Размещено на http://www.allbest.ru/

- -

Содержание

Введение

1 Характеристики конструкции изделия

2 Характеристики материала изделия

3 Характеристики сварочного процесса

4 Выбор расчетной схемы тепловых процессов

5 Прогнозирование структуры сварного соединения

6 Расчет степени диссоциации и растворимости газов

7 Оценка свариваемости

7.1 Горячие трещины

7.2 Холодные трещины

Заключение

Приложение А (обязательное) Библиографический список

Приложение Б

Введение

Основоположниками использования тепла электрической дуги для целей сварки были русские ученые В. В. Петров, Н. Н. Бенардос и Н. Г. Славянов.

В 1802 г. впервые в мире профессор физики Санкт-Петербургской Медико-хирургической академии Василий Владимирович Петров открыл электрическую дугу. В 1803 г. он описал это явление в своей книге «Известия о гальвани-вольтовских опытах», в которой указал на возможность практического применения дуги для электроосвещения и плавления металлов. Русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос в 1882 г впервые применил электрическую дугу для соединения в одно целое металлов, использовав угольную дугу, питаемую электрической энергией от аккумуляторной батареи. В 1885 г. он получил патент под названием «Способ соединения и разъединения металлов непосредственным действием электрического тока». Н. И. Бенардос является автором и ряда других видоз сварки, которые применяют сейчас в промышленности. Несколько лет спустя, в 1888 г. русский инженер-металлург и изобретатель Н. Г. Славянов разработал вид сварки металлическим электродом и получил два патента под названием «Способ и аппараты для электрической отливки металлов» и «Способ электрического уплотнения металлических отливок». Практическая ценность изобретений Н. Н. Бенардоса и Н. Г. Славянова была очевидна, но тем не менее до Октябрьской революции прогрессивный новый способ соединения металлов не нашел широкого применения ввиду технической отсталости России. Только в советское время на родине сварки этот процесс получил широкое распространение.

Выдающуюся роль в теоретической разработке сварочных процессов сыграли многие ученые нашей страны: В. П. Вологдин, В. П. Никитин, Е. О. Патон, К. К. Хренов, Г. А. Николаев, Н. О. Окерблом, Н. Н. Рыкалин, К. В. Любавский, Б. Е. Патон, И. К. Походня, Б. И. Медовар и др.

1 Характеристики конструкции изделия

Способ сварки: газовая сварка.

Тип соединения деталей: стыковое соединение (С2).

Толщина свариваемых деталей - 2 мм.

Для определения размеров свариваемых деталей, определения размеров сварного шва воспользуемся ГОСТ 16037-8

«Соединения сварные стальных трубопроводов».

Таблица 1.1 - Тип сварного соединения

Тип соединения	Форма подготовленных кромок	Характер шва	Форма поперечного сечения	Способ сварки	Толщина свариваемых деталей, мм	Условное обозначение сварного соединения
			Подготовленных кромок	Сварного шва
Стыковое	Без скоса кромок	Односторонний			Г	1-3	С2

Таблица 1. 2 - Размеры

Условное обозначение	Конструктивные элементы	Способ сварки	s=s1	e	b	g=g1
	Подготовленных кромок свариваемых деталей	Сварного шва				номинальное	Пред. откл.	номинальное	Пред. откл.
С2			Газовая	Св.1 до 3	4±2	1	±0.5	1,1	±0,5

2 Характеристика материала изделия

Материал свариваемых деталей Сталь 38ХГН

Таблица 2.1 - Массовая доля элементов, %

Массовая доля элементов, %
C	Si	Mn	S	P	Ni	Cu	Cr
0,35 - 0,43	0,17 - 0,37	0,8 - 1,1	до 0,035	до 0,035	0,7 - 1	до 0,3	0,5 - 0,8

Таблица 2.2 - Механические свойства при комнатной температуре

Механические свойства стали 38ХГН
Прокат	Размер	Напр.	ув(МПа)	sT (МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (кДж / м2)
Пруток	Ж--25		780	685	12	45	980

Для сварки стали 38ХГН применяют электрод марки УОНИ-13 / 65 Электроды предназначены для сварки особо ответственных конструкций из углеродистых и низколегированных сталей, когда к металлу сварных швов предъявляются повышенные требования по пластичности и ударной вязкости. Рекомендуются, в частности, для сварки конструкций, работающих в условиях пониженных температур.

Таблица 2.3 - Химический состав наплавленного металла при сварке электродом УОНИ-13 / 65.

С	Mn	Si	S	P
0,13	1,25	0,45	0,017	0,027

Для оценки температуры ликвидус и солидус используют следующие зависимости:

Тл = 1539 - 78[C] - 12[Si] - 5[Mn] - l,5[Cr] - 4[Ni] - 5[Cu] - 2([Mo] + [V] + [Al] + [Co]) - 1,5 [W] - 10[Ti] - 6[Zr] - 30[P] - 25 [S] - 80[O] - 90[N] - 1300[Н], (2.1)

Тл = 1539 - 78[0,4] - 12[0,2] - 5[0, 9] - l,5[0,7] - 4[0,8] - 5[0,3] - 30[0,035] - 25[0,035] = 1539-31,2-2,4-4,5-1,05-3,2-1,5-1,05-0,875=1493,225?С

ТС = ТЛ - ДТКР, (2.2)

ДТКР = ДТ[С] + ДТ[Э], (2.3)

ДТ[Э] = 4,5 [Si] + 2,5 [Mn] + [Cr] + 4,5 [Ni] + [Co] +5 [Ti] + 3([Cu] + [Mo] + [V] + [W] + [Al]), (2.4)

ДТ[С] = 13 + 140[C] при 0,43 > [С] > 0,35 (2.5)

ДТ[Э] = 4,5 [0,4] + 2,5 [0,9] + [0,7] + 4,5 [0,8] + 3([0,3] = 9,25 ?С

ДТ[С] = 13 + 140[0,4] = 69 ?С

ДТКР = 69 + 9,25 = 78,25 ?С

ТС = 1493,225 - 78,25 = 1414,975 ?С

Таблица 2.4 - Значения теплофизических величин стали 38ХГН

Материал	Коэффициент теплопроводности, л Вт/см.°С	Объемная теплоемкость, су, Дж/см3.°С	Коэффициент температуропроводности, а, см2.с
Сталь 38ХГН	0,38	4,81	0,075

3 Характеристика сварочного процесса

Газовая, или газоплавильная сварка, также газосварка -- сварка плавлением с применением смеси кислорода и горючего газа, преимущественно ацетилена; реже -- водорода, пропана, бутана, блаугаза, бензина и т. д. Тепло, выделяющееся при горении смеси кислорода и горючего газа, оплавляет свариваемые поверхности и присадочный материал с образованием сварочной ванны -- металла свариваемого шва, находящегося в жидком состоянии. Пламя может бытьокислительным или восстановительным, это регулируется количеством кислорода. В зависимости от состава основногометалла выбирают состав присадочных прутков; а в зависимости от толщины основного металла -- диаметр

Рисунок 3.1- Процесс газовой сварки

Строение пламени при газовой сварке

В своем сечении пламя состоит из трех зон (см. рисунок ниже):

· ядро пламени (А),

· восстановительная зона (Б),

· факел пламени (В).



Рисунок 3.2. Строение газового пламени и распределение температур по его сечению

Максимальное значение температуры пламя имеет после ядра, в восстановительной зоне. В связи с этим именно в этой зоне должны находиться присадочный пруток и расплавляемые кромки металла. При использовании вместо ацетилена других горючих газов температура пламени снижается. Температура пламени зависит также от пропорции, в которой смешиваются кислород и горючий газ.

Технология газовой сварки

Основными параметрами режима газовой сварки являются мощность пламени, угол наклона горелки и диаметр присадочного прутка. Мощность пламени зависит от толщины металла и его теплофизических свойств. Чем больше толщина металла и выше температура плавления и теплопроводность, тем больше должна быть мощность пламени. Мощность пламени устанавливается расходом горючего газа и кислорода. При сварке стали и чугуна расход ацетилена Va связан с толщиной д следующим соотношением:

Va = (100-150)д л/ч

При сварке меди, вследствие ее более высокой теплопроводности:

Va = (150-200)д л/ч

Угол наклона мундштука горелки по отношению к плоскости изделия также зависит от толщины и теплофизических свойств металла. С изменением толщины стали от 1 до 15 мм угол наклона мундштука изменяется в пределах 10-80°.

Изменение угла наклона мундштука при газовой сварке в зависимости от толщины стали

д, мм	до 1	1-3	3-5	5-7	7-10	10-12	12-15	> 15
б, °	10	20	30	40	50	60	70	80

В начальный момент сварки для лучшего прогрева металла и быстрого образования сварочной ванны угол наклона устанавливают наибольшим (80-90°). Затем он уменьшается.

Диаметр присадочного прутка выбирают в зависимости от толщины металла, пользуясь соотношением:

d = д/2 ч д/2 + 1 мм

В зависимости от техники выполнения сварки различают правый и левый способы.

При правом способе газовой сварки пламя сварочной горелки направлено на шов, и процесс сварки ведется слева направо. Горелка перемещается впереди присадочного прутка.

При левом способе газовой сварки пламя направлено от шва и процесс сварки ведется справа налево. Горелка перемещается за присадочным прутком.



Правый (А) и левый (Б) способы газовой сварки

При правом способе газовой сварки обеспечивается лучшая защита сварочной ванны, ниже расход газов, меньшая скорость охлаждения шва. При левом способе лучше формирование шва, так как сварщик хорошо видит процесс сварки. При толщине металла до 3 мм более производителен левый способ, при больших толщинах - правый.

Преимущества газовой сварки

Основным преимуществом газовой сварки является ее независимость от электрических источников питания. Это делает удобным ее применение в строительных и монтажных условиях, где не всегда имеется силовая электрическая сеть. При газовой сварке легко изменяется тепловложение в металл за счет изменения угла наклона горелки и ее расстояния до изделия, что позволяет избегать прожогов даже при сварке тонкого металла. Типичным примером является сварка водопроводных труб малого диаметра, когда отсутствует доступ к обратной стороне шва для размещения подкладок или подварки корня. Оборудование для газовой сварки достаточно мобильно и транспортабельно.

Недостатки газовой сварки

Недостатками газовой сварки являются ее низкая производительность, большая зона термического влияния, высокие требования к квалификации сварщика. В связи с этим на машиностроительных предприятиях при стабильной программе выпуска продукции газовая сварка не может конкурировать с дуговой и практически не применяется.

4 Выбор расчетной схемы тепловых процессов

Расчетная схема: Линейный движущийся источник нагрев пластины.

где - расстояние от точки, где определяется температура, до источника тепла, см;

- температура в точке с координатами , в момент времени , град;

- теплопроводность, ;

- коэффициент температуроотдачи, с;

- толщина пластины, см.

Расчет теплового процесса приведен в приложении 1. Представлена программа для расчета и графики температурного поля и термического цикла в графической части курсовой работы.

Схема быстродвижущегося линейного источника в пластине теле представлена на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 - Схема линейного источника в пластине.

Расчеты температурных полей и термических циклов произведен в программе MathCAD. Программа расчета представлена в Приложении Б.

5. Оценка состава металла сварного шва

С применением данных значений параметров шва находятся площадь поперечного сечения шва и суммарная площадь расплавленных кромок основного металла, из отношения которых определяется доля участия основного металла в образовании шва.

, ,

где - площадь шва;

- площадь кромок.

Процентное содержание металла в шве находится по формуле:

6 Расчет степени диссоциации и растворимости газов

В зоне сварки находится газовая смесь из одноатомных, двухатомных и более сложных газов. Двухатомные и более сложные газы, нагретые до высоких температур, распадаются на более простые до одноатомного состояния. Этот процесс называется термической диссоциацией и оценивается степенью диссоциации б.

Проведем расчет степени диссоциации двухатомного газа водорода.

Наиболее простой способ определения степени диссоциации (по типу реакции

А2 -2А) состоящих из одинаковых атомов, имеет вид:

где - константа равновесия реакции диссоциации двухатомных газов.

Уравнение для определения в зависимости от температуры и парциальных давлений одноатомной и двухатомной газовой фазы:

отсюда находится .

Находим константу равновесия по формуле (6.2):

Тогда степень диссоциации вычисляется по формуле (6.1):

Процесс растворимости двухатомных газов описывается законом Сивертса:

где - растворенный в металле двухатомный газ, см3/100г;

К - константа Генри;

- парциальное давление молекулярного газа в газовой смеси над металлом, Па.

Процесс растворения одноатомных газов в металле определяется законом Генри:

где - парциальное давление атомарного газа в газовой смеси над металлом, Па.

Константа Генри для водорода определяется из формулы:

Для определения парциального давления атомарного водорода в зависимости от степени диссоциации при данной температуры используем закон Дальтона:

где р0 =105 - общее давление газовой смеси, принимаемое за единицу

(1 атм =105 Па).

Парциальное давление молекулярного водорода в газовой смеси при диссоциации для данной температуры вычисляется по формуле:

(6.7)

Тогда двухатомный водорода, растворенный в металле, находится по формуле:

Атомарный растворенный водород вычисляется по формуле:

Пример расчета, производен только для одной температуры 1500 К. Результаты всех расчетов для водорода, представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1- Результаты расчетов

Т, К	lgKp	Kp	б	105, Па	105, Па
1500	-9,37	2,7*10-11	2,59*10-6	1	5,18*10-6	-0,0104	-
2000	-5,468	3,4*10-6	4,77*10-4	0,99	9,52*10-4	-0,0041	-0,040
2500	-3,14	7,4*10-4	0,0137	0,97	0,0269	0,0063	0,552
3000	-1,57	0,03	0,087	0,84	0,158	0,0182	9,954
3500	-0,45	0,35	0,282	0,56	0,442	0,0220	40,92
4000	0,38	2,41	0,611	0,24	0,76	0,0178	87,704
4500	1,03	10,8	0,731	0,156	0,841	0,166	111,72
5000	1,55	35,7	0,899	0,053	0,948	0,107	139,65

7 Оценка свариваемости

Свариваемость - это свойство металлов или сочетания металлов образовывать при заданной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и условиями эксплуатации изделия. Одним из основных показателей свариваемости материалов является стойкость против образования горячих и холодных трещин.

7.1 Горячие трещины

Горячие трещины при сварке - хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния, возникающие в твердо- жидком состоянии при завершении кристаллизации, а также в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзеренной деформации.

Для расчета склонности к ГТ используем расчетно-статистический метод оценки сплавов против образования ГТ. Он является косвенным и рекомендуется для приближенных экспресс - оценок, а экспериментальный как проверочный .

(7.1)

Для сталей с ув > 700 Мпа <2- не склонная. Тогда 10,1 > 2. Следовательно сталь склонна к образованию горячих трещин.

7.2 Холодные трещины

Холодные трещины объединяют категорию трещин в сварных соединениях, формальными признаками которых являются появление визуально наблюдаемых трещин практически после охлаждения соединения; блестящий кристаллический излом трещин без следов высокотемпературного окисления

Холодные трещины - локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием собственных сварочных напряжений.

Характерными особенностями большинства случаев возникновения холодных трещин являются:

· Наличие инкубационного периода до образования очага трещин;

· Образование трещин происходит при значениях напряжений, составляющих менее 0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки.

Способы оценки склонности к образованию холодных трещин делятся на прямые и косвенные. Воспользуемся косвенным методом, так он позволит получить оценку склонности расчетным путем.

Оценка склонности к образованию холодных трещин может быть произведена по значению эквивалента углерода, характеризующего прокаливаемость стали.

Сэкв= С + Мn/6 + Si/24 + Ni/10 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 + 5•B(7.2)

Сэкв= 0,4 + 0,9/6 + 0,2 /24 + 0,7/10= 0,628%

Стали, для которых Сэкв?0,628%, считаются потенциально склонными к образованию холодных трещин. Значит, сталь 38ХГН не является склонной к образованию холодных трещин.

Также можно определить необходимость предварительного подогрева.

Первоначально определяют концентрацию эквивалентного содержания углерода в стали:

Сэкв = С + Mn/9 + Ni/18 + Сr/9 + Мо/13(7.3)

Сэкв= 0,4 + 0,9/9 + 0,8/18 +0,7/9= 0,62

Затем учитывают влияние толщины свариваемого металла на концентрацию эквивалентного углерода:

С''ЭКВ=СЭКВ (1+0,005 д)(7.4)

С''ЭКВ=0,62 (1+0,005•2)=0,6262

где д - толщина детали, мм.

Температура подогрева определяется о формуле:

ТПОД. = 350(С'ЭКВ-0,12)0.5(7.5)

ТПОД. = 350(0,6262-0,12)0.5=242оС

Заключение

В процессе выполнения курсовой работы была рассмотрена сварка в защитном газе плавящимися электродами пластин из стали 12ХН2. Для нее были построены термические циклы и распределение температур в программе MathCAD. По термическим циклам производилась прогнозирование структуры сварного соединения. Был произведен расчет степени диссоциации и растворимости газов в металле шва. Также оценена склонность данного стыкового соединения к горячим и холодным трещинам.

Приложение А

(информационное)

Библиографический список

1. ГОСТ 16037-80 Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. .

2. Зубченко А.С. Марочник сталей и сплавов/ А.С. Зубченко [и др.]; под общей редакцией А.С. Зубченко. 2-е изд.-М.: машиностроение, 2003.- 786с.:ил.

3. Волченко В.Н. Сварка и свариваемые материалы: В 3 т. Т 1. Свариваемость материалов/В.Н. Волченко; под ред-ей Э.Л. Макарова.-М.: Металлкргия, 1991.- 528 с.

4. Шоршоров М.Х. Фазовые превращения и изменение свойств стали при сварке/М.Х.Шоршоров, В.В.Белов.-М.: Наука, 1972.-219с.

5. Неровный В.М. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов/ А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин; Под ред. В.М. Неровного. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2007.-752с.:ил.

газовая сварка сталь

Приложение Б

Приложение 1. Расчет температурного поля для быстродействующего линейного источника нагрева пластины:

Приложение 2. Расчет термического цикла

Размещено на Allbest.ru