Теория процессов сварки

 

 

4 Розрахунок розподілу максимальних температур. Визначення протяжності ділянок ЗТВ

У деякий момент часу tm точка матиме максимальну температуру Тмаx. Вміння визначити цю температуру в процесі зварювання дуже важливе для практики. Відомо, наприклад, що при перегріві вище 400—800 °С деякі аустенітні сталі втрачають свою корозійну стійкість. Враховуючи це, можна заздалегідь розрахувати величину зони перегріву і прийняти заходи до її зменшення. Визначення максимальної температури нагріву дозволяє встановити протяжність зони можливого підгартовування при зварюванні сталей, що гартуються (нагріваючи вище Ас1 — 710 °С і т. д.).

Максимальна температура  точок тіла, що досягається в процесі  нагріву і охолоджування при  зварюванні, залежить від параметрів режиму, теплофізичних властивостей металу, а також віддаленості даної точки від шва.

Для розрахунку максимальних температур скористаємося  формулою:

                                                      

                                          (6)

де g_и – ефективна теплова потужність джерела, Вт;

  Вт;

V_зв- швидкість зварювання, м/г;

сj – об’ємна теплоємність металлу, Дж/м³·град;

cj=4.2*10 ⁶(Дж/м3*к);

r_х=y зміна y=0,001;0,002;0,003.0,025.

Результати значень заносимо в таблицю 3.

Сумістимо на одному рисунок T=f(y) і діаграму «залізо-карбід», визначимо протяжність найбільш характерних ділянок навколошовної зони. Розміри зон визначимо по формулі і по кількості вуглецю в сталі, а також еквівалентному вмісту вуглецю.

 

           

                                 (7)

Для сталі 45Г2: C=0.41%; Si=0.17%; Mn=1.4%; Cr=0.30%; Ni=0.30%;

Сu=0.30%.

Де С_екв› 0.45% - сталь схильна до виникнення холодних тріщин , тому можливо застосування попереднього підігріву.

Для визначення протяжності найбільш характерних  ділянок навколошовної зони проводимо розрахунок максимальних температур Т_m(R_х) на ЕОМ, данні заносимо в таблицю 3. На базі цих даних будуємо графік Т_m=f(y) (рис.5).

Таблиця 3 -  Розрахункові значення максимальних температур

y*10-3 м	0	0,005	0,01	0,015	0,02	0,025
Т,  °С	0	8872,18	2218,05	985,798	554,5	354,9

 

На діаграмі залізо - вуглець вертикальною прямою показуємо вміст       вуглецю в сталі 45Г2.На даній прямій помічаємо температурні межі дільниць ЗТВ. Переносимо ці границі на криві максимального розподілу температур та зносимо їх униз на поперечний перетин шва.

Таким чином , встановимо лінійні розміри ЗТВ.ЗТВ складається з слідуючих характерних ділянок (рис.5):

Ділянка 1(1490°C):

По зоні сплавлення отримують загартований метал,який має структуру крупнозернистого мартенситу. За хімічним складом зона сплавлення наближається до основного металу.

Ділянка 1-2(1490°C-1370°C):

Метал має структуру  мартенситу (крупноголчастий) - ця зона характеризується високою твердістю і низькою пластичністю.

Ділянка 2-3(1370°C-1140°C):

Зона часткового загартовування після охолодження. Структура мартенсит + сорбіт. Перші дві зони не залежать від температурної обробки металу,який подається під зварювання. А на ділянці часткового загартовування можемо отримати мартенсит + сорбіт при зварюванні нормалізованої сталі,на цій же ділянці при зварюванні сталі отримуємо мартенсит.

Ділянка3-4(1140°C-720°C):

На цій ділянці  відбувається тільки відпуск,кінцева  структура визначається вихідною структурою. Наприклад,загартований вихідний метал удержує структуру високого відпуску,а не загартований-має вихідну структуру.

Ділянка4-5(720°C-700°C):

Якщо метал  подається у загартованому стані,у  цьому діапазоні відбувається низький відпуск. При цьому може відбуватися перебудова грат мартенситу (тетрогонатні в кубічні) з підвищенням пластичності.

Нище 700°C- не впливає на структуру і властивості металу залежно від вихідного стану металу.

 

 

 

 

 

 

5 Визначення структури металу, що зварюється, по точці, що нагрівається до температури 1350°С

Схильність  сталі до отримання загартованих структур при розпаді аустеніту, може характеризуватись діаграмою ізотермічного розпаду аустеніту. Такі залежності визначають структуру продуктів розпаду аустеніту при різних температурах. Характер структури метала залежить від хімічного складу основного металу і швидкості нагріву і охолодження. Найбільший вплив на характер структури , оказує  швидкість охолодження аустеніту.

                                                  

                                             (8)

де Т₀ – початкова температура, Т₀=25°С, швидкість охолодження в таких умовах не перевищує допустиму (W_{охл .}= 8.2°С/с ).

(°С/с);

Починаємо будувати криву  охолоджування з т.А₃=780°С з цієї температури, будуємо криву охолоджування, при цьому позначаємо час охолоджування (Рис.6).

Таблиця 4 - Залежність температури від швидкості охолодження

 

Розрахунок  Тохол
W=8.2°С/с
t,с	0	1	5	10	20	30	40	50	60	70
∆T	780	771	739	698	616	534	452	370	288	206

 

 

 

При цьому відбувається швидке охолодження і аустеніт розпадається з утворенням загартованої структури – мартенсит + аустеніт залишковий і з твердістю 54HRC. Тоді сталь схильна до утворення холодних тріщин,щоб цього запобігти,зварювання ведуть із супутнім або попереднім підігрівом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Висновки

З графіка залежності Т  = f(x) (рис 1) можна зробити висновок про те, що теплота при зварюванні не розповсюджується попереду джерела нагрівання. Крива розповсюдження температур на поверхні продовж осі шва складається з двох гілок – нагріву та охолодження, причому крива охолодження більш полога, ніж крива нагріву. Ці криві мають фіксовані значення.

Температури точок тіла, які розташовані на різних відстанях  у від джерела нагріву, спочатку збільшуються до максимуму, а потім зменшуються. Чим далі від місця введення теплоти знаходиться точка, тим пізніше досягається максимальна температура і тим нижче її значення. З плинністю часу кількість теплоти розтікається в необмеженому об’ємі напівнескінченного тіла та приріст температур усіх точок прагне до нуля.

З графіка на рисунку 2 слідує, що в поперечному  перетині розподіл температур на поверхні тіла симетрично, внаслідок того що теплота від швидкорухомого джерела розповсюджується рівномірно в усі боки. З віддаленням від осі нагрівання температура зменшується. Причому, чим вище температура, тим менша площа, яка обмежена відповідною ізотермою.

На характер температурного поля робить істотний вплив параметри режиму зварювання, потужність джерела нагріву, погонна енергія, а також теплопровідність матеріалу та його теплоємність. В залежності від дії того чи іншого параметру, ділянки які обмежені ізотермами звужуються чи розширюється.

З графіка на рис.3 слідує що у поперечному перетині шва температура досягає свого максимуму при у=0. При цьому зі зростанням відстані х цей максимум зменшується.

В перший момент спалаху дуги кількість вносимого  тепла перевищує тепловідвід та ділянка розігріву збільшується. Такий процес називається теплонасиченням.

З графіка 4 видно що гілка  охолодження більш полога ніж  гілка нагрівання.

З побудованого графіка (рис.5) слідує, що дана сталь 45Г2 схильна до виникнення холодних тріщин, однак, при швидкості охолодження             W_{охл .}= 8.2°С/с, вона не потребує супутнього, або попереднього підігріву. 

Холодні тріщини  виникають в межах низьких  температур у тих випадках, коли метал шва та навколошовної зони в процесі охолодження зазнає фазові або структурні перетворення, які пов’язані зі зміною його об’єму та значним погіршенням пластичних властивостей. Мартенситне перетворення основної частини аустеніту зазвичай протікають при знижених температурах (300-400°С), метал вже набув значної міцності, а розпад залишкового аустеніту може продовжуватися навіть при температурі 200°С та нижче.

Найбільший  вплив на характер структури, яка  виникла в результаті перетворення аустеніта, надає швидкість охолодження та тривалість перебування аустеніту в зоні температур найменшої стійкості.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перелік посилань

1. Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни «Теорія зварювальних процесів», для студентів спеціальності «Технологія і устаткування зварювання» усіх форм навчання/ Укл. Богуцький О.А..- Краматорськ: ДДМА, 2001г. 24с.
2. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К., «Теория сварочных процесов», 2-е издание Киев: Высшая школа, 1966г.- 424с.
3. Гуляев П.Л. Металловедение М.: «Машиностроение» 1982г.