5. Кристаллизация металла при сварке и структура сварных соединений

[1], с. 264. . .291, 303. . .308 или [2], с. 433. . .474

В процессе изучения материала необходимо хорошо изучить механизм кристаллизации, причины появления неме­таллических включений в металле шва и меры по их сни­жению. Следует тщательно рассмотреть явление химической неоднородности сварного соединения, ликвационные и диф­фузионные процессы в зоне сварки.

Необходимо иметь четкие представления о процессах фор­мирования вторичной структуры в металле шва и основном металле, влиянии на них скорости охлаждения.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое первичная и вторичная кристаллизации металлов?

2. Каков механизм возникновения пор в металле шва?

3. Каковы причины образования шлаковых включений в металле шва?

4. В чем заключаются причины химической неоднородности сварного соединения?

5. Каковы особенности структуры металла шва и околошовной зоны при сварке низкоуглеродистых сталей?

6. Технологическая прочность сварных соединений [1], с. 291. . .303, 310. . .382 или [2], с. 406…433, 474…548

Этот раздел является наиболее важным. В процессе его изучения необходимо внимательно рассмотреть термодефор­мационные процессы при сварке, причины возникновения сварочных деформаций и напряжений, основные факторы, определяющие возникновение горячих трещин. При этом надо обратить внимание на практические методики опреде­ления склонности металла шва к образованию таких трещин, изменение свойств металла в зоне термического влияния, особенности структуры сварных соединении, выполненных многослойными швами.

Нужно остановиться и на причинах возникновения холод­ных трещин и мерах, которые позволяют предотвратить их появление. Следует обратить внимание на замедленный ха­рактер разрушения.

Завершая изучение раздела, нужно систематизировать комплекс мер по повышению технологической прочности свар­ных соединений.

Вопросы для самопроверки

1. Поясните термин «термодеформационный цикл» сварки.

2. Каков характер упруго-пластических деформаций, возникающих в металле шва при дуговой сварке?

3. Каковы причины возникновения горячих и холодных трещин? Ос­новные меры, предотвращающие их возникновение.

4. В чем заключается сущность методики Ждановского металлурги­ческого института (ЖдМИ) для определения сопротивляемости металла шва образованию кристаллизационных трещин?

5. Как влияет термический цикл при сварке на конечную структуру и прочность сварных соединений?

6. Дайте определение технологической свариваемости.

7. Как влияют габариты, назначение конструкции и свариваемого ме­талла на возможность разработки технологии сварки?

8. Что такое эксплуатационная прочность конструкции?

Задания на контрольные работы

Расчетные контрольные задания предназначены для углубления знаний процессов распространения теплоты и кристаллизации металла при сварке плавлением и овладе­ния практическими навыками применения математического моделирования и ЭВМ в теории сварочных процессов.

Контрольная работа 1 Основные положения

На свариваемый материал процесс дуговой сварки ока­зывает сильное тепловое воздействие, которое обусловливает структурные и фазовые превращения металла шва и около­шовной зоны.

Степень неоднородности металла, вызываемая этими яв­лениями, снижает механические свойства сварного соедине­ния в целом.

Тепловое состояние наиболее полно описывается темпе­ратурным полем, которое в условиях сварки является нестационарным:

(1)

где Т – температура в точке с декартовыми координатами x, y, z в момент времени t.

Наиболее полно такое температурное поле, характери­зующееся при дуговой сварке высокими скоростями нагрева, охлаждения и градиентом температур, можно теоретически исследовать решением соответствующей краевой задачи диф­ференциального уравнения теплопроводности [1], [5].

Для решения задач теплопроводности, применительно к дуговой сварке, можно использовать аналитические ме­тоды – интегральных преобразований и метод источников (функций Грина), а также численные – метод конечных разностей, конечных элементов и другие.

Наиболее простым и удобным для оценки температурных полей при воздействии подвижных источников тепла явля­ется предложенный Томсоном метод источников, схематизи­рованный применительно к дуговой сварке и доведенный до простых аналитических зависимостей Н.Н. Рыкалиным.

В контрольной работе для оценки температурного поля в массивном изделии при наплавке на его поверхность прямолинейного валика используется схема мощного быcтродвижущегося точечного источника на полубесконечном теле [1]. При этом предполагается, что источник теплоты, движу­щийся прямолинейно по поверхности полубесконечного тела, имеет бесконечно большую тепловую мощность q и скорость движения , но конечную погонную энергию q_п:

(2)

Остальные допущения являются общими для метода источников – независимость теплофизических свойств от температуры, отсутствие учета теплоты фазовых переходов и др. [1].

При выполнении этих допущений температура в точке с координатами (у, z) в момент времени t определяется по формуле (1)

(3)

Где – тепловая мощность дуги;  – коэффициент теплопроводности; – коэффициент температуропроводности;t – время, отсчитанное с момента прохождения дугой проекции исследуемой точки на ось x; I, U – ток и напряжение на дуге: _и – эффективный КПД дуги, равный 0,8 . . . 0,9 для автоматической сварки под флюсом. Система координат (x, y, z) является мгновенно неподвижной, начало ее совпадает с положением источника тепла в данный мо­мент времени. Формула (3) позволяет рассчитать как терми­ческие циклы сварки – зависимость температуры от времени в заданной точке (координатыу и z фиксированы), так и изотермы гдеT₀ – заданная температура в фик­сированный момент времени. Последние наиболее удобно строить в координатных плоскостях YOZ и ХОY или им па­раллельных (рис. 1). Контур изотермы _пл в плоскости (ХОY) в первом приближении можно принять за очертания сварочной ванны.

Для расчета изотерм в уравнении (3) необходимо сделать замену . Наличие знака минус связано с тем, что в схемах быстродействующих источников учитывается рас­пространение тепла только позади движущегося источника, т. е. при отрицательных значенияхx. Тогда уравнение изо­термической поверхности в неявной форме, соответствующее температуре T₀, примет вид:

(4)

Для изотермы в плоскостях ХОY (на поверхности изде­лия) уравнение (4) упростится:

(5)

где x<0.

С помощью неявного задания функции , решая (5), можно легко построить контур изотермыТ₀. Можно показать, что при имеем, т. е. контур изотермы асимптотически проходит через начало координат, хотя в самой точке действия дуги температура неопределенна (бес­конечна).

Рис. 1 Температурное поле мощности быстродвижущего точечного источника на полубесконечном теле:

а – основные обозначения; б, в – изотерма Т=Т₀ в плоскости XОY и ZOY соответственно.

Вторую точку пересечения изотермы с осью ОХ (точку В, рис. 1, a) легко найти из (5), положив y₀ = 0:

(6)

где L при _пл является расчетной длиной сварочной ванны. Точку, соответствующую максимальной ширине изо­термы Т₀ (x_max, y_max) легко найти, воспользовавшись необ­ходимым условием экстремума.

Предварительно следует продифференцировать как функцию, заданную неявно выражением (5):

(7)

(8)

Очевидно, что максимальная ширина любой изотермы . В первом приближении контур изотермы задается четырьмя точками ,В (–L, 0), С (x_max, – y_max) и D (х_max, y_max), как показано на рис. 1, а, б. Для более точного построения изотермы следует задать несколько проме­жуточных точек в головной части (АСD) и хвостовой (СВD). Хвостовая часть более вытянута по сравнению с головной. Целесообразно задавать в этих частях одинаковое количе­ство n промежуточных точек. Тогда шаг между соседними точками в головной части составит:

(9)

а в хвостовой:

(10)

Абсциссы точек изотерм удобно задавать в виде массива {х_i}, i =1, 2, . . . , (2n+1),

где

(11)

Рассчитав массив абсцисс {x_i}, легко по формуле (5) вычислить соответствующий массив ординат {y_i}, i=1, 2, . . ., 2_n+1, где у₁= 0, . . ., у_2n+1=L,

(12)

Очевидно, что ординаты точек y_i при одних и тех же абсцис­сах х_i, на ветвях АСВ и АDВ будут различаться лишь зна­ками (рис. 1, б). Таким образом, имея основные параметры режима сварки I, U и , зная теплофизические свойства сва­риваемого металла и задавшись интересуемой температурой T₀, по формулам (6), (7), (11) следует найти {x_i}, а по фор­мулам (8), (12) – {y_i}.

Это позволит, задавшись масштабом, найти точки {x_i, y_i} в системе координат ХОY и построить очертания контура изотерм T₀.

Термические циклы при сварке можно определить в точ­ках, лежащих на поверхности свариваемого изделия и распо­ложенных на перпендикуляре к оси движения источника у_I, y_II, y_III (рис. 1. а). Тогда в формуле (3) z=0 и

(13)

Общий вид графика термического цикла представлен на рис. 2.

Рис. 2. Определение скорости охлаждения металла по заданному термическому циклу методом графического дифференцирования.

Продифференцировав выражение (13) по времени и при­менив необходимое условие максимума, находим время t_m, достижения максимальной температуры Т_m [2]:

(14)

График проходит через начало координат, так как при t0 и в то же время ось абсцисс является асимптотой графика. Для построения графика термического цикла, точки (на восходящей и нисходящей ветвях) следует располагать с разными шагами по оси абсцисс. На восходя­щей ветви шаг по времени h_t удобно выбрать:

(15)

где n=3 . . . 5 и t₀=0, t₁=h_t, t₂=2h_t, . . ., t_n=t_m.

На нисходящей ветви шаг следует выбрать переменным на­растающим, например:

(16)

Таким образом, для построения термического цикла в заданной точке y_N необходимо по формулам (14) рассчитать ве­личины t_m и T_m, по формулам (15, 16) сформировать массив абсцисс {t_i} и по нему с помощью (13) рассчитать массив ординат {T_j}.

Важной характеристикой термического цикла сварки явля­ется скорость охлаждения металла в заданной точке . Если свариваемая сталь имеет склонность к закалке, то, рассчитав скорость охлаждения по заданному режиму сварки, можно предсказать образование закалочных структур и ширину зоны их залегания.

Н. Н. Рыкалиным получена формула для вычисления ско­рости охлаждения металла в точках, лежащих на оси шва при выбранной температуре T:

(17)

где T_н – начальная температура свариваемого изделия.

Т а б л и ц а 1

Варианты и исходные данные

Параметры	1	2	3	4	5	6	7	8	9	0
Последняя цифра шифра студента
Расстояние y0, мм	8	8,5	9	9,5	10	10,5	11	11,5	12	12,5
Сила тока I, A	300	320	340	360	380	400	420	440	460	480
Скорость наплавки , м/с	510^-3	610^-3	710^-3	510^-3	610^-3	710^-3	510^-3	610^-3	710^-3	510^-3
Предпоследняя цифра шифра студента
Напряжение U, B	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36
Температура T0, C	Tпл	1200			650	500	400	300	200	100

Формула (17) справедлива при наплавке валика на массивное тело для схемы мощного точечного быстродействую­щего источника, см. формулу (3).

При необходимости рассчитать  в точке, не лежащей на оси при заданной температуре T₁, можно воспользоваться графическим дифференцированием графика термического цикла в этой точке (рис. 2).

(18)

Задача 1. По описанному выше алгоритму рассчитать коор­динаты точек изотерм Т (х, у, z)=Т₀ и построить ее контур для случая наплавки под флюсом валика на массивный лист из низкоуглеродистой стали. На рисунке указать длину и ширину изотерм.

Вариант режима наплавки и значения температур изотерм студенты выбирают из табл. 1 в соответствии с шифром.

Задача 2. Рассчитать и построить термический цикл ме­талла околошовной зоны в точке у₀. Определить время пре­бывания металла в указанной точке выше температуры Т=0,8 T_max, рассчитать скорость охлаждения металла при этой температуре на оси шва и в точке у₀ (варианты и исходные данные приведены в табл. 1).

Указания. Расчеты целесообразно проводить с использо­ванием компьютера. При составлении программы следует вначале предусмотреть вычисление постоянных величин, входящих в формулы, а исходные данные (абсциссы точек изотерм, зна­чения времени, при которых определяется температура) и ре­зультаты (ординаты точек изотерм и значения температуры) лучше формировать в виде массивов чисел.