Проведение сварочных работ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (УрФУ)

Нижнетагильский технологический институт (филиал)

Кафедра металлургических технологий

Отчет

о практической работе

Преподаватель:

Шевченко О.И.

доцент, д-р техн. наук

Студент:

Вашурова К.А.

Нижний Тагил

2024 г.



Практическая работа № 1

сварка термический закаливающийся сталь

Оценка структуры и твердости ЗТВ на основании данных о свариваемых материалов и режиме сварки

Таблица 1. Исходные данные

Марка стали	I, A	U, B	з	V см/с	у, см
Сталь 20М	300	30	0,7	0,83	1

Эффективная тепловая мощность сварочного источника теплоты, т.е. количество теплоты, вводимой при сварке источником в деталь в единицу времени, определяется по формуле:

Для расчета используем схему нагрева полубесконечного тела:

где ДТ - приращение температуры расчетной точки тела, K;

q - эффективная тепловая мощность источника, Вт;

л - теплопроводность стали 20М (20ХМ), Вт/(см·К);

a = л / (с??) - коэффициент температуропроводности материала, см²/с;

Все физические и расчетные характеристики сведены в табл. 2.



Таблица 2. Данные для расчета термического цикла сварки на стали 20ХМ

л, Вт/(см·К)	??, г/см3	с, Дж/(г·К)	с??, Дж/(см3·К)	a, см2/с
0,46	7,8 (20ХМЛ)	0,498 (20ХМЛ)	3,88	0,12

Температуры критических точек стали 20М по [4] представлены в табл. 3.

Таблица 3. Критические точки стали

Ас3, єС	Ас1, єС	Мн, оС
850	725	420

Расчет термического цикла сварки для точки, расположенной в зоне термического влияния приведен в табл. 4 и на диаграмме (Рис. 1):

Таблица 4. Расчет термического цикла сварки для точки с координатой y=0,5 см.

х, см	ф, с	R, см
1	0,00	1,12	1949,61	0,0005977	1,17
0,5	0,60	0,71	3082,60	0,0145496	44,85
0	1,20	0,50	4359,46	0,1733917	755,89
-0,5	1,81	0,71	3082,60	0,4839441	1491,81
-1	2,41	1,12	1949,61	0,6612397	1289,16
-1,5	3,01	1,58	1378,58	0,7525083	1037,39
-2	3,61	2,06	1057,32	0,8059723	852,17
-2,5	4,22	2,55	854,96	0,8407153	718,78
-3	4,82	3,04	716,69	0,8650079	619,94
-3,5	5,42	3,54	616,52	0,8829160	544,34
-4	6,02	4,03	540,72	0,8966514	484,84
-4,5	6,63	4,53	481,42	0,9075143	436,90
-5	7,23	5,02	433,78	0,9163177	397,48
-5,5	7,83	5,52	394,69	0,9235949	364,53
-6	8,43	6,02	362,03	0,9297104	336,59
-6,5	9,04	6,52	334,36	0,9349212	312,60
-7	9,64	7,02	310,60	0,9394140	291,78
-7,5	10,24	7,52	289,99	0,9433273	273,55
-8	10,84	8,02	271,94	0,9467663	257,46
-8,5	11,45	8,51	256,00	0,9498123	243,15
-9	12,05	9,01	241,82	0,9525289	230,34
-9,5	12,65	9,51	229,13	0,9549668	218,81
-10	13,25	10,01	217,70	0,9571667	208,38

Рис. 1. Термический цикл сварки в точке, удаленной на 0,5 см от оси шва

Время достижения критических точек на кривой охлаждения приведено в табл. 5.

Таблица 5

Температура	Время, с
850	3,62
725	4,18
420	6,87

Ветвь охлаждения термического цикла сварки в диапазоне критических температур представлена на диаграмме (рис. 2).



Рис. 2. Ветвь охлаждения термического цикла сварки

Вывод: структура состоит из 12% феррита, 18% перлита и 70% бейнита. При этом твердость составила 300 HV.



Практическая работа № 2

Расчет размеров характерных участков зоны термического влияния

Таблица 1. Исходные данные

I, A	U, B	з	V, м/ч (см/с)	Материал
300	30	0,7	30(0,83)	Сталь 20М

Из практической работы № 1:

c?? = 3,88 Дж/(см³·К); q = 6300 Вт; А_с3 = 850єС = 1123К;

А_с1 = 725єС = 998К.

По формуле

определяем ширину зоны термического влияния, ограниченную температурой 473 К, которая представляет собой нижнюю границу участка синеломкости углеродистых сталей при наплавке автоматической сваркой под слоем флюса на массивное тело. Этот случай соответствует вводу теплоты мощным быстродействующим точечным источником в полубесконечное тело. Начальную температуру тела принимаем равной 293 К.

Температурные границы участков ЗТВ приняты следующие:

сварной шов ограничен изотермой 1793 К;

околошовный участок (участок крупного зерна) 1793-1273 К;

участок полной перекристаллизации (нормализации) 1273 - Ас₃ К;

участок неполной перекристаллизации Ас3-Ас1 К;

участок рекристаллизации Ас1-733 К;

участок синеломкости 773-473 К.

Для участка сварного шва ширина определяется:

Для околошовного участка ширина определяется:

Для участка полной перекристаллизации:

Для участка неполной кристаллизации:

Для участка рекристаллизации:

Для участка синеломкости:

На рисунке указаны рассчитанные размеры шва и ЗТВ (см. рис. 1) для первого способа схематизации.

Рис. 1. Схематическое изображение сварного шва и участков зоны термического влияния для полубесконечного тела (1 - околошовный участок; 2 - участок полной перекристаллизации; 3 - участок неполной перекристаллизации; 4 - участок рекристаллизации; 5 - участок синеломкости; размеры в мм)

По формуле

определяем размеры шва и участков зоны термического влияния для случая сварки с полным проплавлением пластины из низкоуглеродистой стали мощным быстродвижущимся линейным источником. Начальная температура пластины - 293 К, толщина пластины ??=5 мм.

Для участка сварного шва ширина определяется:

Для околошовного участка ширина определяется:

Для участка полной перекристаллизации:

Для участка неполной кристаллизации:

Для участка рекристаллизации:

Для участка синеломкости:

На рисунке 2 указаны рассчитанные размеры шва и ЗТВ для 2-го способа схематизации.



Рис. 2. Схематическое изображение сварного шва и участков зоны термического влияния для пластины (1 - околошовный участок; 2 - участок полной перекристаллизации; 3 - участок неполной перекристаллизации; 4 - участок рекристаллизации; 5 - участок синеломкости; размеры в мм)

Полученные данные представлены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнение результатов расчетов по разным схемам

№	Название участка	Размеры сварного шва и зоны термического влияния, мм	Разность
		Расчетная схема 1 Мощный быстродвижущийся точечный источник на массивном теле	Расчетная схема 2 Мощный быстродвижущийся линейный источник в пластине
1.	Сварной шов	11,1	12,6	1,5
2.	Околошовный участок	1,3	3,3	2
3.	Участок полной перекристаллизации	0,6	1,7	1,1
4.	Участок неполной перекристаллизации	0,6	2	1,4
5.	Участок рекристаллизации	2,1	8,1	6
6.	Участок синеломкости	5,8	31,2	25,4

Вывод: при выборе в качестве расчетной схемы массивного тела размеры ЗТВ и самого шва меньше, чем при выборе схемы с полным проплавлением тонкой пластины. Наиболее существенная разница в размерах ЗТВ обнаруживается на участках рекристаллизации и синеломкости. Поэтому для уменьшения погрешности при расчетах важно правильно выбирать расчетную схему в зависимости от размеров свариваемых материалов.

Практическая работа № 3

Оценка возможности сварки закаливающихся сталей на заданном режиме

Таблица 1. Исходные данные

I, A	U, B	з	V, м/ч (см/с)	Материал
300	30	0,7	30(0,83)	Сталь У10А

q = 6300 Вт - из ПР№1;

Массовая доля элементов, %:

C	Si	Mn	S	P	Ni	Cr	Cu
0,96-1,03	0,17-0,33	0,17-0,28	?0,018	?0,025	?0,2	?0,2	?0,2

л = 0,4 Вт/(см·єС) - теплопроводность стали при 20 єС;

С = 0,469 Дж/(г· єС) - удельная теплоемкость стали (для У12А);

?? = 7,81 г/см³ - плотность;

С?? = 3,66 Дж/(см³· єС) - объемная теплоемкость стали.

Задаем исходный размер зерна - 2 баллов, тогда коэффициенты для учета влияния зерна аустенита на прокаливаемость стали при сварке:

Дз (при 50%М) = 12,6; Дз (при 95%М) = 9,6.

t_кр (50%М) = 5,32·10^-3Дз[%С](K_Si· K_Mn· K_S· K_P· K_Ni· K_Cr· K_Cu)²

t_кр (95%М) = 1,07·10^-3Дз[%С](K_Si· K_Mn· K_S· K_P· K_Ni· K_Cr· K_Cu)²,

где [%С]=1 - содержание углерода в стали, %; K_Si, K_Mn, K_S, K_P, K_Ni, K_Cr, K_Cu - коэффициенты, учитывающие влияние легирующих элементов, рассчитываются по формуле:

K_n = 1+б[%Me], б - коэффициент, учитывающий влияние химических элементов на прокаливаемость стали при сварке, принимается по табл. 12 [2].

K_Si = 1+0,6·0,25 = 1,15; K_Mn = 1+5·0,22 = 2,1; K_S = 1-0,62·0,018 = 0,989;

K_P = 1+2,83·0,025 = 1,07; K_Ni = 1+0,42·0,2 = 1,084; K_Cr = 1+2,25·0,2 = 1,45;

K_Cu = 1+0,27·0,2 = 1,054.

t_кр (50%М) = 5,32·10^-3·12,6·1·(1,15·2,1·0,989·1,07·1,084·1,45·1,054)² = 1,2 с.

Сталь относится к непрокаливающимся сталям.

t_кр (95%М) = 1,07·10^-3·9,6·1·(1,15·2,1·0,989·1,07·1,084·1,45·1,054)² = 0,05 с.

При сварке пластины с проплавлением на всю толщину длительность пребывания металла зоны термического влияния в интервале температур от начала распада, до температуры наименьшей его устойчивости определяется по формуле

где K_u = 1 - поправочный коэффициент, учитывающий геометрические условия теплоотвода по табл.14 [2]; ?? = 0,5 см - по заданию (см. ПР№ 2).

Для случая дуговой наплавки валика на массивное тело:

Проверяем условие

t_кр (50%М)



70,1 >1,2 с

8,1<1,2 c

условие выполняется, т.е. режим сварки изменять не требуется, необходим только подогрев;

Время пребывания металла при температуре роста зерна определяется по формулам:

где k₁, k₂ - коэффициенты, определяемые по номограмме рис.9 [2] в зависимости от отношения (Т_нирз - Т_н)/(Т_max - Т_н).

Принимаем Т_нирз = 1000 єС, Т_н = 20 єС,

Т_max = Т_л = 1534 - t_сн,

где

tсн =КС [%C]+КMn [%Mn ]+ КSi [%Si] + …+ Кn [%n] - снижение температуры плавления железа из-за присутствия в нем примесей,

Кn - эмпирический коэффициент для соответствующих химических элементов, позволяющий приближенно определить температуру ликвидус стали, определяется по табл. 18 [2].

tсн =73·1+3·0,22+12·0,25+30·0,018+30·0,025+3,5·0,2+1,3·0,2+4,7·0,2 = 79,9 єС;

Т_max = Т_л = 1534 - 79,9 = 1454,1 єС;

(Т_нирз - Т_н)/(Т_max - Т_н) = (1000 - 20)/(1454,1 - 20) = 0,68;



k₂ = 0,012; k₁ = 0,065

Температура подогрева:

- при сварке тонкой пластины

по табл. 15 [2] принимаем температуру подогрева 235 єС;

- при наплавке на массивное тело

по табл. 15 [2] принимаем температуру подогрева 210 єС.

Наименование параметров сварки	Условия сварки стали У10А
	Расчетная схема 1 Сварка пластины с проплавлением на всю толщину	Расчетная схема 2 Наплавка валика на массивное тело
Время пребывания металла ЗТВ в интервале температур от начала распада до температуры его наименьшей устойчивости tра, с	70,1	8,1
Время пребывания металла при температуре роста зерна t'ра, с	15,7	2,5
Температура подогрева металла перед сваркой, єС	235	210

Вывод: при заданных режимах для марки стали У10А для выполнения качественного сварочного соединения требуется предварительный подогрев металла до температуры 235 єС для схемы с пластиной и 210 єС для схемы с массивным телом.



Библиографический список

1. Теория сварочных процессов: учебник для вузов / [В.М. Неровный и др.]; под ред. В.М. Неровного. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- Москва: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. -- 702 с.

2. Шевченко О.И. Тепловые расчеты при сварке: методическое руководство к выполнению курсового проекта по дисциплине «Теория сварочных процессов» / Шевченко О.И. - Нижний Тагил: НТИ (ф) УГТУ-УПИ, 2014. -- 40.

3. Марочник сталей и сплавов. / Ю.Г. Драгунов, А.С. Зубченко, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. Ю.Г. Драгунова и А.С. Зубченко - М.: Машиностроение 2014. -- 1216 с.

4. Попова Л.Е., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-раствора в сплавах титана. Справочник, М.: "Металлургия", 1991. - 503 с.

Размещено на Allbest.ru