Физические основы получения неразъёмного соединения конструкции 'Прокладка форсунки'

Оглавление

Список терминов, обозначений и сокращений

Введение

. Описание изделия и условий его эксплуатации

. Обоснование выбора материала изделия и его характеристика

. Оценка свариваемости материала (хромоникелевая сталь)

. Описание способа получения неразъемного соединения, его физическая сущность

.1 Преимущественная область применения способа

.2 Схема процесса

.3 Сущность процесса

.4 Физические процессы

.5 Технико-экономические преимущества

. Расчет температурных полей от движущихся источников тепла

Заключение

Список использованных информационных источников

Список терминов, обозначений и сокращений

1.      Неразъемное соединение - это соединение, которые нельзя разобрать без разрушения соединительных элементов или повреждения соединенных деталей.

.        Сварка - это технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных и межмолекулярных связей между свариваемыми частями изделия при их нагреве (местном или общем), и/или пластическом деформировании.

.        Температурное поле - линии на графике показывающие распределение температуры в теле в определенный момент времени.

.        ЗТВ - зона термического влияния.

Введение

В ходе выполнения курсовой работы необходимо описать физические основы процесса получения неразъемного соединения конструкции прокладки форсунки с помощью точечной контактной сварки.

Точечная контактная сварка - сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно в нескольких точках. Прочность соединения определяется размером и структурой сварной точки, которые зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока <#"796448.files/image001.jpg">

Рисунок 1 - Эскиз изделия «Прокладка форсунки»

Прокладка форсунки располагается между топливной форсункой и кожухом камеры сгорания. Служит для защиты внутренних трубопроводов, а именно первичной и вторичной трубок от контакта с горячим внешним кожухом. Условия работы форсунок ГТД весьма тяжелые и характеризуются следующими факторами:

неравномерность температур деталей форсунки (наружная часть находится в области высокотемпературного газа, а внутренние детали имеют температуру топлива);

повышенные вибрации, так как форсунка устанавливается нВ упругом основании.

2. Обоснование выбора материала изделия и его характеристика

Изделие «прокладка форсунки» выполнено из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т.

Хромоникелевые стали обладают наиболее высокой коррозионной стойкостью среди нержавеющих сталей и отличаются хорошими технологическими свойствами - хорошо обрабатываются давлением и обладают хорошей свариваемостью. В закаленном состоянии эти стали имеют низкое отношение предела текучести к пределу прочности. Прочностные характеристики этих сталей могут быть повышены в результате наклепа. При этом сохраняется достаточно высокая пластичность, позволяющая производить различные технологические операции.

Хромоникелевые стали находят чрезвычайно широкое применение в различных отраслях промышленности. К ним относятся, например, стали марок Х18Н9, 2Х18Н9, Х18Н9Т, Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, Х18Н12Т и многие другие. Содержание Ni в этих сталях таково, что обеспечивается необходимая пластичность в горячем состоянии вследствие незначительного количества или полного отсутствия в них а - фазы. Кроме того, эти стали являются немагнитными, так как в них отсутствует феррит, что также довольно часто используется в промышленности в случае необходимости.

Хромоникелевые стали обладают хорошей свариваемостью, однако вследствие низкой теплопроводности они склонны к образованию трещин при сварке. На качество сварки и возможность образования горячих трещин значительное влияние оказывает состояние металла при поставке.

Хромоникелевые стали обладают более высокими пластическими свойствами при повышенной прочности, и поэтому при холодной обработке их допускаются большие степени деформации.

Сталь 12Х18Н10Т - нержавеющая титаносодержащая сталь аустенитного класса. Химический состав регламентирован ГОСТ 5632-72 нержавеющих сталей аустенитного класса. Преимущества: высокая пластичность и ударная вязкость. Оптимальной термической обработкой для этих сталей является закалка с 1050^оС-1080^оС в H2O, после закалки механические свойства характеризуются максимальной вязкостью и пластичностью, не высокими прочностью и твёрдостью.

Аустенитные стали используют как жаропрочные при температурах до 600^оС. Основными легирующими элементами являются Cr-Ni. Однофазные стали имеют устойчивую структуру однородного аустенита с незначительным содержанием карбидов Ti (для предупреждения межкристаллитной коррозии. Такая структура получается после закалки с температур 1050^оС-1080^оС). Стали аустенитного и аустенитно-ферритного классов имеют относительно небольшой уровень прочности (700-850МПа).

Химический состав данного материала представлен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав сплава 12Х18Н10Т в %

Таблица 2. Механические свойства сплава 12Х18Н10Т

3. Оценка свариваемости материала (хромоникелевая сталь)

При сварке хромоникелевых сталей могут образовываться технологические трещины в металле шва, околошовной зоне вблизи сплавления и в ЗТВ на некотором расстоянии от шва. Причины появления таких трещин могут быть разными. Одна из причин - отсутствие при охлаждении после сварки фазовой перекристаллизации и сохранение первичных аустенитных зерен во всем интервале температур, начиная от кристаллизации до полного охлаждения.

Другим фактором, определяющим повышенную склонность к образованию, прежде всего, кристаллизационных трещин, может быть повышенная ликвационная загрязненность приграничных областей. В хромоникелевых сталях при высоком содержании основных легирующих элементов при высоких температурах, когда диффузионная подвижность атомов велика, создаются условия для оттеснения примесей (серы и фосфора) в кристаллизующиеся последними приграничные области зерен. Здесь же могут собираться в повышенном количестве атомы других элементов, легирующих сталь в небольших количествах.

Повышенная склонность к ликвации примесей по границам зерен в высоколегированных сталях приводит к тому, что в этих зонах образуются более легкоплавкие прослойки с меньшей прочностью при температурах кристаллизации, когда ранее закристаллизовавшиеся части приобрели достаточную прочность. Под влиянием усадочных напряжений в них возникают надрывы, переходящие в межкристаллитную трещину. В аустенитном металле сварных швов с транскристаллитным строением такая трещина может поразить весь шов, проходя по непрерывной межзеренной границе. В связи с рассмотренным для предотвращения появления кристаллизационных трещин в металле аустенитных швов можно использовать особо чистые по сере и фосфору свариваемые стали и присадочные материалы. Поскольку в процессе сварки нельзя обеспечить снижение содержания фосфора, ибо это достигается окислением, а в стали имеются более легко окисляющиеся элементы, содержание фосфора в свариваемой стали и присадочных материалах ограничивают 0,01% и избегают использования флюсов и электродных покрытий, способных загрязнять металл шва вредными примесями.

Другой мерой предотвращения образования горячих трещин может быть нарушение транскристаллитного строения металла шва. Для этого композицию металла шва выбирают такой, чтобы шов получился не чисто аустенитным, а аустенитно-ферритным с небольшим количеством феррита (3-5%). Этот первичный δ-феррит нарушает сплошность аустенитных зерен, становится прослойкой между аустенитными кристаллитами и нарушает транскристаллизацию. Непрерывная транскристиллитная граница аустенитных зерен прерывается ферритными включениями. Это важно не столько для локализации кристаллизационной трещины, сколько для предотвращения ее образования в связи с тем, что нарушается сплошность межзеренного каркаса легкоплавкой прослойки при кристаллизации.

Выделение феррита в аустенитном шве не должны образовывать сплошной сетки, ибо ферритный каркас может оказать вредное влияние на требуемые свойства металла. Феррит, как более хрупкая фаза, находясь в виде каркаса, может повлиять на хладостойкость стали. Он может снизить и пластичность при длительной работе в условиях высоких температур. Феррит в большей мере, чем аустенит, склонен к выделению σ-фазы, снижающей пластичность и ударную вязкость. Поэтому присутствие более 8% феррита в аустенитных швах нежелательно. В то же время разорванные ферритные выделения в аустенитном металле могут даже оказать положительное влияние на свойства, разрывая непрерывность границ аустенитных зерен.

Помимо горячих кристаллизационных трещин в сварных швах аустенитных сталей могут возникать горячие высокотемпературные полигонизационные трещины, образующиеся в довольно узком интервале температур, находящемся несколько ниже температуры кристаллизации. Для подавления образования таких трещин можно увеличивать скорость охлаждения с тем, чтобы не дать развиться полигонизации. Уменьшение опасности появления полигонизационных трещин может быть достигнуто специальным легированием, уменьшающим подвижность полигонизационных границ.

В сварных соединениях высоколегированных хромоникелевых сталей при определенных условиях могут образовываться и холодные трещины. Возможность образования таких трещин возможна в двух температурных зонах - в интервале 500-700 °С и после полного охлаждения. Трещины, образующиеся при 500-700 °С, связаны с фазовыми изменениями, приводящими к повышению жаропрочности, повышению хрупкости и понижению пластичности металла.

Получение аустенитного состояния в зоне сварки рассматриваемых сталей после завершения сварочного нагрева обеспечивает и после охлаждения создание аустенитной основы в определенных участках ЗТВ, примыкающих к участку сплавления или соединения. В указанных даже высокопрочных мартенситно-стареющих и аустенитно-мартенситных сталей после сварки сохраняется аустенитная основа. Это обстоятельство обеспечивает достаточно хорошую свариваемость практически всех высоколегированных хромоникелевых сталей.

Сварочный нагрев металла в различных зонах теплового влияния может приводить к протеканию процессов, неблагоприятно влияющих на качество, свойства и работоспособность сварных соединений. В приграничных участках зерен областей ЗТВ, нагреваемых до более высоких температур, может происходить оплавление границ вследствие повышенной загрязненности их примесями. При этом должно происходить дальнейшее повышение концентрации примесей в приграничных участках за счет перемещения их атомов из глубины зерна в зону повышенной растворимости. Таким образом, в этих высоко нагретых участках ЗТВ в условиях продолжительного сварочного нагрева состояние границ зерен может сильно ухудшиться, вследствие чего увеличиться возможность межкристаллитных разрушений как в процессе сварки, так и при эксплуатации.

Предотвратить повышение склонности металла ЗТВ к межкристаллитной коррозии и локальным разрушениям можно за счет общего снижения содержания углерода в коррозионно-стойких сталях и вредных примесей в жаропрочных сталях. Стали последнего типа не рекомендуется легировать такими элементами, как титан и ниобий. Восстановить стойкость сварных соединений к межкристаллитной коррозии можно или общей термообработкой изделия, соответствующей обработке свариваемой стали, или термообработкой с длительным нагревом при 850-900 °С в течение 3-5 ч., приводящим к диффузионному повышению концентрации хрома в обедненных приграничных участках за счет перемещения его из глубины зерна.

Для сварных соединений, эксплуатируемых без нагрева, повышение стойкости сварных соединений к межкристаллитной коррозии может быть достигнуто также аустенизацией примерно при 1050-1100 °С. Аустенитизация обеспечивает получение большей ударной вязкости и пластичности металла, чем стабилизирующий нагрев при 850-900 °С за счет растворения карбидов с границ зерен. Термообработка одновременно снижает уровень остаточных сварочных напряжений.

Поэтому при сварочных процессах высоколегированных сталей, происходящих в зоне плавления металла и околошовной области, возникают горячие трещины и межкристаллитная коррозия, проявляющаяся в процессе эксплуатации. Основной причиной появления трещин является образование крупнозернистой структуры в процессе кристаллизации и значительные остаточные напряжения, полученные при затвердевании металла. Легирование влияет на вязкость металла и коэффициент поверхностного натяжения, поэтому у большинства высоколегированных сталей сварочный шов формируется хуже, чем у низколегированных и даже углеродистых сталей. Межкристаллитная коррозия характерна для всех видов высоколегированных сталей, имеющих высокое содержание хрома. Под действием нагрева образовавшиеся карбиды хрома выпадают по границам зерен, снижая их антикоррозийные свойства. Препятствует образованию карбидов хрома легирование стали титаном, ниобием, танталом, цирконием и ванадием. Положительное влияние на качество сварочного шва оказывает дополнительное легирование сварочной проволоки хромом, кремнием, алюминием, ванадием, молибденом и бором.

4. Описание способа получения неразъемного соединения, его физическая сущность

.1 Преимущественная область применения способа

Сварка изделия «Прокладка форсунки» осуществляется точечно контактным способом. Точечная контактная сварка применяется для соединения тончайших деталей (до 0,02 мкм <#"796448.files/image003.gif">

Рисунок 4 - Схема точечной контактной сварки: 1 - сварочный трансформатор; 2 - электроды; 3 - верхняя заготовка; 4 - нижняя заготовка; 5 - медная подкладка

4.3 Сущность процесса

Точечная сварка является разновидностью контактной сварки <#"796448.files/image004.gif">

Рисунок 5 - Макроструктура сварной точки

Точечная сварка без расплавления металла ядра точки хотя и возможна (на низкоуглеродистой стали), но недостаточно надежна и потому на практике почти не применяется. Сварка металлов, обладающих плохой свариваемостью в пластическом состоянии, возможна только при достаточном расплавлении металла в ядре точки.

Точечная сварка представляет собой своеобразный процесс, в котором сочетается расплавление металла и получение литой структуры сварного соединения с использованием значительного осадочного давления. Давление должно быть достаточным для преодоления жесткости изделия и осуществления необходимой пластической деформации, обеспечивающей соответствующую прочность сварной точки. Необходимое давление быстро возрастает с увеличением толщины свариваемого металла. Давление осадки полностью передается электродами, имеющими небольшую рабочую поверхность, несущую значительную тепловую и электрическую нагрузку. При значительной толщине основного металла нагрузка электродов настолько велика, что срок их службы быстро сокращается. Поэтому точечная сварка применяется главным образом для металла небольшой толщины, не свыше 5-6 мм. Диаметр ядра определяет в основном прочность точки и зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно подобранном режиме сварки может не произойти достаточного плавления металла, и точка получится непроваренной. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится в пластическом состоянии, плотно сжимаемая давлением электродов. Давление создает уплотняющее кольцо пластичного металла, удерживающее жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра и происходит внутренний выплеск металла в зазор между листами.

С увеличением времени прохождения тока диаметр и высота ядра растут. Чрезмерное увеличение размеров ядра ослабляет его оболочку из нагретого твердого металла и происходит сильное вмятие металла под электродами, ведущее к наружному выплеску жидкого металла и снижению прочности точки. После выключения тока начинается охлаждение и затвердевание расплавленного ядра точки.

При охлаждении и затвердевании объем расплавленного металла ядра уменьшается. В результате в центральной части ядра может образоваться усадочная раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки и тем больше вероятность образования дефектов. Наиболее надежным способом борьбы с ними является повышение рабочего давления, а также переход на циклы сварки с проковкой.

Обычно в сварном соединении располагается несколько точек, поэтому при сварке приходится считаться с утечкой тока через ранее сваренные точки, шунтирующие точку, подлежащую сварке. Наличие ранее сваренных точек вызывает также уменьшение полезного давления электродов на свариваемую точку, так как часть этого давления воспринимается ранее сваренными точками. Поэтому при сварке нескольких близко расположенных точек средняя прочность точки получается ниже, чем при сварке отдельной точки. Самой прочной точкой в узле обычно является первая.

Ожоги и поражения глаз наиболее часто наблюдаются при сварке, причиной является выброс большого количества искр и брызг расплавленного металла. Опасность ожогов возрастает при сварке ржавой, загрязненной, замасленной или окрашенной поверхности, а также при использовании загрязненного флюса. Для точечной сварки загрязнения поверхности металла в зоне сварки должны быть предварительно тщательно удалены щетками, травлением в кислотах и т. д. Сборка под точечную сварку должна как можно точнее обеспечивать плотное прилегание деталей до сварки. Наличие зазора между деталями поглощает значительную часть давления электродов на деформацию деталей до плотного соприкосновения, действительное осадочное давление на точку становится недостаточным и получается разброс прочности точек. Требования к точности сборки повышаются с увеличением толщины листов.

4.5 Технико-экономические преимущества

Преимущества точечной контактной сварки:

- отсутствие необходимости в сварочных материалах (электродах, присадочных материалах, флюсах и пр.);

скорость работ (производительность) - одна сварная точечная операция длится 0,02-1,0 сек.;

простота и удобство работы со сварочными аппаратами;

аккуратность соединения (практическое отсутствие сварного шва);

подверженность легкой механизации и автоматизации;

незначительные остаточные деформации;

небольшой расход материалов;

надёжность соединения и высокое качество при малом количестве контролируемых процессов;

экологичность сварных работ.

Недостатки точечной контактной сварки:

невозможно сваривать закрытые профили из-за особенностей подвода электрического тока (при односторонней контактной точечной сварке необходима токоподводящая медная пластина);

отсутствие герметичности шва;

концентрация напряжения в точке сварки.

5. Расчет температурных полей от движущихся источников тепла

. Ввод данных

Теплофизические характеристики

 коэффициент температуропроводности

 объемная теплоемкость

 коэффициент теплопроводности

 температура плавления

Параметры описывающие форму детали

Условия теплообмена с окружающей средой

коэффициент теплоотдачи

коэффициент температуроотдачи

Рисунок 1.Распределение плотности мощности по пятну нагрева

. Построение графиков распределения температуры

Рисунок 2 - распределение температуры в плоскости XOZ вдоль прямых, параллельных оси OX

Рисунок 3 - распределение температуры перед источником

Рисунок 4 - распределение температуры за источником

. Построение изотермической линии, соответствующей температуре плавления

Задание матрицы, содержащей координаты х (нулевой столбец матрицы М) и у (первый столбец матрицы М) точек, температура которых достигает температуры плавления

Рисунок 5 . Изотермическая линия, соответствующая температуре плавления

форсунка прокладка сварка температурный

Заключение

Целью данной курсовой работы является описание физических основ получения неразъёмного соединения конструкции «Прокладка форсунки».

Проведя все необходимые научные изучения, были решены следующие задачи:

описание изделия и условий его эксплуатации,

обоснование выбора материала изделия «Прокладка форсунки» и его характеристика,

описание способа получения неразъемного соединения, его физической сущности,

выполнение расчета температурных полей от движущихся источников тепла.

Поставленная цель - изучение физико-химических и тепловых процессов сварки, решение практических вопросов применительно к изготовлению сварной конструкции «Прокладка форсунки» - достигнута.

На основе решенных выше задач, приобретены навыки и умения, которые необходимы для понимания физических основ получения неразъемных соединений. Полученные знания станут полезными в понимании и решении проблем получения неразъемных соединений.

Список использованных информационных источников

1. ГОСТ 2601-84 - Сварка металлов. Термины и определения основных понятий.

.Физические основы получения неразъемных соединений, Методические указания к выполнению курсовой работы «Физические процессы в зоне сварки, определяющие ее технологические параметры и свойства сварного соединения, УГАТУ, 2012.

. Разработка технологических процессов изготовления сварных конструкций: учеб. пособие / Г.В. Матохин, В.П. Погодаев 2009;

. Теория сварочных процессов / Багрянский К. В. - Высшая школа, 2010, 424 с.

. СТО УГАТУ 016-2007 «Графические и текстовые конструкторские документы»