ТКМ часть 3

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения

__________________________________

А. А. Рауба, Г. В. Бычков, А. В. Обрывалин, Д. В. Муравьев

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

РАЗДЕЛ «СВАРОЧНОЕ ПРОИЗВОДСТВО»

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве методических указаний к лабораторным работам

по дисциплинам «Технологические процессы машиностроительного производства», «Технология конструкционных материалов»

и «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Омск 2011

2

УДК 620.22 (076.5) ББК 30.3я73

Б 95

Технология конструкционных материалов. Раздел «Сварочное про-

изводство»: Методические указания к лабораторным работам / А. А. Рауба, Г. В. Бычков, А. В. Обрывалин, Д. В. Муравьев. Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. 26 с.

В методических указаниях представлены три лабораторные работы, в которых рассмотрены структура и свойства зоны термического влияния сварного соединения, причины разрушения сварных швов, методика определения технологических коэффициентов при дуговой сварке стали, конструкция и принцип действия сварочного трансформатора ТС-300.

Методические указания предназначены для студентов первого, второго и третьего курсов очной и заочной форм обучения, изучающих дисциплины «Технологические процессы машиностроительного производства», «Технология конструкционных материалов» и «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Библиогр.: 5 назв. Табл. 3. Рис. 8.

Рецензенты: доктор техн. наук А. П. Моргунов; доктор техн. наук А. В. Бородин.

Омский гос. университет путей сообщения, 2011

3

1.1.2.Строение сварного шва ………………………………………. 8

1.1.3.Влияние структуры шва на механические свойства сварно-

го соединения …………………………………………………. 12

1.2.Порядок выполнения работы ………………………………………. 13

1.3.Содержание отчета …………………………………………………. 14

2.2.Порядок выполнения работы ……………………………………….. 17

2.3.Содержание отчета ………………………………………………….. 19

3.1.Краткие теоретические сведения ………………………………….. 20

3.2.Порядок выполнения работы ………………………………………. 23

3.3.Содержание отчета ………………………………………………….. 24

Библиографический список ………………………………………………….. 25

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагреве и пластическом деформировании.

Наибольшее распространение на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта получила ручная дуговая сварка. Источником теплоты при дуговой сварке служит электрическая дуга, которая горит между электродом и изделием, оплавляет кромки свариваемых поверхностей, заполняет зазор между ними расплавленным металлом электродного или присадочного материала, образуя сварочную ванну. После кристаллизации металла сварочной ванны образуется сварочный шов. Экономические показатели технологии и надежность сварного соединения, полученного дуговой сваркой, зависят от правильного выбора электрода, режима сварки и сварочного оборудования, а также от контроля качества сварного шва.

6

Лабораторная работа 1

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Ц е л ь р а б о т ы:

1)изучить особенности формирования структуры и механических свойств металла шва и зоны термического влияния сварного соединения;

2)изучить основные дефекты сварных соединений.

1.1.Краткие теоретические сведения

1.1.1. Основные понятия и определения по ГОСТ 2601-84

Сварка – получение неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.

Сварное соединение – неразъемное соединение, выполненное сваркой. Сварной шов – участок сварного соединения, образовавшийся в резуль-

тате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации.

Образование сварного соединения начинается с возникновения сварочной ванны (часть металла свариваемого шва, находящаяся при сварке плавлением в жидком состоянии) за счет нагрева и расплавления электродного и основного металла. Сварочная ванна покрывается слоем жидкого шлака, защищающего ее от окружающей среды, под которым начинается кристаллизация расплавленного металла шва (металл шва – сплав, образованный расплавленными основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом).

Одновременно с образованием сварочной ванны и процессом кристаллизации металла шва происходит образование зоны сплавления (зона частично сплавившихся зерен на границе основного металла и металла шва). За счет тепла дуги и тепла кристаллизации сварочной ванны происходит нагрев околошовной зоны (ОШЗ) основного металла. В результате формируется зона термического влияния (ЗТВ) (участок основного металла, не подвергшийся рас-

7

плавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке).

1.1.2.Строение сварного шва

Взависимости от реальных условий процесса сварки, температуры, скорости нагрева и охлаждения различных участков металл сварного соединения неоднороден и состоит из следующих зон (рис. 1.1).

М е т а л л ш в а – это та зона, в которой в связи с нагревом выше температуры плавления (линии ликвидус) свариваемый металл расплавляется в процессе сварки, перемешивается с металлом электрода и затем кристаллизуется. Металл шва имеет литую дендритную структуру и состоит из кристаллов столбчатой формы. Особенностью кристаллизации сварочной ванны является то, что в отличие от кристаллизации отливки в литейной форме, кристаллизация металла шва протекает при одновременном его подогреве со стороны источника тепла и быстром охлаждении за счет интенсивного теплоотвода в основной холодный металл.

Металл

шва

Зона сплавления

Зона термического влияния

Рис. 1.1. Макроструктура нахлесточного сварного соединения

З о н а с п л а в л е н и я – расположена на границе основного металла и металла шва. В данной зоне выделяется участок с крупными зернами, т. е. участок металла, который в процессе сварки нагревался до температуры выше линии солидус, но ниже линии ликвидус (в данной температурной области происходит частичное расплавление основного металла). В нее попадают химические элементы из металла электрода (из сварочной ванны). В месте примыкания к границе сплавления основного металла со швом, из-за большой разницы химического состава основного и электродного (присадочного) металлов может об-

8

разоваться химическая неоднородность. Эта неоднородность может привести к скачкообразному изменению физико-механических свойств металла околошовной зоны и снижению надежности сварного соединения. Ширина зоны сплавления изменяется в пределах 0,1 – 0,4 мм и зависит от химического состава свариваемого металла (от температурного интервала «ликвидус – солидус»), от способа и режима сварки.

З о н а т е р м и ч е с к о г о в л и я н и я – часть основного металла, примыкающая к сварному шву, с измененными в процессе сварки структурой и свойствами. Общая ширина ЗТВ зависит от условий нагрева и охлаждения, от теплофизических свойств и толщины свариваемого металла, от метеоусловий и пр. (при дуговой сварке она составляет – 2 – 6, а при газовой – до 30 мм).

Изменение структуры в околошовной зоне, например на однопроходном стыковом соединении, можно проследить, поместив над сечением сварного соединения кривую распределения максимальной температуры, совместив ее в том же масштабе температуры с диаграммой состояния железо-цементит.

Намечая на диаграмме состояния сплавов характерные зоны и участки, перенесем их границы на график распределения температуры (рис. 1.2). Из точек пересечения горизонтальных линий с кривой охлаждения опустим перпендикуляры на рисунок сечения сварного соединения. Это позволит определить линейные границы отдельных участков зоны термического влияния. Наибольшее применение в сварочном производстве получили низко- и среднеуглеродистые стали. В процессе сварки плавлением низкоуглеродистых сталей применяют сварочные материалы, при которых металл шва получается либо низкоуглеродистым, либо низколегированным. Такие стали малочувствительны к скорости охлаждения и не образуют закалочных структур. Их структура, как правило, ферритно-перлитная.

Рассмотрим зону термического влияния сварного соединения (см. рис. 1.2

– 1.4):

1 – переходный участок или участок сплавления, обычно размер его невелик. Интервал температуры, для стали 20, около 1490 – 1520С. Структура стали – крупнозернистая, возможно образование видманштеттовой структуры

(рис. 1.4); 2 – участок перегрева (см. рис. 1.3, б и 1.4). Металл нагревается выше

1100С, до температуры, близкой к линии солидус. В этом интервале температуры за счет роста зерна аустенита формируется крупнозернистая структура

9

перегретой стали с пониженной ударной вязкостью. Часто на этом участке образуется видманштеттова структура (крупнозернистая с зернами феррита иглообразной формы), что еще больше повышает хрупкость стали. Ширина этого участка – 1 – 3 мм;

3 – участок нормализации (рис. 1.4). Металл нагревается выше третьей критической точки Ас3 (от 900 до 1100 С). В процессе полной перекристаллизации в аустенит, на этом участке образуется мелкозернистая (сорбитообразная) структура, которая обеспечивает более высокие механические свойства стали, по сравнению со свойствами исходного металла и свойствами других участков зоны термического влияния. Ширина этого участка – 1,2 – 4 мм;

Рис. 1.2. Схема строения сварного шва

4 – участок неполной перекристаллизации (рис. 1.4). Металл нагревается до температуры 725 – 850С (между первой Ас1 и третьей критическими точками Ас3). Процесс измельчения зерна происходит только за счет перекристаллизации той части структуры, которая занята перлитом, а размер зерен феррита не изменяется. Поэтому сталь на этом участке может состоять не только из мелких зерен, но и отдельных крупных зерен феррита. Сталь с разнозернистым строе-

10