Теоретичні основи та технологія зварювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Опис способу зварювання

Вихідні дані:

Умовні позначення в таблиці:

- машина: П - підвісна із зварювальними кліщами

- хід електродів (тільки для підвісних машин): Пр - прямолінійний

- Н - нержавіюча сталь (08Х18Н10Т)

Точкове зварювання - це спосіб при якому деталі в напускному з'єднанні зварюються в окремих обмежених ділянках дотику. Деталі 1 затискаються зусиллям F_зв між електродами 2, які з'єднані з джерелом зварювального струму 3 (рис. 1.1).

Деталі нагріваються при проходженні імпульсу зварювального струму до утворення зони взаємного розплавлення 4, що називається ядром. Нагрівання зони зварювання супроводжується пластичною деформацією нагрітого металу в зоні контакту (навколо ядра), де утворюється ущільнюючий поясок 5, що запобігає вибризкуванню рідкого металу ядра та його контакту з повітрям. Після вимкнення струму розплавлене ядро охолоджується і кристалізується, утворюючи металічні зв'язки між деталями.

2. Аналіз вихідних даних

Сталь 08Х18Н10Т відноситься до третьої групи (леговані сталі і сплави) підгрупи “а” - це сталі аустенітного класу (08Х18Н10Т, 04Х18Н10 та ін, які характеризуються низьким вмістом вуглецю, великою міцністю, пластичністю, високою корозійною стійкістю, підвищеним питомим опором (с = 75 ·10^-8 Ом·м).[1]

2.1 Хімічний склад матеріалу[2]

2.2 Механічні властивості

Умовні позначення: t-температура, у₀₂-границя текучості, у_в- межа міцності,

д₅- відносне видовження, ш- відносне звуження, КСU-ударна в'язкість.

2.3 Фізичні властивості

2.4 Характеристика матеріалу з точки зору можливості з'єднання способами зварювання тиском

Виходячи з заданого матеріалу(08Х18Н10Т), що характеризуються низьким вмістом вуглецю, великою міцністю, пластичністю, високою корозійною стійкістю, підвищеним питомим опором ( с = 75 ·10^-8 Ом·м). Зварювальний струм при їх з'єднанні встановлюють нижче, а зусилля стискання у 1,5 разів вище, ніж для групи 1.Вибір та обґрунтування оптимальних конструкційних елементів зварного з'єднання.

Згідно ГОСТ 15878-79 [3], виходячи з заданих даних оберемо оптималь конструкційні елементи.

Допустима величина проплавлення h складає 20-80% товщини деталей.

Глибина вм'ятини g не повинна перевищувати 20% товщини деталі

Умовні позначення: Кт - точкове зварювання; s і s₁-товщина деталі; d - розрахунковий діаметр литого ядра точки або ширина литої зони шва; h- величина проплавлення; g - глибина вм'ятини; t - відстань між центрами сусідніх точок в ряду; с- відстань між осями сусідніх рядів точок при ланцюговому розташуванні; В - величина напустку;

3. Теоретичні основи та технологія зварювання

3.1 Схема формування зварного з'єднання.

Необхідною умовою формування з'єднання при точковому, рельєфному та шовному зварюванні є утворення спільної, для з'єднуваних деталей, зони розплавлення (ядра), розміри якого регламентуються стандартом.

Утворення зварної точки характеризується малим часом (десяті і соті частки секунди) та великим зварювальним струмом (кілоампери і десятки кілоампер) і відбувається в три етапи

Перший етап: починається з прикладання зусилля до деталей, що викликає пластичну деформацію мікронерівностей у контактах деталь-деталь та електрод-деталь. Потім вмикається зварювальний струм, метал нагрівається, вирівнюється мікрорельєф, руйнуються поверхневі плівки, формується електричний контакт. Нагрітий метал, деформуючись, утворює у зазорі між деталями ущільнюючий поясок.

Другий етап: пов'язаний з розплавленням металу та утворенням ядра. З часом проходження струму ядро збільшується до максимальних розмірів, відбувається перемішування розплаву, подрібнення та руйнування оксидних плівок, які розподіляються в об'ємі рідкого металу ядра. Цьому сприяє дія електродинамічних сил, яка інтенсифікує процес перемішування ядра та його складових у випадку зварювання різнорідних металів. Закінчується процес утворення металічних зв'язків у рідкій фазі. У випадку рельєфного зварювання вкінці цього етапу має місце майже повна осадка рельєфу.

Третій етап: починається з моменту вимкнення струму. Рідкий метал ядра охолоджується внаслідок відведення тепла в електроди і в деталі, що зварюються, та кристалізується. Виникають залишкові напруження, як результат зменшення об'єму металу при охолодженні. Після закінчення цього етапу при точковому та рельєфному зварюванні знімають зусилля стиснення електродів. Для отримання наступного з'єднання цикл через деякий час повторюють.

3.2 Опис джерел тепла, що існують в процесі зварювання з'єднання

Джерелами теплоти при контактному точковому зварюванні є:

1) об'ємно розподілене джерело з питомою потужністю j²*с, де j - густина струму (головне джерело);

2) плоскі джерела з питомими потужностями

які пов'язані з виділенням теплоти на відповідних контактних опорах;

3) плоске джерело, обумовлене ефектом Пельтьє. За цим ефектом при проходженні струму через контакт двох рiзнорiдних металiв (наприклад: електрод-деталь) або через межу рiдкої та твердої фаз (ядро-деталь) має місце видiлення або поглинання теплоти в цьому контакті. Причому, якщо напрямок струму такий, що електрони переносяться з металу, де їх енергiя вища, то температура такого контакту зростає. Частка всiх плоских джерел у загальному тепловому балансi не перевищує 10 % i ними звичайно нехтують.

Теплова енергiя Q_ее, яка видiляється в зонi зварювання, витрачається на:

1) нагрiвання металу ядра до температури плавлення (Q₁):

2)нагрівання металу, що оточує ядро (Q₂ );

3) нагрівання електродів (Q ₃):

Таким чином, енергія

Q_ее=Q₁+Q₂ +Q ₃

3.3 Технологічний процес виготовлення зварного з'єднання

Типовий процес виробництва зварних вузлів складається з такої послідовності операцій: - виготовлення деталей (забезпечення точності розмірів, врахування зазорів, сполучень);- підготовка поверхонь деталей, що зварюються (видалення товстих, нерівномірних плівок механічним або хімічним способами);-складання (точне взаємне розташування деталей, мінімальні зазори, складання за розміткою, за еталонним вузлом, за шаблоном, у пристосуваннях);-прихватка (фіксування деталей у вузлі, підвищення його жорсткості та зниження залишкових деформацій; прихватка може бути виключена застосуванням збирально-зварювальних пристосувань); - зварювання; - правка та механічна обробка; - нанесення покриттів; - контроль.

3.4 Підготовка поверхонь деталей під зварювання

Підготовку виходячи з заданного матеріалу доцільно провести таким чином: 1) Знежирення- служить для видалення забруднень та масла, протиранням розчинниками (наприклад, ацетоном, авіаційним бензином).

2)Видалення оксидних плівок - трудомістка операція, так як оксиди хімічно пов'язані з металом. Зазвичай їх видаляють механічною обробкою або хімічним травленням.

Механічну підготовку проводять щітками з нержавіючої сталі. Травлення проводиться сумішшю: 8-20% HN0₃ (азотна кислота) 0,5 - 5% HF (плавікова кислота) решта (вода).

3.5 Зварювання

Виходячи з заданого матеріалу(08Х18Н10Т), що характеризуються низьким вмістом вуглецю, великою міцністю, пластичністю, високою корозійною стійкістю, підвищеним питомим опором ( с = 75 ·10^-8 Ом·м). Зварювальний струм при їх з'єднанні встановлюють нижче, а зусилля стискання у 1,5 разів вище, ніж для групи 1. За рекомендаціями [4], зварювання проводитиметься за наступною циклограмою

Циклограма з постійним зусиллям і одним імпульсом струму для заданої товщини деталей (1+1). Електропровідність матеріалу електродів може бути знижена до 50…70 % у порівнянні з міддю.

3.6 Додаткова обробка

Для отримання якісних зварних з'єднань необхідні додаткові операції: зняття залишків електродного металу, можлива термообробка після зварювання - аустенізація.

3.7 Можливі дефекти, що можуть виникати при зварюванні

При контактному точковому зварюванні можуть виникати такі дефекти, як: не провари, вибризкування, несуцільність зони зварювання (тріщини, раковини), зниження корозійної стійкості з'єднання, несприятливі зміни структури металу.

Непровар - дефект, при якому зона взаємного розплавлення деталей менша від необхідної (номінальної), тобто, такої, що визначена за кресленням виробу. Непровар може проявлятися як повна відсутність або зменшення розмірів литого ядра, а також при частковому або повному збереженні оксидної плівки чи плакувального шару у контакті деталь-деталь.

Вибризкування - викидання частини розплавленого металу з зони зварювання Вибризкування розрізняють: зовнішнє (з області контакту електрод-деталь); внутрішнє (із зазору між деталями);початкове (на 1 етапі формування з'єднання);кінцеве (на 2 етапі). Зовнішні вибризкування псують загальний вигляд виробів та знижують стійкість електродів. Внутрішнє вибризкування часто заважає подальшому росту ядра внаслідок підвищеного розтікання струму і охолодження металу. Кінцеве вибризкування може супроводжуватись утворенням тріщин, раковин і глибоких ум'ятин.

Несуцільності у литому металі зварного точки. Серед них розрізняють зовнішні і внутрішні тріщини, раковини . Найбільш часто ці дефекти утворюються при зварюванні деталей товщиною більш ніж 1 мм зі сплавів з широким інтервалом кристалізації. Як правило, це гарячі тріщини, що утворюються переважно у температурному інтервалі крихкості.

Зниження корозійної стійкості з'єднань. Виникненню цього дефекта сприяє перенесення незначної частини електродного металу на поверхню вм'ятин в деталях, що зварюються.

3.8 Причини появи дефектів

Причиною утворення непровару є зміна параметрів режиму зварювання (зниження зварювального струму та часу зварювання, збільшення зварювального зусилля) та інших факторів, що приводять до зменшення густини струму. Вибризкування утворюється при відставанні швидкості деформації від швидкості нагріву. Початкове вибризкування виникає через перегрівання локальних контактів внаслідок перекошення електродів, поганої підготовки поверхні. Утворення кінцевого внутрішнього вибризкування пов'язано з розкриттям зазору, викликаного тепловим розширенням металу і втратою герметичності з'єднання. Нестача металу при кристалізації ядра призводить до утворення несуцільностей типу раковин. Причиною зниження корозійної стійкості є результат механічного контакту мікровиступів поверхонь електроду і деталі, а також дифузія. Наявність матеріалу електроду на деталях, що зварюються.

3.9 Можливі впливи дії дефектів під час експлуатації виробу із 08Х18Н10Т

Вибризкування може призвести до поганого формування зварної точки, тріщин або раковин, які обумовлюють зниження міцності та жорсткості з'єднання, яке в подальшому процесі експлуатації виробу буде сприймати навантаження, після чого з'єднання може зруйнуватися, що е неприпустимим.

Також суттєво негативним явищем є зменшення корозійної стійкості, що також є неприпустимим, зважаючи на призначення заданого матеріалу - при роботі виробу в агресивних середовищах, зони металу з погіршеними антикорозійними властивостями будуть кородувати, що неодмінно приведе до непридатності виробу.

3.10 Можливі методи попередження та усунення дефектів

Для попередження дефектів типу непроварів слід забезпечувати стабільність технологічних факторів і роботи зварювального обладнання, а також видаляти перед зварюванням тугоплавкі оксиди та плакуючий шар, які перешкоджають процесу утворення зони взаємного розплавлення деталей.

Вибризкуванню можна запобігти попереднім підігрівом, підвищення зусилля на 15...20 % на кінцевій стадії циклу нагрівання. Додаткове обтискання деталей навколо електроду, за допомогою спеціальних пристроїв.

Несуцільності уникаються зменшенням розтягувальних напруженнь. Це можна зробити, наприклад, застосовуючи кувальне зусилля на кінцевій стадії формування точки.

Заходи запобігання зниженню корозійної стійкості з'єднань повинні бути спрямовані на виключення або зменшення процесу масопереносу. А саме: ретельна підготовка деталей ,застосування жорстких режимів; інтенсивне охолодження електродів; видалення продуктів масопереносу з поверхні виробу після зварювання.

3.11 Методи контролю якості зварного з'єднання

Контроль якості може бути здійснений одним, або декількома методами одночасно, але зазвичай користуються, якимось одним підходом, що задовольняє вихідні умови. До методів контролю якості зварних з'єднань відносять: 1) Зовнішній огляд зразків або вузлів. 2) Руйнуванням зразків. 3) Вибіркове руйнування вузла. 4) Вимірювання параметрів режиму. 5)Дослідження макроструктури метала зварних з'єднань на зразках. 6)Механічні випробування зразків. 7) Випробування на герметичність. 8)Рентгенівське просвічування зразків і зварних вузлів.

3.12 Обґрунтування оптимального методу контролю якості

Виходячи, що сталь 08Х18Н10Т, призначається для роботи в різних агресивних середовищах, отже необхідно добре стежити за якістю виконання зварних з'єднань. Але в той же час уникати великої кількості додаткових операцій та коштовних методів контролю. Найбільш оптимальним співвідношенням може виступати метод технологічних проб (руйнування зразків), але для впевненості в надійності виконаних з'єднань, необхідно контролювати параметри режимів під час зварювання (виміри струму, зусилля та напруги між електродами) та проводити візуальний контроль з'єднань після зварювання.

4. Визначення основних параметрів режиму зварювання

точковий зварювання дефект метал

4.1 Схема розрахунку зварювального струму

Проведемо розрахунок діючого значення сили струму І_д для сталі 08Х18Н10Т при контактному точковому зварюванні за допомогою [6].

4.2 Розрахунок параметрів режиму контактного точкового зварювання

Вихідні дані:

матеріал: 08Х18Н10Т, товщина 1*10^-3 м.

м.

Теплофізичні властивості матеріалів:

Ом*м.Вт/(м*К).м²/К.Дж/(кг*К).

кг/м³.К.Дж/(кг*К).кг/м³.

Дж.

Ом.Ом*м.

Ом.

А.

А.

А.

Ом.

4.3 Схема шунтування струму

Частина вторинного струму при контактному точковому зварюванні може протікати поза зоною зварювання, наприклад, через раніше зварену точку (рис.4.2). Це явище називають шунтуванням струму.

Шунтування значною мірою порушує симетрію електричного поля та може при малій відстані між точками призвести до зменшення густини зварювального струму та розмірів литого ядра. Співвідношення струмів шунтування I_Ш, зварювального I_ЗВ та струму у вторинному контурі зварювальної машини I₂ оцінюють за формулою:

*

Зменшення кроку точок та збільшення товщини деталей призводить до зниження частки зварювального струму та відповідно розмірів ядра. Для конкретних умов зварювання звичайно вибирають мінімальне значення кроку (обумовлюється стандартом). Коли реальний крок більший, ніж мінімально допустимий , можна вважати, що струм шунтування практично не впливає на розміри ядра.

4.4 Обґрунтувати вибір «жорсткого» або «м'якого» режиму для 08Х18Н10Т

При зварюванні заданого матеріалу 08Х18Н10Т, не має потреби використовувати жорсткі режими (наприклад, такі як при зварюванні алюмінієвих сплавів), виходячи з відносно великого електричного опору ( с = 75 ·10^-8 Ом·м), отже зварювання необхідно проводити на м'яких режимах.

М'які режими характерні значною тривалістю протікання струму (t_зв>0,1) відносно малої сили . При цьому виникає значний теплообмін всередині деталей та з електродам. Швидкість нагріву та охолодження, а також величина зусилля стискання менше, ніж при жорстких режимах.

Размещено на Allbest.ru