close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

351.Болдырев А.М. Сварка в строительстве технология сварочных работ и оборудование

код для вставкиСкачать
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
А. М. БОЛДЫРЕВ, В. В. ГРИГОРАШ
СВАРКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ:
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНЫХ РАБОТ
И ОБОРУДОВАНИЕ
Курс лекций
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся
по направлениям «Строительство», «Транспортное строительство»,
«Автоматизированные технологии и производства»
Воронеж 2009
1
УДК 621.791:69(075.8)
ББК 38.634я73
Б 791
Рецензенты:
кафедра оборудования и технологии сварочного производства
Воронежского государственного технического университета:
И.И. Иванов, д-р техн. наук, профессор кафедры сварки
Воронежского государственного университета;
Б 791
Болдырев, А. М.
Сварка в строительстве: технология сварочных работ и оборудование:
курс лекций / А.М. Болдырев, В.В. Григораш; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. Воронеж, 2009. — 114 с.
ISBN 978-59040-208-0
В курсе лекций изложена технология сварочных работ в строительстве. Описываются физические основы сварки металлов; физические процессы, происходящие в сварочной дуге; тепловые процессы при сварке плавлением; строение
сварного соединения и т.д. Дается понятие физической и технологической сущности процесса сварки, приводится механизм возникновения сварочных напряжений
и способы их уменьшения.
Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по направлениям
«Строительство», «Транспортное строительство», «Автоматизированные технологии и производства» и может использоваться для специальной подготовки ИТР,
аттестуемых на право руководства сварочными работами на объектах подконтрольных Ростехнадзору.
Ил.91..Табл. 13.
УДК 621.791:69(075.8)
ББК 38.634я73
ISBN 978-59040-208-0
© Болдырев А.М., Григораш В.В.,2009
© Воронежский государственный
архитектурно-строительный ун-т, 2009
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………….5
Лекция 1. Строительные металлические конструкции.................................... 6
1.1. Металлические конструкции — особый вид
строительных конструкций................................................................................. 6
1.2. Классификация металлоконструкций
по конструктивным формам и назначению....................................................... 7
1.3. Достоинства строительных металлических конструкций ............................... 8
1.4. Недостатки металлических конструкций .......................................................... 9
1.5. Способы соединения деталей и узлов
в строительных металлоконструкциях ............................................................ 11
Контрольные вопросы .............................................................................................. 12
Лекция 2. Физические основы сварки металлов.............................................. 13
2.1. Образование соединений при сварке металлов .............................................. 13
2.1.1. Металлические связи ........................................................................................13
2.1.2. Факторы, препятствующие образованию сварного соединения
металлов в реальных условиях.........................................................................14
2.1.3. Классификация способов сварки .....................................................................16
2.2. Электродуговая сварка ...................................................................................... 17
2.3. Виды сварочных дуг .......................................................................................... 18
2.3.1. Дуги прямого и косвенного действия ..............................................................18
2.3.2. Сварка дугой прямого действия
неплавящимся и плавящимся электродами....................................................19
2.4. Способы дуговой сварки плавящимся электродом ........................................ 20
Контрольные вопросы .............................................................................................. 23
Лекция 3. Физические процессы в сварочной дуге.......................................... 24
3.1. Эмиссия электронов .......................................................................................... 24
3.2. Ионизация газовых молекул и атомов............................................................. 26
3.3. Строение электрической дуги.
Вольтамперная характеристика дуги............................................................... 29
3.4. Особенности горения дуги на переменном поле ............................................ 32
3.5. Температура в сварочной дуге ......................................................................... 34
3.6. Энергетические характеристики сварочной дуги.
Общие требования к сварочным источникам тепла....................................... 35
3.7. Мощность дуги. Коэффициент полезного действия
источника сварочного тепла ............................................................................. 36
3.8. Силовое воздействие дуги на сварочную ванну.
Влияние магнитных полей на сварочную дугу............................................... 38
Контрольные вопросы .............................................................................................. 39
Лекция 4. Тепловые процессы при сварке плавлением.
Образование сварного соединения. Строение сварного соединения . 40
4.1. Тепловые процессы при сварке плавлением................................................... 40
4.2. Сварочная ванна................................................................................................. 42
К р и с т а л л и з а ц и я с в а р о ч н о й в а н н ы ...................................................................44
4.3. Формирование сварного соединения ............................................................... 45
4.4. Строение сварного соединения ........................................................................ 46
3
Контрольные вопросы.............................................................................................. 52
Лекция 5. Сварочные напряжения и деформации ........................................... 53
5.1. Механизм возникновения собственных напряжений
при нагреве и охлаждении металла ................................................................. 54
5.2. Возникновение напряжений в сварном соединении ...................................... 56
Контрольные вопросы.............................................................................................. 59
Лекция 6. Способы уменьшения остаточных
напряжений и деформаций в сварных конструкциях........................... 60
6.1. Принципы уменьшения и устранения
сварочных напряжений и деформаций............................................................ 60
6.2. Уменьшение остаточных напряжений ............................................................ 62
6.2.1. Снижение сварочных напряжений
в процессе изготовления конструкций........................................................... 62
П о р я д о к н а л о ж е н и я ш в о в и н а п р а в л е н и е с в а р к и ..................................63
6.2.2. Уменьшение сварочных напряжений в готовых узлах и конструкция ....... 67
Т е р м и ч е с к и е с п о с о б ы ................................................................................................67
М е х а н и ч е с к и е м е т о д ы у м е н ь ш е н и я о с т а т о ч н ы х н а п р я ж е н и й ......69
6.3. Способы уменьшения сварочных деформаций и перемещений................... 70
6.3.1. Виды сварочных деформаций.......................................................................... 70
6.3.2. Уменьшение сварочных деформаций.............................................................. 71
И с п р а в л е н и е д е ф о р м и р о в а н н ы х с в а р н ы х и з д е л и й ...............................74
Контрольные вопросы.............................................................................................. 76
Лекция 7. Металлургические процессы при сварке плавлением ................. 77
7.1. Общая характеристика металлургических процессов
при сварке плавлением...................................................................................... 77
7.2. Взаимодействие металла с кислородом при сварке плавлением.................. 76
7.2.1. Окисление металла свободным кислородом газовой фазы.......................... 80
7.2.2. Окисление металла поверхностными оксидами ........................................... 83
7.2.3. Окисление металла оксидами,
находящимися в шлаке и растворимыми в металле .................................... 84
7.2.4. Окисление шлаками, химически активными по кислороду .......................... 85
7.3. Взаимодействие металла с азотом и водородом
при сварке плавлением...................................................................................... 88
7.4. Взаимодействие металла при сварке со сложными газами,
содержащими кислород .................................................................................... 92
Контрольные вопросы.............................................................................................. 94
Лекция 8. Дефекты сварных соединений ........................................................... 95
8.1. Наружные дефекты............................................................................................ 95
8.2. Внутренние дефекты ....................................................................................... 101
Р е г у л и р о в а н и е т е м п а д е ф о р м а ц и и .................................................................107
Х о л о д н ы е т р е щ и н ы ...................................................................................................109
П о р ы и н е м е т а л л и ч е с к и е в к л ю ч е н и я ...........................................................110
О г р а н и ч е н и е с о д е р ж а н и я а з о т а и в о д о р о д а в м е т а л л е ш в а ........112
Контрольные вопросы........................................................................................... .113
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………113
4
ВВЕДЕНИЕ
Строительство – одна из важнейших отраслей материального производства, от которых зависит наращивание производственного потенциала государства.
В современном строительстве, наряду с монолитным и сборным железобетоном, в качестве конструкционного материала широко используются металлы и их сплавы. Они незаменимы при строительстве легких конструкций, несущих элементов промышленных зданий, мостов, резервуаров, опор линий
электропередач, радиомачт и телевизионных башен, магистральных трубопроводов, технологического оборудования заводов различного профиля, для армирования железобетонных конструкций. Изготовление и монтаж металлических
конструкций предполагает выполнение большого количества неразъемных соединений, выполняемых сваркой.
Таким образом, сварка является ведущим технологическим процессом,
определяющим качество и эксплуатационную надежность металлических
строительных конструкций. Организация технологических процессов сварки
требует глубокого понимания физической и технологической сущности процесса сварки, природы возникновения таких сопутствующих явлений, как образование сварочных дефектов, напряжений и деформаций и т.д.
В предлагаемом конспекте, содержащем 8 лекций, рассмотрены конструктивные и технологические особенности металлических конструкций, их
достоинства и недостатки; физические основы сварки металлов; классификация
и способы электродуговой сварки; физические процессы в сварочной дуге; тепловые процессы при сварке плавлением; закономерности кристаллизации сварочной ванны, формирование и строение сварного соединения; механизмы возникновения сварочных напряжений и деформаций и способы их предотвращения и исправления; металлургические процессы при сварке плавлением; дефекты сварных соединений.
Курс лекций предназначен для студентов, обучающихся по направлениям
«Строительство», «Транспортное строительство», «Автоматизированные технологии и производства» и может использоваться при специальной подготовке
инженерно-технических работников, аттестуемых на право руководства сварочными работами на объектах, подконтрольных Ростехнадзору.
5
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
ЛЕКЦИЯ 1
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
1.1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ — ОСОБЫЙ ВИД
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Строительная отрасль является одной из самых материалоемких отраслей
экономики.
Затраты на материалы в строительстве составляют более половины общей
стоимости строительно-монтажных работ (СМР). И хотя в современном строительстве в большом объеме применяется сборный и монолитный железобетон,
без металлических конструкций в настоящее время не строится ни одно здание,
ни одно инженерное сооружение.
Потребность в строительных металлических конструкциях чрезвычайно
велика и ежегодно возрастает благодаря преимуществу металла по сравнению с
другими конструкционными материалами.
Поэтому современный инженер-строитель должен иметь представления о
структуре и свойствах металла, из которого изготавливаются металлические
конструкции, о технологии изготовления и особенностях работы этих конструкций в эксплуатационных условиях.
Металлические конструкции незаменимы там, где необходимы пролеты
большой протяженности, большая высота помещения, значительные нагрузки.
Несмотря на большое разнообразие конструктивных форм, все металлические конструкции объединены двумя основными факторами, позволяющими
изучать металлоконструкции как единый вид.
Во-первых, исходным материалом всех строительных металлоконструкций
является прокатный металл, выпускаемый по единому стандарту или сертификату (лист, уголок, швеллер, двутавр, труба и т. п.).
Это обеспечивает постоянство физических и химических свойств исходного материала, а следовательно, и постоянство прочностных его свойств и высокую точность расчетов конструкции на прочность и деформации при различных
нагрузках.
Во-вторых, все металлоконструкции объединены общим технологическим
процессом, в основе которого лежат два этапа изготовления:
а) заготовительные операции (сюда относятся раскрой и резка листового и
профильного металла, гибка, пробивка или сверление отверстий, очистка металла, подготовка кромок под сварку и т. п.);
б) сборочные операции — соединение отдельных деталей в конструктивные элементы и комплексы (сборочно-клепаные или сборочно-сварочные и
другие сборочные операции).
6
ЛЕКЦИЯ 1
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ
ПО КОНСТРУКТИВНЫМ ФОРМАМ И НАЗНАЧЕНИЮ
Металлические конструкции по назначению и виду их конструктивных
форм можно разделить на восемь групп.
1. Промышленные здания с цельнометаллическими или смешанными каркасами. Цельнометаллические каркасы применяются в зданиях с большими
пролетами, высотами и оборудованных кранами большой грузоподъемности. В
смешанных каркасах колонны изготавливают из железобетона, а на них монтируют металлические конструкции покрытия здания («шатер») и устанавливают
подкрановые пути. Каркасы промышленных зданий являются наиболее сложными, ответственными и металлоемкими конструкциями.
2. Большепролетные покрытия применяют для зданий общественного назначения (спортивные сооружения, рынки, выставочные павильоны, цирки, театры и т. п.), а также для специальных зданий промышленного назначения (самолетные ангары, авиасборочные цехи, лаборатории для испытания крупногабаритных объектов и т. п.). Эти здания имеют пролеты длиной 100 и более метров, перекрывать которые наиболее целесообразно металлическими конструкциями (балочными, рамными, арочными, висячими и др.).
3. Мосты и эстакады. Мостовые металлические конструкции применяют
на железнодорожных и автомобильных магистралях. В этих сооружениях также
применяют разнообразные системы — балочные, арочные, висячие и комбинированные.
4. Листовые металлические конструкции — сюда относятся резервуары
для различных жидких и сухих веществ, трубопроводы большого диаметра
(500—2000 мм), сооружения доменного комплекса, химического производства
и нефтепереработки.
Листовые конструкции являются тонкостенными оболочками и должны
быть не только прочными, но и герметичными, непроницаемыми для жидкостей или газов. Они часто эксплуатируются в условиях низких или высоких
температур, в химически агрессивных средах. Этим условиям работы хорошо
удовлетворяют такие металлы, как сталь, алюминиевые и титановые сплавы.
5. Башни и мачты. Эти металлоконструкции применяются для радиосвязи,
телевидения, для опор линий электропередач. К этой группе металлоконструкций можно также отнести надшахтные копры, нефтяные вышки, дымовые и
вентиляционные трубы и т. п.
6. Каркасы многоэтажных зданий применяют в гражданском строительстве в условиях плотной застройки городов, а также для некоторых промышленных зданий (например, многоэтажных автогаражей).
7. Крановые и другие подвижные конструкции. К ним относятся металлические конструкции мостовых, башенных, козловых кранов и крановперегружателей, конструкции крупных экскаваторов, разнообразных строительных машин, затворы и ворота гидротехнических сооружений.
7
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
8. Металлические конструкции специального назначения — атомные электростанции, радиотелескопы, лыжные трамплины и др.
1.3. ДОСТОИНСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Широкое применение металлических конструкций в практике сооружения
различных объектов объясняется следующими их достоинствами:
1. Высокая надежность металлических конструкций, которая обеспечивается высоким сходством их действительной работы с расчетными предположениями. То есть заложенные в расчеты схемы распределения напряжений и деформаций (разумеется, если эти схемы составлены грамотно, с использованием
вычислительной техники и современных положений строительной механики), с
высокой вероятностью совпадают с реальным распределением напряжений и
деформаций в металлоконструкциях. Это, как уже упоминалось, объясняется
тем, что, в отличие от других строительных материалов, металл обладает большой однородностью структуры, постоянством химического состава и механических свойств независимо от времени и места его производства, достаточно близко соответствует расчетным представлениям о его упругой или упругопластической работе. Например, свойства бетона зависят от более чем 60-ти различных
факторов (месторождение входящих в состав бетона ингредиентов, размер их зерен, погодные условия при изготовлении и твердении и др.). Поэтому свойства
бетона колеблются в большом диапазоне, что заставляет проектировщиков закладывать в расчетах более высокие значения коэффициентов безопасности.
2. Высокая эффективность использования металла в строительных конструкциях. Из всех изготавливаемых в настоящее время несущих строительных
конструкций (железобетонные, каменные, деревянные) металлические конструкции при одинаковой несущей способности являются наиболее легкими.
Для оценки эффективности конструкционных строительных материалов
используют так называемый коэффициент конструктивного качества К, который определяется путем деления средней плотности материала (удельного веса
металла) — ρ на расчетное сопротивление материала R.
K=
ρ
⎡⎣ м −1 ⎤⎦ .
R
Чем меньше величина коэффициента К (т. е. чем меньше плотность и
больше расчетное сопротивление материала), тем легче конструкция при одинаковой несущей способности.
В табл. 1 представлены значения коэффициента конструктивного качества
К для различных строительных материалов.
Если принять коэффициент К для стали марки Ст3 за единицу, то, как следует из приведенной таблицы, вес конструкций из стали 60 и сплава Д16 будет
составлять соответственно 46 % и 30 % от веса конструкции, изготовленной из
8
ЛЕКЦИЯ 1
Ст3. А деревянные и бетонные конструкции в 1,46 и в 5 раз соответственно тяжелее, чем конструкции из стали Ст3.
Таблица 1
Ki 10—4 м-1
1,1
1,7
3,7
5,4
18,5
Материал
Алюминиевый сплав Д16Т
Сталь 60
Сталь Ст3
Древесина
Бетон
Кi/Kст3
0,3
0,46
1,0
1,46
5,0
3. Высокая индустриальность металлоконструкций. Большим преимуществом металлических конструкций перед конструкциями из других материалов
является то, что большая их часть изготавливается в заводских условиях, с использованием более точных приспособлений и методов контроля качества изготовления. То есть металлоконструкции обладают высокой степенью индустриализации их изготовления. Да и монтаж металлоконструкций на месте возведения сооружения, производимый, как правило, специализированными монтажными организациями с помощью высокопроизводительной техники, также
весьма индустриализирован.
4. Непроницаемость, герметичность металлоконструкций. Металлы обладают не только значительной прочностью, но и высокой плотностью — непроницаемостью для жидкостей и газов. Высокая герметичность листовых металлоконструкций (газгольдеров, цистерн, нефте- и газохранилищ, атомных и
химических реакторов и т. п.) обеспечивается соединением деталей и узлов с
помощью сварки, применение которой является необходимым условием при
изготовлении этих сооружений
1.4. НЕДОСТАТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Металлические конструкции имеют и недостатки, ограничивающие применение и обусловливающие использование специальных мер по их нейтрализации.
К этим недостаткам относится, во-первых, низкая коррозионная стойкость
металлических (в первую очередь стальных) конструкций. Сталь, не защищенная
от воздействия влажной атмосферы, а часто (что еще хуже) соприкасающаяся со
средой, содержащей агрессивные газы, подвергается коррозии, т. е. разрушению
под действием окружающей среды. Низкоуглеродистые стали при взаимодействии с атмосферой образуют на поверхности рыхлую окисную пленку, состоящую из окислов железа FeO, Fe2О3 и Fe3O4. Эта пленка не препятствует проникновению кислорода и других агрессивных элементов в металл, находящийся под
пленкой. То есть окисная пленка, образующаяся на поверхности низкоуглеродистой стали (например, Ст3), не защищает металл от дальнейшего окисления. На9
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
личие в атмосфере агрессивных веществ, выхлопных газов, промышленных выбросов — СО2, SO2, NO2, NH3, HCl и др., повышает скорость коррозии сталей. О
влиянии состава атмосферы на скорость коррозии сталей можно судить по следующим данным: в сельской местности годовые потери металла из-за коррозии
составляют 100—250 г/м2, а в городской промышленной (промышленной) —
450—550 г/м2. При неблагоприятных условиях (плохая антикоррозионная защита, выбросы или утечка агрессивных газов и т. п.) разрушение конструкции может произойти через два-три года с начала эксплуатации объекта.
Алюминиевые сплавы, благодаря образованию на поверхности деталей
плотной защитной окисной пленки Al203, обладают значительно более высокой
стойкостью против коррозии. Однако и они подвержены коррозии, особенно при
неправильном проектировании конструкции или неправильной эксплуатации.
Хорошо сопротивляется коррозии чугун. Для повышения коррозионной
стойкости металлоконструкций применяют специально легированные стали,
периодическое покрытие конструкций защитными пленками (лаки, краски,
кадмирование, цинкование, анодирование и др.).
Фактор коррозии конструкции необходимо учитывать еще на стадии проектирования. Надо стремиться выбирать такие формы элементов конструкции, при
которых отсутствуют щели и пазухи — места скопления грязи, пыли, влаги, являющиеся очагами коррозии. Необходимо также предусматривать возможности
удобного подхода к наиболее корродируемым участкам для их очистки и защиты
при периодических осмотрах и ремонтах конструкции в процессе эксплуатации.
Во-вторых, для металлоконструкций характерна невысокая огнестойкость.
Это связано с тем, что предел текучести σт металла с повышением температуры
резко уменьшается и при определенной температуре, зависящей от марки металла, становится равным нулю. То есть металл становится настолько пластичным, что для его деформации практически не требуются никакие усилия и конструкция теряет устойчивость под действием собственного веса. Для конструкций из стали эта опасная температура находится в интервале 600—800 о С, а для
алюминиевых сплавов — 300—400 оС (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Зависимость величины предела текучести σт от температуры
10
ЛЕКЦИЯ 1
Поэтому металлические конструкции зданий, опасных в пожарном отношении (склады с горючими или легковоспламеняющимися материалами, жилье
и общественные здания), должны быть защищены огнестойкими покрытиями
или облицованы бетоном, керамикой и др.
1.5. СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ
В СТРОИТЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ
При производстве строительных металлических конструкций применяют
следующие виды соединения деталей и узлов:
1. Сварные;
2. Болтовые, в том числе фрикционные на высокопрочных болтах;
3. Клепаные;
4. Клеевые;
5. Комбинированные (клеесварные, клееклепаные, клееболтовые).
Наибольший объем соединений в металлоконструкциях выполняют с помощью сварки (более 90 %).
Это связано со следующими преимуществами сварных соединений перед
клепаными и болтовыми.
1. Сварные соединения обладают более высокой прочностью, чем клепаные и болтовые. При изготовлении клепаных и болтовых соединений рабочее
сечение конструкции уменьшается (ослабляется) отверстиями под болты и заклепки. Кроме того, эти отверстия являются концентраторами напряжений, что
значительно снижает усталостную прочность этих соединений при знакопеременных нагрузках.
Прочность сварных соединений составляет 90—100 % прочности металла,
из которого изготавливается конструкция, а прочность клепаных — 70—80 %.
2. Сварные соединения обеспечивают высокую герметичность изделий
(поэтому сварка незаменима при изготовлении емкостей для хранения и транспортирования различных жидкостей и газов).
Для обеспечения герметичности клепаных или болтовых соединений требуется применение специальных клеев — герметиков.
3. Сварные соединения обладают меньшим весом, чем клепаные и болтовые, т. к. для клепаных и болтовых соединений требуется нахлестка соединяемых деталей или дополнительные накладки; выступающие головки болтов и
заклепок, а также гайки еще больше увеличивают вес конструкции и повышают
расход металла.
4. Сварные соединения обладают более высокой коррозионной стойкостью
из-за отсутствия очагов коррозии в виде щелей, карманов и пазух, в которых
накапливается грязь, пыль и влага.
5. При изготовлении сварных соединений достигается более высокая производительность с меньшими затратами труда.
11
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ
Трудоемкость сварочных работ при производстве металлических конструкций в заводских условиях составляет в среднем 24—25 %, а при монтаже 16—
18 % от общей трудоемкости 1. Таким образом, 40—43 % всех трудовых затрат
при изготовлении металлоконструкций приходится на сварочные работы.
Но сварные соединения обладают и рядом недостатков, связанных с самой
природой сварочного процесса, при котором металл подвергается концентрированному местному нагреву до температур, превышающих точку плавления. К
таким недостаткам относятся:
− наличие остаточных напряжений и деформаций сварных соединений
вследствие неравномерного нагрева изделия в процессе сварки;
− образование дефектов в шве и околошовной зоне, которые зачастую
возникают внутри металла и для их обнаружения требуются специальные методы контроля (рентгеновское просвечивание, ультразвуковой контроль и др.).
Современный инженер, работающий в строительной отрасли, где, как уже
отмечалось, потребляется большое количество металла, особенно при производстве металлоконструкций, должен хорошо представлять себе технологию
сварки, знать, какие факторы влияют на качество сварных соединений и определяют производительность этого процесса. Без этих знаний невозможно правильно и рационально организовать производство и обеспечить высокое качество строящихся объектов.
Контрольные вопросы
1. Какие факторы объединяют металлические конструкции в особый вид
строительных конструкций?
2. Назовите восемь основных групп металлических конструкций.
3. Назовите основные достоинства металлических конструкций.
4. Перечислите недостатки металлических конструкций и способы
уменьшения их негативных последствий.
5. Перечислите способы соединения деталей и узлов при производстве
металлических конструкций.
6. Какие преимущества имеют сварные соединения перед клепаными и
болтовыми?
7. Какие недостатки присущи сварным соединениям?
1
В настоящее время монтаж отправочных марок (узлов, изготовленных в заводских условиях) на
месте возведения объекта во многих случаях наряду со сваркой осуществляется с помощью болтовых
соединений (т. н. фрикционные соединения на высокопрочных болтах). Это позволяет с меньшей трудоемкостью и высоким качеством производить соединения на открытом воздухе и больших высотах.
12
ЛЕКЦИЯ 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
2.1. ОБРАЗОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ СВАРКЕ МЕТАЛЛОВ
Болтовые и клепаные соединения являются разъемными, т. е. если удалить
болты или заклепки, то соединенные детали можно разъединить без их разрушения. Связь между деталями в таких соединениях обеспечивает механическое
сцепление, детали зафиксированы относительно друг друга силами трения, нагрузка воспринимается в основном только болтами или заклепками. То есть,
как уже было отмечено, сечение металла соединяемых деталей в этом случае
используется нерационально.
При сварке, в отличие от клепаных и болтовых конструкций, соединение деталей происходит на атомном уровне. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Известно, что всякое твердое или жидкое тело представляет собой систему
атомов, ионов или молекул, связанных между собой внутренними силами (связями). Эти связи в зависимости от природы вещества (строения атомов и молекул) подразделяются на несколько типов:
− ковалентная,
− ионная,
− металлическая,
− молекулярная.
Первые три типа связей являются химическими межатомными связями,
обусловленными электрическим, магнитным и гравитационным взаимодействием атомов вещества. Нехарактерные для металлов наиболее слабые межмолекулярные (ван-дер-ваальсовы) силы наблюдаются при сварке пластмасс и в
клеевых соединениях.
2.1.1. Металлические связи
Металлы и их сплавы представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются в строго определенном порядке и на определенном
расстоянии друг от друга. Это расстояние, называемое параметром кристаллической решетки, очень мало и в зависимости от типа решетки колеблется в пределах 3-5 Ǻ (Ǻ — ангстрем 1 Ǻ = 10-10м = 10-8 см). Оно настолько мало, что
внешние электронные орбиты соседних атомов перекрывают друг друга, в результате чего валентные электроны свободно переходят от одного атома к другому. То есть в металлических кристаллах внешние электроны не принадлежат
определенному атому, они коллективизированы и слабо связаны с ядрами атомов. Поэтому металлы обладают высокой электропроводностью, и уже при не-
13
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
большой разности потенциалов в различных точках в металле возникает направленное движение электронов — электрический ток.
Атомы, расположенные в глубине кристаллического тела, окружены
большим, чем поверхностные атомы, количеством соседей. Поэтому все связи у
них использованы и взаимоуравновешены.
Например, в кубической решетке атом
«А» окружен 6-ю ближайшими соседями, а
поверхностный атом «В» — только 5-ю (на
рис. 2.1. соседние атомы закрашены). Поэтому поверхностные атомы имеют свободные незанятые связи, т. е. имеют «излишек» энергии, которая называется свободной поверхностной энергией. Поверхность металлического тела стремится пога- Рис. 2.1. Кубическая решетка атома:
сить этот излишек путем адсорбции разА — атом внутри кристаллического
личных газов или образования связей с по- тела; В — атом на поверхности тела;
1 — незанятые связи
верхностными атомами другого твердого
поверхностных атомов
или жидкого тела.
2.1.2. Факторы, препятствующие образованию
сварного соединения металлов в реальных условиях
Для соединения двух твердых тел, в результате которого создается общее
монолитное тело, необходимо установить между поверхностными атомами соединяемых тел непосредственную связь. Иными словами, надо поверхностные
атомы сблизить на расстояния, сопоставимые с параметрами решетки, т. е. на
0
3—5 A . При этом произойдет перекрытие электронных оболочек поверхностных атомов соединяемых тел и валентные электроны будут свободно перемещаться из одного металлического тела в другое и наоборот, т. е. произойдет
коллективизация валентных электронов соединяемых тел. Граница раздела между ними исчезнет и образуется одно монолитное тело. Такое соединение было
бы идеальным с точки зрения прочности, химической однородности и отсутствия внутренних напряжений.
В реальных же условиях получить такое идеальное соединение невозможно по двум причинам.
Во-первых, как уже было сказано, поверхностные атомы имеют свободные связи, т. е. обладают свободной энергией, поэтому активно взаимодействуют с окружающей средой. На поверхности твердого тела образуются химические соединения (оксиды, нитриды) и адсорбционные пленки влаги, масел
и т. п. (рис. 2.2). Толщина слоя продуктов взаимодействия поверхностных атомов достигает десятков, сотен тысяч ангстрем (104—105 Ǻ) и, следовательно,
14
ЛЕКЦИЯ 2
является фактором, препятствующим взаимодействию поверхностных атомов
соединяемых тел и образованию неразъемного соединения.
Рис. 2.2. Взаимодействие металлического тела с окружающей средой:
1 — металл, 2 — продукты взаимодействия металла с окружающей средой
(оксиды МеО, нитриды МеN, ржавчина и др.)
Во-вторых, поверхность реальных твердых металлических тел представляет собой чередующиеся микровыступы и микровпадины, высота и глубина которых зависит от способов обработки этой поверхности. Даже на поверхности,
обработанной по высшему классу точности, высота неровностей превышает
0
1000 A , т. е. в 200—300 раз превышает параметр кристаллической решетки
(расстояние, при котором возникают металлические связи). И хотя при сближении реальных тел на их поверхности могут образоваться точки соприкосновения, где возможно межатомное взаимодействие, площадь соприкосновения тел
в этих точках составляет всего 0,001—0,01 долю теоретической площади тел в
зоне соприкосновения (рис. 2.3), т. е. суммарная площадь соприкосновения реальных тел
∑ S = (0,001 − 0,01)аb ,
где а и b — размеры поперечного сечения соединяемых тел.
Рис. 2.3. Контакт реальных поверхностей твердого тела
Поэтому суммарная величина сил межатомного взаимодействия на поверхности соединяемых тел будет очень мала по сравнению с силами связи
внутри тела и прочность такого соединения будет ничтожна, даже если соеди-
15
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
няемые поверхности идеально очищены от адсорбированных веществ и продуктов химического взаимодействия.
Таким образом, для получения качественного неразъемного соединения
металлических тел в реальных условиях необходимо решить две задачи:
1) получить чистую поверхность, свободную от оксидов, нитридов и адсорбированных пленок;
2) обеспечить взаимодействие атомов на соединяемых поверхностях не в
отдельных точках, а по всей площади соединения. В реальных условиях эти задачи решаются путем применения различных способов очистки свариваемых
поверхностей (механическая обработка, химическое травление) и путем защиты
зоны соединения от взаимодействия с окружающей средой в процессе сварки
(применение флюсов, защитных газов, вакуума и др.). А обеспечение контакта
соединяемых деталей по всей площади соединения достигается сдавливанием
свариваемых деталей или нагревом металла в зоне соединения до пластического или жидкого состояния.
2.1.3. Классификация способов сварки
Исторически сложилось так, что первые неразъемные соединения человек
научился получать, вводя в зону соединения тепловую энергию. Поэтому в русском языке процесс получения неразъемного соединения металлов получил название «сварка». Хотя считается, что соединение за счет межатомного взаимодействия можно получить путем механического сжатия соединяемых деталей
без подвода тепла в зону сварки, но, если глубоко рассмотреть этот процесс, не
трудно прийти к выводу, что при смятии выступов и течении металла в зоне
сварки часть механической энергии сжатия переходит в тепловую.
С повышением температуры металла в зоне соединения усилия, необходимые для обеспечения хорошего контакта по свариваемым поверхностям,
уменьшаются и при переходе металла в зоне соединения в жидкое состояние
эти усилия становятся равными нулю
(рис. 2.4).
При этом расплавленные участки
соединяемых деталей под действием
сил Ван-дер-Ваальса сливаются в общий объем подобно тому, как две капли жидкости при сближении объединяются в одну каплю. При последующем охлаждении в результате
кристаллизации расплавленного металла образуется монолитное соединение за счет химического взаимоРис. 2.4
действия атомов соединяемых тел.
16
ЛЕКЦИЯ 2
Таким образом, сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения двух или более твердых тел за счет химического взаимодействия атомов соединяемых тел.
Все способы сварки в зависимости от состояния металла в зоне соединения
делятся на две группы (см. рис. 2.4):
1) сварка в твердой фазе (сварка давлением). Температура металла в зоне
сварки не превышает температуру плавления металла (на рис. 2.4 это соответствует зоне 1).
2) сварка в жидкой фазе (сварка плавлением); металл в зоне сварки нагревается выше температуры плавления. Таким образом, при сварке плавлением
необходимо применять источник тепла, обеспечивающий концентрированный
нагрев металла в зоне сварки до температуры выше tпл. (зона 2).
2.2. ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА
При изготовлении и монтаже строительных металлических конструкций
наибольший объем сварочных работ выполняется с помощью электродуговой
сварки.
При электродуговой сварке в качестве источника тепла применяется электрическая дуга, которая представляет собой один из видов устойчивого электрического разряда через газовый промежуток. При этом через газовый промежуток между двумя электродами, подсоединенными к источнику электроэнергии, протекает электрический ток.
В обычном состоянии газовые молекулы электрически нейтральны. Для
того чтобы газ стал электропроводным, необходимо, чтобы в нем находились
электрически заряженные частицы — электроны и ионизированные молекулы
или атомы — ионы. В процессе горения дуги с поверхности отрицательного
электрода (катода) под действием электрического поля и разогрева его поверхности вылетают электроны. Процесс выхода электронов с поверхности катода
называется эмиссией электронов.
Электроны разгоняются электрическим полем, приобретая значительную
кинетическую энергию. Сталкиваясь с атомами и молекулами газа, находящимися в дуговом промежутке, электроны, если они получили достаточную скорость (энергию), могут из нейтральных атомов или молекул выбить электрон.
При этом нейтральная частица становится положительно заряженным ионом
(рис. 2.5). Этот процесс называется ионизацией газа:
А + е ↔ А+ + 2е.
Положительно заряженные частицы движутся в сторону отрицательного
электрода (катода), а отрицательно заряженные — в сторону положительного
электрода (анода).
При столкновении электрона с положительным ионом или с поверхностью
анода выделяется тепловая энергия Q, которую электрон получил при отрыве
17
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
от катода и при разгоне в электрическом поле (протекает процесс деионизации), положительно заряженный
ион превращается в нейтральный атом
(рис. 2.5):
А+ + е → А + Q.
В результате этих процессов дуговой промежуток разогревается до
5000—6000 оС. При этом столб дуги
выделяет лучистую энергию, растет
кинетическая энергия молекул газа и
Рис. 2.5. Схема процесса ионизации газа
в столбе электрической дуги:
возрастает число их соударений друг
Θ
—
электроны;
Ао — нейтральный атом;
с другом. В результате воздействия
А+ — положительно заряженный атом
лучистой энергии на нейтральные мо(ион)
лекулы происходит фотоионизация.
Ионизация газа за счет увеличения кинетической энергии молекул и частоты их
соударений при высокой температуре называется термической ионизацией.
Для того чтобы из нейтральной молекулы газа выбить электрон, необходимо затратить определенную работу — работу ионизации. Чем менее прочно
связан электрон с ядром атома, тем меньшая работа требуется для его отрыва.
Минимальная работа, необходимая для отрыва электрона от атома, измеряется
потенциалом ионизации в вольтах.
В табл. 2 даны величины потенциалов ионизации некоторых элементов,
присутствующих в столбе сварочной дуги.
5,11
6,11
H
O
N
Ar
He
24,5
4,3
C
15,7
Потенциал
ионизации, В
Fe
14,5
Ca
13,6
Na
13,5
K
11,22
Cs
7,83
Элемент
3,88
Таблица 2
2.3. ВИДЫ СВАРОЧНЫХ ДУГ
Для сварки металлов плавлением дуговой разряд применяется в следующих вариантах.
2.3.1. Дуги прямого и косвенного действия
При сварке дугой косвенного действия (рис. 2.6) нагрев осуществляется
дугой (1), горящей между двумя электродами (2) и (3), подключенными к различным полюсам источника электрической энергии (4) (источник питания ду18
ЛЕКЦИЯ 2
ги), а свариваемое изделие (6) в электрическую цепь не включено. Сварка может выполняться как без добавочного присадочного металла, так и с применением присадки (5). Этот способ применяется очень редко.
При сварке дугой прямого действия свариваемое изделие (2) включено в
цепь дуги (1) и является одним из его полюсов, вторым полюсом служит стержень (3), называемый электродом (рис. 2.7). Питание дуги может осуществляться как переменным, так и постоянным током. Если при сварке на постоянном токе электрод подключен к отрицательному полюсу источника питания дуги, то дуга называется дугой прямой полярности. Если электрод подключен к
положительному полюсу, а свариваемое изделие — к отрицательному, то дуга
называется дугой обратной полярности.
Рис. 2.6
Рис. 2.7
При сварке на прямой полярности электронов осуществляется с небольшой
площади торца электрода, нагретого до высокой температуры (близкой к температуре кипения металла электрода). Это обеспечивает выход (эмиссию)
большого количества электронов и устойчивое горение дуги.
При сварке на обратной полярности, когда катодом является свариваемая
деталь (минус на изделии), выход электронов происходит с поверхности более
холодной, чем электрод сварочной ванны. Поэтому дуга горит менее устойчиво
и требует для питания более высокого электрического напряжения.
2.3.2. Сварка дугой прямого действия неплавящимся
и плавящимся электродами
При сварке неплавящимся электродом 1 свариваемое изделие 2 включено
в цепь дуги 1 и является одним из ее полюсов. Второй полюс подключается к
неплавящемуся (угольному, графитовому или вольфрамовому) электроду 3
(рис. 2.8).
1
Изобретена русским изобретателем Н. Н. Бенардосом (1842—1905 гг.) в 1882 г. (сварка угольным электродом), усовершенствована американским инженером Александером в
1922 г. (аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом).
19
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
Сварка плавящимся электродом1 — выполняется по такой же схеме, как и
при сварке неплавящимся электродом (рис. 2.9).
Рис. 2.8:
1 — электрическая дуга прямого действия;
2 — свариваемое изделие; 3 — неплавящийся
электрод; 4 — источник сварочного тока;
5 — присадочный металл
Рис. 2.9
Изделие (2) включено в цепь источника питания (4) и является одним из
полюсов дуги (1). Электрод (3) является металлическим, по химическому составу близким к свариваемому металлу, интенсивно расплавляется дугой. Расплавленные капли (5) электродного металла пролетая через дугу, стекают в
сварочную ванну (6).
2.4. СПОСОБЫ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ
Для обеспечения устойчивого процесса дуговой сварки необходимо выполнять движение электрода в двух направлениях (рис. 2.10):
1) по мере плавления электрода для поддержания постоянства длины дуги
подавать электрод в сторону дуги,со скоростью V (скорость подачи электрода);
2) для получения качественного сварного шва по линии соединения перемещать электрод вдоль стыка с определенной скоростью Vсв. (скорость сварки).
3) В зависимости от степени механизации этих двух элементов дуговую
сварку плавящимся электродом подразделяют на следующие виды:
− ручную дуговую (РД);
− полуавтоматическую (ПА) (механизированную);
− автоматическую (А).
При ручной сварке перемещение электрода в обоих направлениях сварщик
выполняет вручную. От стабильности скорости подачи электрода в зону дуги за1
Изобретена русским инженером, нашим земляком, Н. Г. Славяновым (1854 — 1897 .)
в 1888 г. В настоящее время широко применяется во всем мире и во всех отраслях экономики.
20
ЛЕКЦИЯ 2
висит стабильность ее горения, а от стабильности перемещения электрода вдоль
стыка — качество провара, формирования шва, стабильность защиты шва от
внешней среды, и в конечном счете все это влияет на качество сварного соединения. Поэтому при ручной дуговой сварке качество сварного соединения в основном определяется квалификацией сварщика и его работа подобна искусству.
Рис. 2.10
Для защиты металла в зоне сварки от взаимодействия с окружающей средой применяют электродную обмазку, которая, оплавляясь и сгорая, образует
защитные газы и шлак. Газы вытесняют из дугового промежутка воздух, а
шлак, покрывая электродные капли и сварочную ванну, обеспечивает защиту
жидкого металла от взаимодействия с окружающей средой и удаляет окислы из
металла сварочной ванны.
Кроме того, в обмазку вводят
элементы, атомы которых легко отщепляют электроны, т. е. элементы,
имеющие малый потенциал ионизации (в основном соли щелочных и
щелочноземельных металлов — калия, кальция, натрия). Благодаря этим
элементам повышается стабильность
горения дуги.
При полуавтоматической сварке
электродная проволока подается в дугу с помощью электродвигателя, т. е.
скорость подачи электрода Vэ задается независимо от электросварщика
Рис. 2.11:
(рис. 2.11).
1 — катушка с электродной проволокой;
2 — электродвигатель подачи проволоки;
Перемещение горелки вдоль шва
3 — подающие ролики;
осуществляется сварщиком вручную,
4
—
шланг
для подачи проволоки;
т. е. скорость сварки Vсв задается
5 — сварочная горелка
сварщиком.
21
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
При автоматической сварке подача электродной проволоки и перемещение
дуги вдоль стыка осуществляется с помощью электродвигателя, то есть оба параметра Vэ и Vсв задаются и поддерживаются независимо от сварщика (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Установка (трактор) для автоматической сварки под слоем флюса:
1 — бобина с электродной проволокой; 2 — подающие ролики; 3 — бункер для флюса;
4 — каретка для перемещения автомата вдоль стыка шва
Производительность процесса и качество сварных соединений при этом
намного выше, чем при ручной дуговой сварке.
При полуавтоматической и автоматической сварке для защиты металла от
взаимодействия с окружающей средой в зону сварки подают порошкообразный
флюс (сварка под флюсом) или защитные газы (углекислый газ, аргон, гелий и
др.) — сварка в защитных газах.
При ручной дуговой сварке токоподвод к электроду осуществляется на его
оголенном (свободном от обмазки) конце (рис. 2.13, а) на расстоянии 250—
450 мм от дуги.
Рис. 2.13. Схема токоподвода к дуге при ручной (а),
автоматической и полуавтоматической сварке (б)
22
ЛЕКЦИЯ 2
В связи с этим при протекании тока через электрод, сопротивление которого пропорционально расстоянию от дуги до токоподвода, электрод нагревается
проходящим током. Поэтому величина тока при РДС ограничена, иначе возможно оплавление и сползание обмазки с электродного стержня. Величина сварочного тока для РДС выбирается по соотношению I = (30 — 50) dэ [A], где
dэ — диаметр электродного стержня, мм.
При механизированной и автоматической сварке токоподвод к электродной проволоке осуществляется на расстоянии 15—30 мм, поэтому величина
сварочного тока при этих способах сварки увеличена в 5—8раз. Соответственно
возрастает мощность дуги и производительность процесса сварки.
Контрольные вопросы
1. Назовите типы межатомных связей в твердых и жидких телах. Особенности металлической связи.
2. Перечислите факторы, препятствующие образованию металлических
связей между поверхностными атомами двух металлических тел.
3. Назовите способы устранения препятствий при получении сварных
соединений металлических тел.
4. Объясните, как влияет температура и усилие сдавливания свариваемых тел на способность металлов образовывать сварные соединения.
5. По каким признакам можно классифицировать существующие способы сварки?
6. Назовите условия горения сварочной дуги (условия протекания электрического тока через газовый промежуток).
7. Что такое электронов; ионизация газов?
8. Назовите виды сварочных дуг и перечислите их особенности.
9. Перечислите особенности процесса сварки при использовании в качестве источника тепла электрической дуги с неплавящимся и плавящимся электродами.
10. По каким признакам электродуговую сварку подразделяют на ручную,
полуавтоматическую и автоматическую?
23
ЛЕКЦИЯ 3
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
Как уже отмечалось в предыдущей лекции, для того, чтобы газ стал электропроводным, необходимо, чтобы в нем находились электрически заряженные
частицы — электроны и ионизированные атомы и молекулы — ионы.
Электроны поступают в дугу вследствие их эмиссии (выбрасывания) из катода, а также ионизации молекул газа и паров металла в дуговом промежутке.
3.1. ЭМИССИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
Основную роль в обеспечении электропроводности дугового промежутка
играет поток электронов, выбрасываемых с поверхности катода. Эти электроны, разгоняясь электрическим полем в прикатодной зоне, обеспечивают ионизацию газа в этой зоне.
Выход электронов с поверхности катода в прикатодную зону требует затраты определенного количества энергии (работа выхода электрона). Эта энергия расходуется на преодоление сил притяжения, действующих на электрон со
стороны положительных ионов металла катода. Эмиссия электронов осуществляется за счет тепловой энергии (термоэлектронная), энергии электрического
поля (автоэлектронная), а также за счет бомбардировки поверхности катода положительно заряженными ионами.
Термоэлектронная определяется тем, что при достаточном нагреве катода
с его поверхности могут «отрываться» электроны, обладающие запасом кинетической энергии, достаточным для преодоления сил электростатического притяжения положительных ионов металла катода и преодоления потенциального
энергетического барьера на поверхности тела
Электрон 1, приобретший достаточную энергию в направлении дугового
промежутка, должен преодолеть силу притяжения положительных ионов кристаллической решетки катода и сопротивление отрицательно заряженного
энергетического барьера электронов поверхностных атомов (рис. 3.1). Плотность тока термоэлектронной эмиссии jтэ определяется уравнением Ричардсона-Дешмена:
2
jтэ = АТ e
−
φ
kT
[А/см2],
где А — коэффициент (для металлов 60 — 70 А/см град); ϕ — работа выхода
электрона, эВ.
Работа выхода электрона ϕ для различных веществ и металлов является
различной.
Если на поверхности металла имеются окислы, то работа выхода уменьшается и электронов увеличивается (табл. 3).
24
ЛЕКЦИЯ 3
Рис. 3.1. Схема эмиссии электрона с поверхности катода
Таблица 3
Работа выхода электрона для некоторых металлов
Металл
Калий
Натрий
Кальций
Работа выхода
электронов, эВ
Чистая
Поверхность
поверхс оксидами
ность
2,02
0,46
2,12
1,8
3,34
1,7
Металл
Барий
Железо
Вольфрам
Работа выхода
электрона, эВ
Чистая
Поверхность
поверхс окислами
ность
2,29
1,59
4,74
3,92
4,54
-
Максимальная температура, до которой может нагреться катод, — температура кипения материала, из которого изготовлен катод. У вольфрама
Ткип. = 4000 оС, поэтому jтэ у него больше, чем у калия, хотя работа выхода электрона более чем в 2 раза выше (рис. 3.2).
Рис. 3.2. Зависимость плотности тока термоэлектронной эмиссии
25
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
окисленных поверхностей Na и Fe (jтэ, А/см2) от температуры
При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов, сообщается электрическим полем, которое как бы «отсасывает» электроны за пределы воздействия электростатического поля металла. При этом работа выхода электрона уменьшается на величину ∆ϕ (эффект Шотки).
∆ϕ =
e3 Е,
∆ϕ = ϕο - ϕΕ,
где ϕο — работа выхода при отсутствии электрического поля; ϕΕ — при действующем поле; e — заряд электрона; Е — напряженность электрического
поля, В/см.
При напряженности поля 106—107 В/см, характерной для прикатодной области дуги, величина ∆ϕ для железных и вольфрамовых электродов при температуре их кипения оказывается сопоставимой с работой выхода электрона
(ϕο = ϕΕ, ∆ϕ = 0), т. е. потенциальный барьер для выхода электрона при этом исчезает. Тогда плотность тока электронной эмиссии будет зависеть только от
температуры кипения материала катода j = АТ2кип.
Эмиссии электронов в результате бомбардировки поверхности катода положительными ионами играет незначительную роль в сварочной дуге.
3.2. ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВЫХ МОЛЕКУЛ И АТОМОВ
Для ионизации нейтральных молекул и атомов, заключающейся в «отрыве» от них электронов, требуется затратить определенное количество энергии
еUi. Здесь е-заряд электрона, постоянная величина, которая называется потенциалом ионизации.
Для различных веществ требуется различная энергия для их ионизации
(табл. 4).
Таблица 4
Na Ca Fe
C
H
O
N
Ar He
Потенциал ионизации, В
4,3
5,11
11,22
13,5
13,6
14,5
15,7
24,5
K
7,83
Cs
6,11
Элемент
3,88
Потенциал ионизации различных элементов
Ионизации может быть вызвана различными видами воздействия: соударением; облучением (фотоионизация), нагревом (термическая ионизация).
Ионизация соударением происходит при столкновении быстролетящего
электрона с относительно малоподвижным нейтральным атомом:
26
ЛЕКЦИЯ 3
А + е = А+ 2е.
При этом кинетическая энергия электрона, определяемая его скоростью,
должна быть больше или равна работе ионизации.
mV 2
≥ eU i ,
2
где еUi — работа ионизации; е — заряд электрона; U — потенциал ионизации;
m — масса электрона; V — скорость электрона.
Отсюда минимально необходимая скорость электрона в момент его столкновения с частицей, необходимая для ионизации нейтральной частицы,
V=
2eU
.
m
Например, для ионизации атома железа необходимо, чтобы скорость электрона была не менее 1,66•108 см/с (1660 км/с).
Ионизация облучением (фотоионизация) происходит под действием лучистой энергии. Для этого необходимо, чтобы квант действия лучистой энергии
был бы больше или равен работе ионизации:
hν ≥ еUi,
где h — постоянная Планка; ν — частота колебаний световой волны.
Для осуществления ионизации газы должны облучаться волнами высокой
частоты:
ν≥
eU i
, или ν ≥ kUi (k = e/h).
h
Учитывая, что с = Vh (с — скорость света), условия ионизации можно выразить через сумму волны светового излучения:
1
v
λ≤k .
То есть, чем выше потенциал ионизации вещества, тем выше должна быть
частота световой волны облучения (или меньше длина волны), излучение
должно быть более жестким (табл. 5).
Таблица 5
Длина волны, обеспечивающая ионизацию различных веществ
Элемент
Длина волны, Å
R
2870
Na
2430
Ca
2030
27
Fe
1575
O
915
Ar
785
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
Из этой таблицы видно, что для отрыва электронов от атомов инертного
газа аргона требуется жесткое излучение (длина волны 785 Ǻ), а у натрия электрон отрывается при облучении световой волной длиной в 3 раза большей.
Термическая ионизация. При повышении температуры возрастает скорость
и частота колебаний атомов и молекул газа. Растет число их соударений и возникает возможность образования ионов:
А + А ↔ А+ + А + е,
А + А ↔ А+ + А+ + 2е.
Для полной ионизации газа необходимо, чтобы его тепловая энергия была
больше или равна работе ионизации:
3
kT ≥ eUi ,
2
где k — постоянная Больцмана; Т — температура газа, К.
Отсюда необходимая для 100-процентной ионизации газа температура:
Т≥
2eU
.
3k
Например, для полной ионизации азота необходимо его нагреть до температуры более 113000 К.
При меньших температурах происходит частичная ионизация, характеризуемая степенью ионизации х. При исходном количестве n атомов количество
электронов равно nэ = nх, количество ионизированных атомов nu = nх и количество оставшихся неионизированных атомов nA = n (1 — х).
Степень ионизации газа в зависимости от температуры и давления можно
найти из уравнения Сага (Индия):
eUi
−
5
x2
2
2
p = ma T ⋅e kT ,
2
1− x
где Р — давление; m — коэффициент, зависящий от размерности давления; U —
потенциал ионизации, В; а — квантовый коэффициент, равный от 1 до 4 для
различных элементов.
Обычно в атмосфере дуги присутствует несколько элементов, в этом случае вводится понятие об эффективном потенциале ионизации Uэф, который согласно В. В. Фролову можно вычислить по формуле
U эф
1
5800
i =k
−
Ui
Т
2
=−
ln ∑ Ci ⋅e T ,
5800 i =1
где Сi — концентрация i-газа; Ui — потенциал ионизации каждого газа, входящего в данную смесь.
28
ЛЕКЦИЯ 3
Введение в дуговой промежуток элементов с низким потенциалом ионизации уменьшает эффективный потенциал ионизации всей газовой смеси и повышает стабильность горения дуги (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Влияние добавок калия на Uэф
Видно, что введение до 10 % калия в дуговой промежуток, состоящий из
паров железа, снижает эффективный потенциал ионизации с 8 до 5 вольт,
т. е. почти на 40 %. Дальнейшее увеличение концентрации калия в дуге мало
влияет на величину Uэф.
3.3. СТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ.
ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДУГИ
По изменению напряжения в электрической дуге можно выделить три зоны (рис. 3.4): 1 — прикатодную, 2 — столб дуги, 3 — прианодную.
29
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
Рис. 3.4. Строение электрической дуги
При горении дуги на электродах видны ярко светящиеся участки, называемые катодным и анодным пятнами. С катодного пятна интенсивно вырываются
(эмитируют) электроны, образуя в прикатодной области пограничный прикатодный слой. В этой зоне наблюдается большой перепад напряжения, длина
этой зоны около 10-4 см. В прианодной области электроны, вылетающие из
столба, создают объемный отрицательный заряд и, ударяясь в поверхность анода, выделяют энергию, которую они получили при ионизации атомов газа.
Длина прианодной области примерно на порядок больше прикатодной
(около 10-3 см), и напряженность электрического поля (Ua|la) там соответственно меньше.
Расстояние между катодом и анодом в горячей дуге (lд) называется длиной
дуги. Она складывается из длины приэлектродных участков (la и lк) и длины
столба дуги (lст.).
lд = la + lст. + lк.
Учитывая малую протяженность приэлектродных участков по сравнению с
длиной столба дуги, можно принять, что lд ≈ lст.
Напряжение на дуге можно представить как сумму падений напряжения в
столбе дуги и приэлектродных зонах:
Uд = Ua + Ucт + Uк.
Зависимость между напряжением дуги и ее длиной описывается упрощенной формулой Г. Айртона:
Uд = а + blд ≈ a + blст,
где а и b — коэффициенты, зависящие от материала электродов и состава газового промежутка.
Функция U д = (lд ) является уравнением прямой линии, в которой Uд =
∫
= Uа + Uк = а (при lд = 0), а b = tg α =
Ud − a
(рис. 3.5).
ld
30
ЛЕКЦИЯ 3
Рис. 3.5. Зависимость напряжения на дуге Uд от ее длины lд
Сопоставляя выражения для Uд через падение напряжения в трех упомянутых зонах дуги и учитывая, что Uст = blcт, можно записать
Uд = Ua + Uk + Uст = а + blст,
следовательно, а = Uк + Ua есть сумма падения напряжений в прикатодной и
прианодной областях.
При стабильном дуговом разряде между электродами из конкретных материалов и постоянном составе газового промежутка между силой и плотностью
в катодном пятне, напряжением и длиной дуги, а также температурой столба
дуги устанавливается определенное соотношение, т. е.
U д = ∫ ( I д , lд ); Tд = ∫ (U эф ); U д = ∫ (Т ) и т. д.
Зависимость между напряжением и силой тока в дуге называется статической вольтамперной характеристикой дуги (ВАХ).
Электрическая дуга, в отличие от металлического проводника, является
нелинейным электрическим проводником
(рис. 3.6).
Напряжение в электрической цепи на
концах цепи на концах металлического проводника определяется в соответствии с законом Ома: U = I R.
Если же принимать во внимание изменение электросопротивления проводника из-за
выделения джоулева тепла, то зависимость напряжения от тока в металлическом проводнике
Рис. 3.6. Вольтамперные
представляет собой прямую, в которой 1 —
характеристики
металлический проводник U = I R l1, и l2 —
электрическая дуга дугой l1 < l2.
В сварочной дуге ее электрическое сопротивление зависит от количества
заряженных частиц в дуге (от количества электронов и ионов). Чем больше
этих частиц, тем меньше ее электросопротивление.
В вольтамперной характеристике дуги в связи с этим выделяются три характерные зоны (см. рис. 3.6). В первой зоне с увеличением тока напряжение падает, дуга имеет падающую ВАХ ( ∂ Uд / ∂ I < 0). Это связано с тем, что при сварке на небольших токах увеличение тока приводит к росту площади катодного
пятна и увеличению числа заряженных частиц в дуге. Поэтому электросопротивление дуги уменьшается, а следовательно, и падает напряжение (Uд = Iд Rд).
Во второй зоне темпы увеличения тока и уменьшения электросопротивления дуги сравниваются, поэтому Uд =IR = Const, т. е. напряжение не зависит от
величины сварочного тока (∂Uд/∂I=0), дуга имеет жесткую ВАХ.
31
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
В третьей зоне, когда площадь катода занимает все сечение электрода, а
столб дуги имеет максимальное число заряженных частиц, электросопротивление дуги зависит от величины тока и дуга ведет себя как металлический проводник, ее
вольтамперная характеристика приобретает
возрастающий характер. Чем меньше диаметр
электродной проволоки, тем раньше (при
меньшей силе тока) дуга приобретает возрастающую ВАХ (рис. 3.7)
Дуга с падающей вольтамперной характеристикой характерна для ручной дуговой
Рис. 3.7
сварки обмазанными электродами, когда величина сварочного тока ограничена из-за
опасности оплавления обмазки по длине электрода. Падающую характеристику
имеет также дуга при аргонодуговой сварке неплавящимся вольфрамовым
электродом, когда величина тока ограничена из-за опасности катастрофического износа и разрушения электрода.
Жесткую вольтамперную характеристику имеет дуга при автоматической
и полуавтоматической сварке под слоем флюса, при диаметре электродной проволоки 2,5—3,5 мм и величинах тока от 500 до 1000 А.
Возрастающая ВАХ характерна для способов и режимов сварки при высоких плотностях тока и степени ионизации столба дуги. Таким условиям отвечают полуавтоматическая и автоматическая сварка плавящимся электродом в
среде защитных газов и сварка сжатой дугой (плазменная сварка).
При полуавтоматической и автоматической сварке в аргоне или углекислом газе применяется сварочная проволока малого диаметра (0,8—2,0 мм) при
величине тока 80—420 А.
Высокая плотность тока (I/Fэ, где Fэ = πdэ/4 — сечение электрода), а также
обжатие столба дуги холодным защитным газом обеспечивают высокую степень ионизации дугового промежутка.
При плазменной сварке нагрев свариваемого изделия осуществляется искусственно сжатой дугой, столб которой имеет значительно более высокую
температуру, чем свободно горящая дуга. Обжатие столба дуги осуществляется
различными способами: соответствующей конструкцией горелки, обеспечивающей охлаждение струей газа периферийных участков столба дуги и его
сжатие с помощью электромагнитного поля. Эти способы позволяют получить
дуговую плазму с температурой выше 50000 К.
3.4. ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ДУГИ НА ПЕРЕМЕННОМ ПОЛЕ
Дуговой разряд при переменном токе имеет некоторые особенности. К ним
относятся:
32
ЛЕКЦИЯ 3
1) наличие паузы в горении дуги при смене полярности;
2) различная эмиссионная способность электрода и изделия.
Паузы в горении дуги при сварке на переменном токе связаны с тем, что
при синусоидальном изменении напряжения источника питания Uи (рис. 3.8)
дуговой разряд будет возбуждаться в каждый полупериод только тогда, когда
напряжение источника достигнет величины, достаточной для его зажигания
(Uз). Дуга будет гореть до тех пор, пока напряжение источника будет оставаться больше, чем напряжением горения дуги (точка 2).
Рис. 3.8:
Uи — напряжение источника тока; Uд — напряжение сварочной дуги;
Iд — величина тока в дуге; t3 и ty — время зажигания и угасания дуги; tг — время горения дуги
Таким образом, в каждый полупериод существует время t4 + t3, когда дуговой разряд отсутствует. В это время происходит деионизация газов в дуговом
промежутке, снижается температура дуги и электропроводность столба дуги.
Если перерыв в горении дуги достаточно большой, то в следующий полупериод
дуговой разряд может вообще не возбудиться.
Для повышения стабильности горения дуги используются несколько способов, одним из которых является введение в состав флюсов и электродных покрытий легкоионизирующих элементов.
При этом уменьшается время t3 и ty и снижается величина напряжения для
зажигания дуги (Uз).
Вторая особенность дугового разряда на переменном поле обусловлена
различными эмиссионными свойствами электрода и свариваемой детали. Особенно это сильно проявляется при сварке вольфрамовым электродом в инертных газах алюминиевых сплавов.
Когда катодом является вольфрамовый электрод, температура которого
приближается к 4000 оС, осуществляется мощная электронов, напряжение на
дуге низкое, а амплитудное значение тока высокое (рис. 3.9).
Когда катодом является деталь, температура сварочной ванны намного
ниже температуры вольфрамового электрода, поэтому плотность электронов,
вылетающих из жидкого металла, резко снижается, электропроводность дуги
33
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
тоже соответственно понижается. При этом напряжение для поддержания горения дуги требуется более высокое.
Рис. 3.9
Время горения и величина сварочного тока обратной полярности меньше,
чем прямой.
Это обстоятельство влияет на качество сварки,особенно при сварке алюминиевых сплавов, у которых очистка поверхности деталей в зоне сварки осуществляется катодным распылением во время горения дуги на обратной полярности.
3.5. ТЕМПЕРАТУРА В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
Температура на торцах электродов в активных пятнах дуги в связи с большой локализацией электрической, а следовательно, и тепловой энергии весьма
высока и может достигать температуры кипения материала электрода.
Температура столба дуги (дуговой плазмы) определяется составом газового промежутка (т. е. эффективным потенциалом газовой смеси Uэф), величиной сварочного тока, степенью сжатия дуги, величиной общего давления среды,
в которой горит дуга.
Согласно данным К. К. Хренова, температура столба дуги для средней величины тока определяется соотношением Тcт ≈ 800 Uэф. Введение в дугу элементов, снижающих эффективный потенциал ионизации, приводит к понижению температуры (табл. 6).
Таблица 6
Состав газа
Температура, К
Воздух
6100 ± 200
Пары Na2CO3
4800 ± 200
34
Пары К2СО3
4300 ± 200
ЛЕКЦИЯ 3
Температура дуги повышается с увеличением плотности тока. При больших плотностях тока (например, при сварке под флюсом температура столба
дуги Тст ≈ 1000 Uэф).
3.6. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ.
ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СВАРОЧНЫМ ИСТОЧНИКАМ ТЕПЛА
Сварка плавлением осуществляется местным нагревом с помощью локального источника тепла до температуры, превышающей температуру плавления
свариваемого металла.
В целях наиболее эффективного использования тепла для выполнения сварочной операции необходимо обеспечить максимально локализованный его
ввод, чтобы свариваемый металл довести до температуры плавления в минимально возможном объеме.
Идеальный вариант нагрева деталей — расплавление свариваемых кромок
с минимальным слоем жидкого металла (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Образование сварного соединения при нагреве
высококонцентрированным источником тепла:
а — при расплавлении свариваемых кромок; б — после остывания (после кристаллизации)
В таком сварном соединении ширина зоны расплавления очень мала и, следовательно, размеры зоны изменения свойств металла будут минимальны. Однако реальные, наиболее употребляемые источники тепла — газовое пламя и электрическая дуга — такой сосредоточенностью ввода тепла не обладают. Наиболее
близки к идеальному нагреву, как это будет показано ниже, электронный и лазерный луч, обладающие высокой концентрацией энергии в пространстве.
Вторым требованием, предъявляемым к сварочному источнику тепла, является необходимость использования высокотемпературного источника. Это
связано с тем, что тепло всегда передается от более нагретого к менее нагретому. Интенсивность этой теплопередачи согласно закону Ньютона пропорциональна разности температур источника тепла и нагреваемого тела:
q = α (Ти - Тме),
35
(4.1)
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
где q — плотность теплового потока Дж/м2с; α — теплопроводность на границе «источник — металл»; Ти и Тме — температура источника тепла и металла соответственно.
Чем больше разность (Ти — Тме), тем больше плотность теплового потока
от источника тепла к свариваемому металлу, тем выше интенсивность теплопередачи и тем выше производительность процесса сварки (табл. 7).
Согласно таблице 7 интенсивность нагрева стали свободной и сжатой дугой
соответственно в 2,7 и 10 раз выше, чем при нагреве ацетиленокислородным
пламенем.
Таблица 7
Сравнение некоторых сварочных источников тепла
по их интенсивности нагрева стали (Тме — Тпл)
Источник
сварочного тепла
Температура
источника
Разность
(Ти-Тме) Тме = 1530 оС
Ацетилено-кислородное
пламя
3200
1670
1,0
Свободная
сварочная дуга
6000
4470
2,7
Сжатая дуга
20000
16800
10
3.7. МОЩНОСТЬ ДУГИ.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ИСТОЧНИКА СВАРОЧНОГО ТЕПЛА
Полная тепловая мощность сварочной дуги пропорциональна произведению силы сварочного тока на натяжение на дуге:
qо = k U I,
где k — коэффициент, зависящий от размерности q.
Например, если q измеряется в калориях в секунду, то k = 0,24.
Выделяемая дугой тепловая энергия не вся поступает в свариваемое изделие. Часть ее расходуется на нагрев сварочных приспособлений, защитного газа,
флюса, на световое и тепловое излучение. Количество тепловой энергии, используемой при сварке, qо зависит от способа введения тепла в свариваемое изделие,
то есть от способа сварки, и определяется так называемым коэффициентом полезного действия КПД источника тепла ηи. КПД источника η= qэ/qо показывает,
какая доля от полной тепловой мощности источника (qо) вводится в свариваемое
изделие. Тогда количество тепла, вводимого в изделие в единицу времени (эффективная тепловая мощность источника qэ), будет равно qэ = η п qо (табл. 8).
36
ЛЕКЦИЯ 3
Нагрев свариваемого металла при электродуговой сварке осуществляется в
активном пятне (анодном или катодном) дуги. При этом наибольшее количество тепла вводится в центре дуги (рис. 3.11).
Таблица 8
Табличные значения для некоторых способов дуговой сварки
Способ
сварки
ηи
Ручная дуговая
Сварка неплавящимся
сварка обмазанными
электродом в аргоне
электродами
0,45—0,7
0,75—0,85
Автоматическая
сварка
под флюсом
0,75—0,9
Рис. 3.11. Распределение плотности теплового потока по пятну нагрева:
1 — пламя; 2 — дуговая сварка неплавящимся вольфрамовым электродом;
3 — автоматическая сварка под флюсом
Н. Н. Рыкалин показал, что плотность теплового потока в зависимости от r
(расстояние от центра пятна нагрева) определяется выражением
2
q2 = qmax ⋅ e − kr ,
где qmaх — максимальная плотность теплового потока в центре пятна нагрева в
кал/см2с (или Дж/м2с); q2 — плотность теплового потока на расстоянии r; k —
коэффициент сосредоточенности вводимого тепла, зависящий от размеров и
тепловыделения источника нагрева (табл. 9).
Таблица 9
qmaх, кал/см2с
50—122
Источник тепла
Пламя
37
-2
K, см
0,39—0,17
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНОЙ ДУГЕ
Дуга с неплавящимся W-электродом
500—600
6—14
Автоматическая сварка под флюсом
6000
6—10
Таким образом, сосредоточенность тепловвода дуги в 15—50 раз превосходит сосредоточенность ацетиленокислородного пламени.
3.8. СИЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ДУГИ НА СВАРОЧНУЮ ВАННУ.
ВЛИЯНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СВАРОЧНУЮ ДУГУ
Сварочная дуга оказывает механическое воздействие на жидкий металл
сварочной ванны за счет давления струи газов — продуктов сгорания и разложения электродной обмазки (при ручной дуговой сварке), давления газов в пузыре, образуемом жидким шлаком (при сварке под флюсом), или струи защитных газов (при сварке в аргоне или углекислом газе). Кроме того, в дуге создается электромагнитное давление на расплав, которое пропорционально квадрату величины силы тока I : P = k I2, где k — коэффициент г/А2
Как и во всяком проводнике с током, вокруг дуги образуется магнитное поле. Продольная составляющая этого поля Но придает потоку заряженных частиц
вращательное движение — вращает дугу
(рис. 3.12). При плавящемся электроде
продольная составляющая магнитного
поля оказывает значительное влияние на
отрыв капель от электрода и их перенос
через дугу.
При взаимодействии магнитного
поля сварочной дуги с внешними магнитными полями, возникающими вокруг
свариваемых деталей или вокруг токопроводящих проводов, дуга отклоняется
Рис. 3.12
от оси электрода (так называется магнитное дутье) (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Влияние внешнего магнитного поля на дугу в зависимости от места токоподвода
38
ЛЕКЦИЯ 3
Магнитное дутье проявляется при сварке на постоянном токе и из-за отклонения дуги может привести к образованию дефектов в виде подрезов и непроваров.
При сварке на переменном токе магнитное дутье значительно слабее.
Контрольные вопросы
1. Какие условия определяют возможность стабильного горения дуги?
Что такое эмиссия электронов и ионизация газов?
2. Перечислите виды эмиссии электронов и условия их осуществления.
3. Как протекает ионизация молекул и атомов в дуговом промежутке?
Назовите виды ионизации.
4. Что такое потенциал ионизации? От чего он зависит? Что такое эффективный потенциал ионизации?
5. Расскажите о строении электрической дуги.
6. От чего зависит напряжение на дуге?
7. Что такое вольтамперная характеристика дуги?
8. Каким способам дуговой сварки соответствуют дуги с падающей, жесткой и возрастающей характеристикой?
9. Перечислите факторы, влияющие на температуру столба дуги.
10. Назовите основные требования, предъявляемые к сварочным источникам тепла.
11. От чего зависит полная тепловая мощность сварочной дуги?
12. Что такое коэффициент полезного действия сварочного источника?
Сравните коэффициент полезного действия дуги при сварке неплавящимся
электродом в защитных газах, при сварке штучными электродами и при автоматической сварке под флюсом.
13. Как распределяется тепловой поток по пятну нагрева? Что такое коэффициент сосредоточенности источника тепла?
14. Как влияет продольное и поперечное магнитные поля на сварочную
дугу?
39
ЛЕКЦИЯ 4
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ.
ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ.
СТРОЕНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
4.1. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Как уже отмечалось, для соединения заготовок или изделий с помощью
сварки плавлением необходим концентрированный ввод тепла в свариваемое
изделие. Иными словами, необходимы и высококонцентрированные источники
тепла. Одним из таких источников, широко применяемых на практике, как уже
упоминалось, является электрическая дуга.
Электрическая дуга, перемещаемая вдоль линии соединения деталей, является подвижным источником тепла. Скорость перемещения дуги вдоль линии
соединения называется скоростью сварки (Vсв).
Температурное поле в свариваемом металле (распределение температур в
изделии) зависит от расстояния данной точки до источника тепла и меняется во
времени, т. е. Т = f (х, у, z, t).
Рассмотрим распределение температуры в свариваемом металле при
сварке двух пластин встык. В связи с малой толщиной пластины (до 5 мм)
можно считать, что пластина прогревается на всю толщину равномерно, т. е.
∂ Т/ ∂ z = 0 (рис. 4.1).
Рис. 4.1. Схема электродуговой сварки
Здесь начало координат (точка 0) связано с подвижным тепловым источником, в нашем случае — с центром ввода тепла сварочной дуги.
40
ЛЕКЦИЯ 4
По мере приближения дуги к точке (1), расположенной на оси шва (на оси Х),
температура в этой точке нарастает и достигает максимума при прохождении
центра дуги (0) через точку (1) (рис. 4.2). Затем, с удалением дуги, температура
в этой точке начинает постепенно уменьшаться. Тепло, введенное в точку (1),
распространяется в более холодные прилегающие участки металла, и в точках
2, 3, 4 также будет нарастать температура. Так как тепло в эти точки передается
в основном за счет теплопроводности металла, то максимальная температура в
них наблюдается позже прохождения дуги через точку (1).
Причем, чем дальше находится от оси шва точка замера температуры, тем
позже она достигает максимума и тем ниже максимальная температура в этой
точке (рис. 4.2).
Рис. 4. 2. Изменение температуры в различных точках сварного соединения
во времени (а) и распределение температуры поперек шва (б)
Чем ближе к оси шва находится точка, тем выше ее температура, тем
большее время она пребывает при высокой температуре. А величина температуры и время пребывания металла при этой температуре играют решающую
роль во взаимодействии металла в зоне сварки с окружающей средой и в формировании структуры металла шва и прилегающих к нему зон.
Чем выше концентрация теплового потока от сварочного источника (количество тепла на единицу нагреваемой поверхности qr), тем уже зона нагрева по
оси (у), тем меньше время пребывания металла в опасном интервале температур. Величина теплового потока в зависимости от расстояния до центра пятна
определяется выражением
2
qr = qmax ⋅ e − kr ,
где qmaх — максимальная плотность теплового потока в центре пятна нагрева,
кал/см2 с или Дж/м2 с; r — расстояние от центра пятна; k — коэффициент сосредоточенности источника, зависит от размеров нагреваемой площади и тепловой мощности источника (табл. 10).
41
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ,
СТРОЕНИЕ
Таблица 10
Величина коэффициента сосредоточенности
для некоторых сварочных источников
Источник тепла
Ацетиленокислородное пламя
Дуга с неплавящимся W- электродом
Автоматическая сварка под флюсом
qmaх, кал/см2 с
50—122*
500—600
6000
K, см –2
0,17—0,39
6—14
6—10
Примечание. * В зависимости от номера наконечника газовой горелки.
4.2. СВАРОЧНАЯ ВАННА
Металл, ограниченный изотермической поверхностью Т = Тпл., образует
ванну расплавленного металла — сварочную ванну. В эту расплавленную зону
поступает еще и расплавленный электродный или присадочный металл. Этот
металл, проходя через высокотемпературную зону столба, энергично взаимодействует с атмосферой столба дуги и получает некоторые изменения в химическом составе.
При нагреве полубесконечного тела неподвижной сварочной дугой
(Vсв = 0) тепло, вводимое в металл, распространяется по всем трем координатам
с одинаковой скоростью. Поэтому в любой момент времени изотермические
поверхности в этом случае представляют собой полусферы (рис. 4.3а).
Рис. 4.3. Изменение очертания сварочной ванны с увеличением скорости
сварки или уменьшением теплопроводности свариваемого металла:
а) Vсв. = 0; б) Vсв1 < Vсв2 < Vсв3; λ1 > λ2 > λ3
42
ЛЕКЦИЯ 4
Перемещение дуги по оси Х вследствие тепловой инерции металла смещает центр ввода тепла (0) относительно изотермы в сторону движения дуги
(т. е. в направлении Х уменьшается расстояние (а) от точки ввода тепла до изотермы плавления). При этом с увеличением скорости сварки величина (а)
уменьшается (а3 < a2 < a1; ао — расстояние от точки ввода тепла до изотермы
плавления при неподвижной дуге).
Чем выше коэффициент теплопроводности свариваемого металла (например, медь), тем распределение температур в металле при движущемся источнике тепла приближается к схеме нагрева с неподвижным источником (рис. 4.3а).
С уменьшением теплопроводности величина (а) уменьшается и ванна вытягивается, как при увеличении скорости сварки (рис. 4.3, б).
В сварочной ванне различают головную (переднюю) и хвостовую (заднюю) части (рис. 4.4).
Рис. 4.4. Строение сварочной ванны (вид сверху):
MNP — головная часть сварочной ванны и ее длина lгол.;
PRM — хвостовая часть сварочной ванны и ее длина lхв; Lв — общая длина ванны
В головной части ванны протекает процесс плавления свариваемого металла, а в хвостовой — процесс кристаллизации.
В сечении по линии RN сварочная ванна представляет собой сосуд, в котором под действием механических и электромагнитных сил из-под дуги выдувается жидкий металл, образуя углубление (рис. 4.5).
43
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ,
СТРОЕНИЕ
Рис. 4.5. Продольный разрез сварочной ванны:
ST — фронт плавления основного металла; TR — фронт кристаллизации сварочной ванны
Кристаллизация сварочной ванны
Металл сварочной ванны кристаллизуется в специфических условиях, которые, в отличие от условий кристаллизации металла при литье, заключаются в
следующем.
а) кристаллизация металла в сварочной ванне осуществляется при непрерывном вводе в металл сварочной ванны тепла от сварочного источника. Фронт
кристаллизации сварочной ванны перемещается за движущимся источником
сварочного тепла со скоростью сварки Vсв;
б) кристаллизация металла начинается и развивается от центров кристаллизации, находящихся в переохлажденной зоне расплава, у которого Траспл. < Тпл..
Но в сварочной ванне вследствие высоких градиентов температур, протяженность такой зоны ничтожно мала. Поэтому основную роль центров кристаллизации выполняют частично оплавленные зерна основного металла (рис. 4.6);
в) кристаллы в сварочной ванне растут в направлении, обратном максимальному теплоотводу. Фактический отвод тепла, необходимый для кристаллизации металла, определяется разностью отвода и подвода тепла в различных
участках границы раздела твердой и жидкой фаз. Правее линии МР (см. рис.
4.4) подвод тепла в ванную превышает теплоотвод, поэтому по линии MNP
идет процесс плавления. Левее линии МР (хвостовая часть ванны) по линии
MRP осуществляется рост кристаллов.
Скорость роста кристаллов определяется скоростью теплоотвода.
44
ЛЕКЦИЯ 4
Рис. 4.6. Поперечный разрез сварочной ванны:
а — ванна под дугой, б — дуга переместилась в направлении сварки
В точках М и Р теплоотвод равен нулю (количество подводимого и отводимого тепла равны), поэтому скорость роста кристаллов в этих точках равна
нулю. Максимальная скорость теплоотвода, и следовательно максимальная
скорость роста кристаллов, будет в наиболее удаленной от дуги точке R. Изменение скорости роста кристаллов в сварочной ванне от границы сплавления
(точка Р) до оси шва (ось ХХ) определяется формулой
Vкр = Vсв Cos α ,
где α — угол между направлением сварки направлением теплоотвода (перпендикуляр к поверхности сварочной ванны).
В точках М и Р угол между направлением теплоотвода и направлением
сварки равен 90о, следовательно, Vкр = 0. В точке R (ось шва) α = 0 и скорость
роста кристаллов в ней максимальна Vкр = Vсв.
Особенности условий кристаллизации сварочной ванны обусловливают
формирование в металле крупнозернистой (т. к. мало центров кристаллизации)
и направлений столбчатой структуры. Такая структура обладает пониженными
прочностными и пластическими свойствами. Поэтому улучшение структуры
металла шва является одной из важных проблем при производстве металлоконструкций.
4.3. ФОРМИРОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
Под действием тепла сварочной дуги свариваемые кромки нагреваются до
температуры, превышающей температуру плавления свариваемого металла
(рис. 4.7).
Зона, нагретая выше Тпл., переходит в жидкое состояние (плавится), и под
действием сил Ван-дер-Ваальса обе расплавленные кромки (рис. 4.7а) сливаются в общий объем — сварочную ванну.
Для компенсации выгорающего и разбрызгиваемого металла, а также для
увеличения рабочего сечения шва в сварочную ванну вводится в виде расплавленных капель электродный металл.
45
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ,
СТРОЕНИЕ
Рис. 4.7. Образование (а) и строение (б) сварного соединения:
а и б — ширина шва и проплава соответственно;
h1 и h2 — высота шва и проплава соответственно;
δ — толщина основного (свариваемого) металла: 1 — металл шва;
2 — зона сплавления; 3 — зона термического влияния; 4 — основной металл
Поэтому после кристаллизации сварочной ванны металл шва имеет большую, чем основной металл ( δ ), толщину на величину h1 + h2 (см. рис. 4.7б). В
расчетах на прочность сварных соединений учитывается общая высота шва
Н = δ + h1 + h2. Кроме того, в нормативах оговариваются остальные размеры:
ширина шва (а) и ширина проплава (в). Для угловых швов регламентируется
катет шва (к).
4.4. СТРОЕНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ
В сварном соединении различают четыре зоны (см. рис. 4.7, б): 1 — металл
шва, 2 — зона сплавления, 3 — зона термического влияния или околошовная
зона, 4 — основной металл.
1. Металл шва — результат переплава основного и электродного (присадочного) металлов. Если электродная проволока по химическому составу отличается от свариваемого металла, то концентрацию i-го элемента можно ориентировочно вычислить, учитывая соотношение долей основного и присадочного
металлов в шве (рис. 4.8).
Доля основного металла в шве:
γ ом = F1/Fш,
где Fм = F1 + F2+ F3 — общая площадь шва.
Доля электродной проволоки:
γ э = (F1+ F2)/ Fш.
46
ЛЕКЦИЯ 4
Если проволока содержит Сэ процентов i-го элемента, а основной металл —
Сом, то содержание этого элемента в шве будет равно
Сш = γ эСэ + γ ом Сом.
Рис. 4.8. Участие основного и присадочного металлов в формировании шва:
F1 — площадь сечения шва, полученная за счет расплавления кромок основного металла;
F2 и F3 — площади сечения шва, полученные за счет электродной проволоки
2. Зона сплавления. Конструкционные
стали, являющиеся сплавами железа с углеродом и раскисляющими или легирующими элементами (Mn, Si, Cr, Cu и др.), в
отличие от чистого железа кристаллизуются в некотором интервале температур.
При этом чем больше в стали концентрация этих элементов, тем шире интервал
кристаллизации (рис. 4.9).
При нагреве свариваемого металла
дугой температура уменьшается с удалением от центра дуги (рис. 4.10) и поэтому
свариваемый металл, нагретый в интерваРис. 4.9. Изменение температур
ле температур Тл — Тс = ∆Ткр, в зоне толликвидуса (Тл) и солидуса (Тс)
щиной ∆Х будет находиться в двухфазном
в зависимости от содержания
твердожидком состоянии. То есть эта зона
легирующих элементов в сплаве:
∆Ткр. = Тл — Тс — интервал
будет состоять из частично оплавленных
сплава (1-1)
кристаллизации
зерен, между которыми находится жидкая
фаза. Зона сплавления играет важнейшую
роль в формировании прочного сварного соединения, т. к. на базе этих частично оплавленных зерен начинается рост кристаллов металла шва. И по сути дела
эта зона является ответственной за прочность соединения металла шва с основным металлом.
47
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ,
СТРОЕНИЕ
3. Зона термического влияния —
это зона, в которой под действием тепла, отводимого от сварочной ванны в
основной металл, проходят структурные изменения, приводящие к изменению прочностных и пластических
свойств металла. Сплавы на основе железа, в частности углеродистые стали,
широко используются для изготовления различных металлических конструкций и изделий.
Для сварных конструкций наибольшее применение получили низкоРис. 4.10
углеродистые стали, содержащие до
0,2—0,25 % С. Достаточно хороший комплекс свойств этих сталей, который дает возможность при сварке получать равнопрочные основному металлу сварные
соединения, позволяет применять их при изготовлении металлических строительных конструкций, котлов, корпусов судов и т. д.
Основным легирующим элементом малоуглеродистых сталей, обеспечивающим предел прочности при растяжении около 40 кгс/мм2 (~390 Мн/м2), при
относительном удлинении более 20 % и ударной вязкости более 15 кгс м/см2
(~1,5 МДж/м2), является углерод. Марганец в них содержится в относительно
небольших количествах (около 0,4 %). Кипящие стали содержат до 0,03 % Si, а
спокойные — до 0,3 % Si (т. е. в 10 раз больше).
Низкоуглеродистые нелегированные стали малочувствительны к скорости
охлаждения и практически не закаливаются (т. е. в них даже при очень больших
скоростях охлаждения не образуется мартенситная структура). Поэтому свойства металла после сварки по сравнению с горячекатаным состоянием изменяются мало. При сварке холоднокатаных листов в околошовной зоне наблюдается снижение прочности из-за снятия наклепа при высоких температурах.
Для этой группы сталей успешно применяют контактную электросварку,
ручную дуговую штучными электродами, автоматическую и полуавтоматическую под флюсом и в защитной атмосфере углекислого газа, электрошлаковую
(для сварки металла больших толщин) и газовую (для тонкого металла).
Зона термического влияния при сварке низкоуглеродистой стали может
быть охарактеризована в связи с диаграммой состояния Fe-C (рис. 4.11). В околошовной зоне (зоне термического влияния) можно выделить 5 участков или
зон (рис. 4.11).
Рассмотрим эти зоны применительно к сварному соединению из низкоуглеродистой стали (С ≤ 0,25 %):
1 — зона сплавления имеет небольшую ширину, т. к. интервал кристаллизации малоуглеродистых сталей невелик (около 30—40 оС) — 0,08—0,1 мм при
дуговой сварке и 0,15—0,20 при газовой;
48
ЛЕКЦИЯ 4
2 — зона перегрева. Металл, характеризуемый крупнозернистой структурой, в этой зоне нагревался выше 1000оС, поэтому здесь происходил интенсивный рост зерна. Чем ближе к зоне сплавления, тем крупнее зерно. Эта структура называется видманштеттовой и характеризуется большой хрупкостью (ударная вязкость падает в 5—7 раз по сравнению с вязкостью основного металла).
3 — участок, нагреваемый в интервале температур 900—1000 оС, характеризуется мелкозернистой структурой и высокими прочностными свойствами
(прочностью, пластичностью, вязкостью) — зона нормализации.
4 — участок, нагревавшийся в интервале температур 750—900 оС, характеризуется почти не изменяющимся ферритным зерном с некоторым дроблением и сфероидизацией перлитных участков (зона перекристаллизации).
5 — зона, нагревавшаяся до температуры ниже 500 оС, почти не меняет
свою структуру горячекатаной стали, в холоднокатаной стали в этой зоне происходит отжиг (снятие наклепа) и собирательная рекристаллизация — укрепление зерен.
Рис. 4.11. Строение околошовной зоны:
а — распределение температуры в сварном соединении; б — диаграмма состояния Fe-C;
в — изменение твердости стали в околошовной зоне (перпендикулярно оси шва)
49
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ,
СТРОЕНИЕ
Чем концентрированнее нагрев металла в зоне сварки, тем меньше общая
протяженность зоны термического влияния. Ширина этой зоны в некоторой
степени зависит от толщины свариваемого металла (табл. 11).
Таблица 11
Ширина участков зоны термического влияния
при сварке низкоуглеродистой стали
Ширина участков зоны
термического влияния, мм
Толщина металла, мм
Зона сплавления (зона № 1)
Зона перегрева (зона № 2)
Зона нормализации
(зона № 3)
Участок частичной перекристаллизации (зона № 4)
Участок рекристаллизации
(зона № 5)
Общая ширина зоны
термического влияния, мм
Способ сварки
ЭлектроГазовая
шлаковая
3
10
50
0,2
0,15—0,2
0,15
4—7
10—12
3—5
Дуговая
10
0,1
1,0
3—5
9—10
3—4
1,5—2,0
3,0
5,0
2—5
1,0
4,0
8,0
5—7
1,5—2,0
12—13
25,0—30,0
15—20
3,0—5,5
При сварке закаливающихся сталей в околошовной зоне и в металле шва
образуется закалочная мартенситная структура, которая обладает высокой
прочностью, твердостью, но имеет низкую пластичность. Образование мартенситной структуры связано со скоростью охлаждения металла и температур выше температуры ТАС3 (линия GS на диаграмме Fe-C на рис. 4.12).
Низкоуглеродистые низколегированные стали малочувствительны к изменению скорости охлаждения с температурой ТАС3. Повышение содержания углерода в стали или введение легирующих элементов в низкоуглеродистые стали
затормаживает распад аустенита (переход аустенита в феррит) при охлаждении.
В результате металл приобретает значительную упругость: вместо феррита выделяются иглообразные структурные образования — мартенсит. Чем ниже температура распада аустенита, тем более вероятно образование мартенситной
структуры. Температура распада аустенита зависит от химического состава
стали и скорости охлаждения металла. С повышением концентрации легирующих элементов и скорости охлаждения возрастает вероятность появления в металле закалочной структуры (рис. 4.12). Итак, увеличение содержания углерода
и легирующих элементов в стали, увеличение скорости ее охлаждения от температуры выше ТАС3 приводят к образованию мартенситной структуры. У низкоуглеродистых сталей распад аустенита происходит при высоких температу50
ЛЕКЦИЯ 4
рах, когда образование мартенсита невозможно. Поэтому низкоуглеродистые
стали не подвержены закалке даже при больших скоростях охлаждения.
Так как в этом случае образование новой структуры (мартенсита) происходит в твердом металле внутри старой структуры (в аустените), это превращение
сопровождается появлением внутренних напряжений, которые могут привести
к образованию так называемых холодных трещин.
В связи со сказанным, при сварке средне-, высокоуглеродистых и легированных сталей в околошовной зоне образуется мартенситная структура и наблюдаются участки с повышенной твердостью и низкой пластичностью (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Распределение твердости
в сварном соединении
перпендикулярно оси шва
Рис. 4.12. Температура распада
аустенита в зависимости от скорости
охлаждения (ϖ град/с):
1 — низкоуглеродистые стали;
2 — закаливающиеся
углеродистые и легированные стали
Для исключения образования холодных трещин при сварке закаливающихся
сталей приходится усложнять технологию сварки (предварительный и сопутствующий подогревы, уменьшение скорости охлаждения сварных деталей и др.).
Основным элементом, увеличивающим закаливаемость и прокаливаемость
сталей, является углерод. Ориентировочно влияние других элементов, снижающих скорость распада аустенита (т. е. увеличивающих закаливаемость),
можно оценить с помощью эквивалентных коэффициентов, определенных экспериментально. Оценка склонности к закалке данной стали производится с помощью вычисления эквивалентного содержания углерода:
Сэ = С + Mn/6 + Cr/5 + V/5 + Mo/4 + Ni/15 + Cu/13 + P/2,
где C, Mn, Cr, V, Mo, Ni, Cu и Р — содержание в стали в процентах соответствующих элементов, причем, если Cu < 0,5 %, а Р < 0,5 % эти элементы не учитываются.
51
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ. ОБРАЗОВАНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ,
СТРОЕНИЕ
В случае если Сэ больше 0,45—0,55 %, в зависимости от толщины металла
рекомендуется применять предварительный подогрев.
В отечественной практике ряд низколегированных сталей повышенной
прочности с большим эквивалентным углеродом (до Сэ ~ 0,70 %) сваривают
низководородистыми электродами с применением специальной технологии
(предварительный и сопутствующий подогрев: многослойная сварка «горкой»,
когда каждый предыдущий валик служит подогревом при наложении последующего; наложение отжигающих валиков и др.).
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте температурное поле в свариваемом металле в процессе сварки плавлением.
2. От чего зависит ширина зоны нагрева свариваемого металла до высоких температур? Дайте характеристики сварочных источников тепла с точки
зрения сосредоточенности их теплового потока.
3. Расскажите о процессе формирования сварного соединения при сварке плавлением.
4. Опишите строение сварочной ванны. Какие факторы влияют на форму
сварочной ванны?
5. Перечислите особенности кристаллизации сварочной ванны. От чего
зависит скорость кристаллизации в различных точках сварочной ванны?
6. Расскажите о строении сварного соединения.
7. Как ориентировочно определить химический состав металла шва, если
известны составы электродной проволоки и основного металла?
8. Дайте характеристику зоне сплавления в сварном соединении.
9. Что такое зона термического влияния?
10. Дайте характеристики структур зоны термического влияния в сварных
соединениях низкоуглеродистой стали.
11. Сравните ширину зоны термического влияния и ее участков при различных способах низкоуглеродистой стали.
52
ЛЕКЦИЯ 5
СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ
Кроме напряжений и деформаций, возникающих в элементах металлоконструкций под действием приложенных нагрузок, в них могут быть так называемые собственные напряжения, которые существуют даже при отсутствии
воздействия каких-либо внешних сил. Причины образования собственных напряжений весьма разнообразны (механическое упругое или пластическое деформирование деталей при сборке, монтаже и правке, структурные и фазовые
превращения в процессе нагрева и охлаждения металла, упругие и пластические деформации вследствие неравномерного нагрева детали и др.).
Основной причиной возникновения собственных напряжений в сварном соединении является неравномерный нагрев свариваемого изделия.
В результате местного (неравномерного) нагрева металла, обусловленного
воздействием концентрированного источника тепла, в сварной конструкции
возникают временные и остаточные сварочные напряжения.
Временные сварочные напряжения —
это изменяющиеся по величине и направлению собственные напряжения, возникающие в конструкции при сварке в процессе изменения температуры. В каждой
точке сварного соединения термический
цикл (изменение температуры во времени)
состоит из двух стадий — стадии нагрева
(1), когда к данной точке приближается
сварочный источник, и стадии охлаждения
(2), когда источник сварочного тепла удаРис. 5.1. Термический цикл
ляется от этой точки (рис. 5.1).
в
точке сварного соединения:
Напряжения, остающиеся в сварной
1 — стадия нагрева;
конструкции после окончания сварки и пол2 — стадия охлаждения
ного ее остывания, называют остаточными
сварочными напряжениями. Они, как уже
было сказано, возникают в результате затрудненного расширения и сжатия металла в процессе его нагрева и охлаждения.
В высокотемпературных зонах, когда предел текучести металла падает до
нуля, под действием временных сварочных напряжений возникают пластические деформации, приводящие к изменению формы и размеров конструкций.
Остаточные сварочные напряжения и деформации могут привести к снижению работоспособности сварных конструкций. Изменение формы изделия и
отдельных ее элементов из-за сварочных деформаций, приводят, как правило, к
перераспределению сил от рабочих нагрузок и к дополнительному нагружению
сварного соединения, часто не предусмотренному в расчетах. Остаточные сварочные напряжения при работе конструкции могут складываться (суммиро53
СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ
ваться) с напряжениями от внешних нагрузок и снижать работоспособность изделия. Особенно опасны они при знакопеременных нагрузках. Сварочные напряжения могут спровоцировать возникновение трещин в шве или околошовной зоне, особенно в сварных соединениях большого сечения или из высокопрочных материалов, где пластичность металла невелика.
Все это обусловливает необходимость изучения причин возникновения
сварочных напряжений и деформаций и способов борьбы с ними.
5.1. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СОБСТВЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ НАГРЕВЕ И ОХЛАЖДЕНИИ МЕТАЛЛА
Для более четкого представления о причинах возникновения деформаций и
напряжений при сварке рассмотрим три варианта нагрева и охлаждения металлического стержня диаметром do и lo.
1. Равномерный нагрев и охлаждение стержня в свободном состоянии
(рис. 5.2, а).
Рис. 5.2. Схема равномерного нагрева и охлаждения металлического стержня:
а — стержень в свободном состоянии; б — при противодействии удлинения
в процессе нагрева; в — стержень с защемленными концами
Пусть стержень длиной lo и диаметром do равномерно нагревается от температуры То до Т. Вследствие того, что с повышением температуры расстояния
между атомами в кристаллической решетке увеличиваются, происходит увеличение его объема. Длина стержня при температуре Т будет равна lT (увеличением диаметра пренебрегают):
lT = lo (1+α∆Τ ); ∆l = l N − l o = α∆Τ ,
где ∆Τ = T − To - разность между конечной и начальной температурами; α - коэффициент линейного расширения металла (для стали α = 12 ⋅ 10−6 1/град.).
54
ЛЕКЦИЯ 5
При охлаждении стержень сжимается и принимает первоначальные размеры.
В процессе равномерного нагрева и охлаждения все атомы стержня претерпевают одинаковые смещения, не встречая сопротивления, поэтому в
стержне не возникают никакие напряжения.
2. Нагрев и охлаждение стержня между жесткими стенками. В этом
случае свободному расширению стержня препятствуют жесткие (недеформируемые) стенки. Поэтому при нагреве стержень со стороны стенок испытывает
сжимающие напряжения, которые условно примем со знаком «минус» (- σ ).
Если величина этих напряжений не достигнет значений предела текучести
(-σ < σТ), то после охлаждения стержень примет первоначальное положение и
сжимающие напряжения исчезнут, как в упругосжатой пружине после снятия
усилий сжатия.
Если напряжения сжатия с процессе нагрева стержня достигнут величины
предела текучести (-σ = σΤ), при дальнейшем нагреве они не превысят его, вызывая при этом пластические деформации металла. Известно, что величина
предела текучести металлов уменьшается с повышением температуры и для
сталей при температурах выше 600 о С становится равной нулю (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Схема возникновения напряжений при нагреве и охлаждении стержня:
σ Τ — предел текучести; Т — температура, σ ο — остаточные напряжения:
а — нагрев и охлаждение стержня между жесткими стенками,
б — нагрев и охлаждение защемленного стержня
При нагреве стержня в стесненных условиях в нем с повышением температуры возрастают сжимающие напряжения (линия ОА на рис. 5.3, а) и при температуре ТА в точке А достигают величины предела текучести (- σ = σ Τ ). При
дальнейшем нагреве сжимающие напряжения остаются равными пределу теку55
СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ
чести (кривая АВ). С началом охлаждения стержня с температуры ТВ его длина
начнет сокращаться, а сжимающие напряжения — уменьшаться по линии В-ТД.
При температуре ТД напряжения сжатия со стороны стенок исчезнут (- σ = 0 ),
стержень выйдет из соприкосновения со стенками и сократится на величину -∆l
(см. рис. 5.2, б):
∆l = α (Το − Τ Д ),
т. к. Τ Д > Το , то ∆Τ < 0 и ∆l — величина отрицательная.
Таким образом, если в стержне при нагреве в стесненных условиях напряжения сжатия достигли предела текучести, стержень подвергается пластической деформации и после охлаждения становится короче первоначальной длины. Эта остаточная деформация называется усадкой.
3. Нагрев и охлаждение стержня с защемленными (закрепленными) концами (см. рис. 5.2, в).
При нагреве стержня с защемленными концами в нем, как и в предыдущем
случае, возникают сжимающие напряжения, которые при температуре ТА достигают предела текучести. При охлаждении до ТЕ или ТД напряжения, сжимающие напряжения, уменьшаются до нуля (- σ = 0 ) и, если бы стержень не
был жестко закреплен по концам, при дальнейшем охлаждении он свободно бы
укорачивался, как в предыдущем случае. Однако защемление концов стержня
препятствует его свободной усадке, поэтому при дальнейшем охлаждении в
нем возникают растягивающие напряжения (+ σ ), нарастающие по линии 1 или
2. После полного охлаждения стержня в нем остаются растягивающие напряжения, которые могут быть меньше или равны пределу текучести материала, из
"
"
которого изготовлен стержень ( σ ο < σ Τ и σ ο = σ Τ ).
Таким образом, во всех случаях, когда в процессе нагрева или охлаждения
металлического тела имеется препятствие для теплового расширения или усадки, в теле возникают остаточные напряжения.
5.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНОМ СОЕДИНЕНИИ
При сварке плавлением металл в зоне сварки нагревается мощным источником тепла до температур, превышающих температуру плавления свариваемого материала. В то же время участки металла, удаленные от сварочной ванны,
пребывают в твердом состоянии при более низких температурах. Иными словами, нагрев изделия при сварке неравномерный (рис. 5.4, а).
Представим себе, что две пластины, свариваемые встык, перед сваркой
были разрезаны на узкие продольные полоски и нижним торцом опирались на
какое-то основание (рис. 5.4, б). Затем нагреем каждую пластинку до температуры, соответствующей кривой распределения, показанной на рис. 5.4а. Очевидно, каждая свободная полоска получит удлинение пропорционально темпе56
ЛЕКЦИЯ 5
ратуре ее нагрева: ∆l Τ = α∆Τ . Чем ближе полоска к оси шва, тем выше температура ее нагрева, тем на большую величину она удлинится в соответствии с
рис. 5.4, б. Между тем реальное сварное соединение, как известно, не состоит
из отдельных не связанных между собой полосок. Все полоски связаны друг с
другом и деформируются таким образом, что верхний торец переместится в положение 1-1. То есть полоски вблизи оси шва удлиняются не на ∆l Τ = α∆Τ , а на
величину меньшую, равную ∆l ист , т. к. соседние более холодные участки, связанные с этими полосками, не дают им свободно удлиняться. В связи с этим
они испытывают внутренние (со стороны соседей) напряжения сжатия. Наоборот, периферийные менее нагретые полоски, связанные с центральными полосками, растягиваются до положения 1-1 и истинное удлинение всей пластины
будет равно ∆l ист (рис. 5.4, б).
Рис. 5.4. Схема образования остаточных деформаций и напряжений при сварке:
а — распределение температуры в сварном соединении поперек шва;
б — удлинение полосок металла, вырезанных вдоль шва в соответствии с распределением
температуры в процессе нагрева; в — то же после охлаждения 2с — ширина зоны сварного
соединения, нагретой до температуры выше 600 о С (когда у стали σ Τ = 0 )
При охлаждении будет наблюдаться обратная картина. Полоски, расположенные ближе к оси шва и нагретые до более высокой температуры, в свободном состоянии должны укоротиться на большую величину, чем периферийные.
Однако из-за связей с соседними более холодными полосками торец пластины
займет положение П-П (см. рис. 5.4, в). При этом центральные полоски удли57
СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ
нятся и испытают остаточные напряжения растяжения, а периферийные — напряжения сжатия. В целом после сварки пластина укоротится на некоторую величину ∆l и ∆b (рис. 5.5) и эпюра остаточных сварочных напряжений примет
вид, представленный на рис. 5.6. Растягивающие напряжения в зоне шва (+σ)
уравновешиваются сжимающими напряжениями в основном металле (-σ) уравновешиваются сжимающими напряжениями в основном металле (-σ).
Рис. 5.5. Продольные и поперечные деформации при сварке:
а — временные деформации, б — продольные остаточные сварочные деформации,
в — поперечные остаточные сварочные деформации
Рис. 5.6. Эпюра поперечных (а) и продольных (б) остаточных напряжений
в сварном соединении
58
ЛЕКЦИЯ 5
Уменьшение размеров изделия после сварки приближенно можно определить по следующим формулам:
продольное укорочение:
∆l = k
q lο
⋅ ;
V Fш
поперечное укорочение:
∆в = k
q bο
,
⋅
V Fш
где k — коэффициент, зависящий от теплофизических свойств свариваемого
металла (для низкоуглеродистой стали k — 0,83 10-6 см3/кал); q — 0,24ηиUI —
тепловая мощность сварочной дуги (кал/с); V — скорость сварки; l ο и вο —
первоначальные размеры свариваемых пластин; Fш — площадь сечения сварного шва; V — скорость сварки; l ο и вο — первоначальные размеры свариваемых пластин; Fш — площадь сечения сварного шва.
Величина остаточных напряжений ( σ ост ) определяется разностью между
истинными εист и свободными тепловыми εт относительными деформациями в
данном сечении сварного соединения:
σ ост = (ε ист − ε Τ ) Е,
где ε ист =
∆l ист
∆l
и ε Τ = Τ ; Е — модуль упругости свариваемого металла.
lο
lο
Контрольные вопросы
1. Что является причиной возникновения собственных (внутренних) напряжений в сварном соединении? Какие виды напряженного состояния могут быть в
сварных соединениях (временные и остаточные сварочные напряжения)?
2. Расскажите о механизме возникновения собственных напряжений при
нагреве и охлаждении металла на примере нагрева металлического стержня.
3. Перечислите причины увеличения объема металла при нагреве и
уменьшения при охлаждении. Как приближенно можно вычислить изменение
линейных размеров металлического тела при нагреве и охлаждении?
4. Опишите возникновение собственных напряжений в сварном соединении при сварке плавлением.
5. Нарисуйте эпюру распределения продольных и поперечных напряжений в сварном соединении при нагреве и охлаждении.
6. Расскажите об изменении размеров сварного изделия вследствие остаточных сварочных деформаций.
59
ЛЕКЦИЯ 6
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ
ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ
В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
6.1. ПРИНЦИПЫ УМЕНЬШЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ
СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ
Влияние остаточных напряжений и деформаций на эксплуатационные характеристики сварных соединений и конструкций весьма многообразно. Остаточные напряжения могут оказывать влияние на точность сварных конструкций
при механической обработке и последующей эксплуатации.
Снятие металла в зоне остаточных напряжений при механической обработке (фрезеровании, токарной обработке, сверлении и др.) вызывает изменение уже полученных размеров, что затрудняет последующую сборку и монтаж
конструкции.
Растягивающие остаточные напряжения снижают прочность при переменных нагрузках. Пластические деформации, вызванные сваркой, и остаточные
напряжения в ряде случаев оказывают отрицательное влияние на коррозионную
стойкость сварных соединений.
В процессе кристаллизации сварочной ванны, а также непосредственно после окончания сварки пластические деформации и растягивающие напряжения
могут вызвать появление горячих или холодных трещин.
Остаточные напряжения сжатия в листовых элементах конструкций, а
также прогибы, возникающие после сварки, снижают местную устойчивость
при действующих сжимающих нагрузках.
Пластические деформации металла в зоне повышенных температур (200—
о
300 С) вызывают изменение структуры металла. В этих зонах металл обладает
пониженной пластичностью, что может привести к хрупким разрушениям конструкции, особенно в условиях эксплуатации при пониженных температурах.
Такую же опасность представляют зоны с трехосными растягивающими напряжениями в сварных соединениях металла большей толщины.
Остаточные перемещения в элементах сварных конструкций вследствие
нарушения проектных форм и изменения размеров существенно затрудняют
сборку конструкций как в процессе изготовления, так и на заключительной стадии. Для их устранения требуются большие затраты труда.
Значительные изменения размеров изделия после сварки заставляют увеличивать припуск на механическую обработку. Коробление сварных конструкций увеличивает трудозатраты при сборке и монтаже изделий. Все сказанное
обусловливает необходимость принятия специальных мер по борьбе с остаточными сварочными напряжениями и деформациями.
60
ЛЕКЦИЯ 6
В основе известных методов уменьшения и устранения сварочных напряжений и деформаций лежат три принципа, на основании которых и построены
различные технологические приемы:
1. Уменьшение величины пластической деформации укорочения в процессе нагрева и уменьшение объема металла, участвующего в пластической деформации, достигается регулированием термического воздействия, например
уменьшением погонной энергии сварки, искусственным охлаждением, уменьшением количества сварных швов и их сечения, предварительным подогревом,
растяжением металла в процессе сварки в зоне нагрева и др.
Во всех этих случаях либо уменьшается пластическая деформация укорочения, возникающая в процессе нагрева, либо сокращается объем пластически
деформированного металла;
2. Пластическое деформирование металла в зонах, где возникли пластические деформации укорочения.
В идеальном случае, при достижении равенства тех и других, величина остаточных деформаций оказывается равной нулю. Приемами, основанными на
этом принципе, являются проковка, прокатка, растяжение после сварки, изгиб,
закрепление в приспособлениях, высокий термический отпуск.
Во всех этих случаях, либо в процессе сварки, либо чаще после сварки создается пластическая деформация, уменьшающая остаточные деформации укорочения;
3. Компенсация возникающих деформаций путем создания предварительных деформаций противоположного знака.
Например, предварительный пластический изгиб перед сваркой, симметричное расположение швов, рациональная последовательность сборки и сварки,
термическая правка, создающая укорочение металла в необходимых зонах и др.
Все эти методы можно условно подразделить на две группы:
1) методы уменьшения остаточных напряжений;
2) методы уменьшения сварочных деформаций.
В зависимости от назначения конструкции в одних случаях основное внимание уделяется уменьшению остаточных напряжений, в других — деформаций. Разумеется, при изменении величины остаточных деформаций изменяется
и напряженное состояние.
6.2. УМЕНЬШЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Все методы уменьшения остаточных напряжений также можно разделить
на две группы:
1) уменьшение сварочных напряжений в процессе изготовления сварных
конструкций;
2) уменьшение напряжений в готовых узлах и конструкциях.
61
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
6.2.1. Снижение сварочных напряжений
в процессе изготовления конструкций
Учитывая, что причиной возникновения сварочных напряжений является
неравномерный нагрев сварного соединения, вследствие чего расширение и
усадка металла в высокотемпературной зоне протекает в стесненных условиях,
основным направлением снижения сварочных напряжений следует считать
способы, способствующие уменьшению неравномерности распределения температуры в изделии.
Для этой цели применяют предварительный и сопутствующий подогревы.
Более равномерный нагрев и охлаждение сварного соединения обеспечивают
также порядок наложения швов и направление сварки каждого участка шва или
слоя (при многопроходной сварке).
Предварительный и сопутствующий подогревы
Дополнительный нагрев свариваемых деталей и узлов обеспечивает более
равномерные расширение и усадку металла, а также понижает предел текучести
металла в процессе сварки.
Применяют предварительный (перед сваркой) и сопутствующий нагревы
свариваемых изделий.
Предварительный подогрев (общий) осуществляют в термических печах
(малогабаритные детали и узлы) или местный — с помощью нагрева ацетиленокислородным пламенем индукционным нагревом и электрическими нагревателями в зоне сварки.
Установлено, что при подогреве до температуры 200оС остаточные напряжения, по сравнению со сваркой без подогрева, снижаются почти на 30 %. Более высокая температура подогрева дает еще более благоприятные результаты.
Температура предварительного подогрева зависит от химического состава и
толщины свариваемого металла, а также от жесткости конструкции (при малой
жесткости высокотемпературный подогрев может привести к недопустимым
короблениям).
Предварительный подогрев влияет и на скорость охлаждения металла в
высокотемпературной зоне сварного соединения. А скорость охлаждения, в
свою очередь, определяет протекание структурных превращений в твердом металле — в шве и околошовной зоне (в частности, образования закалочных
структур).
В связи с этим, чем больше углерода и легирующих элементов в стали, чем
больше толщина свариваемого металла и жесткость конструкции, тем до более
высокой температуры необходимо подогревать свариваемые элементы. На
практике температура предварительного подогрева находится в интервале
150—500оС.
Сопутствующий (местный) подогрев осуществляют в процессе сварки с
помощью источника подогревающего тепла, движущегося перед сварочной дугой (газовое пламя, электрическая дуга, индуктор ТВЧ и др. — рис. 6.1).
62
ЛЕКЦИЯ 6
Рис. 6.1. Сварка с сопутствующим подогревом: а — схема процесса;
б — распределение температуры вдоль шва; в — поперек шва
Порядок наложения швов
и направление сварки
Порядок наложения швов. Для уменьшения величины остаточных напряжений необходимо укладывать швы в такой последовательности, при которой
обеспечивается более равномерный нагрев изделия и возможно большая свобода перемещения свариваемых элементов в процессе сварки. Например, если в
соединении имеются стыковые и валиковые (нахлесточные) швы, то в первую
очередь укладывают стыковые швы, имеющие большую усадку, а затем выполняют валиковые нахлесточные швы (рис. 6.2, а).
В двутавровых балках приварка ребер жесткости, косынок, накладок, увеличивающих жесткость изделия и затрудняющих свободу перемещения элементов в процессе сварки, производится в последнюю очередь (рис. 6.2, б).
Рис. 6.2. Порядок выполнения стыковых и нахлесточных швов (а)
и сварки двутавровых балок (б)
Направление сварки. При сварке протяженных швов напроход свариваемые листы вследствие продольного укорочения при остывании стремятся согнуться, как показано на рис. 6.3, а.
При этом в центральной зоне сварного соединения возникают продольные
растягивающие напряжения, которые в сочетании с поперечными растягиваю63
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
щими напряжениями могут привести к значительному снижению пластичности
металла и к появлению трещин.
Рис. 6.3. Распределение сварочных напряжений при сварке напроход (а)
и при разбивке шва на участки (б)
Металл наиболее пластичен при одноосном нагружении, а двухосное и тем
более трехосное нагружение резко снижают пластичность металла и повышают
вероятность хрупкого разрушения. Поэтому вероятность появления трещин в
сварном соединении от сварочных напряжений возрастает с увеличением толщины свариваемых элементов.
Для уменьшения величины сварочных напряжений рекомендуется сварку выполнять от середины к краям (рис. 6.4, а), а при укладке протяженных
швов разбивать шов на участки длиной 150—350 мм так, чтобы к началу
сварки следующего участка температура металла в зоне сварки была в пределах 200—300 оС.
.
Рис. 6.4. Способы укладки швов:
а — при однопроходной сварке для швов небольшой длины;
б — при выполнении протяженных швов
64
ЛЕКЦИЯ 6
Рис. 6.4 (окончание). Способы укладки швов:
в — при выполнении протяженных швов; г — обратноступенчатый способ укладки
двухслойного шва; д — способ «двойного слоя»
При сварке элементов большой толщины (многопроходных швов) при меняют укладку швов «горкой» и «каскадом» (рис. 6.5).
65
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
а)
б)
в)
г)
Рис. 6.5. Укладка многопроходных швов:
а — поперечное сечение одностороннего трехслойного шва;
б — заполнение одностороннего шва «каскадом»;
в — поперечное сечение двухстороннего многослойного шва;
г — заполнение многослойного шва «горкой»
66
ЛЕКЦИЯ 6
6.2.2. Уменьшение сварочных напряжений
в готовых узлах и конструкциях
Термические способы
Наиболее эффективным методом уменьшения остаточных напряжений является общий высокий отпуск. Высокий отпуск является практически единственным методом, когда одновременно с уменьшением напряжений происходит
восстановление пластичности металла, снижение структурных напряжений по
всему объему металла сваркой конструкции. В случае необходимости остаточные напряжения можно снизить на 85—90 % от исходных значений.
Высокий отпуск состоит из 4 ста- TOC
дий: нагрева, выравнивания температур
по длине и сечению сварного узла, выдержки и охлаждения (рис. 6.6).
Продолжительность нагрева и выравнивания температур зависит от размеров сечения деталей. Продолжительность выдержки при температуре отτ
пуска зависит как от структурных изменений при восстановлении пластичвыравн
охлажд
ности, утраченной в результате закалки,
Нагрев ивание выдержка
ение
деформационного старения и наклепа
металла, так и от необходимой степени
Рис. 6.6. Термический цикл
снижения остаточных напряжений.
при проведении высокого отпуска:
Экспериментальные данные покаТ — температура; t — время
зывают, что при температуре отпуска
650—680оС пластичность низкоуглеродистых сталей полностью восстанавливается в течение 2—3 часов. Снижение остаточных напряжений продолжается
и после двухчасовой выдержки, но процесс этот протекает очень медленно. Поэтому в большинстве случаев время выдержки назначают в зависимости от необходимой степени снижения напряжений. Чем ответственнее изделие, тем
меньше должна быть величина остаточных напряжений, тем более длительной
должна быть выдержка при температуре отпуска.
Многолетняя заводская практика выработала нормативы для продолжительности выдержки при отпуске в зависимости от толщины наиболее массивных элементов конструкций — 1 час на 20—50 мм толщины.
Если требуется значительное снижение остаточных напряжений, то его более эффективно можно достигнуть некоторым увеличением температуры отпуска (на 20—50оС), а не увеличением времени выдержки.
Эксперименты показывают, что повышение температуры отпуска на 30—
о
50 С дает больший эффект, чем дополнительная выдержка в течение 10—
15 часов.
67
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Местный отпуск отличается от общего обычно средствами, с помощью которых осуществляется нагрев, а также тем, что при местном отпуске нагревается
до заданной температуры лишь часть сварной конструкции. Недостатком этого
способа является то, что при остывании неравномерно нагретой детали возникают вновь остаточные напряжения, величина которых зависит от жесткости детали и распределения температуры в ней. Основное назначение местного отпуска
заключается в восстановлении пластических свойств металла в зоне сварки и повышении сопротивляемости разрушениям. При местном отпуске необходимо
стремиться к тому, чтобы вновь возникающие остаточные напряжения были минимальны и находились вдали от зоны с концентраторами напряжений. Например, если при местном отпуске кольцевого стыка трубы концентрированным источником нагревалась узкая зона (рис 6.7, кривая 1), то при остывании, как и при
сварке, вновь будет возникать изгиб трубы с растяжением в корне шва. При нагреве менее концентрированным источником (кривая 2) остаточные напряжения
при остывании будут возникать в основном на некотором удалении от шва в
местах максимальных температур (заштрихованные зоны), а не в корне шва.
Разновидностью местного отпуска с целью снижения сварочных напряжений является поверхностное подплавление металла в околошовной зоне с помощью дуги с неплавящимся вольфрамовым электродом, горящей в среде аргона (рис 6.8).
Рис. 6.7. Распределение температур
при местном отпуске
сварных соединений
Рис. 6.8. Высокотемпературный
электродуговой нагрев околошовной зоны
(стрелками показаны обрабатываемые зоны)
При этом в зоне нагрева переход металла в жидкое и пластическое состояние сопровождается термическим расширением, которое направлено против
растягивающих напряжений в шве. Нагрев металла в околошовной зоне до температуры выше плавления естественно приводит к возникновению остаточных
напряжений в этой зоне. Но напряжения от дополнительного нагрева значительно меньше сварочных, т. к. объем расплавляемого металла при этом не68
ЛЕКЦИЯ 6
сравненно меньше объема металла шва. Обработка сварных соединений оплавлением участков околошовной зоны позволяет уменьшить остаточные сварочные напряжения на 60—70 %.
Механические методы уменьшения
остаточных напряжений
Все эти методы (проковка, прокатка, вибрационная обработка сварных соединений) основаны на создании пластической деформации металла в зоне
максимальных остаточных напряжений. Механические методы вызывают сравнительно неравномерное уменьшение напряжений.
Проковка металла производится непосредственно после сварки по горячему металлу или после остывания. Благодаря осадке металла в направлении удара происходит его расширение в двух других направлениях. Растягивающие
напряжения при этом снижаются до σcв (рис. 6.9), а при больших пластических
деформациях даже переходят в сжимающие Снятие сварных напряжений путем
проковки во избежание надрывов проводят в процессе остывания металла при
температурах либо выше 450 оС, либо при 150 оС и ниже, т. к. в интервале
450—200 оС сталь обладает пониженной пластичностью. При многослойной
сварке после выполнения корневого шва проковывают все последующие слои
σсв
+
-
Рис. 6.9. Изменение остаточных напряжений в металле шва
при пластической деформации металла в околошовной зоне:
σсв – растягивающие остаточные напряжения в шве; σсм – растягивающие пластические
деформации при механической обработке околошовной зоны; σсв –остаточные напряжения
в шве после механической обработки околошовной зоны
69
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
6.3. СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ
СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
6.3.1. Виды сварочных деформаций
Под действием сварочных напряжений изделие изменяет первоначальные
размеры и форму — деформируется. Деформации сварных конструкций подразделяются на следующие виды:
− временные и остаточные;
− местные и общие;
− плоскости и вне плоскости листа.
Временными деформациями называются деформации, величина которых
изменяется с течением времени. Они возникают в сварном соединении в процессе сварки при нагреве и охлаждении металла. Так как температура в сварном
соединении зависит от координаты точки, в которой замеряют температуру, и
изменяется во времени, то и деформации в различных точках изделия изменяются с течением времени.
Остаточные (сварочные) деформации — это изменение размеров и первоначальной формы сварной конструкции после полного охлаждения металла
до температуры окружающей среды.
Общие деформации связаны с изменением габаритных размеров изделия
(укорочение) и искривлением осей конструкции (рис. 6.10, а).
Рис. 6.10. Общие (а) и местные (б) деформации:
Lo и Lсв – длина балки до и после сварки;
∆lo – Lсв – величина укорочения балки в результате сварочных деформаций
Местные деформации относятся к отдельным элементам изделия и проявляются в виде волнистости (см. рис. 6.10 ), выпучин, «хлопунов» (рис.6.11),
грибовидности полок (рис. 6.11, в) и угловых деформаций (рис. 6.11, г).
70
ЛЕКЦИЯ 6
в)
Рис. 6.11. Деформация в плоскости листа:
а — укорочение вдоль продольного шва; б — выпучина в зоне пересечения швов
(деформация вне плоскости листа); в — грибовидность полок двутавровой балки;
г — угловая деформация
6.3.2. Уменьшение сварочных деформаций
Все мероприятия по уменьшению деформаций можно разделить на три
группы в зависимости от того, применяются ли они до сварки, в процессе сварки или после нее.
Мероприятия, применяемые до сварки:
1. Рациональное конструирование сварного изделия. Сюда относятся:
— уменьшение количества наплавленного металла, например, за счет
уменьшения площади разделки кромок под сварку (рис. 6.12); рассредоточения
швов равномерно всему изделию, устранение наличия перекрещивающихся
швов и т. п.;
— назначение видов сварки с малой погонной энергией q/V (q — тепловая
мощность дуги, V — скорость сварки),
— симметричное относительно центра тяжести сечения расположение
швов и др.,
71
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
— применение типов сварных соединений (например, внахлестку), позволяющих компенсировать усадку от других швов, за счет изменения величины
нахлестки,
— удаление швов от напряженных зон, возникающих при эксплуатации
объекта.
Рис. 6.12. Примеры разделки кромок металла под сварку:
а и б — односторонняя разделка Fa = S2;
в, г и д — двухсторонняя разделка 2Fв = 2S2; 2Fг = 1,1S2
2. Назначение начальных размеров и формы заготовок, их взаимное расположение с учетом последующей усадки, например угловой излом (рис. 6.13,а)
или перемещенный по длине шва зазор (рис. 6.13, в).
3. Создание предварительных растягивающих деформаций и напряжений в
зоне сварного соединения путем изгиба или растяжения изделия в приспособлениях (рис. 6.13, б). Закрепления снимаются после завершения сварки и остывания.
а)
б)
в)
Рис. 6.13. Примеры способов уменьшения сварочных деформаций
Мероприятия, используемые в процессе сварки:
1. Снижение погонной энергии — q\V, т. е. увеличение скоростей сварки и
уменьшение тепловой мощности дуги. Это обеспечивает более узкую зону на72
ЛЕКЦИЯ 6
грева металла до температуры пластического состояния и, следовательно,
уменьшает величину сварочных деформаций, однако повышает величину остаточных напряжений. Поэтому при назначении режимов сварки руководствуются требованиями, предъявляемыми к конструкции: если на первый план выступает требование высокой прочности при статических и переменных нагрузках,
коррозионной стойкости, то используют мероприятия по снижению остаточных
напряжений. Если от конструкции требуется точное соблюдение размеров и
формы в соответствии с чертежами, то применяют мероприятия по уменьшению сварочных деформаций.
2. Уменьшение площади зоны пластических деформаций путем искусственного охлаждения, например водой, жидким азотом и др. (рис. 6.14).
2
1
а)
Рис. 6.14. Сварка листов с искусственным охлаждением.
а) схема процесса; б) распределение температуры в сварном соединении поперек шва;
1 — охлаждаемая медная подкладка; 2 — охлаждаемые медные прижимы;
3 и 4 — температура в сварном соединении при сварке без охлаждения и с охлаждением;
В1 и В2 — ширина зоны пластических деформаций при сварке без охлаждения и с охлаждением
3. Применение сборочно-сварочных приспособлений, обеспечивающих
фиксацию свариваемых элементов относительно друг друга и препятствующих
их перемещению и деформациям. При этом следует помнить, что жесткое закрепление свариваемых элементов, хотя и способствует уменьшению сварочных деформаций, сварочные напряжения в этом случае будут иметь большую
величину, чем при сварке без ограничения перемещения элементов. Поэтому
при сварке менее пластичных среднеуглеродистых и легированных сталей из-за
напряжений в зоне сварки при жестком закреплении свариваемых деталей могут возникнуть трещины.
4. Рациональная последовательность выполнения сварочных операций
Укладка сварных швов должна производиться так, чтобы при наложении
каждого последующего шва создавались взаимно уравновешивающие деформации (рис. 6.15)
73
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Если вначале укладывать нижние швы 1 и 2 (рис. 6.15, в) при сварке двутавровых балок с равной шириной полок, у которых центр тяжести сечения
располагается симметрично, произойдет изгиб балки (рис. 6.16д), что затруднит
сборку с верхней полкой и укладку швов 3 и 4. Поэтому рационально накладывать швы «крест-накрест» (рис. 6.15, г). Если сваривается несимметричная балка (рис. 6.15, е), то вначале сваривают тавр швами 1 и 2, расположенными ближе к центру тяжести 1-1, а затем швами 3 и 4.
в)
г)
Рис. 6.15. Последовательность наложения сварных швов:
а, б — стыковые швы; в, г, д, е — тавровые швы;
1—1 центр тяжести сечения двутавровой балки
Исправление
деформированных сварных изделий
Устранение деформаций после сварки называется правкой сварной конструкции. Правка бывает механической и термической.
Механическая правка (рихтовка) бывает общей и местной и выполняется
на правильных машинах, прессах и вручную.
Устранение грибовидности полок двутавровых балок производится домкратами, винтовыми стяжками и т. п. (рис. 6.16, а), деформации и остаточные напряжения в стыковых сварных соединениях хорошо устраняются на специальных приспособлениях для прокатки швов роликами (рис. 6.16б). При многослойной сварке после наложения каждого слоя проводят проковку еще горячего шва
(при температуре 150—200 0С), что позволяет достичь большего эффекта снятия
напряжений и уменьшения деформаций, чем при проковке остывшего шва.
Термическая правка заключается в местном нагреве сварного узла в зоне
деформаций газовым пламенем, электрической дугой или электроконтактным
74
ЛЕКЦИЯ 6
нагревом. Металл в зоне деформации нагревается до пластического состояния
(для стали — температура нагрева 750—850 0С). При этом нагретый участок
расширяется в стесненных условиях.
При последующем охлаждении размеры нагретого участка уменьшаются
(происходит усадка), что приводит к уменьшению или полному устранению
деформаций.
Рис. 6.16. Устранение грибовидности полок двутавровой балки (а)
и приспособление для прокатки швов роликами (б):
1 – динамометр; 2 – гидроприжим; 3 – ролики; 4 – свариваемая деталь; 5 – корпус
В зависимости от конструкции, условий сборки технологии встречаются
деформации различных элементов и различной величины. Поэтому способы
термической правки выбирают применительно к конкретным условиям.
Например, в тавровых балках с высокой вертикальной стенкой после сварки возможен изгиб этой стенки (рис. 6.17, а, б). В этом случае для устранения
деформации рекомендуется местный нагрев вертикальной стенки с выпуклой
стороны. Нагрев осуществляют либо газовым пламенем (рис.6.17б), либо
сварочной дугой путем наплавки «фальшивого» (неработающего) валика
(рис. 6.17, а).
При деформации стенки в сторону полки (пояса) термическую правку проводят путем нагрева полки газовым пламенем полосками шириной 30—40 мм с
шагом 500—600 мм. В случае сложной деформации балок, когда короблению
подвергается и вертикальная стенка и полка, требуется нагрев как стенки, так и
пояса (рис. 6.17, г).
При укрупнении листовых полотнищ с помощью сварки (например, при
изготовлении нефте- и газохранилищ) в зоне пересечения швов часто возникают вздутия, называемые «хлопунами». В этом случае выпуклый участок нагревают в отдельных точках по концентрическим окружностям, начиная с центра
«хлопуна».
75
СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ
Рис. 6.17. Термическая правка сварных балок таврового сечения
Контрольные вопросы
1. Как влияют сварочные напряжения и деформации на эксплуатационные и технологические характеристики сварных соединений и металлоконструкций в целом?
2. Перечислите принципы уменьшения сварочных напряжений и деформаций в сварных соединениях.
3. Назовите способы уменьшения сварочных напряжений в процессе изготовления сварных конструкций.
4. Перечислите способы уменьшения сварочных напряжений в готовых
узлах и конструкциях и дайте им характеристику.
5. Какие механические методы уменьшения остаточных сварочных напряжений Вы знаете?
6. Перечислите виды сварочных деформаций.
7. Назовите способы уменьшения сварочных деформаций, применяемые
перед сваркой.
8. Какие мероприятия по уменьшению сварочных деформаций осуществляют в процессе сварки?
9. Назовите способы исправления деформированных изделий после сварки.
76
ЛЕКЦИЯ 7
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
7.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Применение при сварке плавлением мощных, высококонцентрированных
источников тепла приводит к интенсивному расплавлению свариваемого и присадочного материалов и к их значительному перегреву выше температуры
плавления. Такой перегретый металл активно взаимодействует с окружающей
средой (кислородом и азотом воздуха, поверхностными окислами, расплавленными и газообразными компонентами электродной обмазки, флюсами, защитными газами и др.). Поэтому химический состав металла шва отличается от химического состава электродной проволоки и свариваемого металла. Предел
прочности σ в, текучести σ s, относительное удлинение σ и ударная вязкость ан
сплавов на основе железа очень сильно зависят от концентрации в них кислорода и азота (рис. 7.1, а).
При увеличении концентрации кислорода в железе с 0,05 до 0,15 % (т.е.
всего на 0,1 %) предел прочности σ в уменьшается с 40 до 3 кгс/мм2 ( на 25 %), а
ударная вязкость ан с 8 до 4 кгм/см2 (в 2 раза).
Рис. 7.1. Влияние кислорода (а) и азота (б) на механические свойства железа
77
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Азот повышает прочностные свойства железа (пределы прочности σ Β и текучести σ Τ ), но резко снижает его пластичность (ударную вязкость ан и относительное удлинение σ ), см. рис. 7.1, б.
Поэтому при сварке плавлением для получения металла шва с высокими
прочностными и пластическими показателями необходима защита столба дуги
и сварочной ванны от взаимодействия с воздухом. Это обеспечивается применением специальных электродных покрытий (при ручной дуговой сварке), сварочных флюсов (при автоматической и полуавтоматической сварке) и защитных газов. Однако вещества, входящие в состав электродной обмазки, флюсов,
и некоторые защитные газы не являются нейтральными по отношению к металлу и вступают с ними в химическое взаимодействие (рис. 7.2 и 7.3).
Рис. 7.2. Взаимодействие металла с окружающей средой при автоматической сварке
под флюсом (стрелками показаны реакции химического взаимодействия электродного
и свариваемого металлов с жидким шлаком и газовой фазой в дуге)
Флюсы, содержащие оксиды и влагу, в зоне горения дуги плавятся, образуя жидкие шлаки. Последние взаимодействуют с электродным и свариваемым
металлами. Защитные газы также содержат кислород, азот, влагу и другие примеси. В состав электродной обмазки, наряду с влагой, входят органические добавки (крахмал, целлюлоза, декстрин и др.), содержащие водород, а также кар78
ЛЕКЦИЯ 7
бонаты (СаСО3, MgСО3), которые, разлагаясь при высокой температуре, выделяют свободный кислород.
Рис. 7.3. Источники свободного кислорода в столбе дуги
Поэтому практически при всех способах сварки плавлением в высокотемпературной зоне присутствуют газы, активно взаимодействующие с жидким
металлом электрода и сварочной ванны – О2, N2, H2, CO, CO2, H2O и др.
7.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА С КИСЛОРОДОМ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Одним из характерных процессов, протекающих при сварке плавлением,
является окисление металла. Источниками окисления металла при сварке являются (рис. 7.3):
• свободный кислород в газовой фазе (в столбе дуги);
• оксиды, находящиеся на расплавленных кромках свариваемого металла и на присадочном (электродном) металле;
• оксиды, находящиеся в шлаке и растворимые в металле;
• химически активные шлаки, отдающие кислород металлу в результате
обменных окислительно-восстановительных реакций.
Все металлы по отношению к кислороду можно разделить на две группы:
• металлы, практически не растворяющие кислород ни в твердом, ни в
жидком состоянии (Al, Mg). При окислении этих элементов образуется обособленная фаза либо в виде поверхностных оксидных пленок, либо в виде частиц,
взвешенных в жидком металле.
79
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
• металлы, обладающие способностью растворять то или иное количество кислорода (медь, железо, никель, титан). Причем растворимость кислорода
в этих металлах в жидкой фазе больше, чем в твердой, и возрастает с повышением температуры.
Если сваривают не чистые металлы, а сплавы, содержащие легирующие
элементы и примеси, то кроме основы сплава могут окисляться и эти элементы.
Вероятность и степень окисления определяются их сродством к кислороду,
концентрацией их в сплаве и зависят от температурных условий.
7.2.1. Окисление металла свободным кислородом
В столбе дуги (в газовой фазе) всегда присутствует свободный кислород,
источником которого является воздух, продукты разложения (диссоциации) оксидов и солей, входящих в состав обмазки и флюсов, продуктов диссоциации
сложных газов – СО2, Н2О и др. (рис 7.3).
Скорость и полнота реакции того или иного элемента зависит от химического сродства его с кислородом.
Химическое сродство металла с кислородом
Все металлы, кроме благородных, вступают в химическую реакцию с кислородом, образуя окислы (оксиды)
2Ме + О2 ⇔ 2МеО1)
(7.1)
Эта реакция обратимая, т.е. протекает в двух направлениях: слева направо –
процесс окисления, справа налево – процесс разложения (диссоциации) окисла.
Направление реакции зависит от давления кислорода в газовой фазе РО2 и температуры Т. При этом активность металлов по отношению к кислороду при
равных условиях РО2 и Т зависит от строения атома металла.
Например, если в зоне окисления находятся два металла, то в первую очередь окисляется металл, обладающий большим химическим сродством с кислородом, чем второй. Только после полного окисления этого металла начнет
окисляться второй.
Это подобно горению дров, политых бензином: сначала загорается (энергично окисляется) бензин, а когда он выгорит, начинается горение дров. Химическое сродство металла с кислородом измеряется так называемой упругостью
диссоциации оксида РО2.
Представим себе, что интересующий нас металл Ме помещен в герметичную камеру, наполненную кислородом при атмосферном давлении (т.е. давление кислорода в камере РО2 = 1 атм) и температуре Т (рис 7.4).
1
) В столбе дуги под действием высокой температуры часть молекул кислорода диссоциирует на атомы: О2 = 2О. Атомарный кислород является более активным окислителем и
окисляет металл по реакции Ме + О = МеО.
80
ЛЕКЦИЯ 7
Р′О < РО
2
Рис. 7.4. Изменение давления кислорода в процессе реакции окисления металла:
а) начало реакции; б) окончание реакции
В процессе окисления часть кислорода соединяется с металлом, образуя
оксид МеО. При этом давление в камере РО2 будет уменьшаться до тех пор пока
не установится равновесие, т.е. пока число атомов кислорода, поглощаемых металлом в единицу времени (процесс окисления), не сравняется с числом атомов,
выделяемых оксидом в атмосферу камеры (диссоциация окисла). Иными словами, при равновесии не происходит ни разложения оксида, ни окисления металла. Равновесное давление кислорода, установившееся в камере в процессе
окисления металла РО2 называется упругостью диссоциации оксида. Химические реакции в реальных условиях сварки вследствие кратковременности не
достигают равновесия, но всегда стремятся к равновесному состоянию.
Очевидно, чем меньше упругость диссоциации оксида данного металла (кислорода поглощено больше), тем больше его сродство с кислородом. Поэтому, если в сплаве присутствуют два элемента, то в первую очередь в реакцию с кислородом вступает элемент, имеющий меньшую упругость диссоциации оксида.
Упругость диссоциации оксида зависит от температуры [РО2 = ƒ(Т)]. Чем
меньше при данной температуре упругость диссоциации оксида РО2, тем прочнее оксид, тем выше сродство данного элемента с кислородом. При средней
температуре сварочной ванны 1800–2000 ºС элементы, присутствующие в стали, по степени убывания сродства их с кислородом можно расположить в следующем порядке:
Ca, Al, Mg, Zn, B, Ti, Si, Mn, Cr, Nb, V, Fe, W, Mo, Ni
(сродство с кислородом уменьшается)
Все элементы, расположенные левее железа, обладают большим сродством
с кислородом, чем железо, они в первую очередь подвергаются окислению и
называются раскислителями. А элементы, расположенные правее, в присутствии железа не окисляются и являются легирующими элементами в стали. Упругость диссоциации оксидов металлов очень мало и выражается обычно в lg P′О2.
Например, при температуре 1540 ºС для оксида МnО lg P′О2 = -10.. Это означает,
что равновесное давление кислорода при взаимодействии с марганцем равно
81
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
P′О2 = 10-10 атм, и если давление кислорода будет больше, чем 10-10 атм, то произойдет окисление марганца. С повышением температуры равновесие реакции
окисления смещается влево, т.к. возрастает интенсивность разложения оксида,
т.е. сродство с кислородом уменьшается.
Факторы, влияющие на химическое сродство
элемента с кислородом
Мы рассмотрели случай взаимодействия чистого металла с газовой фазой,
состоящей из чистого кислорода. В реальных условиях сварки расплавленный
электродный металл и сварочная ванна представляют собой сложную систему,
состоящую из многих элементов. Например, сталь – Fe + Mn + Si + C и др. Газовая фаза в зоне горения дуги состоит из смеси газов – N2 + O2 + H2 + Ar + CO
и др. В общем случае упругость диссоциации окисла данного элемента зависит
от температуры Т, парциального давления кислорода PО2 и концентрации элемента в сплаве Сэ, P′О2 = ƒ(Т, PО2, Сэ).
Влияние температуры таково, как уже было показано при рассмотрении
реакции окисления чистого металла в атмосфере чистого кислорода. Во всех
случаях с повышением температуры упругость диссоциации оксида возрастает,
т.е. происходит его диссоциация.
Влияние состава газовой среды. При сварке газовая среда (газовая фаза)
состоит из смеси газов. В этом случае концентрация кислорода в смеси газов
будет меньше 100 %.
Если газовая фаза состоит из “n” компонентов, при давлении Р, то для каждого компонента выражается парциальное давлением этого компонента:
Робщ. = Р1 + Р2 + Р3 + … + Рn.
Здесь Р1, Р2, Р3, …,Рn – парциальные давления компонентов, входящих в
состав газовой смеси.
Из анализа реакции окисления металла (7.1) следует, что если в газовой
фазе отсутствует кислород (PО2 = 0), то металл не окисляется. Чем больше концентрация кислорода в газовой смеси, тем полнее протекает реакция окисления.
Максимальное окисление (и по скорости и по массе образующихся окислов)
будет в атмосфере чистого кислорода, т.е. когда РО2 = Робщ.
Влияние концентрации элемента в сплаве. В состав сплава входит несколько элементов. Активность каждого их них при реакции с кислородом зависит от концентрации его в сплаве. Чем выше эта концентрация, тем выше активность элемента.
При достижении равновесия химической реакции (7.1) концентрация веществ правой части (продукты реакции) и в левой (исходные компоненты) не
меняется во времени. Это состояние равновесия химической реакции выражается величиной, называемой константой равновесия. Константой равновесия
химической реакции называется отношение концентрации (или количества)
82
ЛЕКЦИЯ 7
продуктов реакции (правая часть реакции 7.1) к концентрации (количеству) исходных (реагирующих) веществ (левая часть реакции). Константа равновесия
зависит от температуры, при которой осуществляется реакция. Для реакции
окисления металла (7.1) константу равновесия можно записать в виде:
К=
2
С МеО
= f(Т)
2
С Ме
⋅ Р0′ 2
(7.2)
где С2МеО и СМе – концентрация образования оксида и концентрация окисляемого элемента в сплаве; Р′О2 - равновесное парциальное давление кислорода в газовой фазе (упругость диссоциации оксида).
Из выражения (7.2) следует, что при увеличении концентрации элемента в
сплаве СМе или кислорода в газовой фазе (что соответствует увеличению его
парциального давления РО2) увеличивается концентрация окисла в расплаве
СМеО. Значит, для сохранения элемента от окисления необходимо уменьшить
концентрацию кислорода в газовой фазе.
Активность элемента в сплаве по отношению к кислороду зависит от его
концентрации в металлическом растворе. Чем выше концентрация элемента в
сплаве, тем активнее он окисляется. Так как К в выражении (7.2) – величина
постоянная (она недаром называется константой), при увеличении концентрации элемента в сплаве Сме должна увеличиваться концентрация его окисла
СМеО. Чем меньше эта концентрация, тем менее активен элемент в реакции
окисления. Поэтому от малого количества примесей в сплаве труднее избавиться с помощью окисления – чем меньше их в сплаве, тем труднее очистить его.
Например, даже при дуговой сварке голым (без обмазки) электродом, когда в
столбе дуги и в сварочной ванне присутствует большое количество кислорода,
полного выгорания таких элементов как Mn и Si, имеющих большое сродство с
кислородом, не происходит (табл. 12).
Таблица 12
Электродная проволока
C
0,08
Химический состав
Si
Mn
O
0,03
0,40
0,02
N
0,07
Металл шва (наплавка)
0,04
0,02
0,15
Исследуемый металл
0,15
0,28
7.2.2. Окисление металла поверхностными оксидами
Оксиды, находящиеся на поверхности свариваемых кромок и присадочной
проволоки, в зоне сварки расплавляются и попадают в сварочную ванну, окисляя ее. Отсутствие предварительной очистки свариваемого металла и электрод83
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
ной проволоки, а также длительное хранение электродов увеличивают степень
окисления металла сварочной ванны поверхностными оксидами. Например, содержание кислорода в металле шва с предварительной зачисткой свариваемых
кромок от окалины при автоматической сварке под флюсом ОСЦ-45 составляет
0,035 %, а при сварке без очистки – 0,055 %. Для уменьшения концентрации
кислорода в шве, за счет поверхностных оксидов, свариваемые кромки перед
сваркой очищают от ржавчины, масел и других загрязнений механическим способом (дробеструйная обработка, строгание или фрезерование, зачистка проволочной щеткой), химическим или электрохимическим травлением.
7.2.3. Окисление металла
оксидами, находящимися в шлаке и растворимыми в металле
Если в шлаке содержится оксид, растворимый в жидком металле, то происходит растворение оксида в расплаве (рис. 7.5) по реакции:
(МеО) ⇔ [ MeO ] ,
где (МеО) и [ MeO ] — концентрация оксидов в шлаке и металле соответственно.
Рис. 7.5. Схема растворения оксидов из шлака в сварочной ванне
При достижении равновесия реакции (7.3) содержание оксида в шлаке и
жидком металле определяется константой равновесия, в отличие от химической
реакции она называется константой распределения:
Lмео =
[ Meo] =
( Meo )
84
f (Т ) .
(7.4)
ЛЕКЦИЯ 7
Константа распределения с возрастанием температуры увеличивается. Например, при увеличении температуры от Тпл. железа (1535 0С) до 2500 0С константа распределения оксида FeO возрастает с 0,011 до 0,125 (в 11,5 раз), т.е. в
11,5 раз возрастает равновесная концентрация оксида в расплаве.
Из формулы (7.4) следует, что (при постоянной температуре) увеличение
концентрации оксида в шлаке МеО приводит к возрастанию концентрации этого оксида в расплаве. Это подтверждают экспериментальные данные табл. 13.
Таблица 13
Содержание FeO в шлаке,
14,2 15,0 22,7 26,8 56,0 55,2 61,0
(вес, %)
Содержание кислорода в
0,036 0,039 0,062 0,118 0,187 0,193 0,211
металле шва (вес, %)
7.2.4. Окисление шлаками, химически активными по кислороду
При автоматической и полуавтоматической сварке применяют флюсы, состоящие в основном из оксидов MnO и SiO2.
При сварке углеродистых сталей под такими флюсами протекают кремнемарганцевосстановительные реакции:
( SiO2 ) + 2 [ Fe] ⇔ 2 ( FeO ) + [ Si ] ;
( MnO ) + [ Fe] ⇔ ( FeO ) + [ Mn] .
В результате этих реакций увеличивается концентрация кремния и марганца в металле шва (рис. 7.6).
В результате окислительно-восстановительных реакций при сварке под
кремнемарганцовистыми флюсами, которые содержат титан и алюминий, обладающие весьма большим сродством к кислороду, происходит почти полное их
выгорание. Поэтому при сварке легированных сталей, содержащих титан, алюминий и другие химически активные элементы, применяют низкокремнистые
или бескремнистые флюсы на основе СаО – Al2O3 – CaF2.
Окисленность жидкого металла в сварочной ванне зависит от содержания в
нем элементов – раскислителей. Раскислителями являются элементы с большим
сродством к кислороду, чем металл являющийся основой сплава (для сталей –
это железо). В результате окислительно-восстановительных реакций при сварке
под кремнемарганцовистыми флюсами, которые содержат титан и алюминий,
обладающие весьма большим сродством к кислороду, происходит почти полное
их выгорание. Поэтому при сварке легированных сталей, содержащих титан,
алюминий и другие, химически активные элементы, применяют низкокремнистые или бескремнистые флюсы на основе СаО – Al2O3 – CaF2.
85
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Рис. 7.6. Прирост концентрации кремния ∆ [ Si ] в шве от содержания (SiO2) в шлаке (а)
[ ]
(
)
и зависимость концентрации кремния в шве Mn от содержания MnO в шлаке (б)
Окисленность жидкого металла в сварочной ванне зависит от содержания в
нем элементов – раскислителей. Раскислителями являются элементы с большим
сродством к кислороду, чем металл являющийся основой сплава (для сталей –
это железо).
Как следует из рис. 7.7, никель для железа окислителем быть не может и
его выгорание (окисление) при сварке сталей должно быть ничтожным. А марганец уже при концентрациях больше или равных 0,5 % при 23000 С имеет
меньшую упругость диссоциации оксида, чем оксид железа.
Поэтому марганец в условиях сварки является элементом – раскислителем,
отбирающим кислород от железной основы. Хром действует слабее, чем марганец. Более сильным раскислителями железа являются Si, Ti, Al. При содержании более 0,25 % и температуре 2300 0С наиболее сильным раскислителем в
стали является углерод.
С повышением температуры сродство элементов к кислороду уменьшается
(lq P02 растет), однако концентрация кислорода в высокотемпературной зоне
сварочной ванны может быть значительной.
При снижении температуры в хвостовой части сварочной ванны раскисляющая способность элементов – раскислителей увеличивается и реакции смещаются в сторону связывания кислорода этими элементами.
Продукты приведенных ниже реакций – оксиды, являясь практически нерастворимыми, выпадают в виде отдельной фазы и всплывают в шлак или в виде включения застревают в металле шва.
86
ЛЕКЦИЯ 7
[ Si ] + 2[O ] → ( SiO2 ) ,
[ Mn] + [O ] → ( MnO ) ,
[Ti ] + 2[O ] → (TiO2 ) и т. д.
Рис. 7.7. Зависимость упругости диссоциации оксидов, в зависимости от концентрации
элемента в расплаве (Т=2300 К)
Продукты раскисления углеродом являются газообразными (Со), которые
всплывают
[C ] + [O] = CO ↑
в виде газовых пузырьков. При их выделении хвостовая часть ванны пузырится
(кипит), а пузыри, не успевшие удалиться из затвердевшего металла, образуют
поры сферической формы, наполненные газом. И шлаковые включения (особенно крупные), и поры снижают прочностные свойства металла, поэтому необходимы специальные меры для максимального освобождения металла сварных швов от этих пороков.
87
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
7.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА С АЗОТОМ И ВОДОРОДОМ
ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Основным источником азота при сварке является воздух. Молекулярный
азот при высоких температурах диссоциирует на атомы
N2 ⇔ 2 N = 2700 .
Степень диссоциации азота, кислорода и водорода в зависимости от температуры показана на рис. 7.8.
Из этой зависимости следует, что диссоциация молекулярного азота становится заметной при температуре выше 4000 К и, следовательно, в сварочной
дуге большая часть азота остается в молекулярной форме. Азот в некоторых
металлах (Cu, Ag, Au) практически не растворим и не образует химических соединений, поэтому он может применяться при сварке этих металлов в качестве
защитного газа.
Рис. 7.8. Степень диссоциации газов в зависимости от температуры
В железе и железных сплавах азот растворяется, а при температуре ниже
600 С образуется химическое соединение – нитриды Fe2N и Fe4N.
При постоянной температуре растворимость азота в жидких металлах пропорциональна его парциальному давлению в газовой фазе:
0
[% N ] = K1PN и [% N ] = K 2
88
PN 2 ,
ЛЕКЦИЯ 7
где К1 и К 2 – коэффициенты, зависящие от температуры; РN и РN2 — парциальные давления соответственно атомарного и
молекулярного азота.
Зависимость растворимости азота в твердом и жидком железе от температуры показана на рис. 7.9. При переходе железа из жидкого в твердое состояние растворимость азота
скачкообразно уменьшается примерно в 3,4
раза (с 0,047 до 0,014 %). Газ при этом стремится выйти из раствора в виде пузырьков
(нитриды при этих температурах не образуются). Выделение азота из раствора в процессе
кристаллизации в газовой фазе может привести в определенных условиях к образованию
пор в затвердевшем металле. Кроме того, образование химических соединений железа с
азотом при более низких температурах приводит к снижению пластических свойств металла шва и околошовной зоны.
Для уменьшения поглощения азота при
сварке необходимо стремиться снизить его
Рис. 7.9. Растворимость азота
парциальное давление в газовой фазе (в столбе
в железе (РN2 = 1 атм)
дуги). Это достигается вытеснением воздуха
из зоны горения дуги различными способами (применение обмазки, выделяющей газы, свободные от азота; флюсов без азотосодержащих веществ и защитных газов). Обычно в мартеновских сталях содержится 0,005 – 0,008 % азота.
При сварке голым электродом содержание азота в металле шва колеблется в
пределах 0,105 – 0,218 % в зависимости от диаметра электрода (нижняя цифра
соответствует диаметру электрода 6 мм, а верхний предел – 1 мм).
Источниками водорода при сварке являются продукты распада углеводов,
входящих в состав покрытий, а также продукты диссоциации воды, содержащейся в обмазке, флюсах, защитных газах и адсорбированной поверхностями
свариваемых деталей и электродной проволоки. Практически водород всегда
имеется в газовой фазе и взаимодействует со свариваемым металлом.
Водород в столбе дуги может присутствовать в молекулярном, атомарном и
ионизированном виде. Под действием высокой температуры дуги водород в зоне
сварки в значительной степени ионизирован. При температуре 3500 К
40 % молекулярного водорода диссоциировано и находится в атомарном состоянии, а при температуре 500 К степень диссоциации приближается к единице. То
есть можно считать, что в дуге, имеющей температуру столба 500 – 6000 К, весь
водород находится в атомарном состоянии. Растворимость водорода в железе аналогично азоту пропорциональна его парциальному давлению в газовой фазе:
89
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
[ H ] = K1Ph
и [ H ] = K 2 PH 2 при Т = const. Общий характер растворимости водорода в железе в зависимости от температуры при РН2 = 1 атм показан на рис. 7.10.
Как и у азота при переходе из твердого состояния в жидкое, растворимость
водорода скачкообразно увеличивается. При охлаждении вследствие скачкообразного уменьшения растворимости водород из атомарного переходит в молекулярное состояние:
[H ] + [H ] → H2
и выделяется в кристаллизирующемся металле в виде пузырьков или скапливается в пустотах, имеющихся в твердом металле.
Рис. 7.10. Растворимость водорода в железе в зависимости от температуры
Атом водорода имеет самый малый размер из всех элементов, существующих в природе. При весьма малых размерах атомы водорода располагаются в
междуузельном пространстве кристаллической решетки и легко перемещаются
(диффундируют) внутри кристаллической решетки.
При быстром охлаждении металла не весь водород успевает выделиться из
раствора, часть его фиксируется в кристаллической решетке в виде пересыщенного раствора. Этот водород, называемый диффузионным, перемещается в металле, стремится выделиться в атмосферу, т.к. там водорода очень мало. Встречая на своем пути несплошности, атомарный водород на их поверхности переходит в молекулярное состояние, заполняет несплошности, увеличивая внутреннее давление в них (это так называемый остаточный водород). Другая часть
диффузионного водорода достигает поверхности раздела металл -воздух и выделяется в атмосферу.
И диффузионно-подвижный, и остаточный водород в целом ухудшают
различные характеристики свойств сварных соединений, в связи с чем его количество в металле следует ограничивать.
90
ЛЕКЦИЯ 7
Ограничение содержания водорода в металле. Для уменьшения количества растворяющегося водород?, в металле в высокотемпературной зоне необходимо проводить мероприятия по уменьшению содержания водорода в газовой фазе (то есть снижать парциальное давление водорода РН2 в столбе дуги). Это достигается следующими способами:
а) удалением и ограничением источников водорода при сварке. С этой
целью свариваемые кромки тщательно очищаются су ржавчины, которая содержит влагу, производится также очистка сварочной проволоки от жиров,
просушиваются и прокаливаются электроды и флюсы и т.п.
б) связыванием газообразного водорода в стойкие при высоких температурах химические соединения. Растворенный в металле водород в высокотемпературной зоне, вступая в реакцию с фтористым кремнием, образует устойчивое химическое соединение (фтористый водород), не растворимое в железе и
удаляемое в атмосферу:
SiFu + 3 [ H ] = SiF + 3HF ↑
в) уменьшением количества растворенного водорода путем его окисления.
Если в металле присутствует кислород, то он в первую очередь окисляет растворенный водород, тж. большим сродством к кислороду, чем водород, не обладает ни один химический элемент в природе.
2 [ H ] + [O ] = H 2O ,
PH 2O
К1 = K2
= f (T ) .
2
H
O
[ ][ ]
Пары воды абсолютно нерастворимы в металле и представляют собой обособленную фазу, и величину РH2O можно принять постоянной (К3 = РH2O).
Тогда уравнение константы равновесия реакции окисления растворенного водорода можно записать следующим образом:
[ H ] ⋅ [O ] = K , где К =
2
K1
.
K 2 PH 2O
Следовательно, произведение концентрации водорода на концентрацию
кислорода, растворенных в металле, стремится к постоянной величине, зависящей от температуры металла. Выразив концентрацию растворенного водорода
через концентрацию растворенного кислорода, получим
[H ] =
91
K
.
[O ]
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
To есть, чем больше растворено кислорода в металле (чем более окислена
ванна), тем меньше остается в нем растворенного водорода. Это положение хорошо подтверждается экспериментальными данными (рис. 7.11).
Рис. 7.11. Зависимость количества растворенного водорода в металле
от количества кислорода в нем
Однако хорошо рассмотренный металл (металл, содержащий малое количество кислорода) является весьма чувствительным к водороду газовой фазы,
активно его поглощает. Поэтому при сварке такого металла требуются усиленные меры защиты зоны сварки от водорода (введение фторидов, прокалка сварочных материалов и пр.).
7.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ
СО СЛОЖНЫМИ ГАЗАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ КИСЛОРОД
При дуговой сварке в газовой атмосфере почти всегда присутствуют окислы углерода и пары воды. Углекислый газ (С02) применяется в качестве защитного газа при сварке углеродистых и низколегированных сталей. В некоторых
типовых электродных покрытиях применяют углекислые соли, в частности СаСОз в виде мрамора или мела. При нагреве карбонаты разлагаются по реакции
СаСО3 ⇔ СаО + СО2. .Углекислый газ при высокой температуре диссоциирует с
выделением свободного кислорода: СО2 ⇔ СО + ½ О2.
Таким образом, в дуге одновременно будут присутствовать СО2, СО и О2
Расчеты показывают, что с повышением температуры количество свободного
кислорода 02 и окиси углерода СО растет, а количество СО2 уменьшается. При
92
ЛЕКЦИЯ 7
температуре выше 3800 К газовая фаза будет состоять из 60 % СО, 30 % О2 и
около 10 % СО2 (рис.7.12). То есть она будет резко окислительной по отношению к железу.
Рис. 7.12. Состав газовой фазы при сварке
Реакцию окисления жидкого железа углекислым газом можно опирать
уравнением
СО2 + Fe ⇔ FeO + CO ↑ .
Выделение окиси углерода СО, нерастворимого в жидком железе, приводит к интенсивному образованию пузырьков в сварочной ванне (кипению) и
образованию пор в металле шва. Таким образом, наличие в газовой фазе углекислого газа при сварке сплавов железа приводит к повышению кислорода в
металле шва. В связи с этим необходимо применять меры для предохранения
металла от окисления либо для удаления кислорода из сварочной ванны (производить раскисление). Углекислый газ обеспечивает защиту металла при сварке от азота воздуха, но не исключает его окисления. Поэтому при сварке сталей
в углекислом газе применяют проволоку, содержащую повышенное количество
Мn и Si в качестве раскислителей.
Водяной пар (Н20) при сварке также может иметь большие концентрации в
газовой фазе (т.е. в столбе дуги) и вытеснять азот, поэтому в некоторых случаях
пары воды используют в качестве защитных газов. При высоких температурах
водяной пар диссоциирует с образованием водорода и кислорода:
Н2О ⇔ Н2 + ½ О2,
Н2О ⇔ 2Н + О.
93
МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
То есть, как и при сварке в СО2, пары воды в дуге создают окислительную
среду, состоящую из Н2О, Н2, О2, Н и О.
Суммарную реакцию окисления железа парами воды можно описать как
Н2О + [ Fe ] ⇔ [ FeO ] + Н2.
Эта реакция приводит к повышению кислорода в шве, к насыщению его
водородом и к возможному выделению в жидком металле пузырьков в виде
пор. Поэтому получение качественного металла шва при наличии паров воды в
атмосфере дуги по сравнению с углекислым газом более затруднительно из-за
насыщения металла водородом.
Контрольные вопросы
1. Дайте общую характеристику металлургических процессов при сварке
плавлением.
2. Перечислите источники кислорода, приводящие к окислению металла
при сварке.
3. Проанализируйте процесс окисления металла свободным кислородом
газовой фазы. Перечислите факторы, определяющие величину константы равновесия реакции окисления.
4. Что такое парциальное давление газа в смеси газов?
5. Дайте определение упругости диссоциации окисла. Чем определяется
химическое сродство элемента к кислороду?
6. Выучите и перечислите наизусть химические элементы в стали в порядке убывания их сродства к кислороду.
7. Проанализируйте процессы окисления металла поверхностными окислами и окислами шлаков.
8. Опишите кремнемарганцевосстановительные реакции при сварке стали под флюсом.
9. Как окисляется металл шва при сварке стали, содержащей элементы раскислители?
10. Проанализируйте процесс взаимодействия металла с водородом при
сварке сталей (источники водорода в зоне сварки, растворимость водорода в
железе в зависимости от температуры).
11. Какое влияние на свойства сварных соединений оказывает водород?
12. Перечислите способы снижения содержания водорода в сварном соединении.
13. Проанализируйте процесс взаимодействия металла с азотом (растворимость азота в железе; нитриты, образующиеся в шве; источники азота в зоне
сварки, способы уменьшения содержания азота в сварном соединении).
14. Проанализируйте процессы взаимодействия металла со сложными газами, содержащими кислород, при сварке сталей (взаимодействие с углекислым
газом и водяным паром).
94
ЛЕКЦИЯ 8
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Качество сварных соединений в значительной мере определяет эксплуатационную надежность и экономичность конструкций. Наличие дефектов в сварных соединениях может привести к нарушению герметичности, снижению
прочности и ухудшению других характеристик изделия, а при некоторых обстоятельствах – вызвать аварию в процессе изготовления конструкции, монтажа или эксплуатации.
Качество сварных соединений – это показатель правильности выбранной
технологии сварки, пригодности и кондиции используемых сварочных материалов и основного металла, квалификации кадров, организации рабочего места сварщика и комфортности условий его работы, технического состояния оборудования и оснастки в сварочном производстве.
Работы по устранению дефектов сварных соединений существенно влияют
на стоимость выпускаемой продукции. Уменьшение вероятности образования
дефектов в сварных соединениях даже за счет увеличения затрат на вспомогательные и основные технологические операции, сборочно-сварочную оснастку
все равно окупается и, как правило, экономически выгодно. Основное внимание
при производстве сварочных работ следует уделять профилактическим мероприятиям – предупреждению возникновения, а не обнаружению уже имеющихся дефектов и их устранению.
Дефекты, образующиеся в сварных соединениях, по месту их расположения делятся на наружные и внутренние.
8.1. НАРУЖНЫЕ ДЕФЕКТЫ
Наружные дефекты — это дефекты, обнаруживаемые при внешнем осмотре сварных изделий невооруженным глазом или с помощью лупы. К наружным дефектам относятся:
− дефекты геометрической формы шва,
− дефекты формирования шва,
− трещины, выходящие на поверхность металла.
Дефекты геометрической формы шва. Сварной шов, отвечающий требованиям прочности, коррозионной стойкости и условиям эксплуатации, должен
соответствовать нормативам: ГОСТ 5264-80. Ручная дуговая сварка Соединения сварные; ГОСТ 14771-76. Дуговая сварка в защитном газе и ГОСТ 8713-79.
Сварка под флюсом. Соединения сварные.
Нормативный шов должен иметь плавные переходы к основному металлу
и иметь размеры, соответствующие требованиям вышеуказанных ГОСТов.
Отклонение швов от нормативных размеров является признаком брака.
Обозначим размеры швов, соответствующие требованиям ГОСТ, как ао, во, hо и
hо2 (рис. 8.1).
95
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
১
Рис. 8.1. Нормативные размеры стыкового шва:
а — ширина шва; во – ширина проплава; hо1 – высота усиления; hо2 – высота проплава;
S – толщина свариваемого металла
о
Отклонения от этих размеров могут быть следующих видов.
1. Чрезмерное усиление стыкового или углового шва h1 > h01. При этом,
как правило, наблюдается резкий переход от шва к основному металлу, который является концентратом напряжений и местом зарождения трещин при динамических нагрузках (рис. 8.2).
Рис. 8.2
Такой дефект появляется при нарушении режима сварки: чрезмерной величине сварочного тока и высокой скорости плавления электрода, высокой
скорости сварки.
2. Ослабленный шов – размеры шва меньше, чем нормативные: h1 < h°1;
h2<h°2 (рис. 8.3, а); неполное заполнение разделки h1 <0 (рис. 8.3, 6); вогнутость
корня шва h2 <0 (рис. 8.3, в) или малый катет в тавровых швах (рис 8.3, г). В
этом случае уменьшается прочность сварочного соединения.
Рис. 8.3. Ослабленные швы
96
ЛЕКЦИЯ 8
Эти дефекты возникают при недостаточной силе тока, при этом уменьшается скорость плавления электрода.
Наплывы (рис. 8.4).
3.
Рис. 8.4. Наплывы при сварке в нижнем положении (а)
и на вертикальной стенке (б)
Смещение шва от линии стыка приводит к натеканию металла на поверхность свариваемой детали без сплавления с ней. Эти несплавленные участки
являются опасными очагами концентрации напряжений и могут служить местом зарождения трещин при знакопеременных нагрузках. Наплывы возникают
при отклонении дуги от оси шва (вследствие магнитного дутья, несовпадения
линии движения сварочного автомата с линией стыка, низкой квалификации
сварщика, большой величины тока, неправильного наклона электрода, излишне
длинной дуги и др.).
Подрезы – это уменьшение сечения основного металла на лицевой
4.
стороне шва (рис. 8.5). Эти дефекты снижают статическую и динамическую
прочность сварных соединений из-за уменьшения рабочего сечения и создания
очагов концентрации напряжений. Наиболее опасны подрезы в конструкциях из
высокопрочных сталей, весьма чувствительных к концентрациям напряжений.
Рис. 8.5. Подрезы в стыковых (а) и тавровых (б и в) швах
(стрелками обозначены подрезы)
97
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Причинами образования подрезов могут быть: большая величина сварочного
тока, большая длина дуги, которая при этом легко отклоняется от оси шва под
действием различных возмущающих факторов (сильный ветер, магнитное дутье и
др.). При сварке тавровых соединений смещение электрода или отклонение дуги в
сторону горизонтальной стенки приводит к образованию подреза на вертикальной
стенке (см. рис. 8.5, 6) и, наоборот, смещение электрода или отклонение дуги в
сторону вертикальной стенки - на горизонтальной. Подрезы, превышающие допустимые нормы, заплавляют дуговой сваркой при пониженных значениях тока и
сглаживают механическим путем (фрезерование, шлифование).
5. Непровары относятся к числу наиболее опасных дефектов сварных соединений, возникают при неполном проплавлении свариваемых деталей. При
этом уменьшается рабочее сечение шва и, следовательно, прочность сварного
соединения. А непроваренная часть толщины свариваемых элементов является
очагом концентрации напряжений, откуда вероятно зарождение трещин при
динамических нагрузках на металлоконструкцию.
Непровары односторонних стыковых соединений (рис. 8.6, а, б, г) обнаруживаются внешним осмотром, а внутренние непровары — шлаковые включения и несплавления между слоями двусторонних швов (рис. 8.6, б, д) — могут
быть обнаружены только с применением специальных методов контроля (рентгеновское или β-просвечивание, ультразвуковой или магнитный контроль).
Рис. 8.6. Непровары (указаны стрелками) в стыковых (а, б, в, г)
и тавровых (д) соединениях
Причинами образования непроваров могут быть:
− малый зазор ∆ (рис. 8.6а) при сборке деталей под сварку;
− малый угол скоса кромок — α < α o (рис. 8.6,в и г), при этом не обеспечивается проплавление корня шва.;
− завышенная скорость сварки или малая величина тока;
98
ЛЕКЦИЯ 8
− загрязнение свариваемых кромок, плохая очистка швов от шлака при
многослойной сварке.
Малая величина тока или завышенная скорость сварки свидетельствуют о
неправильно выбранном режиме сварки. Количество вложенного в свариваемое
kUI
(здесь к — безизделие тепла определяется погонной энергией дуги q =
Vcв
размерный коэффициент). Числитель этого выражения — тепловая мощность
дуги, Дж/с, а знаменатель — скорость сварки, см/с. Таким образом, погонная
энергия имеет размерность
q=
Дж ⋅ с Дж
=
см / с
см
и показывает количество тепла, вложенного в изделие на 1 см длины шва.
Уменьшение погонной энергии по сравнению с оптимально выбранной из-за
снижения величины тока или из-за повышения скорости сварки неизбежно
приведет к образованию непроваров.
Прожоги – это полости в шве, образовавшиеся в результате вытека6.
ния металла из сварочной ванны. Эти дефекты возникают при однопроходной
сварке тонколистовых соединений «на весу» (без подкладок) или при укладке
корневого шва при многопроходной сварке (рис. 8.7).
а)
б)
Рис. 8.7. Образование прожогов при однопроходной (а) и многопроходной сварке (б)
Прожоги могут быть и при сварке нахлесточных и тавровых соединений, и
при сварке стыковых соединений на подкладках. Причинами возникновения
прожогов является избыточная сила тока при малой скорости сварки (избыточная погонная энергия), вследствие чего возрастает объем сварочной ванны и
происходит вытекание жидкого металла. Увеличивают вероятность образования прожогов – завышенная величина зазоров между соединяемыми элементами, неплотное прилегание подкладки или флюсовой подушки с обратной стороны шва.
99
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
7.
Кратер в конце шва – углубление, образующееся после резкого обрыва дуги. Так как под действием давления дуги жидкий металл вытесняется
из-под дуги, сварочная ванна представляет собой некоторый объем расплава с
вогнутой поверхностью (рис. 8.8, а).
При медленном гашении дуги путем постепенного увеличения ее длины
или уменьшения величины тока вытесненный жидкий металл под действием
силы тяжести заполняет кратер (рис. 8.8, б). В случае резкого обрыва дуги происходит быстрая кристаллизация сварочной ванны и углубление в ней остается
незаполненным (рис. 8.8, в).
Рис. 8.8. Образование кратера в конце сварного шва:
1 — металл шва; 2 — свариваемый металл;
3 — незаполненный кратер; 4 — трещины в незаполненном кратере
Оставшиеся в кратере порции жидкого металла при ускоренной кристаллизации в результате объемной усадки испытывают растягивающие напряжения.
При этом в кратере возникают трещины в виде «паучков», которые в процессе
эксплуатации могут стать причиной начала разрушения конструкции. Чтобы
обеспечить заплавление кратера, следует плавно увеличивать дугу или постепенно уменьшать величину сварочного тока. Кроме того, рекомендуется кратер
выводить на технологические планки или заканчивать шов на заваренном ранее
участке (рис. 8.9).
2
1
Рис. 8.9. Приемы окончания швов:
а — вывод на технологическую планку; б — окончание на заваренном ранее участке шва;
в — на кольцевом шве; 1 и 2 — начало и конец сварки соответственно
100
ЛЕКЦИЯ 8
8.2. ВНУТРЕННИЕ ДЕФЕКТЫ
К этой группе дефектов относятся горячие и холодные трещины, поры,
шлаковые включения и внутренние непровары. Наиболее опасным видом дефектов являются трудно обнаруживаемые трещины и непровары, которые резко
снижают работоспособность и надежность сварных конструкций
Горячие трещины при сварке – это хрупкие межкристаллитные разрушения шва и зоны термического влияния, наиболее часто возникающие в твердожидком состоянии при завершении кристаллизации (рис. 8.10).
Рис. 8.10. Виды горячих трещин в шве и околошовной зоне
(1 и 2 - продольные; 3 и 4 - поперечные)
Потенциальную склонность к образованию горячих трещин имеют все
конструкционные сплавы при любых видах сварки плавлением.
Горячие трещины зарождаются и развиваются при высоких температурах,
когда кристаллизуется сварочная ванна. Известно, что сплавы, в отличие от
чистых металлов, плавятся и кристаллизуются в некотором интервале температур (рис. 8.11).
а)
б)
Рис. 8.11. Диаграмма состояния бинарного сплава (а)
и схема кристаллизации (б) сплава I-I при температурах Т1, Т2 и Т3
101
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Чистые металлы (без примесей) кристаллизуются и плавятся при одной
температуре: Ткр = Тпл (см. рис. 8.11,а). С увеличением концентрации легирующего элемента или примеси в сплаве при его охлаждении температура начала
кристаллизации Тл, называемая температурой ликвидус (от лат. liquat – жидкий)
и температура конца кристаллизации сплава Т с - температура солидус (от лат.
solidus – твердый) понижаются. В интервале температур между Тл и Тс расплав
находится в двухфазном состоянии, т.е. в нем присутствуют как жидкие, так и
твердые частицы. Этот интервал, равный разности температур ТЛ и Т С , называется интервалом кристаллизации:
∆Ткр = Тл – Тс.
С увеличением концентрации второго элемента интервал кристаллизации
увеличивается (рис. 8.11,а).
Рассмотрим процесс кристаллизации сплава 1-1. При достижении охлаждаемого сплава температуры ТЛ = Т{ в жидком металле возникают зародыши
кристаллов (см. рис. 8.11, б). На базе этих зародышей при дальнейшем понижении температуры до Т2 происходит рост кристаллов, объем твердой фазы увеличивается, а жидкой уменьшается. При температуре Т3, близкой к завершению
процесса кристаллизации (т.е. вблизи ТС; на диаграмме рис. 8.11 соответствует
точке 3), почти весь объем занят твердой фазой. Лишь на границах кристаллитов сохраняются прослойки жидкой фазы.
В связи с изменением соотношения объемов твердой и жидкой фаз происходит изменение деформационных и прочностных свойств сплавов в температурном интервале кристаллизации. В жидком состоянии при Т>ТЛ расплав обладает неограниченной пластичностью и изменяет свою форму практически без
приложения усилий. То есть относительное изменение размеров расплава весьма велико. С появлением твердой фазы в расплаве (при Т<Тл) пластичность
расплава уменьшается и становится минимальной - ε min вблизи температуры
солидус (рис. 8.12). В этот момент большая часть кристаллизующегося металла
находится в твердом состоянии (см. рис. 8.11, Т=Т3).
Рис. 8.12. Изменение деформационной способности
в процессе его кристаллизации
102
ε сплавов 1 и 2
ЛЕКЦИЯ 8
Известно, что при переходе металла из жидкого состояния в твердое резко
сокращается его объем - усадка. Из-за усадки металла в стесненных условиях в
процессе кристаллизации металла шва в нем возникают растягивающие напряжения и деформации (см. раздел 5 «Сварочные напряжения и деформации).
Скорость нарастания напряжений и деформаций металла шва в основном определяется скоростью охлаждения металла ωохл = ∂Τ / ∂τ или связанным с ней
темпом деформации ∂εсв / ∂Τ . Графически темп деформации представляет собой тангенс угла α наклона линии εсв = f(Т) к оси температур. При высоких
скоростях охлаждения ω2 темп деформации больше, чем при малых скоростях
охлаждения ω2 .
Температурный интервал, в котором при кристаллизации деформационная
способность сплава снижается до минимума ( εmin ), называется температурным
интервалом хрупкости (ТИХ). ТИХ зависит от интервала кристаллизации и
приближенно можно принять ТИХ = ∆ Ткр.
Если деформация металла в интервале кристаллизации по величине превысит минимальную его деформационную способность εmin , то в сварном шве
возникнут горячие (кристаллизационные) трещины. Например, при сварке
сплава 1, имеющего интервал кристаллизации ∆ Т1, со скоростью охлаждения
ω1 , в шве неизбежно образуются горячие трещины. Уменьшение скорости охлаждения сварного соединения и связанное с этим уменьшение темпа деформации (линия ω2 ) позволяют избежать разрушения металла шва. В этом случае
величина сварочных информаций будет меньше деформационной способности
сплава εmin .Если путем изменения химического состава металла шва уменьшить величину интервала хрупкости ∆ Т2 (сплав 2, рис. 8.12), то горячих трещин в шве не будет даже при высоком темпе деформации ω1 .
Таким образом, зарождение кристаллизационных трещин зависит от трех
параметров:
− величины интервала кристаллизации сплава, которая в основном определяется его химическим составом;
− величины минимальной пластичности сплава в интервале кристаллизации εmin . Она зависит от химического состава сплава, размеров кристаллитов,
образующихся при кристаллизации сварочной ванны и от направления их роста
в ванне и др.;
− темпа нарастания упругопластических деформаций в процессе кристаллизации и последующего охлаждения сварного соединения. Темп деформации в
основном определяется скоростью охлаждения металла и жесткостью сварной
конструкции.
Варьируя эти факторы, можно найти оптимальные конструктивные и технологические варианты проектирования и производства сварных металлоконструкций, стойких против горячих трещин. Рассмотрим этот вопрос подробнее.
103
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Влияние химического состава стали на склонность к образованию горячих
трещин. Химический состав свариваемого металла оказывает первостепенное
влияние на стойкость шва против образования кристаллизационных трещин,
так как от химического состава стали зависят величина интервала кристаллизации ∆Ткр и минимальной пластичности εmin в этом интервале. Все химические
элементы, входящие в состав металла шва, условно можно разделить на три основные группы.
К первой группе относятся элементы, присутствие которых снижает стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. Эти элементы, с увеличением их концентрации в сварочной ванне, расширяют интервал кристаллизации и, следовательно, увеличивают ТИХ. Такие элементы (или примеси) называют вредными.
Во вторую группу входят элементы, которые в зависимости от их сочетания и концентрации могут оказывать как положительное, так и отрицательное
влияние на стойкость материала против горячих трещин.
Третья группа включает элементы, присутствие которых не влияет на образование горячих трещин.
Сера является одной из наиболее вредных примесей в сварных металлоконструкциях. Низкоуглеродистая сталь без примесей серы кристаллизуется в
интервале 1530—1480 оС (∆Ткр = 50 оС). При наличии серы в сварочной ванне
она образует химическое соединение FeS. Смесь FeS с железом кристаллизуется в отличие от стали без примесей при температуре 980 оС. Таким образом, сера увеличивает интервал кристаллизации до ∆Ткр = 1530 – 980 = 550 оС, то есть
в 11 раз (см. рис. 8.3). Поэтому в шве, когда основная масса металла уже закристаллизовалась, остаются участки металла, где низкоплавкие сульфидные прослойки, располагаясь между кристаллитами, резко повышают вероятность образования горячих трещин.
Очень вредна сера и в легированных сталях с большим содержанием никеля (нержавеющие стали, жаропрочные сплавы), т. к. в них образуются еще более легкоплавкие эвтектики на базе сульфида NiS, кристаллизующиеся при
644 оС. Усиливать вредное влияние серы могут и другие элементы, в частности,
в низкоуглеродистых сталях — углерод. В шов сера попадает из основного металла и электродной проволоки, а также из электродных покрытий и флюсов.
Концентрация серы в сталях для сварных металлоконструкций не должна
превышать 0,05 % (практически в настоящее время применяют стали с содержанием серы 0,03—0,04 %). В присадочной проволоке концентрация серы колеблется в пределах 0,02—0,04 %, а в проволоках повышенной чистоты, применяемых при сварке особо ответственных изделий, серы содержится не более
0,015 %. Также жестко ограничивается содержание серы в электродных покрытиях и флюсах.
Фосфор также относится к вредным элементам. Он, как и сера, уменьшает
стойкость металла против горячих трещин из-за образования легкоплавкой смеси FeP-Fe (эвтектика).
104
ЛЕКЦИЯ 8
Кроме того, фосфор резко снижает ударную вязкость стали, особенно при
низких температурах. Нержавеющие и жаропрочные стали имеют аустенитную
структуру, а растворимость фосфора в аустените меньше, чем в феррите (ферритно-перлитная структура характерна для низкоуглеродистых сталей).
Поэтому фосфор особенно опасен при сварке нержавеющих и жаропрочных сталей. Вредное действие фосфора усиливается при наличии в металле серы, так как в этом случае температура кристаллизации еще больше снижается
(линия Т```с — см. на рис. 8.13), а интервал кристаллизации увеличивается до
∆Т```кр. Поэтому в углеродистых конструкционных сталях содержание фосфора допускается не более 0,055 %, а в легированных — не более 0,03 %, в электродной проволоке — до 0,04 %.
Обычно для уменьшения вероятности образования горячих трещин либо
снижают концентрацию вредных примесей, либо связывают их в тугоплавкие
прочные соединения.
Например, марганец, обладая большим химическим сродством с серой,
чем железо, связывает серу в тугоплавкое соединение — сернистый марганец
(MnS) и таким образом уменьшает интервал кристаллизации:
FeS + Mn = MnS + Fe.
Рис. 8.13. Угол диаграммы состояния железо — углерод:
Тл — линия ликвидус (начало кристаллизации);
`
``
```
Тс , Тс и Тс — линия солидус (окончание кристаллизации) для стали без серы,
с серой и при одновременном присутствии в стали серы и фосфора соответственно;
∆Т`кр, ∆ Т``кр, ∆ Т```кр — интервалы кристаллизации
105
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Совместное влияние серы, углерода и марганца на образование горячих трещин в сварных соединениях из низкоуглеродистой стали показано на рис. 8.14.
Рис. 8.14. Совместное влияние S, Mn и C на стойкость швов
против кристаллизационных трещин (выше линии трещины в шве есть, ниже линии трещин нет)
Из рис.8.14 следует, что вредное действие серы в присутствии углерода
усиливается.
Например, при содержании углерода в стали 0,1 % трещины в шве не образуются даже при наличии 0,06 %, а введение в сталь 0,6 % Mn позволяет получать швы без трещин с содержанием серы до 0,085 %. При увеличении концентрации углерода в стали требуется снижать допустимую концентрацию серы в
металле шва. Марганец ослабляет ее вредное действие и, следовательно, повышает стойкость швов против горячих трещин.
Влияние формы сварочной ванны. Изменение режимов сварки приводит к
изменению формы сварочной ванны (формы шва), которая влияет на направление теплоотвода и, как следствие, на направление роста кристаллитов в шве.
Конфигурация шва характеризуется коэффициентом формы шва φ = b/h, где
b — ширина шва, h — глубина проплавления (рис. 8.15).
Рис. 8.15. Влияние формы шва на направление роста кристаллитов
(стрелками показано направление теплоотвода)
106
ЛЕКЦИЯ 8
Кристаллиты в шве растут в направлении, обратном теплоотводу. При узком швеи глубоком проваре (φ = 0,8–1,2, см. рис. 8.15) кристаллиты растут навстречу друг другу.
При этом в зоне срастания кристаллитов может скапливаться легкоплавкая
эвтектика с повышенным содержанием S и P (черная полоса на рисунке) и высока вероятность образования кристаллизационных трещин.
При чашеобразной форме шва (φ = 1,3 – 5,0) образуется дезориентированная мелкозернистая структура, легкоплавкие составляющие распределяются
более равномерно по сечению шва.
При наплавочных работах, когда укладываются широкие швы с малой
глубиной проплавления (φ > 5,0), кристаллиты растут снизу вверх, вытесняя
легкоплавкие составляющие на поверхность шва, при этом в верхних слоях
шва возможно возникновение горячих трещин, обнаруживаемых внешним
осмотром.
Зависимость критического содержания углерода в стали, выше которого
в шве возникают горячие трещины, от коэффициента формы шва (рис. 8.16)
свидетельствуют о том, что наиболее благоприятной формой, стойкой против
образования кристаллизационных трещин является чашеобразный шов
(φ = 1,3 – 5,0).
Рис. 8.16. Зависимость критического содержания углерода в стали
от коэффициента формы шва (а) и влияние угла разделки на форму корневого шва (б)
Регулирование темпа деформации
Как уже было сказано, темп деформации определяется в основном скоростью охлаждения металла шва. Согласно исследованиям академика
107
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Н. Н. Рыкалина скорость охлаждения, ω , оС/с, при сварке листов встык в один
проход можно вычислить по формуле
Αδ 2 (T − To )2
ω=
,
q}
где А — коэффициент, зависящий от теплопроводности, теплоемкости и удельного веса свариваемого металла; δ — толщина свариваемого листа; q/V — погонная энергия дуги; Т — температура, при которой вычисляется скорость охлаждения; То — начальная температура изделия или температура сопутствующего подогрева.
Из приведенной формулы следует, что уменьшение скорости охлаждения,
а следовательно, и темпа деформации можно достичь увеличением температуры сопутствующего подогрева (То) или увеличением погонной энергии (например, за счет снижения скорости сварки V).
Предварительный или сопутствующий подогрев изделия является эффективной мерой, обеспечивающей уменьшение темпа деформации кристаллизующегося металла.
Температура подогрева, при которой исключается образование горячих
трещин, зависит от химического состава металла шва. Чем больше углерода в
металле шва, тем более высокая требуется температура подогрева (рис. 8.17).
На практике свариваемые изделия подогревают в печах или газовым пламенем. В зависимости от химического состава стали подогрев осуществляют в
температурном интервале 150—500оС.
Кроме изменения температурного режима, величину растягивающих напряжений и темп деформации металла в
интервале
кристаллизации
можно
уменьшить за счет рационального конструирования узлов и элементов
(уменьшения количества и сосредоточенности швов, выбора оптимальной
Рис. 8.17. Зависимость температуры
разделки кромок (см. рис. 8.15, б), устпредварительного подогрева
ранения излишней жесткости сварных от концентрации углерода в металле шва
узлов и др.).
Влияние размеров первичных кристаллов в шве. Деформация металла шва при высоких температурах в процессе
его кристаллизации и последующего остывания осуществляется, в основном,
путем скольжения и поворота кристаллитов относительно друг друга. Следовательно, чем меньше размеры кристалликов в шве, тем больше плоскостей
108
ЛЕКЦИЯ 8
скольжения, тем более пластичен металл, тем больше значение εmin в интервале
кристаллизации. Кроме того, измельчение кристаллитов в шве в процессе кристаллизации способствует уменьшению степени химической неоднородности
шва, то есть уменьшению концентрации вредных примесей на границе кристаллитов. Поэтому швы с мелкозернистой структурой обладают более высокой
стойкостью против кристаллизационных трещин.
Холодные трещины
В отличие от кристаллизационных трещин холодные образуются в сварных соединениях при остывании шва и околошовной зоны до относительно невысоких температур, как правило, ниже 200 оС. К этому моменту металл шва и
околошовной зоны приобретает высокие упругие свойства, присущие ему при
комнатной температуре.
Наиболее часто холодные трещины возникают в сварных соединениях из
среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов, т. е. сталей, восприимчивых к закалке. Значительно реже они образуют в сварных соединениях из низколегированных ферритно-перлитных сталей и высоколегированных сталей аустенитного класса.
Основными причинами возникновения холодных трещин являются образование закалочных структур (закалочные трещины) и наличие водорода в металле шва (водородные трещины). Образование закалочных структур происходит при температуре 200оС и ниже, т. е. процесс происходит тогда, когда металл приобрел высокие упругие свойства. При этом, вследствие выделения мартенсита, на его границах возникают напряжения, которые, складываясь с остаточными растягивающими напряжениями, могут привести к образованию холодных трещин в шве или околошовной зоне.
Водородные трещины появляются в случае, если в процессе сварки в шве накопилось много водорода, последний при остывании шва диффундирует из наводороженного металла шва в околошовную зону, где его концентрация ничтожна.
Здесь, скапливаясь в микропустотах и превращаясь в молекулярный водород 2 [ H ] → H 2 , он создает громадное давление (более 100 атм), под действием
которого происходит разрушение металла (образуются холодные трещины).
Наличие внутренних дефектов в сварном соединении (пор, шлаковых включений) увеличивает вероятность накопления в них водорода и образования холодных трещин.
Совместное действие образования закалочных структур и водорода усиливает опасность возникновения холодных трещин в сварных соединениях из
средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов.
Исходя из описанного выше механизма образования холодных трещин для
предотвращения их возникновения рекомендуются следующие меры.
109
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
1. Надо стремиться к уменьшению содержания водорода в шве. Это достигается тщательной очисткой свариваемой зоны от ржавчины, содержащей много влаги, просушиванием и прокалкой электродов и флюсов, осушкой и контролем содержания влаги в защитных газах.
2. Необходимо проводить мероприятия по предотвращению образования
закалочных структур в шве и околошовной зоне. Это достигается за счет снижения скорости сварного соединения путем применения предварительного сопутствующего и последующего подогревов, применения аустенитной электродной проволоки (она не образует мартенситную структуру), охлаждения
сваренного узла в печи, утепления асбестом и др.
Поры и неметаллические включения
Поры и неметаллические (шлаковые) включения возникают в металле шва
в результате взаимодействия металла с окружающей средой как на стадии
плавления, так и в процессе кристаллизации сварочной ванны.
Поры в сварных швах образуются, если в период кристаллизации сварочной
ванны происходит выделение растворенного газа в жидком металле газообразование и пузырьки газов не успевают удалиться из металла до его затвердевания.
Газовыделение в сварочной ванне возможно по двум причинам:
− в связи с химическими реакциями в расплавленном металле, при которых продуктами реакции являются газы;
− в связи с выделением из жидкого металла растворенных в них газов.
При сварке сталей одной из основных причин образования пор в металле
шва является реакция углерода с окисью железа, которая присутствует в сварочной ванне. В результате этой реакции в сварочной ванне выделяется окись
углерода:
FeO + C = Fe + CO ↑ .
Так как окись углерода (СО) нерастворима в жидком железе, то в сварочной
ванне происходит бурное выделение газовых пузырьков, всплывающих вверх. В
результате этого поверхность ванны пузырится, кипит. Если при сварке в нижнем положении время существования сварочной ванны tв = Lв \ Vсв (Lв — длина
сварочной ванны) достаточно большое (при малых скоростях сварки), то пузырьки успеют всплыть на поверхность сварочной ванны и металл шва
будет плотным.
При сварке в потолочном положении удаление СО из металла шва за
счет всплывания газовых пузырьков
невозможно (рис. 8.18). При наличии
в металле элементов с большим сродРис. 8.18. Всплывание газовых пузырьков
110
при потолочной сварке
ЛЕКЦИЯ 8
ством к кислороду (Si, Mn, Ti) реакция раскисления будет проходить за счет этих
элементов и выделение СО будет в значительной степени подавлено. Поэтому в
сварочных материалах (присадочной или электродной проволоке) для сварки сталей содержание углерода стремятся уменьшить, а количество элементовраскислителей – увеличить.
Вторая причина появления газовых пузырьков в шве — выделение в момент кристаллизации жидкого металла растворенных в нем газов. Для стали
это в основном водород и азот, растворимость которых в твердой фазе в момент
кристаллизации уменьшается в несколько раз по сравнению с растворимостью
в жидком железе (см. лекцию № 6).
Скачкообразное изменение растворимости водорода и азота при достаточном времени существования ванны приводит к интенсивному выделению пузырьков на границе раздела жидкой и твердой фаз. В металлическом растворе
азот и водород могут находиться только в атомарном состоянии, поэтому процесс их растворения в металле сопровождается расщеплением молекул на атомы (рис. 8.19). При кристаллизации металла протекает обратный процесс —
выделение азота или водорода из раствора и объединение атомов в молекулы.
Если увеличить скорость охлаждения сварочной ванны, то можно затормозить выделение растворенных газов при кристаллизации (они остаются в твердом растворе). В этом случае металл шва будет плотным.
Зависимость пористости швов от скорости сварки схематически представлена на рис. 8.20.
Рис. 8.19. Выделение растворенных
(N2) газ ⇔ 2 [ N ] ,
газов в процессе кристаллизации
(Н2) газ ⇔ 2 [ N ] сварочной ванны
Рис. 8.20. Влияние скорости сварки
на пористость металла шва
вследствие выделения растворенных газов:
∑VH — объем пустот в шве,
допустимый по нормативам
111
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
При скоростях сварки меньше vо удаление растворенных газов происходит
за счет всплывания пузырьков. Если скорость сварки больше v1, то пористость
шва превысит допустимые нормы. Наибольшая пористость наблюдается в диапазоне v1 -v2. При скоростях сварки больше vо уменьшение пористости швов
достигается за счет фиксирования водорода или азота в твердом растворе.
Для металла содержание небольшого количества азота в растворе благоприятно влияет на его прочность (см. лекцию № 6). Но наличие водорода, растворенного в стали, опасно с точки зрения сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин или появлению водородной хрупкости. Это
связано с высокой подвижностью растворенных атомов водорода.
Накапливаясь вокруг вакансий или выделяясь в микропустотах твердого
металла, водород из атомарного состояния переходит в молекулярное. При
этом давление молекулярного водорода в этих пустотах достигает 100 и более
атмосфер, а пластичность металла в зоне скопления молекулярного водорода
падает до нуля.
Ограничение содержания азота и водорода
в металле шва
Азот. Основным источником азота, попадающего в зону сварки, является
воздух. Поэтому для уменьшения поглощения азота при сварке необходимо
стремиться снизить его содержание в столбе дуги. Это достигается вытеснением воздуха из зоны горения дуги различными способами (применение обмазки,
выделяющей газы; свободных от азота флюсов и защитных газов).
Водород. Основными источниками водорода являются продукты распада
углеводов в электродных покрытиях, а также продукты диссоциации воды содержащейся в обмазке, флюсах, защитных газах и адсорбированной поверхностями свариваемых деталей и электродной проволоки.
Для уменьшения количества водорода, растворяющегося в сварочной ванне, необходимо тщательно очищать свариваемые кромки и сварочную проволоку от ржавчины, масел и жиров, производить просушку и прокалку электродов
и флюсов.
Неметаллические (шлаковые) включения образуются вследствие высоких
скоростей потоков расплава в зоне кристаллизации сварочной ванны. Это происходит при высоких скоростях сварки, при неправильных манипуляциях электродом. При этом в металл замешивается шлак и остается внутри шва. Кроме
того, шлаковые включения в шве возникают в результате окислительновосстановительных реакций, когда нерастворимые мелкодисперсные окислы
Mn и Si застревают в кристаллизующемся металле.
112
ЛЕКЦИЯ 8
Мелкие глобулярные шлаковые включения мало влияют на свойства металла шва. Крупные, вытянутые включения снижают ударную вязкость и усталостную прочность металла.
Контрольные вопросы
1. Перечислите наружные дефекты сварных соединений и причины их
образования.
2. Опишите дефекты геометрической формы шва, перечислите причины
их образования. Как они влияют на свойства и работоспособность сварных соединений?
3. Расскажите о непроварах, способах их обнаружения, причинах образования и влияния их на свойства сварных соединений.
4. Дайте характеристику прожогов и кратеров, объясните причины их
образования и способы их предотвращения.
5. Расскажите о механизме образования горячих трещин в металле шва.
6. Перечислите факторы, определяющие склонность сварных соединений к образованию горячих трещин.
7. Назовите способы предотвращения возникновения горячих трещин в
сварных соединениях.
8. Объясните причины образования и перечислите способы предотвращения возникновения холодных трещин в сварных соединениях.
9. Поры и неметаллические включения. Расскажите о причинах образования пор и неметаллических включений в металл сварного шва и способах
борьбы с их возникновением.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучив курс лекций «Сварка в строительстве» студенты получают представление о физико-химических, термомеханических, металлургических и тепловых процессах, структурных изменениях в шве и околошовной зоне, протекающих в процессе сварки; и должны овладеть необходимыми современному
инженеру- строителю знаниями:
- достоинства и недостатки строительных металлических конструкций;
- достоинства и недостатки сварных соединений;
- физические основы образования сварных соединений при сварке металлов;
- классификация способов сварки и основные способы сварки металлов;
- физические процессы в сварочной дуге;
- тепловые процессы при сварке;
- дефекты сварных соединений и причины их образования.
Полученные знания будут являться основой для разработки технологии
сварки в производстве и монтаже строительных металлических конструкций.
113
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
114
Учебное издание
Болдырев Александр Михайлович
Григораш Владимир Васильевич
СВАРКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ:
ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНЫХ РАБОТ
И ОБОРУДОВАНИЕ
Курс лекций
Подписано в печать 18.12.2008. Формат 60х84 1/16. Уч.-изд. л. 7,0.
Усл.-печ. л. 7,1. Бумага писчая. Тираж 300 экз. Заказ №
Отпечатано: отдел оперативной полиграфии
Воронежского государственного архитектурно-строительного университета
394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
115
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
60
Размер файла
3 863 Кб
Теги
строительство, сварочные, болдырев, сварки, технология, оборудование, работа, 351
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа