ШЛАКОВЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ В СВАРНЫХ ШВАХ
Методические указания
по выполнению лабораторной работы
по курсу «Теория сварочных процессов»
для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка»
всех форм обучения
Мариуполь
УДК 621.791.042 (077)
Шлаковые включения в сварных швах: методические указания по выполнению лабораторной работы по курсу «Теория сварочных процессов» для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка» всех форм обучения /сост.: В. Я. Зусин, А. Г. Белик. – Мариуполь: ПГТУ, 2015. – 9 с.
Приводятся основные сведения о шлаковых включениях в сварных швах, предлагается оценить возможность их застревания в металле шва в зависимости от размера и плотности. Содержатся требования по оформлению отчета и вопросы по самопроверке.
Составители: В. Я. Зусин, д-р техн. наук, профессор,
А. Г. Белик, канд. техн. наук, доцент
Рецензент Т. Н. Башмакова, канд. техн. наук, доцент
Утверждено
на заседании кафедры металлургии и технологии
сварочного производства,
протокол № 4 от 26 декабря 2014 г.
Утверждено
методической комиссией сварочного факультета,
протокол № 2 от 19 января 2015 г.
© ГВУЗ «ПГТУ», 2015
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.. 4
1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ... 4
2 КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.. 4
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. 6
4 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА.. 9
5 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ... 9
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 9
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные работы по курсу «Теория сварочных процессов» необходимы для закрепления теоретических знаний студентов, полученных при изучении лекционного материала. Выполнение экспериментальной части при проведении лабораторной работы даст возможность проанализировать полученные данные и подтвердить теоретические выкладки.
На лабораторную работу отводится 4 часа, т.е. два занятия. За это время студенты должны составить отчет, выполнить экспериментальную часть работы, получить и проанализировать результаты, а также защитить работу.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель работы – ознакомиться с методикой выявления неметаллических включений в сварных швах. Выявить шлаковые включения в сварных швах, сваренных с применением различных сварочных материалов. Оценить возможность появления в наплавленном металле шлаковых частиц различной природы и размеров.
Задачи:
- ознакомится с теоретическими сведениями об исследуемом процессе;
- изучить экспериментальную схему для исследований;
- провести анализ полученных данных по результатам экспериментов.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Шлаковые включения представляют собой не успевшие всплыть частицы шлака. Состав шлаковых включений может быть различным. В основном это различные оксиды и частично – сульфиды. Они имеют преимущественно эндогенное происхождение, т.е. образуются в самой сварочной ванне. Шлаковые включения могут располагаться в междендритных пространствах, на границах столбчатых кристаллов, а также в местах их стыка.
Количество и величина шлаковых включений в металле зависит от:
- способности частиц к коагуляции;
- скорости всплывания шлаковых частиц в металле.
Скорость всплывания шлаковых частиц зависит от их размера, вязкости жидкого металла, разницы в плотности частицы и металла и др. Эта скорость может быть определена приближенно по формуле Стокса:
, (2.1)
где v – скорость всплывания шлаковых частиц, см/с;
r – радиус частицы, см;
(g1 – g2) – разность плотности металла и шлаковой частицы, г/см2;
h – вязкость жидкого металла, дин с/см2;
g – ускорение силы тяжести (g = 9,8 см/с2).
Как видно скорость всплывания частиц тем больше, чем крупнее частица, меньше ее плотность и вязкость металла, в котором она движется.
По внешнему виду (форме, окраске) шлаковые включения могут быть отнесены к тому или иному типу. Характеристика наиболее часто встречающихся включений приведена в таблице 2.1.
Шлаковые включения по-разному распределяются в металле. В виде самостоятельных фраз они могут иметь разную форму: глобулярные, игольчатые, веретенообразные, розеточные и др. Форма и величина шлаковых включений оказывает заметное влияние на механические и физические свойства металла. Крупные остроугольные включения (более 5 мкм) понижают предел усталости. Мелкие включения округлой формы менее 5 мкм не влияют на предел прочности, но увеличение количества таких включений сопровождается некоторым снижением ударной вязкости и повышением склонности швов к кристаллизационным трещинам. Кроме того, посторонние включения заметно уменьшают коррозийную стойкость металла.
Рисунок 2.1 – Схема распределения возможных шлаковых включений
| 
Рисунок 2.2 – Типы включений
|
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы и оборудование.
– электроды сварочные УОНИИ 13/45 диаметром 4 мм – 5шт;
– флюс АН-348А – 1 кг;
– порошок Al2O3, MgO, SiO2 по 100 г каждого;
– сварочный пост для ручной и автоматической сварки;
– пластины стальные (Ст3 сп) размеры 150´150´10(16) мм – 6 шт;
– оборудование для изготовления макрошлифов;
– металлографический микроскоп;
– спирт этиловый 10 мл;
– паста ГОИ.
Содержание работы.
Для обнаружения неметаллических включений в наплавленном металле проводится несколько контрольных наплавок. Сначала проводится наплавка электродом УОНИИ 13/45 на зачищенную пластину и наплавка автоматом под флюсом АН-348А.
Режим наплавки подбирается по указанию преподавателя. Затем проводится наплавка электродом УОНИИ 13/45, и, не удаляя шлаковую корку, сверху наплавляется валик под флюсом АН-348А. Далее последовательно на поверхность пластины под руководством преподавателя засыпаются порошки компонентов Al2O3, MgO и SiO2 небольшим слоем и по этим слоям производится сварка сначала электродом УОНИИ 13/45 – 3 наплавки и затем, на других пластинах, автоматическая наплавка под флюсом АН-348А – тоже 3 наплавки. После остывания наплавок с них удаляется шлаковая корка, и намечаются места вырезки шлифов. Вырезка шлифов осуществляется механической пилой или другим любым способом. Вырезанные шлифы последовательно обрабатываются на точильном камне, шлифуются и полируются.
После полировки поверхность шлифа очищается от загрязнений ватой, смоченной в этиловом спирте. Готовые шлифы рассматриваются под микроскопом (МИМ-7, МИМ-8) при увеличении не менее ´250. На каждом шлифе просматривается центральная часть от поверхности шва до линии сплавления. При этом фиксируется наличие крупных и мелких включений, замеряются их размеры, и описывается цвет и форма. Результаты замеров заносят в таблицу 3.1.
Таблица 3.1 – Результаты замеров
| Способ наплавки | Форма частиц | Размер частиц мкм, цвет | |
| мелких | крупных | ||
| УОНИИ 13/45 | |||
| АН-348А | |||
| АН-348 по УОНИИ 13/45 | |||
| АН348А по Al2O3 по MgO по SiO2 | |||
| УОНИИ 13/45 по Al2O3 по MgO по SiO2 |
Расчетная часть.
По результатам замеров размеров шлаковых частиц производится расчет вероятности застревания включений в металле шва. Это делается на основании расчетов по формуле Стокса. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 3.2.
Таблица 3.2 – Плотность различных материалов
| Материал | Шлак УОНИИ 13 | SiO2 | MnO | MgO | Al2O3 | Fe |
| Плотность материала g, г/см2 | 3,4 – 4,0 | 2,3 – 2,6 | 4,7 – 5,5 | 3,0 – 3,5 | 3,6 – 4,0 | 7,0 |
h – вязкость жидкой стали, 0,8-0,4 дин∙с/см2
g – 981 см/с2
Если считать, что время существования сварочной ванны в жидком состоянии для ручной дуговой сварки 3 – 5 с, а для автоматической 5 – 8 с., то, замерив по шлифу суммарную величину глубины проплавления и наплавки, вычисляем требуемую скорость всплывания частицы по формуле
[см/c], (3.1)
где Н – глубина проплавления, см;
а – высота наплавки, см;
tв – время существования сварочной ванны в жидком состоянии, с.
Решив совместно уравнения (2.1) и (3.1) получим возможность определить минимальный размер шлаковой частицы, успевающей всплыть на поверхность.
Сопоставляя полученные результаты с практическими замерами, сделать их анализ и дать заключение.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать цель работы, методику ее выполнения, экспериментальные и расчетные данные, сведенные в таблицы, анализ полученных результатов и выводы. При оформлении отчета следует руководствоваться требованиями ДСТУ 3008-95.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
- Каков механизм образования шлаковых включений?
- От чего зависит величина и количество шлаковых включений?
- Как определить скорость всплывания шлаковых частиц?
- Как отличить шлаковое включение от газового?
- Какую форму и цвет могут иметь шлаковые включения?
- Можно или нельзя производить сварку по шлаку и почему?
- Как теоретически оценить вероятность появления неметаллических включений?
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ