ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

 

Донской государственный технический университет

 

Кафедра “Машины и автоматизация сварочного производства”

 

 

ОЦЕНКА СКЛОННОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
К ГОРЯЧИМ ТРЕЩИНАМ

 

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Материалы и их поведение при сварке»

 

Ростов-на-Дону

2006г.

 

 

 

 

Составители:    проф.,к.т.н.      Моисеенко В.П.,

доц.,к.т.н.         Кошкарев Б.Т.

 

 

Методические указания содержат сведения о причинах образования и расчетно-статистических методах оценки склонности сварных соединений к горячим трещинам. Такие методы используются в качестве экспресс-оценок при выборе основных и сварочных материалов, сравнении различных вариантов проектируемых технологий сварки (способ сварки, параметры режимов, типы и толщины соединений, необходимость подогрева при сварке и т.д.). При этом удается учесть функциональное назначение, механические характеристики и структурный класс стали.

Предназначены для слушателей специальности 15.02.02.

 

1. Цель работы

 

Привитие навыков расчетно-статистических методов оценки склонности сварных швов к образованию горячих трещин из сталей и сплавов разной степени легирования и эффективности использования металлургических и технологических способов повышения стойкости сварных швов против горячих трещин.

 

2.Общие положения

 

Межкристаллитное разрушение металла швов и прилегающих к ним участков околошовной зоны при высоких температурах является причиной образования трещин непосредственно в процессе сварки. Их принято называть горячими (ГТ) и они являются недопустимыми дефектами сварных соединений.

Как известно [1,2], ГТ разделяются на кристаллизационные (возникающие при одновременном существовании жидкой и твердой фаз в интервале температур кристаллизации) и подсолидусные (полигонизационные), связанные с образованием новых границ между затвердевшими субзернами в участках, прилегающих к линии сплавления. Оба вида трещин характеризуют фактическую способность шва и околошовной зоны сопротивляться высокотемпературной упруго-пластической деформации в процессе кристаллизации, т.е. технологическую прочность металла в процессе сварки [4].

Схематично механизм образования ГТ может быть представлен следующим образом.

Деформационная способность (пластичность d) металла шва формируется в процессе охлаждения от температур плавления и перехода его от жидкого к твердому состоянию. Характер ее изменения иллюстрируется схемой на рис.1[1]. Из нее видно, что наименьшая деформационная способность (минимальная пластичность d_min) наблюдается при образовании каркаса кристаллитов с нахождением внутри него небольшого количества жидкой легкоплавкой фазы (как правило, эвтектики) в виде тонких пленок, разъединяющие группы кристаллитов. Такое состояние (твердо-жидкое) соответствует части интервала кристаллизации, ограниченного справа температурой возникновения каркаса кристаллитов, а слева - температурой солидуса Т_с или весьма близкой к ней Т=Т_с-100^оС. Этот температурный промежуток назван температурным интервалом хрупкости (ТИХ) [4]. Чем он больше, тем больше вероятность образования ГТ. Величина ТИХ, значение d_min в первую очередь, определяются химическим составом кристаллизующегося металла, степенью его легирования, наличием примесей и легкоплавких эвтектик, объемом жидкой компоненты, размерами и направлением «стыковки» формирующихся кристаллитов. Все эти факторы, по существу, определяют способность твердо-жидкого металла сопротивляться упруго-пластическим деформациям, монотонно возрастающим по мере понижения температуры сварочной ванны. Суммарная величина этих деформаций складывается из свободной усадки металла шва e_л=aТ заданного химического состава и деформации формоизменения е_ф, определяющейся жесткостью соединяемых элементов и тепловым режимом q_п сварки: е = е_л+е_ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Схема изменения пластичности и образования горячих трещин

 

Показанные на рис.1 наклонными линиями различные темпы деформации de/dT, пропорциональные суммарной деформации (е₁,е_2, или е₃),определяют либо исчерпание пластичности кристаллизующегося металла в ТИХ (е_1,е₂) и образование ГТ, либо еще имеющуюся возможность сопротивления разрушению, если уровень деформации (е₃) к концу ТИХ не превышает уровня минимальной пластичности d_min, т.е, когда имеется определенный запас пластичности П=d_min-е₃>0.

На такой схеме механизма образования ГТ созданы и реализованы методики и оборудование для экспериментальной оценки склонности сварных соединений к ГТ путем их принудительного машинного деформирования до критического уровня деформации (линия е₂ на рис.1), и разработаны технологические пробы, позволяющие качественно оценить склонность к ГТ по различным критериям, учитывающим  жесткость свариваемых элементов (толщина ,тип соединения), состав металла шва и тепловой режим сварки [8].

Накопленный опыт позволил на основе регрессионного анализа экспериментального материала создать расчетно-статистические методы оценки склонности сварных швов и соединений к ГТ [4]. В качестве критериев (показателей) используются численные значения решений параметрических уравнений, в основном связывающих химический состав шва с тем или иным показателем  склонности к ГТ. Некоторые из них приведены в табл.1. Несмотря на определенную условность такие методы достаточно широко используются как при проектировании сварных соединений, так и при разработке технологии их изготовления. Чаще всего они применяются в качестве экспресс-методов, так как позволяют существенно сократить время оценки склонности к ГТ, используя информацию (в том числе и базу данных) об основных и сварочных материалах, толщинах и типах соединений,способах и режимах сварки  сварного узла из стали [2,3], выполненных заданными марками или типами электродов [5,6].

Обучению и приобретению практических навыков такой оценки склонности к ГТ предназначается данная работа.

 

3.Рабочее задание

 

Оценить и сравнить склонность к образованию горячих трещин сварных швов, выполненных ручной дуговой сваркой, согласно заданным преподавателем условиям и вариантам, представленным в Приложении.

 

4. Ход работы

 

Выполнение этапов работы предполагает  обязательное использование слушателями нормативно-технической документации (ГОСТы, ОСТы, справочники, каталоги и т.п.), специальной литературы и лекционного курса.

4.1. Этапы выполнения работы

4.1.1.Определение марки стали (или сплава) по стандарту, ее химического состава и механических характеристик.

4.1.2.Эскизное оформление конструктивных элементов соединения согласно заданному типу соединения.

Таблица 1

Показатели склонности к горячим трещинам

 

4.1.3.Выбор марки или типа электродов, определение химического состава наплавленного металла и его механических характеристик.

4.1.4.Выбор и расчет параметров режима сварки (d_э,I_св,.U_д,V_св) в соответствии с типом (маркой) электрода.При этом значение U_д рассчитывается по формуле: U_д=20+0,04I_св, а скорость перемещения дуги (скорость сварки) выбирается из интервала .V_св=6,0-12,0 м/ч.

4.1.5.Расчет площади наплавки.

,

где a_н-коэффициент наплавки, г/А-ч; I_св-сварочный ток, А; V_св- скорость сварки,м /ч; g-плотность металла,г/см³ 

4.1.6. Расчет площади проплавления

,

где q_и-эффективная тепловая мощность дуги, кал/с;

                        q_и=0,24 I_св U_д h_и.

Значение эффективного к.п.д для ручной дуговой сварки выбирается из интервала h_и=0,7-0,85; h_t- термический коэффициент полезного действия, определяемый по формулам:

- для сварки встык со сквозным проплавлением

h_t=ехр[ -5,9494/exp(e₂)-1,6737/e₂-710,14×10^-3];

- для наплавки валика на поверхность в зависимости от значений относительной глубины проплавления Н/В: при Н/В=0,1  h_t=1/(-69,326×10^-3×lne₃+21,187/e₃+2,7841),

при Н/В=0,2

h_t=1/(-42,132×10^-3lne₃+24,539/e₃+2,6754);

e_2, e₃ – безразмерные критерии, определяемые по формулам:e₂₌,   e₃=,

где а-коэффициент температуропроводности стали или сплава: а=. Значения “а” выбирается по табл2.

S¢- теплосодержание единицы объема расплавленного металла, кал/см³. Значение S^’для низкоуглеродистых и низколегированных сталей принимается равным-2500, а для высоколегированных сталей – 2300кал/см³.                                              7                     

Таблица2

Значения теплофизических характеристик материалов

 

 

4.1.7. Расчет доли участия основного и электродного металлов в шве:   g0 =.

4.1.8. Расчет химического состава металла шва

[Ле]=g₀[Ле]_о.м+(1-g₀)[Ле]_э.м ,

где Ле- наименование легирующего элемента.

4.1.9 Расчет хромоникелевого эквивалента (для высоколегированных сталей или сплавов).

Cr_э=Cr+1,37Mo+1,5Si+2Nb+3,0Ti;

Ni_э=Ni+0,31Mn+22,0C+14,2N+Cu.

4.1.10 Выбор показателя склонности к ГТ по соответствующему химическому составу шва или отношению Cr_э/Ni_э и расчет его численного значения.

4.1.1.Сравнение расчетного и критериального (табличного) значений показателей и формулирование выводов о склонности сварного соединения к ГТ.

       

5. Рекомендуемая литература

 

1. Петров Г.Л.,Тумарев А.С. Теория сварочных процессов-.М .:Высшая школа,1967.-505с.

2. Марочник сталей и сплавов/Под ред.В.Г.Сорокина -М.: Машиностроение,1989.-639с.

3. Журавлев В.Н.,Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник-.М.:Машиностроение,1981.-389с.

4. Сварка и свариваемые материалы. Справочник    в3томах /Под ред. А.Н.Волченко. Том 1.- М.: Металлургия,1991.-525с.

5. Электроды для сварки и наплавки.- Киев.: Наукова думка,1967.-440с.

6. Сварочные материалы для дуговой сварки. Справочное пособие в 2т./Под ред. Н.Н.Потапова. Том 2.- М.:Машиностроение,1993.-766с.

7. Моисеенко В.П., Щекин В.А. Методические указания по расчету и выбору параметров режима ручной дуговой сварки. - Ростов-на-Дону, РИСХМ ,1981.-26с.

8. ГОСТ 26389-84. Соединения сварные. Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением.

Приложение

Задания по выполнению работы