Теория сварочных процессов

Теория сварочных процессов

1. Источники энергии для сварки, их классификация, виды и требования к ним

сварка плавление рафинирование металл

В зависимости от технологической задачи, физических свойств материала и условий протекания процесса требуются различные способы введения энергии в материал обрабатываемого изделия. Поскольку физические свойства соединяемых материалов и условия контактирования их между собой, форма и размеры изделий изменяются в весьма широких приделах, требования к источникам энергии также весьма разнообразны.

Источники энергии для сварки плавлением должны удовлетворять следующим условиям:

) должно быть обеспечено выделение энергии источника в заданной поверхности или объема изделия;

) мощность источника, т.е. количество энергии, вырабатываемой в единицу времени, должна быть достаточной для нагрева заданного объема до требуемых температур и для компенсации отвода тепла из-за теплопроводности в окружающую массу холодного металла;

) удельная мощность источника, т.е. мощность, приходящаяся на единицу поверхности или объема, не должна быть меньше определенной величины потока энергии в зависимости от свойств материалов, формы и размеров свариваемых изделий.

Одним из требований к источникам энергии для сварки плавлением является точное дозирование выделяемой в материале тепловой энергии. Чтобы обеспечить минимально возможный перегрев расплавленного и остающегося в твердом состоянии металла. Это требование вызвано как оптимизацией условий протекания металлургических реакций, так и для предупреждения развития химической неоднородности и огрубления кристаллической структуры, что особенно важно при сварке качественных сплавов с повышенными механическими и специальными свойствами.

При сварке в твердом состоянии необходимо обеспечить либо равномерный общий нагрев крупногабаритных изделий с большой контактной площадью сварки сплошного или развитого сечения, когда радиационный, электроннолучевой становятся мало эффективными, либо местный; но равномерный по сечению нагрев приконтактных слоев.

При термической резке материала требования к источникам энергии обычно заключаются в сочетании высокой концентрации удельной мощности с силовым воздействием, необходимым для удаления или выноса разделяемого металла или продуктов его реакции с активной режущей средой.

При металлургической обработке ванны расплавленного металла при сварке необходимо обеспечить определенный состав и давление газовой среды и характера переноса металла через нее с целью создания рациональных условий протекания окислительно-восстановительных реакций. [2]

По природе физического воздействия источники энергии можно подразделить на следующие группы:

) струи горячих газов: газовое пламя, плазменная струя, энергообмен с поверхностью нагреваемого тела преимущественно конвекцией.

) дуговой разряд между внешним электродом и пятном на поверхности нагреваемого тела, выделение энергии непосредственно в пятне на изделии, энергообмен со столбом разряда или выделенной из него струей плазмы - конвекцией и излучением, поступление тепла с расплавленным металлом электрода.

) потоки заряженных частиц, ускоренных в электрическом поле - электронный луч вакууме, ионный луч, выделение энергии при соударениях частиц с поверхностью нагреваемого тела.

) потоки излучения - концентрированные потоки солнечного излучения, излучение мощных ламп накаливания, луч оптического квантового генератора (лазера).

) электрический ток, вводимый через контакты на поверхности тела - сварка сопротивлением, или наводимый в теле электромагнитным полем высокой частоты - радиочастотная сварка. Выделение в расплавленной ванне, металлической и неметаллической (электрошлаковая сварка). [4]

2. Особенности кристаллизации металла в сварочной ванне

Переход металла из жидкого состояния в твердое сопровождается перегруппировкой атомов из неупорядоченного их расположения в упорядоченное, закономерное, определяемое кристаллической решеткой. Процесс образования кристаллов в металле при его затвердевании называется кристаллизацией.

Кристаллизация металла в сварочной ванне протекает в таких специфических условиях:

) распределение температуры по объему металла ванны неравномерно;

) кристаллизация металла осуществляется с большими средними скоростями роста кристаллов.

В настоящее время установлено, что кристаллизация металла в сварочной ванне носит прерывистый характер.

Рисунок 1. Схематическое изображение продольного сечения сварочной ванны первого типа

Кристаллизация металла в сварочной ванне первого типа рисунок 1. Если плавление металла начинается в передней части ванны - на участке б - и заканчивается примерно на участке а, то кристаллизация протекает от участка а на задней стенке сварочной ванны до участка в. При этом жидкий металл постоянно перемещается в сторону А, противоположную направлению сварки.

Кристаллизация металла сварочной ванны второго типа характерны такие особенности кристаллизации:

) большой объем и замедленное охлаждение металла, приводящие к увеличению размеров кристаллов;

) равномерный теплоотвод по всему периметру шва, определяющий радиально - осевое направление роста кристаллов;

) непрерывное наличие над растущими кристаллами значительного объема жидкого металла и шлака, облегчающее отделение от металла неметаллических включений.

Схематическое продольное и поперечное сечение кристаллизующегося металла в сварочной ванне показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схематическое изображение продольного сечения сварочной ванны второго типа

Сварочная ванна 1 второго типа образуется при дуговой сварке под флюсом 4 (а) и при электрошлаковой сварке (б) с принудительным формированием шва. Такая ванна заключена между свариваемыми кромками основного металла и охлаждающими стенками медных ползунов (2), формирующих внешние поверхности шва (6). Искусственное водяное охлаждение (3) ванны придает ей чашеобразную симметричную форму и весьма существенно влияет на процессы первичной кристаллизации жидкого металла. В отличие от ванны первого типа, здесь верхняя часть ванны в процессе ее перемещения все время находится в жидком состоянии, что создает благоприятные условия для наиболее полного удаления из металла шлаковых включений и газов.

Процесс кристаллизации металла в ваннах первого и второго типа носит прерывистый характер и потому швы имеют слоистое строение. Слои в общем случаи повторяют очертания сварочной ванны. [1]

3. Рафинирование металла при сварке плавлением

Металлургическая фаза протекающая одновременно с раскислением и легированием металла называется рафинированием, т.е. очищение от вредных примесей - серы и фосфора. Условия взаимодействия металла и шлака для рафинирования металла шва по сере при электродуговой сварке благоприятны, чем в сталеплавильном производстве.

Особенности условий десульфурации в процессе сварки:

) более высокая температура металла и шлака, особенно на стадии образования капель, способствует диссоциации сульфидов, ослабляет химические связи серы и облегчает удаление ее из металла в шлак;

) интенсивное перешивание металла со шлаком в каплях и в сварочной ванне увеличивает относительную массу шлака от 100 до 1000 раз по сравнению с аналогичным показателем в мартеновском производстве;

Несмотря на кратковременность взаимодействия металла со шлаком, при электродуговой сварке есть возможности получать металл шва более чистым по содержанию серы, чем основной металл.

Источниками поступления серы и фосфора в зону сварки служат: 1) шлаки, в состав которых входят компоненты, содержащие серу и фосфор; 2) расплавленный металл.

В процессе, сварки отмечается, что, чем сильнее в шлаке активность окислов кальция, тем больше происходит смещение реакции вправо и полнее удаляются из металла сера и фосфор. Наилучшими рафинирующими свойствами обладают высокоосновные шлаки, богатые СаО.

Серу из сварочной ванны можно удалить частично в шлак при легировании металла марганцем, который образует с серой прочный сульфид MnS (температура плавления 1620°С). Сульфид марганца слабо растворим в металле и хорошо в шлаке, поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Основной реакцией связывания серы с марганцем является:

[FeS]+[Mn]=(MnS)+[Fe].

Этот металлургический способ борьбы с серой является основным, когда шлаки не содержат СаО и имеют малую основность

Связывание серы известью основано на образовании весьма прочного сульфида кальция, практически нерастворимого в металле. Процесс протекает в соответствии с реакцией:

[FeS]+(CaO)=(CaS)+[FeO]

Этот металлургический способ борьбы с серой является основным, когда шлаки не содержат СаО и имеют малую основность.

Удаление фосфора из сварочной ванны основано на окислении и последующем связывании фосфорного ангидрида Р₂О₅ в прочное легкоотшлаковываемое комплексное соединение. Образовавшееся комплексное соединение переходит в шлаковую фазу. Окисление фосфора может происходить по следующим реакциям:

Fe₃P+5FeO=P₂O₅+11Fe;

Fe₂P + 5FeO=P₂O₅ + 9Fe. [2]

4.      Определить температуры точек по оси наплавляемого валика, находящихся на расстоянии 0,25 и 0,5 см впереди движущейся дуги, при наплавке на стальную массивную деталь. Режим наплавки: I = 600 А; U = 28 В; u = 0,8; v = 16 м/ч. Теплофизические характеристики стали: λ= 0,38 Вт/(см К); а = 0,1 см²/с.

) Определить полезную мощность дуги:

q=I*U, где

I - сила тока, А

U - напряжение источника, В

q= 600*28*0,8=13440 Вт.

) При определении температур точек впереди движущейся дуги, будем иметь в виду, что для них R=x, тогда

T(x)= e^-(V/2a)(x+R)+298, где

λ - коэффициент теплопроводности, Дж/см;

U - скорость сварки, см/с;

а - коэффициент температуропроводимости;

R - расстояние от точки плавления до точки, в которой необходимо определить температуру;

Т (0,25)=  е^-(0,25+0,25)+298=2307,59 К

Т (0,55)=  е^-(0,55+0,55)+298=1158,98 К

Список используемой литературы

сварка плавление рафинирование металл

1. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. Ки-ев: Выща шк., 1976.

2.      Волченко В.К., Макаров Э.Л. Шип В.В. Сварка и свариваемые материалы. Том 1: Свариваемость материалов. М.: Металлургия, 1991.

.        Коновалов А.В., Куркин А.С., Макаров Э.Л., Неровный В.М., Якушин Б.Ф.; Теория сварочных процессов: учебник для вузов /Под ред. В.М. Неровного. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007.

.        Рыкалин Н.Н. Источники энергии для сварки // Сварочное производство. №11. 1974.