Плавление основного металла

Сварной шов представляет собой сплав электродного и основного металла. Соотношение основного и наплавленного металла можно охарактеризовать как соотношение площадей наплавки Fн и проплавления Fo.

Зона проплавления оценивается следующими основными показателями

Н/В – относительная глубина проплавления;

Fн/Fо – коэффициент площадей.

Н/В зависит от концентрации источника и от величины тока. Глубина проплавления пропорциональна величине тока.

Процесс проплавления разделяется на две стадии:

1. Нагрев основного металла, при этом используется только часть мощности дуги q_ист , оцениваемая эффективным к.п.д. источника _ист

q_ист = _ист IU.

Значения _ист известны из технической литературы.

2. Проплавление основного металла, при этом расходуется часть мощности дуги, оцениваемая термическим к.п.д. _т

_т = q_пр / q_ист ,

при этом q_пр оценивается по формуле q_пр = Fo v_свh_пл ,

где h_пл – скрытая теплота плавления, Дж/кг.

Форма зоны проплавления зависит от размеров сварного соединения, мощности и концентрации источника и определяется формой ванны расплавленного металла.

При использовании дуговых, плазменных и лучевых источников энергии при сварке встык листов малых толщин форма ванны близка к изотерме плавления, рассчитанной по формулам Н.Н. Рыкалина

С ростом толщины металла разница в размерах ванны на нижней и верхней поверхностях листа увеличивается. При достаточно большой толщине листа полное проплавление не достигается.

Н/В  1 Н/В  1 Н/В  1

При недостаточной мощности и концентрации источника для полного проплавления стыковых швов применяется разделка кромок

Fн

Fо

Зная соотношение площадей проплавления и основного металла, можно оценить концентрацию легирующих элементов [Me]_ш , зная концентрации элемента в электродном [Me]_н и основном металлах [Me]_о . Без учета выгорания

Термодеформационные процессы при сварке Свойства металлов при температурах сварочного цикла

Термодеформационные процессы заключаются в упругопластическом деформировании при неравномерном нагреве в процессе сварки и возникновения в результате полей внутренних напряжений и деформаций. Частным случаем внутренних напряжений являются остаточные напряжения , имеющие место при полном остывании тела, подвергнутого термическому циклу.

Внутренние и, в частности, остаточные напряжения являются основными причинами зарождения и распространения трещин при сварке. Деформации, возникшие в результате сварочного нагрева, могут существенно исказить первоначальную форму сварного соединения. Для расчета термических напряжений и деформаций необходимы следующие сведения о механических свойствах металлов и их зависимости от температуры:

1. Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) – Е.

2. Коэффициент линейного расширения  .

3. Предел текучести  _S .

4. Модуль упрочнения  Е_ .

5. Коэффициент Пуассона   .

Р



ассмотрим диаграмму деформация - напряжение реального металла при постоянной температуре

В

_0,2

А

_пр







О₁

О

При нагружении образца данной деформации  соответствует напряжение  . При упругих деформациях они связаны по закону Гука

 = Е ; Е=tg  .

Отметим, что при упругих деформациях снятие нагрузки приводит тело в первоначальное состояние без остаточных деформаций. При достижении напряжений в образце некоторой критической величины предела пропорциональности _пр (точка А на кривой  ) происходит отклонение от закона Гука, причем /Е . Если снять нагрузку в точке В, то разгрузка образца пойдет не по первоначальному пути ОАВ, а, согласно закону Гука, по прямой ВО₁ ОА . При полной разгрузке остается пластическая деформация, соответствующая отрезку ОО₁ . При повторном нагружении упругое деформирование пойдет по прямой О₁В и предел пропорциональности будет соответствовать точке В, причем _А>_В .Этот эффект называется упрочнением за счет пластической деформации или наклепом. Способность материала сопротивляться пластическому деформированию оценивается величиной _0,2 , т.е. величиной напряжения, после снятия которого пластическая деформация составит 0,2 %.

Р



ассмотрим идеализированную диаграмму деформирования

_

_0,2

_пр



О



0,2%

При достижении предела пропорциональности диаграмма имеет перелом и идет под углом  , причем tg  = Е – модуль упрочнения. Для многих пластичных материалов, в т.ч. низкоуглеродистых сталей, на диаграмме  имеется площадка текучести вплоть до деформации 3-4 % . В этом случае Е=0, _пр = _S (предел текучести).

Модуль упругости и предел текучести зависят от температуры. Модуль упругости для сталей одного структурного класса практически не зависит от марки стали.

Е

Ст.3

0

Т,С

800

Более чувствителен к изменению температуры предел текучести.

_S , МПа

_S , МПа

Х18Н9Т

600

Ст.3

300

600 800

T,C

0

T,C

600

В ряде случаев для материалов с протяженной площадкой текучести типа низкоуглеродистых сталей для упрощения расчетов используют схематизированную зависимость _S(T)

_S(T) =_S(0) при Т < 600C

_S(T) = 0 при Т > 600C

Нагрев и охлаждение вызывают изменение линейных размеров тела. Эта зависимость выражается через функцию свободных линейных изменений размеров при термическом воздействии и структурными или фазовыми превращениями. Эта функция называется коэффициентом линейного расширения.

Температурную зависимость (Т) можно определить дилатометрическими измерениями. Образец подвергается запрограммированному нагреву и охлаждению, имитирующему термический цикл сварки. С помощью записывающих устройств записываются деформации свободно закрепленного образца в зависимости от температуры. Текущее значение (Т) определяется тангенсом угла наклепа кривой при заданной температуре 

Т

(Т) = 

Тн

Т

Тк

СтальХ18Н9Т



Сталь45



Дилатограммы сталей, не претерпевающих фазовых превращений, имеют монотонный характер.

Для сталей, претерпевающих мартенситные превращения, на дилатограмме имеются изломы, где (Т) может приобретать отрицательные значения. Параметры дилатограммы зависят от скорости охлаждения.

Для точных расчетов дилатограмма разбивается на интервалы 20...30⁰С.

Схема кинетики внутренних термических напряжений