. (8.44)
. (8.45)
Приймаємо 
, а також замінюємо 
на 
,
а 
на 
.
Тоді
, (8.46)
. (8.47)
Водень є хорошим розкиснювачем, але його використання приводить до утворення пор і тріщин.
Розкиснювачі, що використовуються, можна розташувати в порядку зменшення розкиснюючих здібностей у ряд: Al, Tі, Sі, C, H, Mn, Cr.
8.13 Дифузійне розкиснення
Розподілення FeO у шлаковій ванні підкоряється закону Нернста
, (8.48)
де L — константа розподілення.
У зварювальній ванні має місце частковий перехід FeO у шлак. Для того, щоб такий перехід був можливий необхідно зменшувати кількість цього оксиду у шлаку. Це досягається такими шляхами:
1. Зв’язують закис FeO у комплексні сполуки за допомогою кислотних оксидів з утворенням силікатів, титанатів.
2. Розчиняють шлак нейтральними у хімічному відношенні домішками.
3. Проводять розкиснюючи обмінні реакції.
Величина L залежить від температури: чим нижча температура, тим
вища L. Це означає, що чим нижча температура, тим більше FeO переходить у шлак. У цілому процес іде повільно і на розкиснення металу шва не має значного впливу.
8.14 Розкиснення металу кислотними та основними
шлаками
8.14.1 Розкиснення кислотними шлаками
Розкиснення кислотними шлаками засноване на зв’язуванні FeO кислотними оксидами у комплексні сполуки
. (8.49)
Активність цієї реакції залежить від:
1. Концентрації SіO 2, тобто чим вища концентрація, тим активніше відбувається утворення комплексних сполук. Однак збільшення концентрації SіO 2робить шлак більш довгим, густим, зменшує його активність, а також зменшує стабільність процесу зварювання. Рекомендують SіO 2заміняти повністю або частково на TіO 2. При цьому зберігається кислотність шлаку, але він стає більш коротким та рухомим.
2. Концентрації комплексної сполуки у шлаку. Необхідно постійно зменшувати кількість комплексних сполук у шлаку. Для цього використовують елементи, що утворюють основні оксиди
. (8.50)
При цьому зменшується кислотність шлаку.
8.14.2 Розкиснення основними шлаками
Основні шлаки мають погану здібність до дифузійного розкиснення тому, що невелика кількість кислотних оксидів (SіO 2, TіO 2 та інші) швидко зв’язуються у комплексні сполуки і тому шлаки втрачають свою здатність до розкиснення
. (8.51)
Для того, щоб основні шлаки виконували своє призначення вводять елементи розкиснювачі
. (8.52)
Чим більше оксиду розкиснювача переходить у шлак, тим менша спроможність шлаку до розкиснення. Для збереження цієї здібності обмежують кількість розкиснювача, або одночасно вводиться кілька розкиснювачів, що зв’язують виникаючий оксид розкиснювача в комплексне з’єднання, або зменшують концентрацію оксиду розкиснювача у шлаку шляхом введення у нього нейтральних домішок.
8.15 Легування металу шва
Легування металу шва необхідне для отримання заданих експлуатаційних властивостей. Для того, щоб процес легування протікав нормально необхідно:
1. Використовувати елементи розкиснювачі, які мають спорідненість до кисню більшу ніж легуючі елементи.
2. Разом з легуючими елементами у зварювальну ванну вводять оксиди легуючих елементів (у певній кількості), що дає можливість зменшити випалювання легуючих елементів.
Процес легування може протікати у шлаку, металі та газовій фазі. Легування крізь газову фазу вивчено мало і тому вважається, що цей вид
відіграє незначну роль. При легуванні крізь металеву фазу легуючі елементи вводять в електродний дріт. При легуванні крізь шлакову фазу легуючі елементи вносять крізь покриття електродів або флюс.
Процес легування може іти:
1. Шляхом безпосереднього розчину легуючого елементу в зварювальній ванні.
2. Завдяки обмінним реакціям.
Найбільш ефективно легування відбувається в процесі краплеутворення та визначну роль відіграє легування крізь металеву фазу.
8.16 Рафінування металу шва
При електродуговому зварюванні утворюються більш сприятливі умови, чим при плавленні сталі для одержання металу з більш низьким вмістом сірки та фосфору. Це можливо по таким причинам:
1. Температура металу та шлаку при дуговому зварюванні вища. Утворюються більш сприятливі умови для послаблення зв’язків у з’єднанні сірки, що полегшує її перехід у шлак.
2. При дуговому зварюванні відбувається інтенсивне перемішування металу та шлаку, що забезпечує більшу у 100 – 200 разів відносну вагу шлаку.
3. При дуговому зварюванні крізь флюс та покриття впроваджуються спеціальні домішки, які активізують процес рафінування.
В загальному випадку сірка та фосфор переходять у зварювальну ванну крізь краплі та розподіл їх у металі нерівномірний.
8.17 Очищення металу зварювальної ванни від сірки
Присутність сірки в металі шва веде до зниження механічних характеристик металу, сірка є причиною червоноламкості та появи гарячих тріщин. Сірка з залізом утворює сульфід FeS, температура плавлення якого 1195 °С, і який не розчиняється у металі зварювальної ванни. Може бути у вигляді евтектик або окремих фаз різноманітної форми та розмірів. Ці продукти розташовані між кристалами у вигляді міжкристалічних прошарків. Тут зароджуються гарячі тріщини. Чим більше у металі шва вуглецю та кремнію, тим більш негативний вплив сірки. Для зменшення вмісту сірки в зварювальній ванні використовується Mn, MnO, CaО.
Процес очищення металу від сірки іде за реакцією
. (8.53)
Марганець володіє великою активністю до сірки, концентрація марганцю додержується більше 0,5 – 0,6 %. Продуктом реакції (8.53) є тугоплавкий сульфід MnS, що переходить до шлаку. Чим менша температура, тим більше утворюється MnS. З пониженням температури падає реакційна спроможність у зоні зварювання. Використання Mn не дозволяє повністю очистити зварювальну ванну від сірки і реакцію (8.53) доповнюють реакцією
. (8.54)
Процес очищення металу від сірки іде ефективно, якщо 
=20-25. Окрім MnO та Mn використовують CaO
. (8.55)
Чим більша концентрація MnO, CaО та чим більша температура, тим активніше процес рафінування.
8.18 Очищення зварювальної ванни від фосфору
Фосфор є причиною синьоламкості, з залізом він утворює два фосфіди
, (8.56)
. (8.57)
Фосфор є сильноліквуючою домішкою.
Очищення зварювальної ванни від фосфору іде у два етапи:
1. Фосфор зв’язується в оксид P 2 O 5
. (8.58)
2. Р 2 О 5зв’язується у комплексну сполуку за допомогою основних оксидів
. (8.59)
Активність реакції (8.59) визначається:
1. Концентрацією FeO та CaO. Чим більша їх концентрація, тим
активніше іде очищення зварювальної ванни від фосфору.
2. Концентрацією комплексної сполуки, яку необхідно знижувати. Це проводиться шляхом розбавлення шлаку нейтральними домішками.
Чим нижча температура, тим активніше іде процес очищення. Для більш ефективного видалення фосфору використовуються основні шлаки.
Докладніше по п. 8 дивись [1, 13, 14].
9 Термодеформаційні процеси при зварюванні
9.1 Поняття про зварювальні напруги і деформації
та їх природа
Напруги і деформації в тілі виникають під впливом зовнішніх та внутрішніх факторів. Напруги, які виникають у тілі без впливу зовнішніх факторів мають назву власних внутрішніх напруг. Напруги та деформації, які виникають при зварюванні часто приводять до непрацездатності конструкції, що зварюється, особливо при наявності пор, шлакових включень, знакозмінних навантажень. Виникаючі деформації приводять до зміни форми, зменшенню міцності, жорсткості конструкції. Питання про вивчення термодеформаційного стану повинно завжди мати місце при проектуванні конструкцій, що зварюються, та технологічного процесу їх зварювання.
У середині тіла напруги можуть виникати у зв’язку з:
1) нерівномірною швидкістю нагріву та охолодження різних об’ємів тіла;
2) різницею температурних коефіцієнтів лінійного розширення тіл;
3) ливарною усадкою;
4) вторинними структурними перетвореннями.
Наприклад, при нерівномірному нагріванні об’єми, що нагріваються з більшими швидкостями, розширюються швидше. Розширюючись, ці об’єми зустрічають опір більш холодних об’ємів, у зв’язку з цим в них діють напруги стиску. При охолодженні буде проходити зворотній процес.
При ливарній усадці з невеликими об’ємами при охолодженні зварювальної ванни виникають напруги стиску у повздовжньому та поперечному напрямках.
Якщо при нагріві і охолодженні виникаючі напруги перевищують границю текучості, то в конструкції будуть виникати пластичні деформації.
Дуже часто при зварюванні виникаючі напруги настільки великі (за рахунок високих температур), що руйнування конструкції проходить під час зварювання (при невірно вибраному термодеформаційному циклі).
9.2 Класифікація зварювальних напруг та
деформацій
Зварювальні напруги поділяють на:
1) власні внутрішні;
2) тимчасові (перехідні) — виникають у конструкції, що зварюється, в період з моменту нагріву до повного охолодження тіла;
3) залишкові напруги — діють у конструкції, що зварюється, після її повного охолодження.
Напруги в залежності від величини об’єму, в яких вони діють класифікуються на:
1) напруги першого роду — діють в макрооб’ємах;
2) напруги другого роду — діють в межах 1–2 зерен;
3) напруги третього роду — діють в межах декількох чарунок кристалічної гратки.
Власні напруги в залежності від напрямку дії поділяються на:
1) одновісні напруги — що діють вздовж однієї вісі;
2) двовісні напруги — що діють в площині (для матеріалу середньої товщини);
3) тривісні напруги — що діють в напрямку трьох осей (при зварюванні великих товщин 40–60 мм та більше).
Крім того зварювальні напруги поділяються на:
а) повздовжні — діють вздовж вісі зварного шва;
б) поперечні — діють у поперечному перерізі зварного шва.
Зварювальні деформації поділяють на:
а) повздовжні (вздовж зварного шва);
б) поперечні (в поперечному перерізі зварного шва);
в) згинальні.
О
Зварювальні напруги поділяють ще на:
1) нормальні:
— повздовжні;
— поперечні;
— діють по товщині металу.
Їм відповідають лінійні деформації: 
, 
, 
.
2) дотичні:
— діють в площині ZOX;
— діють в площині ZOY;
— діють в площині XOY.
Їм відповідають деформації зсуву: 
, 
, 
.
Вільні деформації, які спостерігаємо при зварюванні, 
та 
у загальному вигляді визначаються, як
, (9.1)
, (9.2)
де 
— температурна деформація;
, 
— пружні деформації;
, 
— пластичні деформації.
, (9.3)
де 
— коефіцієнт лінійного розширення;
T — зміна температури тіла.
9.3 Особливості виникнення деформацій при зварюванні
та паянні матеріалів з різними фізико–хімічними
властивостями
Виникнення деформацій у цьому випадку в першу чергу пов’язане з різницею коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів, що з’єднуються. Оптимальний варіант — узгоджене з’єднання, тобто коли температурні коефіцієнти лінійного розширення (ТКЛР) для матеріалів, що з’єднуються, рівні. У всіх інших випадках з’єднання неузгоджене і при різниці ТКЛР в 2 і більше разів тимчасові і залишкові напруги такі великі, що з’єднання може руйнуватися.
Механізм виникнення залишкових напруг при зварюванні матеріалів з різними фізико–хімічними властивостями зображено на рисунку 9.2.
При 
в металі, після з’єднання, виникають напруги розтягу, а в неметалі напруги стиску (рисунок 9.3). При 
розподілення напруг буде протилежним. У більшості випадків неметал має значно меншу пластичність ніж метал, то при зварюванні метала з неметалом більша міцність з’єднання є випадок, коли , тому що будь–який матеріал на стиск працює краще ніж на розтяг.
 |
Види з’єднань, що найбільш часто зустрічаються, зображені на рисунку 9.4.
 |
Для зняття напруг в з’єднаннях метала з неметалом використовують прокладки з коефіцієнтом лінійного розширення в межах 
. Для зменшення залишкових напруг рекомендується після зварювання робити відпал.
9.4 Теплофізичні властивості в термодеформаційних
розрахунках
Величина та характер напруг при зварюванні залежить від зміни температури, термічних циклів. Тому необхідно визначати температурні поля у конструкціях, що зварюються. Їх можна визначити експериментально і розрахунковим шляхом.
Усі відомі розрахункові методи дійсні для температур не більше
1150 К. При розрахунку використовують наступні теплофізичні
характеристики:
1) температурний коефіцієнт лінійного розширення ×10–6 (К–1);
2) теплопровідність 
(Вт×см–1×К–1; Дж×см–1×с–1×град–1);
3) теплоємність вагова С р (Дж×г–1×град–1) та об’ємна
Сv (Дж×см–3×град–1).
. (9.4)
4) коефіцієнт температуропровідності a (см2×с–1).
В розрахункових методах використовують і інші коефіцієнти, які у більшості випадків дійсні тільки для конкретних методів.
9.5 Механічні характеристики в деформаційних
розрахунках
При розрахунках по визначенню зварювальних деформацій використовують наступні характеристики:
1) модуль пружності Е (кг×см–2);
2) коефіцієнт Пуассона 
;
3) модуль зсуву G (кг×см–2);
4) об’ємний модуль К (кг×см–2).
Для описання пружної деформації ідеального пружно–пластичного тіла використовуються Е та 
. В основі цього полягає закон Гука (9.5)
, (9.5)
де 
— величина відносної деформації;
— напруги, що діють в тілі.
Взаємозв’язок між К, Е, G та
, (9.6)
. (9.7)
При описанні пластичного етапу деформації використовується границя текучості 
.
 |
Границя текучості залежить від швидкості навантаження та температури (чим більша температура та швидкість навантаження, тим менша ). Для багатьох матеріалів (наклепаних, термічно зміцнених) на етапі нагрівання та охолодження вона має різну величину.
Для більшості реальних матеріалів визначають як умовну величину. Це величина напруг, яка відповідає залишковій пластичній деформації 0.2 %.
9.6 Дилатометричні криві
Для отримання залежностей величини деформації від температури використовуються спеціальні прилади — дилатометри. Можуть бути два види залежностей величини деформації від температури (рисунок 9.6), які використовуються для визначення коефіцієнта лінійного розширення (). Якщо дослідний температурний інтервал невеликий або у цьому інтервалі змінюється незначно, то використовують середнє значення 
. Якщо у температурному інтервалі змінюється значно (для матеріалів, у яких при нагріванні та охолодженні відбуваються структурні перетворення) використовувати 
не можливо і для кожної величини температури визначається відповідне значення .
 |
9.7 Термодеформаційний цикл
Термодеформаційний цикл — це зміна напруго–деформаційного стану тіла у взаємозв’язку з термічним циклом (рисунок 9.7) при зварюванні.
 |
Величина та характер напруг та деформацій буде залежати від:
1) форми та розмірів конструкцій, що зварюються;
2) режимів нагрівання та охолодження конструкцій;
3) теплофізичних властивостей матеріалів, що зварюються;
4) способу зварювання.
Температура у поперечному перерізі шва розподіляється нерівномірно, чим далі від вісі шва, тим менша температура (рисунок 9.8) та напруги.
|
Чим далі точка знаходиться від вісі зварного шва, тим нижча в ній максимальна температура і тим вона пізніше буде досягатися. На стадії нагрівання в області високих температур виникають напруги стиску. На стадії охолодження у цих зонах вони переходять в напруги розтягу.
Додатково дивись п. 9.13.3.
9.8 Теоретичні методи визначення зварювальних
напруг та деформацій
Існують наступні методи визначення зварювальних напруг та деформацій: графорозрахункові і методи, що використовують апарат теорії пружності та пластичності.
9.8.1 Графорозрахункові методи
Графорозрахункові методи використовуються для визначення повздовжніх напруг та деформацій при наплавленні валика на край штаби та при зварюванні вузьких пластин в стик. На практиці використовуються два методи: Ніколаєва та Окерблома.
По методу Ніколаєва розглядається переріз зварного шва, для якого виконуються аналітичні розрахунки та графічні побудови, які дають можливість визначити величину та характер зміни як тимчасових, так і залишкових напруг.
По методу Окерблома розглядається декілька перерізів, для кожного із яких виконуються ті ж операції, що й по методу Ніколаєва. Цей метод більш важкий, але точніший.
Вказані методи відносно прості, добре ілюструють механізм утворення напруг та деформацій, дозволяють визначити їх величину і використовуються для низьковуглецевих та аустенітних, що стійки до корозії, сталей. Для цих матеріалів розраховані та експериментальні залишкові напруги близькі до межу текучості. Але ці методи не рекомендують використовувати для алюмінію, титану, магнію та їх сплавів, тому що для цих матеріалів за експериментальними даними залишкові напруги менш межі текучості і не відповідають розрахованим.
При зварювані реальних конструкцій, де має місце складний напружений стан, рекомендують використовувати методи, які засновані на апараті теорії пружності та пластичності.
9.8.2 Методи, які засновані на апараті теорії пружності та
пластичності
При використанні апарату теорії пружності необхідно, щоб температура у інтервалі, що розглядається, не впливала на механічні характеристики, або сам температурний інтервал був достатньо малий. В основі всіх розрахунків полягає закон Гука (9.5).
У більшості випадків при зварюванні температури змінюються на значні величини. В таких випадках використовують апарат теорії пластичності. Широке використання знайшов принцип пружних рішень, у якому пластична задача розбивається на декілька пружних
взаємопов’язаних задач, які послідовно вирішуються, уточнюються з введенням допоміжних умов. Розрізняють методи:
1) метод допоміжних навантажень;
2) метод допоміжних переміщень (деформацій);
3) метод змінних параметрів пружності.
9.9 Експериментальні методи визначення зварювальних
напруг та деформацій
Зварювальні деформації та напруги визначають на реальних об’єктах, спеціальних зразках та моделях.
Широко використовується метод масштабного моделювання, по якому виробляється модель конструкції значно менших розмірів з витримкою подібності: форми, режимів зварювання, температурних полів, деформацій і переміщень. Цей метод використовується для моделювання одно– та багатопрохідного дугового і електрошлакового зварювання колових та прямолінійних швів.
9.10 Методи визначення тимчасових напруг
Використовується метод оптичного моделювання. Модель виробляється з оптичнопрозорого матеріалу (полікарбонат, епоксидні смоли). Виконують зварювання або нагрів з витримкою подібності теплових полів. Поверхню моделі освітлюють монохроматичним світлом, на який, у час виникнення тимчасових напруг, з’являються сірі та темні смуги. Ці смуги фіксуються і по ширині та характеру їх розподілення визначають тимчасові зварювальні напруги.
9.11 Визначення тимчасових деформацій
Тимчасові деформації можна визначати за допомогою контактних та безконтактних методів.
При використанні контактних методів до вимірювальної апаратури ставлять вимоги: нечутливість до високих температур і до електромагнітних полів.
Вимірювання проводять за допомогою деформометрів. В якості пристрою, що робить замір, використовують:
а) індикаторні головки;
б) дротові або пневматичні тензодатчики;
в) електроіндуктивні або ємнісні датчики.
Суть безконтактних методів полягає у тому, що перед зварюванням у високотемпературних областях наносять спеціальні позначки. В процесі зварювання за допомогою фотографічної апаратури фіксується зміна положення цих позначок. Заміряючи відстань між початковими та кінцевими положеннями позначок визначають величину деформації.
Отримані заміри є деформацією, що викликана від сумарної дії температури та внутрішніх сил
, (9.9)
де 
— температурні деформації;
— деформація від дії внутрішніх сил.
. (9.10)
Для визначення деформації від внутрішніх сил 
при зварюванні замірюють 
. На тій же базі фіксують температурний цикл, якій потім відтворюють в дилатометрі, де і визначають .
9.12 Методи визначення залишкових напруг та
деформацій
Існують механічні та фізичні методи визначення залишкових напруг та деформацій.
9.12.1 Механічні методи
В основі механічних методів лежить принцип пружного розвантаження об’єму матеріалу від діючих в ньому залишкових напруг шляхом розрізування.
При розрізуванні виникає деформація, яку заміряють механічними деформометрами, та використовуючи апарат теорії пружності розраховують залишкові напруги. Для виміру деформацій можна також використовувати електричні тензометри — це дротові та фольгові датчики опору, які в залежності від діючих напруг наклеюються на конструкцію залежним чином. Можуть використовуватися фотопружні датчики з оптичноактивного матеріалу.
Для виміру одновісного напруженого стану датчики наклеюються як зображено на рисунку 9.9, а. Для двовісного напруженого стану тензодатчики наклеюються як зображено на рисунку 9.9, б. Бази вимірюють з обох сторін пластини.
Для визначення залишкових симетричних трьохосних напруг в стержнях та товстостінних циліндрах використовується метод Закса, відповідно до якого визначається зміна діаметру при їх розточуванні. Для виміру напруг при трьохвісному напруженому стані в масивному тілі використовується метод глибоких свердлувань. Суть цього методу полягає в тому, що в невеликі за діаметром глибокі отвори вставляються стержні, на які попередньо наклеюються тензодатчики або розетки тензодатчиків, після чого отвори заливають епоксидним клеєм. Роблять заміри до розрізування зварної конструкції та після нього. Розрізування виконують на токарних або фрезерних верстатах.
9.12.2 Фізичні методи
Фізичні методи менш трудомісткі, не потребують у більшості випадків руйнування конструкцій і використовуються частіше для основного металу (у шві та біляшовній зоні дають велику помилку).
Суть цих методів полягає в тому, що всі вони засновані на виміру якого–небудь фізичного параметру до зварювання та після нього. Величина цього параметру залежить від наявності та величини напруг у матеріалі, що зварюється. По різниці замірів (
) визначають величину напруг.
, (9.11)
де Р 1— значення параметру до зварювання;
Р 2— значення параметру після зварювання.
Величина Р 2 визначається як
, (9.12)
де 
— зміна параметру від діючих залишкових напруг від
зварювання;
— зміна параметру від структурних та фазових перетворень,
які відбулися в металі шва при зварюванні.
У багатьох випадках важко визначити, що є вирішальним: чи .
Основні фізичні методи:
1. Магнітопружний метод — визначає зміну магнітної проникливості у матеріалі в результаті проведення процесу зварювання. Цей метод використовується тільки для матеріалів, які мають магнітні властивості.
2. Ультразвуковий метод — визначає зміну швидкості розповсюдження ультразвуку у матеріалі зварної конструкції. Це наймобільніший метод.
3. Рентгенівський метод — заснований на замірюванні параметру кристалічної гратки (відстань між кристалографічними площинами) до і після зварювання за допомогою кута відбиття рентгенівського променя. Використовується для тонких поверхневих шарів, трудомісткий, коштовний, небезпечний.
4. Метод замірювання твердості. Існує зв’язок між одно та двовісними напругами з поверхневою твердістю матеріалу. Згідно цього методу виміряють твердість до і після зварювання.
Структурні та фазові перетворення найчастіше проходять безпосередньо в зварному шві, тому фізичні методи дають меншу помилку в біляшовній зоні.
9.13 Типові поля залишкових напруг в зварних
конструкціях
9.13.1 Однопрохідне зварювання пластин в стик
Розподіл напруг в поперечному перерізі зварного шва
(рисунок 9.10).
 |
При нагріванні в металі шва виникає пластична деформація стиску. При охолодженні пластин має місце пластична деформація розтягу, але тому що деформація у першому випадку більша, то сумарна деформація являє собою деформацію скорочення, якій у металі шва та біляшовній зоні будуть відповідати напруги розтягу.
Така картина розподілу напруг має місце при зварюванні титанових сплавів та в загальному випадку при зварюванні матеріалів, у яких не відбувається структурних перетворень при Т < 600 °С, жорстких (тобто з товщиною більше 6 мм) або у тих, що зварюються у жорстких пристосуваннях, тобто в конструкціях, у яких не відбувається втрати стійкості. При зварюванні конструкцій з товщиною менше 6 мм розподіл залишкових нормальних напруг відображено на рисунку 9.11.
При зварюванні алюмінію та його сплавів залишкові напруги розподіляються у відповідності з рисунком 9.12.
Зниження 
у зоні шва пояснюється тим, що наклепаний алюміній в області високих температур відпалюється і величина напруг відповідає межі текучості алюмінію у відпаленому стані.
При зварюванні легованих сталей при Т < 600 °С відбуваються структурні зміни. Характер розподілу напруг у даному випадку відображає рисунок 9.13.
При зварюванні, на етапі охолодження конструкції, напруги, що розтягують, переходять у стискаючі (високотемпературна область), які можуть залишитися стискаючими після повного охолодження (лінія 1). У багатьох випадках стискаючі напруги при подальшому охолодженні можуть перейти у ті, що розтягають (лінія 2).
Розподіл напруг по вісі зварного шва. Характерним є зростання напруг на ділянках, прилеглих до країв пластини. Відстань Lх, де досягають стабільної величини, відрізняється для різних повздовжніх перерізів. Так, по вісі зварного шва та в зоні пластичної деформації розтягуючи напруги досягають стабільної величини на відстанях від краю рівних приблизно половині ширини пластини В (рисунок 9.14, а), а стискаючі по краю пластини (рисунок 9. 10, а) досягають стабільної величини на відстанях 
(рисунок 9.14, б).
 |
У пластині крім повздовжніх діють також поперечні напруги 
, характер розподілу яких визначається режимом зварювання, шириною пластини і характером її закріплення, тощо.
9.13.2 Розподіл залишкових напруг при багатопрохід-
ному зварюванні в стик
При багатопрохідному зварюванні виникають нормальні повздовжні напруги 
, поперечні та по товщині металу 
. При товщині металу менше 80 мм опір усадці матеріалу по товщині незначний. Тому 
.
При накладанні кожного чергового валика формування шва відбувається як і при однопрохідному зварюванню. При цьому нижчележачі шари незначно впливають на розподіл напруг у верхньому шарі.
Розподіл по вісі Z приблизно рівномірний (рисунок 9.16, б) і якісно подібний однопрохідному зварюванню.
Причиною формування поперечних є поперечна усадка накладеного валика і сильний вплив поперечної усадки наступних валиків. У зв’язку з цім розподілення по товщині характеризується нерівномірністю.
При накладанні кожного валика 
відбувається його поперечна усадка та в ньому виникають розтягуючи напруги. Нижче лежачі шари перешкоджають цьому і в них виникають стискаючі напруги. Якщо конструкція зварюється без жорстких пристосувань (діють кутові деформації), то поперечні напруги розподіляються у відповідності з лінією 2 (рисунок 9.16, в). Тобто в корені шва виникають поперечні напруги, що розтягують (лінія 2, ділянка 1 – 0). У центральній частині зварного шва
(лінія 2, ділянка 1 – 2) будуть виникати напруги, що стискають, а у верхній частині напруги, що розтягують.
Якщо конструкція зварюється в жорсткому пристосуванні, то не діють кутові деформації і у корені шва будуть поперечні напруги стиску, а у верхній частині зварного шва будуть напруги розтягу.
9.13.3 Розподіл тимчасових напруг та деформацій при
зварюванні
На рисунку 9.17 показано термічний цикл у т. А, у якій на етапі нагрівання виникають нормальні повздовжні та поперечні напруги стиску. По мірі зростання температури (ділянка t 0 – t 1) ці напруги зростають і досягають максимуму у точці t 1. Після проходження максимальної температури ці напруги переходять у ти, що розтягують, які зростають зі зменшенням температури. Окрім нормальних напруг виникають зсувні деформації та відповідні їм дотичні напруги, які на етапі нагрівання можуть мати значну величину, а на етапі охолодження вони незначні.
Додатково по п. 9 дивись [14].
10 Здатність металів до зварювання
10.1 Поняття про здатність металів до зварювання
Процес зварювання — це комплекс технологічних і фізико–хімічних процесів які протікають одночасно і забезпечують утворення зварного з’єднання заданих властивостей.
До таких процесів відносять:
— температурна дія на зону зварювання;
— розплавлення металу;
— металургійні процеси;
— дифузія;
— кристалізація;
— релаксація напруг;
— та інші.
Під здатністю металів до зварювання розуміють здатність конкретних матеріалів, що зварюються, при заданій технології зварювання, забезпечити весь комплекс фізико–хімічних процесів, що відповідають за утворення якісного зварного з’єднання.
Розрізняють фізичну та технологічну здатність металів до зварювання.
Під фізичною здатністю металів до зварювання розуміють здібність матеріалів, що зварюються, забезпечити протікання в повному обсязі фізико–хімічних процесів, що відповідають за утворення монолітного з’єднання.
Для отримання якісного зварного з’єднання не достатньо виконання умови фізичної здатності металів до зварювання, необхідно виконання і умови технологічної здатності металів до зварювання.
Під технологічною здатністю металів до зварювання розуміють відношення матеріалів, що зварюються, до способу зварювання, режиму, а у загальному випадку до технології зварювання.
У загальному випадку розрізняють наступні види здатності металів до зварювання:
— добра здатність металів до зварювання, якщо забезпечується зварне з’єднання з заданими властивостями при умові рівноміцності зварного шва та основного металу без додаткових технологічних засобів (підігрів, відпал, тощо);
— задовільна здатність металів до зварювання, коли умова рівноміцності забезпечується, але за допомогою додаткових засобів;
— погана здатність металів до зварювання, при якій утворення зварного з’єднання можливо за допомогою додаткових засобів, але міцність зварного шва буде нижче міцності основного металу;
— нездатність матеріалів утворити зварне з’єднання.
10.2 Оцінка технологічної здатності металів до
зварювання
При оцінці технологічної здатності металів до зварювання розглядаються наступні фактори:
— властивості зварювальних матеріалів та матеріалів, що зварюються;
— форма, розміри та призначення конструкції, що зварюється;
— розташування та умови роботи зварних швів;
— технологія зварювання.
Технологічна здатність металів до зварювання оцінюється по ряду факторів. Найбільш часто, в залежності від впливу того чи іншого фактору, які розглядаються по відношенню до технологічної здатності металів до зварювання, вибирають такі випробування:
— оцінка металу шва до стійкості проти виникнення гарячих тріщин;
— оцінка біляшовної зони до стійкості утворенню холодних тріщин;
— оцінка металу шва та біляшовної зони у сукупності з основним металом проти переходу у крихкий стан;
— перевірка службових характеристик зварного шва.
10.3 Вибір способу зварювання в залежності від
технологічної здатності до зварювання
При виборі способу зварювання необхідно враховувати:
— технологічні вимоги до зварювальних матеріалів та властивості матеріалів, що зварюються;
— товщину матеріалів, що зварюються;
— габарити та форму конструкцій, що зварюються;
— економічну ефективність.
Властивості матеріалів. Розглянемо декілька прикладів. При зварюванні хімічно-активних, тугоплавких матеріалів для зменшення поглинання газів зварним швом рекомендується проводити процес зварювання в вакуумі (дифузійне зварювання у вакуумі, електронно-променеве зварювання і т.п.).
При зварюванні хромонікелевих сталей рекомендується використовувати концентровані джерела нагріву, що забезпечують мінімальне знаходження металу шва та біляшовної зони в області температури де утворюються гарячі тріщини. Рекомендують використовувати ручне дугове зварювання, дугове зварювання під флюсом та у середовищі захисних газів, але не рекомендують використовувати газове зварювання, яке характеризується широкою зоною термічного впливу і тривалим перебуванням метала в області небезпечних температур.
При зварюванні титану, останній при температурах вище 400 °С активно поглинає із навколишнього середовища кисень та азот. Відбувається азотування та окиснення, різко знижується якість зварного шва. Рекомендують зварювання титану проводити у середовищі інертних газів, або використовувати дугове зварювання під шаром безкісневого флюсу (СаСl, NaCl, NaF).
Габарити та форма конструкцій, що зварюються. При зварюванні тонколистових конструкцій рекомендується використовувати м’які джерела нагріву, які дають можливість точно дозувати енергію на одиницю площини зварного шва (газове зварювання, точкове контактне зварювання, шовне контактне зварювання, дугове зварювання у середовищі захисних газів).
При зварюванні дуже тонких конструкцій рекомендують використовувати імпульсне електронно-променеве зварювання, ультразвукове зварювання, зварювання розрядом конденсатору, зварювання струмом високої частоти, дифузійне зварювання в вакуумі.
При зварюванні товстолистових конструкцій необхідно використовувати потужні джерела теплоти (автоматичне зварювання під шаром флюсу, а при товщинах більше 40 мм — електрошлакове зварювання).
Для крупногабаритних конструкцій з довжиною зварного шва більше одного метра рекомендують використовувати автоматичні способи зварювання та роликове електроконтактне зварювання. При довжині зварного шва менше одного метра рекомендують використовувати РДЗ, напівавтоматичні дугові способи зварювання, точкове контактне зварювання.
10.4 Принципи вибору зварювальних матеріалів
До зварювальних матеріалів відносяться: електродний дріт, електроди, гази, флюси, припої, тощо.
При виборі зварювальних матеріалів використовують критерії:
1) матеріали, що зварюються, повинні забезпечувати хімічний склад металу шва ідентичний основному металу;
2) забезпечувати мінімальне поглинання металом шва азоту, водню, продуктів реакції окиснення вуглецю, сірки та фосфору (чим більше сірки та фосфору, тим нижча технологічна міцність);
3) забезпечувати отримання заданих експлуатаційних властивостей;
4) забезпечувати отримання спеціальних властивостей шва та конструкції в цілому (стійкість проти спрацювання, корозійна стійкість та інше).
10.5 Принципи вибору раціональних режимів зварювання
Режими зварювання — це комплекс основних характеристик процесу зварювання, які забезпечують отримання зварного шва заданої якості, форми та розмірів.
Приклади режимів:
1. Ручне дугове зварювання — величини струму та напруги зварювання, рід струму, полярність, діаметр та кут нахилу електроду, тощо.
2. Напівавтоматичне дугове зварювання — величини зварювального струму та напруги, полярність, швидкість подачі дроту та газу, діаметр електродного дроту, тощо.
3. Автоматичне дугове зварювання — величина зварювального струму та напруги, рід струму, полярність, швидкість подачі дроту, газу та переміщення зварювальної головки, діаметр електродного дроту, тощо.
4. Електрошлакове зварювання — величина зварювального струму та напруги на шлаковій ванні, її глибина, швидкість переміщення шлакової ванни, кількість та діаметр дроту (електрошлакове зварювання дротом), а в загальному випадку розміри електродного матеріалу, тощо.
5. Дифузійне зварювання в вакуумі — швидкість нагрівання та охолодження виробу, величина вакууму, температура зварювання, величина питомого зусилля стиску, тривалість витримки при температурі зварювання, кінцева температура охолодження в вакуумній камері.
Принципи вибору раціональних режимів зварювання:
1. Ці режими повинні забезпечувати термічний цикл, при якому у зварному шві та біляшовній зоні будуть відсутні холодні та гарячі тріщини.
2. Одержання зварного шва заданої форми та розмірів. Для характеристики форми та розмірів зварювальної ванни та зварного шва вводять ряд параметрів.
, (10.1)
де 
— коефіцієнт форми зварювальної ванни.
, (10.2)
де 
— коефіцієнт форми проплавлення.
h — глибина проплавлення;
, (10.3)
де 
— коефіцієнт форми валика.
, (10.4)
де 
— коефіцієнт повноти валика;
Fн — площина поперечного перерізу металу, що наплавили.
При < 7 у зоні зварного шва виникає концентрація напруг.
10.6 Особливості здатності металів та сплавів до
зварювання
10.6.1 Особливості здатності до зварювання кольорових
металів
Кольорові метали поділяються на:
1. Легкі метали — алюміній, магній та їх сплави, які мають задовільну здатність до зварювання, а також берилій — який має погану
здатність до зварювання.
2. Тяжкі метали — мідь, нікель, благородні метали, які мають задовільну здатність до зварювання, а також цинк та свинець — погана здатність до зварювання.
3. Хімічно активні метали та метали з високою температурою
плавлення — титан, цирконій, гафній, ванадій, тантал, ніобій, які мають задовільну здатність до зварювання, а також вольфрам, молібден, хром — матеріали, які мають погану здатність до зварювання, у зв’язку з їх низькою пластичністю і великою схильністю до переходу в крихкий стан.
10.6.2 Особливості здатності до зварювання конструкційних
вуглецевих сталей
По вмісту вуглецю конструкційні вуглецеві сталі поділяються:
1) низьковуглецеві — вміст вуглецю від 0,1 до 0,25 %;
2) середньовуглецеві — вміст вуглецю від 0,26 до 0,45 %;
3) високовуглецеві — вміст вуглецю від 0,46 до 0,7 %.
Сталі, що відносяться до першої групи мають добру здатність до зварювання. Рівноміцність основного металу та металу шва забезпечується відносно легко, однак внаслідок вигорання вуглецю, його концентрація у металі шва може виявитися нижче, а ніж в основному металі. Це буде причиною зниження міцності зварного шва. Тому рекомендується використовувати дріт з підвищеним вмістом кремнію, марганцю та прискорене охолодження.
У сталей другої групи у зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю здатність до зварювання нижча, ніж у сталей першої групи. У цих сталей підвищена небезпечність виникнення гарячих та холодних тріщин. Тому рекомендується перед зварюванням робити підігрів, або використовувати повільне охолодження та після зварювання робити термообробку. Ці сталі мають задовільну здатність до зварювання.
Для сталей третьої групи рекомендується те, що й для сталей другої групи, але негативний вплив вуглецю на технологічну міцність більш сильний. Ці сталі мають погану здатність до зварювання.
10.6.3 Особливості здатності до зварювання легованих
сталей
По кількості легуючих елементів сталі поділяються на три групи:
1) низьколеговані (вміст кожного легуючого елемента не більше
2 %, а їх сума не більше 5 %);
2) середньолеговані (вміст кожного легуючого елемента не більше
5 %, а їх сума не більше 10 %);
3) високолеговані (вміст кожного легуючого елемента не менше
5 %, а їх сума не менше 10 %);
Низьколеговані низьковуглецеві сталі. Здатність до зварювання аналогічна здатності до зварювання низьковуглецевих конструкційних сталей, однак вони більше схильні до росту зерен, чутливі до швидкостей охолодження, як слідство більша імовірність виникнення тріщин.
Низьколеговані високоміцні сталі. Це термічно зміцненні сталі. Чим більше легуючих елементів у сталі, тим більша імовірність виникнення гарячих та холодних тріщин і тим нижча технологічна міцність. Вміст легуючих елементів веде до підвищення стійкості аустеніту, а це означає, що при великих швидкостях охолодження імовірно виникнення мартенситної структури, а в наслідок цього тріщин.
Низьколеговані жароміцні сталі. Мають підвищену міцність в області високих температур та стійкість до статичних навантажень. Рекомендується одержувати зварний шов по хімічному складу аналогічний основному металу, у протилежному випадку в області високих температур активно будуть розвиватися процеси дифузії, матеріал зони шва буде мати схильність до загартування та виникнення крихких структур. Здатність металів до зварювання цих сталей задовільна. Рекомендується перед зварюванням проводити підігрів, а також після зварювання проводити термообробку (відпуск та нормалізацію).
Низьколеговані середньовуглецеві сталі. Широко використовуються у машинобудуванні. У зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю для зварювання використовуються в термообробленому вигляді. Здатність цих сталей до зварювання гірша, ніж тих, що розглянуті вище.
Середньолеговані сталі. Здатність до зварювання гірша, ніж у всіх вище перерахованих, тому, що виявляється більша схильність до утворення холодних тріщин у зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю, водню, легуючих елементів. Також виявляється схильність до утворення гарячих тріщин в металі, у зв’язку з підвищеним вмістом вуглецю, сірки, легуючих елементів. В загальному випадку важко забезпечити рівноміцність основного металу та металу шва. Їх можна віднести до матеріалів, що мають погану здатність до зварювання.
Високолеговані сталі. У зв’язку з тим, що для цих сталей характерна низька теплопровідність, великий омічний опір, схильність до ливарної усадки, велике значення ТКЛР, тому при зварюванні має місце велика імовірність утворення крихких структур, пор, тріщин. Ці сталі відносяться до матеріалів, що мають погану здатність до зварювання.
Додатково по п. 10 дивись [1, 5, 11].
11 Кристалізація металу шва та технологічна міцність
11.1 Загальні положення теорії кристалізації
Перехід металу з рідкого стану в твердий має назву первинної кристалізації, а структура, яка утворюється, має назву первинної структури. Сучасна теорія кристалізації базується на зародковому механізмі кристалізації.
Відомо, що з двох фаз має розвиток та, у якій вільна енергія менша.
, (11.1)
де F — вільна енергія;
T — абсолютна температура;
S — ентропія (функція стану системи, яка характеризує напрямок
теплообміну).
Зміна вільної енергії рідкої та кристалічної фаз наведена на
рисунку 11.1.
Розвиток процесів у напрямку переходу рідкої фази в тверду можливо лише при Fкр < Fр. При невеликому переохолодженні DТ у металі утворюються центри кристалізації, від яких росте кристал. Кристалізація характеризується двома процесами:
1. Утворенням центрів кристалізації (характеризується кількістю
центрів кристалізації за одиницю часу в одиниці об’єму).
2. Лінійною швидкістю росту кристалів (рисунок 11.2).
При невеликому переохолодженні швидкість лінійного росту кристалів опереджає виникнення центрів кристалізації (ростуть великі кристали). При великому переохолодженні утворення центрів кристалізації випереджає лінійний ріст кристалів. Чим більше величина переохолодження, тим більше центрів кристалізації та більша лінійна швидкість росту кристалу (невелике зерно). Для отримання дрібнозернистої структури необхідно збільшити кількість центрів кристалізації. Це робиться шляхом введення в зварювальну ванну модифікаторів. В загальному випадку кристали ростуть у напрямку, перпендикулярному поверхні тепловідводу.
11.2 Особливості плавлення та кристалізації металу шва
Зварювальну ванну поділяють на дві зони:
1) передню (А, рисунок 11.3);
2) хвостову (Б, рисунок 11.3).
У передній зоні відбувається плавлення металу. Температура в цій зоні значно вища, ніж в хвостовій зоні, тому реакції між шлаковою, газовою та металевою фазами протікають в основному у цій зоні, яка має назву реакційної зони. У хвостовій зоні відбувається кристалізація металу шва та його формування.
Рідкий метал у першій та другій зонах знаходиться на різних рівнях, що пояснюється видуванням рідкого металу тиском електричної дуги в хвостову частину. Однаковість рівнів може забезпечуватись за рахунок однаковості тиску дуги та гідростатичного тиску рідкого металу та шлаку.
Форма та об’єм зварювальної ванни залежать від:
1) природи джерела живлення;
2) теплофізичних властивостей матеріалу, що зварюється;
3) режиму зварювання.
В загальному випадку розрізняють три види структури металу після кристалізації:
1. Гранулярну (рисунок 11.4, а);
2. Стовпчасту (рисунок 11.4, б);
3. Дендритну (рисунок 11.4, в).
Гранулярна структура має місце при повільному охолодженні та рівномірному розподілі по об’єму центрів кристалізації. Стовпчаста структура має місце при формуванні металу шва. Дендритна структура має місце при кристалізації злитку.
Кристалізація металу шва відрізняється від кристалізації злитку, тому що:
1. Зварювальна ванна знаходиться під одночасною дією джерела теплоти та охолоджуючої дії основного металу.
2. Об’єм зварювальної ванни по відношенню до холодного основного металу значно менший, швидкість охолодження зварювальної ванни більша.
3. Температура основного металу, контактуючого з ванною у різних зонах, не однакова.
4. Швидкість кристалізації металу зварювальної ванни визначається швидкістю пересування зварювальної головки, тобто швидкістю зварювання.
Процес росту стовпчастих кристалів у металі шва має ряд особливостей. Поверхня основного металу, що контактує з рідким металом зварювальної ванни геометрично неоднорідна. На першому етапі кристалізації кристали, що утворюються, ростуть перпендикулярно поверхні на локальних ділянках. Далі ростуть лише ті кристали, які зорієнтовані перпендикулярно до загальної поверхні тепловідводу.
Розрізняють три види стовпчастої структури металу шва.
На рисунку 11.6 показаний лускатий вид шва, що утворюється при дуговому зварюванні. Утворення такого шва можна уявити як послідовне надходження хвиль рідкого металу з хвостової частини та його послідуючої кристалізації.
Дата добавления: 2015-07-08; просмотров: 396 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| Дисоціація СО2. | | | Метод Жданівського металургійного інституту (ЖМІ). |