24

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет

имени М.Т. Калашникова»

(ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)

Факультет «Современные технологии и автомобили»

Кафедра «Машины и технология обработки металлов давлением и сварочное производство»

Методические указания по выполнению курсовой работы «Расчет скорости охлаждения металла при сварке и оценка его склонности к образованию холодных трещин в сварном соединении» по дисциплине «Теория сварочных процессов»

для студентов направления 150700.62 «Машиностроение» профиль «Оборудование и технология сварочного производства»

Ижевск 2013

УДК 621.791.01

Составитель: д.т.н. Соловьев С.Д., профессор кафедры «МиТОМДиСП» ИжГТУ.

Рецензент: к.т.н. Салангин Владимир Григорьевич, доцент кафедры «МиТОМДиСП» ИжГТУ.

Методические указания по выполнению курсовой работы «Расчет скорости охлаждения металла при сварке и оценка его склонности к образованию холодных трещин в сварном соединении» по дисциплине «Теория сварочных процессов» для студентов направления 150700.62 «Машиностроение» профиль «Оборудование и технология сварочного производства»

Аннотация.

Приведены принципы расчета критических температур и скоростей охлаждения сталей при сварке. Рассмотрены общие сведения по распаду аустенита в процессе охлаждения и его влияние на формирование структуры и свойств стальных изделий. Оценка склонности стали к образованию в сварном соединении холодных трещин сводится к сопоставлению скоростей охлаждения при сварке с критическими скоростями охлаждения, обуславливающими образование в структуре металла мартенсита, определяемые по термокинетическим диаграммам распада аустенита для конкретной марки стали. Данные методические указания предназначены для выполнения курсовой работы студентами направления 150700.62 «Машиностроение» профиль «Оборудование и технология сварочного производства» очной и заочной форм обучения. Основные положения методических указаний могут использоваться студентами при выполнении курсовых работ и проектов, а также при выполнении выпускной квалификационной работы.

ИжГТУ, 2013

Цель работы – определить возможность образования холодных трещин при сварке конкретной марки стали и технологические режимы, исключающие их образование.

Термический цикл при сварке и его влияние на структуру и свойства сварного соединения.

Термический цикл сварки – нагрев-охлаждение – определяется способом и режимами проведения процесса. Местный нагрев и охлаждение металла при этом определяет те изменения, которые происходят в структуре и механических свойствах полученного сварного соединения. Участки сварного соединения вблизи непосредственного действия неподвижного или подвижного сварочного источника тепла нагреваются до наиболее высоких температур. При различных способах сварки плавлением металл в шве доводится до расплавленного состояния, а затем, охлаждаясь, - кристаллизуется. Расположенные рядом участки основного металла нагреваются при сварке до более низких температур, причем по мере удаления от места действия источника тепла или линии его перемещения максимальные температуры нагрева Т_мах снижаются. При значительных размерах свариваемого изделия на некотором расстоянии от сварного шва никакого нагрева металла не происходит; температура в процессе сварки не изменяется.

После достижения в любом участке основного металла максимальной температуры следует охлаждение, определяемое главным образом отводом тепла в более холодные участки металла. Как правило, это охлаждение осуществляется с достаточно большой скоростью, хотя и меньшей, чем скорости нагрева, но именно она приводит к изменениям в структуре и свойствах сварного соединения по сравнению со структурой и свойствами исходного металла. В совокупности эти участки основного металла, в которых произошли структурные изменения в результате термического цикла сварки, называются зоной термического влияния. Таким образом, после завершения процесса сварки каждый объем металла изделия, подвергшегося термическому циклу, претерпевает характерные изменения в структуре и механических свойствах (твердости в частности). Они определяются изменением температуры во времени и связанные с ней скоростями нагрева (W_Н) и охлаждения (W_О), приводящие к этим изменениям. Общий характер изменения структуры и твердости под действием термического цикла сварки приведен на рис.1. На нем схематично показано распределение твердости по зоне термического влияния. Ширина ее различных участков определяется способом и режимами сварки, которые для сравнения приведены в таблице 1.

Рисунок 1 - Структура и твердость сварных сое-динений низкоуглеро-дистой стали: справа от оси – горячекатаной; слева – холоднокатаной

Таблица 1 - Ширина участков зоны термического влияния при сварке низкоуглеродистой стали

Способ сварки	δ, мм	Ширина участков зоны термического влияния
		Участок сплав-ления (2)	Участок нагрева выше Ас3		Участок пере-кристал-лизации (5)	Участок рекристал-лизации (6)	Общая шири-на зоны
			Перегрев (3)	Норма-лизация (4)
Газовая	10	0,15-0,2	10-12	7-10	5	8	25-30
Электро-шлаковая	50	0,15	3-5	3-4	2-3	5-7	8-18
дуговая	10	0,1	1	1,5-2	1	1,5-2	3-5,5

Как следует из рисунка 1, в зоне термического влияния можно выделить шесть основных участков. Металл, лежащей на линии перемещения сварочного источника тепла (участок 1), максимально нагревался выше температуры ликвидус (Т_л) и при сварке полностью расплавлялся.

Металл на участке 2 нагревался до максимальной температуры ниже Т_л, но выше температуры солидус Т_с. Следовательно, при сварке на этом участке металл частично переходил в расплавленное состояние, сохраняясь частично и в твердом состоянии.

Металл на участках 3-5 максимально нагревался ниже Т_с, но выше критической температуры T_KP. Он в течение всего термического цикла сварки оставался в твердом состоянии. В процессе охлаждения в них могут происходить структурные изменения, связанные с аллотропными изменениями кристаллической решетки железа из ГЦК в ОЦК. При этом металл участка 3 нагревался до значительно более высоких температур, чем участки 4 и 5, которые расположены на большем расстоянии от оси сварного шва.

Изменения в структуре металла участка 6, который нагревался ниже критической температуры, определяется влиянием на нее температуры высокого отпуска.

Возможны и другие варианты рассмотренной схемы. Например, некоторые металлы или сплавы могут иметь не две, а одну критическую температуру, а некоторые - вообще не имеют критических температур, т.е. не имеют полиморфных превращений, как при нагреве, так и при охлаждении.

Образование в участках 1-5 закалочных структур, таких как мартенсит, обладающих высокой твердостью и низкой пластичностью в сочетании с растягивающими остаточными сварочными напряжениями, является одной из причин возникновения и развития холодных трещин в сварных соединениях.