, но широко применяли их, в первую очередь на ремонтных работах.
Однако в силу своей промышленной отсталости царская Россия не сумела реализовать возможности, открытые изобретениями Н.Н. Бенардоса и Н.Г. Славянова. В те годы дуговая сварка получила значительно большее распространение в Англии, Германии и особенно в США, чем на своей родине – в России. Электрическая дуговая сварка нашла широкое промышленное применение только после гражданской войны, в годы восстановления народного хозяйства, в годы пятилеток. Новый этап в истории сварки начинается с 1929 г., когда было принято постановление Совета Труда и Обороны о развитии сварочной техники. На основе постановления была создана материально-техническая база для разработки и внедрения передовых методов сварки в СССР, начата подготовка кадров специалистов по сварке – рабочих, инженеров, техников.
Бурного расцвета достигла в эти годы сварочная наука, которая обогатилась ценнейшими работами в области теории сварочных процессов. Особенно важную роль в этом деле сыграли исследования Украинского института электросварки АН УССР им. Е.О. Патона в Киеве, МВТУ им. Баумана и другие организации.
При современном состоянии производства трудно себе представить какую-либо его отрасль, имеющую дело с обработкой металла, изготовлением или ремонтом металлических изделий, которая могла бы обойтись без сварки. Сварка широко применяется в промышленности, строительстве, на транспорте в сельском хозяйстве и т.д. Она стала таким же необходимым и равноправным технологическим методом обработки металлов, как ковка, штамповка, литьё, обработка металлов резанием и т.д., а в ряде случаев успешно конкурирует с ними и вытесняет их. За последние годы значение сварки непрерывно возрастает при некотором снижении роли литья и поковок.
Сварка занимает господствующее положение в производстве стальных и особенно листовых конструкций. Широкое применение находят сварочные процессы в самолётостроении, автомобилестроении, в производстве вагонов, котлов высокого давления, в трубном производстве, сельскохозяйственном машиностроении и многих отраслях.
Об объёме сварочных работ свидетельствует тысячи километров газопроводных, водопроводных, нефтепроводных и других магистралей, выполненных с помощью сварки. При изготовлении одного судно водоизмещением всего 8 – 10 тыс. тонн необходимо сварить свыше 80 километров швов, а на более крупных современных судах общая длина сварных швов превышает 300 километров. Огромную роль играет сварка в ремонтном деле, особенно при восстановлении и поверхностном упрочнении быстроизнашивающихся деталей машин.
Высокий уровень сварочного производства требует соответствующей подготовки научных и инженерных кадров. Базовой дисциплиной при подготовке инженеров-сварщиков является «Теория сварочных процессов». Программа дисциплины предусматривает изучение следующих разделов:
1. Источники энергии при сварке – 5 семестр.
2. Тепловые процессы при сварке – 5 семестр.
3. Термодеформационные процессы при сварке – 5 семестр.
4. Физико-металлургические процессы при сварке – 6 семестр.
5. Фазовые и структурные превращения при сварке – 6 семестр.
Определение сварки. Физические основы и классификация