Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО СВАРКЕ ЧУГУНА 9
1.1. Краткая характеристика чугунов 9
1.2. Оценка свариваемости чугунов 13
1.3. Анализ существующих способов сварки чугунов.... 21
1.4. Сравнительный анализ контактной стыковой сварки чугуна и сварки плавлением 40
1.5. Ближайшие перспективы применения контактной стыковой сварки чугуна и чугуна со сталью в промышленности 46
1.6. Цель и задачи исследования 50
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ЧУГУНА 52
2.1 .Исследование особенностей процесса сварки трением чугуна 52
2.2. Исследование особенностей сварки сопротивлением 55
2.3. Исследование особенностей контактной стыковой сварки оплавлением 58
Выводы по разделу 2 61
3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ СВАРКИ ЧУГУНА С ЧУГУНОМ ПРИ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ОПЛАВЛЕНИЕМ 63
3.1. Методика расчета тепловых процессов и режимов при контактной стыковой сварке оплавлением чугуна 63
3.2. Расчеты параметров режимов стыковой сварки оплавлением 74
3.3. Эксперименты по контактной стыковой сварке чугуна методом прерывистого подогрева по расчетным параметрам 75
3.4. Термический цикл стыковой сварки оплавлением с прерывистым подогревом 78
Выводы по разделу 3 83:
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА КОНТАТКНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ОПЛАВЛЕНИЕМ; ОПЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПОЛУЧЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗЧУЕУНАИ ЧУГУНА СО СТАЛЬЮ...86
4.1;. Сваркачугуншсчугуном... ......1.. 87
4Л.Г. Определение установочной длины:...... :.... .87
4:1.2. Определение оптимальных параметров режима предварительного: подогрева:.....88
4.1.3 Влияние параметров-режима оплавленияшакачество сварных соединений
при сварке чугуна: ...94:
4'1.4:.Влияния параметров осадки. 97
4-2. Особенности контактной сварки чугуна со сталью- .......104
4.2.1 Методика проведения экспериментов'и параметры режимов сварки..... 104;?
4:2.2: Особенности формирования(структуры комбинированных сварных соединений тих механические свойства: ..106
Выводы по разделу 4. .112!
5. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНЫХ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ЧУГУНА 115
5. 1. Статическая прочность и трещиностойкость сварных соединений из чугуна 115
5:2. Трещиностойкость сварных соединений из чугуна ..121
5.3: Влияние параметров микроструктуры чугуна с шаровидным графитом на прочность и пластичность сварных соединений:... ..126
5.4: Анализ напряженного состояния разнородных сварных соединений из чугуна со сталью. 139
5.5. Оценка влияния плоскостных дефектов на несущую способность сварных соединений из чугуна и стали 154
Выводы по разделу 5 160
6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 164
6.1. Сварка труб из чугуна 164
6.2. Сварка узлов из чугуна и стали 170
6.3. Направление дальнейших исследований и перспективы внедрения 173
Выводы по разделу 6 176
7.ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 178
ЛИТЕРАТУРА 183
- Краткая характеристика чугунов
- .Исследование особенностей процесса сварки трением чугуна
- Методика расчета тепловых процессов и режимов при контактной стыковой сварке оплавлением чугуна
Введение к работе
В современном машиностроении более 50% массы машин составляют литые
детали, которые в большинстве своем выполнены из чугуна. Кроме хороших
литейных свойств, простоты и экономичности получения отливок, чугуны
обладают высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью при
эксплуатации, малой чувствительности к концентраторам напряжений и рядом других специальных свойств [1].
В настоящее время производство чугунных изделий сводится к их отливке. Вопрос о производстве сварно-литых конструкций из чугуна практически малоисследован, что подтверждается ограниченным количеством информации по этому вопросу в литературных источниках. До сегодняшнего дня сварка применительно к чугуну использовалась в основном для ремонтных работ. Во многом это обусловлено тем, что чугуны, как правило, обладают ограниченной свариваемостью.
Примерно половина тоннажа получаемого чугуна идет на производство труб и трубных деталей, которые используются в машиностроении, энергетике, химических отраслях промышленности, а также в сфере коммунального хозяйства [2-6].
Задаче повышения коррозионной стойкости и надежности трубопроводов уделяют большое внимание во всем мире, в том числе и в России. Срок службы водопроводов и теплотрасс в настоящее время составляет от 5 до 12 лет, промысловых нефтепроводов - 4...5 лет и определяется скоростью общей коррозии, а чаще всего — питтинговой коррозией основного металла и сварных соединений трубопровода.
Использование труб из серого чугуна при строительстве водопроводов показало их высокую коррозионную стойкость, в том числе к образованию питтингов. Срок службы некоторых трубопроводов из серого чугуна составляет более 100 лет [2]. Однако, надежность данных трубопроводов невелика из-за
низких пластических свойств серого чугуна, что приводит к частым авариям из-за образующихся трещин при эксплуатации трубопровода. Проблему увеличения прочностных и пластических свойств чугунных труб можно решить путем применения труб из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ЧТТТГ), полученных методом центробежной отливки. Трубы из ЧШГ обладают прочностью на разрыв не менее 400 Мпа и относительным удлинением не менее 11%. Однако способ соединения труб при помощи раструбного соединения на резиновой манжете (как это осуществляется при строительстве водопроводов) не позволяет использовать трубы из ЧШГ при сооружении теплотрасс, нефтепроводов, продуктопроводов, так как не обеспечивает необходимой прочности и герметичности соединения. Решение проблемы надежного соединения труб шаровидным графитом с помощью сварочных технологий позволит существенно продлить срок эксплуатации трубопроводных систем.
Чугун - один из основных конструкционных материалов і для изготовления корпусных деталей. Обеспечение стабильного качества сварки чугуна открывает широкие возможности ресурсосбережения за счет соединения и восстановления корпусных деталей машин, создания сварно-литых металлоконструкций' в машиностроении. Здесь существует проблема сварки чугуна со сталью. Стыковая сварка может стать основным средством комбинирования стальных и чугунных частей сварного изделия, при котором с наибольшей полнотой будут использованы все положительные технологические и эксплуатационные свойства этих разнородных металлов при изготовлении корпусов насосов, блоков и головок цилиндров для дизельных и карбюраторных двигателей, гильз цилиндров, распределительных валов, тормозных дисков, барабанов-и т.д. [1].
Одной^ из основных проблем применения труб из чугуна являются их ограниченная длина, что затрудняет монтаж трубопроводов. В настоящее время основным способом производства труб из чугуна является центробежное литье. Известно, что центробежная отливка затрудняется с увеличением длины трубы. Преодоление этих сложностей сопряжено с технологическими трудностями
отливки и резким увеличением расходов на оборудование, оснастку и материалы. Анализируя производство чугунных труб на заводах России, можно сделать вывод о том, что литье труб длиной более 2000 мм приводит к образованию недопустимых дефектов. Использование коротких труб для строительства трубопроводов, как показывает практика, нецелесообразно, ввиду высокой стоимости расходных материалов для дуговых способов сварки чугуна. Поэтому появилась необходимость в разработке мероприятий для увеличения длины выпускаемых труб. Одним из сравнительно дешевых способов получения длинномерных труб является сварно-литой вариант изготовления с использованием контактных методов сварки. Однако, возникла необходимость обеспечения качественных сварных соединений.
Исследованиями на кафедре «Оборудование и технология сварочного производства» Южно-Уральского государственного технического университета, начало которым положил В.М. Шахматов совместно с И.Р. Пацкевичем [7,8], экспериментально установлена возможность получения качественного соединения некоторых марок чугуна с чугуном и чугуна со сталью высокопроизводительным и простым методом с помощью контактной стыковой сварки. Однако не раскрыт вопрос о теоретическом обосновании технологии сварки. Остается открытым так же вопрос о расширении номенклатуры марок соединяемых деталей из чугуна, в частности для деталей из чугуна с шаровидным графитом. Не исследованы вопросы прочности и трещиностойкости сварных соединений из чугунов и комбинированных соединений из чугуна со сталью.
Развитие стыковой сварки чугуна с чугуном и чугуна со сталью в настоящее время находится в начальной стадии и опирается пока лишь на первые результаты исследований.
Условием дальнейшего расширения областей и объема применения стыковой сварки чугуна в промышленности является всестороннее и глубокое изучение этого специфического процесса.
Проблему получения качественных сварных соединений из чугуна контактной стыковой сваркой необходимо рассматривать с двух сторон:
Общетеоретической;
Практической (прикладной).
В первом случае, особые механические и физические свойства чугуна потребовали детального исследования таких совершенно новых вопросов, как технологическая прочность при стыковой сварке, влияние графитных составляющих на процесс сваривания, особенности структурных превращений в зоне термического влияния и протекание диффузионных процессов при сварке чугуна со сталью. Анализ прочности и трещиностойкости сварных соединений потребовал создания расчетных методик, базирующихся современных подходах механики разрушения, теории упругости и пластичности.
Во втором случае, на основе проведенных исследований оказалось возможным изыскать наиболее оптимальные способы стыковой сварки и параметры режимов процесса. Опыт внедрения стыковой сварки чугуна и чугуна со сталью позволил значительно снизить отбраковку труб, получаемых методом центробежного литья, повысить прочность сварных соединений и другие специальные характеристики деталей. При этом уменьшить трудоемкость получения сварных соединений для различных отраслей промышленности.
Краткая характеристика чугунов
Чугун является многокомпонентным железоуглеродистым сплавом, содержащим свыше 2 % С, до 5 % Si и некоторое количество марганца. Сера и фосфор, как правило, являются примесями. В легированные чугуны, кроме того, вводят хром, никель, молибден и другие элементы, придающие ему особые свойства. Наличие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его применение исключительно в качестве литейного сплава [9].
В зависимости от состава, условий кристаллизации и скорости охлаждения углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или структурно-свободном состоянии в виде графита. Наличие цементита в сплаве придаёт излому светлый цвет. Поэтому чугун, в котором углерод находится в виде цементита, называется белым. Графит придаёт излому серый цвет, и такие чугуны называются серыми.
Графитизаторами в чугунах по данным справочников [1,10] являются углерод, кремний, алюминий, медь, никель и др. Эти элементы с железом образуют твёрдые растворы, увеличивающие в его решётке число вакансий и смещений, облегчающих диффузию, уменьшающих энергию активации и ослабляющих связи между атомами углерода и железа и тем самым способствующих графитизации. Степень их влияния различна. Наиболее сильными графитизаторами являются углерод и кремний. Кремний, содержание которого в серых чугунах составляет 1,2 - 3,5 %, влияет на строение чугуна и в первую очередь на степень его графитизации. Кремний изменяет степень эвтектичности сплава, под которой понимают отношение общего содержания углерода в чугуне к содержанию его в эвтектике. Используя графитизирующее действие кремния, можно получить эвтектический чугун при введении в него меньшего количества углерода. Регулируя соотношение углерода и кремния в сплаве, можно получить требуемую структуру в чугунной отливке (рис. 1.1, а, б.).
Процесс графитизации зависит от скорости охлаждения отливки. Чем меньше скорость охлаждения, тем полнее осуществляется процесс графитизации. В условиях производства, чем меньше отливка, тем больше скорость охлаждения. В результате для обеспечения процессов графитизации с уменьшением толщины стенки отливки необходимо увеличить суммарное содержание в ней углерода и кремния (рис.1.1, в.).
.Исследование особенностей процесса сварки трением чугуна
Первая серия опытов была проведена по сварке трением образцов диаметром 16 мм из серого чугуна СЧ-21 (с пластинчатым графитом). Химический состав чугуна: С - 3,48%, Мп - 0,95%, Si - 2,15%, S - 0,07%, Р - 0,14%, Ni - 0,13%, Сг -0,16%) . При этом варьировали относительной скоростью вращения заготовок в пределах 1450...2850 об/мин., удельным давлением при вращении - 10...45 МПа, удельным давлением осадки — 10...50 МПа. Машинное время сварки было в пределах 6...24 с. Оценка качества соединения определялась испытанием на разрыв образцов и металлографическими исследованиями. Все образцы разрушались по стыку с минимальной прочностью, порядка 0,1ав. Некоторые образцы разрушались при легком ударе молотка. Торцы стыка были гладкие, покрытые легким графитовым налетом. При этом отсутствовали даже единичные точки схватывания между свариваемыми поверхностями (рис.2.1). На предельных удельных давлениях при вращении и осадки наблюдалось разрушение воротничка, образующегося при сварке трением (см. рис.2.1).
Отсутствие межатомных связей при сварке трением серого чугуна объясняется тем, что при вращении трущихся деталей свободный графит выделяется между контактирующими поверхностями, образуя сплошную графитовую пленку, которая как неметаллическое вещество мешает сближению поверхностей на межатомное расстояние. Это хорошо подтверждается металлографическими исследованиями, где видно, что в начале процесса графитные пластинки орентируются по направлению вращения свариваемых образцов (рис.2.2,а), и к концу процесса образуют сплошную графитовую пленку (рис.2.2,б). Графитовая пленка также существенно снижает коэффициент трения, что затрудняет дальнейшую интенсификацию нагрева и не позволяет получить на соединяемых торцах жидкую фазу. Отсутствие жидкой фазы, которая выдавливалась бы при осадке вместе с графитовой пленкой, является основным препятствием установлению межатомных связей между контактирующими поверхностями.
Методика расчета тепловых процессов и режимов при контактной стыковой сварке оплавлением чугуна
В соответствии с установленными принципами получения качественных сварных соединений, при оптимальных параметрах режима сварки температурное поле должно создавать, на соединяемых торцах, некоторую зону жидкого металла, которая при последующей осадки выдавливалась бы из стыка полностью при минимально необходимой, для образования сварного соединения, протяженности зоны местной пластической деформации хд. При этом в грат также должны выдавливаться участки нагретые, ориентировочно, 1000С и выше.
Для стальных деталей протяженность участка (хл), на котором при воздействии температуры и давления происходит местная деформация и выдавливание жидкого металла из стыка определяется на основе экспериментов по эмпирической зависимости [46]:
Для сварных соединений из чугуна, как показали экспериментальные исследования, проведенные в настоящей работе, стыковая сварка оплавлением должна производится при увеличенном припуске на оплавление, что несколько увеличивает протяженность зоны пластической деформации хд_ Эта разница
обусловлена большим, чем у стали коэффициентом температуропроводности - а (а = 0,17 см /сек — для чугуна, против а = 0,11- 0,14 см /сек — для стали). При этом деформация происходит на большей базе хд, вследствие чего при
одинаковых припусках на осадку уменьшаются абсолютные значения данных пластических деформаций. Данный факт является благоприятным для получения качественного сварного соединения ввиду ограниченной пластичности чугуна. На основе экспериментов установлено, что протяженность зоны местной пластической деформации для образования качественного сварного соединения должна составлять:
Очевидно, что на всей протяженности зоны хд должна быть такая температура, чтобы давление осадки Р не оказалось бы способным осуществлять пластическую деформацию за пределами данного участка. Это значит, что осадочное давление Р на расстоянии хд от стыка (рис.3.1) должно соответствовать пределу текучести чугуна при действующей в данном сечении температуре Тд. При х хд материал должен работать упруго. Согласно где Тпл — температура плавления чугуна; m — коэффициент, учитывающий, скорость протекания деформации (для относительно низких скоростей деформации, меньших 10-15 см/сек можно принять m = 1); 7Г— предел текучести чугуна при нормальной температуре.
Методику расчета температурных полей при сварке непрерывным оплавлением для установившегося процесса будем строить на основе теории тепловых процессов академика Н. Н. Рыкалина [47], который дал точное решение по распределению температур для оплавляемых стержней [48]:
