3.10 Контрольные вопросы к разделу «Сварочные источники тепла»
1.Что такое массовая и объемная теплоемкости? Единицы их измерения и характер зависимости от температуры.
2.Что такое температурное поле?
3.В чем заключается передача тепла теплопроводностью, конвекцией и радиацией?
4.Что такое краевые условия и как необходимо их учитывать?
5.Какая схематизация формы и размеров теплопроводящих тел применяется для тепловых расчетов?
6.Как схематизируют источники тепла применительно к тепловым расчетам при сварке?
7.Какие основные закономерности температурного поля в полубесконечном теле от действия точечного источника, перемещающегося по его поверхности с произвольной скоростью.
8.Рассчитайте длину сварочной ванны сзади точечного источника тепла при дуговой автоматической наплавке на поверхности массивного тела при режиме: I = 500 A, Ud = 32 B, v = 12 м/ч. Материал тела: низкоуглеродистая сталь, нержавеющая сталь.
9.Какие основные особенности и закономерности нагрева полубесконечного тела быстродвижущимся источником тепла?
10.Рассмотрите основные положения и расчетные формулы распространения тепла в пластине без теплоотдачи и с теплоотдачей при различной скорости перемещения линейного источника тепла.
11.Какая стадия нагрева относится к периоду теплонасыщения? Рассмотрите общие закономерности расчета температур в период теплонасыщения.
12.Какие особенности расчета температурных полей в период выравнивания температур?
13.Как влияет распределенность источника тепла на температуру объемов нагреваемого металла, расположенных близко к источнику и далеко от него?
14.Что такое коэффициент сосредоточенности источника тепла? Рассмотрите его влияние на нагрев металла.
15.Рассмотрите области применения расчетных методов тепловых основ сварки и дайте примеры использования различных расчетных схем.
Раздел 4. Металлургические процессы при сварке плавлением
4.1 Общая характеристика металлургических процессов при сварке плавлением
При сварке плавлением происходит интенсивное расплавление основного и присадочного материалов, зачастую и значительный перегрев выше температуры плавления. Наличие жидкого и парообразного металлов при большой относительной поверхности создает возможность их значительного взаимодействия с окружающей средой. Это взаимодействие может быть вредным, снижая механические (эксплуатационные) свойства сварных соединений. Так кислород и азот, содержащиеся в атмосфере, сильно снижают механические свойства. Науглероживание расплавленного металла, происходящее, например, при неправильно выбранном соотношении ацетилен – кислород или сварке угольным электродом приводит к хрупкости металла. При попадании в сварочную ванну водорода происходит значительное ухудшение свойств металла шва и появлению пористости в сварных швах.
Защита сварочной ванны достигается применением специальных электродных покрытий, сварочных флюсов и защитных газов. Однако вводимые в покрытие газообразующие и шлакообразующие вещества, как правило, при сварке не нейтральны по отношению к металлу.
Обычно в качестве газообразующих веществ в покрытиях применяют органические добавки (крахмал, декстрин, целлюлозу и пр.) или углекислые соли – карбонаты (мрамор, магнезит и пр.). Первые, разлагаясь, образуют водород и различные газы СО, СО2, Н2О при наличии некоторого количества свободного кислорода. Вторые дают СО, СО2, а также кислород и пары воды, наличие которых определяется технологией изготовления покрытий. Шлакообразующие вещества представляют собой системы окислов различных элементов (чаще всего фторидов). Некоторые из них при сварочных условиях также взаимодействуют с металлом, в частности, окисляя его.
Флюсы – шлаки, применяемые при автоматической дуговой и электрошлаковой сварках, также содержат окислы и газообразующие добавки. Почти всегда как технологическая примесь в них содержится то или иное количество воды.
Для газовой защиты сварочного пространства применяют либо активные (реагирующие с металлом при сварке) газы, либо инертные. Из активных защитных газов наибольшее применение имеет углекислый газ. Менее распространены водород, пары воды и другие газы. В сварочных условиях углекислый газ может взаимодействовать с металлом в виде СО2, СО, а также углерода и кислорода. При наличии в нем примеси воды в процессе участвуют водород и пары воды. При других активных защитных газах основная часть газовой атмосферы, контактирующая с металлом в сварочной ванне, состоит из паров воды, водорода и кислорода. В технически применяемых инертных газах имеются примеси паров воды, кислорода и азота. Они даже при небольшой концентрации могут также взаимодействовать с металлом при сварке.
Таким образом, практически при всех способах сварки плавлением (кроме сварки в глубоком вакууме) приходится учитывать взаимодействие металла, его примесей или легирующих добавок с окружающей газовой, шлаковой или газошлаковой средой. Основными газами при этом являются О2, N2, Н2, СО, СО2, Н2О и некоторые их производные. Шлаки представляют собой системы окислов и галоидных соединений.
Протекание реакций взаимодействия как между простыми веществами, таки сложными соединениями определяется внешними факторами, в частности температурой, давлением, характером поверхности раздела, скоростью поступления веществ в реакционную зону, временем взаимодействия и др.
Рассмотрим температурную обстановку в сварочном реакционном пространстве при различных способах сварки. Необходимо отметить, что температурное состояние присадочного материала и сварочной ванны, находящейся на свариваемом изделии принципиально различно.
Различают сварочные ванны двух типов:
образующиеся при естественном охлаждении и формировании шва;
образующиеся при использовании искусственного охлаждения и принудительного формирования шва.
На рис. 4.1 показана ванна первого типа для ручной и автоматической дуговой сварки под флюсом. При ручной дуговой сварке шов 1 формируется из расплавленного металла 2. И шов, и металл находятся под слоем шлака. При автоматической сварке дуга и ванна закрыты слоем флюса. Расплавленный слой флюса 3 образует полость – пузырь, охватывающую зону 4 сварки.
Рис. 4.1. Сварочная ванна.
Для сварочной ванны этого типа характерны эллипсовидные очертания с различной степенью вытянутости вдоль продольной оси. Стенки ванны образует твердый оплавленный основной металл. Расплавленный металл 2, находящийся в начальный период ее существования, частично оттеснен от передней ее стенки к задней, вследствие чего образуется углубление, называемое кратером 5.
Основными размерами ванны являются: длина – L, ширина – b, величина заглубления в основной металл – h. Для различных участков ванны время пребывания металла в жидком состоянии различно. Наиболее долго в расплавленном виде находятся объемы металла, расположенные на продольной оси ванны, тогда как у ее краев металл кристаллизуется сразу же после расплавления. Распределение температуры по объему сварочной ванны также неравномерно. Средняя температура ванны при автоматической дуговой сварке примерно 18000С. Передний участок ванны, который находится под непосредственным воздействием дуги, нагрет значительно выше температуры плавления металла, а периферийные участки и задняя часть ее имеют температуру, близкую к точке плавления.
Сварочная ванна второго типа образуется при электрошлаковой сварке с принудительным формированием шва. Такая ванна заключена между свариваемыми кромками основного металла и охлаждающими стенками медных ползунов. Искусственное охлаждение ванны придает чашеобразную симметричную форму и весьма существенно влияет на процессы первичной кристаллизации жидкого металла. В отличие от ванны первого типа, здесь верхняя часть ванны в процессе ее перемещения все время находится в жидком состоянии, что создает благоприятные условия для более полного удаления из металла шлаковых включений и газов.
Ее отличительные особенности:
1.Ванна имеет значительно больший объем и, следовательно, металл дольше находится в расплавленном состоянии.
2.Температура ванны в различных ее участках почти одинакова и близка к температуре плавления металла.
3.Поверхность ванны полностью изолирована от контакта с газовой фазой, так как над ванной распложен значительный слой жидкого шлака.