Додаткова_література / TZPlab-

qU

V X

V

2

b

T (r, x)

=

−

2

+

,

(2.1)

2πλδ

exp

K 0

r

4a

a

2a

де T (r,x) – температура в точці з координатами x,r =

x2 + y2 ; m;

x, y – відповідно абсциса й ордината точки в декартовій системі координат, центр якої збігається з джерелом зварювального нагріву, м;

qU – ефективна теплова потужність джерела, Вт;

λ– коефіцієнт теплопровідності Вт/(м к);

δ– товщина платини, м;

V			– швидкість переміщення джерела нагріву, м/с;
a			– коефіцієнт температуропровідності, м2/с;
K0 – функція Бесселя ІІ роду нульового порядку;
r		V 2		+ b – аргумент функції Бесселя;
	4a2			a
b =			2α	– коефіцієнт температуровіддачі, що враховує тепловіддачу з
			2γδ

поверхонь пластини в навколишнє середовище, с-1; α – коефіцієнт тепловіддачі, вт/(м2 к); cγ – об'ємна теплоємність, Дж/(м3 к).

Z

V

0	X

Y

A(X,Y)

δ

Рисунок 3.1 – Схема переміщення джерела нагріву на поверхні пластини

Характер розповсюдження теплоти в тілі, зокрема в температурному полі, зручно аналізувати за сукупністю термічних циклів окремих точок тіла.

11

Термічний цикл точки характеризує зміну її температури в часу. Його не можна
розраховувати безпосередньо за наведеною раніше формулою, оскільки вона
описує стаціонарне температурне поле, тобто таке, яке не змінюється в часі.
Основні характеристики термічного циклу – максимальна температура та
її час досягнення; швидкості нагріву й охолодження при різних температурах;
тривалість перебування матеріалу вище певної температури.
У цьому разі для розрахунку температури будь-якої точки тіла задаються
різними положеннями джерела нагріву (центра рухомої системи координат), які
відповідають певному	часу	ti =	X 0 − X i	(рис.	2.2). На рис. 2.2 зображені
			V
нерухома X0O0Y0 та рухома XOY системи координат.
			X1	X2		Xn
				X3	X4
O0	O1		O2	O3	O4	On X(X0)
		r1	r2		Y	rn
	r0			r3	r4
		X0		Y	A(X0,Y)
Y0
Рисунок 3.2 – Нерухома X0O0Y0 та рухома XOY системи координат положення
		джерела нагріву

4 МЕТОДИКА ЕКСПЕРИМЕНТАПЛЬНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМІЧНИХ ЦИКЛІВ

У багатьох випадках характер теплової дії при зварюванні, умови розповсюдження теплоти та тепловіддачі дуже складні. Це принципово ускладнює розрахунок температур, а інколи робить його неможливим. У таких випадках температури і термічні цикли доцільно розраховувати експериментально. Експериментальне визначення температур при зварюванні має певні переваги перед розрахунковим, поступається останньому у можливості одержання й аналізу загальних закономірностей.

12

Існує багато методів експериментального визначення температур. Один із найпростіших полягає у використанні термофарб або термоолівців. Деякі термофарби змінюють колір безперервно (в діапазоні температур 400…700 К) і дають можливість спостерігати положення ізотермічних ліній.

Термоолівці виготовляють для діапазону температур 340…950 К з градацією 50..80 К. Після нанесення термоолівцями рисок можна швидко визначити розподілення температур за зміною кольору, розміри зони, нагрітої до певної температури, а також час, за який досягається ця температура.

Найчастіше для вимірювання температури при зварюванні використовують термопари у вигляді двох тонких (діаметром 0,1…0,4 мм) провідників із різних сплавів, з'єднаних1 між собою на кінцях зварюванням, що утворює так званий гарячий спай. Цей спай розміщують у точці вимірювання температури.

Діапазон температур, які можна вимірювати з допомогою термопар, дуже широкий – від температур, близьких до абсолютного нуля, до температур плавлення найбільш тугоплавких металів. У діапазоні температур до 1900 К термопари – найбільш надійний засіб вимірювання температур твердих металів.

Точність вимірювання температури залежить від щільності контакту гарячого спаю з металом. Тому спай або приварюють контактним зварюванням до зразка або зачеканюють у невеликий отвір діаметром 1,5…2,0 мм.

5 ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

5.1.Ознайомитись із зварювальною установкою та вимірювальними приладами.

5.2.Закріпити гарячі спаї термопар у точках вимірювання температур.

5.3.З допомогою секундоміра та лінійки визначити швидкість зварювання при холостому переміщенні автомата.

5.4.Здійснити зварювання з повним проплавленням пластини і записати термічні цикли заданих точок при різних режимах зварювання.

5.5.Розрахувати термічні цикли теоретично за умов експерименту.

6 ЗМІСТ ЗВІТУ

6.1.Мета роботи "дослідження процесу поширення теплоти при однопрохідному зварюванні встик тонкої пластини".

6.2.Короткі теоретичні відомості.

6.3.Порядок виконання роботи.

6.4.Результати роботи у вигляді графіків термічних циклів, визначених експериментально та розрахунково.

6.5.Аналіз одержаних результатів.

6.6.Висновки.

7 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

7.1.Що являє собою термічний цикл зварювання.

13

7.2.Проаналізуйте розрахункову схему для однопрохідного зварювання тонкої пластини.

7.3.Експериментальні методи вимірювання температур при зварюванні.

7.4.Методика розрахунку термічних циклів зварювання.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4

ТЕМА: "Нагрів електродів при зварюванні"

1.МЕТА РОБОТИ

1.1Засвоїти методику нагріву електродів.

1.2Дослідити вплив різних факторів на нагрів електродів струмом, що протікає через них.

1.3Розрахувати нагрів електрода зварювальною дугою.

2.НЕОБХІДНІ МАТЕРІАЛИ ТА ОБЛАДНАННЯ

2.1.Зварювальний пост

2.2.Пристрій для нагрівання електродів

2.3.Набір електродів різного діаметра та різного хімічного складу

2.4.Хромель-алюмелеві термопари

2.5.Самописці для запису температури та величини струму

3.КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Під час зварювання електрод нагрівається двома джерелами теплоти: дугою, яка помітно нагріває відносно невелику його ділянку, що у більшості випадків не перевищує 10…15 мм від торця електрода; зварювальним струмом, який протікає через електрод і є рівномірно розподіленим за об'ємом джерелом. Одночасно електрод втрачає теплоту при його розплавлені разом з краплями металу, а також охолоджується внаслідок поверхневої тепловіддачі в оточуюче (навколишнє) середовище. Теплота, що виділяється у струмопідводах і витрачається через них, при розрахунках звичайно не враховується.

3.1. Нагрівання електродів струмом Теплота, що виділяється в електроді при проходженні через нього струму,

витрачається на нагрівання металевого стержня та шар покриття, а також губиться через поверхню в оточуюче середовище. Розрахунок нагрівання електродів струмом можна здійснювати, виходячи з диференціального рівняння:

Cγ	dT	= ρ	j	2 −4α(	−	T0	) d3	,	(2.1)
	dt			T			d12

14

де Cγ dTdt – кількість теплоти, що витрачається на нагрівання одиниці

електрода за одиницю часу;

Cγ – усереднена умовна об'ємна теплоємність електрода; dTdt – миттєва швидкість нагрівання електрода;

ρ j2	– кількість теплоти, що виділяється в одиниці об'єму електрода за

одиницю часу протікання струму при густині струму j та питомому електричному опорі матеріалу електродного стержня ρ ;

4α(T −T0) d	23	– кількість теплоти, що виділяється з поверхні одиниці
d	1

об'єму електрода у навколишнє середовище за одиницю часу; α – повний коефіцієнт тепловіддачі з поверхні електрода; T – температура поверхні електрода;

T0 – температура навколишнього середовища; d1 – діаметр електродного стержня;

d3 – діаметр електрода.

3.2. Нагрівання електродів зварювальною дугою Розподіл температури в електроді за рахунок нагрівання його дугою

описує рівняння граничного стану процесу поширення теплоти від рухомого плоского джерела у стержні:

	Vx
T	= (T ПЛ −TСТР)e−		,	(2.2)
		a
де	T ПЛ – температура плавлення електродного стержня;
TСТР – температура нагрівання електрода струмом;
V – швидкість плавлення електрода;
a	– коефіцієнт температуропровідності;
X	– координата точки, температуру якої потрібно визначити.

За центр координат приймається торець електрода, де температура дорівнює T ПЛ .

Аналіз рівняння показує, що на розподіл температур за довжиною електрода завдяки нагріванню його дугою переважаючий вплив має швидкість його плавлення.

4. МЕТОДИКА ТА ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ Робота складається з експериментальної та розрахункової частин.

Дослідження нагріву електрода струмом здійснюється експериментально, а нагрів електрода зварювальною дугою розраховується.

15

4.1. Дослідження нагріву електрода струмом Визначення температури нагріву електрода струмом здійснюється так. До

електрода по середині його довжини на попередньо підготовлену металеву поверхню приварюється гарячий спай хромель-алюмелевої термопари. Кінці термопари під’єднуються до самописця, шкала якого проградуйована в мілівольтах, або градусах Цельсія, чи в кельвінах. Електрод затискається у спеціальному пристрої, який підключений в коло зварювального джерела живлення.

Величина струму короткого замикання, що пропускається через електрод, регулюється з допомогою баластного реостата і фіксується самописцем.

При виконанні роботи потрібно дослідити вплив на нагрів електродів різних факторів, а саме: густини струму, хімічного складу металевого стержня електрода, товщини електродного покриття, діаметра електрода. У зв'язку з цим експерименти здійснюються на електродах різного діаметра, з покриттям та без нього, а також при різному хімічному складі електродних стержнів. Кожен зразок потрібно нагрівати не менш, як при трьох величинах струму. Максимальна температура нагріву електрода не повинна перевищувати 1000 К. Величини струмів для різних діаметрів електродів потрібно підбирати такими, щоб щільність струму для них була однаковою або мало різнилася.

При виконанні роботи потрібно суворо дотримуватись існуючих в лабораторії правил техніки безпеки!

4.2. Розрахунок нагріву електрода зварювальною дугою Якщо експериментальна частина роботи виконується бригадним

способом, то розрахунок нагріву дугою – індивідуально. Розрахунок нагріву електрода дугою здійснюється за формулою 2.2. Потрібно розрахувати розподіл температур за довжиною електрода, починаючи від його торця, при певних заданих значеннях швидкості плавлення електрода V , температури нагріву електрода струмом TСТР та T ПЛ . Рекомендується розраховувати температуру

для різних значень координати Х у межах від 0 до 2 см через кожні 0,2 см.

5 ВИМОГИ ДО ЗВІТУ У звіті потрібно зазначити мету роботи, коротко описати метол дику та

порядок її виконання, привести одержані результати та їхній аналіз, висновки. Експериментальні результати нагріву електродів струмом, що через них протікає, потрібно зобразити у вигляді графіків залежності температури від часу нагріву, а розрахункові дані нагріву електродів дугою – у вигляді таблиць і графіків.

При аналізі результатів нагріву електродів струмом бажано оперувати величиною "швидкість нагріву", а при нагріві зварювальною дугою – "градієнт температур".

16

6 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

6.1.Якими джерелами теплоти нагрівається електрод при дуговому зварюванні?

6.2.Як розраховується нагрів електрода струмом, що протікає через нього?

6.3.Проаналізуйте фактори, що впливають на нагрів електродів струмом.

6.4.Як розраховується нагрів електрода зварювальною дугою?

6.5.Проаналізуйте фактори, що впливають на нагрів електрода зварювальною дугою.

6.6.Розкажіть про методику експериментального визначення нагріву електродів струмом.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №5

ТЕМА: "Дослідження будови зони термічного впливу зварних

з’єднань маловуглецевих сталей"

1 МЕТА РОБОТИ

1.1.Дослідити особливості структури різних ділянок зони термічного впливу зварних з'єднань з маловуглецевої сталі.

1.2.Дослідити вплив способів та режимів зварювання на розмір та будову

ЗТВ.

1.3.Дослідити вплив хімічного складу сталей на мікроструктуру ЗТВ.

1.4.Дослідити вплив погонної енергії зварювання та хімічного складу сталей на твердість різних ділянок ЗТВ.

2 ПРИЛАДИ ТА ОБЛАДНАННЯ

2.1.Мікроскоп металографічний МИМ-10;

2.2.Твердомір;

2.3.Мікротвердомір;

2.4.Набір мікрошліфів.

3 КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

До зони термічного впливу (ЗТВ) відноситься частина основного металу навколо шва, в якій під дією термічного циклу зварювання змінилася структура. В сталях структура може змінюватися в широкому інтервалі температур. Так, при зварюванні загартованої (наклепаної) сталі при температурах вище 500°С в ній будуть протікати процеси рекристалізації, а якщо зразки були загартовані, то процеси старіння і відпуску матимуть місце навіть при 100…150°С. У випадку рівноважного стану металу зміна структури при зварюванні відбувається лише при нагріванні вище АС1.

17

3.1. Особливості термічних циклів при зварюванні Як і при звичайній обробці, структура ЗТВ залежить від ряду факторів:

хімічного складу сталей та її вихідної структури, швидкості нагріву, максимальної температури нагріву, часу знаходження в аустенітному стані, швидкості охолодження в температурному інтервалі перетворення аустеніту. Але термічна обробка під дією зварювання в порівнянні з пічною має ряд специфічних особливостей. По-перше, при зварюванні значно більш високі швидкості нагріву, що можуть досягати декількох сотень град/с. Це приводить до помітного зміщення критичних точок АС1 та АС3. По-друге, максимальні температури нагріву в ЗТВ досягають температури плавлення, в той час, як при звичайній термообробці лише на 30-50°С перевищують точку АС3. Високі температури нагріву викликають інтенсивний ріст через аустеніту. По-третє, при зварюванні дуже малий час знаходження сталі в аустенітному стані (від долей до декількох десятків секунд), що приводить до значної фізичної та хімічної неоднорідності зерен.

Швидкість охолодження металу ЗТВ в температурному інтервалі перетворення аустеніту такого ж порядку, як і при термообробці. В залежності від товщини металу, способу та режиму зварювання діапазон швидкостей охолодження може охоплювати як режим загартування, так і нормалізації.

Таким чином, найбільш істотні відміни в параметрах термічних циклів між пічною термообробкою та зварюванням мають місце до початку перетворення аустеніту.

3.2. Зміна структури в ЗТВ при зварюванні маловуглецевої сталі

Вмаловуглецевій сталі ЗТВ, подібно до основного металу, має феритоперлітну структуру, але формою та розмірами зерен значно від нього відрізняється. По характеру структури можна виділити три характерних ділянки

взоні термічного впливу: неповної перекристалізації, нормалізації та перегріву. Ділянка неповної перекристалізації – це частина ЗТВ, в якій максимальні

температури нагріву відповідають інтервалу АС1-АС3. Після наступного охолодження одержується неоднорідна ферито-перлітна структура, яка складається з відносно великих зерен фериту, що не пройшли перекристалізацію, та розміщених навколо них ділянок дрібних зерен фериту і перліту, що утворилися з аустеніту.

Внаслідок значної різнозернистості ділянка неповної перекристалізації має гірші механічні властивості, ніж основний метал.

В ділянці нормалізації при нагріванні одержується дрібнозернистий аустеніт. Після наступної перекристалізації при охолодженні одержується дрібна рівноважна ферито-перлітна структура з високими механічними властивостями. Маленькі температури нагріву цієї ділянки обмежені з одної сторони критичною точкою АС3, а з другої – температурою початку інтенсивного росту зерна аустеніту ТПІР. Температура ТПІР в основному залежить від хімічного складу та способу виплавки сталі, які визначають

18

схильність до росту зерна аустеніту, та від швидкості нагріву. Для вуглецевих сталей при більшості способів зварювання ТПІР=1100-1200°С. Для низьколегованих сталей з сильними карбідоутворюючими елементами вона, як правило, вища.

При нагріванні в інтервалі температур ТПІР-ТПЛ відбувається інтенсивний ріст аустенітних зерен. Продукти розпаду (ферит і перліт), які утворюються при наступному охолоджені, також крупнозернисті. Досить часто, особливо при газовому зварюванні, структура і крупнозерниста, і Відманштеттова. Частина ЗТВ, яка прилягає до зварного шва і має крупнозернисту структуру, називається ділянкою перегріву. Тут самі низькі механічні властивості, особливо ударна в'язкість.

3.3 Особливості зміни структури в ЗТВ при зварюванні сталей, що загартовуються

При зварюванні сталей з більшим вмістом вуглецю або легованих, зміна мікроструктури під дією термічного циклу значно істотніше. В цьому випадку в ЗТВ часто утворюються структури гартування: сорбіт, тростит, бейніт, мартенсит, зокрема найбільше мартенситу зустрічається в ділянці перегріву. Це пояснюється тим, що із збільшенням розміру зерен аустеніту та зростанням їх гомогенності (однорідності) підвищується стабільність структури, а значить і схильність до гартування. Як правило, для цієї ділянки ЗТВ критична швидкість гартування VКР менша, ніж при звичайній термообробці, але для сталей із сильними карбідоутворюючими елементами вона може бути і вищою. Для ділянок нормалізації та неповної перекристалізації VКР звичайно вища, ніж при термообробці, що сприяє утворенню більш рівноважних структур. При зварюванні сталей, що можуть загартовуватись, в ЗТВ помітно зростає твердість та знижуються пластичні властивості і дуже часто утворюються "холодні" тріщини.

Розміри ЗТВ залежать від багатьох факторів, але в основному визначаються способом та режимом зварювання, зокрема погонною енергією. Вони можуть змінюватися від долей мм при електронно-променевому зварюванні до декількох сантиметрів при електрошлаковому та газовому зварюванні.

Слід відмітити, що різких границь між окремими ділянками ЗТВ не існує, спостерігається плавний поступовий перехід від однієї структури до іншої.

4 ЗМІСТ ТА ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

4.1.На мікрошліфах зварних з'єднань визначити лінійні розміри.

4.2.Дослідити будову ЗТВ зварних з'єднань з маловуглецевої сталі.

4.3.Дослідити будову ЗТВ зварних з'єднань сталей, що загартовуються.

4.4.Визначити твердість різних ділянок ЗТВ.

4.5.Проаналізувати вплив способів та режимів зварювання на розміри мікроструктур та твердість ЗТВ.

19

4.6. Проаналізувати вплив хімічного складу сталей на будову та властивості ЗТВ.

5 КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ ДО РОБОТИ

5.1.Що собою являє зона термічного впливу в зварних з'єднаннях сталей?

5.2.Особливості термічних циклів зварювання.

5.3.Охарактеризуйте будову ЗТВ у зварних з'єднаннях маловуглецевої сталі.

5.4.Розкажіть про зміну структури та механічних властивостей в ділянці неповної перекристалізації у зварних з'єднаннях з маловуглецевої сталі.

5.5.Розкажіть про зміну структури та механічних властивостей в ділянці нормалізації у зварних з'єднаннях з маловуглецевої сталі.

5.6.Розкажіть про зміну структури та механічних властивостей в ділянці перегріву у зварних з'єднаннях з маловуглецевої сталі.

5.7.Особливості будови ЗТВ у зварних з'єднаннях, що загартовуються при зварюванні.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6

ТЕМА: "Дослідження мікроструктури зварних з’єднань після термічної

обробки"

1.МЕТА РОБОТИ

1.4.Дослідити вплив різних видів термічної обробки на зміну мікроструктури зварних швів.

1.5.Дослідити вплив різних видів термічної обробки на зміну мікроструктури в ЗТВ зварних з'єднань.

1.6.Дослідити особливості мікроструктури зварних з'єднань при багатошаровому зварюванні.

2 ПРИЛАДИ ТА ОБЛАДНАННЯ

2.5.Мікроскоп металографічний МИМ-10;

2.6.Твердомір;

2.7.Мікротвердомір;

2.8.Набір мікрошліфів.

3. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ДО РОБОТИ 3.1. Особливості термічної обробки зварних з'єднань

Структура зварних з'єднань інколи не задовольняє вимогам, які до неї ставляться. В першу чергу це відноситься до ділянки перегріву ЗТВ, де структура крупнозерниста і часто Відманштеттова в маловуглецевих сталях, а в середньовуглецевих та легованих сталях до того ж саме тут найчастіше

20