Источники теплоты при стыковой сварке.

Экзаменационный билет 1.

Сущность процесса сварки. Определение понятия сварки по ГОСТ 2601-84.

Твердое кристаллическое тело, к которому относятся металлы, представляет собой агрегат атомов с устойчивой кристаллической структурой. Физические и прочностные характеристики тела определяются типом его атомов, их взаимным расположением и действующими между ними связями. Разрушение твердого тела можно представить как его разъединение на две части под действием растягивающих механических усилий, при этом разъединение происходит путем разрыва связей между атомами по всему поперечному сечению тела. Обратный процесс - соединение двух частей - будет заключаться в восстановлении под действием сжимающих усилий разрушенных связей между атомами, находящимися на границе разрушения. Такое установление межатомных связей между двумя частями, приводящее к получению монолитного тела, и будет означать процесс образования сварного соединения.

По ГОСТ 2601-84 сварка - получение неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании.

Сваркой соединяют как металлические материалы, так и металлы с неметаллами и неметаллические материалы между собой (например, сваривают сталь со стеклом, сталь с графитом, медь с керамикой, биологические ткани между собой).

Рисунок 1.3 - Сварные соединения: а - выполненные с применением нагрева (с расплавлением металла); б - выполненные с применением давления (без расплавления металла); 1- свариваемый металл; 2 - сварной шов

Сварка титана и его сплавов. Особенности сварки плавлением. Способы сварки.

Особенности сварки титана и его сплавов связаны со значительными трудностями из-за их высокой активности по отношению к кислороду, азоту, водороду и углероду, которые отрицательно влияют на свариваемость. Для обеспечения хорошего качества сварки необходимо ограничивать содержание вредных примесей в свариваемом и присадочном материале до следующих значений, %, кислорода 0,12-0,15, азота 0,04-0,05, водорода 0,01-0,015 и углерода 0,1. При сварке плавлением необходима падежная защита от атмосферы не только металла сварочной ванны, но также металла околошовной зоны и обратной стороны шва, нагретого до температуры >400 °С. Дополнительным затруднением при сварке является склонность титана и его сплавов к росту зерна при нагреве до высоких температур (выше 880 °С). Рост зерна усугубляется низкой теплопроводностью титана, увеличивающей время пребывания металла сварного соединения при высоких температурах. Для преодоления указанных трудностей сварку выполняют при минимально возможной погонной энергии. Наиболее частые дефекты швов - это поры и холодные трещины. Возбудителями пор являются газы и среди них в первую очередь водород. Для устранения пористости необходимо обеспечить требуемую чистоту основного металла и сварочных материалов. Главная причина возникновения холодных трещин - также водород, выделяющийся из твердого раствора и образующий гидриды титана. Эти процессы приводят к охрупчиванию титана и появлению больших внутренних напряжений. Титан и его сплавы можно сваривать дуговой сваркой в защитных газах, автоматической сваркой под слоем флюса и электрошлаковой сваркой.

Сварку в инертных газах можно осуществлять неплавящимся или плавящимся электродом. Сварку неплавящимся электродом ведут обычно в аргоне вручную или автоматом, используют аргон высшего сорта (ГОСТ 10157-79), очищенный от влаги. Сварку вольфрамовым электродом обычно иттрированным или лантанированным выполняют на постоянном токе прямой полярности (табл. XVII.14). Свариваемые кромки и присадочный металл должны быть очищены от окислов и загрязнений травлением в течение 5 мин в растворе, содержащем: 0,35 л соляной кислоты, 0,055-0,06 л азотной кислоты, 50 г фтористого калия, 0,06 л воды или 0,35 л соляной кислоты, 5 г фтористого натрия, 0,65 л воды. При толщине металла до 3 мм кромки не разделывают. Формы рекомендуемых разделок при сварке больших толщин показаны на рис. XVII.3. В качестве присадочных материалов наибольшее распространение получили сварочные проволоки: ВТ1-00 - для технического титана и низколегированных α- и псевдоα-сплавов; ВТ2 (системы Ti -Al) - для α- и псевдоα-сплавов; СПТ-2 (системы Ti-Al-V-Zr) - для большинства двухфазных (α+β)-сплавов (без термического упрочнения сварных соединений). Сварочную и электродную проволоку перед сваркой подвергают вакуумному отжигу для предохранения шва от загрязнения водородом. Корень шва при дуговой сварке защищают (при небольшой протяженности стыковых соединений) плотным поджатием кромок к медной или стальной подкладке, подачей инертного газа в подкладку с отверстиями или изготовленную из пористого материала. При сварке сосудов или труб инертный газ подают внутрь изделий (поддувают). Вместо поддува аргона можно применять специальные флюсы-пасты для защиты обратной стороны шва. При сварке изделий сложной конфигурации осуществляют общую защиту сварного соединения и изделия в камерах (типа ВКС-1, ВУАС-1, УСБ-1 и др.) с контролируемой атмосферой и в специализированных боксах (в обитаемых камерах) с обеспечением в них условий для работы сварщиков.

Источники теплоты при стыковой сварке.

При стыковой сварке сопротивлением общий нагрев деталей происходит теплотой, которая выделяется в них и в контактах при прохождении сварочного тока. При сварке сопротивле­нием теплота, выделяющаяся в контакте между торцами свариваемых деталей, относительно невелика и по мере нагрева соединения быстро уменьшается. В общем балансе теплоты она не превышает 10-15%. Однако она выделяется на узкой приконтактной зоне за небольшой промежуток времени и вызывает быстрое повышение в ней температуры, которая сохраняется и после исчезновения rд_д до конца цикла сварки, так как эта зона нагрета сильнее других. Интенсивность тепловыделения в контакте определяется начальным усилием сжатия деталей. При малом F_H интенсивность тепловыделения возрастает, но при этом равномерность нагрева по торцу деталей ухудшается из-за малого и случайного расположения участков контактирования.

Нагрев при сварке сопротивлением можно рассматривать как наложение двух процессов: 1) нагрева (до температуры Т₁) бесконтактного стержня теплотой, равномерно выделяемой на собственном сопротивлении по всей его длине на свободном вылете (рнс.1.16); 2) дополнительного нагрева (до температуры Т₂) теплотой, выделяемой в стыке и распространяющейся в стороны от него. Общая температура нагрева Т в зоне, определяемой координатой х, в момент времени t_св.

В отличие от сварки сопротивлением нагрев деталей при стыковой сварке оплавлением в основном происходит за счет теплоты, выделяющейся в контактном сопротивлении, которое оп­ределяется перемычками расплавленного металла, находящи­мися в искровом промежутке. Доля теплоты, выделяемой с собственном сопротивлении деталей вследствие относительно малой средней плотности тока, невелика и обычно не учитывается в тепловых расчетах.

Жидкие перемычки являются основным источником нагрева торцов деталей. В начальный момент оплавления распределение температуры на оплавленных торцах неравномерно. По мере нагрева степень неравномерности уменьшается. Средняя температура на торцах растет до тех пор, пока их поверхности не покроются слоем расплавленного металла. Это обеспечивается при установившемся процессе оплавления, когда перемычки последовательно и многократно с большой частотой возникают по всей площади торцов деталей.

В секунду в контакте с сопротивлением r_опл выделяется количество тепла q_опл = I_опл²r_опл которое, расходуется на нагрев металла от Т₁ до Т_опл  выбрасываемого из зазора при оплавлении и на теплопередачу в детали.

Таким образом, мгновенная скорость оплавления растет с увеличением тепловой мощности, с уменьшением градиента температуры и с повышением температуры T₁. В начале процесса оплавление идет медленно. По мере разогрева торцов скорость оплавления растет. Для поддержания непрерывного процесса оплавления при неизменной мощности скорость сближения деталей должна соответствовать скорости оплавления.