Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ особенностей свариваемости перлитных разно родных сталей, входящих в состав сварного соединения 11
Глава 2. Определение расчетным и опытным путем химического состава металла шва, структурного состава и свойств сварного со единения перлитных разнородных сталей 17ГСи45 41
2.1. Выбор подготовки кромок сварного соединения, режимов сварки и термической обработки. Расчетное определение свойств сварного соединения 43
2.2. Определение химического состава металла шва 48
2.3. Исследование структурного состава сварных соединений 53
2.4. Исследование твердости сварных соединений 59
Глава 3. Исследование механических свойств сварных соединений и проведение усталостных испытаний картеров ведущих мостов... 76
3.1. Статические испытания 77
3.1.1. Статические испытания на растяжение 77
3.1.2. Статические испытания на кручение 78
3.2. Усталостные испытания картеров ведущих мостов 82
Глава 4. Технологический процесс изготовления картеров ведущих мостов автомобилей из перлитных разнородных сталей 17ГС и 45 и возможность его автоматизации 87
Общие выводы 91
Библиографический список 93
Приложение 98
- Анализ особенностей свариваемости перлитных разно родных сталей, входящих в состав сварного соединения
- Выбор подготовки кромок сварного соединения, режимов сварки и термической обработки. Расчетное определение свойств сварного соединения
- Статические испытания на растяжение
Анализ особенностей свариваемости перлитных разно родных сталей, входящих в состав сварного соединения
В данной главе рассматривается особенность получения сварного соединения, представленного на рис. 2, способом дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа.
Рассматриваемое сварное соединение представляет собой стыковое соединение концевого фланца и рукава балки картера (рис. 2). Балка картера состоит из двух полубалок, соединенных между собой продольным сварным швом. Изготавливаются полубалки из листовой низкоуглеродистой низколегированной конструкционной стали марки 17ГС. Эта сталь относится по типу к кремнемарганцевым. Наличие марганца повышает ударную вязкость и хладноломкость. По сравнению с другими низколегированными сталями стали с содержанием марганца позволяют получить сварные соединения более высокой прочности при знакопеременных и ударных нагрузках. Данная сталь обладает повышенной стойкостью против атмосферной коррозии, это обеспечивает малая добавка меди, массовая доля которой должна составлять 0,15...0,30% [10, 22, 32, 34, 43,44]. Химический состав стали 17ГС представлен в таблице 1, механические свойства - в таблице 2.
Данная марка стали обладает хорошей свариваемостью. Механические свойства металла шва и околошовной зоны должны быть не ниже нижнего предела механических свойств основного металла. Сварное соединение должно быть стойким против перехода в хрупкое состояние. Технологический процесс должен обеспечивать максимальную производительность и экономичность процесса сварки при требуемой надежности и долговечности конструкции.
Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки и предыдущей и последующей термической обработкой. Химический состав металла шва зависит от доли участия основного и электродного металлов в образовании шва и взаимодействий между металлом и газовой фазой. При дуговой сварке рассматриваемой стали состав металла шва незначительно отличается от состава основного металла. В металле шва меньше углерода для предупреждения образования структур закалочного характера при повышенных скоростях охлаждения. Возможное снижение прочности металла шва, вызванное уменьшением содержания углерода, компенсируется дополнительным легированием металла через сварочные материалы кремнием и марганцем. При сварке необходимое количество легирующих элементов в металле шва обеспечивается также и путем их перехода из основного металла.
Повышенные скорости охлаждения металла шва способствуют увеличению его прочности, однако при этом снижаются пластические свойства и ударная вязкость. Это объясняется изменением количества и строения перлитной фазы. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, конструкцией сварного соединения, режимом сварки и начальной температурой изделия. Влияние скорости охлаждения в наибольшей степени проявляется при дуговой сварке однослойных угловых швов и последнего слоя многослойных угловых и стыковых швов при нало жении их на холодные, предварительно сваренные швы. Металл многослойных швов, кроме последних слоев, подвергающийся действию повторного термического цикла сварки, имеет более благоприятную мелкозернистую структуру. Поэтому он обладает более низкой критической температурой перехода в хрупкое состояние. Пластическая деформация, возникающая в металле шва под действием сварочных напряжений, также повышает предел те кучести металла шва. Свойства сварного соединения зависят не только от свойств металла шва, но и от свойств основного металла в околошовной зоне. Структура, а значит и свойства основного металла в околошовной зоне, зависят от его химического состава и изменяются в зависимости от термического цикла сварки.
При сварке у линии сплавления на участке неполного расплавления металл нагревается в интервале температур между линиями солидуса и ликвидуса, что приводит к частичному расплавлению зерен основного металла. Пространство между нерасплавившимися зернами заполняется жидкими про слойками расплавленного металла, который может содержать элементы, вво димые в металл сварочной ванны. Это может привести к тому, что состав металла на этом участке будет отличаться от состава основного металла, а из-за нерасплавившихся зерен основного металла - и от состава наплавляемого металла. Увеличению химической неоднородности металла на этом участке способствует и слоистая ликвация, а также диффузия элементов, которая может происходить как из основного нерасплавившегося металла в жидкий металл, так и наоборот. Несмотря на небольшую протяженность этого участка, свойства металла в нем могут влиять на свойства всего сварного соединения. На участке перегрева в результате нагрева в интервале температур от 1100... 1150 С до температур линии солидуса металл полностью переходит в состояние аустенита. При этом происходит рост зерна, размеры которого увеличиваются тем более, чем выше нагрет металл выше температуры точки Асз. Даже непродолжительное пребывание металла при температурах свыше 1100 С приводит к значительному увеличению размера зерен. После охлаж дения это может привести к образованию неблагоприятной видманштеттовой структуры. На участке нормализации (полной перекристаллизации) металл нагревается незначительно выше температур точки Асз, и поэтому он имеет мелкозернистую структуру с высокими механическими свойствами. На участке неполной перекристаллизации металл нагревается до температур между точками Асі и Асз, поэтому этот участок характеризуется почти неизменив шимися первоначальными ферритными и перлитными зернами и более мел кими зернами феррита и перлита после перекристаллизации, а также сферои-дизацией перлитных участков.
Выбор подготовки кромок сварного соединения, режимов сварки и термической обработки. Расчетное определение свойств сварного соединения
Исходя из условий конструкции картера заднего ведущего моста автомобиля (см. рис. 1 и рис. 2) в соответствии с ГОСТ 14771-76 "Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные" возможно несколько вариантов подготовки кромок. Варианты с двухсторонним выполнением сварных швов в данном случае невозможны. Учитывая особенности свариваемости сталей 17ГС и 45, рассмотренные в главе 1, остальные варианты, регламентируемые по ГОСТ 14771-76, не способствуют получению качественного сварного соединения без применения предварительного подогрева и последующей термической обработки.
Для данного сварного соединения была разработана подготовка кромок, представленная на Рукав балки картера моста в сечении имеет квадрат (см. рис. 2) с толщиной стенки 9,5±0,5 мм. Аналогичное сечение и особенно внутренние размеры должен иметь концевой фланец в месте стыка с рукавом балки и на длине 15 мм от стыка. Это обусловлено необходимостью сборки стыкового сварного соединения (см. рис. 9). Сварка выполняется на остающейся подкладке, состоящей из двух П-образных частей и при сборке плотноприле-гающей к внутренним поверхностям сечений стыкуемых деталей. Перед сборкой подкладка устанавливалась в концевой фланец на глубину 15 мм и прихватывалась в двух точках. Затем производится сборка фланца с рукавом балки картера и прихватка в четырех местах (по одной на каждой внешней стороне сечения балки).
Сварка осуществляется в три прохода. Первый шов выполнялся на режимах сварки, обеспечивающих 50% проплавление подкладки. Скорость сварки первого прохода на 50...60% выше скорости последующих проходов. Это обусловлено тем, что сварка ведется без предварительного подогрева и во избежание образования трещин основной металл фланца (сталь 45) не должен подвергаться на начальных стадиях сварки (первый проход) длительному перегреву. На последующих проходах (длительные перерывы между проходами недопустимы) скорость сварки необходимо снизить для более эффективного заполнения разделки, к тому же предыдущий проход является для последующих подогревающим, и тем самым снижает вероятность возникновения трещин (доля участия основного металла в формировании шва не столь значительна как в первом проходе). Режимы сварки представлены в О свариваемости сталей можно судить и по эквиваленту углерода, который рассчитан из положения, что стали с одинаковой температурой мар-тенситного превращения обладают одинаковой закаливаемостью и, как следствие, одинаковой свариваемостью [1,11, 54].
Эквивалент углерода по химическому составу равен: где соответствующие элементы обозначают их содержание в стали в весовых процентах. Закаливаемость стали при сварке также зависит от толщины свариваемых кромок, что учитывается размерным эквивалентом углерода: где 8 - толщина свариваемой стали в мм, 0,005 - коэффициент толщины, определенный экспериментально. Полный эквивалент углерода равен сумме химического и размерного эквивалентов: Реальный химический состав сталей 17ГС и 45, из которых изготовлены балка картера и концевые фланцы соответственно, а так же применяемых марок сварочных проволок, представлен в таблице 6.
Статические испытания на растяжение
Рассматриваемое стыковое сварное соединение концевых фланцев с балкой картера ведущего моста автомобиля при эксплуатации испытывает напряжения растяжения и сжатия. Известно, что наиболее опасными участками конструкции, в которых происходит разрушение, являются зоны растягивающих напряжение. По этому результаты статических испытаний на растяжение сварного соединения позволяют судить о его качестве и работоспособности.
Для проведения статических испытаний на растяжение были подготовлены четыре варианта использования сварочных материалов при дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа. Полученные результаты позволят оценить влияние защитной среды и сварочной проволоки различного легирования на механические свойства сварного соединения. Варианты использования сварочных материалов указаны в главе 2.
Образцы, по три штуки на каждый из вариантов применения сварочных материалов, изготавливались из листовой стали 45. Толщина листов составляла 8 мм. На торцах свариваемых листов выполнялась V-образная разделка кромок с притуплением 2 мм. Листы сваривались в стык полуавтоматическим способом сварки за три прохода. Режим сварки, соответствовал указанному в таблице 5. Предварительный подогрев и термическая обработка для сварных соединений на применялась.
После сварки из стыковых соединений вырезались образцы для испытаний на статическое растяжение. Форма и геометрические размеры образцов
соответствовали рекомендуемым по ГОСТ 6996-66 "Соединения сварные. Методы определения механических свойств" (см. рис. 32). Временное сопротивление растяжению (о„) основного металла составляло 560МПа.
Результаты статических испытаний на растяжение представлены в числовых значениях в таблице 9 и графически в виде диаграммы на рис. 33.
Испытания показали, что применение сварочной проволоки марки Св-08ХЗГ2СМ способствует увеличению предела прочности ав сварного шва как при сварке в СОг, так и при сварке в смеси 80%Аг+20%СО2. Запщтная среда так же оказывает влияние на механические свойства: при использовании смеси 80%Аг+20%СС 2 значения предела прочности повышаются. Как показывают результаты статических испытаний на растяжение при совместном использовании при сварке смеси 80%Аг+20%СОг и сварочной проволоки Св-08ХЗГ2СМ значения временного сопротивления выше на 11%, чем у основного металла стали 45.
