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
Таблица 5
Массовые доли включений, % ,при использовании при сварке электродов различных групп
Вид покрытия |
[O2] |
[N2] |
[H2]·10-5 |
Неметаллические включения |
Кислое А |
0,9…0,12 |
0,010…0,025 |
15…20 |
0,10…0,20 |
Основное Б |
0,03…0,05 |
0,007…0,012 |
…4 |
…0,10 |
Рутиловое Р |
0,08…0,09 |
0,016…0,025 |
…30 |
0,06…0,10 |
Целлюлозное Ц |
0,04…0,10 |
0,010…0,025 |
20…35 |
0,10…0,16 |
Для получения равнопрочности и одинаковых свойств металла шва и основного металла при сварке применяют легирование – введение дополнительных элементов, обеспечивающих необходимые свойства. Металл шва образуется из основного металла, электродной проволоки и покрытия. Таким образом, легирование может быть осуществлено одним из следующих способов:
1) легирование путем введения в покрытие электрода порошкообразных металлических добавок или ферросплавов – марганца, кремния, титана и др.;
2) легирование в результате восстановления оксидов, входящих в состав покрытия. Подобное легирование легко осуществимо для малоактивных элементов (медь, никель) и ограничено для таких элементов, как марганец, кремний, хром;
3) легирование путем изменения состава электродных проволок, дающее самые стабильные результаты;
4) легирование при расплавлении основного металла, что имеет место при сварке термоустойчивых и высокопрочных сталей.
При определении степени
Как уже отмечалось выше, при сварке металл находится в состоянии повышенной химической активности и способен реагировать с другими веществам, находящимися в зоне сварки. Почти всегда продукты этих реакций вызывают значительное ухудшение качеств сварного соединения, поэтому они весьма нежелательны. Рассмотрим влияние различных примесей на качество металла сварного шва.
Сера S – всегда вредная примесь при сварке, поскольку она способна образовывать относительно легкоплавкие эвтектики Me-MeS, что создает возможность появления «горячих трещин» в металле шва. Содержание серы в металлах и сварочных материалах жестко лимитируется. Снижение вредного влияния серы достигается благодаря переводу ее из сульфидов железа в сульфиды с более высокой температурой плавления ( для MnS Tпл=1883 К, для CaS Τпл=2273 К), с тем чтобы она не могла участвовать в процессе кристаллизации, образуя неметаллические эндогенные включения еще в жидком металле сварочной ванны. Достигается это путем введения достаточного количества марганца. Кальций вводится в виде силикокальция через электродные покрытия. Общее снижение содержания серы возможно при сильно основных шлаках. Фторидные компоненты шлаковых систем также способствуют удалению серы из металла:
CaF2 + FeS → CaS + FeF2↑
Фосфор P – почти всегда вредная примесь в металлах, резко снижающая их пластичность. Так, при кристаллизации стали, фосфор образует ряд соединений с железом (Fe3P, Fe2P, FeP, FeP2), отличающихся своей хрупкостью. Кристаллы этих соединений могут стать зародышами «холодных трещин». Понизить содержание фосфора в металле шва практически не удается, т.к. он окисляется только в окислительных шлаках, а при сварке используются восстановительные.
Кислород O – вредная примесь в металле при сварке, снижающая его пластические свойства, поэтому при всех видах сварки предусматривается раскисление металла шва до допустимой нормы. Однако при сварке конструкционных сталей следует сохранять некоторую окисленность стали для снижения растворимости водорода.
Азот N поглощается металлом сварочной ванны из атмосферы дугового промежутка, где он находится в основном, атомарном и частично ионизированном состоянии. Растворимость азота в жидком металле выше, чем в твердом, и в процессе кристаллизации металла шва он может выделяться в газообразном состоянии, образуя поры. Он также образует нитриды железа(Fe4N, Fe2N),формирующие очень хрупкие игольчатые кристаллы, разрушение которых приводит к зарождению холодных трещин (замедленное разрушение). Однако в некоторых сталях аустенитного класса содержание азота доводят до 0,3–0,4%.
Водород H – всегда вредная примесь в металлах при сварке, являющаяся причиной водородной хрупкости. Он может быть поглощен из атмосферы дугового промежутка либо содержаться в основном металле. Водород, поглощенный из дугового промежутка, где он находится в атомарном или ионизированном состоянии, при кристаллизации резко снижает свою растворимость, выделяясь из металла и вызывая появление пор и трещин. Водород, содержащийся в основном металле, может находиться в состоянии твердого раствора внедрения (диффузионно-подвижный водород), а также в связанном состоянии. Водород в молекулярном состоянии находится в микронесплошностях металла. Диффузионно-подвижный водород может перемещаться в металле в результате концентрационной, или термической диффузии, создающейся вследствие градиента температур. В результате образования сварного соединения в условиях высоких градиентов температур возникает неравномерная концентрация водорода, которая может быть устранена последующей термообработкой. Направление потока термодиффузии водорода противоположно направлению потока теплоты. Максимальная концентрация водорода наблюдается вблизи линии сплавления. Таким образом, при средней относительно небольшой концентрации водорода в металле, в сварочном соединении возникают опасные зоны повышенной хрупкости. К основным путям снижения водорода в зоне сварки можно отнести:
1) снижения парциального давления водорода и создание условий для уменьшения его растворимости в жидком металле сварочной ванны (путем введения в покрытие фторидов и хлоридов, позволяющих связать водород в прочные соединения, не растворяющиеся в жидком металле);
2) тщательная подготовка кромок под сварку, удаление частично гидратированных оксидных пленок на металле;
3) уменьшение содержания водяных паров в атмосфере дугового разряда прокалкой электродов.
Содержание углерода C стараются сохранить при сварке конструкционных, низколегированных сталей. Однако при сварке специальных и термоустойчивых сталей, в которых содержание углерода должно быть малым (0,03–0,06%), в результате взаимодействия с углеродсодержащими веществами в сварочных материалах (карбонатами и др.) содержание углерода может подняться выше допустимых пределов.
При сварке в металле происходят
термодеформационные и физико-
Термодеформационные процессы и превращения
в металлах при сварке определяют
технологическую прочность
Кроме того, сварочные процессы в значительной степени определяют эксплуатационные свойства конструкции. Вопросы точности изготовления сварных конструкций основаны на знании закономерностей образования деформаций и напряжений при сварке. Эксплуатационные свойства сварных конструкций, т. е. степень соответствия механических, физических и химических свойств условиям и требованиям эксплуатации, также определяются термодеформационными процессами и превращениями в металлах при сварке.
При равномерном нагреве материала происходит его свободное расширение без возникновения напряжений. Если же осуществляется неравномерный нагрев тела, то связи нагретых участков с ненагретыми препятствуют свободному расширению. Вследствие этого в теле возникают температурные собственные напряжения, существующие при отсутствии приложенных к нему внешних сил. Температурные напряжения, возникающие в процессе сварки, принято называть временными напряжениями. Временные напряжения существуют в теле в процессе сварки на всех стадиях нагрева, выравнивания температур и охлаждения.
Неравномерный нагрев и изменение объема металла вследствие температурного расширения, фазовых или структурных превращений приводят к возникновению упругих и пластических деформаций. В результате пластических деформаций в сварных элементах после полного охлаждения остаются собственные напряжения, которые называются остаточными сварочными напряжениями. Для объяснения механизма образования остаточных сварочных деформаций и напряжений введем следующие допущения (рис. 19):
1) все сечения нагруженного элемента (пластины) перемещаются плоскопараллельно (гипотеза плоских сечений, рис.19, а);
2) диаграмма σ = f(ε) имеет вид диаграммы Прандтля (рис. 19, б);
3) зависимость σ = f(T) имеет вид, 5 (рис. 19, в).
Рассмотрим два случая нагрева пластины тепловым источником, движущимся вдоль ее продольной оси:
1) максимальная температура нагрева менее 773 К. Представим пластину в виде отдельных волокон. Каждое из этих волокон должно получить приращение длины в зависимости от температуры нагрева (Δl = αΔT), а концы волокон должны были бы расположиться по кривой, являющейся кривой распределения температур. Согласно допущению 1 пластина должна удлиниться на ΔL = αΤпл,ср. Средняя температура может быть определена путем интегрирования кривой А. Средние волокна должны были бы получить большее удлинение, но периферийные, менее нагретые, это удлинение сдерживают. Следовательно, в центральной области возникают сжимающие напряжения, а в периферийных – растягивающие. При охлаждении происходит возврат к первоначальному состоянию, и, т.к. напряжения носят упругий характер, никаких остаточных напряжений и деформаций не возникает.
2) максимальная температура нагрева более 873 К. При нагреве происходит то же, что и в первом случае. Однако в центральной зоне, где температура больше 873 К, и следовательно, предел текучести равен нулю, металл получит пластическую деформацию укорочения. При охлаждении периферийные области, как менее нагретые, охлаждаются до начальной температуры, в то время как центральные области все еще продолжают охлаждаться. Но так как они при нагреве получили пластическую деформацию укорочения, а край пластины перемещается плоскопараллельно, центральная область окажется растянутой, а периферийные будут сжаты. Таким образом, в пластине появятся остаточные сварочные напряжения и соответствующие им остаточные сварочные деформации.
Собственные напряжения, как временные, так и остаточные, подразделяют в зависимости от объема их взаимного уравновешивания на:
1) напряжения первого рода, уравновешенные макрообъемах;
2) напряжения второго рода, уравновешенные в объемах одного или нескольких зерен;
3) напряжения третьего рода, уравновешенные в микрообъемах, соизмеримых с размером кристаллической решетки.
Собственные напряжения подразделяют в зависимости от направления действия на:
1) одноосные, или линейные;
2) двухосные или плоскостные;
3) трехосные или объемные.
В элементах сварных конструкций могут возни двух- или трехосные напряжения в зависимости от формы и размеров свариваемых элементов. Напряжения, действующие вдоль сварного шва, называют продольными и обозначают σх. Напряжения, действующие в плоскости соединяемых элементов перпендикулярно оси шва, называют поперечными и обозначают σy. Напряжения, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости соединяемых элементов, называют напряжениями по толщине сварного соединения и обозначают σz . Наряду с нормальными компонентами в сварных соединениях могут действовать соответствующие касательные напряжения τху , τyz , τzx .
Деформации, возникающие при сварке, обозначаются аналогично напряжениям. Различают нормальные компоненты сварочных деформаций εх, εy , εz и сдвиговые γху , γуz , γzx. Сварочные деформации в общем случае определяют изменение линейных и угловых размеров тела и характеризуют состояние отдельных участков тела. Основные причины, вызывающие появление деформации при сварке, заключаются в неравномерном нагреве, структурных превращениях и упругопластическом деформировании. Поэтому необходимо различать следующие составляющие сварочных деформаций:
1) свободная деформация, вызванная изменением температуры и структурными превращениями:
εсв = αΔT
где α —коэффициент линейного расширения металла, 1/К; ΔT — изменение температуры точки тела, К;
2) собственные, или так называемые внутренние деформации (ε, γ), состоящие из упругих εупр , γупр и пластических εпл , γпл деформаций;
3) наблюдаемые в процессе сварки деформации εн , γн , характеризующие изменение линейных и угловых размеров тела, которые можно зарегистрировать непосредственно измерительными приборами. Эти деформации определяются суммой свободных температурных и собственных деформаций
εн = εсв + εупр + εпл
γн = γупр + γпл
Эти уравнения могут быть записаны применительно ко всем компонентам деформаций для соответствующих координат. Если в рассматриваемый момент времени в теле уже были предварительные (начальные) деформации εнач, γнач, то уравнения преобразуются к следующему виду:
εн = εсв + εупр + εпл + εнач
γн = γупр + γпл + γнач
Напряжения при сварке однозначно определяются значениями упругих деформаций по следующим формулам: