Свариваемость материалов

Контактная сварка с непрерывным оплавлением. При оплав­ лении с равномерно возрастающей скоростью температура в околоконтактной области

(2.69)

где Тпл — температура плавления металла; S — ускорение дви­ жения захвата.

Максимально допустимое ускорение

прогретая выше температуры Тл).

Температура стыка после выключения тока определяется по формуле

где t — время после выключения тока. Параметр

зующая распределенность теплоты по радиусу в пластине в мо­ мент выключения тока при (= 0 (можно принять £о«(св).

Введенная в металл теплота

Q — Qi + Qa.

где Qj — теплота, затраченная на расплавление объема металла свариваемых листов толщиной 26 между электродами диамет­

ловно принимают среднюю температуру металла в кольце рав­ ной Гпл/4.

центре процесса (на глубине 15—20 мм от поверхности шла­ ковой ванны). Скорость охлаждения и длительность нагрева при этом определяют по формулам (2 .2 2 ) и (2.26).

Основным параметром термического цикла, служащим кри­ терием оптимальности режима при электрошлаковой сварке, является время пребывания околошовной зоны выше 1170 К (длительность перегрева металла).

2.6.4. Плазменная сварка

Энергия плазменной дуги передается изделию электронами, тя­ желыми частицами, конвективными потоками, излучением столба дуги.

Эффективный к. п. д. плазменно-дугового нагрева (табл. 2.4) ниже, чем к. п. д. дуги, из-за большей теплоотдачи стен­ кам сопла и окружающему пространству.

Эффективный к. п. д. зависит от сварочного тока / и рас­ хода газа V.

При обработке материала плазменной струей энергия пере­ носится высокотемпературным газовым потоком и передается

Расчет нагрева массивных изделий электронным лучом вы­ полняется по схеме нормально распределенного источника на поверхности полубесконечного тела. Для случаев сварки на больших скоростях можно использовать формулы (2.51) и

(2.52).

Для лазерного нагрева применяются лазеры с импульсной генерацией излучения и лазеры непрерывного действия.

Распределение плотности теплового потока на поверхности материала от лазерного излучения

где R — коэффициент отражения.

Плотность мощности излучения импульсных лазеров дости­ гает в пятне нагрева значений 104—105 Вт/мм2. К. п. д. лазеров импульсного действия на рубине составляет 1 %. лазеров на стекле с неодимом 2 %.

Мощность СОг лазеров непрерывного действия составляет несколько киловатт при rj = 0,2. Плотность потока в пятне фо­ кусировки достигает 103 Вт/мм2.

Мощность газодинамических Лазеров достигает десятков киловатт.

Для расчета температурных полей при лазерной сварке применяются схемы, рассмотренные выше для электронного луча.

2.7. Справочные данные и примеры расчетов

Теплофизические коэффициенты металлов зависят от темпера­ туры. При инженерных расчетах применяются усредненные значения коэффициентов для некоторой температуры ТсР.

В табл. 2.7 приведены теплофизические коэффициенты для ряда металлов.

Ниже приведены для разных температур значения коэффи­ циента полной теплоотдачи вертикальных листов из углероди­ стой стали:

V 0,006.0,01 )

Скорость охлаждения оказалась выше допустимой, равной 10 К/с. Уменьшить скорость охлаждения можно за счет увеличения температуры

Тн (введение подогрева) или за счет уменьшения погонной энергии сварки. Определение температуры подогрева.

Из формулы (2.22)

Определить длину завариваемого короткого участка с учетом того, что температура мартенситного превращения стали 40Х близка к 570 К.

Теплофизические коэффициенты принимаем, как в примере 1.

Эффективная мощность дуги

q = 0,8* 180*24 = 3480 Дж/с.

Поправочный коэффициент для стыкового соединения /е3= 1,5; коэффи­ циент горения дуги £г=0,75. Длину участка, при которой первый слой не

охлаждается ниже 620 К, определяем по формуле (2.30)

_____________ 1,5а*0,75*34802______________ = 0,11 м = ПО мм.

4• 3,14 40*5 • 10® • 0,0182 *0,002 (620 — 290)2

3.1). Повышенная температура и более развитая поверхность капель электродного металла по сравнению с ванной создают более благоприятные условия для взаимодействия металла с газами и шлаками именно на стадии капель (табл. 3.1).

3.1.1. Металлургические реакции при сварке

Большинство процессов взаимодействия на границе металл — защитная среда протекают с наибольшей интенсивностью на высокотемпературных участках зоны плавления, поэтому особо

процессе нагрева оказывается больше, чем при снижении тем­ пературы. Поэтому в затвердевшем металле часто наблюда­ ется прирост или недостаток того или иного элемента по срав­ нению с исходной его концентрацией в сварочной ванне. Схе­ матически процесс представлен на рис. 3 .2 .

Допустим, что между Шлаком и жидким металлом при сварке под флюсом идет реакция

в результате которой в наплавленном металле с увеличением температуры возрастает концентрация [Me"]. Исходное равно­ весное содержание этого элемента в металле было [Ci] (см. рис. 3.2).

Реакция стремится к новому равновесию, причем скорость ее возрастает с повышением температуры. После достижения Тшах температура начинает снижаться, а соответственно в об­ ратном направлении должна изменяться и концентрация [Me"] в наплавленном металле, стремясь к содержанию [Ci]. Однако к моменту достижения Гтах концентрация [Me"] соответствует равновесному содержанию [Ср] для более низкой температуры,

поэтому при начальном снижении температуры [Ct] продол­ жает расти, стремясь к равновесному состоянию [CJmax. Та­ ким образом, температура начинает снижаться, а концентра­ ция [Me"] в наплавленном металле продолжает расти.

Вследствие дальнейшего снижения температуры увеличение содержания [Me"] сначала приостанавливается, а затем, пройдя через максимальную концентрацию [Ср], соответствующую рав­ новесной температуре Тр, также начнет снижаться, но опять отставая от изменения температуры. Указанное отставание со снижением температуры должно увеличиваться, так как ско­ рости реакций при более низких температурах уменьшаются. К моменту возвращения объема металла к температуре Ткр концентрация [Me"] не будет иметь значения [Ct] (см. рис. 3.5), а останется на каком-то уровне [Сг], что и создаст прирост эле­ мента в наплавленном металле Д[С].

Подобный ход рассуждений справедлив и применительно к реакциям между газами и металлом в зоне плавления.

3.1.2. Термодинамический метод оценки протекания реакций при сварке

Термодинамическое равновесие основано на законе сохранения содержания всех веществ, участвующих в реакции, как угодно долго при постоянных температуре и давлении. Поэтому, если подходить строго, то понятие термодинамического равновесия в целом неприменимо к зоне плавления при сварке, поскольку металл в сварочной ванне и контактирующие с ним фазы непрерывно изменяют свою температуру, а сварочная ванна непрерывно разбавляется новыми порциями еще непрореагиро­ вавших веществ — защитной среды, основного металла и сва­ рочной проволоки. Тем не менее это понятие, а также расчет­ ные и опытные данные о константах равновесия отдельных реакций оказываются весьма полезными для анализа металлур­ гических реакций при сварке плавлением по двум причинам:

1. В каждом элементарном объеме сварочной ванны реак­ ции стремятся к состоянию равновесия и, следовательно, ис­ пользование термодинамических данных позволяет в большин­ стве случаев предсказать наиболее вероятное их направление.

2. В сварочной ванне (зоне плавления) при сварке реакции взаимодействия протекают с большими скоростями, и поэтому можно ожидать состояния, близкого к равновесному.

Неравномерность температурного поля в зоне плавления весьма затрудняет выбор значения температуры, к которому следует относить расчеты равновесия. Поэтому термодинами­ ческие расчеты можно вести лишь условно, разбив зону плав­ ления на участки и принимая для каждого участка какую-либо одну температуру за равновесную. Практически удобно вести