Теория сварочных процессов (стр. 1 )

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Восточно-Казахстанский государственный

технический университет им. Д. СЕРИКБАЕВА

ТЕОРИЯ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ

Конспект лекций для студентов специальности 5В071200 «Машиностроение» специализации «Оборудование и технология

сварочного производства» всех форм обучения

Усть-Каменогорск

2015

УДК 621.79

Лопухов сварочных процессов: Конспект лекций для студентов специальности 5В071200 «Машиностроение» специализации «Оборудование и технология сварочного производства» по специальности 5В071200 – «Машиностроение» специализации «Оборудование и технология сварочного производства» всех форм обучения /ВКГТУ.- Усть-Каменогорск, 2015. - 27 с.

Одобрено Методическим Советом факультета машиностроения и транспорта

Протокол № ___ от _________ 2015 г.

© ВКГТУ им. Д. Серикбаева,

2015

СОДЕРЖАНИЕ

1 Физические процессы основы сварки металлов и сплавов 2 Термические, механические и термомеханические сварочные п процессы и источники энергии 3 Физико-механические процессы в дуговом разряде. Свойства сварочной дуги 4 Перенос электродного металла сварочной дуги. Виды переноса Силы, действующие на каплю металла 5 Схемы нагреваемых тел и источников тепла при сварке 6 Термический цикл при сварке. Нагрев и плавление основного металла 7 Сварочная дуга 1-го и 2-го типа. Геометрические параметры и температура сварочной дуги 8 Физико-химические процессы в системе «металл-газ» Окисление и раскисление металлов при сварке 9 Взаимодействие металлов с водородом и азотом при сварке плавлением. Пористость и причины её образования 10 Физико-химические процессы в системе «металл - шлак» Сварочные шлаки, составы и их свойства 11 Термодеформационные процессы при сварке. Сварочные напряжения и деформации 12 Кристаллизация металла при сварке 13 Образование холодных трещин при сварке. Образование холодных трещин в сварном соединении 14 Свариваемость металлов и сплавов. Методы оценки свариваемости. 15 Свариваемость черных и цветных металлов. Список литературы

4 6 8 11 13 16 18 20 23 25 28 30 33 35 37 39

1 Физические основы процесса сварки металлов и сплавов

1.1  План лекции

1) Определение понятия «Сварка».

2) Физическая сущность процесса сварки.

3) Вид, метод и способ сварки.

Сварка – получение неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании (ГОСТ 2601 – 84. Сварка металлов. Термины и определения основных понятий). К сварочным технологиям относятся: сварка, наплавка, пайка, термическая резка и напыление. Они применяются во всех отраслях современной промышленности и в медицине.

Кристаллическое строение металлов и сплавов объясняет их высокую прочность твердость, электропроводность и теплопроводность. Атомы в кристаллических решетках металлов находятся на близком расстоянии, равное их расстоянию в кристаллических решетках, то между этими деталями могут образоваться прочные металлические связи. При сварке давлением (в твердом состоянии) с поверхностей деталей должны быть удалены окисные и жировые пленки и к деталям приложено значительное давление, вызывающее пластические деформации в контакте деталей.

При сварке плавлением в общей сварочной ванне перемешиваются поверхностные атомы двух деталей и после кристаллизации ванны образуются общие кристаллические решетки.

Для сближения поверхностных атомов и образования прочных сварных соединений должна быть приложена энергия (механическая, тепловая, химическая, лучевая), которая называется энергией активации. В зависимости от вида используемой энергии применяются следующие виды сварки: механическая, электрическая, лучевая, химическая.

Метод сварки означает, как методически реализуется при сварке тот или иной вид энергии. Например, виды электрической сварки – это дуговая, контактная, шлаковая. Виды механической сварки – трением, холодная, взрывом. Виды лучевой сварки – лазерная, электроннолучевая. Виды механической сварки – газовая, термитная.

Способ сварки указывает, какой вид оборудования или инструмента применяется при сварке. Это ручная, механизированная (полуавтоматическая) и автоматическая.

1.2 Рекомендуемая литература.

1.[3] стр.3-8.

2.[2] стр.8-20.

3.[2] стр.20-21

1.3  Контрольные задания для СРС (тема 1) [1,2]

1) Сварка и сварочные процессы и технологий.

2) Физическая сущность сварки.

3) Вид, метод и способ сварки.

2  Термические, механические и термомеханические сварочные процессы и источники энергии

2.1  План лекции

1) Требования к сварочным источникам энергии.

2) Термические процессы и источники.

3) Механические процессы и источники.

4) Термомеханические процессы и источники.

Источники энергии для термических процессов сварки плавлением (луч, дуга, пламя и др.) должны обеспечивать концентрацию тепловой энергии и температуру в зоне сварки или пятне нагрева заданных размеров, достаточные для плавления материала и провара его на требуемую глубину.

Источники энергии для термомеханических и механических процессов сварки давлением (контактная, термопрессовая, холодная и др.) должны обеспечивать концентрацию тепловой и механической энергии в зоне сварки, а также давление, достаточные для создания физического контакта, активации и химического взаимодействия атомов соединяемых поверхностей.

Должны также обеспечиваться физическая или физико-химическая защита зоны сварки от окружающего воздуха и другие технологические условия.

Для всех термических процессов сварки, независимо от вида носителя энергии (инструмента) она вводится в стык в конечном итоге через расплавленный материал. Энергия хаотически движущихся частиц расплавленного материала в термодинамике называется термической.

К термомеханическим относятся процессы, идущие с введением теплоты и механической энергии сил давления при осадке. Теплота может выделяться при протекании электротока, газопламенном или индукционном нагреве, введении горячего инструмента. Сварка может вестись как с плавлением металла, так и без плавления. Эффективность использования энергии источников при сварке оценивается через эффективный и термический КПД. Эффективный КПД более высок при дуговой сварке (0,6 – 0,9), а термический КПД – у электроннолучевой и лазерной (0,38 – 0,48).

Механические или прессово-механические процессы сварки основаны на пластической деформации, создаваемой в зоне сварного соединения. Для пластичных материалов возможна деформация в холодном состоянии (холодная сварка), а для больших сечений деталей требуется предварительный подогрев (кузнечная сварка). Нагрев свариваемых деталей может осуществляться в результате преобразования механической энергии в тепловую (сварка трением).

Давление осуществляется как с помощью прессовых устройств, так и с помощью взрыва (сварка взрывом).

2.2 Рекомендуемая литература:

1.[2] стр.26.

2.[2] стр.24.

3.[2] стр.26.

4.[2 стр.24-25.

2.3 Контрольные задания для СРС (тема 2) [1,2]

1) Требования к сварочным источникам энергии.

2) Термические процессы и источники.

3) Механические процессы и источники.

4) Термомеханические процессы и источники.

3  Физико-химические процессы в дуговом разряде. Свойства сварочной дуги

3.1 План лекции

1) Виды электрического разряда в газах.

2) Возбуждение дуги и ее зоны.

3) Вольтамперная характеристика дуги.

4) Ионизация газов. Потенциалы ионизации.

Явления, протекающие при прохождении электрического тока через газ, зависят от рода и давления газа, материала электродов, геометрии электродов, протекающего тока.

К устойчивым газовым разрядам относят темный, тлеющий и дуговой. Для дугового разряда характерны малое значение напряжения, большие плотности тока, высокая температура (500-50000 К).

Возбуждение дуги возможно четырьмя способами:

- при переходе из устойчивого маломощного разряда;

- в процессе создания высоко ионизированного потока газа в межэлектродном пространстве с помощью 3-го электрода;

- при переходе из неустойчивого искрового разряда путем подачи импульса высокой частоты или напряжений;

- при замыкании и последующем размыкании электрода.

Межэлектродное пространство состоит из 3-х зон: катодной, анодной и столба электрической дуги. На электродах наблюдаются пятна – анодное А и катодное К.

Вольтамперная характеристика дуги показывает зависимость напряжения от силы тока сварочной дуги. В области малых токов ВАХ дуги с увеличением тока падает (при РДС), в области средних токов ВАХ дуги пологая или горизонтальная (сварка в защитных газах), а при больших токах характеристика возрастающая.

В дуговом промежутке имеют место 3 вида ионизации молекул газов:

-  взаимным соударением частиц;

-  поглощением квантов энергии (фото ионизация);

-  термическая ионизация.

Условие ионизации соударением:

Условие фотоионизации:

h

Условие термической ионизации:

Степень ионизации газов определяется уравнением Саха:

Потенциал ионизации газа в смеси газов:

Удаление электрона из свободного атома или молекулы в газе называется ионизацией, характеризуемой работой и потенциалом ионизации.

Удаление электрона из твердого или жидкого вещества называется выходом.

Работа выхода является наименьшей для следующих химических элементов:

Цезий 1,36В; калий 2,02В; натрий 2,12; барий 2,29В; Са 3,34В.

3.2 Рекомендуемая литература:

1. [2] стр.36-37.