Разработка технологии сварки плавлением

Содержание Задание Аннотация Введение

1 Характеристика основного материала

1.1 Описание основного материала

1.2 Трудности и особенности сварки сплава ВТ1−00

2 Выбор и обоснование способа сварки

3 Технологический раздел

3.1 Выбор и обоснование разделки кромок

3.2 Выбор и обоснование сварочных материалов

3.3 Выбор режима сварки

3.4 Выбор и обоснование сварочного оборудования

4 Специальные технологические мероприятия Заключение Список использованных источников Аннотация Разработка технологии сварки плавлением Пояснительная записка 38 с., 8 рис., 8 табл.,

Разработана технология сварки плавлением: составил характеристики рассматриваемого материала, выбрал наиболее подходящий способ сварки, назначил разделку кромок под сварку, назначил размеры сварного соединения, выбрал сварочные материалы, рассчитал и подобрал сварочные режимы, подобрал наиболее подходящее оборудование, задал специальные технологические мероприятия, сделал соответствующие выводы.

Введение

Технический титан идёт на изготовление ёмкостей, химических реакторов, трубопроводов, арматуры, насосов и др. изделий, работающих в агрессивных средах, например в химическом машиностроении.

В гидрометаллургии цветных металлов применяется аппаратура из титана. Он служит для покрытия изделий из стали. Использование титана даёт во многих случаях большой технико-экономический эффект не только благодаря повышению срока службы оборудования, но и возможности интенсификации процессов (как, например, в гидрометаллургии никеля). Биологическая безвредность титана делает его превосходным материалом для изготовления оборудования для пищевой промышленности и в восстановительной хирургии.

В условиях глубокого холода прочность титана повышается при сохранении хорошей пластичности, что позволяет применять его как конструкционный материал для криогенной техники. Титан хорошо поддаётся полировке, цветному анодированию и др. методам отделки поверхности и поэтому идёт на изготовление различных художественных изделий, в том числе и монументальной скульптуры. Примером может служить памятник в Москве, сооруженный в честь запуска первого искусственного спутника Земли.

Из соединений титана практического значение имеют окислы титана, галогениды титана, а также силициды титана, используемые в технике высоких температур; бориды титана и их сплавы, применяемые в качестве замедлителей в ядерных энергетических установках благодаря их тугоплавкости и большому сечению захвата нейтронов. Карбид титана обладающий высокой твёрдостью, входит в состав инструментальных твёрдых сплавов, используемых для изготовления режущих инструментов и в качестве абразивного материала.

1. Характеристика основного материала Титан — один из наиболее распространенных элементов. По содержанию в земной коре он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. До недавнего времени титан применяли лишь в сравнительно небольших количествах как легирующую добавку к черным металлам — сталям и чугунам.

Несмотря на то что титан был открыт в 1970 г., использование его как самостоятельного конструкционного металла и основы сплавов началось совсем недавно, лишь несколько десятилетий назад, после успехов, достигнутых в области металлургии химически активных металлов и сплавов.

Титан и его сплавы благодаря высоким физико-химическим свойствам все больше применяют в качестве конструкционного материала для авиационной и ракетной техники, химического машиностроения, приборостроения, судои машиностроения, в пищевой и других отраслях промышленности. Титан почти в два раза легче стали, его плотность 4,5 г/см3, он обладает высокими механическими свойствами, коррозионной стойкостью при нормальных и высоких температурах и во многих активных средах, теплопроводность титана почти в четыре раза меньше теплопроводности железа.

Сегодня титановые сплавы широко применяют в авиационной технике. Титановые сплавы в промышленном масштабе впервые были использованы в конструкциях авиационных реактивных двигателей. Применение титана в конструкции реактивных двигателей позволяет уменьшить их массу на 10…25%. В частности, из титановых сплавов изготавливают диски и лопатки компрессора, детали воздухозаборника, направляющего аппарата и крепежные изделия. Титановые сплавы незаменимы для сверхзвуковых самолетов.

1.1 Описание основного материала Технический титан ВТ1 — 00 отличается содержанием примесей. Причем титан ВТ1 — 00, содержащий меньше примесей, отличается меньшейпрочностью и большей пластичностью. Основное достоинство техническоготитана — высокая технологическая пластичность. Прочностные свойстватитана могут быть повышены нагартовкой, но при этом сильно снижаются пластические свойства.

Химический состав сплава ВТ1 — 00 представлен в таблице 1.

Таблица 1 — Химический состав сплава ВТ1−00 В процентах

Механические свойства сплава ВТ1−00 представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Механические свойства при Т=20?С сплава ВТ1−00

sв — Предел кратковременной прочности, [МПа]

sT — Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации)

d5 — Относительное удлинение при разрыве, [ % ]

y — Относительное сужение, [ % ]

KCU — Ударная вязкость, [ кДж / м2]

Физические свойства сплава ВТ1−00 представлены в таблице 3.

Таблица 3 — Физические свойства сплава ВТ1−00

T — Температура, при которой получены данные свойства, [Град]

E — Модуль упругости первого рода, [МПа]

A — Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20° - T), [1/Град]

L — Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала), [Вт/(м· град)]

R — Плотность материала, [кг/м3]

C — Удельная теплоемкость материала (диапазон 20° - T), [Дж/(кг· град)]

R — Удельное электросопротивление, [Ом· м]

1.2 Трудности и особенности сварки сплава ВТ1−00

Основные трудности при сварки титана. Титан обладает рядом ценных свойств (малая плотность, высокая прочность до температуры 450 … 500 °C, высокая коррозионная стойкость во многих агрессивны средах), благодаря которым находит широкое применение как конструкционный материал в современных отраслях промышленности.

Титан имеет две аллотропические модификации: низкотемпературную с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой, существующею при температурах до 882,5°С, и высокотемпературную? с объемно-центрированной кубической решеткой, существующей выше температуры 882,5 °С до температуры плавления 1668 °C Механические свойства технического титана невысоки и повышаются за счет легирования водород, выделяющийся из перенасыщенного твердого раствора, образует отдельную фазу — гидриды титана, которая сильно охрупчивает титан, способствует образованию холодных трещин и пор.2. Низкая теплопроводность титана при сварке вызывает перегрев металла шва и околошовной зоны, что способствует росту размера зерна ?-фазы на стадии нагрева и образованию хрупких фаз при охлаждении и старении. Необходима оптимизация режимов сварки, которая выражается в снижении погонной энергии для, а и псевдо-а-сплавов и в увеличении погонной энергии для (? + ?)-сплавов. Целесообразно использовать более концентрированные сварочные источники энергии (электронный и лазерный лучи).

Особенности сварки титановых сплавов обусловлены следующими факторами:

1. Высокая химическая активность титана к газам (кислороду, азоту и водороду) при высоких температурах требует обеспечения надежной защиты от газов атмосферы не только металла сварочной ванны, но и основного металла, нагревающегося до температуры 400 °C и выше. Сварку необходимо производить в среде защитных газов (аргона, гелия) высокой чистоты, под специальными флюсами или в вакууме. При температурах нагрева выше 350 °C титан поглощает кислород с образованием поверхностного (альфированного) слоя высокой твердости Ti + 02 = TiO2. При нагреве до температур выше 550 °C титан растворяет азот, химически взаимодействует с ним, образуя мало пластичные фазы внедрения (нитриды).Попадание частиц альфированного слоя в сварной шов резко снижает его пластичность. Водород даже при очень малом содержании резко ухудшает свойства титана. Хотя с увеличением температуры растворимость водорода снижается. Поры в сварных соединениях титана особенно выполненных в среде инертных газов, являются распространенным дефектом. Поры бывают круглые и продолговатые. При непроваре поры круглой формы располагаются цепочкой по оси шва, при полном проваре либо цепочкой, либо группами у границы сплавления. По сечению шва поры располагаются внутри шва на разном расстоянии от его поверхности. Пор, выходящих на поверхность шва, не наблюдалось, однако они возможны, например, при влажном флюсе. Выявляемые поры могут иметь размеры от 0,01 до 2 -3 мм.

2. Поры в сварных соединениях в зависимости от количества, размера и расположения в шве могут понижать механические свойства соединений, а в ряде случаев способствовать замедленному разрушению швов (цепочка пор, микротрещины и др.)Вопрос о допустимости пор в швах устанавливается экспериментально в зависимости от условий эксплуатации конструкции. Основной причиной возникновения пор при сварке плавлением титана и его сплавов является образование газовой фазы в результате химических реакций в кристаллизующимся металле сварочной ванны, испарения легкоплавких компонентов сплава, подвергающегося сварке, выделения изжидкого металла сварочной ванны газов за счет уменьшения их растворимости в процессе кристаллизации; термодиффузии газов, содержащихся в зонах термического влияния основного металла, за счет изменения их растворимости. Образование нерастворимых в титане газов в результате химических реакций и термодиффузия их вследствие снижения растворимости могут привести к образованию газовых пор в металле шва. Поры, возникающие в результате химических реакций, называются реакционными порами, а в результате диффузии — диффузионными. Возникновение газовой поры в металле в условиях сварки плавлением возможно, если давление выделяющегося газа способно преодолеть внешние силы, препятствующие его выделению. В реальных условиях твердый титан всегда содержит коагулированные вакапсии, микропоры, микротрещины и другие дефекты. При сварке плавлением эти дефекты могут стать центрами развития пор. В условиях кристаллизации сварочной ванны всегда имеются готовые поверхности раздела фаз (свариваемые кромки, растущие кристаллы, шлаковые включения), на которых значительно облегчено зарождение пор. При этом кислород, водород азот и углерод, как активные элементы, адсорбируют на готовых поверхностях раздела что приводит к резкому локальному повышению концентрации их, и облегчает получение зародышей пор критических размеров. Последующее развитие зародышей пор происходит вследствие диффузии газов в них и протекания реакций. Образование пор в процессе кристаллизации сварочной ванный зависит также от количества и свойств газов и от технологического процесса сварки.

Последний характеризуется двумя взаимосвязанными факторами:

1) металлургическими условиями плавления и кристаллизации металла;

2) тепловыми режимами сварки, которые зависят от энергетических параметров режима (ток, напряжение, погонная энергия, скорость сварки и др.)и от теплофизических свойств титана (температура плавления, теплопроводность, теплоемкость, плотность, вязкость.).

Существенную роль играет температурный интервал кристаллизации при заданных условиях охлаждения и существования жидкой и твердой фаз. Если образовавшаяся пора расширяется со скоростью, равной скорости перемещения фронта кристаллизации то образуется цилиндрической отверстие, ось которого расположена вдоль оси шва (подобные отверстия образуются при сварке металла толщиной 30 — 40 мм). При скорости расширения поры большей, чем скорость перемещения фронта кристаллизации, поры имеют сферическую форму. Количество и их расположение зависит от содержания газов в сварочной ванне. Поры в большинстве случаев представляют собой не успевшие выделиться до затвердения металла пузырьки водорода азота кислорода и их соединений: водяного пара, окиси углерода и, возможно окиси азота. Основным порообразователем при сварке титана является водород. Механизм образования пор связан с растворимостью водорода при изменении температуры. Жидкий титан при температуре плавление растворяет больше водорода чем твердый. Причем, это изменение растворимости происходит скачкообразно. Скачок в точке плавления характеризуется отношением растворимости в жидком состоянии и в твердом, равным 1.725. Это является причиной образования газовых пор при затвердевании сварных швов на титане. Видимо, при резком увеличении количества выделившегося водорода, связанного со снижением его растворимости, образуются поры между кристаллами металла шва, в которые продолжает диффундировать водород; количество и размеры пор могут расти. При наличии других газов в сварочной ванне нерастворимых в титане, развитие водородных пор может происходить путем диффузии газов. Образования водородной пористости в титане можно избежать путем перегрева жидкого металла до температуры 2410 К и быстрой его кристаллизации. Начиная с этой температуры и выше, растворимость водорода в жидком титане ниже, чем в твердом при температуре затвердевания. Поэтому при кристаллизации металла не будет избыточного водорода, стремящегося выделиться. Поры могут образовываться в процессе выделения нерастворимых газов воздуха, водяного пара и окиси углерода из сварочной ванны; при медленном охлаждении сварочной ванны после сварки титана под флюсом пузырьки этих газов не выделяются. При высокой скорости охлаждения пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в металле в виде пор. Содержание водорода в титане более 0.01% является основным источником образования пор при сварке титана. При неравномерном нагреве титана до 1400- 1500 градусов происходит резкое выделение водорода с образованием внутренних пор. Пористость в сварном шве титана образуется при содержании водорода в свариваемом металле 0.1%; большие риски на свариваемых кромках способствует захвату аргона при сварке и тем самым — образованию пор в шве. Подача присадочной проволоки в зону дуги при ручной сварке также приводит к образованию пор в шве, вероятно, в результате возникновения турбулентности потока аргона из-за которого аргон смешивается с атмосферным воздухом. Образовавшаяся смесь аргона с воздухом является причиной образования пор. Технологические факторы — скорость сварки, напряжение дуги, зазоры между свариваемыми деталями — позволяют при выборе оптимальных режимов снижать количество пор в шве. В результате исследования влияния водорода, кислорода, азота воздуха и углерода, находящихся в свариваемом титане и зоне сварного соединения в условиях аргоно — дуговой и электронно лучевой сварки сплавов титана, было установлено, что количество пор, образовавшихся в швах, увеличивается не прямо пропорционально содержанию этих газов в свариваемом и присадочном металлах и в защитной зоне сварочной дуги. При высокой концентрации газов в зоне дуги образуются химические соединения титана с газами которые уменьшают жидко текучесть расплавленного металла. Рост газовых пузырьков замедляется и уменьшается количество пор. Снижение одновременно присутствующих в большом количестве примесей углерода, азота, водорода и кислорода в техническом титане позволяет выполнять сварку деталей на средних скоростях с минимальным количеством пор в швах. Количество пор в швах определяется, помимо общего химического состава свариваемого сплава, также толщиной свариваемых деталей чистотой поверхности свариваемых кромок, способами и режимами сварки, а также другими технологическими факторами. С увеличением скорости сварки (в указанных пределах) количество пор в шве уменьшается, причем, при сварке тонкого листового металла — менее резко, чем толстого. Это объясняется перегревом металла в сварочной ванне и высокой скоростью охлаждения расплавленного металла. Перегрев металла и высокая скорость охлаждения достигаются за счет высокой концентрации тепла в сварочной ванне и сравнительно большой длины ванны при малой ее ширине. Поэтому чем меньше толщина свариваемого металла, тем должна быть выше концентрация тепла для получения беспористых сварных швов. При недостаточной концентрации тепла в сварочной ванне с увеличением погонной энергии количество пор в сварных швах увеличивается. При низких скоростях сварки количество пор в сварных швах, выполненных электролучевой сваркой больше чем в швах, выполненных аргоно — дуговой автоматической и ручной сваркой и даже атомводородной сваркой. В то же время электроннолучевая сварка при скорости сварки 80м/чпозволяется получать сварные швы без пор. Такие же результаты получаются при импульсной сварке титана малых толщин.

Наряду с применением высокой концентрации тепла, снизить количество пор в сварном шве можно, увеличивая напряжение дуги и увеличивая зазор между свариваемыми кромками. Пористость снижается в результате активного перемещения металла в сварочной ванне при сварке. На основе этих данных можно объяснить получение беспористых швов на титане, выполненных дуговой сваркой под слоем флюса. Получение беспористых швов зависит от выбора не только режима, но и вида сварки. Чистота свариваемых кромок также влияет на образование пор в швах. Травление и термическая обработка свариваемых деталей повышают пористость в швах. Поверхности свариваемых кромок насыщаются водородом при травлении и кислородом и азотом при термической обработке. Детали, изготовляемые с применением нагрева до высоких температур и химической обработки, связанной с насыщением поверхности газами, должны перед сваркой подвергаться обработке, исключающей газонасыщенные слои металла. Технология сварки и оборудование должны исключать проникновение воздуха в зону сварки, а режимы сварки — обеспечивать минимальную погонную энергию и полный провар свариваемых кромок. Следует исключить применение присадочных металлов с оловом и марганцем в качестве легирующих элементов. Такими образом, только комплекс указанных факторов позволяет получать сварные соединения без пор.

Горячие трещины. В соответствии с современными представлениями о механизме образования горячих трещин при сварке стойкость сварного соединения против кристаллизационных трещин определяется рядом взаимосвязанных факторов. Основными из них являются малая величина температурного интервала хрупкости, высокая пластичность металла в этом интервале и малая интенсивность нарастания упругопластической деформации по мере снижения температуры. Пластичность титана в зоне температур солидуса весьма высокая, а прочность весьма низкая. Пластичность при температуре солидусане зависит от пластичности при комнатной температуре; Титан и его сплавы не склонны к кристаллизационным (горячим) трещинам при сварке.

Холодные трещины. Холодные трещины являются распространенным дефектом сварных соединений из титана и сплавов на его основе. Образование трещин в сварном соединении определяется химическим составом свариваемого металла, металла шва и главным образом содержанием газов в них, а так же фазовыми и структурными превращениями, обуславливающими напряженное состоянии сварного соединения и его пластичность. Трещины как правило расположены поперек шва с выходом на основной металл. При сварке пластичного титана, если металл шва загрязнен газами, трещины возникают только поперек шва без выхода на основной металл. Однако если стыковой шов имеет непровар, а валиковый шов — ослабленное сечение, то трещины как в чистых швах, так и загрязненных газами, образуются вдоль шва.

Предупреждение образования трещин. При сварке титана и его сплавов наиболее эффективной мерой предупреждения образования холодных трещин, как и пор, является ограничение содержания в основном металле и шве до 0.1% O2, до 0.03% N2, до 0.1% C и до 0.005% H2. При сварке такого металла гидридное превращение и снижение пластичности шва не приводят к опасным последствиям. Хорошие результаты достигаются и технологическими факторами: применением пластичного присадочного металла, полной защитой сварного соединения от проникновения воздуха при сварке в специальных камерах и др. Помимо технологических факторов сварки, существенное влияние на образование трещин в металле шва оказывают сопутствующие технологические процессы обработки деталей — штамповка, гибка, термическая обработка, травление и др. Детали из титана должны подвергаться обработке с целью получения свариваемых кромок с чистой поверхностью без надрывов. Подогрев при сварке титана можно найти применение как средство предупреждения холодных трещин, подогрев позволяет регулировать структурные изменения в металле шва и околошовной зоне вследствие изменения скорости охлаждения металла при сварке; кроме того, уменьшает остаточные напряжения и снижает пластические деформации в сварном соединении.

Предопределяющими факторами для оптимального выбора способа сварки служат следующие показатели: протяженность сварных швов, категория ответственности конструкции, цена применяемого сварочного оборудования и сварочных материалов, объемы производства и металлоемкость конструкции.

сварка титановый сплав лучевой

2. Выбор и обоснование способа сварки Выбор способа сварки — важнейший этап подготовки изготовления сварных конструкций любой сложности.

Будем применять три способа сварки:

1. Сварка дуговая сплавов титана в среде защитных газов;

2. Электронно-лучевая сварка титановых сплавов;

3. Электрошлаковая сварка титана Сварка дуговая сплавов титана в среде защитных газов. Особенности автоматической сварки в защитных газах:

— Высокая степень концентрации дуги, обеспечивающая минимальную зону структурных превращений и относительно небольшие деформации изделия;

— Высокая производительность;

— Высокоэффективная защита расплавленного металла, особенно при использовании в качестве защитной среды инертных газов;

— Возможность наблюдения за ванной и дугой;

— Возможность сварки металлов различной толщины, в пределах от десяти долей миллиметра до десятков миллиметров;

— Широкая возможность механизации и автоматизации;

— Возможность сварки в различных пространственных положениях.

В процессе сварки в защитном газе рисунок 1электрод, сварочная ванна и зона дуги находятся под защитой благодаря струе защитного газа.

В качестве защитных газов используют активные газы (азот, углекислый газ, водород и др.) и инертные газы (гелий и аргон), а в некоторых случаях — смеси 2-х и более газов.

Сварка титана неплавящимся электродом осуществляется постоянным током прямой полярности.

Вольфрамовый электрод является катодом. От его стойкости, формы, постоянства эмиссионной способности во многом зависят глубина провара, качество формирования швов, стабильность процесса сварки.

В связи с высокой химической активностью титана при повышенных температурах и особенно в расправленном состоянии основной трудностью при его сварки плавлением является обеспечение надежной защиты от атмосферы не только сварочной ванны и корня шва, но и остывающих участков сварного соединения, нагретых выше 400 °C, т. е. до тех температур, при которых начинается заметное взаимодействие титана с газами атмосферы.

Рисунок 1- Сварка дуговая сплавов титана в среде защитных газов Электронно-лучевая сварка. Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме.

Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10−4… 10−6 мм рт. ст.

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса рисунок 2. Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

1-электронный луч; 2-передняя стенка кратера; 3 — зона кристаллизации; 4 — путь движения жидкого металла Рисунок 2- Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено в основном давлением потока электронов, характером выделения теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением испаряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излучением. Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Однако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния и др.) эффективность электронного потока и количество выделяющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энергии на ионизацию паров металлов. В этом случае целесообразно сварку вести импульсным электронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импульсов 100 … 500 Гц. В результате повышается глубина проплавления. При правильной установке соотношения времени паузы и импульса можно сваривать очень тонкие листы. Благодаря теплоотводу во время пауз уменьшается протяженность зоны термического влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, которые могут быть устранены сваркой колеблющимся или расфокусированным лучом.

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:

1. Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 … 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т. д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

2. Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 … 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате резко снижаются коробления изделия.

3. Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки электронно-лучевой сварки:

1. Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;

2. Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

Электрошлаковая сварка — это сварка плавлением, при которой для нагрева металла используется теплота; выделяющаяся при прохождении электрического тока через расплавленный электропроводный шлак. Это самый высокопроизводительный способ автоматической сварки металла значительной толщины. Производится она так. В пространство между свариваемыми кромками изделия и шлак удерживающими приспособлениями (медными ползунами, начальными планками) вводятся флюс и электродная проволока. Процесс сварки начинается с возбуждения дуги между электродной проволокой и начальной планкой. Теплотой дуги расплавляются флюс и электродная проволока. Образуется ванна расплавленного металла, покрытая слоем жидкого шлака. Электродная проволока, находясь в ванне нагретого шлака, плавится, и дуга гаснет. Сварочный ток, проходя через расплавленный шлак, нагревает его до температуры 1600—1700°С. Дальнейший бездуговой процесс плавки происходит за счет теплоты, выделяемой в шлаке сварочным током. По мере заполнения шва металлом медные ползуны, охлаждаемые проточной водой, перемещаются снизу вверх и формируют сварной шов.

Применяя электрошлаковую сварку несколькими электродными проволоками или электродами в виде ленты, можно сваривать кромки изделия практически любой толщины. Электрошлаковая сварка имеет следующие технико-экономические достоинства:

1)Высокую устойчивость процесса, мало зависящую от рода тока, и нечувствительность (благодаря тепловой энергии шлаковой ванны) кратко временным изменениям тока и даже его прерыванию;

2)Электрошлаковый процесс устойчив при плотностях тока 0,2—300 А/мм2 и возможен при использовании проволочных электродов диаметром 1,6 мм и менее и пластинчатых электродов сечением 400 мм² и более; высокую производительность.

3) По скорости плавления присадочного металла электрошлаковая сварка вне конкуренции. Она позволяет допускать нагрузку на электрод до 10 000 А;

4)Высокую экономичность процесса;

5)На плавление равных количеств электродного металла при ЭШС затрачивается на 15—20% меньше электроэнергии, чем при дуговой сварке. Расход флюса меньше, чем при дуговой сварке, в 10—20 раз и составляет около 5% расхода электродной проволоки;

6)Отсутствие необходимости в специальной подготовке кромок свариваемых деталей и малую чувствительность их к качеству обработки;

7)Высокое качество защиты сварочной ванны от воздуха;

8) Недефицитность и сравнительно низкую стоимость сварочных материалов; возможность получения за один проход сварных соединений теоретически любой толщины.

Недостатками электрошлаковой сварки являются:

1)Производство сварки только в вертикальном или в близком к вертикальному положению (отклонение от вертикали не более 30°) свариваемых плоскостей;

2)Недопустимость остановки электрошлакового процесса до окончания сварки. В случае вынужденной остановки в сварном шве возникает дефект. В таком случае сварной шов подвергают ремонту или полностью удаляют и вновь заваривают;

3)Крупнозернистая структура в металле шва и зоне термического влияния и связанная с этим низкая ударная вязкость металла сварного соединения при отрицательных температурах;

3)Необходимость изготовления и установки перед сваркой технологических деталей (планки, «стартовые карманы», формирующие устройства и др.).

Электрошлаковая сварка применяется при сварке прямолинейных, криволинейных и кольцевых швов. Минимальная толщина деталей, образующих стыковое соединение при ЭШС без технологических затруднений, находится в пределах 25—30 мм.

Экономически целесообразнее использовать ЭШС при изготовлении толстостенных конструкций, а также при изготовлении конструкций из низкои среднеуглеродистых, низко-, среднеи высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов (алюминия, титана).

Кроме того, ЭШС применяют для наплавки различных сплавов на низкоуглеродистые и низколегированные стали. Электрошлаковой сваркой могут быть выполнены стыковые, угловые и тавровые соединения.

3. Технологический раздел

3.1 Выбор и обоснование разделки кромок После определения способа сварки, поскольку основные характеристики будущего сварного соединения известны (тип соединения, протяжённость и толщина свариваемого соединения) необходимо определить точные геометрические параметры до сварки и после неё. Соответственно выбор геометрических параметров сварного соединения будет выбираться исходя из способа сварки и основных параметров соединения.

Таблица 4 — Геометрические параметры сварного шва

а) б) Рисунок 3 — Общий вид стыкового соединения С3

а — конструктивные элементы подготовленных кромок свариваемых деталей; б — конструктивные элементы шва сварочного соединения

3.2 Выбор и обоснование сварочных материалов Одной из важных особенностей титановых сплавов является незначительная чувствительность к изменению режимов сварки. Прочность, пластичность и ударная вязкость металла швов на сплаве ВТ1−00 практически не зависят от затрат погонной энергии при сварке. Это свидетельствует о возможности сварки плавлением сплавов такого класса в достаточно широком интервале режимов. Наиболее высокими характеристиками пластичности сварные соединения этих сплавов обладают при средних или относительно высоких скоростях охлаждения. Так как в нашем соединении толщина листа равна 45 мм то мы будем применять электрошлаковую сварку титана проволочным электродом.

3.3 Выбор и обоснование режимов сварки Основными параметрами режима электрошлаковой сварки проволочным электродом являются сила сварочного тока, напряжение на дуге, скорость сварки, диаметр сварочной проволоки, диаметр проволочного электрода Таблица 5 — Режим сварки

Некоторые технологические указания по электрошлаковой сварке титана и его сплавов приведены ниже:

До начала сварки необходимо:

— установить сварочный аппарат на завариваемый зазор;

— выставить необходимый вылет электродов путем изменения положения формирующих устройств;

— проверить точность движения формирующих устройств относительно завариваемого зазора;

— установить аппаратом необходимую плоскость движения электродов посредине длины зазора и отрегулировать размах колебаний электродов;

— переместить аппарат в карман так, чтобы электроды находились от дна кармана на расстоянии 110−120 мм, установить и прижать к заготовкам формирующие устройства;

— формирующие устройства снаружи обмазать глиной по контуру прилегания к поверхности свариваемых заготовок и пустить воду для охлаждения;

— на дно кармана засыпать слой металлической стружки или крупки толщиной 10−12 мм, затем слой флюса толщиной 10−15 мм;- сварочный аппарат привести в рабочее состояние.

Сварку начинают, когда скорость подачи электродной проволоки составляет 200−250 м/ч. После возникновения дуги следует снизить скорость подачи проволоки до (150±50) м/ч и в течение 3−4 мин создать в зазоре необходимой глубины шлаковую ванну и обеспечить устойчивый электрошлаковый процесс сварки. При подходе зеркала шлаковой ванны к верхнему срезу формирующих устройств надо включить механизм вертикального перемещения.

Для электрошлакового процесса лучшими являются флюсы на основе CaF2> A1203 и СаО (АНФ-6, АНФ-1П и др.).Для начала электрошлакового процесса служит флюс АН-25, электропроводный в твердом состоянии. Другие флюсы, предназначенные для электрошлаковой сварки, находясь в твердом состоянии, электрического тока не проводят. Для обеспечения начала электрошлакового процесса при применении флюса АН-25 кусочки его помещают между свариваемым изделием и электродом. Проводя сварочный ток, они нагреваются, а затем образуют ванночку шлака, позволяющую начать электрошлаковый процесс. Состав флюса АН-25 следующий (по массе %): 35—40 ТЮ2, 33— 40 CaF2J 12—15 СаО, 6—9 Si02, 2—4 MgO, до 2 А1203, до 1 FeO.

Чтобы начать электрошлаковую сварку без флюса АН-25, сперва возбуждают электрическую дугу с целью создания ванночки жидкого флюса, позволяющей перейти к электрошлаковому процессу. В жидком состоянии все флюсы проводят электрический ток.

3.4 Выбор и обоснование сварочного оборудования Электрошлаковый процесс на переменном токе прямой полярности протекает более устойчиво, чем на постоянном. Источником питания выбран Трансформатор сварочный ТШС-1000−3.

Предназначен для питания автоматов электрошлаковой сварки (ЭШС) переменным током. ТШС-1000−3 обеспечивает питание трехфазным током до 1000А в каждой фазе (тремя электродами до 1000А).После соответствующего переключения трансформатор ТШС-1000−3 может работать как однофазный с номинальной силой тока до 2000 А. Вторичное напряжение трансформатора регулируется переключением секционированных первичной и вторичной обмоток.

Таблица 6 — Технические характеристики трансформатора ТШС-1000−3

Аппарат предназначен для однопроходной электрошлаковой сварки сдвусторонним формированием шва сталей толщиной до 450 мм. Аппарат позволяет осуществлять сварку продольных и кольцевых стыковых швов, угловых и тавровых соединений. Может поставляться в исполнении, предназначенном для сварки вертикально-стыковых швов сталей толщиной до 250 мм., а также различных других швов и толщин по спецзаказу.

Таблица 7 — Технические характеристики автомата, А — 535

Титан и ?-сплавы титана не упрочняются термической обработкой, и их подвергают только рекристаллизациоиному отжигу. Температура отжига? + ?-сплавов должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуры превращения? +? > ?, так как и в ?-области происходит сильный рост зерна.

Отжиг при температурах, соответствующих ?-области, мало влияет на? в и ?0,2, но сильно снижает? и ?. Вязкость разрушения К1с возрастает при повышении температуры обработки в? + ?-области при сохранении высоких значении? и ?.

Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг на 20−30 °С ниже температуры? +? > ?-превращення (псевдо ?-отжиг).

В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке ?- и? + ?-сплавов, применяют неполный отжиг при 550−600 °С;? + ?-сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением.

Рассмотрим превращения, которые протекают в? + ?-сплавах при закалке. При быстром охлаждении сплавов, нагретых до области ?-фазы (рис.5), протекает сдвиговое мартенситное превращение.

Как и в стали, мартенситное превращение в титановых сплавах протекает в интервале температур Мн-Мк. Чем выше содержание в сплаве ?-стабилизаторов, тем ниже температура мартенситного превращения Мн и Мк (рис.4).

Рис. 4. Структура сплавов титана после закалки из ?-области (а) и влияние концентрации легирующих элементов (л.э.) на точкуМн (а и б) После закалки малолегированных сплавов образуется ??-фаза (рис.5). Мартенситная ??-фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в ?-титане.

Она имеет несколько искаженнуюгексагональную решетку и характерное для мартенсита игольчатое строение (рис. 5 а, б).

а) б) Рисунок 5 -Микроструктуры сплавов титана (?10 а — ??-фаза; б — ?? + ?-фазы (?-фаза — темные участки) При концентрации легирующего элемента выше точки С (рис.5а) возникает мартенситная ??-фаза с ромбической решеткой. Появление ??-фазы вызывает уменьшение твердости и прочности сплавов и увеличение пластичности. После закалки сплавов, имеющих концентрацию ?-стабилизатора более Cк, образуются ??- и ?-фазы, а выше C? к — только метастабильная ?-фаза. В ?-фазе, как это видно из рис. 1, может образоваться мартенситная ?-фаза с гексагональной структурой, которая когерентно связана с матрицей и при микроструктурном анализе не выявляется. Возникновение ?-фазы сильно охрупчивает сплав.

Закалку? + ?-сплавов во избежание сильного роста зерна производят от температур, соответствующих? + ?-области (рис.5). При этом ??-фаза остается без изменений, а ?-фаза претерпевает те же превращения, какие протекают в сплаве того же состава, что и ?-фаза, при закалке из ?-области. Например, для случая, приведенного на рис. 1, при температуре t состав ?-фазы определится точкой a, а состав ?-фазы — точкой b; ?-фаза этого состава при закалке приобретает структуру ?(?). Следовательно, структура всех сплавов после закалки с температуры t, отвечающей? + ?-фазам, будет состоять из? +? (?)-фаз. При закалке стемператур выше tк (рис.5) состав ?-фазы будет меньше Cк, и при быстром охлаждении она будет полностью или частично испытывать мартенситное превращение. Структура сплавов после закалки будет? + ?? +? (?), или? + ??, или? + ?? (рис.5).В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом ??-фазы и остаточной ?-фазы. Повышение прочности при распаде ??-фазы невелико. Упрочнение, связанное собразованием ?-фазы, использовать нельзя из-за возникновения высокой хрупкости сплавов. Чтобы избежать хрупкости, связанной с образованием ?-фазы, применяют более высокую температуру старения: 450−600 °С.Упрочняющая термическая обработка для крупных деталей из титановых сплавов применяется редко. Это объясняется малой прокаливаемостъютитановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К1с) и короблением деталей. Прокаливаемость возрастает с увеличением содержания ?-фазы, усложнением состава сплава (ВТ9, ВТЗ, ВТ22) и применением регламентированной скорости охлаждения при закалке (для сплавов ВТЗ-1, ВТ9 до 20 °С/с).Высокую конструктивную прочность обеспечивает «мягкая закалка», которая сводится к нагреву при температурах? + ?-области. охлаждению со скоростью 50−150 °С/ч до 700−600 °С и последующему охлаждению на воздухе или в воде. После мягкой закалки производится старение при 450−500 °С. После такой обработки частицы ??-фазы в метастабильной ?-фазе вместо пластинчатой формы имеют округлую форму, что и повышает надежность деталей в эксплуатации. Типовые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, и при использовании в узлах трения они подвергаются химико-термической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850−950 °Св течение 30−60 ч в атмосфере азота. Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950 °Св течение 30 ч 0,05−0,15 мм, HV 750−900.После проведения любого процесса термообработки на поверхности детали появляется окисление когда они подвергаются воздействию воздуха. Это приводит к последующей трудоёмкой и дорогостоящей обработке.

Поэтому, термообработку предпочтительно проводить в безкислородной атмосфере. В дополнение к использованию высокочистых защитных газов, используют вакуум как лучшую защиту против окисления, и который является наиболее эффективной атмосферой.

Вакуумная термообработка является основой передовых технологий втермической обработке для инструментальной промышленности.

Таблица 8 — Технические характеристики турбонагревательной вакуумной печи VC-UH-524 (FV)

Заключение

В данной курсовой работе была разработана технология сварки плавлением для выбранного материала. При разработке технологии сварки был проведен анализ материала, из которого изготовлены свариваемые детали. Был приведен химический состав данного сплава. Так же для данного материала были приведены основные технологические свойства. Кроме анализа свариваемого материала в разработку технологического процесса сварки входит такой важный пункт как выбор и обоснование способа сварки. Соответственно для того, чтобы определить наилучший и наиболее оптимальный способ сварки были рассмотрены три наиболее распространенных способа сварки, которыми можно добиться получения интересующего нас соединения. Для выбранного способа сварки был представлен список основных преимуществ по сравнению с двумя другими предлагаемыми способами. Затем руководствуясь справочной литературой были выбраны ориентировочные режимы для электрошлаковой сварки, а именно, сила сварочного тока, напряжение, скорость сварки, скорость подачи электродной проволоки, род и полярность тока. Так же были определены специальные технические мероприятия для удаления горячих трещин и пористости в швах.

Список использованных источников

1 Акулов, А. И. Технология и оборудование сварки плавлением: учеб. пособие/ А. И. Акулов, Г. А. Бельчук, В. П. Демянцевич. — М.: Машиностроение, 1974. — 432 с.

2 О сварке //OSVARKE.COM: Электрошлаковая сварка. 2009. URL: http://www.osvarke.com/tochechnaya-svarka.html (дата обращения 12.09.2013)

3Замков, В. Н. Металлургия и технология сварки/ С. М. Гуревич, В. Е. Блащук, Ю. К. Новиков. — 2 -е изд., доп и перераб. — К.: Наукова думка, 1986. — 240 с

4Борисова, Е. А. Металлография титановых сплавов /Г.А. Бочвар, Б. А. Колачев, А. Б. Ноткин — М.: Металлургия, 1980. — 464 с.