3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Местный общий нагрев сварка

Влияние нагрева сварочного пламени на структуру шва и зону термического влияния

Сварное соединение можно разделить на три основные зоны, имеющие различную микроструктуру:

  • зону основного металла;
  • зону термического влияния;
  • и зону наплавленного металла сварного шва.

При газовой сварке вследствие медленного нагрева зона термического влияния (околошовная зона) больше, чем при дуговой. Зона термического влияния имеет несколько структурных участков, вызванных температурой нагрева в пределах 450-1500°С и отличающихся между собой формой и строением зерна.

Рисунок 1 — Строение зоны термического влияния сварного шва

Зона термического влияния состоит из следующих участков:

  1. неполного расплавления
  2. перегрева
  3. нормализации
  4. неполной перекристаллизации
  5. рекристаллизации
  6. синеломкости.

Участок неполного расплавления является переходным от наплавленного металла к основному. Он представляет собой область основного металла, нагретого несколько выше температуры плавления, и находится в твердожидком состоянии. Характер этого участка определяет качество сварного соединения, так как в нем происходит сплавление кристаллов металла шва с зернами основного металла. Участок перегрева область основного, сильно нагретого (от 1100 до 1500°С) металла с крупнозернистым строением и пониженными механическими свойствами. Металл в этой зоне имеет структуру крупных перлитных зерен с ферритной сеткой. В сталях с большим содержанием углерода на участке перегрева возможно образование закалочных структур. Участок нормализации область основного металла, нагретого в пределах от 930 до 1100°С. Металл при этих температурах находится сравнительно недолго и в процессе охлаждения при последующей перекристаллизации приобретает мелкозернистую структуру с наиболее высокими механическими свойствами. Участок неполной перекристаллизации область основного металла, нагретого в пределах 720-930°С. Этот участок характеризуется тем, что вокруг крупных зерен феррита, не прошедших перекристаллизацию, располагаются мелкие зерна феррита и перлита, образовавшиеся в результате перекристаллизации. Участок рекристаллизации область основного металла, нагретого в пределах от 450 до 720°С. Участок характерен восстановлением формы и размеров разрушенных зерен металла, ранее подверженного практике или обработке давлением. Участок синеломкости область основного металла, нагретого в пределах 200 до 450°С, видимых структурных изменений не получает. Однако характеризуется снижением пластических свойств.

Общая протяженность околошовной зоны при газовой сварке в зависимости от толщины металла составляет примерно от 8 до 28 мм. Для улучшения структуры и свойств металла шва и зоны термического влияния, выполненных газовой сваркой, применяют горячую проковку металла шва, термообработку нагревом сварочной горелкой и общую термообработку сварного изделия нагревом в печах и медленным охлаждением.

Разновидности сварки

Способы образования монолитного соединения при сварке плавлением и давлением различны. Это определяет подход к выбору того или иного способа сварки при изготовлении сварных конструкций.

Сварка плавлением

Процесс соединения металлов плавлением берет за основу образование общих межатомных связей у соединяемых деталей за счет смены их агрегатного состояния в результате нагрева. После этого происходит обратная кристаллизация сварочной ванны. До сих пор данная группа методов остается распространенной, благодаря высокому качеству соединения, а также доступности и относительно малой ресурсоемкости процесса.

Читать еще:  Водопровода и канализации к строящемуся дому

Дуговая сварка

Электродуговая сварка эффективно используется уже более ста лет. Суть процесса лежит в образовании высоковольтного электрического разряда между поверхностью металла и сварочным электродом – дуги. Материалом дуги при этом является плазма, электрическое сопротивление которой крайне велико. Ток поддерживает постоянную температуру плазмы, а она, в свою очередь, нагревает поверхности, с которыми контактирует. В зависимости от технологии электродуговой сварки выделяют:

Такое изобилие подвидов электродугового процесса обусловлено поиском способов повышения качества шва путем снижения уровня воздействий на него внешних факторов: естественных теплопотерь, химических реакций от веществ, взаимодействующих с металлом в сварочной ванне и др.

Газопламенная сварка

Источником тепла при пламенной сварке служит высокотемпературное газовое пламя, образующееся в горелке при сжигании рабочей смеси. В состав смеси обязательно входят кислород и горючее вещество, роль которого могут играть:

  • газ (ацетилен, пропан, бутан, водород);
  • смесь газов (метилацетилен-алленовая фракция, блаугаз);
  • горючая жидкость (керосин, бензин, бензол) и др.

При этом выделяют три типа пламени: окислительное, нейтральное и восстановительное. От типа пламени зависит содержание углерода в свариваемых чугунах и сталях, смена типов достигается регулированием пропорций смешивания горючего вещества и кислорода.

Главным критерием совершенствования плазменных сварочных процессов сегодня является разработка путей применения газов со сверхвысокой температурой горения. В первую очередь, это дициан (до 4500℃) и ацетилендинитрил (до 5000℃).

Плазменная сварка

Если электродуговая сварка предполагает образование плазменного разряда непосредственно в зоне плавления, то плазменная требует подачи готовой плазмы из внешнего устройства – плазмотрона. Ее образование происходит между электродом и соплом устройства, а концентрация и выброс наружу становятся возможными, благодаря действию электромагнитных полей. Таким образом, данный способ обеспечивает не только плавящее, но и газодинамическое воздействие на металл.

Кроме сварки, плазменный метод нашел широкое распространение в процессах наплавки, напыления и резки металлических изделий.

Например, процесс плазменной резки предполагает направленный нагрев металла струей плазмы с одновременным выдуванием расплавленного вещества из образующихся ванн.

Электрошлаковая сварка

Шлаковый процесс предполагает нагрев зоны соединения металлов теплом шлаковой ванны, которая, в свою очередь, раскаляется электрическим током. В процессе кристаллизации металла шлак играет защитную роль – он препятствует процессам окисления, а также перекрывает доступ водорода к месту стыка, что важно, поскольку именно перенасыщение водородом провоцирует образование трещин при быстром остывании металла. Как и дуговая, электрошлаковая сварка классифицируется по типу электродов. Выделяют:

  • проволочные электроды;
  • пластинчатые электроды;
  • плавящиеся мундштуки.

Возможно одновременное использование нескольких электродов в автоматизированном электрошлаковом процессе, а также применение технологии сварки колеблющимся электродом.

Чаще всего шлаковую сварку используют для соединения элементов толщиной 15-600 мм, например, корпусных деталей кораблей и бронетанковых машин.

Электронно-лучевая сварка

Суть метода состоит в подаче концентрированного луча отрицательно заряженных частиц с катода специального устройства – электронной пушки. Обычно лучевая сварка ведется в вакууме с давлением не более 10 -3 Па, однако, допустим и атмосферный процесс, когда частицы покидают вакуум непосредственно перед свариваемой поверхностью. Среди главных достоинств метода:

  1. Высокая точность и широкий диапазон изменения пятна нагрева, что дает возможность работать с деталями толщиной от нескольких микрон до нескольких дециметров.
  2. Возможность формирования сварочной ванны с соотношением глубины к диаметру 20:1 и более.
  3. Дегазация металла, крайне малая вероятность попадания посторонних веществ в сварочную ванну.
  4. Возможность сварки тугоплавких и химически активных веществ, например, вольфрама, титана, тантала, никеля, молибдена, циркония, керамики.
Читать еще:  Электрокотел для отопления дома 160 квадратных метров

К недостаткам технологии, в свою очередь, относят вероятность образования полостей в местах стыка, а также существенные затраты времени и энергии на образование вакуума, необходимого для формирования электронного луча.

Этих недостатков фактически лишена лазерная сварка, действующая по схожему принципу.

Сварка давлением

Если классическая сварка плавлением предполагает образование общей сварочной ванны с последующей кристаллизацией вещества в ней, то сварка давлением добавляет к этому процессу пластичные деформации, получаемые за счет статических или, реже, динамических нагрузок. При этом плавление металла не является обязательным условием, хотя местный нагрев присутствует почти всегда (исключение – холодная сварка).

Диффузионная сварка

Диффузия представляет собой процесс свободного хаотичного перемещения атомов в веществе, интенсивность которого увеличивается при повышении температуры. Обычно диффузионная сварка проводится в вакууме или защитной газовой среде с местным нагревом контактирующих поверхностей до 800℃ или более.

Одним из главных достоинств данного метода является возможность надежного соединения разнородных материалов, зачастую с кардинально разными физико-химическими свойствами.

Так, диффузионная сварка нашла широкое применение при создании многослойных композитных материалов.

Газопрессовая сварка

Газопрессовый метод, как несложно догадаться из названия, представляет собой последовательный нагрев рабочих поверхностей деталей кислородно-газовым пламенем горелки с приложением статичной силы. Эти процессы могут протекать как одновременно, так и последовательно. Последовательный процесс более распространен, он предполагает такой алгоритм действий:

  1. Заготовки устанавливаются в исходное положение с небольшим зазором.
  2. С помощью горелки (торцевой, подковообразной или многопламенной) края заготовок оплавляются.
  3. На заготовки оказывается осевое давление, они совмещаются и свариваются.

Чаще всего газопрессовую сварку применяют для соединения металлопрофиля (полос, стержней, труб и др.), а также железнодорожных рельсов.

Электроконтактная сварка

В промышленном производстве однотипных металлических изделий важно обеспечить высокую скорость, точность и надежность стыков, а потому электроконтактная варка является одним из основных индустриальных методов. Она предполагает сваривание стыков токами низкого напряжения с одновременным сжиманием шва пневматическими или гидравлическими прессами. Выделяют такие виды контактной сварки:

  • точечная – заготовки соединяются в одной или нескольких точках;
  • рельефная – аналогична точечной, однако, предполагает предварительную подготовку выступов для сварочных точек;
  • шовная – заготовки соединяются рядом точек, перекрывающих друг друга (герметичный шов) или расположенных с небольшими интервалами;
  • стыковая – заготовки соединяются по всей поверхности контакта.

Современные универсальные станки для электроконтактной сварки могут работать с заготовками из самых разных металлов, а также с деталями, имеющими сложный профиль. Это делает контактный метод одним из самых распространенных в машиностроительной индустрии.

Холодная сварка

Процесс представляет собой пластичную деформацию заготовок при температуре ниже точки рекристаллизации. За счет значительных механических усилий происходит взаимопроникновение поверхностных слоев металла с образованием стойких межатомных связей. Главная сложность при этом заключается в необходимости полного устранения посторонних веществ, в первую очередь – оксидов и поверхностных пленок. Самыми распространенными типами холодносварных соединений стали такие:

  • встык;
  • внахлест;
  • втавр.

Типы сварных соединений

Надежность соединения заготовок холодной сваркой зависит от двух основных факторов: силы сжатия и степени деформации. Если они достаточны, возможно прочное соединение даже разнородных веществ, в том числе чувствительных к нагреву.

Предварительный нагрев в сварке и что не стоит забывать

Явление нагрева сварного шва в околошовной зоне перед началом процедуры сварки известно под названием предварительный нагрев. В основном он применяется для печей, резистивных нагревательных элементов, горелок и высокочастотных нагревательных элементов. Процедура помогает устранить риск появления холодных трещин на металле и препятствует чрезмерному повышению твердости.

Читать еще:  Ажурный забор из металла своими руками

Зачем использовать предварительный нагрев?

Ниже приведены основные причины использования предварительного нагрева в процедуре сварки.

  1. Термическая обработка сварных конструкций устраняет влажность поверхности, а, следовательно, способствует уменьшению растрескивания.
  2. Она улучшает последующее расплавление и осаждение металла шва.
  3. Это снижает развитие напряжений, способствуя равномерному расширению и сжатию между сварным швом и основным металлом.
  4. Одной из основных задач предварительного нагрева является замедление скорости охлаждения, обеспечивающей равномерное затвердевание шва. Таким образом микроструктура металла будет иметь качественные механические свойства.

Исходя из соображений применения, термическая обработка сварных конструкций может определятся различными способами.

  • Предварительный подогрев — минимальная температура сварного шва задается сразу перед началом сварки. В спецификации процесса сварки (WPS) он может быть указан в определенном диапазоне.
  • Подогрев между проходами – в многопроходной сварке перед началом следующего прохода требуется максимальная температура. Нагрев в таком случае не может быть ниже, чем минимальное значение предварительной термической обработки.
  • Поддерживание сварочной температуры — минимальная температура сварочной зоны, которая должна поддерживаться на протяжении всего процесса сварки. При прерывании работ температура зоны сварного шва не должна понижаться.

Где применяется термическая обработка сварных конструкций?

Как правило, предварительный подогрев применяется на основном металле на определенном расстоянии от шва. Давайте предположим, что А — это определенная часть углового шва, тогда в таком случае возникают две проблемы при расчете расстояния для применения предварительного нагрева.

  1. Если толщина основного металла меньше или равна 50 мм, то значение А не должно превышать 50 мм от шва.
  2. Если толщина основного металла превышает 50 мм, то А обязано быть менее 75 мм от шва (инструкция по выдаче сертификатов персоналу, проверяющему качество сварки: CSWIP 23,4).

Температуры предварительного нагрева

У многих возникнет вопрос: до каких температурных значений нагревать металл? Ответить на данный вопрос поможет рекомендуемая температура нагрева стальных металлических конструкций перед сваркой. В таблице ниже она отображается относительно к толщине и составу разных сталей.

Оборудование

Сегодня на рынке разработано несколько видов оборудования, которые используются в некоторых коммерческих отраслях с целью индикации температуры предварительного нагрева, ее измерения и контроля. Ниже перечислены основные температурные датчики и измерительные приборы, которые применяются для этого.

Контактный термометр — используется для точного измерения температуры до 350 градусов по Цельсию. Он состоит из устройства измерения температуры, известного как «термистор», его сопротивление значительно снижается при нагревании, а значит обратно пропорционально температуре. Однако, чтобы получить точные результаты возникает необходимость «периодической калибровки», что является минусом этого оборудования.

Термокарандаш и термопаста — состоят из материала, который плавится или меняет свой цвет при нагревании в зависимости от температуры. Они доступные, предлагаются по низкой цене и просты в использовании. Их слабая сторона — они не дают точных измерений.

Термопара — работает по принципу измерения термоэлектрической разности потенциалов между горячим металлом сварного шва и свариваемым металлом для вычисления температуры. Применяется во время сварки, после нее и для термической обработки с целью постоянного мониторинга и контроля температуры нагрева и охлаждения. Оборудование дает точные измерения в широком диапазоне температур, но у него есть необходимость периодической калибровки. Это является весомой проблемой.

Источники:

http://weldering.com/vliyanie-nagreva-svarochnogo-plameni-strukturu-shva-zonu-termicheskogo-vliyaniya
http://elsvarkin.ru/texnologiya/raznovidnosti-svarki/
http://blog.svarcom.net/materials/predvaritelnyj-nagrev-v-svarke.html

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector