Исследование свариваемости металлов и сплавов при различных методах и режимах сварки

Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
Кафедра материаловедения, литейного и сварочного производства
КУРСОВАЯ РАБОТА
«Исследование свариваемости металлов и сплавов при различных
методах и режимах сварки»
по дисциплине: «Теория сварочных процессов»
Вариант индивидуального задания – 14Х2ГНР
Выполнила:
обучающаяся гр. МСП-17
Масалова Д.А.
Проверил:
доцент кафедры МЛСП,
Усольцев А.А.
Новокузнецк
2020 г.
Министерство науки и высшего образования РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный индустриальный университет»
УТВЕРЖДАЮ:
Заведующий кафедрой МЛСП
_____________ проф. Н.А.Козырев
«13» февраля 2020г.
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу по дисциплине
Теория сварочных процессов
Обучающейся Масаловой Дарье Александровне
Группа
МСП-17
Тема курсовой работы «Исследование свариваемости металлов и сплавов при различных методах
и режимах сварки»
Исходные данные для расчета:
Вариант индивидуального задания -14Х2ГНР
Основная литература.
1. Куликов, В.П. Технология сварки плавлением и термической резки: учебник. [Электронный
ресурс] — Электрон.дан. — Минск: Новое знание, 2016. — 463 с. — Режим доступа:
http://e.lanbook.com/book/74037
2. Чернышов, Г.Г. Оборудование и основы технологии сварки металлов плавлением и давлением.
[Электронный ресурс] / Г.Г. Чернышов, Д.М. Шашин. — Электрон.дан. — СПб.: Лань, 2013. —
464 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/12938
3. Ручная дуговая сварка [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Сиб. гос. индустр. ун-т ; Н. А.
Козырев, Р. Е. Крюков, С. Г. Рудаков.- Электронные данные. – Новокузнецк: СибГИУ, 2015. –
Режим доступа: http://library.sibsiu.ru
4. Теория сварочных процессов: методические указания к выполнению курсовой работы
[предназначены для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 22.03.02 Металлургия,
профилю подготовки «Металлургия сварочного производства»] / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост.: Н.
А. Козырев, Усольцев А.А., Р. Е. Крюков, Князев С.В.. – Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2019.
– 28 с.: ил.
Перечень вопросов, подлежащих разработке, представлен в методических указаниях (стр. 6-26).
Срок сдачи готовой курсовой работы: до «31» мая 2020 г.
Руководитель курсовой работы ____________________________________ _____________
Задание к исполнению принял______________________________ «13» февраля 2020 г
Оглавление
Введение .................................................................................................................. 4
1. Характеристика свойств, химического состава и структуры
свариваемого металла .......................................................................................... 5
2. Анализ условий получения равнопрочного соединения ........................ 7
2.1 Определение стойкости металла шва против образования горячих
трещин .................................................................................................................. 7
2.2 Оценка стойкости металла шва и ЗТВ против образования
холодных трещин ............................................................................................... 9
2.3 Оценка стойкости сварного соединения против перехода в хрупкое
состояние ............................................................................................................ 10
2.4 Оценка структуры и свойств металла шва и зоны термического
влияния .............................................................................................................. 11
3. Определение требований, к термическому циклу процесса сварки
исходя из оценки технологической свариваемости ..................................... 20
4. Основные принципы выбора сварочных материалов исходя из
требования удовлетворительной свариваемости стали.............................. 21
4.1. Ручная дуговая сварка ............................................................................. 21
4.2. Автоматическая сварка под флюсом .................................................... 21
4.3. Электрошлаковая сварка ........................................................................ 22
4.4. Механизированная сварка в среде углекислого газа ........................ 22
Выводы .................................................................................................................. 24
Список литературы ............................................................................................ 25
4
Введение
Для создания прочных и долговечных деталей все шире в технике
находят
применение
поверхностных
слоев
различных
деталей.
способов
Такие,
повышения
как
наклеп,
прочности
термическая
и
термоциклическая обработка, диффузионные и гальванические покрытия,
металлизация, напыление, наплавка, поверхностное легирование и др.
Наиболее
прогрессивно
комбинированное
использование
различных
процессов упрочняющей технологии, что позволяет в наиболее полной
степени удовлетворять запросы практики.
Особое место среди процессов упрочнения занимает наплавка, то есть
нанесение посредством сварки плавлением слоя металла на поверхность
изделия. Наплавка занимает важное место в современной технологии
восстановления изношенных деталей и изготовления новых. Применение
наплавки рабочих поверхностей специальными сталями и сплавами
позволяет значительно повысить эксплуатационную надежность узлов и
механизмов, снизить расход дефицитных и дорогостоящихматериалов.
В последние годы повышенный интерес среди способов упрочнения
вызывает плазменная наплавка, которая активно внедряется в различные
отрасли промышленности и в настоящее время выходит на одно из ведущих
мест. Многие ведущие отечественные и зарубежные фирмы активно
занимаются разработкой плазменного наплавочного оборудования, технологических
процессов
наплавки
различными
материалами,
поиском
оптимальных вариантов применения плазменной наплавки в металлургии,
машиностроении и др. отраслях.[1]
Резкое расширение объема и областей применения плазменной
наплавки
за
последние
годы
обусловлено
повышением
упрочненных деталей и их высокой эксплуатационной стойкостью.
качества
5
1 Характеристика свойств, химического состава и
структуры свариваемого металла
Сталь 14Х2ГНР относится к низколегированным сталям, которые в
свою очередь легированы одним или несколькими элементами при
содержании каждого из них≤ 2% и суммарном содержании легирующих
элементов ≤ 5%. При этом содержание углерода не превышает 0,23%.
В таблице 1 представлен хим. состав стали 14Х2ГНР.
Таблица 1 - Химический состав свариваемого материала, %
Сталь
C
Si
Mn
Cr
Ni
As
Cu
В
S
P
14Х2ГН
Р
0,11
0,16
0,17
0,37
0,17
0,37
1,3
1,7
до
0,3
0
до
0,0
8
до
0,0
3
до
0,00
6
до
0,03
5
до
0,03
5
Температура критических точек стали: Ас1 = 7300С, Ас3 = 8250С;[4]
Предел прочности σв ≤ 520МПа;
Перлит является смесью цементита с ферритом, образующимся по
границам зерен феррита. Механические характеристики перлита занимают
среднее положение: предел прочности - 60-80 кг/мм2, относительное
удлинение - 5-20%.Вкрапления и прослойки перлита, обволакивая зерна
феррита, создают как бы жесткую и упругую "сетку" вокруг мягкого и
пластичного феррита. Такое строение стали объясняет ее работу под
нагрузкой и ее пластические свойства.
Влияние легирующих элементов на свойства сварного соединения
можно обобщить в следующие показатели:
1. Легирующие элементы увеличивают закаливаемость стали.
2. Легирующие элементы повышают прочность, ударную вязкость и
понижают пластичность феррита.
3. Легирующие элементы изменяют температуру полиморфного
превращения.
Сталь 14Х2ГНР обладает хорошей свариваемостью. Металл шва по
6
своему химическому составу обычно несколько отличается от основного
(понижено содержание углерода и повышено - марганца и кремния).
Уменьшение содержания углерода может привести к снижению прочности
шва. Чтобы избежать этого, в металл шва вводят дополнительно марганец и
кремний.
Повышению
прочности
способствует
также
ускоренное
охлаждение шва. Поэтому при сварке низкоуглеродистых сталей обеспечить
равнопрочность сварного шва основному металлу легко.[2].
7
2 Анализ условий получения равнопрочного соединения
Так как свариваемость должна оцениваться по совокупности ряда
свойств, то любая методика испытания не может однозначно характеризовать
комплексное понятие свариваемости. Поэтому для оценки свариваемости
применяют ряд испытаний, каждое из которых выявляет ту или иную
сторону явления. Выбор методов испытания должен производиться в
зависимости от назначения конструкции, свойств металла и др. Поэтому
первым видом испытаний свариваемости является определение стойкости
против
образования
горячих
трещин.
Вторым
видом
испытаний
свариваемости является определение стойкости металла околошовной зоны
против образования холодных трещин. Третьей группой испытаний
свариваемости является оценка стойкости основного металла, металла ЗТВ и
шва, а также всего сварного соединения против перехода в хрупкое
состояние. Четвертым видом испытаний свариваемости является проверка
эксплуатационных характеристик металла шва, металла ЗТВ и сварного
соединения в целом.
Для каждой группы испытаний разработан ряд методов, причем выбор
тех или иных из них обуславливается свойствами металла, применяемым
методом сварки, назначением конструкции, условиями работы сварного
соединения и т. д.
В настоящее время существует более 150 методов оценки свариваемости, описанных в литературе. Однако среди многочисленных методов
испытания наибольшее распространение получили лишь некоторые из них.
2.1 Определение стойкости металла шва против образования
горячих трещин
Горячие трещины - это хрупкие межкристаллические разрушения
металла шва и околошовной зоны, возникающие в твердожидком состоянии
в процессе кристаллизации, а также при высоких температурах в твердом
состоянии. По современным представлениям горячие трещины вызываются
действием двух факторов: наличием жидких прослоек между зернами в
процессе кристаллизации и деформациями укорачивания.
8
Согласно теории технологической прочности, разработанной Н.Н.
Прохоровым, сопротивляемость сварного соединения образованию горячих
трещин определяется такими факторами:
а) пластичностью металла в температурном интервале хрупкости;
б) значением (величиной, протяженностью) температурного интервала
хрупкости;
в) темпом температурной деформации сварного соединения.
По мере снижения температуры металл изменяет свое состояние из
жидкого в жидко – твердое, а затем твердо - жидкое и твердое.
Существуют
расчетно-статистические
методы
оценки
стойкости
сплавов к образованию горячих трещин. Склонность низколегированной
стали к образованию горячих трещин, в зависимости от содержания
химических элементов (в процентах) в стали, оценивают с помощью
параметрического уравнения (параметр HCS): (формула 1)
.[4].
(1)
Для стали 14Х2ГНР параметр HCS составляет:
HCS =
0,13∗(0,02+0,02+ 0,27
+0,01∗0,2)∗103
25
3∗0,27+1,5
=2,12, для сталей с пределом
прочности σв ≤ 510МПа с параметром HCS< 4 вероятность образования
горячих трещин не велика.
Расчетно-статистический метод оценки стойкости стали против
образования горячих трещин является косвенным, так как он основан на
использовании параметрических уравнений, составленных с помощью
регрессионного анализа.
Второй недостаток этого метода – невозможность учета аномалий по
примесям, не входящим в параметрические уравнения, а также аномалий по
технологическим параметрам сварки, выходящим за исследованные пределы.
Рассчитываем сталь на критическую скорость деформации:
Vкр= 19 – 42 ∙ С – 411 ∙ S – 3,3 ∙ Si + 5,6 ∙ Mn, [мм/мин]
(2)
Vкр = 19 – 42 ∙ 0,13% - 411 ∙ 0,02% - 3,3 ∙ 0,27%+5,6 ∙ 0,27% = 6,01
мм/мин
9
Для низколегированных сталей, если Vкр ≥ 6,0, то сталь стойкая к
горячим трещинам, если Vкр< 1,8 – склонная к горячим трещинам.
Таким образом, Сталь 14Х2ГНР - устойчива к горячим трещинам и не
склонна к образованию.
2.2 Оценка стойкости металла шва и ЗТВ против образования
холодных трещин
Обычно холодные трещины (ХТ) образуются в металле с недостаточно
высокой
деформационной
способностью,
особенно
границ
зерен,
вызываемой закалкой и пластической деформацией при неравномерном
охлаждении
и
фазовых
превращениях.
Наиболее
характерными
температурами возникновения ХТ при сварке закаливающихся сталей
являются температуры, при которых уже произошел распад основной части
аустенита, но может продолжаться распад остаточного аустенита. Обычно
такими температурами являются 1200С и более низкие. В закаливающихся
сталях образование ряда ХТ связано как с получением структур с низкими
пластическими
свойствами
металла,
так
и
с
влиянием
водорода,
растворяющегося при сварке в жидком металле и затем поступающего и в
околошовную зону.[5].
Склонность сварного соединения к образованию холодных трещин
оценивают эквивалентным содержанием углерода в детали, по 3 стандартам:
1) Британской исследовательской академией сварки (BWRA), 1964 г.(формула 3)
Сэкв. = С + Mn / 20 + (Cr + V + Mo) / 10 + Ni / 15. (3)
Сэкв.= 0,11+0,17 /20+ 1,3/10+0,1/15=0,25%
2) Международным институтом сварки (МНС), 1967 г. (Европейский
стандарт). Рекомендации по сварке металлических материалов (EN
1011-2:2001), (формула 4)
Сэкв= С + Mn / 6 + (Cr + V + Mo) / 5 + (Ni +Cu) / 15 + Si/24.
Сэкв = 0,11 + 0,17 / 6 + 1,3 / 5 + 0,11 / 15+0,17/24 = 0,34%.
3) по ГОСТ 27772-88: (формула 5)
(4)
10
Сэкв = С + Mn / 6 + Cr/5 + V/14 + Mo / 4 + Ni/40 +Cu / 13 + Si/24+P/2
(5)
Сэкв = 0,11 + 0,17/ 6 + 1,3/5 + 0/14 + 0/4 + 0,1/40 +0,01 / 13 + 0,17/24+0,01/2
=0,34%
Сталь 14Х2ГНР– относится к1-ой группе сталей (Сэкв< 0,35 %) - сталь
не склонна к образованию холодных трещин при сварке и не требует
подогрева.
2.3 Оценка стойкости сварного соединения против перехода в
хрупкое состояние
Разрушение металлов может быть вязким (пластичным) или хрупким.
В обоих случаях разрушения происходят в основном по телу зерна. Процесс
вязкого разрушения связан с большими пластическими деформациями и
обычно под действием внешних нагрузок происходит относительно
медленно. Хрупкое разрушение происходит обычно по граням кубической
решетки путем отрыва, причем скорость распространения хрупкой трещины
настолько велика, что на нее не успевают влиять внешние силы. Поэтому
полагают, что энергия, необходимая для образования новой поверхности
трещины,
определяется
накопленной
в
металле
упругой
энергией.
Возможность возникновения хрупкого разрушения без особых внешних
нагрузок делает этот вид разрушения чрезвычайно опасным для монолитных
сварных конструкций. Поэтому переход металла в такое состояние, при
котором может происходить хрупкое разрушение, недопустим.
1)Процесс хрупкого разрушения может включать три этапа:
2)Возникновение трещины
3)Медленное ее развитие
4)Лавинообразное распространение разрушения
В зависимости от материала, геометрии изделия и условий нагружения
продолжительность стадии медленного развития может быть различной:
либо совсем отсутствовать, либо быть весьма длительной. В последнем
случае отдельные конструкции допускают к эксплуатации с трещиной или
11
трещиноподобным дефектом при условии контроля над их медленным
развитием и своевременного предупреждения лавинообразного разрушения.
Существуют способы оценки склонности металла к возникновению хрупкого
разрушения и его сопротивления распространению хрупкой трещины.
Наиболее распространенным способом оценки склонности к хрупкому
разрушению являются испытания серии образцов Шарпи с V–образным
надрезом на ударный изгиб при различных температурах. Критерии оценки –
критическая температура перехода от вязкого к хрупкому разрушению Ткр
или порог хладноломкости. Чем выше Ткр, тем больше склонность металла к
хрупкому разрушению. Значение Ткр используют для сравнительной оценки
материалов, отличающихся составом и структурой.
В сварных соединениях низкоуглеродистых сталей наиболее склонны
к хрупкому разрушению участки ЗТВ, нагреваемые до 200-500 С. Их
охрупчивание связано с деформационным старением.
Снижение
степени
охрупчивания
металла
сварных
соединений
достигается технологическими и металлургическими способами.
Для
низкоуглеродистых сталей это ограничение погонной энергии или высокий
отпуск сварных соединений.
2.4
Оценка структуры и свойств металла шва и зоны
термического влияния
Зона термического влияния при сварке низкоуглеродистых сталей
может быть охарактеризована в связи с диаграммой состояния Fe–C
кинетическими зависимостями распада аустенита. Рассмотрим структуру и
свойства каждого из участков зоны термического влияния.
Участок
неполного расплавления – тонкая переходная полоска от
металла шва к основному металлу. Максимальные температуры нагрева – от
температуры плавления металла до температуры солидус. Следовательно,
здесь есть и жидкая и твердая фазы, облегчающие развитие крупного зерна.
На данном участке происходит непосредственное сращивание кристаллов
металла шва с зерном основного металла, поэтому он зачастую определяет
12
качество сварного соединения. Состав и структура металла в этой зоне
зависят также от диффузии элементов, которая может проходить как из
основного не расплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот.
Участок перегрева нагревается от температуры 11300С – «порога роста
аустенитного зерна» до температуры солидуса. В этих условиях зерно
успевает
сильно
вырасти,
а
последующая
перекристаллизация
при
охлаждении не дает его заметного измельчения. Поэтому металл участка
перегрева имеет крупнозернистое строение. Участок перегрева отличается
ухудшенными механическими свойствами (прочностью, пластичностью).
Поэтому чем он меньше, тем выше качество сварного соединения. Участок
нормализации находится в тех областях металла, которые нагреваются до
максимальных температур, отвечающих точке Ас3 и 11300С. Так как
длительность пребывания металла при этих температурах невелика, зерно
аустенита заметно вырасти, не успевает. Последующая перекристаллизация
при охлаждении металла приводит к получению мелкой равновесной
структуры. Металл этого участка имеет самые высокие механические
свойства. Участок неполной перекристаллизации наблюдается в области
нагрева металла до максимальных температур между точками Ас1 и Ас3.
Конечная структура металла на этом участке состоит из крупных зерен
феррита, не прошедших перекристаллизацию, и расположенных вокруг них
колоний мелких зерен феррита и перлита, образовавшихся в результате
перекристаллизации. Механические свойства этого участка хуже, чем
свойства участка нормализации. Участок рекристаллизации наблюдается при
сварке металла, подвергнутого холодной обработке давлением. Здесь
протекает рекристаллизация зерен феррита, т. е. рост этих зерен из их
раздробленных частей, полученных при пластической деформации металла.
Такой рост возможен за счет перехода атомов железа из решетки одного
зерна в соседнюю, обладающую меньшей свободной энергией. Пластическая
деформация металла сопровождается значительным упрочнением за счет
сдвига и поворота образовавшихся обломков кристаллов, а протекающая в
таком металле рекристаллизация возвращает ему прежние механические
свойства. Структуру участка рекристаллизации составляют равноосные зерна
13
феррита и перлита. Если свариваемая сталь не подвергается пластической
деформации, то на участке рекристаллизации никаких структурных
изменений
не
произойдет.
Участок
синеломкости
характеризуется
снижением пластических свойств без видимых изменений структуры.
Явление синеломкости объясняют выделением из твердого раствора α – Fe
субмикроскопических частиц различных примесей, располагающихся по
границам зерен. Резких границ между участками зоны термического влияния
нет, наблюдается плавный переход одной структуры в другую. После ЗТВ
следует структура, присущая основной структуре металла.
Если знать максимальные температуры нагрева отдельных точек зоны
термического влияния и скорость их охлаждения, то, пользуясь диаграммой
Fe – C, можно определить, какие изменения структуры возможны на участках
ЗТВ, и даже примерно установить линейные размеры этих участков.
Для расчета максимальных температур воспользуемся режимом
автоматической сваркой под флюсом по таблице 2. [2]
Таблица 2 – Режимы сварки под флюсом
Толщина
металла,
мм
Подготовка
кромок
Тип шва и
способ сварки
Диаметр
электродной
проволоки, мм
Сила
тока,
А
Напряжение
дуги, В
Скорость
сварки, м/ч
Без
разделки,
зазор 2 -4 мм
односторонний
4
550 600
26 - 30
48 - 50
8
Средние значения теплофизических характеристик низколегированной
стали приведены в таблице 3.
14
Таблица 3 – Рекомендуемые значения теплофизических характеристик
Материал
Средняя температура, 0С
λ
сγ
а
Дж/ см∙с∙0С
Дж/см3∙0С
см2/с
4,76
0,070-0,079
Низколегированная сталь
500
0,33-0,37
Диапазон точек по оси OY: 0,4 ÷ 4см, режим сварки и значения
теплофизических величин берем по таблицам 2 и 3 соответственно.
Охлаждение производится при Т0 = 200С. Значения максимальных
температур показаны в таблице 4.
15
Таблица 4 – Значения максимальных температур для точек ЗТВ при Т0 = 200С
у, см
Тmax, 0С
0,4
1751
0,6
1170
0,8
878
1
702
1,2
584
1,4
499
1,6
434
1,8
383
2
342
2,2
318
2,4
291
2,8
269
3
250
3,2
233
3,4
218
3,6
205
3,8
194
4
175
16
Рисунок 1 - Графический метод определения зоны термического
влияния
По нескольким значениям « y » (0,4-2,6см) находят максимальные
температуры
нагрева
этих
точек
и
строят
кривую
распределения
максимальных температур.
Для
теоретического
определения
протяженности
участков
ЗТВ
необходимо определить размеры зоны 21, нагревавшейся выше критической
температуры, соответствующей каждому определяемому участку. Для
низкоуглеродистой стали 14Х2ГНР
такими температурами являются:
участок 1 неполного расплавления (1530 – 14990С), участок 2 перегрева (1499
– 11300С), участок 3 нормализации (1130 – 8890С), участок 4 неполной
перекристаллизации (889 – 7270С), участок
5 рекристаллизации (727 –
5000С), участок 6 синеломкости (500 – 2000С).
Построив
кривую
распределения
максимальных
температур
и
совместив критические точки нагрева ЗТВ с этой кривой, определяем
протяженность участков ЗТВ (Рисунок 2).
17
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Распределение
максимальных
темератур
0
2
4
6
8
Рисунок 2- Кривая распределения максимальных температур
Для мощного быстродвижущегося линейного источника теплоты в пластине
размеры
ЗТВ
при
b0
определяются
по
формуле:
(формула
6)
(6)
где Tl - критическая температура, соответствующая каждому определенному
участку.
При Тl = 15300C
13566 ∗ √
2𝑙1 =
2
3,14∗2,72
1,4 ∗ 4,76 ∗ 0,8 ∗ 1530
= 0,87 см;
При Tl=14750C
2𝑙2 = 0,89см;
∆𝑙1 =
0,89−0,87
2
= 0,01 см;
18
При Тl = 11300C
∆l2 = 0,14см;
2l3 =1,17см;
При Тl = 8690C
2l4 = 1,53см;
∆l3 = 0,18см;
При Тl = 7270C
∆l4 = 0,145см;
2l5 = 1,82cм;
При Тl = 5000C
2l6 = 2,65см;
∆l5 = 0,42см;
При Тl = 2000C
2l7 = 6,63см;
∆l6 = 2см;
Сведя результаты расчетов в таблицу 5, получаем практически полное
совпадение расчетных значений со значениями, определяемыми графическим
путем.
Таблица 5 - Протяженность участков ЗТВ при Т0 = 200С
Размеры участков, см
Способ
замера
Зона
сплава.
Участок
перегрева
Участок
перекрист.
Участок
неполной
Участок
рекрист.
Участок
синеломкости
перекрист.
По
графику
По
формуле
0,01
0,19
0,18
0,17
0,38
2,2
0,01
0,14
0,18
0,145
0,42
2
19
Таким образом, общая протяженность участков ЗТВ по графику – 3,05
см, по формуле более точное значение – 2,895 см. Протяженность участков
относительно мала, но при быстром охлаждении возникает вероятность
появления холодных трещин.
20
3 Определение требований, к термическому циклу
процесса сварки исходя из оценки технологической
свариваемости
Важное
требование
при
сварке
стали
14Х2ГНР-
обеспечение
равнопрочного сварного соединения с основным металлом и отсутствие
дефектов в сварном шве. Химический состав металла шва зависит от доли
участия основного и дополнительного металлов в образовании металла шва и
взаимодействий между металлом, шлаком и газовой фазой.
Геометрические размеры сварного шва в некоторой степени влияют на
свойства сварного соединения. Чем больше ширина шва и меньше глубина
проплава, тем меньше образуется закалочных структур, при увеличении
погонной энергии сварки понижается скорость сварки и скорость охлаждения
металла. Вместе с тем в такой ванне условия для кристаллизации
значительно лучше, так как последние порции жидкого металла, наиболее
загрязненные
примесями,
оказываются
вытесненными
растущими
кристаллами в самую верхнюю часть шва и не создают в металле опасной
зоны слабины. При небольшом количестве закалочных структур их влияние
на механические свойства сварных соединений незначительно в связи с
равномерным и дезориентированным расположением этих составляющих в
мягкой ферритной основе. Изменение погонной энергии не обеспечивает в
полной мере получение качественного сварного соединения. Дополнительно
к этому необходимо использовать предварительный подогрев. Тем самым мы
еще более замедляем процесс охлаждения стали и уменьшаем вероятность
образования
большого
количества
мартенситной
составляющей.
Предоставляется возможность также подбирать величину погонной энергии
относительно температуры предварительного подогрева с учетом требуемых
геометрических размеров металла шва. При сварке листов малой толщины
(менее 20мм) количество мартенсита не велико, и он не может оказывать
существенного влияния на механические свойства.
21
4 Основные принципы выбора сварочных материалов
исходя
из требования удовлетворительной свариваемости
стали
Низкоуглеродистые
стали
имеют
благоприятные
показатели
свариваемости и при соблюдении определенных условий могут быть сварены
всеми видами сварки, имеющими промышленное значение. При этом
сварные швы обладают необходимой стойкостью против образования
кристаллизационных трещин вследствии пониженного содержания углерода.
Образование кристаллизационных трещин возможно лишь в случае
неблагоприятной формы провара, например в угловых швах, первом слое
многослойного стыкового шва, односторонних швах с полным проваром
кромок, когда содержание углерода приближается к верхнему пределу(0.220.25%).
4.1 Ручная дуговая сварка
При ручной дуговой сварке применяют электроды типов Э42 и Э46.
Наиболее широко используют электроды типа Э46Т с рутиловым покрытием
из-за высокой технологичности и гигиенических показателей.
При необходимости обеспечить наряду с другими показателями
достаточную сопротивляемость металла шва образованию горячих трещин,
рекомендуется использовать электроды с фтористокальциевым покрытием
типа Э42А марки УОНИ 13/45, предназначенные для сварки на постоянном
токе обратной полярности.
4.2 Автоматическая сварка под флюсом
Необходимый уровень механических и технологических свойств
сварных соединений достигается при использовании в качестве сварочных
проволок
Cв-08,
Св-08А,
Св-08ГА,
Св-
10ГА
в
сочетании
с
высококремнистыми флюсами АН-348-А, ОСЦ-45. При этом удается
реализовать такое преимущество данного вида сварки, как возможность
обеспечить получение швов с глубоким проплавлением за один проход без
22
разделки кромок. Увеличение при этом доли участия основного металла в
металле шва не снижает технологической прочности швов вследствии
пониженного содержания углерода в них. Возможно применение сварки с
полным проплавлением металла с формированием обратной стороны шва на
флюсовой
подушке
или
флюсомедной
подкладке.
Для
увеличения
производительности процесса сварки может быть использована технология
сварки с дополнительным гранулированным присадочным материалом.
4.3 Электрошлаковая сварка
Преимущества электрошлакового процесса по производительности и
качеству
сварных соединений особенно ощутимы при сварке проката
большой толщины, как правило, более 30-40мм. Равнопрочность сварных
соединений
обеспечивается при использовании сварочных проволок Cв-
10Г2 или Cв-08ГС в сочетании с флюсами АН-8 или АН-7. Применение
усовершенствованных
режимов
высокотемпературной
позволяет
термообработки
часто
отказаться
(нормализации)
от
сварных
конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой.
4.4 Механизированная сварка в среде углекислого газа
При механизированной сварке применяют смеси углекислого газа с
аргоном,
что
изменяет
технологические
свойства
дуги
(глубину
проплавления и форму шва, стабильность дуги и др.) и позволяет
регулировать концентрацию легирующих элементов в металле шва. Для
сварки низкоуглеродистых сталей используют легированные электродные
проволоки Св – 08Г2С и 12ГС. Однако с целью предупреждения
значительного
повышения
содержания
углерода
в
верхних
слоях
многопроходных швов проволоку 12ГС применяют для сварки одно –
трехслойных швов. Повышение коррозионной стойкости швов в морской
23
воде достигается использованием электродной проволоки марки Св –
08ХГ2С.
Механизированную сварку в углекислом газе выполняют также
порошковыми проволоками ПП-АН4 и ПП-АН8. Проволоку ПП-АН8 можно
использовать и при автоматической сварке, швы, сваренные проволокой ППАН8, равнопрочные основному металлу и имеют повышенные пластические
характеристики.[4]
24
Выводы
1. Как показали расчеты, сталь 14Х2ГНР относится к сталям, которые
имеют хорошую свариваемость, так как в ней содержится мало углерода, она
имеет невысокую прокаливаемость из-за низкого содержания легирующих
элементов.
2. Данная сталь не склонна к горячим трещинам, так как для горячих
трещин, низколегированных сталей Vкр ≥ 6,0, для стали 14Х2ГНР согласно
выполненным расчетамVкр= 6,01мм/мин.
3. В результате работы при рассмотрении расчетов была определена
свариваемость по величине Сэквпри:
3.1. Британской исследовательской академией сварки (BWRA), 1964
г.:Сэкв= 0,25%
3.2. Международным институтом сварки (МИС), 1967 г. (Европейский
стандарт). Рекомендации по сварке металлических материалов (EN 10112:2001):Сэкв= 0,34
3.3. По ГОСТ 27772-88:Сэкв= 0,34.
При расчете нескольких соотношений для расчета эквивалента
углерода, устанавливаем, что свариваемость стали 14Х2ГНР – хорошая и не
склонна к холодным трещинам.
4. В ходе курсовой работы была определена протяженность ЗТВ и ее
участков при наплавке на пластину из 14Х2ГНР как по графику, так и по
формуле, которая является наиболее правильным и быстрым путем
определения протяженности участков ЗТВ. Анализируя полученные данные,
приходим к заключению, что протяженность первых двух наиболее опасных
участков, в основном характеризующих прочность сварного соединения,
невелика и может быть еще уменьшена
5. Сталь 14Х2ГНР не требует подогрева, так как она не склонна к
образованию холодных трещин. Также для нее характерны: достаточная
пластичность, вязкость, повышенное сопротивление хрупким разрушениям,
коррозионная стойкость и др.
25
Список литературы
1.
Прохоров Н.Н. Физические процессы в металлах при сварке: в 2 томах
/ Н.Н. Прохоров – М.: Металлургия, 1968. Том 1. Элементы физики
металлов и процессы кристаллизации – 695 с.
2. Акулов А. И., Бельчук Г. А. и Демянцевич В. П. Технология и
оборудование сварки плавлением [текст]: учебник для вузов / А. И.
Акулов. - М.: Машиностроение, 1977. - 432с.
3.
Багрянский К. В., Добротина З. А., Хренов К. К. Теория сварочных
процессов [текст]: учебник для вузов / К. В. Багрянский. – Киев: Висша
школа, 1976. - 424 с.
4. Фролов В. В. Теоретические основы сварки [текст]: учебник для вузов / В.
В. Фролов. - М.: Высшая школа, 1970. - 592с.
5. Теория сварочных процессов [Электронный ресурс] : метод.указ. / Сиб.
гос. индустр. ун-т ; сост. : Н.А. Козырев, А.А. Усольцев, Крюков Р.Е., С.В.
Князев – Электр.дан. (1 файл). – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2019.
– Систем.требования : AdobeAcrobat 7.0.