Определение структурных составляющих зоны термического влияния при сварке

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Кафедра «Сварочного производства»

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Пояснительная записка к курсовому проекту

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ СОСТОВЛЯЮЩИХ ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ СВАРКЕ

Руководитель проекта

________________Е.Н.Негода

«____»______________2008 г.

______

Студент группы К-6251

______________А.С. Фёдоров

«____»______________2008 г.

Владивосток

2008

Цель курсовой работы - определение структурных составляющих зоны термического влияния при сварке.

Теоретические сведения

При сварочном термическом воздействии нагрев тел неравномерен. В соответствии со вторым Началом термодинамики при этом возникает теплообмен между объемами рассматриваемой среды, направленный от более нагретых к менее нагретым частям. Степенью нагрева является температура T. В системе СИ температура измеряется в кельвинах (К). В линейных расчетных схемах температуру можно представить в виде суммы:

T=T₀+??,

где T₀ - начальная температура тела до применения анализируемого технологического процесса (температура окружающей среды);

?? -приращение температуры за счет сварочного нагрева.

Плоский слой - это тело, ограниченное двумя параллельным плоскостями (z=const) на расстоянии s друг от друга. При значительных толщинах свариваемых лиcтов, соответствующих этому случаю, теплоотдача с поверхности незначительна, поэтому для плоского слоя обе поверхности считаются адиабатическими. Наличие двух адиабатических границ при действии точечного источника Д на поверхности плоского слоя приводит к необходимости введения в бесконечном теле V системы фиктивных источников Ф, которые обеспечивают путем отражения от адиабатических поверхностей формирование температурного поля плоского слоя .

Температурной поле движущегося по поверхности плоского слоя толщиной s точечного источника можно вывести, используя формулу для движущегося точечного источника на поверхности полубесконечного тела . Считая поверхности плоского слоя адиабатическими, с помощью метода отражения получим следующее выражение для искомого температурного поля в предельном состоянии:

Задание курсовой работы

Исходным для работы является эскиз свариваемого изделия, выдаваемый преподавателем. Этот эскиз определяет геометрические параметры, необходимые для расчета. Сварочный ток 500 А, напряжение дуги 36 В, скорость сварки 1 см/с, толщина металла 1см, марка стали 15Г2С.

Рис 1. Распределение температур в плоскости XY, по схеме движущегося по поверхности плоского слоя точечного источника в предельном состоянии.

На рис. 1 приведены изотермы температурного поля в плоском слое в предельном состоянии при нагреве движущимся точечным источником. На рисунке видно, что изотермы непосредственно перед источником, сильно сжаты, в следствии движения источника. Температурное поле движущегося источника не симметрично относительно оси у. Источник нагрева как бы «догоняет» теплопроводность по оси движения x. Градиент температуры по оси х впереди источника увеличивается, а позади уменьшается с ростом скорости его движения.

Из рисунка видно, что кривые температур при температурах свыше 1000 градусов соответствуют случаю полубесконечного тела, а для температур ниже 1000 градусов расчёт возможно проводить по формулам характерным для плоского слоя.

Рис 3. Распределение температур в плоскости XZ, по схеме движущегося по поверхности плоского слоя точечного источника в предельном состоянии.

Из рисунка видно что при высоких температурах, близких к температуре плавления, возможно использование формул расчёта для полубесконечного тела. Для более низких температурах, ниже 1000 градусов, возможно использование формул для расчёта пластины.

Основная формула:

,

где ; i - номер фиктивного источника в системе отражений тепла от адиабатических границ. Для построения термических циклов переход от подвижной системы координат в формуле к физической (неподвижной) осуществляется подстановкой x=-vt.

В программе предусмотрена возможность построения ветви охлаждения термического цикла, начиная с максимальной температуры. Преобразование оси времени в логарифмический масштаб позволяет получить кривые охлаждения, готовые к нанесению на диаграмму термокинетического превращения выбранной стали для определения фазового состава зоны термического влияния.

Рис 4.Термические циклы точек заданных значений y. у1=0,79; у2=0,92; у3=0,97; у4=1,04; у5=1,11; у6=1,25.

Вычисления и получение термических циклов, проводилось по формулам отличных от программы sloytc,поэтому точки вершин термических циклов не соответствуют заданным значениям параметров температур.

Рис 5. Ветви охлаждения. у1=0,79; у2=0,92; у3=0,97; у4=1,04; у5=1,11; у6=1,25.

Ветви охлаждения термических циклов точек заданных значений y в логарифмической по времени системе координат. Построение выполнено от максимальных температур.

Сварочный термический цикл вызывает целый ряд физических процессов в свариваемом изделии. Это плавление и кристаллизация материала, возникновение внутренних механических напряжений и деформаций, структурные превращения и другие явления.

Одним из наиболее существенных процессов является изменение структуры основного материалов в сварочных технологиях. Структурные превращения в сталях связаны с фазовым переходом и химической реакцией образования. В курсе «Материаловедение» эта диаграмма изучается достаточно подробно, и здесь приводится без объяснений как напоминание о ее конкретном виде.

Большинство конструкционных сталей являются низкоуглеродистыми и низколегированными феррито - перлитного класса. Выделим на диаграмме «железо - углерод» эту область концентрации углерода. При этом упростим высокотемпературную зону, убрав фазовый переход Определим на диаграмме сталь конкретного состава C, проведя соответствующую вертикальную прямую.

Рис. 6. Зона термического влияния сварного соединения.

Рис. 7. Структура основного металла.

На этой прямой отмечены характерные температуры (сверху вниз) при нагреве: температура плавления T_пл=1500 ⁰С*, температура границы нормализации 1100⁰С, температура окончания перекристаллизации Ac₃, температура начала фазового превращения Ac₁ и температурную границу рекристаллизации (600⁰С). Совместим кривую максимальных температур T_m(y) с диаграммой «железо - углерод» и схемой свариваемого стального листа Чем дальше исследуемая точка (координата y) находится от оси нагрева (y=0), тем ниже ее максимальная температура. Точки, максимальная температура которых превышает температуру плавления данной стали T_пл (1500 ⁰С), находятся в области сварочного шва. Диапазон максимальной температуры 1500 - 1100⁰С соответствует координатам точек основного металла, в которых за счет перегрева происходит интенсивный рост зерна аустенита (участок перегрева). Если максимальная температура точек выше Ac₃ (температура окончания превращения феррит - аустенит, зависящая от марки стали) и ниже 1100⁰С, то они находятся на участке нормализации, где происходит измельчение зерна исходного основного материала. Диапазон координат y, для которых максимальная температура больше Ac₃ и ниже T_пл, является зоной полной перекристаллизации (участок перегрева + участок нормализации). Участок, соответствующий максимальным температурам Ac₁ - Ac₃ представляет собой точки, в которых при нагреве произошло частичное превращение феррит - аустенит и называется участком не полной перекристаллизации. Максимальный нагрев ниже температуры Ac₁ не изменяет исходный фазовый состав стали, однако при температуре выше 600⁰С (температура рекристаллизации) приводит к исчезновению наследственной прокатной структуры основного материала и сферитизации формы зерна (участок рекристаллизации).

Зона основного металла, заключенная в пределах координат y, соответствующих максимальным температурам плавления и рекристаллизации, называется зоной термического влияния (ЗТВ).

Сварочный шов вместе с зоной термического влияния называется сварным соединением.

Приведенная выше диаграмма (рис. ) построена в условиях изотермического температурного цикла, т. е. когда температура изменяется очень медленно (). Сварочный термический цикл характерен нестационарностью теплопроводности при скоростях изменения температуры до тысяч К/с при нагреве и десятков К/с при охлаждении. Полиморфные превращения в металлах и сплавах есть процесс диффузионный и при конечных скоростях изменения температуры приводит к переохлаждению и смещению точек диаграммы «железо-углерод» A_r3, A_r1 «вниз» по шкале температур. Чем больше скорость охлаждения, тем значительнее степень переохлаждения . Поэтому конечная структура зоны термического влияния (ЗТВ) зависит от скорости охлаждения точек, имеющих разные координаты y. Это явление отражено в диаграмме анизотермического распада аустенита (термокинетическая диаграммой. Сопоставление термокинетической диаграммы и ветвей охлаждения точек ЗТВ, построенных в лагорифмической по времени шкале позволяет определить конечную структуру зоны термического влияния.

Выше приведена схема оценки структуры ЗТВ в рамках дисциплины «Тепловые процессы при сварке». Инженерный анализ структуры ЗТВ и принятие конкретного технологического решения требует уверенного владения навыками качественного и количественного расчета фазового и структурного состояния сварного соединения при сварке.

Рис. 8. К определению структурных составляющих зоны термического влияния при сварке.

Вывод: в ходе выполнения курсовой работы выявлены структурные изменения в зоне действия движущегося источника в предельном состоянии. Также установлены фазовые изменения в процессе действия источника.

Для различных температур фазовые преобразования протекают по разному, но с течением времени все ветви охлаждения сходятся в одной фазовой зоне, что соответствует А-П фазовому состоянию. Далее ветви охлаждения уходят вниз что соответствует наличию Б фазового состояния.

Список литературы:

1. Негода Е.Н. Тепловые процессы при сварке: Учебное пособие. издательство ДВГТУ, 2008.-108с.

2. Кархин В.А. Тепловые процессы при сварке: Учебное пособие. - Л.: Ленингр. гос. техн. ун-т., 1990.-100с.

3. Рыкалин Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Маш-гиз, 1951.-296 с.

4. Фёдоров А.С. Курсовая работа: Издательство К-6251, 2009.-10с.

5. Теория сварочных процессов /В.В Фролов [и др.] под ред. В. В. Фролова.-М.: Высшая школа, 1988. - 559 с.

6. Ануфриев И.Е. Самоучитель MatLab 5.3/6.x. - СПб.: БХВ-Петербург, 2002. - 736 с.