HomeСварка стали › Сварка стали

Сварка стали

Сварка сталиПри сварке необязательно, а чаще всего просто невыгодно нагревать все изделие. Для того чтобы как можно эффективнее использовать тепло, необходимо сконцентрировать его так, чтобы за кратчайший срок нагреть кромки на такую глубину и только до такой температуры, при которой уже возможно сваривание.

 

Когда хотят охарактеризовать «тепловые» способности сварочного источника тепла, в первую очередь говорят о тепловой мощности — о том количестве тепла, которое выделяется при преобразовании электрической, химической, механической и другой энергии в единицу времени. Определяется тепловая мощность расчетным и экспериментальным путем.

 

Например, чтобы узнать мощность дугового разряда, замеряют еилу тока в цепи (I) и падение напряжения между электродом и изделием (U) и проводят расчет по формуле Q=I- иг(Вт). Однако не все тепло доходит по назначению. Часть его рассеивается в атмосферу, уходит на нагрев сварочной установки и окружающих предметов.

 

А то, что остается от общей тепловой мощности и поступает на изделие, называют эффективной мощностью. Важный показатель при сравнении источников тепла — эффективный коэффициент полезного действия — отношение эффективной мощности к полной тепловой мощности.

 

Эффективный коэффициент полезного действия для различных видов сварки изменяется в зависимости от особенностей технологии, глубины проплав-ления и других условий. Так, эффективный КПД для дуговой сварки изменяется от 0,5 до 0,9, для газовой сварки — 0,25 до 0,7.

 

Эффективный КПД — важный показатель процесса. Знать его величину нужно при расчетах деформаций сварных конструкций, при определении зон нагрева и для многих других целей. Но источники тепла имеют и другие особенности, которые нужно обязательно учитывать при выборе способа сварки.

 

По степени концентрации тепла — плотности теплового потока в пятне нагрева (кал/см2- с или Вт/см2) и наибольшей тепловой мощности, вводимой в изделие (Вт), можно судить о том, какую толщину металла удастся соединить. Так, ацетилено-кисло-родное пламя обеспечивает плотность теплового потока до 500 Вт/см2, а электрическая дуга — 30 ООО Вт/см2, а если учесть, что наибольшая тепловая мощность, вводимая в изделие, составляет 10 ООО Вт для пламени и 100 000 Вт для дуги, то станет очевидно, что проплавляющие возможности дуги значительно выше.

 

Возникает вопрос: зачем нужна газовая сварка, если у нее и КПД ниже, и плотность теплового потока самая низкая, да и тепловая мощность невысокая?

Рекомендация варить все дугой, потому что она эффективнее, не лишена теоретического смысла. Вот только практика, самый строгий оценщик, предъявляет к способам сварки множество разнообразных требований. И бывает много случаев, когда другие свойства становятся гораздо важнее тепловых характеристик.

 

Так, в начале XX в. дуговая сварка не выдержала конкуренции с молодой газовой сваркой: способ Н. Н. Бенардоса не гарантировал удовлетворительного качества металла шва, а способ Н. Г. Славянова не обладал достаточной технологической гибкостью и маневренностью. Только после существенных улучшений процессы дуговой сварки заняли первое место в применении.

 

Улучшить процесс дуговой сварки удалось в результате разнообразных исследований процессов плавления и кристаллизации сварочной ванны. При сварке плавлением источник тепла расплавляет металл на отдельном участке соединения. Образуется сварочная ванна, ограниченная поверхностью нерасплавленного металла. Источник теплоты (дуга, пламя, электронный луч, луч лазера) «давит» на металл в ванне, оттесняя его от центра к краям и образуя углубление — кратер.

 

При перемещении источника тепла жидкий металл оттесняется к заднему краю ванны — в хвостовую часть. Там происходит кристаллизация и формируется шов. А дуга в это время «подмывает» переднюю, головную часть ванны, расплавляя все новые и новые порции металла.

 

Жидкий металл ванны непрерывно перемешивается. При постоянной скорости, тепловой мощности источника и других параметрах режима форма и размеры сварочной ванны устанавливаются постоянными. , От формы ванны, от ее показателей зависят характер кристаллизации, возможность появления дефектов, распределение примесей и многие другие процессы, влияющие на качество металла шва.

 

Различные силы действуют на расплавленный металл. Зависят они и от свойств источника тепла, и от теплофизических свойств свариваемого металла, и от режима сварки, и от других параметров. Экспериментировать непосредственно в процессе сварки нелегко. Представьте себе, например, такую задачу. Дано: ослепительная, тысячеградусная, все испаряющая дуга, под ней бурлит расплавленная сталь.

 

Требуется определить температуру стали в радиусе 5 мм от оси дуги на глубине 3 мм от поверхности через 2 с после возбуждения дуги. Ученые справились и с этой и с другими задачами. Проведены многочисленные измерения с помощью термопар и калориметров, разработаны расчетные методы, таблицы и графики. Сварщики теперь могут определить не только температуру в какой-либо точке ванны, но и среднюю температуру всей ванны, ее теплосодержание, объем, скорость охлаждения и др. А что касается нашей задачи, то окружность радиусом 5 мм располагается в ванне и температура там равняется 2300° С.

 

Изучая ванну и шов, сварщики установили очень важные закономерности. Зная, что глубина про-плавления пропорциональна тепловой мощности дуги, можно рассчитать примерный режим сварки изделий определенной толщины. В такой же зависимости находится и объем сварочной ванны, изменяющийся при различных способах сварки плавления от десятых долей до нескольких десятков кубических сантиметров.

 

Для расчета металлургических процессов и для многих других целей очень важно знать, сколько же времени металл находится в жидком состоянии. Для различных участков ванны время это неодинаково. У края ванны, вблизи границы сплавления, металл кристаллизуется быстро, но чем дальше от края, тем позже он затвердевает, тем дольше металл остается жидким.

 

При дуговой и газовой сварке время «жизни» расплавленного металла в ванне исчисляется долями и единицами секунд, а при электрошлаковой — минутами. И за это время металл взаимодействует с частицами шлака и пузырьками газа, занесенными в ванну или образовавшимися в ней. Очевидно,

 

Давление столба дуги (Рд) уравновешивается гидростатическим давлением (Рь) жидкого металла, вытесняемого в хвостовую часть ванны. При сквозном проплавлении жидкий металл удерживается снизу силами поверхностного натяжения (Рн). Форма ванны и шва характеризуется шириной (в), глубиной проплавления (h), длиной ванны (1), высотой усиления (S), коэффициентом формы провара (впр) и другими показателями.

 

По форме ванна сверху похожа на падающую каплю воды: ее хвостовая часть вытянута и заострена, тогда как головная часть — в виде полукруга.

что если шлак или газ «застрянут» в металле, то они испортят шов — уменьшат его прочность и пластичность, могут нарушить и герметичность. Задача сварщиков — избавиться от нежелательных примесей.

 

И хотя при решении ее встречается много трудностей, природа предусмотрела несколько явлений, которые, если их правильно использовать, облегчают выполнение этой задачи. Например, на шлак и газы действует выталкивающая сила, потому что их плотность меньше плотности металлов. Сила эта направлена против силы тяжести. Значит, если ванна находится в нижнем положении, то шлаковые включения и поры будут стремиться всплыть.

 

Нужно только помочь им преодолеть силы, препятствующие всплытию. Жидкий металл становится твердым. Металлы и сплавы в твердом состоянии — кристаллические тела. Как же кристаллизуется металл ванны? Частицы расплавленного металла по мере снижения температуры становятся менее подвижными. Тепло от ванны отводится в стенки. Между твердым металлом стенок и кристаллизующимся слоем устанавливаются обычные металлические связи, образуются общие кристаллиты, растущие за счет присоединения соседнего жидкого металла.

 

Такое «наращивание» кристаллов идет от краев к середине и от хвостовой части ванны к головной. Поскольку сначала затвердевают более тугоплавкие составляющие, то в ванне все время повышается процент легкоплавких компонентов. Процесс кристаллизации заканчивается при более низкой температуре, чем начался.

 

Вы уже знаете, что кристаллы в обычной сварочной ванне сходятся к середине шва, следовательно, элементы в шве «вынуждены» распределиться неравномерно: ближе к границе сплавления с основным металлом — более тугоплавкие, в середине — легкоплавкие.

 

От состава сплава зависят и его свойства. Иногда такие важные свойства, как механическая прочность и коррозионная стойкость, могут измениться резко, скачком из-за ничтожно малого изменения состава. Поэтому нельзя допустить произвольное распределение элементов по шву при сварке ответственных конструкций. Неблагоприятные концентрации даже на одном участке могут вывести из строя все изделие.

 

Вот и приходится ученым рассчитывать и исследовать локальный состав ванны и шва, учиться управлять характером кристаллизации. Некоторые элементы способны «перераспределяться» уже в твердом кристалле. Например, при сварке сталей углерод, обладающий большой диффузионной подвижностью (особенно при высоких температурах), успевает выровнять свою концентрацию за время остывания шва. Встречаются элементы, которые, не дожидаясь, пока к ним подойдет фронт кристаллизации, сами начинают кристаллизоваться и образовывать собственные дендриты в тех частях

 

Сварные швы и их положение при сварке. ванны, где им еще и быть-то не положено. Часто такие элементы — модификаторы применяют специально для измельчения структуры. Например, при сварке алюминиевых сплавов модификаторами служат титан и цирконий. Есть элементы, которые не дают возможности разрастаться кристаллам, обволакивают каждый из них тончайшим слоем, а в расплаве в это время зарождаются и разрастаются новые дендриты.

 

Нарушает законы кристаллизации и механическое воздействие. Например, с помощью ультразвука можно создать дополнительные центры и измельчить структуру. Воздействуют на ванну и источники тепла, и условия теплоотвода. И конечно, на форму и размеры кристаллитов влияют условия нагрева и теплоотвода. В реальных производственных условиях сварочная ванна может занимать различные положения в пространстве.

 

Очевидно, что лучше иметь дело с нижними швами. Однако не всякое изделие можно поворачивать в удобное для сварки положение. При сварке кораблей, каркасов зданий, стыков трубопроводов очень часто ванна оказывается в перевернутом положении.

 

Угол между полкой и стенкой может быть прямым, а может и отличаться от 90°. И сочетание толщин может быть различным. Швы при этом соединении называют угловыми.

При нахлесточном соединении один лист накладывается на другой. Выполнять такое соединение можно угловым швом, проваривая одну кромку; можно точечными швами с проплавлением верхнего листа (дугой, электронным лучом) или с образованием точек или сплошного шва внутри, между листами при контактной, холодной и других способах сварки.

 

Обычно выбор вида сварных соединений и вида шва зависит от конструкции изделия. А уже в зависимости от вида шва, толщины соединения, от свойств металла, наличия обе рудования и других условий устанавливают приемы и режимы сварки. Конструкторам, проектирующим изделие, и технологам, разрабатывающим технологический процесс изготовления изделия, приходится учитывать множество различных факторов, находить оптимальные решения.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.