Лабораторная работа №3.

1. Назовите основные причины, вызывающие напряжения и деформации при сварке.

2. От чего зависит величина деформаций и напряжений при сварке?

3. Какие бывают деформации от сварки?

4. На что оказывают влияние остаточные сварочные деформации?

5. Назовите деформации собственно сварных швов.

6. Какие могут быть деформации от сварки стальных конструкций?

7. Назовите наиболее часто встречающиеся общие деформации от сварки в строительных стальных конструкциях.

8. Какими приемами можно уменьшить деформации при сварке?

9. Расскажите о порядке выполнения работы.

10. Как определить время, необходимое для наплавления шва длиной в один метр?

11. Как можно определить погонную энергию процесса наплавления шва?

12. Как определить укорочение сварного шва после его остывания?

13. Как определяется кривизна элемента конструкции?

14. Как можно определить максимальную стрелу прогиба?

Ответы:

1. Основные причины, вызывающие напряжения и деформации при сварке, следующие: неравномерный нагрев, усадка наплавленного металла при переходе его в твердое состояние, структурные изменения наплавленного или основного металла в зоне термического влияния, сопровождающиеся изменением объема.

2. Основные причины, вызывающие напряжения и деформации при сварке, следующие: неравномерный нагрев, усадка наплавленного металла при переходе его в твердое состояние, структурные изменения наплавленного или основного металла в зоне термического влияния, сопровождающиеся изменением объема.

3. Деформации от сварки бывают временные, происходящие в процессе сварки, и остаточные, образовавшиеся после полного остывания сварной конструкции.

Остаточные сварочные деформации являются результатом пластических деформаций, происходящих во время сварки в околошовных зонах.

4. Остаточные сварочные деформации влияют на геометрическую форму конструкции, а иногда и на несущую способность элементов (например, коробление сжатых элементов или стенки балки способствует потере устойчивости).

5. Они бывают продольные и поперечные. Усадку швов по высоте не учитывают, т.к. она не оказывает влияние на деформации конструкций.

6. Деформации стальных конструкций от сварки могут быть: общие (они характерны для сварного элемента в целом) и местные (образующиеся в пределах одной или нескольких деталей конструкции).

7. К общим деформациям от сварки, которые наиболее часто встречаются в строительных стальных конструкциях, следует отнести: серповидность (саблевидность) элементов; продольное и поперечное укорочение элементов; скручивание (винтообразность) элементов; грибовидность полок сплошных тавровых, двутавровых, Н-образных и т.п. элементов; перекос полок сплошных составных сечений.

8. Для борьбы с деформациями металла при сварке можно рекомендовать:

1) обратноступенчатый порядок нанесения швов, при котором длинный шов делится на участки длиной 150 – 200 мм и сварку ведут отдельными участками – это препятствует концентрации тепла в одном месте и уменьшает зону разогрева изделия;

2) деформирование детали перед сваркой в обратном направлении на ту же величину, которая вызывается сваркой; этот способ обычно применяется для изделий с несимметричным расположением швов;

3) уравновешивание деформаций, т.е. выбор такого порядка наложения швов, чтобы последующие вызывал деформации, обратные тем, которые получились при наложении предыдущего шва (рисунок 3.2а);

4) увеличение отвода тепла от свариваемого изделия. Это уменьшает объем нагретого металла и соответственно его деформацию. Охлаждение достигается погружением частей деталей в воду или применением медных подкладок под деталь;

5) жесткое закрепление свариваемых элементов в специальных приспособлениях. Этот способ, хотя и уменьшает деформацию, но увеличивает внутренние напряжения; последующим обжигом они устраняются;

6) назначение минимальных объемов наплавленного металла; сечения угловых шов следует принимать по расчету или в соответствии с рекомендациями о минимальных катетах шва;

7) последовательность выполнения швов должна допускать свободную деформацию элементов конструкций. Например, при сварке настила из нескольких листов следует в первую очередь выполнить швы, соединяющие листы полос, и лишь затем швы, соединяющие эти полосы между собой (рисунок 3.2б).

Рисунок 3.2 – Последовательность наложения швов для уменьшения деформаций при сварке: а – поясных швов сварных балок; б – настила из нескольких листов.

10. Определение времени t_sv, необходимого для наплавления шва длиною в один метр.

, (2 а)

где A_w – площадь поперечного сечения шва (см²), принимать по п. 4;

γ – объемный вес стали (г/см³), принимать – 7,8;

c_n – скорость направления шва (г/А.ч), принимать (8 – 9) для электродов из низколегированной стали и (9 – 12) для электродов из стали углеродистой горячекатанной обыкновенного качества;

I_sv – сила сварного тока (ампер), принимать в зависимости от диаметра электрода d_е в мм по формуле

I_sv=(40 – 50) d_e.

11. Определение погонной энергии (кал/см) процесса направления шва.

Погонная энергия q_p вычисляется на 1 пог.см. вдоль оси z (рисунок 3.4) по формуле

, (4)

где I_sv – по п. 5;

U_q – напряжение дуги (вольт);

V_q – скорость сварки; определяется по п. 5 как (I_sv/t_sv) в м/ч;

η – эффективный КПД, зависящий от технологических условий сварки, для ручной электродуговой сварки η=0,5-0,85;

Q_ef – эффективная тепловая мощность дуги (кал);

V_q – скорость перемещения дуги (см/с).

12. В момент окончания сварки, горячий шов имеет длину l (см); затем шов остывает и укорачивается на величину ∆l (см). Так как поперечные сечения шва при этом поворачиваются относительно главных осей, то длина шва и ее изменение определяются вдоль продольной оси шва, проходящей через центр тяжести поперечного сечения шва (точка 0 на рисунке 3.4б). Укорочение шва ∆l находится из зависимости

, (5)

где μ – константа, характеризующая теплофизические свойства металла

q_p – погонная энергия процесса наплавления сварного шва (по п. 6.);

l – длина сварного шва

13. Кривизна элемента конструкции определяется из зависимости:

, (6)

где Z – расстояние от оси полосы до центра тяжести площади, характеризующей местные деформаций (до оси зоны нагрева) (см);

I – момент инерции поперечного сечения элемента (полосы) (см⁴).

14. Определение максимальной стрелы прогиба элемента металлической конструкции (полосы) f.

Максимальная стрела прогиба для тавровых сечений определяется по формуле

Расчетные формулы могут быть использованы как при неравномерном местном нагреве кромок полосы, так и при равномерном нагреве металла, а также для определения деформаций любых сечений при любом расположении валика.

Лабораторная работа №4.

1. Назовите основную задачу металлографического анализа.

2. Что изучает макроструктурный метод исследования металла?

3. Что называют макрошлифом?

4. Как можно изучить макроструктуру?

5. Что позволяет выявить изучение излома металла и макроструктуры шлифа?

6. Каким прибором пользуются для изучения микроструктуры сварных соединений?

7. Расскажите о последовательности работ при исследовании шлифа под микроскопом.

8. Что можно установить с помощью микроисследования сварного шва?

9. Перечислите дефекты сварных швов и причины их образования.

10. Расскажите о порядке выполнения работы.

Ответы:

1. Основой задачей металлографического анализа является исследование структуры и дефектов (пороков) основного и наплавленного металла сварного соединения. Металлографические исследования включают в себя макроструктурный и микроструктурный методы исследования металлов.

2. При макроструктурном методе изучаются макрошлифы и изломы металла.

3. Макрошлиф – это зашлифованный образец металла, с плоской поверхностью протравленный 25%-ным водным раствором азотной кислоты или раствором щелочи.

4. Макроструктуру рассматривают невооруженным глазом либо с помощью лупы.

5. Исследование излома позволяет выявлять такие дефекты, как белые пятна (флокены – дефекты внутреннего строения стали в виде серебристо-белых пятен в изломе или волосовин – на протравленных шлифах. Обусловлены повышенным содержанием водорода в металле)). Излом – является одним из лучших методов выявления этого дефекта. По излому можно судить и о том, где произошло разрушение металла – по зерну или по границам зерен.

Изучение макроструктур визуально или с помощью лупы позволяет выявить границы сварного шва, глубину проплавления, ширину зоны термического влияния, строение металла шва, а также внутренние дефекты: непровары, подрезы, прожоги, наплывы, шлаковые включения, трещины, поры и др.

6. При микроструктурном методе (микроанализ) исследуется структура и пороки металла с помощью микроскопа, т.е. при более чем 100-кратном увеличении.

7. Поверхность шлифа тщательно полируется до зеркального блеска и протравливается.

8. С помощью микроисследования можно установить качество металла, в том числе обнаружить перегрев металла, наличие окислов по границам зерен, засоренность неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами), величину зерен металла, изменение состава металла при сварке, микроскопические трещины, микропоры, непровары и другие дефекты структуры.

9. Подрезы – это углубления (канавки) в месте перехода основного металла к металлу сварного шва (рисунок 4.1а). Подрезы – опасные дефекты, которые могут привести к выходу из строя сварное изделие.

Подрезы устраняются наплавкой тонких (ниточных) швов электродами малых диаметров.

Прожоги (рисунок 4.1б) образуются в результате большой величины сварочного тока, из-за малого притупления кромок свариваемого изделия, большого зазора между свариваемыми кромками, а также при неравномерной скорости сварки. Прожоги являются недопустимыми дефектами и подлежат исправлению.

Непровары – это несплавление между отдельными валиками, основным и наплавленным металлом и незаполненное металлом расчетного сечения шва (рисунок 4.1в). При V-образной разделке кромок могут быть непровары в корке стыковых швов, а при Х-образной разделке – в центре шва. Непровары могут быть также в стыковых и угловых швах и могут стать причиной разрушения конструкции в результате повышенных концентраций напряжений и уменьшения площадки поперечного сечения металла шва.

Трещины (рисунок 4.1г) являются наиболее опасными дефектами. Возникновение трещин связано с химическим составом основного и наплавленного металла, а также со скоростью охлаждения сварного соединения и с жесткостью свариваемого контура.

Трещины, образовавшиеся в процессе сварки, называются горячими, а после охлаждения металла – холодными.

Трещины снижают статическую, динамическую и вибрационную прочность конструкции. В результате динамических нагрузок трещины быстро развиваются (увеличиваются в размере) и приводят к разрушению конструкции. На образование трещин влияет температура окружающей среды (чем ниже температура окружающей среды, тем больше вероятность образования трещин). При сварке низкоуглеродистых сталей трещины встречаются редко.

Газовые поры (рисунок 4.1д) образуются в шве вследствие перенасыщения расплавленного металла сварочной ванны газами. Поры могут быть внутренними, не выходящими на поверхность сварного шва, и наружными, выходящими на поверхность шва. Они могут быть одиночными либо располагаться цепочкой.

Появление пор в сварном изделии снижает механические свойства наплавленного металла (ударную вязкость, угол загиба, предел прочности) и нарушает герметичность изделия.

Неметаллические включения представляют собой загрязнение металла. Это чаще всего шлаки, не успевшие всплыть на поверхность металла в процессе кристаллизации. Неметаллические включения уменьшают рабочие сечения шва и приводят к понижению прочности сварного соединения.