Автор работы: Пользователь скрыл имя, 25 Ноября 2012 в 19:06, курсовая работа
В этой работе сделана попытка проанализировать физические основы и технологию ручной дуговой сварки, систематизировать рассредоточенные по различным источникам данные о схемах и принципах организации производства работ при использовании этого метода, сравнить теоретический материал с практическим, полученным за время работы на строительстве (производственной практики) трех различных трубопроводоводных систем, а также постараться дать рекомендации по возможному усовершенствованию технологии, выводы о целесообразности и перспективах дальнейшего применения ручной дуговой сварки при сооружении объектов магистрального транспорта нефти и газа.
Оглавление 4
Введение 7
1.Элементы теории сварочных процессов 11
1.1 Сварка как способ получения монолитных соединений 11
1.1.1 Понятие сварки 11
1.1.2 Механизм образования монолитного соединения 11
1.1.3 Образование монолитного соединения при сварке плавлением 13
1.1.4 Образование монолитного соединения при сварке давлением 14
1.2 Классификация сварочных процессов 16
1.2.1 Признаки классификации 16
1.2.2 Классификация сварочных процессов по физическим признакам 17
1.2.3 Классификация методов сварки магистральных трубопроводов 18
1.2.3.1 Сущность метода ручной дуговой сварки 19
1.2.3.2 Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса 20
1.2.3.3 Автоматическая дуговая сварка в среде защитных газов 21
1.2.3.4 Автоматическая сварка неповоротных стыков порошковой проволокой с принудительным формированием шва 22
1.2.3.5 Электроконтактная сварка оплавлением 23
1.3 Физическо-металлургические явления при дуговой сварке плавящимся электродом 24
1.3.1 Физика сварочной дуги 24
1.3.1.1 Природа, строение и область существования сварочной дуги 24
1.3.1.2 Строение сварочной дуги и ее вольтамперная характеристика 25
1.3.1.3 Элементарные процессы в плазме дуги. Ионизация и деионизационные процессы в дуге 27
1.3.1.4 Термодинамическая характеристика плазмы. Понятие эффективного потенциала ионизации 30
1.3.1.5 Явления переноса, баланс энергии и температура в столбе дуги 31
1.3.1.6 Приэлектродные области дугового разряда 33
1.3.1.6.1 Эмиссионные процессы в катодной зоне. Виды электронной эмиссии 33
1.3.1.6.2 Физические явления в приэлектродных областях 34
1.3.1.6.3 Краткая характеристика приэлектродных зон 35
1.3.1.7 Элементы магнитогидродинамики сварочной дуги 37
1.3.1.7.1 Электромагнитные силы в дуге 37
1.3.1.7.2 Магнитное дутье. Влияние ферромагнитных масс 38
1.3.1.7.3 Влияние на дугу внешнего магнитного поля 39
1.3.1.8 Перенос металла в сварочной дуге 41
1.3.1.9 Краткая характеристика сварочных дуг с плавящимся электродом 43
1.3.2 Металлургические процессы при сварке 44
1.3.2.1 Процессы окисления металла шва 44
1.3.2.2 Раскисление металла сварочной ванны 46
1.3.2.3 Защита металла сварочной ванны от воздействия атмосферы 47
1.3.2.4 Покрытие электродов, его компоненты и их функции 48
1.3.2.5 Металлургические процессы при РДС покрытыми электродами 49
1.3.2.6 Особенности металлургических процессов при сварке электродами с покрытием основного и целлюлозного вида 50
1.3.2.7 Способы легирования металла шва 51
1.3.2.8 Вредные примеси при сварке и их влияние на качество металла шва 52
1.3.3 Термодеформационные процессы и превращения в металлах при сварке 54
1.3.3.1 Термодеформационные процессы при сварке 55
1.3.3.1.1 Понятие о сварочных деформациях и напряжениях 55
1.3.3.1.2 Методы определения остаточных деформаций и напряжений 58
1.3.3.1.3 Типичные поля остаточных напряжений при сварке многослойных швов 59
1.3.3.2 Образование сварных соединений и формирование первичной структуры металла шва 60
1.3.3.2.1 Понятие свариваемости 60
1.3.3.2.2 Общие положения теории кристаллизации 62
1.3.3.2.3 Особенности кристаллизации и формирования первичной структуры металла шва 67
1.3.3.2.4 Химическая неоднородность сварного соединения и ее виды 68
1.3.3.2.5 Характер изменения прочности и пластичности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке 71
1.3.3.2.6 Горячие трещины при сварке 73
1.3.3.3 Превращения в металлах при сварке 78
1.3.3.3.1 Характерные зоны сварных соединений 78
1.3.3.3.2 Виды превращений в металле сварных соединений 80
1.3.3.3.2.1.Фазовые превращения. Кинетика диффузионного превращения 80
1.3.3.3.2.2 Кинетика мартенситного превращения 83
1.3.3.3.3 Фазовые и структурные превращения при сварке сталей. Превращения в основном металле при нагреве 84
1.3.3.3.4 Превращения в шве и основном металле при охлаждении 88
1.3.3.3.5 Способы регулирования структуры сварных соединений 92
1.3.3.3.6 Холодные трещины при сварке 93
2 Особенности технологии ручной дуговой сварки неповоротных стыков 97
2.1 Сварочные электроды 97
2.1.1 Классификация сварочных электродов 97
2.1.2 Условное обозначение сварочных электродов 99
2.1.3 Краткая характеристика материалов покрытия и стержня электродов 100
2.2 Сварные соединения и швы 103
2.2.1 Сварные соединения и швы. Виды швов и их геометрические характеристики 103
2.2.2 Конструкция шва. Назначение и технология сварки отдельных его слоев 105
2.3 Этапы разработки технологии РДС 109
2.3.1 Подготовка кромок труб 109
2.3.2 Выбор электродов 110
2.3.3 Сварочный ток 112
2.3.4 Выбор конструкции шва 114
2.3.5 Определение скорости сварки 116
2.4 Подготовительные операции 117
2.4.1 Очистка полости, осмотр, ремонт и зачистка кромок труб 117
2.4.2 Сборка стыка 118
2.4.3 Предварительный подогрев 121
2.5 Схемы и методы производства сварочно-монтажных работ 124
2.6 Особенности технологии сварки трубопроводов из различных видов стали 127
2.6.1 Сварка трубопроводов из сталей повышенной и высокой прочности 127
2.6.2 Сварка термически уплотненных сталей 128
3 Патентные изыскания 130
Заключение 132
Список литературы 136
Приложения 139
Сварочная цепь «электрод – дуга – изделие» вместе с подводящими проводниками образует сварочный контур, магнитное поле которого может отклонять дугу в ту или иную сторону. Боковой распор магнитных линий, сконцентрированных внутри угла, образованного электродом и токопроводящей частью пластины, будет «выжимать» дугу наружу (рис. 12). Меняя место подвода тока, можно регулировать отклонение дуги. Отклонение дуги можно регулировать также изменением угла наклона электрода к поверхности изделия (рис. 13).
В установившемся положении отклоняющая сила собственного магнитного поля (пропорциональная квадрату тока) уравновешиваться противодействующими силами, вызванными «жесткостью» столба дуги.
Для объяснения «магнитного распора» в контуре лучше всего воспользоваться понятием магнитного давления, которое тем больше, чем больше напряженность. Движение эластичного проводника – дуги – будет происходить всегда только в сторону уменьшения плотности магнитных силовых линий.
Наличие значительных ферромагнитных масс вблизи дуги может вызвать ее отклонения, относимые также к магнитному дутью. Можно считать, что в ферромагнитной массе, благодаря ее высокой магнитной проницаемости «стремятся» сконцентрироваться магнитные силовые линии контура. Вследствие этого магнитное давление со стороны ферромагнитной массы снижается, и дуга отклоняется (рис. 14). Поэтому дуга может часто отклоняться в сторону заваренного шва или от кромки в сторону основной массы изделия. При рассмотрении магнитного дутья следует учитывать, что металл в ванне и вблизи нее нагрет выше точки Кюри и практически немагнитен.
Все сказанное выше о магнитном дутье относится в основном к дуге постоянного тока. При сварке дугой переменного тока в металле изделия создается система - замкнутых вихревых токов. Вихревые токи создают собственную переменную магнитодвижущую силу, сдвинутую почти на 180° по фазе по отношению к сварочному току. Результирующий магнитный поток контура оказывается значительно меньшим, чем при постоянном токе.
При сварке под флюсом магнитное
дутье обычно мало. Однако при сварке
продольных швов труб из-за значительной
ферромагнитной массы и замкнутого
контура трубы возникает
На сварочную дугу может воздействовать внешнее магнитное поле, которое по отношению к оси столба дуги может быть:
1) продольным;
2) поперечным.
Все промежуточные случаи могут быть сведены к этим двум.
При наложении продольного поля направления магнитного и электрического полей совпадают, поэтому на дрейфовое движение заряженных частиц магнитное поле влиять не будет. Однако электроны и ионы обладают еще тепловой скоростью хаотического движения и скоростью амбиполярной диффузии. В обычных сварочных дугах при атмосферном давлении наибольшее влияние продольное магнитное поле оказывает на диффузионную составляющую скорости ионов и электронов. Скорость диффузии их направлена по радиусу от центра дуги к периферии, где температура и концентрация меньше. В связи с тем, что скорости диффузии в квазинейтральном столбе дуги равны (ve vi), а масса me<<mi, импульсы, передаваемые нейтральным частицам от ионов, будут в тысячи раз больше, чем от электронов. Поэтому плазма столба дуги придет во вращательное движение, соответствующее движению в магнитном поле ионов. Столб дуги будет вращаться против часовой стрелки, если смотреть по направлению поля. Угловая скорость вращения максимальна в тех участках столба, где скорости диффузии наибольшие. Действие электрического поля приводит к появлению осевой составляющей вектора скорости, из-за чего заряженные частицы начинают двигаться по спирали. Продольное поле получают с помощью соленоида и используют для придания дуге большей жесткости и устойчивости. Оно несколько повышает температуру в центре столба дуги в связи с действием магнитного давления.
При наложении поперечного поля целесообразно рассматривать дугу как проводник с током. Поперечное магнитное поле, накладываясь на собственное поле дуги в контуре, может вызвать ее отклонение в ту или другую сторону. В той части сварочного контура, где силовые линии собственного и поперечного поля совпадают, создается избыточное магнитное давление и дуга отклоняется в сторону более слабого поля.
Воздействуя поперечным магнитным полем на дуги и ванну расплавленного металла, при сварке под флюсом можно, например, изменить формирование шва, в частности увеличить или уменьшить глубину проплавления.
Если использовать управление поперечным переменным магнитным полем, то дуга постоянного тока будет колебаться в обе стороны от положения равновесия с частотой поля. Эффект перемещения дуги в поперечном магнитном поле используется для ее вращения на конической или цилиндрической поверхности, и на нем основано несколько способов сварки. В частности, в трубопроводном строительстве применяется сварка вращающейся «бегущей» дугой.
Воздействие магнитогидродинамических явлений на ванну расплавленного металла можно использовать не только для регулирования глубины проплавления, но и для управления положением ванны в зазоре стыка. Для этого необходимо создать в металле вертикальные объемные силы, что вполне осуществимо. Поперечное поле позволит также управлять формированием шва в разных пространственных положениях.
В зависимости от условий сварки (силы, плотности, формы, кривой тока и т.д.), можно назвать пять основных видов переноса электродного металла в дуге с плавящимся электродом (табл. 4).
Таблица 4
Основные виды переноса металла при дуговой сварке
Виды переноса |
Типовые примеры |
Крупнокапельный с замыканиями дугового промежутка |
Ручная дуговая сварка при плотности тока j<100 А/мм2 |
|
Мелкокапельный с замыканиями дугового промежутка |
Механизированная сварка в углекислом газе CO2 |
|
Мелкокапельный без замыканий дугового промежутка |
Сварка под флюсом при плотности тока j>1000 А/мм2 |
|
Струйный |
Сварка в инертных газах тонкой проволокой при плотности тока j>1000 А/мм2 |
|
Парами металла |
При всех видах сварки как дополнение к другим видам переноса |
Характер переноса металла оказывает значительное влияние на устойчивость процесса сварки, разбрызгивание металла, формирование шва и интенсивность металлургических процессов в дуге и ванне. В большинстве случаев, особенно при автоматизированных процессах сварки, предпочтителен струйный перенос, обеспечивающий лучшее формирование и качество шва.
На расплавленный металл в дуге действуют следующие главные силы:
1) силы тяжести;
2) силы поверхностного натяжения;
3) электродинамические силы в жидком проводнике;
4) реактивные силы,
5) электростатические силы;
6) силы давления плазменных потоков и др.
Силы тяжести способствуют переносу металла при сварке в нижнем положении и препятствуют при сварке в потолочном. Они оказывают наибольшее влияние на перенос электродного металла при сварке на малых токах, когда электродинамические силы еще сравнительно невелики.
Силы поверхностного натяжения придают каплям жидкости сфероидальную форму, удерживают капли на «потолке», втягивают капли металла в жидкую сварочную ванну. Оценить величину этих сил можно коэффициентом поверхностного натяжения α, равным отношению силы, действующей на границу поверхностной пленки жидкости к длине этой границы. Чем он меньше для данного металла, тем мельче капли материала и тем более вероятен переход к струйному или мелкокапельному переносу. Соприкосновение жидкого металла с газами и шлаками может изменить его поверхностное натяжение. Например, кислород снижает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инертных газах в смесь добавляют до 5% кислорода.
При сварке на обратной полярности анодное пятно стабильно на торце жидкой капли, и с увеличением тока его плотность остается постоянной, а размер пятна растет. Поэтому перегрев капли и ее кипение наступают при меньших токах, чем на прямой полярности, когда катодное пятно беспорядочно перемещается. При увеличении плотности тока, например, при j >20 А/мм2 может наблюдаться электрокапиллярный эффект, сопровождающийся понижением α и способствующий струйному переносу металла.
Электродинамические силы пинч-эффекта сильно влияют на перенос металла, особенно при больших токах, когда они способствуют появлению плазменных потоков от мест сужения столба. Поэтому в слаботочных дугах, где эти силы малы, преобладает крупнокапельный перенос, а в сильноточных дугах – струйный. Появлению струйного переноса также способствует перегрев капель, который достаточно велик, особенно при сварке на обратной полярности.
Струйный перенос особенно характерен для газоэлектрической сварки (дуговой сварки в среде защитных газов). Он сопровождается образованием конуса жидкого металла на конце электрода. При этом средний размер капель монотонно уменьшается с увеличением тока – примерно по гиперболической кривой. При некотором значении тока, называемом критическим (при сварке на обратной полярности оно меньше, чем при сварке на прямой) капельный перенос переходит практически в струйный (рис. 15). Охват дугой конца электрода способствует струйному переносу с анода.
Реактивные силы, вызываемые давлением паров, обычно противодействуют начальному обрыву капли. Если эти силы имеют взрывной характер, то они могут сильно затруднить переход к струйному переносу. При сварке на обратной полярности реактивное давление меньше, чем при сварке на прямой, соответственно, условия для струйного переноса создаются при более низких токах.
Электростатические силы возникают вследствие большого градиента потенциала (напряженности поля) в переходных областях дуги, а особенно у катода. В столбе дуги напряженность в тысячи раз меньше, поэтому создается разность давлений, и течение газа от анода (катода) становится подобным «электрическому ветру» с заряженного острия. Разность давлений может достигать десятков паскалей. Следствием этого может быть, например, деформация металла ванны в виде конуса полем высокой напряженности.
Плазменные потоки также могут сильно влиять на перенос металла в дуге. В некоторых случаях, например в Ме-дугах, мощный катодный поток от электрода к изделию вызывает отраженный анодный поток, который может концентрически охватывать катодную струю. Такой анодный поток затрудняет перенос металла, вызывая сдвиг капли металла в сторону или даже подъем ее над уровнем торца электрода.
Ручная дуговая сварка Ме-дугой ведется обычно электродами диаметром 2–6 мм на постоянном и переменном токах силой 100–300 А при плотностях тока по сечению электрода j < 20 А/мм2 в любом пространственном положении. Широко применяются электроды с качественными обмазками (покрытиями), поэтому поверхность катода предлагается рассматривать как сложную систему из расплавленного металла и шлаковых пленок. Перенос металла в дуге крупнокапельный, обычно с короткими замыканиями. КПД дуги составляет около 75%.
Анализ энергетической структуры таких дуг показывает, что мощность в столбе дуги составляет примерно от 7 до 30% общей мощности дуги. Остальная мощность выделяется в приэлектродных областях. Важным фактором при ручной сварке является устойчивость дуги. На устойчивость дуги оказывают влияние внутренние условия в самой дуге (состав и свойства плазмы) и внешние условия – статические и динамические свойства источника питания и свойства электрической цепи, определяющие в большой мере переходные процессы в дуге.
Наиболее известна оценка устойчивости дуги по ее разрывной длине. Чем больше разрывная длина дуги, тем выше ее устойчивость.
Введение в дугу элементов с низким потенциалом Ui повышает ее устойчивость. Такие элементы облегчают возбуждение дуги, горение ее на переменном токе, а также уменьшают блуждание и разбрызгивание на постоянном токе. Объяснение действия элементов-ионизаторов можно связать с воздействием их на работу выхода катода, поскольку значение работы выхода тесно связано с потенциалом ионизации. Пары веществ-ионизаторов попадают в зону катода, понижают его работу выхода, что снижает катодное падение, повышает электропроводность катодной области и устойчивость дуги в целом. Введение элементов-ионизаторов уменьшает мощность, выделяемую в приэлектродных областях, и увеличивает долю энергии, затрачиваемой в столбе дуги. Производительность расплавления при этом обычно снижается. Примерная диаграмма баланса энергии открытой Me-дуги при I = 200 А, U = 26 В приведена на рис.16.
При сварке плавлением металл нагревается до высоких температур, его химическая активность резко возрастает, и он вступает во взаимодействие с окружающей средой. В результате окисления, т.е. процесса потери электронов с внешнего энергетического уровня и перехода металла в соединение с атомами более электроотрицательного элемента, свойства металла шва резко ухудшаются, а сварные конструкции теряют свою работоспособность. Сварочная металлургия характеризуется высокой температурой термического цикла, малым временем существования сварочной ванны в жидком состоянии, т.е. в состоянии, доступном для металлургической обработки металла сварного шва.