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
Металлы, обладая малым числом электронов на внешних энергетических уровнях, легко отдают их атомам элементов с высокой электроотрицательной способностью(F, Cl, S, O и др.). Окисление происходит по схеме:
Me 0 – 2e–
O 0 + 2e–
Обратный процесс восстановления металлов будет определяться термодинамической устойчивостью их оксидов (галидов, сульфидов). Разложение соединения требует той же энергии, что пошла на его создание и, тем самым, определяет возможности данного металлургического процесса.
В области высоких температур соединения металлов с элементарными окислителями могут разлагаться, выделяя окислитель в газовую фазу:
Высокие температуры, имеющие место при сварке, с одной стороны понижают термодинамическую устойчивость оксидов, но с другой стороны резко увеличивают скорость их образования, и за очень небольшое время сварочного цикла металлы поглощают значительное количество кислорода. Поглощенный кислород может находиться в металле в растворенном состоянии в виде оксидов (обычно низшей степени окисления) или субоксидов. А может образовывать неметаллические включения эндогенного типа, создавшиеся при раскислении металла более активными элементами. В них находится основная масса кислорода. Все это резко снижает качество сварных соединений, особенно пластичность шва.
Особенно велика скорость взаимодействия металла с окружающей средой в высокотемпературной зоне сварки, к которой можно отнести каплю расплавленного металла на конце электрода, дуговой разряд и переднюю часть ванны (рис. 17). Более медленно эти процессы развиваются хвостовой части ванны. Температурный перепад между этими областями так велик, что реакции окисления-восстановления меняют там свое направление. Кроме того, взаимодействие металла с кислородом при сварке сильно осложняется образованием растворов оксидов в металлах, что очень повышает термодинамическую устойчивость оксидов (из-за возрастания энтропии в процессе растворения).
Восстановление металла сварного соединения требует удаления кислорода из сварочной ванны, пока она находится в жидком состоянии.
Раскисление (т.е., восстановление) металла
сварочной ванны можно
1) извлечение кислорода более активными металлами – раскисление осаждением;
2) восстановление металла газовой атмосферой, контактирующей с металлом сварочной ванны;
3) извлечение оксидов из сварочной ванны путем обработки ее шлаками.
Раскисление осаждением основано на плохой растворимости металлами оксидов и сульфидов других металлов. Тогда возможен процесс:
[MeO] + [Э] ⇆ Me + ЭО
в результате которого образуются восстановленный металл и шлаковое эндогенное включение. В качестве раскислителей выбираются металлы, имеющие большее сродство к кислороду, нежели Fe, – Mn, Si, Ti, Al. Эти элементы вводятся из электродной проволоки или из покрытия электрода:
[FeO] + [Mn] ⇆ Fe + MnО
2[FeO] + Si ⇆ 2Fe + SiО2
2[FeO] + Ti ⇆ 2Fe + TiО2
3[FeO] + 2[Al] ⇆ 3Fe + Al2О3
Сравнительно малая активность марганца как раскислителя создает значительные остаточные концентрации его в металле, но в количестве до 1% они не влияют на механические свойства стали. Несмотря на невысокую раскислительную способность, марганец широко применяется в сварочной металлургии, т.к. кроме кислорода он извлекает из расплавленного металла серу, переводя ее в тугоплавкий (Тпл=1883 К) сульфид марганца MnS. Это понижает влияние легкоплавкой сульфидной эвтектики при кристаллизации металла шва и повышает его сопротивление образованию горячих трещин.
Углерод, присутствующий в стали, также является раскислителем:
[FeO] + [Fe3C] ⇆ 4Fe + CO↑
Реакция эта эндотермическая, поэтому углерод будет выступать как раскислитель только при высоких температурах – в каплях электродного металла или в сварочной ванне в основании дугового разряда, что приводит к выгоранию углерода при сварке плавлением.
Кремний – более активный раскислитель стали, и для него характерны малые остаточные концентрации кислорода в металле. Большой недостаток раскисления осаждением – образование эндогенных неметаллических шлаковых включений. Они представляют собой концентраторы напряжений и могут снижать как прочностные, так и пластические свойства соединения, особенно если будут иметь неправильную геометрическую форму с малым радиусом кривизны. Во избежание этого вводят не один, а два и более раскислителя, с тем чтобы их оксиды взаимно понижали температуру плавления и включения имели глобулярную форму.
Воздух представляет собой смесь различных газов. Все они могут контактировать с расплавленным металлом сварочной ванны, вступать с ним в реакции и снижать качество сварного соединения.
Азот, составляющий основную часть воздуха, всегда в какой-то степени участвует в процессах сварки плавлением, и по его содержанию можно судить о качестве защиты зоны сварки от атмосферы. Образование соединений азота с железом приводит к выпадению кристаллов Fe3N при кристаллизации или при распаде твердых растворов. В результате, металл шва теряет пластичность, а сварное соединение становится склонным к образованию холодных и горячих трещин.
Водород также является вредной примесью, поскольку резко снижает пластичность металла (водородная хрупкость). В сварных соединениях он, в силу своей большой подвижности, в течение сварочного цикла распределяется неравномерно, и при средней допустимой концентрации водорода могут создаваться локальные концентрации, вызывающие появление дефектов сварного соединения (поры, трещины). Общей теории водородной хрупкости пока еще не существует, т.к. водород (а точнее, протон) в твердых металлах ни одним из известных экспериментальных методов не обнаруживается.
Для защиты о воздействия атмосферы применяются шлаки – жидкие минеральные фазы, отделяющие зеркало расплавленного металла от непосредственного действия газовой атмосферы. Шлак не изолирует металл от окружающей среды, а только заменяет непосредственное ее воздействие диффузионным. Через шлак газы или металлы (в виде своих низших оксидов) могут диффундировать на границу раздела с атмосферой, там окисляться и, возвращаясь в металл, передавать захваченный кислород.
При сварке толстопокрытыми электродами
реализуется смешанный
В состав этого покрытия входят компоненты, выполняющие следующие функции:
1) защита зоны сварки от кислорода и азота воздуха;
2) раскисление металла сварочной ванны;
3) легирование металла сварочной ванны нужными компонентами;
4) стабилизация сварочной дуги.
Таким образом, компоненты покрытия можно
условно разделить в
1) ионизирующие – соединения, содержащие ионы щелочных металлов (Na2CO3, K2CO3), пары которых снижают сопротивление дугового промежутка и делают разряд более устойчивым;
2) шлакообразующие – соединения, дающие при плавлении шлаки различного состава и основности (полевой шпат K2O·Al2O3·6SiO2, мрамор и мел CaCO3, магнезит MgCO3, глинозем Al2O3, флюорит CaF2, рутил TiO2, кварцевый песок SiO2, иногда гематит Fe2O3);
3) газообразующие компоненты, разлагающиеся с выделением большого объема газа (мрамор, мел, декстрин, крахмал, целлюлоза; продукты сгорания CO2, CO, H2, H2O);
4) раскислители и легирующие компоненты (металлические порошки или порошки ферросплавов – ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферровольфрам);
5) вяжущие компоненты (жидкое стекло, полимеры).
В зависимости от вида компонентов, которыми осуществляется защита зоны сварки от атмосферы, электродные покрытия можно разбить на четыре группы (вида):
1) кислые покрытия (А), в состав которых входят оксиды железа, марганца, титана и кремния, представляющие собой шлаковую основу покрытия. Газовая защита создается органическими составляющими (крахмал). Раскислителем служит ферромарганец.
2) основные покрытия (Б) построены на основе карбоната кальция (мрамора) и плавикового шпата (флюорита), который служит шлакообразующим компонентом. Газовая защита создается диссоциацией мрамора. В качестве раскислителей используется ферротитан, ферромарганец, ферросилилиций. К этой же группе относятся безокислительные покрытия, содержащие мало мрамора (мела) и много флюорита для сварки высокопрочных сталей. Уменьшение доли мрамора в покрытии снижает окисление металла и уменьшает содержание углерода в нем.
3) рутиловые покрытия (Р) построены на основе рутила с добавками полевого шпата, магнезита и других шлакообразующих компонентов. В качестве газообразующих веществ используются органические материалы (целлюлоза, декстрин), а также карбонаты (магнезит, мрамор). Раскислителем служит ферромарганец. Для повышения коэффициента наплавки в состав покрытия вводят железные опилки.
4) целлюлозные покрытия (Ц) построены на газообразующих веществах (целлюлоза). В некоторые покрытия этого вида вводят небольшое количество оксидов железа, марганца и титана. Для раскисления добавляют ферромарганец и ферросилиций.
Схема сварки покрытым электродом приведена на рис. 18. Электрический дуговой разряд возникает и горит между электродом и сварочной ванной. Электродный стержень плавится быстрее покрытия, и на конце электрода образуется втулочка, направляющая поток газов и капли металла в сварочную ванну. Капли металла проходят через дуговой промежуток уже покрытые тонкой пленкой шлака. Капля активно взаимодействует со шлаком и газами дугового промежутка, попадая в ванну, освобождается от шлака, который всплывает и оттесняется давлением дуги. Плавящийся на торце электрода металл растворяет в себе раскислители, имеющиеся в покрытии электрода. В кристаллизующемся металле ванны идет активная диффузия, но из-за ограниченности во времени всегда существует определенный градиент концентраций между металлом шва и основным металлом. В высокотемпературной зоне интенсивно развиваются эндотермические реакции, приводящие к легированию и одновременно к окислению металла сварочной ванны:
Fe + [MnO]→ [FeO] + [Mn]
2Fe + [SiO2]→ 2[FeO] + [Si]
В этой же зоне происходит интенсивное окисление углерода стали:
[FeO] + [C]→ Fe + CO
и восстановление кремния марганцем:
2[Mn] + SiO2→ 2MnO + [Si]
Интенсивное перемешивание шлака с металлом приводит к извлечению значительной части FeO в шлаковую фазу, где он может переходить в силикаты (диффузионное раскисление):
Шлак FeO + SiO2 = FeSiO3
Металл 2[FeO] + [Si] = 2Fe + SiO2
Таким образом, в сварочную ванну попадает обогащенный марганцем и кремнием металл. При понижении температуры он начинает раскислять металл шва:
[Mn] + [FeO]→ Fe + (MnO)
[Si] + 2[FeO]→ 2Fe + (SiO2)
А поскольку основная часть FeO уже извлечена шлаком, металл шва после раскисления будет содержать остаточное количество марганца (около 0,60%) и кремния (около 0,10%).
Согласно СНИП 2.05.06-85*, для сварки
магистральных трубопроводов
Электроды группы Б при сварке осуществляют защиту зоны сварки разложением мрамора CaCO3 , а образовавшийся при этом оксид кальция CaO уходит на формирование шлаковой системы Cao-CaF2. Атмосфера сварочной дуги состоит из CO, CO2, H2, H2O. Пары воды выделяются из покрытия, и во избежание этого электроды перед сваркой необходимо прокаливать при температуре Т=470–520 К (до 570 К). Содержание в покрытии нескольких раскислителей позволяет получить хорошо восстановленный металл, имеющий в своем составе мало серы и не склонный к образованию горячих трещин. При сварке высокопрочных и жаропрочных сталей применяют электроды с пониженным содержанием (15–20%) мрамора и увеличенным (60–80%) содержанием флюорита в покрытии. В этом случае удается избежать поглощения углерода сварочной ванной и обеспечить содержание углерода на уровне 0,02–0,05%, как этого требуют ТУ. Среди недостатков электродов с основным видом покрытия можно отметить низкую устойчивость дуги, требующую сварки на постоянном токе обратной полярности.
Электроды группы Ц содержат в своем составе до 50% органических веществ, и при их разложении и окислении выделяется большое количество газа, обеспечивающего хорошую защиту зоны сварки. Для предотвращения водородной хрупкости и появления пор при сварке необходимо вводить окислители TiO2, FeO, MnO2. Для уменьшения влияния водорода в покрытие также вводят плавиковый шпат (флюорит). Важный показатель качества сварных соединений – содержание газов и неметаллических включений, влияющих на прочностные свойства. В таблице 5 рассмотрены основные характеристики сварных соединений, выполненных электродами с различными видами покрытия.