Лекція №10

Навчальні питання:

1. Зварювання металів i сплавів. Сутність різних способів зварювання та їх види. Характеристика різних способів зварювання.

2. Зварні шви та з`єднання, їхня класифікація.

3. Металургійні процеси пpи зварюванні та особливості їх протікання. Кристалізація металу та утворення зварного з`єднання.

Навчальне питання 1. Зварювання металів i сплавів. Сутність різних способів зварювання та їх види. Характеристика різних способів зварювання.

Фізична сутність зварювання.

Зварюванням металів нази­вають процес виготовлення нерознімних з’єднань металевих виробів, який здійснюється за рахунок використання міжмоле­кулярних і міжатомних сил зчеплення. Щоб привести ці сили в дію, треба зблизити атоми з’єднуваних металів на відстані порядку 10^{-8 см,} тобто на такі, що приблизно дорівнюють пара­метрам кристалічних решіток цих металів. Процесу зближення атомів сприяє нагрівання зварюваних поверхонь до розплавле­ного або пластичного стану і зусилля стискання.

Класифікація способів зварювання. Сучасні способи зварю­вання класифікують за двома основними ознаками: станом металу в процесі зварювання і видом енергії, що використо­вується для нагрівання зварюваних частин. За першою ознакою розрізняють зварювання плавленням і зварювання тиском.

При зварюванні плавленням кромки з’єднуваних деталей, або так званий основний метал, і здебільшого також додатковий, або так званий присадний, метал нагрівають до роз­плавленого стану, утворюючи загальну зварювальну ванну. Після віддалення джерела тепла ванна охолоджується і затверді- ває, утворюючи наплавлений метал, або зварний шов, який з’єд­нує зварювані деталі в одне ціле.

При зварюванні тиском зварне з’єднання утворюєть­ся внаслідок нагрівання зварюваних поверхонь до пластичного стану або до початку плавлення і додаткового прикладання механічних зусиль стискання. Такі дуже пластичні метали, як свинець, алюміній, мідь, нікель тощо, можіна зварити і в холод­ному стані — лише за допомогою тиску.

За видом енергії, що застосовується для нагрівання металу, усі способи зварювання поділяють на електричні, хімічні і ме­ханічні.

Найважливішою є група електричних способів, коли для нагрівання металу використовується електричний струм. Залежно від принципу перетворення електричної енергії в теп­лову розрізняють такі основні види електричного зварювання: дугове, електрошлакове, контактне, індукційне і електрони о-п роменеве.

До групи хімічнихспособів зварювання належать га- зовеі терм ітне. Нагрівання металу цими способами здійс­нюється за рахунок тепла екзотермічних реакцій окислення різ­них речовин, що перебувають у газоподібному або твердому стані.

До механічних способів належать холодне зва­рювання тиском, зварювання тертям і зварю­вання ультразвуком. При цих способах для з’єднання металів використовують відповідні види механічної енергії.

З перелічених способів зварювання найважливішими е елек­тричне дугове, контактне і газове зварювання.

Переваги зварювання перед іншими видами з’єднання зво­дяться до економії металу, зменшення затрат праці, зниження вартості продукції, можливості виготовлення біметалевих кон­струкцій (наплавлених штампів, різального інструменту та ін.), що дає велику економію дорогих і дефіцитних високолегованих сталей.

Навчальне питання 2. Зварні шви та з`єднання, їхня класифікація.

Види зварних з’єднань і швів. Ручним дуговим зварюван­ням можна зробити такі з’єднання (ГОСТ 5264—69.

Стикові з’єднання залежно від товщини зварюваних деталей виконують з відбортовкою (СІ), без скосу (С2, С4), із скосом однієї або двох кромок (С15), з двома симетричними (С21) або несиметричними скосами двох кромок, з двома симетричними криволінійними скосами двох кромок (С22) тощо. Щоб деталі проварювалися по всьому перерізу, між кромками залишають зазор до 3 мм\ щоб не було пропалу, кромки притуплюють на

1— 3 мм, кут розкриття має бути 54 ±6°.

Кутові і таврові з’єднання, як і стикові, виконують без скосу

Зварні з’єднання

а, б – стикові, в – кутові, г – таврові, ґ – напускні

(К1, К4, ТІ), із скосом однієї кромки (Кб, Т6), з двома скосами однієї кромки (К8, Т9), із скосом двох кромок (К9). При скосі однієї кромки кут розкриття повинен бути 50 ± 5°, при скосі двох кромок — 54 ± 6°.

З’єднання внапусток (В2) виконують для деталей завтовшки

60 мм. Зварюють деталі з одного або з двох боків суцільним чи переривчастим швом

Види швів

За положенням у просторі шви поділяють на нижні (рис. 100, а), вертикальні (рис. 100, в), горизонтальні (рис. 100, б) і стельові (рис. 100, г). Найзручніше виконувати нижні шви, оскільки тут розплавлений метал з ванни не витікає, знач­но важче — вертикальні, бо під дією сили ваги розплавлений метал стікає донизу. Вертикальні шви зварюють згори донизу або знизу догори електродами діаметром до 5 мм.

Горизонтальні шви на вертикальній площині виконувати важче, ніж вертикальні. Скошують кромки в цьому разі тільки на верхньому листі. Запалюють дугу на горизонтальній кромці, потім переводять її на похилий скіс верхньої кромки, знову на горизонтальну кромку і т. д. Для цього застосовують електроди діаметром до. 5 мм.

Стельові шви — найважчі для виконання, оскільки розплав­лений метал витікає з ванни. Ці шви зварюють електродами діаметром 3-4мм найкоротшою дугою,при якій перехід краплин з електрода на основний метал полегшений.

Навчальне питання 3. Металургійні процеси пpи зварюванні та особливості їх протікання. Кристалізація металу та утворення зварного з`єднання.

Під терміном «металургійні процеси» розуміють високотемпературні явища взаємодії фаз, які супроводжують одержання металу.

Це процеси розплавлення й затвердіння металу, при яких відбувається зміна його хімічного складу й кристалічної будови, перехід з однієї фази в іншу. Ці процеси можуть бути реакціями переходу, заміщення й розподілу елементів між фазами.

Процеси зварювання плавленням обов'язково містять фазу нагрівання основного й присадного металів до їхнього розплавлення з наступним охолодженням і затвердінням. У зв'язку з цим взаємодія фаз спершу йде в умовах підвищення, а потім зниження температури. Ця взаємодія може бути ендотермічною, що проходить з поглинанням теплоти, або екзотермічною, що супроводжується виділенням теплоти. Підвищення температури підсилює ендотермічні процеси й послабляє екзотермічні. При зниженні температури відбувається протилежний процес.

При сталих умовах (температура, тиск та ін.) реакції взаємодії фаз із часом прагнуть досягти рівноважного стану, при якому швидкості проходження цих реакцій в одному напрямку дорівнюють швидкостям їхнього проходження в протилежному. Рівновага реакцій взаємодії фаз залежить від температури. Через те, що температура в зоні зварювання постійно змінюється, реакції взаємодії фаз можуть змінювати як напрямок свого проходження, так і стан фаз. При цьому рівновага між реагуючими речовинами, як правило, не встигає встановлюватися.

Кристалізацією називається процес утворення твердих частинок (зерен) із розплавленого метату під час його переходу з рідкого стану у твердий. Зварна ванна поділяється на дві частини: передню (головну) і хвостову. В передній частині проходить плавлення металу, а в хвостовій — кристалізація (формування шва). Розрізняють первинну і вторинну кристалізацію.

Первинною кристалізацією називається перехід металу з рідкого стану у твердий. При цьому утворюються кристаліти (зерна). Первинна кристалізація проходить при високих швидкостях охолодження окремими тонкими шарами. Після утворення першого шару відбувається затримка в охолодженні через виділення прихованої теплоти. Потім кристалізується другий шар і т. д. до нового затвердіння зварної ванни (рис. 4.1). Товщина шарів становить від десятих часток міліметра до декількох міліметрів. Початком кристалізації є неповністю оплавлені зерна на кромках основного металу.

Рис. 4.1. Схема росту кристалів:

1 - границя сплавлювання; 2 - зерна основного металу; 3 - кристалізаційні шари; 4 - кристаліти

Залежно від форми і розташування зерен розрізняють зернисту, або стовпчасту, і дендритну структури. Зерниста структура не має конкретної орієнтації і нагадує багатогранники. Вона зустрічається в основному металі та металі шва при швидкому охолодженні. Стовпчаста й дендритна структури мають витягнуті в одному напрямку зерна. Такі структури властиві швам при зварюванні під флюсом, електрошлаковому зварюванні, де проходить повільне охолодження металу шва. При великому об'ємі зварної ванни і низькій швидкості охолодження збільшується розмір зерен і знижуються механічні властивості шва. Для подрібнення структури в рідкий метал вводять модифікатори (алюміній, титан, ванадій та ін.).

При кристалізації може виникати ліквація — нерівномірний розподіл складових сплаву (неоднорідний хімічний склад) та усадка — зменшення об'єму при затвердінні. При цьому утворюються тріщини, раковини, виникають внутрішні напруження. При зниженні температури проходить алотропічне перетворення (зміна кристалічної решітки), яке супроводжується зміною будови металу. Таке явище називається вторинною кристалізацією, або перекристалізацією. Вторинна кристалізація починається з розпаду первинної структури і завершується при низьких температурах із утворенням стійких структур.

Зерна металу шва за формою відрізняються від зерен основного металу, які витягнуті у напрямку прокатування.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.