Технологія

Домашне завдання скидувати vladislav2130tolmachov@gmail.com 


Мал. 2.4. Зовнішня вольт-амперна характеристика (/) джерела живлення в поєднанні з внутрішньою статичної вольт-амперної характеристикою 

Мал. 2.5. Криві напруги (/) і сили струму (2) ІП і напруги (J) дуги в ланцюзі з активним опором: 

17.11.2023

Тема: СИСТЕМА ДУГА - ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ.

Енергію, необхідну для запалювання та стійкого горіння дуги, забезпечує джерело живлення. Властивості ІП визначаються його зовнішньої ВАХ / (рис. 2.4). Точці перетину Uxx характеристики ІП з віссю ординат відповідає напруга холостого ходу джерела (навантаження на його клемах відсутній), а точці перетину / кз з віссю абсцис - струм короткого замикання ВП. 

U - напруга; / - сила струму; 1 / жж - напруга холостого ходу ІП; / До , - сила струму короткого замикання ІП; (/ "/, - напруга і сила струму запалювання дуги; U" / л - напруга і сила струму (стійкого горіння) дуги; А, - точка запалювання дуги; А 2 - точка стійкого горіння дуги 

U mstx - найбільше (амплітудне) напруга І Г1; U "U r - напруги запалювання і гасіння дуги; / 3 - тривалість запалювання дуги; / 2 - тривалість гасіння дуги; t 4 - тривалість горіння дуги

Накладення на зовнішню характеристику / ІП внутрішньої статичної ВАХ 2 дуги дозволяє визначити точку стійкого горіння дуги. Сталий стан системи дуга - І П відповідає точці перетину їх ВАХ. Дуга запалюється в точці А, з координатами U 3 і / 3 . Збільшення площі катодного плями, зростання щільності струму і ступеня іонізації повітряного проміжку автоматично переводять дугу в точку А 2 стійкого горіння дуги з координатами U a і / д .

При харчуванні дуги від джерела постійного струму її горіння стійко. У разі живлення дуги від джерела змінного струму (частотою 50 Гц) значення сили струму і напруги в протягом 1 з 100 раз проходять через нуль. З такою ж частотою змінює своє положення катодна пляма, що є джерелом електронів. Зменшується іонізація дугового проміжку, і зварювальний дуга стає менш стійкою (на початку і в кінці кожного полупе- періоди відбувається гасіння дуги).

Розглянемо систему дуга-ІП в ланцюзі з активним опором (рис. 2.5). Миттєві значення напруги / і сили струму 2 ВП збігаються по фазі. Струм в зварювальної дузі починає протікати тільки при напрузі запалювання U 3 через час /, (або / 3 ) після початку напівперіоду. У кожен напівперіод відбувається гасіння дуги протягом часу / 2 . Загальна тривалість паузи t n в проходженні струму дорівнює сумарній тривалості запалювання і гасіння дуги.

Найбільш ефективною є стабілізація дуги за допомогою зменшення напруги запалювання за рахунок застосування електродів зі стабілізуючими покриттями, елементи яких мають низький потенціал іонізації. Підвищити стабільність горіння дуги можна введенням в зварювальну ланцюг індуктивного опору. Послідовне включення такого опору (з самоіндукцією, достатньої для підтримання (/ 3 на ділянці спаду кривої напруги джерела живлення) забезпечує зрушення фаз між зварювальним струмом і напругою ВП. 

Мал. 2.1. Схема збудження дуги коротким замиканням:

а - розплавлення вершин мікронерівностей; б - випаровування металу; в - виліт електронів; г - іонізація атомів: / - електрод; 2 - заготовка; 3 - «місток» з розплавленого металу; 4 - розтягнутий «місток», 5 - пари металу; 6 - позитивний іон; 7 - електрон; 8 - атом; / До , - сила струму короткого замикання


«Містках» Зупиниться достатньою для випаровування частини металу. Проміжок між електродом і поверхнями, що зварюються заготовок іонізується, і виникає дуговий розряд. Якщо фактори, що підтримують іонізацію, зберігаються, то утворюється стійка електрична дуга.

При нагріванні торця електрода і заготовок електрони поверхневого шару катода отримують приріст кінетичної енергії, що дозволяє їм подолати межу розділу тверде тіло - газ (термоелектронна емісія). Електрони 7 (рис. 2.1, в) спрямовуються до анода зі швидкістю, що досягає 2 км / с, і стикаються з молекулами 8 (рис. 2.1, г) парів металу і компонентів покриття електрода.

При такій високій швидкості електронів їх зіткнення з нейтральними атомами призводять до іонізації останніх. Процес іонізації набуває лавиноподібний характер, потік заряджених частинок орієнтується електричним полем, що забезпечує стабільне горіння дуги.

У момент запалювання дуги повітряний проміжок між електродом і заготовками недостатньо прогрітий, тому необхідно ввести додаткову енергію для його іонізації (підвищити різниця потенціалів між катодом і анодом). Найбільш нагріту ділянку поверхні торця катода (рис. 2.2), званий активним катодних плямою J, проводить весь струм дуги.



16.11.2023

Тема: ЕЛЕКТРИЧНІ СПОСОБИ ЗВАРЮВАННЯ

Залежно від способу перетворення електричної енергії в теплову розрізняють дугову, електрошлакового, високочастотну, дифузійну і плазмову зварку.

Дугове зварювання

Дугове зварювання - зварювання плавленням, при виконанні якої нагрів здійснюється електричною дугою.

Електрофізичні властивості зварювальної дуги.

Зварювальний дуга - одна з форм електричного розряду в іонізованої суміші газів, парів металу, компонентів електродних покриттів і флюсів.

Для збудження електричної дуги необхідно іонізувати повітряний проміжок між електродами; тільки в цьому випадку він буде проводити електричний струм. У звичайних умовах гази нейтральні. Їх іонізація може статися під впливом зовнішнього впливу: сильного нагріву, високочастотного електромагнітного випромінювання або бомбардування швидкими електронами. Для іонізації атома (молекули) необхідно зробити роботу, що перевищує енергію взаємодії електрона з іншою частиною атома (молекули) і звану роботою іонізації. Її значення залежить від природи хімічних зв'язків атомів в молекулах і енергетичного стану виривається електрона. Так, наприклад, робота іонізації Не, Ne, N 2 , Аг, С0 2і Na становить відповідно 24,5; 21,5; 15,8; 15,7; 14,4 і 5,1 еВ.

Іонізувати повітряний проміжок для збудження дуги (рис. 2.1) можна нетривалим коротким замиканням електричного кола джерело живлення (ІП) - зварювальний електрод (катод) - заготівля (анод). Електродом / (рис. 2.1, а) короткочасно стосуються заготовки 2. При цьому між вершинами микронеровностей електрода і заготовки протікає струм короткого замикання. При досить великій силі цього струму в проміжку між торцем електрода і поверхнями, що зварюються заготовок виділяється така кількість теплоти, яке дозволяє розігріти до розплавлення вершини мікронерівностей. З розплавленого металу утворюються "містки" 3.

При швидкому відведення електрода від заготовки (рис. 2.1, б) «містки» розтягуються і звужуються. В результаті щільність струму в

Мал. 2.2. Ділянки електричної дуги:

1 - анодна пляма; 2 - дуга; 3 - катодна пляма; 4 - катод; 5 - анод; 1 са - сила зварювального струму; L A - довжина дуги; L a - довжина анодної області; L c - довжина стовпа дуги; L K - протяжність катодного області; U % - падіння напруги на дузі; (/ ,, U K , U K - падіння напруги в анодному, катодного областях

і стовпі дуги

При підвищенні сили струму до 50 А площа катодного плями збільшується, зростають щільність струму і іонізація дугового проміжку. В результаті зменшується електричний опір цій галузі, і для підтримки необхідного струму потрібна менша різниця потенціалів. При силі струму більше 50 А катодна пляма займає всю площу торця електрода, швидкість збільшення електропровідності дугового проміжку приблизно дорівнює швидкості зростання струму і падіння напруги в стовпі дуги зберігається практично постійним.

У дуги довжиною А д можна виділити три характерних ділянки: катодний область протяжністю L K ~ I мкм, анодний область протяжністю? а = I ... 10 мкм і середню частину дуги довжиною А з , звану стовпом дуги. Оскільки L K + L x « А з , можна допустити, що А д = А з , де А л - довжина всього дугового проміжку.

Область стійкого горіння дуги визначається її внутрішньої статичної вольт-амперної характеристикою (ВАХ), що складається з трьох ділянок (рис. 2.3).

На ділянці I (при малій силі струму) статична ВАХ дуги падаюча. Низька іонізація дугового проміжку призводить до крупнокрапельне переносу металу і необхідності підтримки високої напруги дуги. Розміри крапель приблизно рівні діаметру електрода. До 85% електродного матеріалу переносяться у вигляді великих крапель, решта 15% осідають на зварюються заготовки у вигляді бризок. У цих умовах значна частина крапель і бризок встигає окислюватися атомарним киснем, що призводить до незадовільної якості зварного шва; в той же час робота на підвищеній напрузі небезпечна для зварника.

На ділянці II (при середній силі струму) сумарне анодна і катодного падіння напруги є постійною величиною. Площа поперечного перерізу стовпа дуги збільшується пропорційно силі струму, а електропровідність змінюється мало. Опір стовпа дуги обернено пропорційно силі струму, тоді як напруженість електричного поля і падіння напруги в стовпі дуги від сили струму не залежать. Тому статична ВАХ жорстка, а дугового проміжок досить іонізований, що призводить до дрібнокраплинного переносу металу і можливості використання низької напруги дуги. Розміри крапель складають 0,6 -0,8 діаметра електрода. До 95% електродного матеріалу переносяться у вигляді крапель, решта 5% осідають на зварюються заготовки у вигляді бризок.


Мал. 1.9. Класифікація зварних швів у напрямку діючих на

них зусиль Р:

а - поздовжній (фланговий); б - поперечний (лобовий); в - комбінований; г - косою

Стикових швом виконують стикові з'єднання, кутовим швом - кутові, нахлесточного і таврові з'єднання. При накладенні точкового шва зв'язок між заготовками здійснюється звареними крапками. Зварна точка - це елемент точкового шва, що представляє собою в плані коло або еліпс.


15.11.2023

Тема: ВИДИ ЗВАРНИХ З'ЄДНАНЬ І ЗВАРНИХ ШВІВ

Можливі такі види зварних з'єднань: стикові, нахлесточного, торцеві, кутові і таврові.

У стикових з'єднаннях дві заготовки примикають один до одного торцевими поверхнями. Ці сполуки є найбільш поширеними. Вони мають високу міцність при статичних і динамічних навантаженнях. Їх використовують під час зварювання листового матеріалу, кутових профілів, швелерів, таврових і двотаврових балок.

У напусткових з'єднаннях заготовки, розташовані паралельно, частково перекривають один одного. Такі сполуки застосовують при зварюванні листового матеріалу. Вони гірше протистоять ударним і знакозмінних навантажень і неекономічні. Їх перевагою є простота підготовки та складання заготовок під зварювання.

У торцевих з'єднаннях бічні поверхні заготовок примикають один до одного.

У кутових з'єднаннях дві заготовки розташовані під кутом один до одного і зварені в місці примикання їх країв. Ці сполуки, як правило, використовують в якості сполучних елементів.

У таврових з'єднаннях торець однієї заготовки примикає під кутом і приварений до бічної поверхні іншої заготовки. Таврові з'єднання застосовують при виробництві просторових конструкцій. При виконанні таких з'єднань без підготовки кромок можливий непровар кореня шва, тому вони погано протистоять змінним і ударних навантажень. Підготовка кромок (з одно- або двостороннім скосом) сприяє повному проплавлению з'єднуються заготовок, що забезпечує їх високу міцність при будь-яких видах навантажень.

Поєднуючи заготовки звареним швом, отримують зварену конструкцію. Зварений шов - це ділянка зварного з'єднання, що утворився в результаті кристалізації або пластичної деформації (при зварюванні тиском) або отриманий поєднанням кристалізації і деформації.

За розташуванню в просторі розрізняють горизонтальні, вертикальні, стельові і нижні зварні шви. Поєднання стельового шва з вертикальним називається полупо- Толочним швом.

За конфігурації виділяють прямолінійні, кільцеві, замкнуті і розімкнуті шви.

За протяжності шви поділяють на суцільні і переривчасті. Переривчасті шви поділяються на короткі, середні, довгі, ланцюгові і шахові.

За характером виконання розрізняють одно- і багатосторонні шви.

Залежно від напрямку дії зовнішнього зусилля виділяють поздовжні (флангові), поперечні (лобові), комбіновані і косі шви (рис. 1.9). У поздовжньому шві зовнішнє зусилля діє паралельно його осі, в поперечному - перпендикулярно, а в косому - під кутом.

За формою зовнішньої поверхні шви поділяють на нормальні (пласка поверхня), опуклі і увігнуті. Зварні з'єднання з опуклими швами краще протистоять статичних навантажень, але вони металлоемки; з'єднання з нормальними і увігнутими швами стійкі до впливу динамічних і знакозмінних навантажень.

Зварювані заготовки часто попередньо збирають за допомогою прихваток. Прихвачує є короткий зварений шов для фіксації взаємного розташування деталей, які підлягають зварюванню.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ


Мал. 1.8. Гарячі ( а ) і холодні ( б) тріщини в зварних з'єднаннях:

/ - основний метал; 2 - зона термічного впливу; 3 - стовпчасті кристали, 4 - рідка прошарок при завершенні кристалізації; 5 - тріщини


де К з , K Sh До Мп> K Cr , К Мо9 Kv, К ь - процентний вміст відповідного елемента в сталі. 

10.11.2023

Тема: ЗВАРЮВАНІСТЬ

Під зварюваністю розуміють здатність матеріалів утворювати зварне з'єднання. Багато сплави володіють зниженою здатністю до зварювання, яка проявляється в погіршенні механічних властивостей ЗТВ і освіті зварювальних дефектів (тріщини, гартівні структури, пористість і ін.). Розрізняють фізичну і технологічну свариваемость. Фізична свариваемость визначається властивостями металів, що сполучаються, що впливають на перебіг відповідних фізико-хімічних процесів в зоні зварного шва. Технологічна зварюваність визначає можливість застосування конкретного способу зварювання і якість зварного шва.

Всі однорідні метали мають фізичної зварюваністю. Різниця у властивостях різнорідних металів призводить до того, що не завжди можливо протікання необхідних для зварювання фізико-хімічних процесів. Тому різнорідні метали не завжди володіють фізичної зварюваністю.

Пористість зварного шва викликає зниження його герметичності і погіршення механічних властивостей з'єднання. Пори в шві утворюються внаслідок насичення розплаву газами при неповному виділення газових бульбашок в процесі кристалізації шва. Майже всі гази добре розчиняються в рідкій фазі і погано розчинні (або нерозчинні) у твердій.

Насичення розплавленого металу газами пов'язано з наявністю вологи в електродних покриттях, флюсах і захисних газах (результат - насичення шва воднем), протіканням окислювальних процесів в шві (насичення шва оксидом вуглецю), пошкодженням захисту шва (насичення шва азотом і оксидом вуглецю) і надмірно швидким охолодженням шва при кристалізації (бульбашки газів не встигають перейти в атмосферу).

Основною ознакою, що характеризує свариваемость сталей, є їх схильність до утворення тріщин.

Гарячі тріщини (рис. I.8, а) утворюються при кристалізації шва, коли метал знаходиться в двофазному (твердожидком) стані. У цьому стані метал має малу пластичність і міцність. При розвитку внутрішніх зварювальних деформацій рас

тяжіння можливе руйнування металу на межі рідкої і твердої фаз. Зазвичай гарячі тріщини утворюються уздовж осі зварювального шва, в зоні стику стовпчастих кристалів.

Схильністю до утворення гарячих тріщин мають сплави з широким температурним інтервалом кристалізації, а також сплави з підвищеним вмістом шкідливих домішок.

Холодні тріщини (рис. 1.8, б) зазвичай виникають в ЗТВ по завершенні кристалізації. При наявності в сплаві фосфору можливе утворення холодних тріщин протягом 2 ... 7 діб після зварювання.

Поява холодних тріщин характерно для вуглецевих і легованих сталей при утворенні в процесі зварювання гартівних структур, інтенсивному зростанні зерен і підвищеному вмісті газів в розплавленому металі.

Схильність низьковуглецевих сталей до утворення холодних тріщин можна оцінити по так званому еквіваленту вуглецю,%, розраховується за формулою

При С ек "> 0,4% сталь вважається схильною до утворення холодних тріщин.

За зварюваності сталипідрозділяють (ГОСТ 29273-92) на чотири групи: добре, задовільно, обмежено і погано зварюються.

Вуглець може перебувати в сталях у вигляді цементиту (Fe 3 C), а в чавунах - у вигляді цементиту і у вільному стані (графіт). У сталях кількість цементиту пропорційно вмісту вуглецю. Цементит підвищує опір руху дислокацій, зменшує пластичність і в'язкість сплавів.

Зі збільшенням вмісту вуглецю в сталях їх твердість, межі міцності і текучості зростають, а відносне подовження, ударна в'язкість і трешіностойкость зменшуються. Внаслідок цього вуглець при його вмісті в сталях до 0,25% не погіршує їх зварюваності. При більш високому вмісті вуглецю зварюваність різко погіршується, так як в ЗТВ формуються гартівні структури, що призводять до появи тріщин.

Застосування середньо- і високовуглецевих присадних матеріалів викликає утворення пор в матеріалі шва.

Легуючі елементи по-різному впливають на зварюваність сталі. Карбидообразующие елементи, що володіють підвищеним хімічну спорідненість до вуглецю, сприяють появі гартівних структур і тріщин у звареному шві і біля шовної зони. До таких елементів відносяться хром, молібден, вольфрам, марганець, титан, ніобій і ванадій.

При вмісті хрому до 2% утворюється легований цементит (FeCr) 3 C. При вмісті хрому в межах 2 ... 10% формується спеціальний карбід (CrFe) 7 C 3 . При підвищенні вмісту хрому до 10 ... 12% утворюються складні карбіди (Сг, Fe) 23 C 6 . Вони знижують корозійну стійкість стали, істотно підвищують її твердість у ЗТВ і інтенсифікують формування тугоплавких оксидів, що ускладнюють зварювання.

Молібден і вольфрам утворюють в сталях складні карбіди - Fe 3 Mo 3 C (Fc 2 Mo 2 C) і Fe 3 W 3 C (Fe 2 W 2 C). Молібден подрібнює зерна і сприяє виникненню тріщин в ЗТВ. При зварюванні молібден активно окислюється і вигорає. Вольфрам сприяє появі гартівних структур і активно окислюється, тим самим перешкоджаючи зварюванні.

Марганець підвищує міцність сталі, не знижуючи її пластичності, а при його вмісті в сталі 1,8 ... 2,5% сприяє утворенню гартівних структур, що збільшує ймовірність появи холодних тріщин. При утриманні в стали 11 ... 16% марганцю він інтенсивно вигорає.

Титан і ніобій підвищують схильність стали до утворення гарячих тріщин.

Ванадій сприяє появі гартівних структур, ніж ускладнює зварювання. При зварюванні він активно окислюється і вигорає.

Елементи, що не утворюють карбідів, знаходяться в стали в твердому розчині (аустеніт або ферит). Зазвичай ці елементи знижують стійкість карбіду заліза (цементиту), сприяючи його розпаду на ферит і вільний вуглець (графіт), і тому називаються Графітізуючі. До таких елементів відносяться кремній і нікель.

Кремній дегазує сталь, підвищує її щільність і межа плинності. Кремній при його вмісті в сталі 0,02 ... 0,3% не викликає погіршення зварюваності. При вмісті кремнію в стали в межах 0,8 ... 1,5% умови зварювання погіршуються через високу жидкотекучести кременистої стали і освіти тугоплавких оксидів кремнію.

Нікель покращує пластичні та міцності властивості стали, а також подрібнює зерна, не погіршуючи зварюваності.


Мал. 1.7. Схема виникнення зварювальних напружень:

а - напруги і деформації пластин при зварюванні; б - деформації пластин після охолодження; в - залишкові напруги в пластинах (в виробі); /, 5 - зварюються пластини; 2 - початкова поверхню; 3 - положення, яке прагне зайняти початкова поверхню; 4, 7 - частини епюр деформацій; 6 - кінцеве положення початкової поверхні; 8, 9 - епюри напружень; Т = f (y) - температурне поле заготовок при нагріванні цього знижують жорсткість зварюються заготовок, виключають їх закріплення при зварюванні, попередньо підігрівають їх або застосовують високий відпустку після зварювання.


08.11.2023

Тема: ЗВАРЮВАЛЬНІ НАПРУГИ ТА ДЕФОРМАЦІЇ

Нерівномірне нагрівання зварюваних деталей і металургійні процеси, що протікають в звареному шві, призводять до появи внутрішніх (без додатка зовнішніх сил) зварювальних напружень і деформацій в зварних виробах.

Розглянемо механізм виникнення зварювальних напружень при стиковому з'єднанні двох пластин.

У разі нерівномірного розігріву пластин / і 5 при зварюванні (рис. 1.7, а) початкова поверхню 2 пластин прагне зайняти положення 3. Шов і прилегла до нього зона металу зазнають необоротну місцеву пластичну деформацію стиску. Ця деформація пропорційна заштрихованої частини 4 епюри деформацій.

Під час охолодження температурна деформація шва і прилеглої до нього зони металу обмежена реакцією нижчих шарів основного металу. Відбувається рівномірний вкорочення пластин (рис. 1.7, б) до положення 6. При цьому шов і прилегла до нього зона металу зазнають внутрішню упругопластические деформацію розтягування, пропорційну заштрихованої частини 7 епюри деформацій.

Відповідні пружною деформації напруження розтягу «+» в шві і ЗТВ врівноважуються стискають напругами «-» в основному металі (рис. 1.7, в). Спостережувані зовнішні деформації заготовок не збігаються з внутрішніми упругопластические деформаціями після зварювання, а їх знаки протилежні. Наявність внутрішніх упругопластических деформацій може призвести до виникнення внутрішніх напружень, що перевищують межу міцності матеріалів, що зварюються заготовок, що викличе появу холодних тріщин.

Для попередження появи тріщин у звареному шві і ЗТВ необхідно знизити внутрішні деформації і напруги (зменшити реакцію основного металу на розігріті шов і ЗТВ). для

Якщо за технічними умовами неприпустимо викривлення зварного вироби (зовнішні деформації), то необхідно, навпаки, збільшити жорсткість зварюються заготовок (установка ребер жорсткості і мембран) або жорстко закріпити заготовки при зварюванні. 

I - іонізовані частинки пилу; 2 - шар молекул жиру; 3 - шар молекул води; 4 - адсорбований шар іонів кисню і нейтральних молекул повітря; 5 - оксидний шар; 6 - поверхневий шар кристаллитов з прошарками оксидів; 7 - основний метал 

Мал. 1.6. Поверхня металу на повітрі: 

Мал. 1.5. Зміна потенційної енергії Е в залежності від відстані г між ядрами атомів: 

02.11.2023

Тема: МЕХАНІЗМ УТВОРЕННЯ З'ЄДНАННЯ ПРИ ЗВАРЮВАННІ ТИСКОМ

Процес з'єднання матеріалів при зварюванні тиском включає в себе кілька взаємопов'язаних стадій: зіткнення поверхонь, що зварюються, ліквідацію поверхневих оксидних та адсорбованих плівок, активацію поверхневих шарів (за рахунок деформування матеріалів, що зварюються, об'ємних дифузійних процесів і рекристалізації), виникнення спочатку поверхневих, а потім і об'ємних металевих зв'язків.

Будь-метал можна уявити як сукупність позитивно заряджених іонів (в ідеальному випадку розташованих у вузлах кристалічної решітки) і вільних електронів, що знаходяться в постійній взаємодії з іонами. Ця взаємодія і визначає цілісність металевого тіла.

При зближенні двох металевих тіл на відстані, при яких між їх поверхнями діють міжатомні сили, можливе виникнення міжатомних зв'язків. Атоми металу одного тіла прагнуть до з'єднання з атомами іншого тіла. При цьому вони об'єднуються в досить великі комплекси.

При зближенні ідеально чистих, гладких і паралельних поверхонь теоретично можливе самовільне (без введення додаткової енергії) виникнення металевих зв'язків і отримання з'єднання, який не поступається за механічними властивостями основного металу.

Реальні поверхні завжди вкриті плівками оксидів, адсорбованих жирів і газів, що перешкоджають виникненню металевих зв'язків. Будь-які, навіть поліровані, поверхні не можуть бути розташовані строго паралельно. Вони мають мікронерівності висотою 10 ... 100 нм. Тому при контакті таких поверхонь неможливо забезпечити їх повне зіткнення.

Початкове зіткнення реальних поверхонь відбувається в окремих точках, розташованих на гребенях микронеровностей. Контакт між поверхнями носить дискретний характер. Його сумарна площа, що залежить від фізико-хімічних властивостей і мікрорельєфу поверхонь, становить 0,01 ... I% теоретичної площі контакту.

г 0 - відстань, відповідне мінімальної потенційної енергії? тм

такту виникли поодинокі металеві зв'язку (осередки схоплювання) не можуть забезпечити необхідної міцності з'єднання. Ці осередки не можна назвати звареним з'єднанням; їх можна розглядати лише як початкову стадію його освіти.

Для отримання повноцінного зварного з'єднання поверхні необхідно зблизити на відстань г 0 = 0,1 ... 0,5 нм, достатню для утворення стійкого зв'язку. Енергія взаємодії атомів повинна бути мінімальною (рис. 1.5).

При початковому зіткненні реальних поверхонь в зазорах між ними встановлюються адгезійні зв'язку тільки між атомами металів і молекулами адсорбованих газів або рідин.

Для розвитку схоплювання і подальшого зварювання поверхонь необхідно впливати на них тиском, що дозволяє пластично деформувати мікровиступів, або нагріти поверхні для активізації дифузійних процесів. Пластичне деформування і нагрів створюють в зоні з'єднання таку концентрацію-енергії, яка забезпечує перебудову поверхневих шарів контактуючих тіл.

Для отримання міцного і надійного зварного з'єднання необхідно розширення як його площі, так і глибини, що здійснюється за рахунок взаємної дифузії. При значному розходженні фізико-хімічних властивостей матеріалів, що зварюються в зоні з'єднання можлива перебудова хімічних зв'язків і зміна складу. У цій зоні можуть змінитися параметри і тип кристалічної решітки, що впливають на фізико-хімічні властивості зварного шва.

На якість і надійність зварного з'єднання впливає стан поверхонь тіл, що сполучаються. Реальна поверхня твердого тіла характеризується геометричними і фізичними параметрами.

Геометричні параметри визначають фактичну площу контакту реальних твердих тіл. Реальні поверхні характеризуються відхиленнями їх форми (неплощинність, овальність, ограновування і т.п.) від номінальної і сукупністю мікро- і макронеровностей (хвилястість і шорсткість). Умовно їх розрізняють за значенням відносини кроку нерівностей до їх висоті. Для відхилень форми характерні відносини більше 1 000, для волнистости - 40 ... 1 000, а для шорсткості - менше 40.

Чисті металеві поверхні заготовок при зіткненні контактують по виступах і западин микронеровностей. Фактична площа контакту (опорної поверхні) значно менше теоретичної площі. При стисненні поверхонь виступи микронеровностей мнуть, заготовки зближуються і збільшується площа опорної поверхні, що призводить до розширення зони зварного з'єднання.

Фізичні параметри визначаються станом поверхні твердого тіла. Над металевою поверхнею існує хмара безперервно рухаються вільних електронів, які покидають поверхню і знову повертаються на неї. Ці електрони і заряди протилежного знака в поверхневому шарі утворюють подвійний електричний шар. Щільність електричного заряду в подвійному шарі залежить від мікрорельєфу поверхні тіла. Найбільший заряд концентрується на вістрях мікровиступів.

На повітрі всі виступи і западини поверхні покриті оксидними плівками і шарами адсорбованих молекул води, газів і жирових речовин. Таким чином, поверхня металу на повітрі має складну систему адсорбованих шарів (рис. 1.6). На поверхні основного металу 7 є шар 6 кристаллитов з прошарками оксидів і пухкий оксидний шар 5. Над ними може знаходитися адсорбований шар 4 іонів кисню і нейтральних молекул повітря, а також шар 3 молекул води. Далі йде шар 2 молекул жиру, який міцно пов'язаний з основним металом, глибоко проникаючи в усі мікротріщини.

Наявність трудноудаляємиє адсорбованих електрично активних верств газів, води, жиру і оксидів перешкоджає утворенню металевих зв'язків при механічному зближенні заготовок і вимагає введення в зону зварювання додаткової (теплової або механічної) енергії для руйнування цих шарів.



30.10.2023

Тема: ВЗАЄМОДІЯ МЕТАЛУ ЗВАРНОГО ШВА З ГАЗАМИ, СІРОЇ І ФОСФОРОМ.

При високих температурах в зоні зварювання (2000 ... 6000 ° С) молекули газів, що містяться в атмосфері, переходять в атомарний стан. Одночасно відбувається розкладання матеріалу електродного покриття. Атомарний водень, кисень і азот інтенсивно розчиняються в металі, що погіршує механічні властивості шва (знижується пластичність, підвищується крихкість).

Плавиковий шпат і вапняк, що входять до складу багатьох видів покриттів, розкладаються на складові:

При дугового зварювання вільний фтор погіршує умови горіння зварювальної дуги. Вільний водень зв'язується в стійкі, нерозчинні в металі молекули:

Частина сірки видаляється в шлак внаслідок протікання реакції

Рідкий метал зварювальної ванни окислюється вільним атмосферним киснем і киснем, що знаходиться на крайках заготовок в складі оксидів (в окалині і іржі). При зварювальних температурах відбувається ланцюжок перетворень: Fe 3 0 4 -> Fe 2 0 3 ->

FeO. Оксид FeO, розчиняючись в залозі, утворює включення, що знижують якість зварного шва.

Водень добре розчинний в рідкій фазі заліза, міді, кобальту і нікелю. У процесі кристалізації цих металів розчинність водню різко зменшується. Тому при кристалізації зварного шва він виділяється у вигляді дрібних бульбашок з утворенням пір.

Титан, ванадій, тантал, ніобій і рідкоземельні елементи при високій концентрації водню взаємодіють з ним з утворенням гідридів, а при низьких концентраціях входять до складу твердих розчинів. Кремній, алюміній, хром і вуглець зменшують розчинність водню в сталях.

Азот взаємодіє з залізом, молібденом, титаном і марганцем з утворенням нітридів MN, де М - метал. Нітриди, підвищуючи міцність зварного шва, знижують його пластичність.

При кристалізації сульфід заліза FeS утворює евтектику FeS - Fe, що має температуру плавлення 940 ° С. Евтектика розташовується між зернами кристалізується заліза і викликає появу так званих гарячих трсшін (красноломкость).

Фосфор міститься в металі шва у вигляді фосфидов заліза FeP і FeP 2 , зменшують ударну в'язкість сталі і сприяють утворенню так званих холодних тріщин. Для зменшення шкідливого впливу фосфору в зварювальну ванну вводять елементи (кальцій або марганець), здатні зв'язати його в нерозчинні в залозі з'єднання, щоб потім перевести їх в шлак.



 -6 - ділянки зони термічного впливу; 1 - зона наплавленого металу зварного шва; II - зона термічного впливу; III - зона основного металу; Т - температура; HV - твердість

ного шва, зону II термічного впливу і зону III основного металу.

У зоні термічного впливу (ЗТВ) виділяють шість ділянок.


26.10.2023

Тема: КРИСТАЛІЗАЦІЯ МЕТАЛУ ЗВАРНОГО ШВА.

Цей процес починається з кристалізації частково оплавлених зерен основного металу заготовок, розташованих на кордонах зони розплавлення. До кристалічній решітці цих зерен приєднуються атоми кристалізується фази. По завершенні кристалізації в зоні розплавлення утворюються зерна, частково складаються з металів заготовок і металу шва і забезпечують зварене з'єднання.

При переміщенні зварювальної ванни уздовж кромок заготовок в її передній частині відбувається оплавлення металів, а в задній - кристалізація.

Кристалізація зварного шва відрізняється від кристалізації злитків високими швидкостями нагрівання й охолодження. Тому шов неоднорідний за розмірами і хімічним складом зерен. У верхній частині шва утворюються більші кристалітів гіллястої форми (дендритне будова), тоді як в нижній частині - більш дрібні кристаліти подовженої форми (транскристаллитного будова).

Що стосується хімічного складу, то в кожному шві можна виділити три ділянки. Нижній ділянку, кристалізується з тонкого прошарку розплаву, яка прилягає до оплавленим поверхонь, збагачений сірої, фосфором і вуглецем, перемістившись з прилеглих ділянок металу заготовок. Середній ділянку кристалізується з рідкого металу основного складу. Висока швидкість кристалізації забезпечує ідентичність складу металу цієї ділянки складу рідкого металу ванни. Верхня ділянка збіднений сірої, фосфором і вуглецем.

У зварному з'єднанні можна виділити три зони з різною мікроструктурою (рис. 1.4): зону I наплавленого металу сварРіс. 1.4. Будова зони зварного з'єднання легованої сталі:

Ділянка I неповного розплавлення металу є перехідним від рідкої фази до твердої. Тому властивості цієї ділянки визначають властивості зварного шва.

Ділянка 2 перегріву - це область, в якій метал нагрівається до температури 1 500 ° С. Метал має грубозернисту будову зі зниженою пластичністю. Для вуглецевих сталей можлива поява гартівних структур.

Ділянка 3 нормалізації відносно недовго нагрівається до температур 930, ... 1 100 ° С. Тут метал має дрібнозернисту структуру з хорошими механічними властивостями.

Ділянка 4 неповної рекристалізації є область, в якій великі зерна фериту оточені дрібними зернами фериту і перліту.

Ділянка 5 рекристалізації часто спостерігається після зварювання заготовок (поковки, прокат), які пройшли попередню пластичну деформацію, і характеризується відновленням форми і розмірів зруйнованих під час деформування зерен.

Ділянка 6 сінеломкость , відповідний інтервалу температур 200 ... 400 ° С (сині кольори мінливості), характеризується зниженням пластичності металу.


23.10.2023

Тема: ОСОБЛИВОСТІ МЕТАЛУРГІЙНИХ ПРОЦЕСІВ, ЩО ПРОТІКАЮТЬ ПРИ ЗВАРЮВАННІ ПЛАВЛЕННЯМ

У процесі зварювання плавленням в зварювальної ванні протягом короткого проміжку часу відбуваються складні процеси взаємодії різних зовнішніх і внутрішніх компонентів (рис. 1.3). Метали заготовок і додатковий метал, що вводиться в зварювальну ванну, складаються з основного металу, легуючих елементів, розчинених газів і сторонніх включень. Всі ці компоненти взаємодіють один з одним, з газами атмосфери, рідким металом зварювальної ванни, матеріалом покриттів і утворюється шлакової ванни. В результаті за хімічним складом і властивостями зварений шов може значно відрізнятися від металевих компонентів зварювального зони. 

Мал. 1.3. Взаємодія зовнішніх і внутрішніх компонентів зі зварювальної ванній: 

М ,, М 2 - метали заготовок; М 3 - додатковий метал; 0 | -0 3 - основні метали; Л ( Л 3 - легуючі матеріали; Г | -Г 3 - гази, розчинені в металах; В | -В 3 - сторонні включення; МП - матеріал електродного покриття; ГА - гази атмосфери; ЖМ - рідкий метал; IIIВ - шлаковая ванна 

04.09.2023

Тема: КЛАСИФІКАЦІЯ ВИДІВ ЗВАРЮВАННЯ

Ознаками класифікації видів зварювання (по ГОСТ 260I- 84 *) є стан металу в зварювальної зоні, а також вид і спосіб внесення енергії, необхідної для активації поверхні.

Під час зварювання метал може знаходитися в зварювальної зоні в твердому або рідкому стані. Для зварювання металу в твердому стані крім його розм'якшення нагріванням потрібна програма зовнішнього (осадового) тиску. Якщо метал перебуває в рідкому стані, то зварене з'єднання можна отримати без додатка осадового тиску (тільки за рахунок злиття обсягів рідкого металу заготовок).

За станом металу в зварювальної зоні всі способи зварювання можна розділити на дві великі групи: зварювання плавленням і зварювання тиском.

Сварка плавленням вимагає високої температури нагріву заготовок (до появи рідкого металу в зварювальній ванні), отже, в зоні зварювання протікають металургійні процеси (утворення розплаву, його кристалізація, окислення металу шва). Тому при зварюванні плавленням можливе виникнення металургійних дефектів (внутрікрісталлітной і зональна ізоляція, холодні і гарячі напруги і тріщини, пористість зварного шва, наявність в ньому сторонніх включень і ін.). Проте зварювання плавленням набула широкого поширення, так як вона не вимагає дорогого устаткування, відрізняється високою технологічною гнучкістю і часто може виконуватися в польових умовах.

Сварка тиском здійснюється при більш низькій температурі нагріву заготовок. Завдяки цьому зменшується ймовірність появи металургійних дефектів і знижуються енергетичні витрати. Однак зварювання тиском вимагає застосування складного технологічного обладнання, що забезпечує значні зусилля стиснення зварюваних заготовок, і попередньої підготовки крайок цих заготовок (наявності чистих поверхонь).

За виду використовуваної енергії всі способи зварювання можна розділити на механічну, хімічну, електричну, променеву, електро- і хіміко-механічну зварювання, а також зварювання акумульованої енергією.

Для отримання зварного з'єднання механічна зварювання вимагає здійснення пластичної деформації кромок зварювальних заготовок.

Хімічна зварювання характеризується нагріванням металу заготовок до появи розплаву в зоні зварювання за допомогою перетворення хімічної енергії в теплоту.

Електрична зварювання пов'язана з перетворенням електричної енергії в теплоту, яке може відбуватися при проходженні електричного струму через шлак, використанні електричної дуги або індукуванні струму високої частоти.

Променева зварювання заснована на перетворенні енергії променя світла або електронного променя в теплоту (застосування лазерного променя або енергії пучка електронів).

Електромеханічна зварювання заснована на нагріванні металу заготовок методом електроопору з подальшим пластичним деформуванням.

При хіміко-механічної зварюванні метал заготовок нагрівається внаслідок перетворення хімічної енергії в теплову, а потім здійснюється його пластичне деформування.


Рис 1.1. Взаємозв'язок технологічних параметрів зварювання технічно чистого заліза:

I, II, III - області обмеженого зварювання, зварювання тиском і плавленням відповідно; р - зовнішній тиск; Т - температура нагріву; Г, - гранична температура; Т ш - температура плавлення


Мал. 1.2. Інтервали температур зварювання тиском сплаву залізо-вуглець:

Т - температура нагріву; С - вміст вуглецю; I, II, III - області зварювання плавленням, можливого виконання зварювання тиском і хорошої якості зварювання

тиском відповідно


01.09.2023

Тема: Основи процесу з'єднання двох металів

Будь-яке тверде або рідке тіло являє собою систему атомів, іонів або молекул, пов'язаних один з одним внутрішніми силами тяжіння. У кристалічних тіл ці частинки розташовані в вузлах кристалічної решітки. Більшість металів мають кубічні об'ємно і гранецентрированную грати і гексагональними щільноупакованими грати.

Для з'єднання двох твердих тіл з отриманням моноліту необхідно встановити зв'язок між їх поверхневими атомами, тобто зблизити їх на відстані, порівнянні з параметром кристалічної решітки. Сучасні методи механічної обробки (наприклад, фінішне полірування) забезпечують зближення поверхонь на відстань, приблизно рівне 100 нм. Але навіть така обробка не дозволяє отримати моноліт з кількох причин:

У зону зварювання таку енергію можна ввести у вигляді теплоти (термічна активація), упругопластической деформації (механічна активація) або за допомогою електронного та іонного опромінення (радіаційна активація). При зварюванні найбільш поширеними способами введення енергії є нагрів і деформування, що характеризуються відповідно температурою і зовнішнім тиском.

Для різних зварювальних матеріалів взаємозв'язок технологічних параметрів може бути неоднаковою. Розглянемо цей зв'язок для технічно чистого заліза без врахування забруднення поверхонь, що зварюються (рис. 1.1).

Крива на рис. 1.1 розділяє поле технологічних параметрів на дві області. В області зварювання утворюється високоякісне зварне з'єднання з властивостями зварного шва, близькими до властивостей основного металу заготовок. В області відсутності зварювання зварне з'єднання не може бути отримано або утворюється зварний шов низької якості.

Область зварювання містить три температурних ділянки. На ділянці I (температури до Г, = 850 ° С) для отримання якісного зварного шва необхідні значні тиску (понад 35 МПа). Ця ділянка називають областю обмеженого зварювання.

На ділянці І зварений шов хорошої якості утворюється при наявності зовнішнього тиску, причому чим вище температура, тим менше необхідний тиск. Ця ділянка називають областю зварювання тиском.

На ділянці III для отримання високоякісного зварного шва немає необхідності прикладати зовнішній тиск, оскільки метал знаходиться в розплавленому стані. Ця ділянка називають областю зварювання плавленням.

Температурні області зварювання різних металів і сплавів відрізняються один від одного. Наприклад, алюміній, свинець і мідь при великих пластичних деформаціях можуть зварюватись при кімнатній температурі. Для сплаву залізо-вуглець інтервали температур зварювання тиском залежать від вмісту вуглецю (рис. 1.2).

У міру збільшення вмісту вуглецю в цьому сплаві температурний інтервал, що забезпечує хорошу якість зварювання тиском, зменшується. Так, зварювання чавуну (вміст вуглецю в ньому перевищує 2,14%) можна здійснювати тільки при наявності рідкої фази (зварювання плавленням або з частковим опалювальному).

При зварюванні різнорідних металів і сплавів можливі три фізичних механізму формування зварного шва.

По-перше, що з'єднуються метали можуть утворювати безперервні ряди твердих розчинів (залізо-нікель, залізо -хром, нікель-олово). При цьому спільна кристалізація забезпечує встановлення міжатомних зв'язків як усередині кристала, так і по кордонах зерен.

По-друге, що з'єднуються метали або їх складові можуть мати обмежену розчинність один в одному (залізо-мідь, мідь-олово). У цьому випадку зростає роль зв'язків між окремими кристалами - міжкристалічних зв'язків.

По-третє, якщо з'єднуються метали практично не розчиняються одна в одній (залізо-свинець, залізо -магній), то зв'язок може встановлюватися тільки по межах кристалів.

Таким чином, зварювання - це технологічний процес отримання нероз'ємних з'єднань за допомогою встановлення міжатомних зв'язків між сполучаються частинами при їх місцевому або загальному нагріванні, або пластичній деформації, або спільній дії цих факторів. Зварні з'єднання мають безперервну структуру. Зварювання може виконуватися з використанням додаткового металу (застосування електрода або присадочного дроту) або без нього.

Зазвичай до зварювальних операцій відносять і наплавку , тобто нанесення за допомогою зварювання плавленням додаткового шару розплавленого металу на нагріту або доведену до стану плавлення поверхню деталі. Метою наплавлення є створення на цій поверхні шару металу з особливими властивостями (зносостійке, антикорозійне або інше покриття) або відновлення розмірів деталі при її ремонті.

Іноді як окремий випадок зварювання розглядається пайка. При пайку з'єднання двох деталей, нагрітих до температури нижчої, ніж температура їх плавлення, проводиться за допомогою додаткового розплавленого шару (припою). При цьому температура плавлення припою завжди нижча за температуру плавлення металів, що сполучаються. В результаті взаємодії припою з поверхневими шарами металів, що сполучаються можливе утворення твердих розчинів і хімічних сполук або бездіф- фузіонних зчеплення (адгезія). В останньому випадку пайку можна розглядати як окремий випадок склеювання.