Экспериментальное определение

Термического цикла сварки

Цель работы

Ознакомление с методикой экспериментального построения графика термического цикла сварки

 

Теоретическое введение

В нагретых теплотой сварочной дуги зонах основного металла, прилегающих ко шву, происходят фазовые и структурные изменения – рекристаллизация, рост зерна, аустенизация, превращения аустенита при охлаждении (ферритное, перлитное, бейнитное, мартенситное), отпуск закалочных структур. Для управления этими процессами необходима информация об изменении температуры во времени в заданной точке сварного соединения (термическом цикле сварки).

При установившемся температурном поле термические циклы точек, расположенные на одинаковом расстоянии от траектории источника, одинаковы, но смещены во времени (рис.7.1а). Термические циклы точек, расположенных на разных расстояниях от оси шва, различаются между собой. В более дальних точках максимум температуры меньше и достигается он позже, а скорости нагрева и охлаждения меньше по абсолютной величине (рис. 7.1б).

 

Рис. 7.1. Термические циклы точек сварного соединения

По графику термического цикла, полученному расчетным путем или экспериментально, легко можно определить следующие важные параметры, необходимые для анализа фазовых и структурных превращений в зоне термического влияния (рис. 7.2):

 

 

 

Рис. 7.2. Параметры термического цикла

1.Максимальная температура в точке Tmax.

2. Время пребывания t₁ при заданной температуре T₁<Tmax.

3.Скорость нагрева w_н и охлаждения w_охл в заданном температурном интервале Т₁ – Т₂.

 

w_н = (Т₁ - Т₂)/t_н; w_охл = (Т₂ - Т₁)/t_охл . (7.1)

Аналитическое решение задачи построения графика термического цикла и расчета его параметров сопряжено с определенными вычислительными трудностями и отличается большой неточностью, вызванной приближенным характером расчетных формул. Экспериментальное построение графика термического цикла легко осуществляется путем записи сигнала термопары, помещенной в исследуемую точку.

 

Оборудование и материалы

1. Сварочный трактор.

2. Выпрямитель сварочный.

3. Угольный электрод.

4. Лист из стали Ст.3 с размерами 3´ 200´ 300 мм.

5. Хромель-алюмелевая термопара.

6. Тензоусилитель ТОПАЗ 4-01 с источником питания «Агат».

7. Самописец Н-338-4.

8. Муфельная печь.

Порядок проведения работы

1.Ознакомиться с устройством сварочного трактора и выпрямителя. Изучить порядок работы с ними. Смонтировать на тракторе угольный электрод и провести опытную сварку неплавящимся электродом.

2. Собрать схему экспериментальной установки в соответствии с блок-схемой на рис. 7.3. Ознакомиться с порядком работы на ней.

 

Рис. 7.3. Блок-схема экспериментальной установки

3. Построить график тарировки измерительного тракта. Для этого поочередно записать термические циклы кристаллизации алюминия (Т_пл = 660^оС), цинка (Т_пл = 419^оС) и серы (Т_пл = 119^оС), расплавленных в фарфоровых тиглях в муфельной печи. В момент кристаллизации за счет выделения скрытой теплоты кристаллизации на кривой термического цикла появляется характерная площадка, ордината которой соответствует температуре плавления. На тарировочном графике построить точки, абсциссы которых соответствуют ординате площадки кривой термического цикла в мм, а ординаты – температуре плавления. Полученные точки соединить ломаной линией, которая близка по форме к прямой и допускает определенную экстраполяцию.

4. Приварить конденсаторной сваркой спай термопары «хромель–алюмель» с обратной стороны свариваемого листа согласно рис. 7.4.

 

 

Рис. 7.4. Схема приварки термопары

5. Вблизи края листа возбудить дугу на угольном электроде и включить привод перемещения сварочного автомата (ток дуги – 150 А, напряжение на дуге – 25 В, скорость сварки – 0,5 см/с). За 2-3 см до прохождения дуги проекции термопары на ось шва включить привод протяжки ленты самописца и записать кривую термического цикла.

6. После полного остывания листа увеличить скорость сварки до 1 см/с и повторить опыт по п.3−5.

7. С использованием тарировочного графика построить обе кривые термического цикла на миллиметровой бумаге.

8. Определить параметры термического цикла в интервале температур 800–500 ^оС. Сравнить полученные данные.

 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Блок-схема установки.

3. Краткая методика проведения.

4. Тарировочный график.

5. Кривые термического цикла.

6. Результаты расчета параметров термического цикла.

7. Выводы.

 

Лабораторная работа № 8

8. Изучение причин образования пор при сварке

Цель работы

Получение экспериментальных данных о влиянии некоторых технологических факторов на образование пор при сварке.

Теоретическое введение

К дефектам сварных швов, влияющих на работоспособность сварного соединения, помимо трещин, относятся также и поры. Их возникновение определяется металлургическими процессами взаимодействия жидкого металла с окружающей средой и процессами кристаллизации при сварке.

Поры в сварных швах образуются, если в период кристаллизации сварочной ванны происходит интенсивное газовыделение, газовые пузырьки не успевают удалиться из затвердевающего металла. Газовыделение может быть обусловлено либо химическими реакциями, продуктами которых являются газы, нерастворимые в металле (главным образом окись углерода СО), либо снижением растворимости водорода, азота и кислорода в кристаллизующемся металле шва по мере приближения к температуре ликвидуса. Особенно резко снижается растворимость при переходе металла шва из жидкого состояния в твердое.

Поры, вызванные выделением азота, возникают при недостаточной защите сварочной ванны и капель электродного металла от взаимодействия с воздухом. Для защиты от азота воздуха эффективны сварка в среде защитных газов (инертных и СО₂), а также шлаковая защита при сварке под флюсом и покрытыми электродами.

Водород попадает в сварочную ванну при наличии влаги, углеводородных загрязнений и ржавчины в сварочных материалах, на свариваемых кромках, а также из атмосферы. При этом молекулярный водород диссоциирует в столбе дуги на атомарный и растворяется в жидком металле ванны. При кристаллизации растворимость водорода резко падает и его избыток выделяется в виде пузырьков, которые не всегда успевают полностью удаляться из металла.

Основными мерами борьбы с водородной пористостью являются зачистка свариваемых кромок и сварочной проволоки от ржавчины и углеводородных загрязнений, прокалка сварочных материалов (флюса и электродов) с целью удаления влаги и осушение защитных газов. Для связывания водорода в нерастворимые в металле соединения во флюсы и электродные покрытия добавляется плавиковый шпат или флюорит CaF₂, при этом имеет место реакция

 

CaF₂ + H₂O ↔ CaO + 2HF. (8.1)

При сварке в среде СО₂ водород поглощается по реакции

СО₂ + Н₂ ↔ Н₂О + СО. (8.2)

Поры, вызванные окисью углерода, образуются при сварке в инертных газах при наличии в основном металле закиси железа и растворенного кислорода (кипящие и полуспокойные стали). Источником кислорода при сварке в среде углекислого газа являются также продукты диссоциации защитного газа. При недостатке в металле ванны раскислителей образование СО происходит по реакциям

[C] + [O] ↔ CO;

[FeO] + [C] ↔ [Fe] + CO; (8.3)

[Fe₃C] + [FeO] ↔ 4[Fe] + CO.

 

Введение раскислителей (кремний и марганец в проволоке Св-08Г2С) подавляет реакции образования СО за счет связывания кислорода в нерастворимые в металле окислы

[FeO] + [Mn] ↔ [Fe] + (MnO);

(8.4)

2[FeO] + [Si] ↔ 2[Fe] + [SiO₂].

Технологические способы борьбы с порами предусматривают применение режимов сварки, замедляющих охлаждение металла и снижающих скорость кристаллизации. Использование максимально короткой дуги и мелкокапельного и струйного типов переноса снижает время контакта расплавленного электродного металла с окружающей средой и, как следствие, интенсивность поглощения газов.

Оборудование и материалы

1. Пост для сварки в среде углекислого газа ПДГ-502.

2. Заготовки из стали Ст.3 размером 6´ 30´ 80 мм.

3. Флюс АН-348А, баллон с углекислым газом.

4. Проволоки Ø 1,6 мм марок Св - 08ГА и Св- 08Г2С.

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с постом для полуавтоматической сварки в среде СО₂ и настроить режим сварки (ток – 200-220 А, напряжение на дуге – 22-24 В).

2. Выполнить наплавку валиков длиной ≈ 70 мм в соответствии с табл. 8.1.

Таблица 8.1.

Влияние условий сварки на порообразование

№ опыта	Исследуемый фактор	Марка проволоки	Защитная среда	Оценка поритости
Вид защиты	Толщина слоя, мм	Расход газа, м^3/ч
	Качество защиты	Св-08ГА –''– –''– –''–   Св-08Г2С –''–	– Флюс –''– Флюс влажный СО2 –''–	– 5–7 10-12 –''–   – –	– – – –   0,2 0,8
	Химсостав проволоки	Св-08Г2С Св-08ГА	–''– –''–	– –	–''– –''–
	Состояние свариваемых кромок: загрязненные маслом и ржавчиной; зачищенные	Св-08Г2С   –''– –''–	–''–   –''– –''–	–   – -	–''–   –''– –''–

 

3. Оценить по трехбалльной системе (1– пор нет, 2 – мало пор,

3 – много пор) качество валика. Результаты оценки занести в табл.8.1.

4. Сделать выводы о полученных результатах

 

Содержание отчета

1. Цель работы

2. Порядок проведения опытов.

3. Заполненная таблица 10.

4. Выводы о влиянии изученных факторов на интенсивность порообразования.

 

8.6 Контрольные вопросы

1. Укажите причины порообразования при сварке.

2. Укажите механизм образования пор, вызванных азотом, и пути борьбы с ними.

3. Укажите механизм образования пор, вызванных водородом, и пути борьбы с ними.

4. Укажите механизм образования пор, вызванных окисью углерода, и пути борьбы с ними.

Лабораторная работа № 9