Сапожков С.Б., Зернин Е.А., Сабиров И.Р. Теория сварочных процессов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

абсолютной величине в двух взаимноперпендикулярных на-

правлениях на поверхности исследуемых стальных листов и

прочих деталей, включая сварные швы из однородных метал-

лов. Исследуемый участок на поверхности нагруженной детали

определяется габаритами первичного преобразователя или

датчика.

На рис. 4.1 представлен внешний вид прибора ИМН-1.

Рис. 4.1. Внешний вид прибора с магнитоупругим датчиком для изме-

рения величины остаточных напряжений

4. Методика выполнения лабораторной работы

1. Самостоятельно осуществить предварительную подго-

товку отчета с необходимыми формами таблиц и графиков.

2. Изучить характеристику объекта исследования, исполь-

зуя методические указания, конспект лекций и предлагаемую

литературу.

3. Пройти инструктаж по технике безопасности проведе-

ния лабораторной работы.

4. Получить допуск к выполнению лабораторной работы.

5. Ознакомиться с оборудованием и измерительными

приборами, применяемыми для исследований.

6. Ознакомиться с требованиями к уровню достоверности

и повторяемости результатов измерений, изложенными в пунк-

те 4. Определить абсолютную и относительную погрешность

измерения приборов.

7. Подготовить образцы сварных соединений для измере-

ния внутренних напряжений по схеме, представленной на рис.

4.2. Сделать эскизы сварных соединений с координатной сет-

кой.

Ось шва

Номера рядов точек (

N=-n…+n)

Ось шва

Номера рядов точек (

N=-n…+n)

Рис. 4.2. Схема измерения остаточных напряжений

8. Измерить внутренние напряжения в пластинах до свар-

ки. Данные занести в таблицу 4.1.

9. Произвести сварку пластин.

10. Измерить внутренние напряжения после сварки. Дан-

ные занести в таблицу.

11. Используя вычислительные пакеты Mathcad, Matlab

или приложение Microsoft Excel построить графики распреде-

ления внутренних напряжений параллельно (σ

) и перпендику-

лярно (σ

) оси шва до, и после сварки (данные представить в

распечатанном виде).

14. По полученным экспериментальным данным сделать

выводы.

15. Ответить на типовые вопросы для контроля и само-

контроля.

16. Оформить отчет в соответствии с требованиями и

представить его для защиты преподавателю.

5. Формы таблиц, рекомендуемых для записи измеряемых

свойств объекта исследования

Таблица 4.1

Значения внутренних напряжений в различных участках

сварного соединения

Внутренние напряжения до/после сварки

плоскость

Ряд

-n

-n+1

…

-3

-2

-1

…

n-1

6. Типовые вопросы для контроля и самоконтроля

студентов

1. Причины возникновения внутренних напряжений.

2. Методы определения внутренних напряжений.

3. Преимущества и недостатки различных способов изме-

рения внутренних напряжений в сварных соединениях.

4. Способы уменьшения внутренних остаточных напря-

жений после сварки.

5. От чего зависит уровень внутренних напряжений в пла-

стинах до и после сварки?

4.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СВАРИВАЕМОСТИ

1. Цель работы

Научиться теоретически определять свариваемость сталей

и сплавов.

2. Краткая характеристика объекта исследования

Специфика теплового воздействия на металл при сварке

вызывает многообразные сложные изменения в составе и

структуре металла сварных соединений. Реакция сталей раз-

личного химического состава на термический цикл сварки не-

одинакова и, как правило, следствием ее является ухудшение

свойств стали в зоне сварного соединения, что затрудняет по-

лучение качественных сварных соединений.

Разница между сталями, обладающими хорошей и плохой

свариваемостью, заключается в том, что для качественной

сварки последних необходима более сложная технология

(предварительный или сопутствующий подогревы, последую-

щая термообработка, облицовка кромок и т.п.). В некоторых

случаях усложнение технологии может быть настолько значи-

тельным, что изготовление сварной конструкции может ока-

заться экономически нецелесообразным. Однако, усовершен-

ствование существующих и разработка новых сварочных про-

цессов и сварочных материалов сокращает ряд таких сталей.

Разработке технологического процесса изготовления

сварной конструкции из той или иной стали должна предшест-

вовать оценка свариваемости этой стали. Существует множе-

ство разнообразных по своей сущности, трудоемкости и объек-

тивности способов оценки свариваемости сталей и различных

сплавов.

Образование сварного соединения сопровождается воз-

никновением химических (ионной, ковалентной, металличе-

ской и др.) связей между элементарными частицами соединяе-

мых элементов. Образование химических связей сопровожда-

ется, в свою очередь, протеканием определенных явлений, на-

зываемых сварочными процессами, которые условно делят на

три группы.

Характер и степень развития сварочных процессов опре-

деляют технологическую прочность металла шва и зоны тер-

мического влияния, то есть способность материалов выдержи-

вать без разрушения различного рода воздействия в процессе

их технологической обработки. Кроме того, сварочные процес-

сы в значительной мере определяют и эксплуатационную

прочность, работоспособность сварного соединения. При

сварке различают технологическую прочность в процессе

кристаллизации (стойкость против горячих трещин) и в про-

цессе фазовых и структурных превращений в твердом состоя-

нии (стойкость против холодных и других видов трещин).

Определение понятия свариваемости дано в

ГОСТ 2601-84: «Свариваемость – свойство металла или со-

четания металлов образовывать при установленной техно-

логии сварки соединение, отвечающее требованиям, обуслов-

ленным конструкцией и эксплуатацией изделия».

Само понятие свариваемости уже говорит о том, что сва-

риваемость является комплексной характеристикой металла,

отражающей его реакцию на физико-химическое воздействие

процесса сварки и способность образовывать сварное соедине-

ние, отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

В процессе изготовления сварной конструкции могут воз-

никать горячие, холодные трещины, поры в металле шва, ме-

талл может потерять стойкость против перехода в хрупкое со-

стояние и т.д.

С учетом этого основными показателями свариваемости в

настоящее время приняты следующие:

- сопротивляемость образованию горячих трещин при

сварке;

- сопротивляемость образованию холодных трещин и за-

медленному разрушению;

- окисляемость металла при сварке, зависящая от его хи-

мической активности;

- чувствительность металла к тепловому воздействию

сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, струк-

турными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического

влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

- чувствительность к образованию пор;

- сопротивляемость образованию трещин при повторных

нагревах;

- соответствие свойств сварного соединения эксплуатаци-

онным требованиям: жаростойкость, жаропрочность, коррози-

онная стойкость и т.п.

В практике пользуются набором основных показателей,

типовых для каждого вида материала и условий эксплуатации

изготовленных из него сварных конструкций.

Одним из способов оценки склонности металла сварных

соединений к холодным трещинам является оценка потенци-

альной склонности стали по значению эквивалента углерода

экв

Одной из наиболее распространенных формул для под-

счета углеродного эквивалента считают формулу вида:

213154556

PCuNiMoVCrMn

(4.1)

где символы химических элементов обозначают их со-

держание в стали, %.

При пользовании этой формулой содержание меди учи-

тывается при Сu 0 0,5 %, а фосфора при Р > 0,05 %.

В случае, если С

> 0,45...0,55 %, в зависимости от тол-

щины металла, рекомендуется применять предварительный

подогрев. При сварке низколегированных сталей повышенной

прочности низководородистыми электродами (как правило, с

основным покрытием по специальной технологии (многопро-

ходная сварка, обеспечивающая прогрев предыдущего слоя

при наложении последующего по всему сечению до темпера-

тур выше Ас

) критическое значение углеродного эквивалента

может быть увеличино до 0,70 %.

В литературе также приводится формула с другими ко-

эффициентами.

VMoCrNiSiMn

С 5

144510246

(4.2)

Стали, у которых С

0,45 %, считаются потенциально

склонными к образованию холодных трещин, так как в этом

случае становится возможным образование закалочных струк-

тур в металле сварного соединения, что при условии насыще-

ния металла водородом и высоких сварочных напряжений мо-

жет вызвать образование трещин.

Приведенные формулы для расчета углеродного эквива-

лента не учитывают толщину металла и содержание в нем во-

дорода. Толщина металла оказывает влияние как на термиче-

ский цикл, так и на уровень сварочных напряжений, влияние

водорода рассмотрено ранее. Это обстоятельство в значитель-

ной мере снижает объективность оценки.

Красовский А.И. приводит несколько иную формулу,

учитывающую влияние толщины металла.

PCuMoNiCrMn

С 0024,0

21341556

(4.3)

где S – толщина металла, мм.

Согласно рекомендациям по использованию этой фор-

мулы для ответственных сварных конструкций может быть

применена сталь с содержанием углерода не более 0,22 % и

≤ 0,50 %.

Пользуясь данной формулой и учитывая данные табл.4.2,

устанавливают степень сложности технологии сварки углеро-

дистых и низколегированных сталей перлитного класса, обес-

печивающую отсутствие трещин в околошовной зоне сварного

соединения.

При сварке изделий небольшой массы, или в условиях

малой интенсивности отвода тепла, степень сложности техно-

логии выполнения сварных соединений может быть снижена

путем применения соответствующих повышенных режимов

сварки.

А.И. Красовский же считает достаточно проверенной и

надежной несколько сокращенную формулу

1520

VMoСr

NiMn

(4.4)

Таблица 4.2

Условия сварки углеродистых и низколегированных сталей

перлитного класса в зависимости от их химического состава

Эквивалентное со-

держание углерода в

стали, %

Технологический процесс, обеспе-

чивающий отсутствие холодных тре-

щин

≤ 0,25

Сварка в обычных условиях (без по-

догрева)

0,25‹ С

≤ 0,35

Сварка с предварительным низким

подогревом (150-200

С) и с после-

дующей термообработкой (нормализа-

ция или отпуск)

0,35‹ С

≤ 0,5

Сварка с предварительным высоким

подогревом (500-600

С), либо в неко-

торых случаях с сопутствующим по-

догревом и последующей термообра-

боткой (нормализация или отпуск)

Им проведена графоаналитическая обработка результатов

многочисленных исследований, которая позволила предста-

вить графически зависимость допускаемой минимальной на-

чальной температуры изделия из низколегированной стали от

значения ее углеродного эквивалента, определенного по фор-

муле, и толщины свариваемых деталей.

Формула Д. Сефериана для расчета эквивалента углерода

связывает последний не только с химическим составом стали,

но и с толщиной свариваемого металла. Им же предложена

расчетная формула для определения температуры предвари-

тельного подогрева. Вся методика оценки разработана на основе

обобщения экспериментальных данных по сварке различных марок ста-

лей.

Согласно этой методике сначала рассчитывается значение

эквивалента углерода без учета толщины металла по формуле:

131899

MoNiCrMn

(4.5)

Влияние толщины свариваемого металла учитывается по-

правкой:

C 005,0

(4.6)

Полный эквивалент углерода определяется выражением:

)005,01(

(4.7)

Температура предварительного подогрева определяется

по формуле:

25,0350

эпод

СТ

(4.8)

Значение С

определяется по формуле:

275412656

PCuVMoNiCrSiMn

(4.9)

Предельное содержание элементов в стали не должно

превышать значений 0,5% C; 1,6% Mn; 1% Cr; 3,5% Ni; 0,6%

Mo; 1% Cu. Как видно, с увеличением степени легированности

стали и толщины свариваемого проката температура подогрева

возрастает.

3. Методика выполнения лабораторной работы

1. По таблице 4.3 получить от преподавателя марки ста-

лей для выполнения лабораторной работы.

2. Расшифровать данные марки сталей и определить их

химический состав.

3. По формулам, приведенным выше определить свари-

ваемость данных марок сталей.

Таблица 4.3

Сталь

12Х18Н10Т

Сталь 12Х2Н4А

Ст 4

Сталь 09Г2С

Ст2

Сталь 30Х

Сталь 10

Сталь 20

Сталь 20ХН

Ст 3

Сталь 12Х17

Сталь 18ХГТ

Сталь 20Х13

Сталь 15Х5М

Сталь 16Г2АФ

Сталь

10Х23Н18

Сталь

20Х23Н13

Сталь 15Х25Т

Сталь 40Х13

Сталь

40Х10С2М

Сталь 12ХН2

Сталь 10ХСНД

Сталь 35ХГСЛ

Сталь 08Х18Т1

Сталь 40ХНМА

Сталь 20ХГСА

Сталь 45ХНМ

Сталь 12Г2А

Сталь 35

Сталь

40Х5МФ