Тепловые и металлургические процессы в сварочных технологиях. Часть 1
Покупка
Основная коллекция
Многотомное издание:
Том 1 (2020), Том 2 (2020)
Тематика:
Технология машиностроения
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 261
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN-онлайн: 978-5-16-109226-2
Артикул: 699836.01.99
Доступ онлайн
от 316 ₽
В корзину
В учебном пособии освещены вопросы физической сущности основных способов сварки, основные закономерности формирования структуры и свойств сварных соединений для различных металлов и сплавов, а также вопросы технологической свариваемости металлов и сплавов и режимов сварки для различных сварных конструкций.
Использованы труды ведущих организаций, кафедр и специалистов в области сварки.
Для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 15.03.01 «Машиностроение», изучающих дисциплину «Материалы и их поведение при сварке», для оказания помощи при изучении теоретического материала, подготовке к лабораторным работам, выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.02: Технологические машины и оборудование
- 15.03.04: Автоматизация технологических процессов и производств
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова» В.П. Тимошенко, М.В. Радченко ТЕПЛОВЫЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СВАРОЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ В двух частях Часть 1 Учебное пособие Москва ИНФРА-М 2020
УДК 621.791 ББК 30.61 Т41 Рецензент: А.Н. Смирнов, доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева, директор ООО «Кузбасский центр сварки и контроля» Тимошенко В.П. Т41 Тепловые и металлургические процессы в сварочных технологиях : учебное пособие : в 2 ч. Часть 1 / В.П. Тимошенко, М.В. Радченко. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 261 с. ISBN 978-5-16-501977-7 (общ.) ISBN 978-5-16-109226-2 (ч.1, online) В учебном пособии освещены вопросы физической сущности основных способов сварки, основные закономерности формирования структуры и свойств сварных соединений для различных металлов и сплавов, а также вопросы технологической свариваемости металлов и сплавов и режимов сварки для различных сварных конструкций. Использованы труды ведущих организаций, кафедр и специалистов в области сварки. Для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 15.03.01 «Машиностроение», изучающих дисциплину «Материалы и их поведение при сварке», для оказания помощи при изучении теоретического материала, подготовке к лабораторным работам, выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ. УДК 621.791 ББК 30.61 ISBN 978-5-16-501977-7 (общ.) © Тимошенко В.П., ISBN 978-5-16-109226-2 (ч.1, online) Радченко М.В., 2020 ФЗ № 436-ФЗ Издание не подлежит маркировке в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1
Учебное пособие посвящается 90-летию со дня рождения лауреата Ленинской премии, доктора технических наук, профессора, основателя кафедры сварки на Алтае В. Г. Радченко. Радченко Василий Григорьевич (1926-2012 гг.)
СОДЕРЖАНИЕ 1 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА............................................................... 9 2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ, ПАЯНЫХ И КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ..................................................................... 12 2Л Агрегатные состояния вещества................................... 12 2.2 Виды элементарных связей в твердых телах................ 13 2.3 Искажение кристаллической структуры в сплавах...... 20 2.4 Особенности получения неразъемных соединений..... 23 2.5 Механизм образования монолитных соединений твердых тел............................................................................. 26 2.5.1 Схватывание металла................................................... 26 2.5.2 Установление сил сцепления при сварке в жидкой фазе......................................................................................... 27 2.5.3 Установление сил сцепления при сварке металлов в твердой фазе........................................................................... 27 2.5.4 Сцепление твердых металлов с расплавленными..... 30 2.6 Стадийность процесса сварки........................................ 31 2.7 Термодинамика и баланс энергии процесса сварки. Классификация способов сварки.......................................... 32 2.8 Оценка энергетической эффективности процессов сварки..................................................................................... 35 2.9 Требования к источникам энергии для сварки............. 37 3 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СВАРОЧНАЯ ДУГА. СОСТАВ, СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА.................................................. 39 3.1 Общая характеристика дугового разряда...................... 39 3.2 Зажигание и развитие сварочной дуги.......................... 42 3.3 Составные части дугового разряда. Строение и свойства сварочной дуги............................................................... 44 3.4 Виды сварочных дуг........................................................ 45 3.5 Технологические свойства дуги..................................... 52 3.6 Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги.................................................................................. 54 3.7 Магнитное дутье при сварке.......................................... 57 3.8 Перенос металла в сварочной дуге................................ 60 4
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЕ СТАЛЕЙ... 65 4.1 Основы классификации и принципы обозначения (маркировки) сталей............................................................. 65 4 Л Л Классификация и маркировка легированных сталей 68 4.1.2 Влияние примесей на свойства сталей....................... 69 4.2 Группы материалов, применяемых при изготовлении, монтаже и ремонте технических устройств опасных производственных объектов................................................. 76 5 ОЦЕНКА СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.......................................................................... 80 5.1 Основные характеристики механических свойств сталей и сварных соединений................................................... 80 6 ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И ЕГО ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ СВАРКИ............................................ 85 6.1 Краткие сведения о диаграмме состояния железоуглерод........................................................................................ 85 6.2 Кристаллическое строение металлов................................. 90 6.3 Основные представления о первичной кристаллизации и формировании структуры наплавленного металла шва 96 6.4 Структура и свойства сварных швов углеродистых сталей.......................................................................................... 99 7 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ..................... 105 7.1 Анализ состава газовой фазы в столбе дуги.................. 108 7.1.1 Распад и образование соединений между компонентами газовой смеси................................................................. 109 7.1.2 Насыщение расплавленного металла газами в капле и сварочной ванне................................................................... 111 7.2 Влияние атмосферных газов на свойства стали и сплавов при сварке................................................................. 112 7.2.1 Влияние кислорода на свойства стали........................ 112 7.2.2 Влияние азота на свойства стали................................. 114 7.2.3 Влияние водорода на свойства стали.......................... 115 7.2.4 Влияние С02, СО и паров Н20 на свойства стали...... 116 7.3 Взаимодействие металла с защитными флюсами при сварке......................................................................................... 117 5
7.4 Массообмен между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком...................................................................... 120 7.5 Расплавление электрода и перенос капель в ванну....... 121 7.6 Источники водорода при сварке под флюсом................ 124 7.7 Окисление металла шва флюсом..................................... 125 7.8 Переход вредных примесей из флюса в металл шва..... 126 7.9 Раскисление металла при сварке...................................... 127 7.9.1 Виды раскислительных процессов................................ 127 7.9.2 Легирование наплавленного металла............................ 131 7.10 Рафинирование сварочной ванны и модифицирование металла шва.............................................................................. 132 7.10.1 Влияние серы на структуру и свойства шва............... 133 7.10.2 Десульфатация сварочной ванны................................ 134 7.10.3 Снижение содержания фосфора в металле шва......... 135 7.10.4 Модифицирование металла шва.................................. 136 7.11 Дефекты металлургического происхождения в сварных швах................................................................................... 137 7.11.1 Поры в металле шва..................................................... 137 7.11.2 Шлаковые включения в металле шва......................... 138 7.11.3 Ликвационная неоднородность в металле шва......... 140 8 ОСОБЕННОСТИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ.................... 143 8.1 Шлаковая защита при дуговой сварке под флюсом....... 143 8.1.1 Формирование шлаковой защиты сварочной ванны при дуговой сварке................................................................... 143 8.1.2 Способы изготовления сварочных флюсов.................. 145 8.1.3 Особенности металлургических процессов при дуговой сварке под слоем плавленых и керамических флюсов... 146 8.1.4 Влияние параметров режима сварки на развитие металлургических процессов при сварке под флюсом............. 148 8.1.5 Снижение содержания водорода в металле шва при сварке под флюсом.................................................................. 148 8.1.6 Принципы выбора состава флюсов для сварки сталей и сплавов. Флюсы для сварки низкоуглеродистых сталей... 149 8.1.7 Особенности металлургических процессов при электрошлаковой сварке и переплаве металлов........................... 154 8.2 Дуговая сварка в защитных газах и смесях.................. 156 6
8.2.1 Формирование газовой струйной защиты..................... 157 8.2.2 Металлургические процессы при сварке сталей в струе СОт................................................................................ 158 8.3 Металлургические процессы при сварке в инертных газах и их смесях...................................................................... 159 8.4 Особенности сварки различных сталей и сплавов в инертных газах......................................................................... 160 8.5 Металлургические особенности вакуумной защиты сварочной ванны...................................................................... 163 8.6 Металлургия газопламенной обработки.......................... 165 8.7 Формирование защиты металла при сварке электродами с покрытием и порошковой проволокой.......................... 167 8.7.1 Назначение и основные элементы электродных покрытий................................................................................... 168 8.7.2 Металлургические процессы при сварке электродами с различными покрытиями..................................................... 169 8.7.3 Сравнительные характеристики защитных свойств покрытий................................................................................... 172 8.7.4 Особенности легирования металла шва при сварке электродами с покрытием....................................................... 173 8.7.5 Особенности металлургических процессов при сварке порошковой проволокой.................................................... 174 9 ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕТАЛЛАХ ПРИ СВАРКЕ................................................................................... 177 9.1 Понятие свариваемости материалов............................... 177 9.1.1 Физическая и технологическая свариваемость............ 177 9.1.2 Показатели свариваемости............................................. 178 9.2 Дефекты кристаллической решетки в металлах при сварке......................................................................................... 179 9.2.1 Понятие о дефектах кристаллической решетки........... 179 9.2.2 Распределение дефектов кристаллического строения в металле сварного соединения.............................................. 180 9.3 Фазовые и структурные превращения в металлах при сварке........................................................................................ 181 9.3.1 Особенность превращений в металлах при сварке...... 181 9.3.2 Химическая неоднородность сварных соединений.... 182 7
9.4 Фазовые превращения в металлах в твердом состоянии 183 9.5 Фазовые и структурные превращения в сталях при сварке........................................................................................ 187 9.6 Физические основы формирования сварочных деформаций и напряжений в различных металлах и сплавах....... 189 10 ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ......................... 193 10.1 Типичные дефекты и их классификация....................... 193 10.2 Технологическая прочность материалов при сварке... 194 10.3 Горячие трещины при сварке......................................... 194 10.3.1 Влияние растягивающих напряжений........................ 204 10.3.2 Влияние химического состава металла шва............... 206 10.3.3 Методы снижения образования горячих трещин...... 208 10.3.4 Влияние формы сварочной ванны............................... 209 10.3.5 Горячие трещины в околошовной зоне...................... 213 10.3.6 Трещины повторного нагрева..................................... 214 10.4 Образование холодных трещин...................................... 215 10.4.1 Способы повышения сопротивляемости сварных соединений легированных сталей образованию холодных трещин....................................................................................... 225 10.5 Поры в сварных швах...................................................... 228 10.6 Неметаллические включения в сварных швах.............. 231 10.7 Прочие дефекты сварных соединений........................... 232 11 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ........................................................................ 245 11.1 Виды термической обработки сварных соединений.... 245 11.2 Термическая обработка сталей....................................... 250 ЛИТЕРАТУРА......................................................................... 260 8
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА В настоящее время сварка используется во всех отраслях промышленности и строительства, а удельный вес и объем сварочных работ продолжает возрастать. В современном варианте сваркой называют технологический процесс получения монолитных неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми деталями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, а также совместным действием того и другого. Все существующие способы сварки по энергетическим признакам разделяют на две основные группы: сварку плавлением и сварку давлением. В силу своих технологических возможностей наибольшее распространение получили способы электрической дуговой сварки плавлением. Разработка первых способов дуговой сварки тесно связана с открытием явления электрической дуги, сделанным в 1802 г. русским физиком профессором Санкт-Петербургской Академии наук Василием Владимировичем Петровым (1761-1834 гг.). В своих ранних работах В. В. Петров указывал на возможность применения дугового разряда для расплавления металлов. Однако первое практическое применение электрической дуги с целью сварки металлов принадлежит русскому инженеру Николаю Николаевичу Бенардосу. Сущность метода, разработанного в 1882 г. Н. Н. Бенардо- сом, заключается в следующем. Электрическая дуга возбуждается и горит между угольным электродом и изделием. Формирование сварочной ванны и сварного шва на первом этапе осуществлялось только за счет расплавления основного металла. Впоследствии был использован присадочный пруток, позволяющий до некоторой степени повысить механические свойства сварного соединения. В 1888 г. русский инженер Николай Гаврилович Славянов усовершенствовал процесс сварки, предложенный Н. Н. Бенар- досом, заменив неплавящийся угольный электрод плавящимся 9
металлическим электродом, причем плавящийся электрод является одновременно и присадочным металлом. Эти способы не нашли широкого применения в силу ряда существенных недостатков. Основными недостатками являлись: низкая стабильность горения дуги; отсутствие защиты дугового промежутка металла сварочной ванны и сварного шва от взаимодействия с окружающей средой; попадание продуктов сгорания угольного электрода и вредных газов воздуха (О2, N2) в расплавленный металл, существенно снижающих механические и технологические характеристики сварного соединения в целом. Усовершенствование дуговой сварки развивалось по двум направлениям: изыскание средств защиты и металлургической обработки металла сварочной ванны и автоматизация процесса. Первые шаги в этих направлениях сделаны самими изобретателями. Например, Н. Н. Бенардос впервые предложил применять при сварке защиту сварочной ванны газом и изготовил для этого горелку, положив начало развитию дуговой сварки в защитных газах. Н. Г. Славянов впервые выдвинул идею о необходимости защиты ванны и ее металлургической обработки. В частности, он предложил подбрасывать в сварочную ванну ферросплавы и стекло. Развитие этой идеи на первом этапе привело к созданию покрытия электродов, а впоследствии - способа дуговой сварки под слоем гранулированного флюса. Способы дуговой сварки неплавящимся и плавящимся электродами Н. Н. Бенардосом и Н. Г. Славяновым были запатентованы, кроме России, во Франции, Бельгии, Великобритании, Италии, Германии, Швеции, Норвегии, Дании, Испании, Швейцарии, Соединенных штатах Америки, Австро-Венгрии и в ряде других стран. До настоящего времени в мировой технической литературе часто эти основные виды сварки называют по их имени - способ Бенардоса и способ Славянова. Разработанные в 90-х гг. XIX в. газовая и термитная сварка уже в начале XX в. стали широко применяться и временно обогнали в своем развитии дуговую сварку. Однако в дальнейшем, главным образом в связи с разработкой ряда вопросов металлургии сварки, дуговая сварка стала основным промышленным способом, широко используемым при изготовлении и ремонте 10
металлических конструкций. Этому способствовала и механизация процессов дуговой сварки, особенно разработка автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом и в защитном газе. Разработка новых видов сварки продолжается и по настоящее время. Это электронно-лучевая, лазерная, ультразвуковая, диффузионная сварка, сварка трением и взрывом и др. Сваркой уже соединяют не только металлы, но и многие неметаллические материалы (даже кости скелета при лечении переломов и биологических тканей). Все виды сварки продолжают развиваться и совершенствоваться. Роль сварки в развитии техники очень велика. Она широко применяется в промышленности, строительстве, на транспорте, в сельском хозяйстве, во всех производствах, занятых обработкой металла и изготовлением всевозможных металлических изделий, - от мельчайших деталей, обрабатываемых при помощи микроскопов, до гигантских сварных конструкций, корпусов морских судов, трубопроводов и др. 11
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ СВАРНЫХ, ПАЯНЫХ И КЛЕЕВЫХ СОЕДИНЕНИЙ [1,9, 11] 2Л Агрегатные состояния вещества Всякое вещество при соответствующих температурах и давлениях может находиться в различных агрегатных состояниях и представлять собой твердое, жидкое или газообразное тело. В твердом теле силы внутренних связей атомов настолько велики, что для изменения взаимного их расположения нужно приложить значительные усилия. Жидкости характеризуются сравнительно свободным перемещением частиц - атомов, молекул, однако силы связи между частицами при этом сохраняют значительную величину (силы поверхностного натяжения). Атомы или молекулы газообразного вещества полностью теряют связь между собой и при отсутствии ограничений удаляются друг от друга. В металле, находящемся в твердом состоянии, атомы фиксированы в определенном положении относительно друг друга, и при этом непрерывно колеблются относительно некоторого среднего положения. Величина амплитуды и интенсивность этих колебаний зависят от температуры. При нагревании амплитуда колебаний начинает расти и при некоторых значениях равных Тпл металл переходит в жидкое, а затем и в газообразное состояние. Дальнейшее повышение температуры приводит к нарушению структуры электронных оболочек атомов. В первую очередь от своих ядер отрываются наиболее удаленные и обладающие самой большой энергией валентные электроны, затем последовательно разрушаются все более глубокие оболочки - происходит процесс ионизации. Ионизация коренным образом меняет свойства газов. В обычных условиях они состоят из электрически нейтральных атомов или молекул и поэтому являются изоляторами. При начавшейся ионизации газа в нем появляются частицы, электрически заряженные - свободные электроны и ионы, образующие12
ся из нейтральных частиц вследствие потери или присоединения лишнего электрона. Электропроводность газа зависит от степени его ионизации. При высокой степени ионизации электропроводность газа может приближаться к электропроводности металлов. Явления плавления, испарения, диссоциации и ионизации постоянно наблюдаются в сварочных процессах. При охлаждении восстановление связей происходит в обратной последовательности. 2.2 Виды элементарных связей в твердых телах Известно, что все вещества состоят из различных частиц, между которыми существуют силы взаимодействия, называемые элементарными связями. В твердых телах различают несколько типов связей: ионная, ковалентная, межмолекулярная и в металлах - металлическая, которая является разновидностью ковалентной. Наиболее типичны первые две химические связи - ковалентная и ионная. Межмолекулярные связи действуют между любыми атомами и молекулами, но они очень малы. Поэтому молекулярные кристаллы, обусловленные этими силами, отличаются низкой температурой плавления. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и с огромной скоростью движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Число электронов в атоме равно положительному заряду ядра (поэтому атом электрически нейтрален). Электроны движутся по определенным круговым или эллиптическим орбитам. Чем радиус орбиты больше, тем выше энергетический уровень электрона (рисунок 2.1). Металлические связи. Металлические связи характерны для металлов. Природа металлической связи обусловливает отсутствие в ней направленных сил, поскольку связующей средой для ионов служит равномерно распределенный электронный газ, состоящий из отделившихся внешних электронов. Остающиеся у ионов заполненные или незаполненные оболочки, взаимодей13
ствуя, определяют строгую закономерность расположения атомов - ионов в виде так называемой пространственной кристаллической решетки. Э-й слой Рисунок 2.1 - Схема строения атома Закономерность такого построения определяется тем, какие уровни взаимодействуют и какова их энергия. Характер закономерного расположения атомов определяет вид пространственной кристаллической решетки. Для металлов характерны три типа кристаллических решеток: кубическая гранецентрированная, кубическая объемно-центрированная и гексагональная плотноупакованная (рисунок 2.2). Рисунок 2.2 - Элементарные кристаллические ячейки: а - кубическая объемно-центрированная; б - кубическая гранецентрированная; в - гексагональная плотноупакованная 14
Построение той или иной кристаллической решетки следует рассматривать как закономерное расположение атомов - ионов. Так, для кубических решеток атомы, располагаясь в вершинах на равном расстоянии, образуют как бы фигуру куба (iатомы по углам) с дополнительным атомом в центре или на грани. Для гексагональной характерно расположение в виде шестигранника (рисунок 2.2). Многократное повторение такого элемента построения (элементарной ячейки) создает кристалл того или иного металла (элемента или вещества) рисунок 2.3. Рисунок 2.3 - Пространственное изображение кристаллической структуры металлов Атомы в таких решетках расположены не на произвольно больших расстояниях, а на расстояниях, определяемых равнодействующими сил взаимодействия между положительными зарядами ионов, отрицательными зарядами оставшихся оболочек и взаимодействия положительных зарядов ионов с отрицательно заряженным электронным газом. Расстояние между центрами атомов будет зависеть от закономерности их расположения, т. е. с изменением типа решетки одного и того же вещества расстояние между центрами атомов будет меняться. У многих металлов наблюдается так называемый полиморфизм, т. е. изменение типа кристаллической решетки с изменением температуры (рисунок 2.4). Так, например, у железа имеются две основные полиморфные формы: кубическая объ 15
Доступ онлайн
от 316 ₽
В корзину