Источники энергии, применяемые при сварке

Белорусский национальный технический университет

Филиал БНТУ «Институт повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики БНТУ»

УТВЕРЖДАЮ

Зам. директора по учебной и информационно-аналитической работе

______________И.А.Тавгень

«____»________20_ г.

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«Теория сварочных процессов»

специальности переподготовки

1-36 01 72 «Оборудование и технология сварочного производства»

в соответствии с типовым учебным планом переподготовки,

утвержденным 25.01.2011 г. № 25-11/307

г. Минск, 2016

Разработчик программы: Нестеров В.Г., преподаватель кафедры «Новые материалы и технологии» ИПК и ПК БНТУ

Рецензент: Жизняков С.Н. Саранцев В.В. Радченко А.А.

Рекомендована к утверждению:

Кафедрой «Новые материалы и технологии»

протокол заседания от «__» ____________20___ г. №_____

Советом Института повышения квалификации и переподготовки кадров по новым направлениям развития техники, технологии и экономики БНТУ

протокол заседания от «__» ____________20__г. №_____

I. ВВЕДЕНИЕ

1.1. Цели и задачи дисциплины.

Курс «Теория сварочных процессов» для специальности 1 36 01 72 «Оборудование и технология сварочного производства» посвящен изучению основных положений и принципов теории сварочных процессов, физической природы явлений, заложенных при сварке металлов и сплавов, методам управления процессами сварки, а также ознакомлению с особенностями разработки сварочных процессов. В курсе рассматриваются физические основы и классификация процессов сварки, источники энергии, используемые в основных способах сварки, физическая сущность образования сварных соединений, процессы нагрева и распространения теплоты при сварке, металлургические основы сварки плавлением, закономерности кристаллизации и формирования структуры, вопросы технологической прочности сварных соединений.

Теория сварочных процессов – один из первых курсов, который закладывает необходимую теоретическую базу для последующего изучения других специальных дисциплин. Разработка новых технологических процессов сварки, сварочных материалов и процессов термической обработки сварных соединений требует основательной теоретической подготовки в области сварочных процессов.

Дисциплина «Теория сварочных процессов» относится к специальным дисциплинам профессионального цикла. Она непосредственно связана с дисциплинами естественнонаучного цикла (математика, химия, физика), а также с общепрофессиональными дисциплинами (сопротивление материалов, технологические процессы в машиностроении, материаловедение) и опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения.

Теория сварочных процессов – теоретический фундамент науки о сварке в части формирования свойств сварных соединений. Знание теории сварочных процессов дает инженеру и исследователю ключ к пониманию механизма процесса сварки и, следовательно, к сознательному регулированию его. Курс способствует решению вопросов, связанных с выбором лучшей технологии производства с учетом внедрения малоотходных и безотходных энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Целью изучения дисциплины является получение слушателями общих представлений о совокупности явлений, составляющих сущность сварки, формирование способности к получению новой информации, качественного и количественного анализа явлений, происходящих в процессе сварки, подготовка выпускников к производственно-технологической и инновационной деятельности в области сварочных технологий, получение навыков проведения самостоятельной работы по расчету и определению условий формирования сварных соединений с заданными свойствами.

В результате изучения дисциплины будущий специалист должен знать:

физические основы и классификация процессов сварки, историю развития теоретических основ сварки,

физические и технологические свойства источников энергии для сварки и способы их регулирования;

основные понятия и методы расчета тепловых процессов при сварке;

физико-химические особенности металлургических процессов при сварке;

особенности кристаллизации и формирования структуры металла шва;

механизмы образования трещин при сварке, методы повышения сопротивляемости сварных соединений образованию трещин;

методы теоретического и экспериментального исследования сварочных процессов.

Изучив курс, слушатель должен уметь:

· выполнять расчеты тепловых процессов при нагреве тел сварочными источниками теплоты;

· осуществлять рациональный выбор факторов для регулирования технологических свойств сварочной дуги;

· выполнять расчеты основных параметров сварочных термических циклов, расчеты нагрева и плавления присадочного металла;

· использовать термодинамические методы анализа и прогнозирования металлургических процессов при сварке;

· использовать технологические методы регулирования первичной структуры металла шва;

· проводить анализ фазовых и структурных превращений в сталях при охлаждении в процессе сварки.

Дисциплина «Теория сварочных процессов» состоит из разделов:

· лекционный раздел

· практическая работа

· лабораторные работы

Учебная программа дисциплины рассчитана на 110 учебных часов, из них аудиторных занятий 72 учебных часов (лекционные, практические и лабораторные занятия - 44 лекции+16 практические +12лабораторные) и 38 учебных часов — самостоятельная работа.

II. ТЕМЫ И ИХ СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ (6 часов)

Содержание и назначение курса «Теория сварочных процессов». Открытие электрического дугового разряда. Промышленное освоение технологии сварки. Разработка новых методов дуговой сварки – в среде защитных газов, под флюсом, электрошлаковой сварки, контактной сварки, создание принципиально новых процессов сварки токами высокой частоты, ультразвуком, трением, электронным лучом, лазером и др. Становление сварки как одной из ведущих технологий машиностроения. Перспективы развития сварочного производства.

Процесс образования неразъемного (сварного) соединения. Строение и свойства металлов. Пластическое деформирование и нагрев как основные факторы в процессе образования сварного соединения. Классификация способов сварки по состоянию металла в зоне сварки, виду используемой энергии, технологическим признакам. Общая характеристика процесса плавления основного и присадочного металла, взаимодействие с окружающей средой. Физическая и технологическая свариваемость металлов. Требования к сварным соединениям.

2. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ СВАРКЕ (10 часов)

Общие требования к сварочным источникам теплоты, предназначенным для сварки плавлением. Температура, концентрация и распределение теплоты источника. Сжигание газов, жидкостей или твердых горючих веществ в смеси с кислородом воздуха; сжигание основного металла в кислороде; термитные реакции. Строение, мощность и тепловой баланс источника нагрева.

Источники, основанные на превращениях в теплоту энергии электрического тока. Электрический дуговой разряд. Физические основы разряда. Условия возникновения плазмы, применяемой для сварки и резки. Мощность и тепловой баланс электрической дуги и плазмы. Влияние материалов электродов, состава покрытий и флюсов на стабильность дугового разряда. Нагрев металла электрическим током. Омическое сопротивление зоны сварки при контактном нагреве. Особенности выделения теплоты при электрошлаковой сварке. Особенности нагрева металла токами высокой частоты.

Механические источники энергии. Прессово-механический контакт и холодная сварка. Энергия, выделяющаяся при внешнем трении свариваемых металлов – сварка трением. Энергия, выделяющаяся при знакопеременных колебаниях свариваемых металлов, внешнего и внутреннего трения с ультразвуковой частотой, – сварка ультразвуком. Ударный контакт и сварка взрывом.

Лучевые источники энергии. Поток электронов как источник нагрева свариваемых металлов. Плотность энергии при электронно-лучевой сварке. Поток фотонов как источник нагрева свариваемых металлов. Лазерная сварка.

Комбинированное воздействие нагрева, сварочного давления в условиях вакуума при значительных временных интервалах – диффузионная сварка. Специфика энергетики процесса.

Сравнительные характеристики различных источников энергии.

3. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ (12 часов)

Основные теплофизические свойства металлов, понятия и определения. Влияние теплофизических свойств металлов на процесс распространения теплоты при сварке. Способы передачи теплоты в твердом теле и с его поверхности. Теплопроводность, конвективный и лучистый теплообмен. Уравнение теплопроводности. Частные случаи уравнения теплопроводности. Краевые условия. Упрощенные расчетные схемы нагреваемых тел и источников теплоты. Расчет распространения теплоты от неподвижных мгновенных источников. Движущиеся источники теплоты. Расчет процесса распространения теплоты при наплавке валика на массивное тело, при однопроходной сварке пластин в стык. Влияние режима сварки и теплофизических свойств свариваемого металла на температурное поле. Особенности нагрева свариваемых металлов мощными быстродвижущимися источниками теплоты.

Нагрев и плавление электродной проволоки при дуговой сварке. Методы расчета нагрева электрода током и дугой. Расплавление электрода. Мгновенная производительность процесса расплавления, коэффициент расплавления.

Нагрев и проплавление основного металла сварочной дугой. Основные параметры сварочной ванны. Тепловая эффективность процесса проплавления. Термический КПД проплавления. Производительность процессов наплавки и проплавления.

Термический цикл и максимальные температуры в зоне сварки. Структурные изменения в зоне термического влияния углеродистых и низколегированных сталей. Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре. Расчет длительности нагрева выше заданной температуры.

4. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЛЕНИЕМ (10 часов)

Условия плавления металла и существования его в жидком состоянии. Перенос электродного металла в сварочную ванну. Газовая фаза в зоне сварки. Диссоциация газов. Насыщение расплавленного металла газами. Влияние кислорода, азота и водорода на свойства стали.

Шлаковая фаза. Назначение шлаков. Свойства шлаков. Характеристика важнейших простых оксидов, входящих в состав шлаковой фазы. Взаимодействие между расплавленным металлом, газовой средой и шлаком при сварке плавлением. Виды и классификация флюсов и электродных покрытий.

Окисление металлов при сварке. Раскислительные процессы. Раскисление с получением конденсированных продуктов реакции. Наиболее важные раскислители, применяемые в сварке. Раскисление с получением газообразных продуктов реакции. Диффузионное раскисление. Раскисление металла воздействием шлаков.

Легирование наплавляемого металла. Требования к раскислителям и легирующим элементам. Прямое растворение и обменные реакции при легировании. Коэффициенты усвоения и перехода легирующего элемента. Рафинирование металла. Источники поступления серы и фосфора в зону сварки. Десульфурация и обесфосфоривание (дефосфорация) металла шва.

5. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ И СТРУКТУРА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (8 часов)

Сварочная ванна, ее основные характеристики. Процессы кристаллизации металла при сварке. Первичная кристаллизация металла и ее особенности. Посторонние включения в металле шва. Механизм образования пор. Меры, обеспечивающие снижение пористости в зоне сварки. Шлаковые включения в металле шва. Методы регулирования первичной кристаллизации металла сварных швов. Химическая неоднородность сварного соединения. Диффузионные процессы.

Процессы вторичной кристаллизации в металле шва и в основном металле. Значение скорости охлаждения. Особенности структуры сварного шва и основного металла в зоне термического влияния низкоуглеродистых сталей.

6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ (14 часов)

Термодеформационные явления в металлах при сварке. Деформирование металла при сварке и его деформационная способность при различных температурах. Понятие о сварочных деформациях и напряжениях. Температурный интервал хрупкости. Причины возникновения горячих трещин и методы оценки склонности металла шва к их образованию.

Особенности изменения структуры и свойств металла в зоне термического влияния при сварке закаливающихся и высоколегированных сталей, чугуна, различных цветных металлов и сплавов. Структура сварных соединений, выполненных многослойными швами. Холодные трещины в сварных соединениях. Роль напряженно-деформированного состояния, структуры и водорода в механизме возникновения холодных трещин. Замедленное разрушение. Пути повышения технологической прочности сварных соединении.

Свариваемость металлов. Факторы, определяющие свариваемость: вид металла и сварочного процесса, тип конструкции, назначение сварной конструкции. Методы оценки свариваемости металлов.

2.2. Перечень лабораторных занятий

Лабораторная работа 1. Исследование металлургических процессов при сварке покрытыми электродами (4 часа).

Лабораторная работа 2. Исследование металлургических процессов при сварке в защитных газах (4 часа).

Лабораторная работа 3. Исследование распределения температур при нагреве и охлаждении металла в процессе сварки тонких листов (4 часа).

2.3. Методическое обеспечение дисциплины

2.3.1. Методические указания по проведению лабораторных работ.

2.3.2. Базовая программа учебного курса «Теория сварочных процессов» для высших учебных заведений по специальности переподготовки 1-36 01 72 «Оборудование и технология сварочного производства»

2.3.3. Сварочное оборудование, исследовательские приборы и методики исследований.

III. МАТЕРИАЛЫ (ВОПРОСЫ) ДЛЯ ИТОГОВОЙ АТТЕСТАЦИИ ( ЭКЗАМЕН )

ВВЕДЕНИЕ. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ

1. Основные этапы развития сварки. В чем заключается существо работ и изобретений В.В.Петрова, Н. Н. Бенардоса, Н. Г. Славянова, О.Кельберга, Е.О.Патона?

2. Дайте определение понятию «сварка» металлов.

3. Какие существуют межатомные связи, какова их природа?

4. Как классификацируются способы сварки металлов?

5.Приведите примеры классификации способов сварки по виду затрачиваемой энергии непосредственно в зоне сварки.

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ СВАРКЕ

1. Какие основные источники энергии применяются для сварки?

2. Каким требованиям должны удовлетворять источники энергии для сварки?

3. Что такое тепловая мощность, эффективная мощность источника теплоты?

4. Как происходит горение углеводородов, например, ацетилена? Каковы особенности строения и температура пламени?

5. Какие условия определяют возможность устойчивого горения электрической дуги?

6. Каковы виды и основные закономерности ионизации газов?

7. Что такое эмиссия электронов и каковы условия ее возникновения?

8. Каковы особенности вольт-амперной статической характеристики дуги?

9. В чем различие тепловых характеристик сварочной дуги и плазменной струи?

10. Что представляет собой электрошлаковый источник тепла?

11. Каков механизм энерговыделения при сварке трением?

12. В чем заключаются особенности выделения энергии при ударе?

13. Что такое поток электронов? Что такое поток фотонов?

14. Каков механизм диффузионной сварки?

15. Особенности выделения энергии при сварке ультразвуком.