CC BY
28
УДК 621.791
Э. Р. Галимов, И. А. Абдуллин, А. В. Беляев, Л. В. Сироткина
АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ
Ключевые слова: сварка, стали, процессы, структура, свойства.
Проведен анализ тепловых процессов, протекающих при сварке плавлением, и выявлены их особенности. На примере низколегированной стали проведен расчет максимальных температур при сварке.
Keywords: welding, steel, processes, structure, properties.
There were analyzed the thermal processes occurring during fusion welding, and identified their features. For example, low-alloy steel calculated maximum temperatures during welding.
Введение
Сварка представляет собой прогрессивный метод получения неразъемных соединений в различных отраслях промышленности и строительстве. При разработке технологических процессов сварки различных материалов,в том числе осуществляемые на новом оборудовании, послесварочной термической обработки требуется анализ сварочных процес-сов[1]. Согласно ГОСТ 2601-84 [2] под сваркой понимают получение неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. При сварке плавлением сближение атомов твердых тел происходит вследствие смачивания поверхностей жидким металлом и за счет тепловой энергии активации.
Процессы, протекающие при сварке плавлением, имеют ряд особенностей по сравнению с другими технологическими процессами [1,3]: условия и параметры окислительно-восстановительных реакций; действие высоких температур в зоне сварочной ванны; небольшой объем жидкого металла в сравнении с выплавкой металлов; кратковременность пребывания металла в расплавленном состоянии; отвод теплоты в окружающую ванну и основной металл; интенсивное взаимодействие расплавленного металла с газами и шлаками в зоне нагрева.
Взаимодействие жидкой сварочной ванны с элементами окружающий среды носит непрерывный характер, который во многом определяется температурой расплава. При этом происходит окисление металла кислородом воздуха с образованием оксидов железа различного состава, а присутствие некоторых примесей (серы, фосфора, водорода) в железе и его сплавах приводят к ухудшению механических свойств и образованию различных сварочных дефектов. Химический состав, прочностные свойства сварного шва и зоны термического влияния во многом зависят от теплового воздействия на металл[3].
Экспериментальная часть
При проведении тепловых расчетов при сварке часто упрощают форму сварных деталей, приводя их к полубесконечным телам, пластинам, цилиндрам и др. с целью снижения вычислительных ресурсов и трудоемкости исследований. В теории свароч-
ных процессов классифицируются и источники нагрева (точечные, линейные, подвижные и т.д.).
Широкое применение при изготовлении сварных конструкций находят низкоуглеродистые стали, свариваемые дуговой сваркой. С практической точки зрения наибольший интерес при сварке плавлением вызывают температуры предельного состояния и максимальные температуры в зависимости от расстояния от оси шва. По характеру их распределения можно прогнозировать структуру на различных участках и свойства сварного соединения в целом.
Для проведения таких расчетов задаются толщиной соединения б, мм; типом соединения; зазором В, мм; диаметром и маркой электрода (коэффициентом наплавки ан, г / А х ч); сварочным током 1св, А; напряжением на дуге ид, В, эффективным КПД дуги (0,70). Исходя их этих известных параметров определяются необходимая площадь наплавки Рн, скорость сварки усв, м/час и эффективная тепловая мощность дуги р, кал/сек.
При определении температурного поля предельного состояния, соответствующего режиму дуговой сварки, используем схему мощного быстродвижу-щегося линейного источника в пластине с теплоотдачей. Расчетные значения теплофизических коэффициентов теплопроводности Л, теплоемкости с, удельного веса Yвыбираются по средней температуре процесса Тср = 500°С. По этим параметрам рассчитывается объемная теплоемкость CY, коэффициент поверхностной теплоотдачи а, коэффициент температуропроводности а и коэффициент темпера-туроотдачи Ь.
Распределение температуры поперек шва в зависимости от расстояния у0 от оси шва для разных моментов времени 1 может быть получено на основе уравнения:
( ..2 Л
т (0 )=-
• ехр
4 at
-bt
(1)
уб^ттЛс^
Результаты расчета могут быть сведены в табл. 1 или представлены графически в виде кривых распределения температуры по оси ОУ в разные моменты времени (рис. 1).
Для расчета распределения максимальных температур, в этом случае, значения выбранного режима подставляются в уравнение максимальных температур для быстродвижущегося источника в тонкой пластине:
Tm(Yo) =
0,484 • q v-oy- 5- 2y0
1 -
byo 2a
2 A
(2)
ной температуры в нужной точке А (например, 727°С).
Таблица 3 - Значения расстояния у0 и времени 1
Таблица 1 - Результаты расчета распределения температур
Время t, сек Расстояние уо, см
0 0,2 1,5
1 1783 1574 2
2 1258 1188 38
3 1024 990 98
36 272 271 224
t, сек 1 2 4 16 25 49
y0, см 4,0 5,6 8,0 16,6 21,2 31,31
т,°с
1500
11 2 I
з
зв"Т
Данные, полученные расчетным путем, могут быть верифицированыэкспериментальными значениями при оценке температурных полей, количественных расчетах при определении термических циклов сварки, скоростей охлаждения, размеров зон термического влияния и т.д. Для этого используются различные средства экспериментального определения температуры при сварке. К их числу можно отнести термокраски и термокарандаши, термопары и термощупы устройств с термоинтерфейсом, оптические пирометры, тепловизоры и др.Наиболее рациональным следует считать подход, при котором оба метода дополняют друг друга, а решение об использовании того или иного метода принимается с учетом конкретной обстановки и поставленных задач [3].
Заключение
Зависимость состава сплавов от температуры отражается в диаграммах состояния, построенных по кривым охлаждения. Конкретный вид диаграммы плавкости зависит от свойств компонентов и определяется их взаимной растворимостью и способностью к образованию химических соединений [4]. На основании расчетов тепловых процессов, протекающих при сварке плавлением, возможно прогнозирование структуры на различных участках сварного соединения, включая сварной шов и зону термического влияния. Используя двойные и тройные диаграммы состояния [5] и известный химический состав свариваемого металла по расчетным максимальным температурам и времени их изменения можно с высокой вероятностью предугадать структуру и свойства наплавленного металла.
Литература
1. В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров. Теория сварочных процессов. Высшая школа, Москва, 1988. 559 с.
2. ГОСТ 2601-84. Сварка металлов. Термины и определения основных понятий. М.: ИПК изд-во стандартов, 1984. 55 с.
3. Э.Р. Галимов, И.А. Абдуллин, А.В. Беляев, Л.В. Сирот-кина, Вестник технол. ун-та, 18, 7, 96-98 (2015).
По результатам расчета, представленным в табл. 4. Г.А. Голиков. Руководство по физической химии. Выс-
3 может быть построена кривая максимальных тем- шая школа, Москва, 1988. 383 с.
ператур в подвижном температурном поле XOY. 5. Ф.И. Муратаев, А.В. Горбунов, И.А. Абдуллин, М.А. Кла-
Подобными теплофизическими расчетами воз- буков Вестник Казан.технолум^а 16, 2 45-47 (2013).
можно определить и время наступления максималь-
© Э. Г. Галимов - д.т.н., профессор, зав. каф. «Материаловедение, сварка и производственная безопасность» КНИТУ им. А.Н. Туполева -КАИ (КНИТУ-КАИ), kstu-material@mail.ru; И. А. Абдуллин - д.т.н., проф., зав. каф. «Технология изделий из пиротехнических и композиционных материалов» КНИТУ, ilnur@cnit.ksu.ras.ru; А. В. Беляев - к.т.н., доцент кафедры «Материаловедение, сварка и производственная безопасность» КНИТУ им. А.Н. Туполева - КАИ (КНИТУ-КАИ), beljaev.a.v@gmail.com; Л. В. Сироткина - к.х.н., доцент кафедры «Химия» КГЭУ, liliya_belyaeva@mail.ru.
© E. R. Galimov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department «Materials Science, Welding and Safety» of KNRTU named after A.N. Tupolev, kstu-material@mail.ru; I. A. Abdullin - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Department of «The technology products from the pyrotechnic and composition materials» KNRTU, ilnur@cnit.ksu.ras.ru; A. V. Belyaev - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department «Materials Science, Welding and Safety» of KNRTU y named after A.N. Tupolev, kstu-material@mail.ru; L. V. Sirotkina - Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor of the Department of «Chemistry» of Kazan State Power Engineering University, liliya_belyaeva@mail.ru.
о ю 20 зо +уо, см
Рис. 1 - Кривые распределения температуры по оси ОУ в разные моменты времени (1, 2, 3 - 36 сек) для выбранного режима сварки: 1св = 115А, ид = 23В, толщина листа 5 = 5 мм, площадь наплавки Рн = 10 мм2, скорость сварки V = 14м/час (теплофизические свойства определены для низкоуглеродистой стали)
По результатам расчета строится таблица значений (табл. 2) распределения максимальных температур, которая является огибающей кривых мгновенного распределения температуры (изохрон). Уравнение геометрического места точек с максимальными температурами в координатах ХУ находится из условия максимума температуры при сварке листов встык:
0 = - + b-t,y0 = 4-a-t 2 У0
4-a-t 1/2
+ b-t . (3)
Таблица 2 ператур
Распределение максимальных тем-
уо, см 0,3 0,5 1 2 4 5
Tm (yo),°C 1444 864 427 203 81 52
