2.Образование сварочной ванны и формирование шва при сварке плавлением.

Цель плавления при сварке – осуществить соединение свариваемых деталей.

Теоретически достаточно расплавить свариваемые кромки на глубину нескольких долей мм от плоскости стыка.

Практически из-за дефектов сборки под сварку, а именно:

1. из-за зазора в стыке

2. непрямолинейность стыка

3. превышение кромок соединяемых деталей друг относительно друга, приходится ширину зоны плавления увеличивать до нескольких мм от оси стыка.

Дефекты сборки являются существенным препятствием для применения высоконоицентрированных источников энергии, таких как электронный луч и луч лазера.

Сварочная ванна – область свариваемого материала, нагретая выше температуры солидуса.

Температура сварочной ванны не поддаются пока даже численному расчету. Существующие экспериментальные данные для малоуглеродистых сталей дают диапазон t_cр = 1700-1800⁰С.

Зона проплавления – след в основном металле от перемещения сварочной ванны.

1. сварочная ванная

2. кратер

Н_к – глубина кратера

Н – глубина проплавления

L – длина сварочной ванны

В – ширина сварочной ванны

а – усиление сварочной ванны

Fпр,F_н – площадь проплавления, наплавки.

Н/В – относительная глубина проплавления

μ = F_пр/Н*В – коэффициент полноты шва (обычно μ = 0,6..0,8).

Формирование сварного шва происходит следующим образом: под действием тепловых потоков от анодного (катодного) потока дуги и от окружающих дугу горячих газов основной металл расплавляется и под действием давления дуги оттесняется в заднюю (хвостовую) часть ванны. Это перемещение жидкого металла сварочной ванны имеет гидродинамическую природу и в сварочной ванне всегда существует полуволна жидкого металла. Гребень этой полуволны фиксируется в задней части ванны фронтом кристаллизации. В сварочной ванне потоки жидкого металла из кратора в хвостовую часть способны создать вихри.

При некоторых способах сварки в сварочную ванну поступает и шлак, который увлекается потоками, перемещается в хвостовую часть , и взаимодействует с жидким металлом.

Н аиболее распространенным дефектом формирования сварного шва является подрез – опасный концентратор напряжений. Наличие или отсутствие подреза определяется соотношением между давлением дуги, силами поверхностного натяжения и объемом сварочной ванны. Чем больше силы давления дуги, силами поверхностного натяжения и объемом сварочной ванны. Чем больше силы давления дуги, тем выше скорость отхода жидкого металла и тем больше вязкость жидкого металла, тем меньше величина подреза.

Правильным выбором параметров режима сварки можно добиться смещением гребня полуволны жидкого металла ближе к средней части сварочной ванны и тем самым добиться уменьшением величины подреза.

С ростом скорости сварки подрезы возрастают.

3.Термодеформационные процессы при сварке и наплавке

Переменное поле температур из-за термического расширения тел вызывает переменное поле напряжений. Часть напряжений остаются в свариавемом изделии после выравнивания температур. Основная причина возникновения термических напряжений – наличие пластичности при воздействии высоких температур и зависимость межатомных расстояний в кристаллической решетке от температуры.

В результате действия переменного температурного поля области, расположенные впереди максимума температурной волны, как правило, испытывают напряжения растяжения (более нагретые слои сплава их растягивают), а области, расположенные за максимумом температурной волны, как правило, испытывают напряжения сжатия (им мешают расшириться менее нагретые слои сплава).

Пластическая деформация высоко температурных слоев сплава, снимая часть сжимающих напряжений в области высоких температур, вызывает повышенные растягивающие напряжения при их остывании.

Условия закрепления свариваемого изделия, его конфигурация, наличие фазовых превращений в сплаве свариваемого изделия, режимы сварки, наличие или отсутствие дополнительного подогрева или, напротив, охлаждения существенно влияют на поле напряжений.

Если напряжения, действующие в какой-либо зоне свариваемого материала, превысили предел текучести и не снизились в результате пластической деформации материала этой зоны, и если способность к пластической деформации части материала этой зоны исчерпала, то происходит разрушение материала, то есть возникает трещина.

Если трещина возникла в процессе кристаллизации, то ее называют кристаллизационной или горячей.

Если трещина возникла после завершения кристаллизации, то ее, независимо от температуры ее возникновения, называют холодной.

Горячие трещины всегда проходят по границам зерен! Холодные трещины развиваются как по границам зерен, так и в теле зерна.

Технологическая прочность при сварке – это способность металлического шва воспринимать деформации при сварке без образования ГТ.

Механизм образования горячих трещин

При кристаллизации металл сварочной ванны проходит через несколько состояний:

1. жидкое состояние

2. возникновение первых дендритов, не соприкасающихся друг с другом (жидко-твердое состояние)

3. Сформировался жесткий остав твердой фазы из дендритов, между которыми находится жидкость (твердо-жидкое состояние).

4. твердое состояние

Температурный интервал от температуры формирования жесткого остава дендритов до Т_s называют эффективным интервалом кристаллизации.

Особенности момента формирования жесткого остава твердой фазы

1. Пластичность остава ограничена

2. Прочность еще мала и определяется прочностью границ соприкасающихся дендритов.