Лаб раб 6. Сварка

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И.Платова»
Кавминводский институт (филиал)








МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторной работы № 6
Физико-химические основы образования сварного соединения
по дисциплине «Электротехническое и конструкционное материаловедение»
для студентов по направлению подготовки 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника»

для дневной, заочной и ускоренной форм обучения






Георгиевск, 2014
Данные методические указания к выполнению лабораторной работы №6 по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение» предназначены для студентов всех форм обучения по направлению подготовки 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника»


Составитель: доц. Т.А.Рудакова
Рецензент: доц. М.Н.Пивоварова




















Тема: Физико-химические основы образования сварного соединения
Цель: 1) изучить образование сварного соединения; 2) изучить особенности применения сварки плавлением и давлением

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Образование сварного соединения. Определение сварки
Сварочный процесс, как и пайка, направлен на получение монолитного соединения, которое возникает в случае установления связей между атомами свариваемых деталей на границе их раздела, аналогично связям, действующим в твердом теле.
В зависимости от основных признаков, которые в данном определении превалируют, понятия сварки могут быть различные. Например, сварка определяется как процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. В данном определении указывается и на физическую сущность процесса, и на технологические принципы его реализации.
Наиболее общим определением процесса сварки является ссылка на его термодинамическую сущность: сварка это процесс получения монолитного соединения материалов за счет термодинамически необратимого превращения тепловой и механической энергии и вещества в стыке.
Процесс сварки включает две стадии: образование физического контакта между соединяемыми деталями и возникновение электронного взаимодействия между их поверхностями. Далее происходит развитие диффузионных процессов.
В идеальном случае сварка должна происходить после того, как соединяемые поверхности сблизились на межатомные расстояния. На рис. 22.1 показано, каким образом изменяются межатомные силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), а также потенциальная энергия по мере сближения атомов. Как видно, на первой стадии сближения силы притяжения Рпр больше сил отталкивания Рот (1, а). Затем начинается процесс взаимного перекрытия электронных оболочек атомов и наблюдается резкое возрастание сил отталкивания. При 13 EMBED Equation.3 1415 силы притяжения и отталкивания сравняются. В дальнейшем сближение атомов будет сопровождаться интенсивным возрастанием сил отталкивания.

Рис. 1. Характер изменения сил взаимодействия (а) и потенциальной энергии (б) при сближении атомов.

В идеальном случае атомы после некоторых колебательных движений должны самопроизвольно установиться на расстояние 13 EMBED Equation.3 1415, когда 13 EMBED Equation.3 1415.
В этот момент величина потенциальной энергии системы W будет минимальна, что характерно для устойчивого равновесия (рис. 1, б). Стремление системы к минимуму свободной энергии соответствует второму закону термодинамики, а минимум потенциальной энергии Wв – энергии ван-дерваальсовой связи. Если энергию поверхности монокристалла принять за Wп, то после соединения монокристаллов между ними устанавливается одна поверхность раздела с энергией Wв. Эта энергия меньше суммарной энергии двух поверхностей, т. е. Wв<< 2Wп .

Рассмотренная схема образования монолитного соединения при сварке, не противоречащая второму закону термодинамики, возможна, однако, при наличии некоторой энергии активации, а не только в результате сближения соединяемых поверхностей. Поэтому в любом случае для сварки обязательно потребуется затратить энергию активации Wп, например в виде теплоты (термическая активация) или упругопластаческой деформации (механическая активация).
Образование монолитного соединения в реальных условиях затруднено из-за наличия на поверхностях деталей микронеровностей, оксидных пленок, адсорбированных газов, различного рода загрязнений.
В зависимости от характера вводимой энергии все сварочные процессы (сварку, пайку, резку) можно отнести к термическим (Т), термомеханическим (ТМ) и механическим (М) методам.
При термических методах сварки с помощью внешнего источника нагрева кромки расплавляются, образуя так называемую сварочную ванну. Расплавление металла способствует его объединению в единое целое.
После прекращения поступления теплоты к сварочной ванне (удаление источника теплоты или его отключение) происходит быстрое охлаждение и последующая кристаллизация расплавленного металла при максимальном теплоотводе в стенки ванны. Процесс кристаллизации заканчивается образованием монолитного шва, который связывает свариваемые детали в единое целое. Аналогично при пайке вследствие кристаллизации припоя, заполняющего зазор между деталями и смачивающего нагретые поверхности, образуется паяное соединение.
При механических методах сварки необходимо приложить давление, под влиянием которого в месте сварки возникают значительные упруго-пластические деформации, вызывающие разрушение оксидной пленки, смятие микронеровностей, обеспечение физического контакта и образование между атомами прочных связей, соответствующих связям при расстоянии между ними, равном параметру кристаллической решетки.
При термомеханических методах сварки металл в месте соединения деталей нагревается от внешних источников теплоты до температуры плавления или пластического состояния. Нагревание позволяет снизить удельное давление, уменьшить величину минимальной относительной деформации, необходимой для сварки.

Особенности применения сварки плавлением и давлением
Различия в способах образования монолитного соединения при сварке плавлением и давлением в определенной степени определяют подход к их выбору при изготовлении сварных конструкций.
Методы сварки плавлением получили широкое распространение благодаря их преимуществам по сравнению с другими методами:
1) возможностью сварки в монтажных и цеховых условиях;
2) разнообразием применяемых типов соединений;
3) возможностями сварки конструкций различных габаритов;
4) широким диапазоном свариваемых толщин металла – от нескольких микрометров, например при сварке световым лучом, до 1 м и более при электрошлаковой сварке;
5) возможностью изменения химического состава наплавленного металла. При сварке можно изменить химический состав наплавленного металла, применяя сварочные проволоки различных марок и внося легирующие элементы в электродное покрытие или флюс. Это широко используется при сварке низколегированных и легированных сталей;
6) возможностью сварки швов в любых пространственных положениях.
Сварка плавлением, однако, имеет ряд недостатков.
1. Кристаллизация металла шва протекает при растягивающих напряжениях, что является одной из причин образования трещин.
2. Необходима защита металла шва от воздействия атмосферы. Если не принимать каких-либо мер по его защите, то наплавленный металл будет иметь по сравнению с основным весьма низкие механические свойства, прежде всего пластичность. Создание шлаковой и газовой защиты, применение вакуума уменьшают влияние атмосферы на металл или исключают его полностью.
3. Возможно образование (особенно при сварке разнородных металлов) в наплавленном металле хрупких интерметаллических включений, ликвации примесей в шве. Степень ликвации, как и само число включений в металле, а также их расположение в шве, влияю, на прочность сварных конструкций. Примеси часто являются причиной возникновения трещин при сварке.
4. Образуются напряжения и деформации при сварке.
5. Изменяется структура основного металла под влиянием нагрева при
Методы сварки давлением (термомехаиические и механические) имеют определенные преимущества во сравнению с методами сварки плавлением.
Применение способов сварки давлением значительно расширило диапазон свариваемых материалов, в том числе разнородных металлов, а также неметаллических материалов, исключило в ряде случаев возникновение при сварке трещин, пористости, способствовало уменьшению деформаций сварных узлов. Важным является тот факт, что сварка давлением вызывает менее значительные изменения основного металла, чем сварка плавлением, хотя упругопластические деформации, необходимые при сварке без нагрева, приводят к некоторому физическому упрочнению металла шва и прилегающих к нему участков. В результате ухудшается пластичность металла, что следует учитывать при назначении конструктором механических методов сварки.
Термомеханические и механические методы легче механизировать и автоматизировать, при большинстве из них достигается высокая производительность. Все это предопределило достаточно широкую область применения способов сварки давлением.
В то же время некоторые особенности указанных технологических процессов, связанные в основном с необходимостью использования при сварке давления, ограничивают их применение в ряде конструкций.






















ЛИТЕРАТУРА

Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение: учебник для машиностроительных вузов – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.
Фетисов Г.П., Карпман М.Г., Матюнин В.М. и др. Материаловедение и технология металлов – М.: Высшая школа, 2001. – 640 с.








Приложенные файлы

  • doc 1362341
    Размер файла: 52 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий