Помощь студентам в учебе
Методика расчёта химического состава металла швов, выполняемых дуговой сваркой плавящимся электродом, с использованием теории распространения тепла
|
Введение 4
1 Расчётные методы определения площади проплавления основного металла
при дуговой сварке 9
1.1 Общие вопросы расчёта размеров сварочной ванны при дуговой сварке.9
1.2 Влияние электродного металла на проплавление основного металла 11
1.3 Неподвижные источники тепла 18
1.4 Движущийся точечный источник тепла на поверхности
полубесконечного тела 22
1.5 Движущийся линейный источник тепла в бесконечной пластине 25
1.6 Движущийся точечный источник тепла на поверхности пластины 27
1.7 Движущийся нормально-круговой источник тепла на поверхности
пластины 29
1.8 Методики определения химического состава наплавляемого металла...31
2 Исследования влияния параметров сварки на площадь проплавления
основного металла 40
2.1 Компьютерная программа для расчёта размеров сварочной ванны при
действии точечного источника тепла на поверхность пластины 40
2.2 Исследование влияния мощности дуги, скорости сварки, толщины
металла 43
2.3 Обоснование методики для определения геометрических параметров
сварочной ванны 46
2.4 Выводы по 2 главе 49
3 Методика проведения экспериментов 50
3.1 Оборудование, приборы и материалы для исследования 50
3.2 Условия проведения эксперимента и методика его проведения 63
4 Описание результатов экспериментов 71
4.1 Результаты измерений геометрических параметров шва 71
4.2 Расчёт площади проплавления основного металла 73
4.3 Расчёт химического состава металла шва и сравнение с данным
спектрального анализа 79
4.4 Выводы по 4 главе 88
Заключение 90
Список используемой литературы и источников 91
Приложение А Сертификат качества производителя на партию электродов марки OK 76.18 96
1 Расчётные методы определения площади проплавления основного металла
при дуговой сварке 9
1.1 Общие вопросы расчёта размеров сварочной ванны при дуговой сварке.9
1.2 Влияние электродного металла на проплавление основного металла 11
1.3 Неподвижные источники тепла 18
1.4 Движущийся точечный источник тепла на поверхности
полубесконечного тела 22
1.5 Движущийся линейный источник тепла в бесконечной пластине 25
1.6 Движущийся точечный источник тепла на поверхности пластины 27
1.7 Движущийся нормально-круговой источник тепла на поверхности
пластины 29
1.8 Методики определения химического состава наплавляемого металла...31
2 Исследования влияния параметров сварки на площадь проплавления
основного металла 40
2.1 Компьютерная программа для расчёта размеров сварочной ванны при
действии точечного источника тепла на поверхность пластины 40
2.2 Исследование влияния мощности дуги, скорости сварки, толщины
металла 43
2.3 Обоснование методики для определения геометрических параметров
сварочной ванны 46
2.4 Выводы по 2 главе 49
3 Методика проведения экспериментов 50
3.1 Оборудование, приборы и материалы для исследования 50
3.2 Условия проведения эксперимента и методика его проведения 63
4 Описание результатов экспериментов 71
4.1 Результаты измерений геометрических параметров шва 71
4.2 Расчёт площади проплавления основного металла 73
4.3 Расчёт химического состава металла шва и сравнение с данным
спектрального анализа 79
4.4 Выводы по 4 главе 88
Заключение 90
Список используемой литературы и источников 91
Приложение А Сертификат качества производителя на партию электродов марки OK 76.18 96
В нефте-газодобывающей и химической отраслях промышленности используется большая номенклатура легированных сталей, как отечественных, так и импортных. Необходимость применения данных сталей обусловлена условиями эксплуатации: агрессивной средой, высокой температурой эксплуатации, избыточным давлением и другими.
Наличие в химическом составе металла легирующих элементов улучшает механические свойства стали. Так, например, содержание кремния в стали повышает прочность, упругость и твердость стали в тоже время, снижая вязкость стали. Присутствие марганца в стали влияет на твердость и прочность, а также улучшает прокаливаемость и свариваемость стали. Наличие хрома способствует повышению износостойкости и увеличению прочности стали. Наличие никеля положительно влияет на прочность, вязкость и твердость, при этом мало влияя на пластичность, но сильно повышая прокаливаемость и коррозионную стойкость стали. Молибден повышает жаропрочность стали, способствует образованию мелкозернистой однородной структуры, улучшает свариваемость и обрабатываемость резанием [1].
Эти механические свойства крайне важны, и их необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций. В свою очередь механические свойства стали характеризуются химическим составом металла, поэтому необходимо особое внимание уделять концентрации легирующих элементов.
Особого внимания требует не только химический состав основного металла, но и химический состав сварного шва. При сварке плавлением можно регулировать химический состав шва за счет добавления присадочного металла и металлургических реакций флюсов и защитных газов. Сварной шов представляет из себя некий сплав из основного металла и добавленного металла. Составы сварных швов чрезвычайно разнообразны вследствие разнообразия толщин, основного металла, подготовки кромок и сборки, параметров сварки, разнообразия сварочных материалов. Так как химический состав наплавляемого металла будет характеризоваться химическим составом присадочного металла и металлургических реакций, необходимо также уделять особое внимание химическому составу сварочных материалов.
На данный момент в России наиболее востребованным способов сварки остается ручная дуговая сварка покрытым электродом. Свидетельствует этому анализ, проведенный руководителем аттестационного центра сварочных технологий г. Тольятти Смирнов И.В., по результатам которого, порядка 65% аттестаций по способам сварки приходиться на ручную дуговую сварку покрытым электродом [2].
Такая востребованность ручной дуговой сварки покрытым электродом обусловлена рядом преимуществ над другими способами сварки:
- возможность сварки во всех пространственных положениях.
- возможность сварки в труднодоступных местах.
- относительную дешевизну оборудования.
- низкие затраты при сварке коротких швов и малой серийности свариваемых узлов и конструкций.
- в большинстве случаев обеспечивается высокое качество наплавленного металла.
К недостаткам технологии ручной сварки следует отнести нестабильность параметров, что приводит к повышенной химической неоднородности сварных швов, а, следовательно, и механических свойств, и других эксплуатационных характеристик соединений. При этом во многих случаях эксплуатационная надежность сварных соединений будет зависеть не от усредненных свойств соединений, а определяться самой слабой зоной соединения. Поэтому при сварке большое внимание уделяется предупреждению и затем обнаружению дефектов сварных соединений.
Неоднородности сварных швов при ручной сварке дополнительно способствует такое ее свойство как нагрев вылета электрода. Вылет электрода при сварке постепенно уменьшается, а электрод достаточно сильно нагревается к концу своего сгорания, и скорость его плавления может существенно увеличиться [3; 4; 5; 6]. Поскольку провар основного металла не изменяется, будет увеличиваться доля участия электродного металла в сварном шве по его длине.
Анализ химического состава наплавленного металла необходим для решения следующих задач:
- определение производителем сварочных материалов их соответствия требованиям стандартов и оформление сертификата соответствия;
- контроль потребителем соответствия сварочных материалов данным сертификата соответствия;
- аттестация сварочных материалов на соответствие требованиям использования на объектах повышенной опасности, подконтрольных Ростехнадзору;
- при создании новых марок сварочных материалов.
Анализ химического состава сварных швов необходим для:
- отработки и оптимизации технологии сварки и контроля за ее соблюдением;
- анализа причин недопустимых отклонений химического состава сварных швов.
Поэтому разработка более простого способа контроля содержания наплавленного металла путем определения содержания дополнительного металла позволит сэкономить значительные ресурсы и создаст предпосылки повышения качества сварных соединений путем контроля за стабильностью их состава.
До сих пор оптимизации химического состава сварных швов при сварке уделялось недостаточно внимания. Это в значительной степени связано с высокой трудоемкостью и затратами для определения химического состава наплавленного металла [7; 8; 9]. Для этого в основном используется многослойная наплавка образцов. Это, по-видимому, во многом связано с тем, что содержание легирующих элементов и вредных примесей в наплавке должно было выполняться методами химического анализа, также весьма трудоемкими. Стружку для анализа необходимо отбирать на достаточно большой глубине пробы в верхних слоях наплавки.
При химическом анализе сварных производственных швов требуется их разрушение, что в большинстве случаев недопустимо. Поэтому текущий контроль химического состава швов в производстве практически не осуществляется в отличие от неразрушающих методов контроля дефектов.
Создание простого и эффективного метода неразрушающего контроля химического состава сварных швов является весьма актуальной задачей для производства и ремонта ответственных сварных конструкций. При этом по аналогии с неразрушающим дефектоскопическим контролем должны устанавливаться допускаемые отклонения по содержанию основных легирующих и вредных элементов. Для этого необходимо предварительное выполнение достаточно большого объема исследований.
Появление портативных спектрометров для определения химического состава металлов во многом меняет картину. Такие приборы становятся все более доступными непосредственно в цеховых условиях, а в ближайшем будущем их доступность увеличится. Однако для такого подхода необходимо создание соответствующей методической базы.
Анализ образования сварного шва как сплава показывает, что такой контроль может быть осуществлен, если будет решена задача надежного определения площади поперечного сечения проплавления основного металла, так как площадь поперечного сечения наплавленного металла определить не так сложно. Недавно в РФ был зарегистрирован патент [10], в котором предлагается путем несложного определения двух размеров сварного шва находить параметры распределения теплового потока сварочной дуги и на этой основе рассчитывать поперечное сечение проплавления основного металла. Однако использование этой идеи и ее применение в производстве требует определенных исследований.
В связи с изложенным выше, данная работа, посвященная адекватности расчетного определения содержания дополнительного металла сварных швов на основе расчета площади поперечного сечения расплавления основного металла с помощью теории распространения тепла, представляется актуальной.
Ее целью является повышения качества сварных соединений путем увеличения производительности контроля их химического состава за счёт использования методики определения площади проплавления основного металла с помощью теории распространения тепла.
Наличие в химическом составе металла легирующих элементов улучшает механические свойства стали. Так, например, содержание кремния в стали повышает прочность, упругость и твердость стали в тоже время, снижая вязкость стали. Присутствие марганца в стали влияет на твердость и прочность, а также улучшает прокаливаемость и свариваемость стали. Наличие хрома способствует повышению износостойкости и увеличению прочности стали. Наличие никеля положительно влияет на прочность, вязкость и твердость, при этом мало влияя на пластичность, но сильно повышая прокаливаемость и коррозионную стойкость стали. Молибден повышает жаропрочность стали, способствует образованию мелкозернистой однородной структуры, улучшает свариваемость и обрабатываемость резанием [1].
Эти механические свойства крайне важны, и их необходимо учитывать при проектировании сварных конструкций. В свою очередь механические свойства стали характеризуются химическим составом металла, поэтому необходимо особое внимание уделять концентрации легирующих элементов.
Особого внимания требует не только химический состав основного металла, но и химический состав сварного шва. При сварке плавлением можно регулировать химический состав шва за счет добавления присадочного металла и металлургических реакций флюсов и защитных газов. Сварной шов представляет из себя некий сплав из основного металла и добавленного металла. Составы сварных швов чрезвычайно разнообразны вследствие разнообразия толщин, основного металла, подготовки кромок и сборки, параметров сварки, разнообразия сварочных материалов. Так как химический состав наплавляемого металла будет характеризоваться химическим составом присадочного металла и металлургических реакций, необходимо также уделять особое внимание химическому составу сварочных материалов.
На данный момент в России наиболее востребованным способов сварки остается ручная дуговая сварка покрытым электродом. Свидетельствует этому анализ, проведенный руководителем аттестационного центра сварочных технологий г. Тольятти Смирнов И.В., по результатам которого, порядка 65% аттестаций по способам сварки приходиться на ручную дуговую сварку покрытым электродом [2].
Такая востребованность ручной дуговой сварки покрытым электродом обусловлена рядом преимуществ над другими способами сварки:
- возможность сварки во всех пространственных положениях.
- возможность сварки в труднодоступных местах.
- относительную дешевизну оборудования.
- низкие затраты при сварке коротких швов и малой серийности свариваемых узлов и конструкций.
- в большинстве случаев обеспечивается высокое качество наплавленного металла.
К недостаткам технологии ручной сварки следует отнести нестабильность параметров, что приводит к повышенной химической неоднородности сварных швов, а, следовательно, и механических свойств, и других эксплуатационных характеристик соединений. При этом во многих случаях эксплуатационная надежность сварных соединений будет зависеть не от усредненных свойств соединений, а определяться самой слабой зоной соединения. Поэтому при сварке большое внимание уделяется предупреждению и затем обнаружению дефектов сварных соединений.
Неоднородности сварных швов при ручной сварке дополнительно способствует такое ее свойство как нагрев вылета электрода. Вылет электрода при сварке постепенно уменьшается, а электрод достаточно сильно нагревается к концу своего сгорания, и скорость его плавления может существенно увеличиться [3; 4; 5; 6]. Поскольку провар основного металла не изменяется, будет увеличиваться доля участия электродного металла в сварном шве по его длине.
Анализ химического состава наплавленного металла необходим для решения следующих задач:
- определение производителем сварочных материалов их соответствия требованиям стандартов и оформление сертификата соответствия;
- контроль потребителем соответствия сварочных материалов данным сертификата соответствия;
- аттестация сварочных материалов на соответствие требованиям использования на объектах повышенной опасности, подконтрольных Ростехнадзору;
- при создании новых марок сварочных материалов.
Анализ химического состава сварных швов необходим для:
- отработки и оптимизации технологии сварки и контроля за ее соблюдением;
- анализа причин недопустимых отклонений химического состава сварных швов.
Поэтому разработка более простого способа контроля содержания наплавленного металла путем определения содержания дополнительного металла позволит сэкономить значительные ресурсы и создаст предпосылки повышения качества сварных соединений путем контроля за стабильностью их состава.
До сих пор оптимизации химического состава сварных швов при сварке уделялось недостаточно внимания. Это в значительной степени связано с высокой трудоемкостью и затратами для определения химического состава наплавленного металла [7; 8; 9]. Для этого в основном используется многослойная наплавка образцов. Это, по-видимому, во многом связано с тем, что содержание легирующих элементов и вредных примесей в наплавке должно было выполняться методами химического анализа, также весьма трудоемкими. Стружку для анализа необходимо отбирать на достаточно большой глубине пробы в верхних слоях наплавки.
При химическом анализе сварных производственных швов требуется их разрушение, что в большинстве случаев недопустимо. Поэтому текущий контроль химического состава швов в производстве практически не осуществляется в отличие от неразрушающих методов контроля дефектов.
Создание простого и эффективного метода неразрушающего контроля химического состава сварных швов является весьма актуальной задачей для производства и ремонта ответственных сварных конструкций. При этом по аналогии с неразрушающим дефектоскопическим контролем должны устанавливаться допускаемые отклонения по содержанию основных легирующих и вредных элементов. Для этого необходимо предварительное выполнение достаточно большого объема исследований.
Появление портативных спектрометров для определения химического состава металлов во многом меняет картину. Такие приборы становятся все более доступными непосредственно в цеховых условиях, а в ближайшем будущем их доступность увеличится. Однако для такого подхода необходимо создание соответствующей методической базы.
Анализ образования сварного шва как сплава показывает, что такой контроль может быть осуществлен, если будет решена задача надежного определения площади поперечного сечения проплавления основного металла, так как площадь поперечного сечения наплавленного металла определить не так сложно. Недавно в РФ был зарегистрирован патент [10], в котором предлагается путем несложного определения двух размеров сварного шва находить параметры распределения теплового потока сварочной дуги и на этой основе рассчитывать поперечное сечение проплавления основного металла. Однако использование этой идеи и ее применение в производстве требует определенных исследований.
В связи с изложенным выше, данная работа, посвященная адекватности расчетного определения содержания дополнительного металла сварных швов на основе расчета площади поперечного сечения расплавления основного металла с помощью теории распространения тепла, представляется актуальной.
Ее целью является повышения качества сварных соединений путем увеличения производительности контроля их химического состава за счёт использования методики определения площади проплавления основного металла с помощью теории распространения тепла.
Цель данной магистерской диссертации заключалась в повышении качества сварных соединений за счёт увеличения производительности при контроле их химического состава, в ходе использования методики определения площади проплавления основного металла с помощью теории распространения тепла.
Из полученных результатов можно утверждать, что использование данной методики даёт весьма точное значение площади сечения расплавления основного металла, при ручной дуговой сварке плавящимся электродом без поперечных колебаний. Погрешность расчётного результата в сравнении с экспериментальным результатом, составила всего 4,5 %. Это несущественно отразится на определении химического состава дополнительного металла.
Результат проделанной работы указывает на то, что использование данной методики позволяет определять химический состав дополнительного металла, в сварном шве, с высокой точностью, не прибегая к разрушению самого шва. Это позволяет усовершенствовать метод определения химического состава наплавленного металла, что немаловажно при входном контроле на производстве; сертификации плавящихся электродов; разработке новых марок плавящихся электродов.
При дальнейшем развитии данной тематики необходимо проведение аналогичных исследований с разнообразными способами сварки. Результаты данных исследований могут лечь в основу создания неразрушающего метода контроля химического состава сварных швов, что является актуальной задачей на данный момент.
Из полученных результатов можно утверждать, что использование данной методики даёт весьма точное значение площади сечения расплавления основного металла, при ручной дуговой сварке плавящимся электродом без поперечных колебаний. Погрешность расчётного результата в сравнении с экспериментальным результатом, составила всего 4,5 %. Это несущественно отразится на определении химического состава дополнительного металла.
Результат проделанной работы указывает на то, что использование данной методики позволяет определять химический состав дополнительного металла, в сварном шве, с высокой точностью, не прибегая к разрушению самого шва. Это позволяет усовершенствовать метод определения химического состава наплавленного металла, что немаловажно при входном контроле на производстве; сертификации плавящихся электродов; разработке новых марок плавящихся электродов.
При дальнейшем развитии данной тематики необходимо проведение аналогичных исследований с разнообразными способами сварки. Результаты данных исследований могут лечь в основу создания неразрушающего метода контроля химического состава сварных швов, что является актуальной задачей на данный момент.