1. Основные определения, термины и классификация сварки конструкций. Механизм образования монолитного соединения.

1. Основные определения, термины и классификация сварки конструкций. Механизм образования монолитного соединения. Сваркой называется процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. Сущность сварки заключается в сближении элементарных частиц свариваемых частей настолько, чтобы между ними начали действовать межатомные связи, которые обеспечивают прочность соединения. Так как свариваемые поверхности неоднородны, имеют макро- и микронеровности, оксидные пленки, загрязнения, то для сварки необходимо приложить внешнюю энергию. В зависимости от вида энергии различают три класса сварки: термический, термомеханический и механический. 1. К термическому классу относят виды сварки, осуществляемой плавлением, т. е. местным расплавлением соединяемых частей с использованием тепловой энергии: дуговую, газовую, электрошлаковую, электронно-лучевую, плазменно-лучевую, термитную и др. Дуговая сварка — сварка плавлением, при которой нагрев осуществляют электрической дугой. Особым видом дуговой свар­ки является плазменная сварка, при которой нагрев осуществляют сжатой дугой. Газовая сварка - сварка плавлением, при которой кромки соединяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых на выходе горелки для газовой сварки. Электрошлаковая сварка — сварка плавлением, при которой для нагрева металла используют тепло, выделяющееся при прохождении электрического тока через расплавленный электропро­водный шлак. При электронно-лучевой сварке для нагрева соединяемых частей используют энергию электронного луча. Тепло выделяется за счет бомбардировки зоны сварки направленным электронным потоком. Местное расплавление соединяемых частей при лазерной сварке осуществляют энергией светового луча, полученного от оптического квантового генератора — лазера. При термитной сварке используют тепло, образующееся в результате сжигания термит-порошка, состоящего из смеси алюми­ния и окиси железа. 2. К термомеханическому классу относят виды сварки, при которых используют тепловую энергию и давление: контактную, диффузионную, газопрессовую, дугопрессовую и др. Основным видом термомеханического класса является контактная сварка — сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляют теплом, выделяемым при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части. Диффузионная сварка — сварка давлением, осуществляемая взаимной диффузией атомов контактирующих частей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и при незначительной пластической деформации. При прессовых видах сварки соединяемые части могут нагреваться пламенем газов, сжигаемых на выходе сварочной горелки (газопрессовая сварка), дугой (дугопрессовая сварка), электрошлаковым процессом (шлакопрессовая сварка), индукционный нагревом (индукционно-прессовая сварка), термитом (термитно- прессовая сварка) и т. п. 3.К механическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления: холодную, взрывом, ультразвуковую, трением и др. Холодная сварка — сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых частей. Сварка взрывом — сварка, при которой соединение осуществляется в результате вызванного взрывом соударения быстро движущихся частей. Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Сварка трением — сварка давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызываемым вращением свариваемых ча­стей друг относительно друга. Наплавка — это нанесение с помощью сварки слоя металла на поверхность изделия. Наплавочные работы выполняют для восстановления размеров изношенных деталей (ремонтная наплавка, восстановительная наплавка) и при изготовлении новых изделий наплавкой на их поверхность слоев металла с особыми свойствами, например с повышенной коррозионной стойкостью, износостойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью. Пайка – процесс соединения частей конструкции с помощью припая без расплавления соединяемых деталей. Автоматическая сварка – при этой сварке все операции выполняются механизмом. Термическая разделительная резка основана на способности металла сгорать в струе технически чистого кислорода и удалении продуктов сгорания из полости реза. В зависимости от источника тепла, применяемого для резки, различают: газовую резку, основанную на использовании тепла газового пламени; дуговую резку расплавлением с использованием тепла электрической дуги, обычно горящей между разрезаемым металлом и электродом; плазменно-дуговую резку (резку сжатой дугой) – особый вид дуговой резки, основанный на выплавлении металла из полости реза направленным потоком плазмы; воздушно-плазменную резку, отличающуюся от плазменно-дуговой использованием струи сжатого воздуха. Металл из полости реза в процессе термической резки удаляют: - термическим способом за счет расплавления и вытекания металла из полости реза; - химическим способом за счет окисления металла, его превращения в окислы и шлаки, которые также удаляют из полости реза; - механическим способом за счёт механического действия струи воздуха или газа, способствующей выталкиванию жидких и размягченных продуктов из полости реза. При газовой резке одновременно действуют все три способа, при дуговой, плазменно-дуговой и воздушно-плазменной резке действуют преимущественно термический и механический. Монолитные сварные и паянные соед-ия образуются за счет атомно-молекулярных связей м/у частицами соед-ых тел. Монолитность клеевых соед-ий обеспеч-ся за счет сил адгезии (сил сцепления), возникающих м/у клеем и молекулами поверхностных слоев, соед-ых телом. Монолитность клепанных соед-ий обеспеч-ся материалом заклепки. Силы атомно-молекулярного взаимод-ия явл-ются наиб. прочными, поэтому прочность сварного соед-ия приближается к прочности основного материала, это обуславливает широкое применение сварки при строит-ве т/п-ов,резервуаров и др.соор. 6.Механизмы образования и способы предотвращения появления горячих трещин. Горячими трещинами называются хрупкие межкристаллитные разрушения сварного шва или околошовной зоны, возникающие в области температурного интервала хрупкости в результате воздействия термодеформационного сварочного цикла. Горячие трещины чаще всего возникают в сплавах, обладающих выра­женным крупнокристаллическим строением, с повышенной ло­кальной концентрацией легкоплавких фаз. Согласно общеприня­тым представлениям, они возникают в том случае, если интен­сивность нарастания деформаций в металле сварного соединения в период остывания приводит к деформациям большим, чем его пластичность в данных температурных условиях. Способность сварного соединения воспринимать без разрушения деформации, вызванные термодеформационным циклом сварки, определяет уровень его технологической прочности. Горячие трещины возникают в сварном шве или зоне термического влияние сварного соед-ия при темп-ре 1200 – 1400 ^0С. При нахождении сварного шва в данном интервале темп-р происходит процесс кристаллизации, теоретически при темп-ре выше темп-ры ликвидуса сталь находится в жидком состоянии, а при темп-ре < темп-ры солидуса находится в твердом состоянии. В промежутке м/у темп-рами ликвидуса и солидуса сталь представляет собой двухфазную систему: твердые кристаллы в жидкости. Ликвидус - на фазовых диаграммах линия полного плавления твёрдых фаз. Схожее, но противоположное, понятие - солидус. Рассмотрим изменения прочности и пластичности стали при ее охлаждении от температуры ликвидус. Где Тл - температура ликвидус, ТВ.Г. – темп-ра верхней границы интервала хрупкости, Тс- темп-ра солидус, ТН.Г. – темп. ниж. границы интервала хрупкости. ТИХ – температурный интервал хрупкости – это область м/у ТН.Г. и ТВ.Г., в которой пластичность Метала резко падает. 1 стадия. Темп-ра: ТВ.Г.<Т<ТЛ. Сталь представляет собой систему кристалл в жидкость; Кристалл спокойно перемещается в жид-ти, не ограничивая способности к форме. Прочность и пластичность стали определяется свойствами жидкости, поэтому прочность низкая, она определяется силами поверхностного натяженя. 2 стадия. Т=ТВ.Г. Вследствие роста кристаллов металл представляет собой систему: жидкость среди кристаллов. Возможность перетекания жидкости м/у кристаллами падает, пластичность стали снижается, т.к. деформация возможна только при смятии кристаллов или их повороте, а прочность стали возрастает т.к. к силам поверхностного натяжения добавляются силы, препятствующие смятию, повороту и деформации кристаллов. ТВ.Г. – темп-ра верхней границы интервала хрупкости. 3 стадия. Т=ТН.Г<ТС Согласно диаграмме состояния Fe – С жидкости в стали при данной темп-ре быть не может. Однако учитывая наличие в стали легкоплавких примесей в стали (tплав-ия=900…1100 ^0С) этот факт становится объяснимым, факт наличия жидких прослоек м/у кристаллами объясним. Метал представляет собой систему: жидкость примесей м/у кристаллами. Прочность стали на этой стадии несколько повышается, а пластичность практически не меняется темп-ра ТН.Г. – темп. ниж. границы интервала хрупкости. ТИХ – температурный интервал хрупкости – это область м/у ТН.Г. и ТВ.Г., в которой пластичность Метала резко падает. 4 стадия. Т <ТН.Г. Сталь представляет твердое тело, прочность и пластичность резко возрастает. Действующие напряжения не концентрируются по жидким прослойкам, а распределены равномерно по всем кристаллам. При нагреве и охлаждении Метала, его размеры изменяются. Степень изменения размеров характ-ся коэфф. температурного расширения. Величина коэфф-та темп-го расширения зависти от температуры тела и скачкообразно меняется при фазовых и структурных превращениях, поэтому при переходе из жидкого состояния в твердое за счет резкого изменения (уменьшения) коэфф. темп. расширения, объем металла резко уменьшается, в результате на сварной шов начинает действовать усадочные (растягивающие) усилия. Возникающие при этом усадочные напряжения подвергают сварной шов упругопластическим деформациям. Если усадочное напряжение больше, чем прочность шва при данной темп-ре, то появляется хрупкое межкристаллическое разрушение по жидким прослойкам, кот-ое называется горячей трещиной. способы предотвращения появления горячих трещин На вероятность образования горячих трещин влияют 2 параметра: размер ТИХ и Пmin; чем больше ТИХ, тем выше вероятность образования трещин и наоборот. Чем больше Пmin, тем вероятность образования трещины ниже. Для снижения вероятности образования нужно снижать ТИХ и увеличивать Пmin. Способы уменьшения ТИХ: 1) Меньше содержание в сварном шве серы, фосфора и др. примесей, образующих легкоплавкие включения по границам зерен; 2) Повысить содержание в сварном шве марганца, который связывает серу и переводит ее в более тугоплавкое соединение. [tпл(Mn)>tпл (FeS)]. 3) Уменьшить содержание в сварном шве углерода, который усиливает вредное воздействие серы. Для повышения Пmin необх-мо: 1) Использовать технологию сварки и сварочные материалы, обеспечивающие наименьшее содержание в сварном шве легкоплавких примесей. 2) Оптимальный выбор глубины проплавления и ширина шва. 12 Автоматическая и механизированная сварка т/п в среде защитных газов. Сущность и особенности процесса. Расчеты основных параметров Механизированной (полуавтоматической) дуговой сваркой называется дуговая сварка, при которой подача плавящегося электрода или присадочного металла или относительное перемещение дуги и изделия выполняется с помощью механизмов. При механизированной сварке в качестве плавящегося электрода используется проволока сплошного сечения, порошковая и самозащитная порошковая проволока. В случае применения проволоки сплошного сечения или порошковой проволоки для защиты сварочной дуги и наплавленного металла применяются защитные газы. Защитный газ, обтекая зону дуги, защищает её от окружающей среды. При отсутствии специальных защитных мер химический состав и механические свойства наплавленного металла резко ухудшаются. Теплотой дуги расплавляется основной и металл сварочной проволоки. Расплавленный ме­талл сварочной ванны, кристаллизуясь, образует шов. Сварка в среде защитных газов согласно стандарту AWS А3.0 «Термины и определения» обозначается как GMAW – gas metal arc welding. В качестве защитных газов применяют инертные (аргон и ге­лий) газы. Данный вид сварки обозначается как MIG (metal inert gas). А также активные (углекислый газ, водород, кислород и азот) газы или их смеси (Ar + He, Ar + CO2, Ar + O2, CO2 + O2 и др.). Данный вид сварки обозначается как MAG (metal active gas). Выбор защитного газа зависит от свариваемого материала и применяемого электрода. В инертных газах (аргоне, гелии) и их смесях сваривают нержавеющие, жаропрочные и другие стали, цветные металлы (титан, никель, медь, алюминий). Инертные газы не взаимодействуют с расплавленным металлом и его окислами, они только защищают зону дуги и жидкую сварочную ванну от кислорода и азота воздуха. Сварка в инертных газах применяется в тех случаях, когда сварка другими методами дает худшие результаты или вообще не может быть использована.

2. Сварочная ванна. Основные типы сварочных ванн. Сварочной ванной называют слой расплавленного металла на поверхности свариваемых изделий, образующихся в процессе сварки. По глубине сварочные ванны подразделяются на глубокие и мелкие. Глубокие ванны образуются при сварке, когда электрод погружён в ванну. Мелкие ванны образуются на поверхности изделия, электрод не погружен в ванну Подвижные и неподвижные. Подвижные перемещающиеся в процессе сварки. Образуются в процессе протяжённых сварных швов. Неподвижные - образуются при сварке в локальной области, когда электрод практически находится на одном месте или движется по кругу. При контактной сварке. Протяженные и локальные. Протяжённые в процессе сварки образуют линию. Локальные в процессе сварки образуют скученность. Низкотемпературные, высокотемпературные. Открытые(незащищённые),закрытые(защищённые). Сварочные в нижнем, вертикальном и потолочном положение сварных швов. Перенос электродного металла в сварную ванну. Силы, действующее на капли металла в меж электродным промежутке. Формирование сварочной ванны происходит под действием силы тяжести расплавленного металла Рм давления источника теплоты (например, давления дуги) Рд и сил поверхностного натяжения Рп действующих на поверхности металла. Характер действия этих сил зависит от положения сварки. При сварке в нижнем положении при сквозном проплавлении жидкая ванна удерживается на весу силами поверхностного натяжения Pп, которые уравновешивают давление, оказываемоенаванну источником теплоты Рд, и силу тяжести (вес) жидкого металла Рм:Рд+Рм=Рп.Если сила тяжести расплавленного металла и сила давления источника теплоты превысят силы поверхностного натяжения, т. е. Рд + Рм > Рп, то произойдет разрыв поверхностного слоя в проплаве и жидкий металл вытечет из ванны, образуя прожог. При сварке в вертикальном положении процесс можно вести сверху вниз (на спуск) и снизу вверх (на подъем). В обоих случаях сила тяжести ванны направлена вниз по продольной оси шва. При сварке на спуск удержанию ванны от стекания способствуют давление дуги и силы поверхностного натяжения, при этом глубина провара уменьшается, а ширина шва увеличивается. При сварке на подъем ванна удерживается только силами поверхностного натяжения, при этом глубина провара увеличивается, а ширина шва уменьшается. При сварке в вертикальном положении для удержания ванны необходимо ограничивать тепловую мощность и размеры ванны. Выполнение швов в потолочном положении осложняется не только опасностью стекания ванны. Возникает необходимость переноса присадочного металла в ванну в направлении, противо­положном действию силы тяжести. При сварке в потолочном по­ложении ванна удерживается силами поверхностного натяжения и давлением дуги. Для удержания ванны в потолочном положении также необходимо ограничивать ее объем. Очень неблагоприятны усл. формирования шва при выполнении горизонтальных швов на вертикальной плоскости. Расплавлен. Ме ванны натекает на нижнюю свариваемую кромку, что приводит к формиров. несимметричного усиления шва, а также подрезов. При сварке горизонтальных швов предъявляются жесткие требования к сокращению размеров сварочной ванны.Сварной шов образуется в результате кристаллизации металла сварочной ванны. При сварке без дополнительного металла расплавляется только основной металл. Металл, предназначенный для введения в сварочную ванну в дополнение к расплавленному основному металлу, называется присадочным металлом. Расплавленные основной и присадочный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну. Границами сварочной ванны служат оплавленные участки основного металла и ранее образовавшегося шва. 7.Механизмы образования и способы предотвращения появления холодных трещин. Холодными трещинами называют трещины, возникающие в сварном шве или ЗТВ в результате структурных превращений в металле после его остывания. Носят межкристаллический, хрупкий характер. Механизм возникновения холодных трещин в соответствии с закалочной структуры следующий: аустенит при большой скорости охлаждения превращается в закалочные структуры (мартенит, бейкит); - превращение аустенита в мартенит сопровождается увеличение объема металла, значительным повышением прочности и резким снижением пластических свойств металла; - образующийся мартенит стремится к расширению, но встречая сопротивление окружающих слоев металла, оказывается сжатым; - между отдельными зонами сварного соединения возникают напряжения и деформации, которые при низкой пластичности металла этих зон могут быть причиной образования трещин; - выделение избыточного водорода в различных пустотах способствует образованию холодных трещин, так как молекулярный водород скапливаясь создает давление на металле. Холодные трещины являются дефектами сварного соединения из углеродистой и легированной сталей перлитного и мартенитного классов, склонные к закалке при нормальных условиях. Поэтому такие трещины называются закалочными. Холодные трещины, как правило, зарождаются по истечении некоторого времени после окончании сварки, а затем постепенно развиваются. В случае наличия больших напряжений в конструкции такие трещины при достижении критической величины развиваются мгновенно (катастрофически). Дефектоскопию проводят через сутки после сварки. Холодные трещины могут быть продольными и реже поперечные. Чаще возникают в ЗТВ, реже в металле шва (последующие слои шва нагревают предыдущие). Холодные трещины в ЗТВ называются откалами. Трещины проходящие по линии сплавления – отрывами. Существуют и другие разновидности холодных трещин. Методы предотвращения появления горячих и холодных трещин. Для повышения стойкости металла против горячих трещин и необходимо снизить темп его деформации в температурном интервале хрупкости или улучшить его пластические свойства в этом интервале температур. Для этого применяют жесткое закрепление свариваемых тонколистовых конструкций, сварку производят на пониженных скоростях, что повышает погонную энергию и снижает скорость охлаждения, применяют предварительный подогрев. Используют металлы, менее склонные к росту зерна при нагреве, вводят добавки титана; используют ультразвук и магнитные перемешивание металла сварочной ванны. Для предотвращения появления холодных трещин используют: предварительный, сопутствующий или выравнивающий подогрев с целью снижения скорости охлаждения предупреждения образования закалочных структур; повышения погонной энергии сварки; термообработку (отпуск) сварного соединения непосредственно после сварки; разработку порядка положения валиков шва; снижения содержания водорода в металле шва путем прокалки водорода, флюсов, тщательная очистка кромок изделий от ржавчины, масел; аустенитные сварочные материалы; присадочные материалы с возможно температурой кристаллизации.

3. Сварочная дуга. Основные типы сварочных дуг. Вольтамперная характеристика дуги. Механизм саморегулирования сварочной дуги. Условие устойчивого горения сварочной дуги. Электрическая сварочная дуга – мощный электрический разряд в сильно ионизораванной смеси газов и паров различных материалов, происходящий обычно при атмосферном давлении. Различают следующие основные группы сварочных дуг: - по виду воздействия на изделие – дуги прямого и косвенного действия; - по роду тока – дуги постоянного и переменного тока; - по типу электрода – дуги с плавящимся и неплавящимся электродами; - по наличию ограничений развития дугового разряда в пространстве- свободные и сжатые дуги; - по наличию препятствий для циркуляции газа в околодуговом пространстве; и возможности наблюдения за дуговым разрядом – открытие и закрытие дуги. В дугах прямого действия свариваемая деталь является одним из электродов, а в других косвенного действия дуга горит, между которыми находится сваримая деталь. В дугах с плавящимися электродами электрод т деталь расплавляются металл в общую сварочную ванну, а в дугах с неплавящимися электродами электрод является тугоплавким и не поставляет жидкий металл в сварочную ванну, хотя на торцах таких электродов и может появиться тонкая пленка жидкого металла. Для дуг постоянного тока характерны неизменность направления тока и, как правило, небольшие колебания его силы. В дугах переменного тока происходит непрерывное изменение направления и силы тока. Такие дуги угасают каждый раз при переходе тока через нуль и возбуждаются вновь при достижении между электродами необходимой для этой величины электродвижущей силы. Дуги считается свободными, если ее развитие в пространстве ограничено только естественными свойствами. При наличии искусственных ограничений дуга называется сжатой. Дуга считается открытой, если окало нее отсутствуют преграды (кроме самих электродов),задерживающие излучение дуги или препятствующие наблюдению за ней, исключающие или затрудняющие циркуляцию газа в околодуговом пространстве.В противном случае дуга считается закрытой. Примером закрытой дуги является дуга под слоем флюса. Зависимость напряжения U на сварочной дуге от тока I называется вольтамперной характеристикой сварочной дуги. Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги имеет вид U I Характеристика дуги называется статической, потому что получена при постоянной длине дуги и относительно медленном изменении тока, настолько медленном, что физико-химические процессы в дуговом пространстве, вызванные изменением тока, успевают стабилизироваться. Общее напряжение на дуге U равно сумме напряжений анодной, катодной области и столба дуги. U=U +U +U ; ВАХ делится на 3 зоны: 1 зона – падающая харак-ка дуги. С увелич-ем тока увелич-ся объем и степень ионизации столба дуги, проводимость дуги возрастает быстрее тока, в результате напряж-ие падает. 2 зона – пологая харак-ка дуги. При дальнейшем росте тока происходит увелич-ие сечения дуги, а рост зарядов происходит не так интенсивно, поэтому падение напряж-ия почти не меняется. 3 зона – возрастающая харак-ка дуги. При дальнейшем росте тока сеч-ие дуги становится недостаточным и ее сопротивл-ие возрастает быстрее, чем рост колич-ва заряженных частиц. В рез-те потребное напряж-ие увелич-ся. Обеспечение устойчивого горения дуги. Устойчивость горения сварочной дуги и стабилизация режима сварки зависит как от физических условий существования разряда, так и от свойств параметров источников питания. В устойчивом состоянии дуга горит в течение длительного времени при заданных значениях тока и напряжения. Процесс горения дуги считается устойчивым, если при определенном воздействии на него через некоторое время устанавливаются некоторые параметры, тока и напряжения, а после прекращения действия возмущения они приобретают первоначальные значения. Процесс саморегулирования сварочной дуги заключается в том, что при возрастании длины сварочной дуги сила сварочного тока уменьшается, т. к. уменьшается площадь поперечного сечения дуги, увеличивая ее сопротивление. При уменьшении сварочного тока уменьшается и количество выделяемого тепла, а, следовательно, и скорость плавления электродной проволоки, в результате чего, при неизменной подачи электродной проволоки, уменьшается длина дуги, а процесс сварки возвращается в исходное положение. При уменьшении длины дуги происходит обратный процесс. Процесс саморегуляции происходит, при условии, если коэффициент устойчивости сварочной дуги К >0; где: К = тангенс угла наклона касательной к статической характеристики сварочной дуги в точке горения; тангенс угла наклона касательной к статической характеристике источника питания в точке горения. Если статическая характеристика дуги падающая (); то для устойчивого горения сварочной дуги внешняя характеристика источника питания также должна быть падающей (), причем в точке пересечения вольтамперная характеристика дуги т.е. При возрастающей статической характеристикой дуги (), как это имеется при сварке дугой постоянного тока в среде защитных газов, допускается применение возрастающей внешней характеристики источника питания. 8) Напряжения и деформации, возникающие в процессе сварки в свариваемых телах. Сварочные напряжения – это напряжения возникающие в сварных изделиях и сварных швах в результате сварки. Сварочные напряжения бывают временными и остаточными. Временные напряжения существуют в процессе сварки на всех стадиях (нагрева, выравнивание температуры и охлаждения), они исчезают после охлаждения. Температурные напряжения, возникающие в процессе сварки, являются временными. Остаточными называются напряжения в сварных элементах (швах), остающиеся после охлаждения. Остаточные напряжения появляются в результате пластических деформаций фаз и структурных превращений металла. Сварочные напряжения, как временные, так и остаточные подразделяются в зависимости от объема их взаимного уравновешивания на напряжения первого рода, уравновешенные в объеме одного или нескольких зерен, напряжения третьего рода, уравновешенные в объеме кристаллической решетки. В зависимости от направления действия подразделяются на одноосные или линейные, действующие по одному направлению; двуосные или плоскостные, действующие по всем направлениям в плоскости; трехосные или объемные, действующие по всем направлениям в пространстве. Механизм образования остаточных температурных напряжений следующий: Рассмотрим пластину, по краю которой перемещается источник нагрева, создающий устойчивое температурное поле, с максимальной температурой в точке расположения источника. При этом в пластине возникает продольные сжимающие напряжения. Если максимальное значение напряжения не достигло текучести металла, то в пластине будут действовать только упругие напряжения и после остывания напряжения исчезнут, т. е. остаточные напряжения отсутствуют. Если напряжения достигли предела текучести то в максимальной точке нагрева произойдет пластическая деформация. После остывания в пластине останутся растягивающие остаточные напряжения. Разработаны следующие методы устранения остаточных сварочных напряжений: 1. Общий внешний отпуск в термических печах (Конструкцию нагревают до 650^оС и выдерживают в течении 3-4 ч., в зависимости от толщины элемента, после выдержки – охлаждение на воздухе) 2. Местный внешний отпуск в термических печах (переносными термическими печами нагревают только сварные швы). Недостатком является то что неравномерный нагрев изделия при местном отпуске вызывает свои остаточные напряжения. 3. метод обкатки (закл. в пропуске изделия между роликами с определенным усилием обжатия. Обжатию подвергается шов, околошовная зона или всё изделие). Возникновение остаточного напряжения можно предотвратить снижением степени неравномерности нагрева изделия. Поэтому следует выбирать режим сварки, обеспечивающей равномерный нагрев по поперечному сечению, а также поменять сопутствующий подогрев Сварочные деформации– это деформации возникающие в сварных изделиях и сварных швах в результате сварки. Основными причинами появления сварочных деформаций является неравномерный нагрев стали, превращение и упруго пластичное деформирование. Различают следующие составляющие деформаций: 1. Свободные – вызванные изменением температуры и структурными превращениями, рассчитываются по формуле Есв= αΔТ, где α-коэф. лин. расширения тела, ΔТ- изменение темп. тела 2. Упруго-пластичные деформации (внутренние, собственные деформации) – определяются как сумма упругих и пластических деформ.: Еуп + Епл. Наблюдаемые в процессе сварки деформации характеризующие изменение лин. и угловых размеров тела определяются как сумма свободных и собственных деформаций т. е. Ен =Есв+Еуп+Епл. Сварочные деформации и перемещения по аналогии с напряжениями могут быть временными и остаточными. В зависимости от вызываемых искажений форм и размеров конструкции различают следующие виды перемещений: укорочение, изгиб, потеря устойчивости, скручивание и др.. Эти (как правило, сложные) перемещения конструкции следует представить в виде суммарного проявления отдельных элементарных видов деформаций в зоне сварных соединений. Способы уменьшения сварочных деформаций. 1. Режим сварки должен обеспечивать мин. нагрев изделия. 2. Назначают такой порядок выполнения швов, чтобы деформации образующиеся после наложения первого шва компенсировалось обратной деформацией после наложения последующего шва. 3. При выполнении швов большой протяженности (больше 1 м.) используют обратно ступенчатый способ сварки. 4. Прокатка швов в процессе сварки 5. применение способа обратных деформ. Способ закл-тся в придании сварным элементам деформ. в сторону обратную ожидаемым. Величину и направление определяют опытным путем.

4. Основное допущение при тепловых расчетах сварочных процессов. Уравнение теплопроводности, используемое при тепловых расчетах сварочных процессов. Учет влияния границ тел при тепловых расчетах сварочных процессов. Передача тепла в общем случае осущестл-ся за счет теплопроводности. При неравномерном нагреве тепло от более нагретых участков передается менее нагретым согласно законам теплопроводности Фурье: где знак «-» -говорит о том, что тепло передается от более нагретых к менее; q- уд. тепловой поток(Вт/м^2×с), dQ- кол-во теплоты (Вт), dF- площадь сечения(единичная площадка), dT- промежуток времени, l- коэфф. теплопровод-ти(Вт/м×К). Градиент темп-ры - изменение темп-ры в рассм-ом направл-ии на длине бесконечно малого отрезка. Температурное поле – распределение темп-ры в теле в данный момент времени. Изотерма – геомет-ое место точек, имеющих одинаковую темп-ру. Нашей задачей явл-ся определение темп-ры в каждой точке тела в любой момент времени, для этого использ-ся дифф-ое ур-ие теплопроводности: r- плотность, с- уд. Теплоемкость(Дж/кг×К). Расчетные схемы нагреваемых тел и источников. Распростр-ие тепла существенно зависит от формы и размеров свариваемых деталей, кот-ые весьма разнообразны.Близость границ деталей к источнику тепла искажает тепловое поле, поэтому для упрощения тепловых расчетов разработаны след-щие схемы нагреваемых тел: Бесконечное тело- расчетная схема, применяемая, если границы деталей не влияют на распространение деталей в ней. Полубесконечное тело – деталь с одной плоскостью z = 0, влияющей на распространение тепла, остальные границы тела от источника от источника удалены и на распространение тепла не влияют: Бесконечная пластина – тело, ограниченное 2-мя плоскостями z=0 и z=d, причем темп-ра по толщине пластины постоянная: Полубесконечная пластина – деталь,ограниченная плоскостями z=0, z=d, y=0. Бесконечный стержень – тело с прямолинейной или криволинейной осью, темп-ра в прделах попереч-го сеч-ия кот-го одинакова, т.е. тепло распространяется только вдоль оси стержня: Для расчетов также использ-ся Расчетные схемы источников тепла, кот-ые классифиц-ся след-щим образом: 1-по распределенности источники бывают: точечный, линейный, плоский и объемный. Точечный источник - размеры его во всех направлениях пренебрежимо малы по сравнению с размерами нагреваемого тела. Линейные, плоские и объемные -источники, тепло кот-ых выделяется равномерно и одновременно по линии некоторой плоскости или некотором объеме соответственно. 2- По времени действия: мгновенные(t®0) и постоянно действующие источники тепла 3- По расположениюотносит-но исследуемой точки: неподвижный, подвижный, быстродвижущийся. Подвижный источник перемещается V=const. Быстродвижущийся источник- подвижный источник, перемещающийся с такой скоростью, что распространением тепла можно пренебречь. Для такого теплового расчета используют следующие принципы: 1-принцип наложения (или суперпозиции) состоит в том, что темп-ра в теле от различ-ых источников равна сумме темп-ур от действия каждого отдельного источника. Используя принцип наложения, источник тепла любых размеров можно представить как совокупность мгновенных точечных источников. 2- принцип местного сопротивления заключается в том, что темп-ое поле зависит от размеров и харак-ра распределения тепла источника только на расстоянии одного порядка. Используя принцип местного влияния электрич-ую дугу можно считать либо точечным, либо линейным источником в зависимости от расстояния м/у дугой и точкой, кот-ой определяется темп-ра. 9. Классификация технологических способов сварки ТП и конструкции, классификация. При сварке трубопроводов и конструкций используется эл.дуговая сварка, газовая сварка, полуавтоматическая в среде защитных газов, автоматическая под слоем флюса, эл.контактная сварка оплавлением и др. способы. Наибольший объем применения у ручной эл.дуговой сварки. Ее преимущества – мобильность, простота оборудования, возможность применения в любых пространственных положениях. Она применяется при сварке ТП при небольших объемах работ, сварке резервуаров, а также Ме конструкций. Газовая сварка получила примененение при при сварке ТП диаметром не более 80мм, применяемых во вспомогательных системах оборудования нефтеперекачивающих станций. Гаховая сварка используется при сварке цветных Ме. Полуавтоматическая сварка в среде защитного газа широлко используется при сварке стыков МТП. Ее реимуществами являются более высокая производительность, чем уручной сварки, дешевизна применяемых св. материалов. Автоматическая сварка под флюсом используется для укрупнения труб в секции на ТСБ, а также для изготовления рулонированных конструкций. Электроконтактная сварка оплавлением используется для сварки труб диаметром 300-1400 мм Эл.дуга горит между электродом и изделием. За счет давления газов дуги на поверхности изделия образуется углубление. Тепловым воздействием дуги приводят к плавлению электрода и изделия, расплавленный Ме которого перемешивается и образует общую св.ванну. На плавящемся торце электрода образуется втулка, которая направляет поток газов и капли плавящегося Ме в св.ванну. При отрыве от электрода капля Ме покрывается слоем шлака, образующегося в результате плавления обмазки. Попадая в св.ванну капли Ме проходят металургическую обработку (раскисление, рафинирование, легирование) под действием добавок, входящих в состав обмазки электрода. Газы, образующиеся при плавлении обмазки формируют газовую защиту в зоне сварки. На поверхности ванны постоянно находится слой шлака, предохраняющий ее от взаимодействия с окружающей средой. В процессе сварки сварщик поддерживает пост.длину дуги и перемещает электрод вдоль св.шва. Преимущества РЭДС - мобильность, простота оборудования, возможность применения в любых пространственных положениях, возможность сваривать любые Ме и получать св. соединение с заданными свойствами, универсальность. Недостатки – низкая производительность, влияние квалификации сварщика на качество шва. Основные типы сварных соединений. РЭДС выполняется в соответствии с ГОСТ 5264-80*, который определяет типы св.соединений, форму и размеры подготовки кромок, пределы толщины св.кромок. Согласно ГОСТ существует 4 основных типа св.соединений: - стыковое - угловое - тавровое - нахлесточное В зависимости от толщины св.кромок стыковые, угловые и тавровые могут выполняться без разделки или с разделкой кромок. Для стыковых разделки могут быть V-образные, U-образные, Х-образные и К-образные. В зависимости от расчетной схемы приложения нагрузок существует стыковой и угловой сварной шов. Стыковой шов расчитывается на растяжение, угловой – на срез. Швы бывают прерывистые и непрерывные. По кол-ву слоев шов может быть однослойный и многослойный. 10. Ручная дуговая сварка. Сущность и особенности процесса. Расчёты основных параметров. РДС явл. универсальным методом сварки, т.к. может выполнятся во всех пространственных положениях. В отличие от др. методов сварки РДС обладает наименьшей производительностью и зависит от квалификации сварщика. При сооружении ТП и РВС РДС применяется в тех случаях, когда использование автоматич. механизированной сварки затруднено из-за небольшой протяженности сварного шва или ограниченности пространства для расположения автоматич. установок. РДС явл.-ся осн. методом при ремонтных работах, при выполнении нестандартных и труднодоступных сварных швов. РДС выполняют прихватку свариваемых кромок труб и выполнение корневых швов. Для сварки кольцевых стыков МТП и ПТП разрешено применение Э. с целлюлозным покрытием и только для сварки неповоротных стыков Э. с основным покрытием разрешено применять для сварки поворотных и неповоротных стыков. РДС свариваются все вида сварных соединений: стыковые, угловые, нахлесточные, торцевые. Сварка швов, расположенных на плоскости, находящейся под углами от 0º до 60º называется сваркой в нижнем положении. Сварка швов от 60º до 120º в вертикальном положении и сварка на плоскости, расположенной от 120º до 180º потолочном положении При разработке технологии РДС выбирают след. параметры: 1.Вид подготовки кромки изделия (со скосом и без) 2. Тип Э. по прочности 3. Тип шва 4. Род и сила тока 5. Скорость сварки 6. Последовательность наложения швов. Тип Э. выбирают исходя из необходимости получения мех. св.-в металла шва, равным мех. св.-ам осн. металла при высокой производительности сварки. Э. с целлюлозным покрытием обладает наибольшей производительностью, они быстрее плавятся. Выбранный Э. должен обеспечивать требуемый провар внутренних кромок изделия. Выбранный Э. должен обеспечивать удержание металла от стекания во пространственных положениях и плавное очертание внешней поверхности валика шва. Сила сварочного тока: (dэ- Ø Э. или j – плотность тока; Fэ – площадь сечения Э. Расположение шва:0-60° - нижнее положение; 60-120° - вертикальное положение, умень. І на 15-30%, возможен непровар; 120-180° - потолочное положение, умень. І на 15-30%, возможен непровар; Наилучшими считаются швы в нижнем и вертикальном положении при сварке снизу-вверх.Чем больше поперечное колебание конца Э., тем больше ширина шва. Ширина валика без колебаний конца Э. ≈ Ø Э. Площадь поперечного сечения шва: Площадь поперечного сечения шва наплавленного за 1 проход: α – коэф. наплавки; Iсв – сварочный ток; υсв – скорость сварки; ρ – плотность металла;Число проходов: ∑Fн – общ. площадь сварного шва.

5. Понятие термического цикла при сварке, основные параметры термического цикла. Способы защиты сварочной ванны от действия окружающей среды. Сварочный термический цикл: Металл в любой зоне сварного соединения испы­тывает нагрев и последующее охлаждение. Изменение температуры металла во время сварки называется термическим циклом сварки. Максимальная температура нагрева в разных зонах соединений раз­лична: в шве максимальная температура превышает, в зоне сплавления — близка, в зоне термического влияния- меньше температуры плавления, постепенно уменьшаясь по мере удаления от шва. При нагреве в металле происходят следующие структурные и фазовые превращения: растворение фаз в металле в твердом состоянии, например, карбидов (соединений металла с углеродом) в нагретом металле; полиморфное превращение, т. е. превращение низкотемпера­турной модификации материала в высокотемпературную; плавление металла в участках, нагреваемых выше температу­ры плавления. При охлаждении структурные и фазовые превращения идут в обратном порядке: кристаллизация; полиморфное превращение, т. е. переход из высокотемпера­турной фазы в низкотемпературную; Кроме названных превращений, в металле в низкотемпера­турной области при сварке происходят структурные изменения, вызывающие разупрочнение основного металла: рекристаллиза­ция, старение и др. Рассмотрим термический цикл и структуру сварного соедине­ния при дуговой сварке низкоуглеродистой стали. На рис.1по­казано, как распределяется максимальная температура в сварном соединении при однопроходной сварке, схематичная структура разных зон соединения, из­менение температуры (термические циклы) в этих зонах и свойств металла. Каждый металл состоит из очень мелких зерен. Эти зерна можно видеть на изломе. Совокупность всех зерен металла назы­вается эгоструктурой. В металле различают макро- и микроструктуру. Макроструктура рассматривается невооруженным глазом и при небольших (до 10—15 раз) увеличениях. Структура металла, изучаемая при увеличениях более чем в 60—100 раз, называется микроструктурой. Рис. 1 Термический цикл сварного соединения низкоуглеродистой стали при однопроходной сварке На участке 1 металл, который находился в расплавленном со­стоянии, затвердевая, образует сварной шов, имеющий литую структуру из столбчатых кристаллов. Грубая столбчатая структура металла шва является неблагоприятной, так как снижает проч­ность и пластичность металла. Зона термического влияния имеет несколько структурных участков, различающихся формой и стро­ением зерна, вызванных различной температурой нагрева в пре­делах 1530 °С. Ширина участка 1 составляет примерно половину ширины шва.Участок неполного расплавления 2 — переходный от наплав­ленного металла к основному. На этом участке происходит образование соединения и проходит граница сплавления, он представля­ет собой очень узкую область (0,1—0,4 мм) основного металла, на­гретого до частичного оплавления зерен. Здесь наблюдается зна­чительный рост зерен, скопление примесей, поэтому этот участок обычно является наиболее слабым местом сварного соединения с пониженной прочностью и пластичностью. Температура участка составляет 1530 - 1470 °С. Участок перегрева 3 — область основного металла, нагревае­мого до температур 1470 — 1100 °С, в связи с чем металл отличается крупнозернистой структурой и пониженными механическими свойствами (пластичностью и ударной вязкостью). Эти свойства тем ниже, чем крупнее зерно и шире зона перегрева. Ширина уча­стка 3 составляет 3—4 мм. Участок нормализации 4 — область металла, нагреваемого до температур от 880 до 1100 °С. Металл этого участка обладает вы­сокими механическими свойствами, так как при нагреве и охлаж­дении на этом участке образуется мелкозернистая структура в ре­зультате перекристаллизации без перегрева. Ширина участка 4 составляет 0,2—0,4мм. Участок неполной перекристаллизации 5 — зона металла, на­греваемого при сварке до температур 720 — 880 °С. В связи с непол­ной перекристаллизацией, вызванной недостаточным временем и температурой нагрева, структура этого участка характеризуется смесью мелких перекристаллизовавшихся зерен и крупных зерен, которые не успели перекристаллизоваться. Металл этого участка имеет более низкие механические свойства, чем металл предыду­щего участка. Ширина его составляет 0,1 — 3 мм. Участок рекристаллизации 6 — область металла, нагреваемого в пределах температур от 510 до 720 °С. Если сталь перед сваркой испытала холодную деформацию (прокатку, ковку, штамповку), то на этом участке развиваются процессы рекристаллизации, при­водящие к росту зерна, огрублению структуры и, как следствие, к разупрочнению. Ширина участка 6 составляет 0,1—1,5 мм. Участок 7, нагреваемый в области температур 200—510 °С, яв­ляется зоной перехода от зоны термического влияния к основному металлу. В этой зоне могут протекать процессы старения из-за выпадения карбидов железа и нитридов, в связи с чем механиче­ские свойства металла этой зоны понижаются. Если металл перед сваркой был отожжен, то существенных изменений на участках 6 и 7 не происходит. Ширина зоны термического влияния зависит от толщины металла, вида и режимов сварки. При ручной дуговой сварке она составляет обычно 5—6 мм, при сварке под флюсом средних толщин — около 10 мм, при газовой сварке — до 25 мм. Сущ-ют след-щие основные способы защиты: 1-Газовая: в зону сварки подают защитный газ, кот-ый вытесняет из зоны сварки газы атмосферы. 2 типа основных защитных газов: 1) инертные (низкая хим. активность); 2) активные. Инертные защитные газы обладают низкой хим. активностью с Ме-ом сварного шва. Например: аргон и гелий (примен-ся в основном), крептон. Защита в этом случае обеспечивается путем вытеснения из зоны сварки газов атмосфер. Преимущества использования инертных газов явл. высокое качество сварного шва, а недостатком - дороговизна газа. Активные защитные газы. Например: углекислый газ (СО2) (наиб. широко), водород, азот, водяной пар. Сущность газовой активной защиты заключается в том, что активный газ попадает в зону сварки, вытесняя при этом газы атмосферы, но активный газ при нагревании разлагается. Например: 2СО2→2СО+О2 - Q. Негативное влияние кислорода, образующегося при диссоциации углекисл. газа СО2 при выс. температуре, компенсируется последующей металлургической обработкой сварного шва. Преимущество сварки в актив. газах: дешевизна, простота осуществления; Недостаток: низкое по сравнению со сваркой в инертных газах качество шва. 2-Шлаковая защита: заключается в том, что в зону сварки подают неметаллические материалы, имеющие низкую темп-ру плавления (500-800 ^0С) и поверхностно активные св-ва. Тепло, выделяемое при сварке расплавляет шлакообразующие в-ва, и они всплывая на поверх-ть сварочной ванны, образуют пленку, кот-ая предотвращает доступ к Ме-лу газов атмосферы. 3-Газо-шлаковая защита: реализуется при сварке, покрытыми электродами. Под действием тепла сварочной дуги, покрытие электрода разлагается, при этом образуются шлаки (обвалакивая капли расплавлавленного Ме-ла – шлаковая защита) и газы (формирующие газовую защиту). 4-Вакуумная защита: заключается в помещении зоны сварки в безвоздушное пространство. Однако, несмотря на все вышеперечисленные способы защиты, газы атмосферы все-таки попадают в Ме-ал шва. Кроме того, в свариваемом Ме-ле изначально могут находиться вредные примеси, кот-ые попадая в Ме-ал шва, могут снижать его характеристики, поэтому при сварке необходимо проводить металлургическую обработку Ме-ла шва. 11. Автоматическая сварка под слоем флюса. Расчет основных параметров сварочного процесса. Технология, оборудование. Автоматическая сварка основана на применении устройства, производящее зажигание сварочной дуги, подачу электродов и обеспечивающее устойчивое горение дуги. Данное устройство называется автоматической сварочной головкой или дуговым автоматом. Вместо отдельных коротких электродов, применяемых в процессе ручной сварки, при автоматической сварке используется электродная проволока большой длины, в мотках или бухтах, сматываемая механизмом автомата и подаваемая в зону дуги по мере её плавления. 1- проволока в катушке; 2- флюс, 3 свариваемая деталь, 4 свариваемый шов, 5 сварочная ванна, 6 газовый пузырь. Преимущества: - непрерывность процесса; - высокое качество. Сущность процесса: дуга горит под слоем сыпучего стеклообразного порошка – флюса, который под действием тепла дуги частично расплавляется. Газовый пузырь сформировавшейся под действием газов дуги, стенки, которые образуются расплавленным флюсом, полностью изолирует сварочную ванну от взаимодействия с газами атмосферы. Преимущества: повышается производительность сварки (по сравнению с ручной в 10-15 раз за счет повышения силы сварочного тока, непрерывной подачи проволоки, отсутствие перерыва при сварке); повышается чистота металлического шва и этим обуславливается более высокие физико-механические характеристики металлического шва. Недостатки: невозможность сварки во всех пространственных положениях что вызвано большим объемом сварочной ванны; громозкость оборудования. Основные виды сварочного соединения. Для АСПФ: Тавровое соединение представляет собой два листа, когда между ними образуется соединение в виде буквы «Т». Стыковые швы без разделки до S=25мм. Для полуавтоматической сварки под флюсом основные соединения: стыковое, тавровое, нахлесточное. Размеры подготовки кромок по ГОСТ 87.13-79. Расчет основных параметров сварочного процесса. Изменение режима сварки оказывает значит. влияние на форму и размеры швов. С увеличением сварочного тока возрастает количество тепла вводимого в изделие что ведет к увеличению объема сварочной ванны. Количество наплавленного электродного метала GH вычисляется по формуле GH=IαHt (1). Где αH- коэффициент наплавки, t – время, I – сварочный ток. Или GH=FρL (2) F- площадь L- длина. Подставляем (1) в (2) находим сварочный ток I=FНρVсв/α, Vсв= L/t – скорость сварки. С увеличением сварочного тока возрастает давление дуги на сварочную ванну. Расплавленный метал оттесняется из под электрода и сварочная дуга углубляется в основание металла, сто приводит к увеличению глубины проплавления Н, которая определяется по формуле: Н=к Iсв, к – коэффициент пропорциональности. Ширина шва практически не изменяется при этом ее можно найти по формуле в=Fпр/μпрН Fпр- площадь проплавления основного мет. μпр- коэф. полноты проплавения =0,6…0,8. Сварочные материалы, используемые при АСПФ. Основным сварочным материалом является сварочная проволока и флюс. Для сварки МТП и резервуаров из углеродистой и низколегированных сталей используют стальную холоднотянутую сварочную проволоку по ГОСТ 22.46 – 70: СВ – 08, СВ – 08Г, СВ-08ГА, СВ-10ГА: 08-10 содержание углерода, А – содержание S и P не более 0,03%: Г- марганец. Используют проволоку от 2 до 4 мм (с градацией через 0,2мм). Поверхность проволоки должна быть обмеднена с целью снижения контактного сопротивления. Проволока поставляется свернутой в бухты по 20кг. Функции флюса: 1 осуществление защиты мет сварочной ванны от газов атмосферы 2 стабилизация горящей дуги 3 раскисление, легирование и рафинирование мет шва. Технология автоматической сварки под флюсом. Для стыков МПТ при АСПФ используются следующие разделки кромок Существует два варианта технологии: 1. односторонняя многопроходная сварка под флюсом, 2. двухсторонняя АСПФ. Двухсторонняя АСПФ осуществляется на ТСБ типа БТС в следующей последовательности: 1 подготовка кромок: 1 станками типа СПК кромка с разделкой под ручную сварку превращается в кромку под АСПФ. 2 подготовленные трубы подаются на линию сварки корневого слоя, где трубы центруются на внутреннем центраторе без зазора. 3 наложение двух прихваток длинной 150-200 мм через 90-150^о: 4. сварка корневого шва АСПФ производится на режиме dЭ=3,2мм, IСВ=700-800А, UД=44-46В VСВ=34-45м/ч. Смещение электрода с зенита 40-50мм.

Дата добавления: 2015-08-29