рефераты скачать
 
Главная | Карта сайта
рефераты скачать
РАЗДЕЛЫ

рефераты скачать
ПАРТНЕРЫ

рефераты скачать
АЛФАВИТ
... А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

рефераты скачать
ПОИСК
Введите фамилию автора:


Дипломная работа: Процесс сварки вольфрамовым электродом в аргоне с присадочной проволокой титанового сплава ОТ4

Дипломная работа: Процесс сварки вольфрамовым электродом в аргоне с присадочной проволокой титанового сплава ОТ4

Реферат

Объектом исследования является автоматическая аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом сплава ОТ4.

Цель дипломного проектирования – исследование процесса сварки вольфрамовым электродом в аргоне с присадочной проволокой титанового сплава ОТ4, применительно к проблеме повышения качества формирования швов при сварке с повышенной скоростью.

Основным препятствием повышения скорости аргонодуговой сварки титановых сплавов является неудовлетворительное формирование швов, которое проявляется в образовании подрезов. В работе показано, что с повышением скорости сварки плотность тока в металле перед дугой увеличивается, что приводит к вырастанию электромагнитных сил действующих в головной части ванны, вытеснению металла в её хвостовую часть и, как следствие, к образованию подрезов. Установлено, что сварка с токоподводящей присадочной проволокой позволяет регулировать характер растекания тока в зоне сварки и тем самым создать благоприятные условия для качественного формирования швов. Изучено влияние магнитного поля тока присадочной проволоки на дугу и процесс формирования швов при сварке сплава ОТ4. Исследованы свойства сварных соединений.

Титановый сплав ОТ4, подрезы, скорость сварки, вольфрамовый электрод, аргон, присадочная проволока.


Содержание

Введение

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Общая характеристика титановых сплавов

1.2 Свариваемость титановых сплавов

1.3 Особенности формирования швов при сварке с повышенной скоростью

1.4 Цель и задачи исследования

2. Методы исследований

2.1 Оборудование для сварки

2.2 Аппаратура и методика исследования распределения тока в зоне сварки

2.3 Методика исследования отключения дуги магнитным полем

3. Результаты исследований

3.1 Распределение тока в зоне сварки

3.2 Формирование швов при сварке с присадочной проволокой

3.3 Свойства сварных соединений

Литература


Введение

Развитие машиностроения, химии, атомной и криогенной техники требует увеличения выпуска сварных конструкций из титана и его сплавов. Одним из распространенных способов производства таких конструкций является сварка вольфрамовым электродом в аргоне. При этом интенсификация процесса сварки приводит к ухудшению формирования шва, которое проявляется образовании протяженных подрезов. Помимо ухудшения прочностных характеристик изделий, наличие дефектов снижает коррозионную стойкость сварных соединений. Потому разработка способов, позволяющих повысить производительность и качество формирования швов при сварке вольфрамовым электродом в аргоне является одной из актуальных задач.

Значительный вклад в исследование природы образования подрезов и разработку процессов сварки с повышенной скоростью внесли Б.Е. Патон, С.Л. Мандельберг, И.М. Ковалев, В.И. Щетинина и многие другие отечественные и зарубежные ученые. Однако природа образований подрезов пока ещё полностью не изучена и требует дополнительных исследований.

Для управления процессом формирования шва значительный интерес представляет исследование внешних магнитных полей. Магнитное поле служит практически безинерционным регулятором проплавляющего действия дуги и её силового воздействия на сварочную ванну; с его помощью можно осуществить сварку электродом, уложенным в разделку кромок, наплавку пластинчатым электродом, приварку труб к трубным решеткам конической или цилиндрической дуги и т.п. магнитоуправляемую дугу можно использовать в качестве источника нагрева при прессовой сварке изделий с замкнутым контуром. Во всех этих случаях процесс может быть легко автоматизирован либо механизирован.

Применение внешних магнитных полей при сварке было предложено и осуществлено изобретателем дуговой сварки Н.Н. Бернадосом. Влияние магнитных полей на процессы в дуге и сварочной ванне исследовали Г.М. Тиходеев, К.К. Хренов, Г.И. Леснов, И. М. Ковалев, В.П. Черныш, В.Д. Кузнецов и многие другие ученые.

Процессы, происходящие в сварочной ванне, и как следствие формирование шва в значительной степени зависят от магнитного поля сварочного тока, создаваемого как током дуги, так и током, протекающим по ванне и основному металлу. Это подтверждается нарушением формирования швов при магнитном дутье и увеличении влияния магнитного поля сварочного контура на образование подрезов при сварке с повышенной скоростью. Однако распределение тока в зоне дуговой сварки исследовано недостаточно точно и требует проведения дополнительного изучения.

В работе приведены результаты исследований распределения тока в зоне дуговой сварки титанового сплава ОТ4 вольфрамовым электродом в аргоне. Изучено влияние присадочной проволоки и величины тока по ней протекающего на характер растекания тока по ней пластине из сплава ОТ4. показано, что магнитное поле тока протекающего по присадочной проволоке, может быть использовано для отключения дуги «углом вперед». Изучен процесс формирования шва при сварке ОТ4 с повышенной скоростью. Даны рекомендации по сварке. Приведены свойства сварных соединений.


1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Общая характеристика титановых сплавов

сварка титановый сплав вольфрамовая проволока

По распространению в природе среди металлов титан занимает десятое место. Его содержание в земной коре составляет свыше 0,6%.

Атомный номер титана 22, он находится в IV группе периодической таблицы Менделеева, расположен в четвертом ,,,,, периоде и принадлежит к переходным металлам с недостроенной d- оболочкой [1,2].

Титан имеет две апиотропические модификации низкотемпературную – α, существующую до 1155К и имеющую гексагональную кристаллическую решетку с плотной упаковкой атомов, и высокотемпературную –β, существующую при температурах выше 1155К высокотемпературная модификация титана имеет кубическую объемно-центрированную структурную решетку (а=3,282 Å)

Температура апиотропического превращения титана в значительной мере определяется его чистотой. Установлено [2], что если в йодидном титане превращение начинается при 1155К и происходит в узком температурном интервале, то для магниетермического титана, содержащего большое количество примесей, превращение начинается при более низкой температуре (1133К) и происходит в широком интервале температур – 1233К. для гидридно-кальциевого титана температурный интервал превращения α→← β составляет примерно 110-120°К. Это явление связано с различными влиянием примесей на температуру полиморфного превращения. Сохранить высокотемпературную модификацию в чистом титане при комнатной температуре не удается даже при самой разной закалке вследствие протекания β→α превращения.

С увеличением скорости охлаждения из β-области температура β→α переходе заметно понижается. Так при изменении скорости охлаждения от 4 до 10000 град/с температура превращения снижается от 1155К до 1133К. в работе [3] отмечается, что зависимость температуры полиморфного превращения от скорости охлаждения носит линейный характер и может быть выражен следующим уравнением:

Тβ→α = , (1.1)

где Т- температура превращения;

-скорость охлаждения.

При полиморфном β→α превращении соблюдается строгое кристаллоградическое соответствие между исходной и образующейся долями. Впервые внешную ориентировку кристаллических решеток при превращении объемноцентрированный кубической структуры в плотноупакованную гексогональную определил Бюргерс [4] для аналога титана-циркония.

Электрические свойства титана очень зависят от его чистоты. По данным работы [3] удельное электросопротивление йодистого титана при комнатной температуре равно 4,2•103 мком•м, для магниетермического 5,5•103 мком•м. при повышении температуры до 623-673К электросопротивление вырастет по линейному закону. При высших температура оно уменьшается и зависимость отклоняется от прямой линии тем выше, чем выше температура α→β- превращение отмечается скачкообразным уменьшением электросопротивления (3,16±0,1)10-6, а магнитная проницаемость – 1,00004.

Важным показателем для сварки титана является низкое значение коэффициента токопроводимости титана. Поэтому при сварке титана наблюдается весьма концентрированный нагрев и меньшие потери энергии.

Чистый (йодистый) титан обладает высокой пластичностью и по своим свойствам приближается к меди. Это объясняется тем, что в отличие от других металлов с гексагональной решеткой титан имеет несколько плоскостей скольжения. Кроме того, при комнатной температуре дедюриция титана может также происходить посредством двойникования.

Титановые сплавы по сравнению с алюминиевыми и магниевыми имеют более высокие характеристики прочности. Технические сорта титана обычно содержат 0,4-0,5% примесей, которые значительно изменяют его механические свойства[1-4].

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью, объясняющейся малой химической активностью вследствие образования на поверхности металла защитной окистной пленки. Это позволяет использовать его для работы в различных агрессивных средах. Титан стоек к морской воде и мало подвержен кавитационной коррозии. Технический титан имеет такую же коррозионную стойкость во многих органических кислотах, как нержавеющая сталь.

Комплекс физических свойств резко изменяется при введении в титан легирующих элементов. В зависимости от химической природы, размеров атомных радиусов кристаллической структуры и ряда других факторов легирующие элементы способны образовывать с титаном различные кристаллические фазы – твердые растворы разнообразных типов и неодинаковый физикохимический природы или металлические соединения.

Титановые сплавы, как стали, квалифицируют по структуре в определенном состоянии. Классификация титановых сплавов по равновесной структуре вряд ли целесообразна, так как превращения в титановых сплавах, легированных переходными элементами, протекают так медленно, что равновесные при комнатной температуре структуры, следующие из диаграммы состояния, обычно не получаются.

Классификация титановых сплавов по структуре в нормализованном или закаленном состояниях вполне возможна [1,2], тем более, что структуры, получающиеся после нормализации или закалки, можно связать с диаграммой изотермических и анизотермических превращений. Класс сплавов в нормализованном или закаленном состоянии следует определять структурой стандартных образцов после охлаждения их на воздухе или закалке в воде.

Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов является по существу классификацией по структуре в нормализованном состоянии. Согласно этой квалификации различают:

α-титановые сплавы, структура которых представлена α-фазой;

α+β – сплавы, структура которых представлена α и β – фазами;

β – сплавы , структура которых представлена стабильной β-фазой.

Помимо этого предлагают [1,2] выделить два переходных класса: псевдо α- сплавы, структура которых представлена α-фазой и небольшим количеством β-фазы (не более5%) и псевдо-β –сплавы, структура которых после нормализации, хотя и представлена метастабильной β-фазой, но по свойствам они ближе к (α+β)-сплавам с большим количеством β-фазы.

α-титановые сплавы можно разделить на: термически неупрочняемые сплавы и сплавы термически упрочняемые вследствие дисперстного твердения.

α+β – сплавы разбиваются на две подгруппы: сплавы твердеющие при закалке и сплавы мягкие после закалки

β – титановые сплавы подразделяют на три подгруппы: сплавы с механически нестабильной β – фазой; сплавы с механически стабильной β – фазой и сплавы с термодинамически стабильной β – фазой.

По гарантированной прочности титановые сплавы подразделяют: на малопрочные высокопластичные с в<750 МПа; на среднепрочные с в=750-1000 МПа; на высокопрочные с в>750 МПа.


1.2 Свариваемость титановых сплавов

Одним из важнейших свойств титана и титановых сплавов, предназначенных для титано - сварных конструкций, является свариваемость. Проблемы свариваемости титановых сплавов несколько отличаются от проблем свариваемости других конструкционных материалов (сталей, алюминиевых и магниевых сплавов). Основные трудности сварки плавлением многих сталей, алюминиевых и магниевых сплавов вызваны их склонностью к кристаллизации трещинам. У промышленных титановых сплавов такая склонность к трещинообразованиям практически отсутствует, что связано, очевидно, с небольшим интервалом их кристаллизации по сравнению со сталью и алюминиевыми и магниевыми сплавами [7]/

Прочность пластичность сварных соединений сталей и алюминиевых и магниевых сплавов, как правило, ниже основного металла, в то время как у титановых сплавов сварные соединения равнопрочно основному металлу [8]. Основная проблема свариваемости титановых сплавов - получение сварных соединений с хорошей пластичностью, зависящей от качества защиты, чувствительности металла и термическому циклу и пр. заметное насыщение металла шва кислородом, азотом и водородом в процессе сварки происходит при температурах выше 623К. это резко снижает пластичность и длительную прочность сварных конструкций. Поэтому зона сварки, ограниченная изотермой более 623К должна быть тщательно защищена от взаимодействия с воздухом путем сварки в среде инертных защитных газов (аргона или гелия) высокой частоты, под специальными флюсами, в вакууме (сварка без защиты) возможно при способах сварки давлением, когда благодаря высокой скорости процесса и вытеснению продуктов окисления при давлении (контактная сварка) или отсутствии высокого нагрева (ультразвуковая сварка) опасность активного взаимодействия металла в этой сварки с воздухом сводится к минимуму.

При сварке в сплавах титана происходят сплошные фазовые и структурные превращения. Чувствительность к сварочному термическому циклу выражается в протекании полиморфного превращения α→← β, резком росте размеров зерна β – фазы и подогреве на стадии нагрева, в образовании хрупких фаз при охлаждении и старении, неоднородности свойств сварных соединений, зависящих от химического и фазового состава сплавов.

Вследствие низкой теплопроводности и малой объемной теплоемкости титана время пребывания металла при высоких температурах значительно больше, чем это время для стали, что является причиной перегрева, резкого увеличения размера зерен β-фазы и снижения пластичности титана.

Особенности кристаллизации и охлаждения сварных швов титановых сплавов способствуют возникновения в них ряда метастабильных фаз, которые во многом определяют свойства сварных соединений. Их отрицательное влияние на пластичность и ударную вязкость до сих пор затрудняет использование многих сплавов в качестве конструкционных материалов.

Метастабильные превращения характеризуются большим разнообразием и сложностью, особенно в сплавах с переходными элементами (Мо, V, Cr, Fe и др.), которые наиболее широко применяются в качестве легирующих добавок. В этих сплавах возможно возникновение масштабных α’-, ω – и β – фаз, а в ряде сплавов - α’’- фазы.

Условия сварки характеризуются относительно быстрыми скоростями охлаждения, а также наличием в металле исходной высокотемпературной химической неоднородности. Поэтому фазовые превращения при сварочном термодедукционном цикле во многих случаях изменяются. сдвигается положения концентрационных областей и образовании метастабильной фазы, не соответствующее равновесным условиям при данной температуре и концентрации.

Фактором инициирующим появление и рост метастабильной фазы, является разность свободных энергий старой и новой фаз. Новая фаза имеет более низкие значения свободной энергии. В α- сплавах термодинамические условия существования фаз таковы, что в зависимости от скорости охлаждения, концентрации примесей и температуры возможно образование метастабильной пресыщенной α’- фазы или равновесной фазы α- фазы. Это характерно для сварных соединений технического титана и α- сплавов. При легировании титана переходными элементами создаются условия для образования не только α’- или α- фаз, но и метастабильных ω – и β – фаз либо ω – и α – фаз. Эти схемы регулируются в средне и высоколегированных сплавах титана.

В металле шва на промышленных α- сплавах, а также на сплавах, которые содержат переходные элементы в пределах их растворимости в α- фазе (ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-2 и др.) или выполнении швов электродом, состав которого аналогичен составу основного металла, независимо от способов сварки при охлаждении швов, происходит лишь β→α’ – превращение и остаточная β –фаза при комнатных температурах не сохраняется; α – фаза, близкая к равновесному состоянию, наблюдается лишь в швах технического титана после замедленного охлаждения, соответствующего техническому циклу электрошлаковой сварки.

Характер формирования α’- фазы в швах определяется температурой превращения и скоростного охлаждения. При малых скоростях охлаждения образуются широкие и длинные пластины α- фазы, что особенно характерно для швов, выполненных электрошлаковой сваркой. Увеличение скорости охлаждения, наоборот, способствует образованию мелкоигольчатой α’- фазы (электроннолучевая сварки).

Температурный интервал β→α’ – превращение расширяется по мере увеличения в шве количества β – стабилизирующих элементов (V, Mo, Mn, Cr и др.) и смещается в область более низких температур. При равных скоростях охлаждения шва α- фазы, образовавшаяся при более высших температурах более грубая.

Для швов более легированных сплавов (ВТС, ВТ14 и др.) характерно сохранение в структуре при охлаждении некоторого количества остаточной метастабильной β- фазы. Количества β- фазы в швах определяется составом и скоростью охлаждения в интервале температур β→α’ – превращениях. Наибольшее количество сохраняется в шве на сплаве ВТ14.

Увеличение легирования швов выше определенной концентрации способствует образованию в них метастабильной ω- фазы. В настоящее время ω – фаза рассматривается , как метастабильная низкотемпературная модификация β- твердого раствора, образующегося при определенной электролитной концентрации. Возникновение её может происходить либо непосредственно в процессе охлаждения, либо при изотермическом нагреве. В первом случае ω – фаза образуется в швах после сварки в области концентраций, значение которых определяются системой и количеством легирующих элементов. Пополнение концентрационных областей образования ω – фазы изменяется в зависимости от способа сварки (скорость охлаждения). Уменьшение скорости охлаждения приводит к выделению ω – фазы в тех составах, где при более быстрых скоростях образуется чистая метастабильная β- фаза , либо смесь β и α- фаз. Поэтому во избежание образования ω – фазы в швах легированных сплавов монокритическими составами целесообразно применение способов сварки, обеспечивающих повышенную скорость охлаждения. В этом отношении наиболее перспективна электроннолучевая сварка и сварка на малых токах с применением специальных флюсов.

Повышение пластичности с сохранением высокой прочности достигается технологическими приемами, например путем электромагнитного перемешивания расплава и применение колебаний электронного луча, что измельчает структуру и уменьшает внутризеренную неоднородность. необходимые свойства сварных соединений термоупрочняемых α+β - титановых сплавов получают после закалки и старения.

При сварке титановых сплавов у сварных соединений наблюдается склонность к замедленному разрушению, причиной которого является повышенное содержание водорода в сварном соединении в сочетании с растягивающими напряжениями первого рода (остаточными сварочными и от внешней нагрузки). Влияние водорода на склонность к трещинообразованию возрастает при увеличении содержания других примесей (кислорода и азота) и вследствие общего снижения пластичности при образовании хрупких фаз в процессе охлаждения и старения. Отрицательное влияние водорода при трещинообразовании является результатом гидридного превращения и адсорбционного эффекта снижения прочности. наибольшее влияние водород оказывает на α- сплавы в связи с ничтожной растворимостью в них водорода (< 0,001%). Растворимость водорода в β – фазе значительно выше, потому сплавы, содержащие β – фазу, менее чувствительны к водородному охрупчиванию; вместе с тем повышение растворимости водорода в β – фазе увеличивает опасность невоздашивания. Склонность к растрескиванию увеличивается: при повышенном содержании водорода в исходном материале; при насыщении водородом в процессе сварки (из-за недостаточно тщательной подготовки сварочных материалов, свариваемых кромок и т.д.) при насыщении водородом в процессе технологической обработки сварных соединений и эксплуатации.

Радикальными мерами по борьбе с трещинообразованием являются:

а) снижение швов в основном и присадочном материале: не менее 0,008 Н2; менее 0,1-0,12 О2; менее 0,04 N;

б) соблюдение первичной технологии сварки для предотвращения паров воды и вредных газов в зону сварки (тщательная подготовка и зачистка сварочных материалов и свариваемого металла, надежная защита металла в зоне сварки и рациональный выбор режимов сварки); для уменьшения склонности к замедленному разрушению целесообразно α- и псевдо α – сплавы титана сваривать на жестких режимах; α+β сплавы на относительно мягких (скорость охлаждения 10-20 к/с);

в) снятие остаточных сварочных напряжений;

г) предотвращение возможности неводорешивания сварных соединений при эксплуатации путем выбора сплавов рациональной композиции для работы в средах, где возможно насыщение водородом.

При сварных соединениях, которые чаще располагаются в виде цепочки по зоне сплавления, снижают статическую и динамическую прочность сварных соединений. Их образование имеет вызывается попаданием водорода вместе с адсорбированной влагой на присадочной проволоке, флюсе, кромках свариваемых изделий или из атмосферы при нарушении защиты. Перераспределение водорода в зоне сварки в результате термодиффузионных процессов при сварке также может привести к подчистости. Растворимость водорода в титане уменьшается с повышением температуры. Поэтому в процессе сварки титана водород диффузирует от зон максимальных температур менее нагретые области, от шва к основному металлу.

Основными мерами борьбе с порами, вызванными водородом при качественном исходном материале, являются тщательная подготовка сварных материалов: прокалка флюса, применение защитного газа гарантированного качества, вакуумная дегазация и зачистка перед сваркой сварочной проволоки и свариваемых кромок (удаление альфированного слоя травлением и механической обработкой, снятия адсорбированного слоя перед сварной щеткой или шабером, обезжиривание), соблюдение защиты и технологии сварки.

В сварном шве поры могут образовываться вследствие:

а) задержания пузырьков инертного газа кристаллизирующимся металлом сварочной ванны при сварке титана в защитных газах;

б) «захлопывание» микрообъемов газовой фазы, локализованность на кромках стыка, при совместном деформировании кромок в процессе сварки:

в) химических реакциях между поверхностными загрязнениями и влагой и т.д.

При сварке титана плавлением требуются концентрированные источники тепла. Однако в связи с более низкими , чем у стали, коэффициентом теплопроводности (в четыре раза), более высокими элементами сопротивлением (в пять раз) и меньшей теплоемкостью для сварки плавлением титана тратиться меньше энергии, чем при сварке углеродистых сталей. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности, линейного расширения и модуля упругости остаточные напряжения в сварных соединениях титана меньше предела текучести и составляют для большинства титановых сплавов (0,6-0,8)0,2 основного металла. Наиболее высокие остаточные напряжения возникают в сварных соединениях однофазных как α - , так и β – титановых сплавов или у слабо гетерогенезированных сплавов такого типа.

Страницы: 1, 2, 3, 4


рефераты скачать
НОВОСТИ рефераты скачать
рефераты скачать
ВХОД рефераты скачать
Логин:
Пароль:
регистрация
забыли пароль?

рефераты скачать    
рефераты скачать
ТЕГИ рефераты скачать

Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, рефераты на тему, сочинения, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое.


Copyright © 2012 г.
При использовании материалов - ссылка на сайт обязательна.