Теория сварочных процессов и их расчет

      Для стали 15ХСНД:

 С=0.16%, Si=1%, Ni=0.75%, Mn=0.65%, Cr=0.75%.

      

,                    (12)

 

%

      На  диаграмме Fe-C откладывается эквивалентный  углерод и снимаются значения температурных границ участков одинаковой микроструктуры.

Для стали 15ХСНД находим температуры на отдельных участках, а именно:

 Т начала кристаллизации – Т_л=1490°С,

 Т конца  кристаллизации – Т_с=1437°С,

 Т начала перекристаллизации – Т_АС3=757°С,

 Т конца перекристаллизации – Т_АС1=724°С,

 Т конца рекристаллизации – Т=400°С.

      Полученные  температурные границы откладываются  на графике распределения максимальных температур в зоне термического влияния. Проецируя с кривой распределения на сварное соединение границы участков, с небольшой погрешностью определяются в сварном соединении границы трех характерных зон сварного соединения: сварной шов, зона термического влияния и основной металл. В то же время, ЗТВ включает в себя несколько составляющих.

      Сварной шов характеризуется литой макроструктурой металла. Ему присуща микроструктура кристаллизации шва.

     ЗТВ – участок основного металла, примыкающий к сварному шву, в  пределах которого вследствие теплового воздействия сварочного источника нагрева протекают фазовые и структурные превращения.

В ЗТВ выделяются следующие участки:

     1.Участок  неполного расплавления.

Является переходным от наплавленного металла к основному  и представляет собой узкую полоску основного металла, нагреваемую при сварке до максимальных температур, находящихся в пределах от верхней границы эффективного интервала кристаллизации до линии солидуса.

      При максимальных температурах термического цикла металл этого участка состоит из смеси жидкой и твердой фаз, что способствует развитию гетерофазной диффузии и обогащению объема жидкой фазы ликвидирующими элементами (примесями) с коэффициентом распределения(S,P,As), т.е. к развитию химической микронеоднородности. Размеры этого участка невелики, т.к. в его пределах наблюдается наиболее резкий градиент температур. В сталях с повышенным содержанием углерода, которые имеют сравнительно широкий эффективный интервал кристаллизации, ширина этого участка достаточно велика.

      2.Участок  перегрева.

Представляет  собой объем металла, нагреваемого до Т_max, значения которых находятся в пределах от Т_АС3+200 до температуры солидуса. В процессе пребывания металла при высоких температурах в указанном диапазоне происходит  значительный рост зерен, и интенсивно протекают процессы гомогенизации. Поэтому после охлаждения в этом участке металл будет иметь резко выраженную видмангибетовую структуру и крупно зернистое строение. Кроме того, здесь обычно отмечается некоторое обезуглероживание вследствие протекания процессов гетеродиффузии углерода в макрообъемах из основного металла в наплавляемый жидкий.

      В итоге металл участка перегрева обладает пониженными пластическими и вязкими свойствами. Если скорости охлаждения при сварке приближаются к критическим (обеспечивающим получение закалочных структур), в этом участке, как и в участке неполного расплавления, могут зародиться и развиваться холодные трещины.

      3.Участок  нормализации.

Является объемом  металла, нагретым в процессе сварки до T_max, значения которых находятся в пределах от Т_АС3 до Т_АС3+200. В этом интервале температур протекает процесс перекристаллизации металла, как при нагреве, так и при охлаждении, сопровождающийся явлением фазового наклепа, вследствие чего происходит интенсивное измельчение зерен металла. В результате после охлаждения до комнатных температур в участке нормализации наблюдается равноосная мелкозернистая структура с высокими механическими свойствами, очень часто превышающими свойства основного металла.

      Поскольку для низкоуглеродистой стали  точка А₃ имеет значение порядка 900°С, верхним пределом участка нормализации можно считать значения температур 1050-1100°С, что в свою очередь является нижней границей участка перегрева.

      4.Участок  неполной перекристаллизации.

Представляет  собой объем металла, нагревающийся  при сварке до Т_max, значения которого находятся в пределах от точки А₁ до точки А₃, т.е. от Т_АС1 до Т_АС3,°С. Поскольку структура доэвтектоидной низкоуглеродистой стали представляет собой смесь зерен со структурами феррита и перлита, в процессе сварочного нагрева до указанного диапазона температур происходит образование аустенита (перекристаллизация) только в зернах со структурой перлита. По этой причине название участка отражает сущность протекающих в его пределах структурных изменений.

      Аустенит, будучи пересыщенным при 724°С твердым раствором углерод в γ-железе, растворяет в себе соседние зерна феррита с малым содержанием углерода, концентрация которого убывает до равновесного значения, определяемого кривой GS диаграммы Fe-C. Растворение феррита заканчивается при температуре А₃.

В процессе охлаждения из аустенита выпадают зерна избыточного феррита, а при температуре 724°С при достижении эвтектоидной концентрации углерода в аустените, последний превращается в механическую смесь феррита и цементита Fe₃C-перлит.

В пределах одного зерна аустенита может выпадать несколько мелких зерен феррита, а затем и перлита. Не растворившиеся зерна феррита также подвергаются измельчению вследствие явления фазового наклепа. Однако большинство зерен нерастворенного феррита остается крупными, неподвергшимся перекристаллизации. Резкая контрастность в размерах зерна феррита в участке неполной перекристаллизации определяет сравнительно невысокие механические свойства металла.

      5.Участок  рекристаллизации.

Является объемом  металла, нагревшимся при сварке до T_max, значения которых находились в пределах от 450°С до А₁.

      Если  свариваемые заготовки предварительно были подвергнуты холодной обработке давлением или резанием, то в металле произошло явление механического наклепа, при некотором сдвиге и повороте зерен образуются внутри их фрагменты - субзерна. Явление наклепа сопровождается повышением прочностных и снижением пластических и вязких свойств. Нагрев наклепанного металла до указанных выше температур приводит к интенсивному развитию процессов рекристаллизации, когда благоприятно ориентированные субзерна увеличиваются в размерах за счет неблагоприятно ориентированных соседних зерен.

      После охлаждения до комнатных температур структура участка рекристаллизации будет состоять из достаточно мелких равноосных зерен феррита и перлита, и иметь заметно более низкие прочностные и более высокие пластические и вязкие свойства по сравнению с основным металлом, который в холоднодеформированном состоянии имеет структуры, состоящие из неравноосных, вытянутых в одном направлении зерен и субзерен.

      6.Участок  синеломкости или  старения.

Нагреваемый при  сварке металл до T_max в пределах 150…450°С, имеет при повышенных температурах и после сварки пониженные пластические и вязкие свойства, хотя отличить его по макроструктуре от основного металла весьма затруднительно. При старении примеси внедрения скапливаются преимущественно у границ зерен в форме субмикроскопических частиц, что приводит к снижению пластических и вязких свойств металла.

      Располагая  сведениями о размерах отдельных  участков зоны термического влияния сварного соединения и данными о границах характерных температурных интервалов, можно построить кривую распределения максимальных температур для определенного вида сварки. Представляется целесообразным ограничивать размеры ЗТВ при условии параллельного использования мер предупреждения внутренних напряжений.          

Глава 9. Расчет для участков ЗТВ мгновенной скорости     охлаждения

      Рассчитать  для участков ЗТВ мгновенную скорость охлаждения при Т=500°С и сравнить ее с допускаемой скоростью охлаждения для данной марки стали. Сделать  выводы о возможном трещинообразовании.

 1. Определяем мгновенную скорость охлаждения шва при наплавке валика на массивное тело [1,с.155]:

                      

,                             (13)

 где w – мгновенная скорость охлаждения,°С/с;

 Т₀ – начальная температура свариваемого изделия, принимается Т₀=20°С.

 

.

 2. Определяем минимальную скорость охлаждения, при которой мартенсит будет полностью исключен:

                        

,                                 (14)

 где Т₁ – температура точки начала распада аустенита А₁;

 Т_м – температура мартенситных превращений;

 t_м – минимальное время устойчивости аустенита.

 По диаграмме  изотермического распада аустенита для 15ХСНД:

 Т₁=Т_АС1=724°С

 Т_м=Т=400°С

 t_м=t=0.8сек

 

Таким образом, /w_k/>>/w/, значит, бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит не происходит.

      Вывод: процесс образования холодных трещин в сварном соединении отсутствует, т.к. хрупкие закалочные структуры не образуются.

 

Глава 10. Расчет минимальной температуры                     предварительного подогрева

      Определить  минимальную температуру предварительного подогрева, позволяющую избегать появления закалочных структур.

      В связи с тем, что хрупкие структуры  в сварном соединении могут способствовать образованию трещин вследствие протекания деформации и возникновения внутренних напряжений, определяющих неоднородность температурного поля в свариваемом изделии, или являются весьма нежелательными и в ряде случаев опасными.

      Возможность образования трещин усиливается возникновением в закаленном металле структурных напряжений в связи с меньшей плотностью мартенсита, чем аустенита или его более равновесных продуктов распада.

      Одним из наиболее действенных приемов  для исключения появления закалочных структур, а как следствие и холодных трещин, является сварка с предварительным общим или местным подогревом. Это приводит к уменьшению скорости охлаждения при температурах распада аустенита.

      Температура предварительного подогрева, позволяющая  избегать появления закалочных структур, определяем по формуле [1,с.467]:

                     

                       (15)

      В связи с тем, что хрупкие закалочные структуры в данном сварном соединении не образуются, подогрев заготовок перед сваркой не требуется.

 

Глава 11. Определение  ширины ЗТВ, нагревшейся  свыше    некоторой температуры

      Определить  ширину зоны термического влияния, нагревшейся  свыше 600°С по номограмме, если начальная  температура тела Т_н=20°С.

Приращение температуры [1]:

                         

;                                  (16)

 

Определяем безразмерный критерий приращения температуры:

                        

;                                       (17)

 

      По  номограмме для наплавки валика точечным движущимся источником [3,рис.4.14, 4.21] находим:

 

Ширина зоны, нагревшейся выше 600°С:

                      

;                                    (18)

 

 

Рассчитаем ширину зоны термического влияния, нагревшейся  свыше 600°С по формуле:

<