Содержание
1 Цель и задачи дисциплины
1.1 Цель преподавания дисциплины
1.2 Задачи изучения дисциплины
1.3 Рекомендации по изучению дисциплины
2 Содержание дисциплины
3 Общие методические указания по выполнению
контрольных работ
4 Задания на контрольные работы
4.1 Задания на контрольную работу № 1
4.1.1 Задания для группы СПЗ-1
4.1.2 Задания для группы СПЗ-2
4.2 Задания на контрольную работу № 2
4.2.1 Задания для группы СПЗ-1
4.2.2 Задания для группы СПЗ-2
Список литературы
1 Цель и задачи дисциплины
1.1 Цель преподавания дисциплины
Целью преподавания дисциплины «Теория сварочных процессов» является: формирование научного подхода к анализу сварочных процессов, выявлению причинно-следственных связей между характером процесса и качеством соединений; овладение знаниями об изменении свойств металлов при термодеформированном цикле сварки и технологической прочности соединений; формирование навыков теоретического и экспериментального исследования сварочных процессов и расчетов их протекания.
1.2 Задачи изучения дисциплины
Студент, изучивший дисциплину, должен иметь представление:
– об основах теории сварочных процессов;
– о металлургических процессах: при сварке и причинно-следственных связях между характером процесса и качеством сварных соединений;
– о теории термических и деформационных процессов, происходящих в сварных соединениях;
– о механизмах: образования дефектов в сварных соединениях.
Студент, изучивший дисциплину, должен знать:
– термодинамические и металлургические основы теории сварочных процессов;
– основы теории расчета тепловых: процессов при сварке;
– способы повышения технологической прочности.
Студент, изучивший дисциплину, должен уметь использовать:
– основы теории сварочных процессов при решении практических задач управления качеством сварных соединений;
– методы расчета тепловых процессов при сварке.
1.3. Рекомендации по изучению дисциплины
Изучение дисциплины «Теория сварочных процессов» базируется практически на общенаучных и общетехнических дисциплинах, изучаемых в 1–6 семестрах. При этом важное значение имеет усвоение студентами математики, химии, материаловедения, общей электротехники. С другой стороны, материал дисциплины является теоретической основой для изучения сварочных технологических дисциплин, источников энергии для сварки, возникновения в сварных соединениях напряжений и деформаций.
Наряду с формированием теоретической, профессиональной подготовки, изучение дисциплины способствует усвоению методов всестороннего анализа явлений. На примерах рассмотрения причинно-следственных факторов, связанных с развитием различных способов сварки и протеканием при сварке физических и физико-химических процессов, конкретизирует представления об основных законах диалектики и их использовании в практической деятельности.
2 Содержание дисциплины
Общие методические указания к изучению дисциплины. Очерк развития и современное состояние.
Тепловые и термохимические процессы при сварке. Нагрев основного металла. Схемы нагреваемых тел и источников тепла. Конвекция. Лучистый теплообмен. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Тепловые процессы при нагревании тел источниками теплоты. Неподвижные, движущие и быстродвижущиеся источники в полубесконечном теле и пластине.
Нагрев и плавление металла при сварке давлением. Нагрев основного металла при сварке. Влияние свойств металла и режимов сварки.
Характеристики термического цикла сварки и их регулирование. Нагрев и плавление присадочного материала. Плавление основного металла.
Форма и размеры сварочной ванны. Термохимические процессы при сварке. Понятие о сварочных деформациях и напряжениях. Термодеформационный цикл.
Источники энергии для сварки. Физические основы процессов сварки. Связи в твердых телах. Термодинамика и баланс энергии процессов сварки. Классификация процессов. Энергетическая эффективность процессов сварки. Элементарные процессы в источниках энергии для сварки. Квантовые переходы. Воздействие электрических и магнитных полей на заряженные частицы. Электрический разряд как источник тепла для сварки. Процессы переноса тока, баланс энергии и температура дугового разряда. Магнитогидродинамика дуг и перенос металла при сварке. Дуги переменного тока. Плазменные дуги.
Лучевые источники энергии для сварки. Взаимодействие лазерного луча с веществом. Лазерная обработка материалов. Ионные источники. Ионная имплантация. Газопламенные источники тепла. Электрошлаковая ванна. Высокочастотный нагрев.
Термические процессы и прессово-механические сварочные процессы. Физико-химические и металлургические процессы при сварке. Термодинамические основы металлургических процессов. Термодинамические потенциалы и их вычисление. Равновесие термодинамических систем. Константы равновесия, их вычисление.
Окисление металлов при сварке. Раскисление сварочной ванны. Взаимодействие металлов при сварке. Азот в стали и сварных швах. Поведение водорода при сварке плавлением и его влияние на свойства соединения. Взаимодействие металлов со шлаками. Шлаковые системы. Физические и химические свойства шлаков.
Металлургические процессы при сварке под флюсом. Металлургия сварки в защитных газах и вакууме. Металлургические процессы при сварке покрытыми электродами и порошковой проволокой. Введение примеси в металлах при сварке. Рафинирование сварочной ванны.
Термодеформационные процессы и превращение в металлах при сварке. Образование первичной структуры соединений. Природа образования горячих трещин при сварке. Повышение технологической прочности. Фазовые и структурные превращения в металлах в твердом состоянии при сварке. Механизм образования холодных трещин в сварных соединениях и способы их предотвращения.
Заключительная лекция. Тенденции развития сварочной науки и техники. Задачи теории сварочных процессов в развитии сварочного производства в Республике Беларусь.
3 Общие методические указания по выполнению
контрольных работ
К выполнению контрольных работ можно приступить только после изучения программного материала. Без глубокого понимания курса, задачи решить трудно.
В контрольной работе студент должен показать, что он вполне овладел учебным материалом.
Расчеты должны быть приведены с подробными объяснениями хода решения, а в необходимы по условию случаях – с привлечением теоретического материала. Выбор коэффициентов, табличных данных, параметров режима сварки должен быть обоснован. Расчетные значения температур, эффективной мощности, силы тока, погонной энергии и других значений следует округлять до целых величин.
При расчетах и ответах на вопросы следует пользоваться основной и дополнительной литературой, в которой имеются все необходимые данные для решения задач и ответов на вопросы.
Ответы должны быть представлены после изучения материала по двум-трем литературным источникам. Недопустимо переписывание соответствующих разделов из книг.
Ответы на вопросы должны быть полными с приведением схем, рисунков, графиков и цифровых данных. В конце каждого вопроса или задачи контрольной работы студент должен дать ссылку на использованную литературу.
Студенты выполняют две контрольные работы.
Варианты контрольных работ приведены для двух групп студентов.
Вариант преподаватель назначает студенту по его порядковому номеру в списке студенческой группы.
Работы, выполненные студентом не в соответствии с порядковым номером в списке группы, не зачитываются, и контрольные работы выполняются повторно.
Студенты допускаются к экзаменам по дисциплине “Теория сварочных процессов” после выполнения контрольных работ.
4 Задания на контрольные работы
4.1 Задания на контрольную работу № 1
4.1.1 Задания для группы СПЗ-1
1 вариант
1. Прессовые процессы при сварке.
2. Закон теплопроводности (закон Фурье).
3. Приложение первого начала термодинамики к химическим процессам, основные понятия и определения.
2 вариант
1. Механические процессы при сварке.
2. Конвективный теплообмен.
3. Энтальпия как тепловая функция.
3 вариант
1. Когерентное излучение и его основные свойства. Основные характеристики лазеров.
2. Распространение теплоты от неподвижных источников.
3. Формулировка второго начала термодинамики.
4 вариант
1. Взаимодействие когерентного излучения с веществом.
2. Непрерывно действующие неподвижные источники.
3. Зависимость энтропии от температуры, фазового состояния и концентрации. Стандартные условия.
5 вариант
1. Газовое пламя, его характеристики.
2. Дифференциальное уравнение теплопроводности.
3. Энергия Гиббса и учение о равновесии в гомогенных системах.
6 вариант
1. Формирование электронного луча.
2. Периоды теплонасыщения и выравнивания температур при нагреве движущимися источниками теплоты.
3. Изотерма химических реакций.
7 вариант
1. Взаимодействие электронного луча с веществом.
2. Движущийся точечный источник на поверхности полубесконечного тела. Предельное состояние.
3. Стандартное изменение энергии Гиббса.
8 вариант
1. Виды, особенности и применение плазменной дуги.
2. Быстродвижущийся точечный источник теплоты.
3. Правило Гиббса-Коновалова. Примеры применения правила фаз.
9 вариант
1. Аргоно-дуговая сварка вольфрамовым электродом.
2. Тепловые процессы при электрошлаковой сварке.
3. Растворы. Закон распределения.
10 вариант
1. Газовые среды.
2. Тепловые процессы при электрошлаковой сварке.
3. Электролиты и их образование.
11 вариант
1. Особенности дуги переменного тока. Вентильный эффект.
2. Быстродвижущиеся источники теплоты. Точечный источник на поверхности пластины.
3. Процессы окисления металла шва.
12 вариант
1. Виды сварочных дуг. Ручная дуговая сварка.
2. Экспериментальное определение температуры при сварке.
3. Раскисление металла сварочной ванны. Раскисление осаждением.
13 вариант
1. Металлические дуги в защитных газах и вакууме.
2. Экспериментальное определение температуры при сварке.
3. Шлаковые фазы и их назначение.
14 вариант
1. Виды переноса металла.
2. Влияние режима сварки и теплофизических свойств металла на поле температур.
3. Физико-химические свойства шлаков.
15 вариант
1. Силы, действующие в дуге.
2. Основные понятия и определения в расчетах тепловых процессов при сварке.
3. Удаление шлаками нежелательных примесей из металла при сварке.
16 вариант
1. Монолитность сварных соединений.
Механизм образования монолитных соединений твердых тел.
2. Влияние режима сварки и теплофизических свойств металла на поле температур.
3. Шлаковая защита сварочной ванны.
17 вариант
1. Механизм образования монолитных соединений твердых тел при сварке плавлением и давлением.
2. Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре.
3. Особенности металлургических процессов при дуговой сварке под слоем плавленых флюсов.
18 вариант
1. Термодинамическое определение процесса сварки.
2. Термический цикл при многослойной сварке. Сварка длинными участками.
3. Защитные газовые атмосферы при сварке плавлением. Сварка в струе углекислого газа.
19 вариант
1. Признаки классификации сварочных процессов.
2. Формы сварочной ванны при различных способах сварки.
3. Металлургия газопламенной сварки.
20 вариант
1. Термические процессы. Термомеханические процессы.
2. Нагрев и плавление присадочного металла. Первая схема нагрева.
3. Легирование металла шва при ручной сварке покрытыми электродами.
21 вариант
1. Виды проводимости.
2. Тепловые процессы при контактной сварке и сварке с применением давления. Контактная сварка стержней встык.
3. Смешанная газошлаковая защита сварочной ванны.
22 вариант
1. Электролиты. Газы.
2. Тепловые процессы при контактной сварке и сварке с применением давления. Контактная точечная сварка. Контактная сварка непрерывным оплавлением.
3. Вакуумная защита сварочной ванны.
23 вариант
1. Виды разряда. Возбуждение дуги и ее зоны.
2. Тепловые процессы при сварке трением.
3. Взаимодействие металлов с газами при сварке.
Система С-О. Система Н-О.
24 вариант
1. Упругие и неупругие соударения. Термическая ионизация. Потенциал ионизации.
2. Расчет температур при сварке разнородных металлов.
3. Карбидообразование.
25 вариант
1. Саморегулирование столба дуги. Баланс энергии в столбе дуги.
2. Тепловые процессы при контактной точечной сварке.
3. Система Fe-О-Н.
26 вариант
1. Эмиссионные процессы на поверхности твердых тел.
2. Движение источника вблизи края тела. Нагрев двух узких пластин.
3. Распределение марганца между шлаком и металлом.
27 вариант
1. Автоэлектронная, фотоэлектронная и вторичная электронная эмиссия. Пленочные и оксидные катоды.
2. Нагрев тел вращения. Тонкостенный цилиндр.
3. Оценка термодинамической устойчивости соединений.
28 вариант
1. Катодная и анодная области дуги.
2. Движущийся плоский источник теплоты.
3. Понятие о системах металл-кислород. Система железо-кислород.
29 вариант
1. Собственное магнитное поле дуги и контура сварки.
2. Непрерывно действующий неподвижный плоский источник теплоты в стержне.
3. Понятие о системах металл-кислород. Система никель-кислород.
30 вариант
1. Магнитное поле сварочного контура. Магнитное дутье.
2. Нагрев тел вращения. Тонкостенная сфера.
3. Катализ и катализаторы.
4.1.2 Задания для группы СПЗ-2
1 вариант
1. Термодинамическое определение процесса сварки.
2. Тепловые процессы при контактной сварке и сварке с применением давления. Контактная сварка стержней встык.
3. Формулировка первого начала термодинамики.
2 вариант
1. Виды сварочных дуг.
2. Лучистый теплообмен.
3. Изобарический процесс.
3 вариант
1. Катодная и анодная области дуги.
2. Мгновенные источники тепла.
3. Энтропия как термодинамическая функция.
4 вариант
1. Полихроматический свет.
2. Непрерывно действующие неподвижные точечный и линейный источники теплоты.
3. Оценка термодинамической устойчивости соединений.
5 вариант
1. Электрошлаковая сварка (ЭШС). Термитная сварка.
2. Источники теплоты и их схематизация.
3. Вычисление энергии Гиббса и условия равновесия. Расчет химических равновесий в гомогенной среде.
6 вариант
1. Основные физические характеристики электронного луча.
2. Формы сварочной ванны при различных способах сварки.
3. Изобара химических реакций.
7 вариант
1. Применение электронно-лучевых процессов для сварки.
2. Движущийся линейный источник в бесконечной пластине. Предельное состояние.
3. Табличные расчеты равновесий в гомогенных системах.
8 вариант
1. Газовые среды для получения плазменных дуг.
2. Быстродвижущийся линейный источник теплоты.
3. Константы равновесия в гетерогенных системах.
9 вариант
1. W-дуга в гелии. Баланс энергии W-дуги.
2. Экспериментальное определение температуры при сварке.
3. Упругость насыщенного пара над растворами.
10 вариант
1. Виды и особенности плазменных дуг. Применение плазменной дуги.
2. Быстродвижущиеся источники теплоты. Точечный источник на поверхности пластины.
3. Взаимодействие металлов с электролитами.
11 вариант
1. Особенности дуги переменного тока. Вентильный эффект.
2. Быстродвижущийся источник на поверхности пластины.
3. Окисление металлов при сварке. Окисление металлов в растворах.
12 вариант
1. Виды сварочных дуг. Ручная дуговая сварка.
2. Распределенные источники теплоты.
3. Раскисление металла сварочной ванны. Раскисление осаждением.
13 вариант
1. Сварочная дуга при сварке под флюсом.
2. Мгновенный нормально круговой источник. Движущийся нормально круговой источник.
3. Главные компоненты шлаковых систем. Алюмосиликатные шлаки.
14 вариант
1. Импульсное управление переносом металла в дуге.
2. Размер зоны нагрева.
3. Физические свойства сварочных шлаковых систем.
15 вариант
1. Силы в дуге.
2. Схемы нагреваемого тела. Теплофизические величины и понятия
3. Легирование и раскисление металлов при сварке через шлак. Классификация шлаков.
16 вариант
1. Виды элементарных связей в твердых телах.
2.Термический цикл при однопроходной сварке. Максимальные температуры.
3. Особенности металлургических процессов при электрошлаковой сварке и переплаве металлов.
17 вариант
1. Механизм образования монолитных соединений твердых тел при пайке и склеивании.
2. Длительность пребывания металла выше данной температуры.
3. Особенности металлургических процессов при сварке под керамическими флюсами.
18 вариант
1. Типовой баланс энергии процесса сварки. КПД сварочных процессов.
2. Термический цикл при многослойной сварке. Сварка короткими участками.
3. Металлургические процессы при сварке сталей в струе СО2.
19 вариант
1. Полупроводниковый лазер.
2. Температура сварочной ванны.
3. Сварка в инертных газах. Металлургические процессы при сварке в инертных газах.
20 вариант
1. Требования к источникам энергии для сварки.
Прессово-механические процессы.
2. Нагрев и плавление присадочного металла. Вторая схема нагрева.
3. Сварка порошковой проволокой.
21 вариант
1. Проводники. Полупроводники.
2. Тепловые процессы при контактной сварке и сварке с применением давления. Контактная сварка сопротивлением.
3. Металлургические процессы при сварке покрытыми электродами.
22 вариант
1. Взаимодействие электронного луча с веществом.
2. Тепловые процессы при контактной сварке и сварке с применением давления. Контактная сварка с прерывистым подогревом стержней и последующим оплавлением.
3. Вредные примеси в металле при сварке и их удаление.
23 вариант
1. Виды разряда. Вольт-амперная характеристика дуги.
2. Тепловые процессы при шовной сварке.
3. Взаимодействие металлов с газами при сварке. Система С-Н-О. Система Fe-О-С.
24 вариант
1. Фотоионизация. Деионизация. Рекомбинация.
2. Использование ЭВМ для расчетов полей температур.
3. Стандартное изменение энергии Гиббса.
25 вариант
1. Температура дуги. Электропроводность. Амбиполярная диффузия.
2. Тепловые процессы при контактной сварке непрерывным оплавлением.
3. Азот и водород в металлах при сварке плавлением.
26 вариант
1. Термоэлектронная эмиссия.
2. Движение источника вблизи края тела. Нагрев от края тела.
3. Распределение кремния между шлаком и металлом.
27 вариант
1. Переходные (приэлектродные) области сварочных дуг.
2. Нагрев тел вращения. Тонкостенный конус.
3. Принципы устройства газовых горелок.
28 вариант
1. Баланс энергии в приэлектродных областях. Баланс энергии дуги.
2. Предельное состояние при движении плоского источника в бесконечном стержне.
3. Система медь-кислород. Система никель-кислород.
29 вариант
1. Магнитное поле дуги.
2. Непрерывно действующий неподвижный источник теплоты переменной мощности.
3. Система титан-кислород. Система алюминий-кислород.
30 вариант
1. Действие ферромагнитных масс на дугу.
2. Нагрев тел вращения. Толстостенный цилиндр.
3. Уравнения скоростей химических реакций.
4.2 Задание на контрольную работу № 2
4.2.1 Задания для группы СПЗ-1
1 вариант
1. Газовое пламя, его характеристики.
2. Понятие о сварочных деформациях и напряжениях.
3. Листы из низколегированной закаленной стали δ = 9 см сваривают за один проход дуговой сваркой при токе I = 370 А, напряжении дуги U = 36 В и скорости υ = 17 м/ч, η = 0,82. Определить ширину зоны отпуска, которая находится примерно между изотермами 870 и 1050 К, если ТН = 270 К. Теплоемкость стали – 5,0 Дж/(см3·К).
2 вариант
1. Понятие свариваемости.
2. Свойства металлов при температурах сварочного термического цикла.
3. Определить необходимую продолжительность нагрева кромки трубы дугой, перемещающейся в магнитном поле, на 1400 К, если диаметр трубы D = 27 см, толщина стенки δ = 1 см, ток I = 780 А, напряжение U = 39 В, к.п.д. η = 0,74. Материал трубы – сталь Ст2.
3 вариант
1. Теоретические методы определения сварочных деформаций и напряжений.
2. Газовое пламя, его характеристики.
3. Пластины из стали 40Х толщиной δ = 2,7 мм сваривают многослойным швом встык. Выбранный режим сварки: I = 200 А, U = 28 В, η = 0,83, υ = 0,22 см/с. Определить длину участка при сварке короткими участками при условии, что температура мартенситного превращения ТМ стали 40Х близка к 600 К.
4 вариант
1. Экспериментальные методы определения сварочных деформаций и напряжений.
2. Общие положения теории кристаллизации.
3. Определить длительность пребывания выше 1450 К точек околошовной зоны, лежащих у границы сплавления (T = 1800 К) при электрошлаковой сварке стальных плит δ = 770 мм, q = 145000 Вт, υ = 0,35 м/с, ТН ? 3500 К.
5 вариант
1. Общие положения теории кристаллизации.
2. Характер распределения временных напряжений и деформаций при сварке.
3. По поверхности массивного тела движется точечный источник теплоты мощностью 8200 Вт. Определить расстояние от источника теплоты до конца изотермы ΔТ = 950 К. Коэффициент теплопроводности металла λ = 0,4 Вт/(см·К).
6 вариант
1. Газовое пламя, его характеристики.
2. Остаточные напряжения в прямолинейных одно- и многопроходных сварных соединениях.
3. Пластина из низкоуглеродистой стали толщиной δ = 1 см нагревается неподвижной дугой мощностью q = 5500 Вт. Определить время, необходимое для нагрева на ΔТ = 750 К пятна диаметром 2,5 см.
7 вариант
1. Понятие свариваемости.
2. Катодная и анодная области дуги.
3. На поверхности массивного тела из низкоуглеродистой стали горит неподвижная дуга, которую можно считать точечным непрерывно действующим неподвижным источником теплоты. Определить приращение температуры в точке на расстоянии R = 2,5 см спустя t = 17 с после начала нагрева при U = 33 В, I = 270 А, к.п.д. η = 0,75.
8 вариант
1. Ручная дуговая сварка.
2. Общие положения теории кристаллизации. Гомогенная кристаллизация.
3. Перед сваркой пластины из стали толщиной δ = 55 мм были подготовлены до TH = 620 К. Определить, в течение какого времени пластины будут сохранять температуру Т не ниже 550 К; тепловыделением при сварке пренебречь.
9 вариант
1. Особенности кристаллизации чистых металлов и сплавов.
2. Ручная дуговая сварка.
3. Определить дебаевский радиус поляризации для сварочной высокоионизированной плазмы при Р = 1, 01·105 Па, Т = 12500 К и ne = 1019 см-3. Можно ли плазму обычной дуги считать квазинейтральной?
10 вариант
1. Схема кристаллизации шва.
2. Виды сварочных дуг.
3. Константа равновесия диссоциации СО2: СО2 = СО + (1/2)О2 пр температуре 3000 К равна 0,33; lnKN = – 1,108. Определить, в каком направлении будет происходить реакция диссоциации, если взять 1 моль СО2, 1 моль СО, 1 моль О2 (Σn = 3).
11 вариант
1. Виды сварочных дуг.
2. Условия кристаллизации металла сварочной ванны.
3. Определить процентный состав равновесной газовой смеси, образовавшейся при нагревании метана до Т = 2000 К: 2СН4 = С2Н6 + Н2. Константа равновесия при данной температуре равна К = 8,5·10–2.
12 вариант
1. Катодная и анодная области дуги.
2. Химическая неоднородность сварного соединения.
3. Массовая доля углерода в стали 35 составляет 0,35%. Определить энтропию моля углерода в стали 35, считая коэффициент активности углерода в стали за единицу.
13 вариант
1. Химическая неоднородность в зоне сплавления и в околошовной зоне.
2. Виды сварочных дуг.
3. Определить разность энтальпий приведенных ниже реакций и их эндо- или экзотермичность.
1) СО + H2OПАР = СО2 + Н2;
2) FeO + CO = Fe + CO2;
3) Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4 CO2.
14 вариант
1. Внутризеренная химическая неоднородность.
2. Газовое пламя, его характеристики.
3. Определить необходимую продолжительность нагрева кромки трубы дугой, перемещающейся в магнитном поле, на 1350 К, если диаметр трубы D = 20 см, толщина стенки δ = 0,8 см, ток I = 700 А, напряжение U = 36 В, к.п.д. η = 0,7. Материал трубы – сталь Ст3.
15 вариант
1. Понятие о дефектах кристаллической решетки.
2. Катодная и анодная области дуги.
3. Пластины из стали 40Х толщиной δ = 1,6 мм сваривают многослойным швом встык. Выбранный режим сварки: I = 170 А, U = 25 В, η = 0,8, υ = 0,2 см/с. Определить длину участка при сварке короткими участками при условии, что температура мартенситного превращения ТМ стали 40Х близка к 600 К.
16 вариант
1. Виды сварочных дуг.
2. Понятие о дефектах кристаллической решетки.
3. Определить длительность пребывания выше 1300 К точек околошовной зоны, лежащих у границы сплавления (T ? 1800 К) при электрошлаковой сварке стальных плит δ = 800 мм, q = 130000 Вт, υ = 0,3 м/ч = 0,0083 см/с, ТН ? 3200 К.
17 вариант
1. Характер изменения пластичности и прочности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке.
2. Металлургия газопламенной сварки.
3. Автоматической аргоно-дуговой сваркой соединяют встык однопроходным швом листы δ = 6 см из сплава АМГ6. Режим сварки: I = 400 А, U = 16 В, η = 0,5. Скорость сварки υ = 18 м/ч = 0,5 см/с. Определить максимальную температуру, которая достигается на расстоянии l = y = 4 см от оси шва при ТН = 300 К.
18 вариант
1. Понятие свариваемости.
2. Природа образования горячих трещин при сварке.
3. Листы из низколегированной закаленной стали δ = 8 см сваривают за один проход дуговой сваркой при токе I = 300 А, напряжении дуги U = 34 В и скорости υ = 18 м/ч = 0,5 см/с, η = 0,8. Определить ширину зоны отпуска, которая находится примерно между изотермами 870 и 1050 К, если ТН = 270 К. Теплоемкость стали – 5,0 Дж/(см3·К).
19 вариант
1. Способы оценки сопротивляемости сплавов образованию горячих трещин при сварке.
2. Газовое пламя, его характеристики.
3. На поверхность массивного тела наплавляют валик. Определить ширину зоны, нагревавшейся выше температуры Т = 900 К, при которой углеродистая сталь в значительной степени теряет упругие стали. Режим сварки: эффективная мощность источника теплоты q = 6 кВт, υ = 9 м/ч = 0,25 см/с. Начальная температура тела ТН = 300 К, приращение ΔТ = Т – ТН = 600 К.
20 вариант
1. Виды сварочных дуг.
2. Природа образования горячих трещин при сварке.
3. Построить график изменения температуры в пластине на участке от х = 2 см до х = – 8 см, y = 2 см при нагреве ее движущимся линейным источником теплоты, когда достигнуто предельное квазистационарное состояние; q = 4000 Вт, υ = 0,1 см/с, δ = 1 см, а = 0,085 см2/с, λ = 0,42 Вт/(см·К), сρ = 4,9 Дж/(см3·К).
21 вариант
1. Понятие свариваемости.
2. Термодинамика и кинетика фазовых превращений в твердом состоянии.
3. По поверхности массивного тела движется точечный источник теплоты мощностью 6000 Вт. Определить расстояние от источника теплоты до конца изотермы ΔТ = 700 К. Коэффициент теплопроводности металла λ = 0,4 Вт/(см·К).
22 вариант
1. Способы регулирования структуры сварных соединений.
2. Термодинамика полиморфного превращения. Кинетика диффузионного превращения.
3. На поверхности массивного тела из низкоуглеродистой стали горит неподвижная дуга, которую можно считать точечным непрерывно действующим неподвижным источником теплоты. Определить приращение температуры в точке на расстоянии R = 1,5 см спустя t = 25 с после прекращения горения дуги при U = 30 В, I = 200 А, к.п.д. η = 0,7. Время нагрева t0 = 20 с.
23 вариант
1. Термодинамика выделения фаз при распаде твердых растворов.
2. Природа образования горячих трещин при сварке.
3. Пластина из низкоуглеродистой стали толщиной δ = 0,5 см нагревается неподвижной дугой мощностью q = 4000 Вт. Определить время, необходимое для нагрева на ΔТ = 800 К пятна диаметром 2 см.
24 вариант
1. Химическая неоднородность сварного соединения.
2. Структурные превращения в сплавах при нагреве.
3. На поверхности массивного тела из низкоуглеродистой стали горит неподвижная дуга, которую можно считать точечным непрерывно действующим неподвижным источником теплоты. Определить приращение температуры в точке на расстоянии R = 1,5 см спустя t = 20 с после начала нагрева при U = 30 В, I = 200 А, к.п.д. η = 0,7.
25 вариант
1. Структурные превращения в сплавах при охлаждении.
2. Природа образования горячих трещин при сварке.
3. Перед сваркой пластины из стали толщиной δ = 40 мм были подготовлены до TH = 550 К. Определить, в течение какого времени пластины будут сохранять температуру Т не ниже 500 К; тепловыделением при сварке пренебречь.
26 вариант
1. Фазовые и структурные превращения при сварке сталей.
2. Способы регулирования структуры сварных соединений.
3. Для Ме-дуги из опыта UK = 8 В, UA = 3 В, T ? 5800 К, kT ? 0,5 эВ, φ = 4 эВ. Оценить теплоту, выделившуюся на катоде WK и на аноде WA.
27 вариант
1. Металлургия газопламенной сварки.
2. Превращения в шве при охлаждении.
3. Сравнить потери WT и Wn столба «железной» дуги при 5000 К, задавшись QFe = 50·м2; ΔТ/Δх = 107 К/М; АFе = 54; δ = 5,7·10-8 Вт/(м2 ·К4).
28 вариант
1. Газовое пламя, его характеристики.
2. Способы регулирования структуры сварных соединений.
3. Рассчитать u0 в зависимости от концентрации газовой смеси из паров К и Fe: uK = 4,32 В; uFe= 7,83 В. Нарисовать график изменения эффективного потенциала ионизации в системе паров K – Fe.
29 вариант
1. Хрупкое разрушение металла сварных соединений. Способы повышения сопротивляемости сварных соединений легированных сталей холодным трещинам.
2. Катодная и анодная области дуги.
3. Определить дебаевский радиус поляризации для сварки в вакууме при Р =10 Па, Те = 160000 К и kT = 15 эВ = 25·10-19 Дж. Можно ли плазму дуги в этом случае считать квазинейтральной?
30 вариант
1. Природа и механизм образования холодных трещин.
2. Катодная и анодная области дуги.
3. Определить дебаевский радиус поляризации для сварочной высокоионизированной плазмы при Р =105 Па, Т = 10000 К и ne = 1018 см-3. Можно ли плазму обычной дуги считать квазинейтральной?
4.2.2 Задания для группы СПЗ-2
1 вариант
1. Схема кристаллизации шва.
2. Природа и механизм образования холодных трещин.
3. Пластины из стали 40Х толщиной δ = 1,6 мм сваривают многослойным швом встык. Выбранный режим сварки: I = 170 А, U = 25 В, η = 0,8, υ = 0,2 см/с. Определить длину участка при сварке короткими участками при условии, что температура мартенситного превращения ТМ стали 40Х близка к 600 К.
2 вариант
1. Понятие о термодеформационном цикле при сварке.
2. Металлургические процессы при сварке в инертных газах.
3. Определить необходимую продолжительность нагрева кромки трубы дугой, перемещающейся в магнитном поле, на 1400 К, если диаметр трубы D = 27 см, толщина стенки δ = 1 см, ток I = 780 А, напряжение U = 39 В, к.п.д. η = 0,74. Материал трубы – сталь Ст2.Определить длительность пребывания выше 1300 К точек околошовной зоны, лежащих у границы сплавления (T ? 1800 К) при электрошлаковой сварке стальных плит δ = 800 мм, q = 130000 Вт, υ = 0,3 м/ч = 0,0083 см/с, ТН ? 3200 К.
3 вариант
1. Источники теплоты и их схематизация.
2. Графорасчетные методы определения сварочных деформаций и напряжений. Методы, использующие аппарат теории упругости и пластичности.
3. Автоматической аргоно-дуговой сваркой соединяют встык однопроходным швом листы δ = 6 см из сплава АМГ6. Режим сварки: I = 400 А, U = 16 В, η = 0,5. Скорость сварки υ = 18 м/ч = 0,5 см/с. Определить максимальную температуру, которая достигается на расстоянии l = y = 4 см от оси шва при ТН = 300 К.
4 вариант
1. Методы определения временных деформаций и напряжений. Методы определения остаточных деформаций и напряжений.
2. Вредные примеси в металле при сварке и их удаление.
3. Листы из низколегированной закаленной стали δ = 8 см сваривают за один проход дуговой сваркой при токе I = 300 А, напряжении дуги U = 34 В и скорости υ = 18 м/ч = 0,5 см/с, η = 0,8. Определить ширину зоны отпуска, которая находится примерно между изотермами 870 и 1050 К, если ТН = 270 К. Теплоемкость стали – 5,0 Дж/(см3·К).
5 вариант
1. Фазовые и структурные превращения при сварке сталей.
2. Виды сварочных дуг.
3. На поверхность массивного тела наплавляют валик. Определить ширину зоны, нагревавшейся выше температуры Т = 900 К, при которой углеродистая сталь в значительной степени теряет упругие стали. Режим сварки: эффективная мощность источника теплоты q = 6 кВт, υ = 9 м/ч = 0,25 см/с. Начальная температура тела ТН = 300 К, приращение ΔТ = Т – ТН = 600 К.
6 вариант
1. Остаточные напряжения в электрошлаковых сварных соединениях. Напряжения при осесимметричном нагреве.
2. Понятие свариваемости.
3. Построить график изменения температуры в пластине на участке от х = 2 см до х = – 8 см, y = 2 см при нагреве ее движущимся линейным источником теплоты, когда достигнуто предельное квазистационарное состояние; q = 4000 Вт, υ = 0,1 см/с, δ = 1 см, а = 0,085 см2/с, λ = 0,42 Вт/(см·К), сρ = 4,9 Дж/(см3·К).
7 вариант
1. Источники теплоты и их схематизация.
2. Внутризеренная химическая неоднородность.
3. По поверхности массивного тела движется точечный источник теплоты мощностью 6000 Вт. Определить расстояние от источника теплоты до конца изотермы ΔТ = 700 К. Коэффициент теплопроводности металла λ = 0,4 Вт/(см·К).
8 вариант
1. Гетерогенная кристаллизация и скорость кристаллизации.
2. Металлургические процессы при сварке в инертных газах.
3. На поверхности массивного тела из низкоуглеродистой стали горит неподвижная дуга, которую можно считать точечным непрерывно действующим неподвижным источником теплоты. Определить приращение температуры в точке на расстоянии R = 1,5 см спустя t = 25 с после прекращения горения дуги при U = 30 В, I = 200 А, к.п.д. η = 0,7. Время нагрева t0 = 20 с.
9 вариант
1. Катодная и анодная области дуги.
2. Типы первичной структуры при кристаллизации.
3. Пластина из низкоуглеродистой стали толщиной δ = 0,5 см нагревается неподвижной дугой мощностью q = 4000 Вт. Определить время, необходимое для нагрева на ΔТ = 800 К пятна диаметром 2 см.
10 вариант
1. Общие положения теории кристаллизации. Гомогенная кристаллизация.
2 Вредные примеси в металле при сварке и их удаление.
3. Перед сваркой пластины из стали толщиной δ = 40 мм были подготовлены до TH = 550 К. Определить, в течение какого времени пластины будут сохранять температуру Т не ниже 500 К; тепловыделением при сварке пренебречь.
11 вариант
1. Факторы, влияющие на первичную структуру сварного шва.
2. Схема кристаллизации шва.
3. Определить процентный состав равновесной газовой смеси, образовавшейся при нагревании метана до Т = 2000 К: 2СН4 = С2Н6 + Н2. Константа равновесия при данной температуре равна К = 8,5·10–2.
12 вариант
1. Источники теплоты и их схематизация.
2. Виды химической неоднородности. Внутрикристаллитная химическая неоднородность.
3. Массовая доля углерода в стали 35 составляет 0,35%. Определить энтропию моля углерода в стали 35, считая коэффициент активности углерода в стали за единицу.
13 вариант
1. Катодная и анодная области дуги.
2. Внутризеренная химическая неоднородность.
3. Определить разность энтальпий приведенных ниже реакций и их эндо- или экзотермичность.
1) 2FeO + Si = 2Fe + SiO2; 2) TiCl4 + 2Mg = 2MgCl2 + Ti; 3) 2FeO + Ti = 2Fe + TiO2. 258
14 вариант
1. Влияние режима сварки на степень химической неоднородности сварного шва.
2. Металлургические процессы при сварке в инертных газах.
3. Определить необходимую продолжительность нагрева кромки трубы дугой, перемещающейся в магнитном поле, на 1350 К, если диаметр трубы D = 20 см, толщина стенки δ = 0,8 см, ток I = 700 А, напряжение U = 36 В, к.п.д. η = 0,7. Материал трубы – сталь Ст3.
15 вариант
1. Химическая неоднородность сварного соединения.
2. Виды сварочных дуг.
3. Листы из низколегированной закаленной стали δ = 9 см сваривают за один проход дуговой сваркой при токе I = 370 А, напряжении дуги U = 36 В и скорости υ = 17 м/ч, η = 0,82. Определить ширину зоны отпуска, которая находится примерно между изотермами 870 и 1050 К, если ТН = 270 К. Теплоемкость стали – 5,0 Дж/(см3·К).
16 вариант
1. Понятие свариваемости.
2. Особенности распределения несовершенств кристаллического строения в металле сварного соединения.
3. Автоматической аргоно-дуговой сваркой соединяют встык однопроходным швом листы δ = 6 см из сплава АМГ6. Режим сварки: I = 400 А, U = 16 В, η = 0,5. Скорость сварки υ = 18 м/ч = 0,5 см/с. Определить максимальную температуру, которая достигается на расстоянии l = y = 4 см от оси шва при ТН = 300 К.
17 вариант
1. Схема кристаллизации шва.
2. Понятие о дефектах кристаллической решетки.
3. Пластины из стали 40Х толщиной δ = 2,7 мм сваривают многослойным швом встык. Выбранный режим сварки: I = 200 А, U = 28 В, η = 0,83, υ = 0,22 см/с. Определить длину участка при сварке короткими участками при условии, что температура мартенситного превращения ТМ стали 40Х близка к 600 К.
18 вариант
1. Понятие о дефектах кристаллической решетки.
2. Виды горячих трещин.
3. Определить длительность пребывания выше 1450 К точек околошовной зоны, лежащих у границы сплавления (T = 1800 К) при электрошлаковой сварке стальных плит δ = 770 мм, q = 145000 Вт, υ = 0,35 м/с, ТН ? 3500 К.
19 вариант
1. Катодная и анодная области дуги.
2. Характер изменения пластичности и прочности металлов и сплавов в области высоких температур при сварке.
3. По поверхности массивного тела движется точечный источник теплоты мощностью 8200 Вт. Определить расстояние от источника теплоты до конца изотермы ΔТ = 950 К. Коэффициент теплопроводности металла λ = 0,4 Вт/(см·К).
20 вариант
1. Методы повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин.
2. Металлургические процессы при сварке в инертных газах.
3. Пластина из низкоуглеродистой стали толщиной δ = 1 см нагревается неподвижной дугой мощностью q = 5500 Вт. Определить время, необходимое для нагрева на ΔТ = 750 К пятна диаметром 2,5 см.
21 вариант
1. Характерные зоны сварных соединений. Виды превращений в металле сварных соединений.
2. Понятие свариваемости.
3. На поверхности массивного тела из низкоуглеродистой стали горит неподвижная дуга, которую можно считать точечным непрерывно действующим неподвижным источником теплоты. Определить приращение температуры в точке на расстоянии R = 2,5 см спустя t = 17 с после начала нагрева при U = 33 В, I = 270 А, к.п.д. η = 0,75.
22 вариант
1. Термодинамика полиморфного превращения. Кинетика мартенситного превращения.
2. Виды сварочных дуг.
3. Перед сваркой пластины из стали толщиной δ = 55 мм были подготовлены до TH = 620 К. Определить, в течение какого времени пластины будут сохранять температуру Т не ниже 550 К; тепловыделением при сварке пренебречь.
23 вариант
1. Виды сварочных дуг.
2. Кинетика выделения фаз при распаде твердых растворов.
3. Определить дебаевский радиус поляризации для сварочной высокоионизированной плазмы при Р = 1, 01·105 Па, Т = 12500 К и ne = 1019 см-3. Можно ли плазму обычной дуги считать квазинейтральной?
24 вариант
1. Понятие о дефектах кристаллической решетки.
2. Понятие свариваемости.
3. На поверхности массивного тела из низкоуглеродистой стали горит неподвижная дуга, которую можно считать точечным непрерывно действующим неподвижным источником теплоты. Определить приращение температуры в точке на расстоянии R = 1,5 см спустя t = 20 с после начала нагрева при U = 30 В, I = 200 А, к.п.д. η = 0,7.
25 вариант
1. Схема кристаллизации шва.
2. Свойства металлов при температурах сварочного термического цикла.
3. Константа равновесия диссоциации СО2: СО2 = СО + (1/2)О2 пр температуре 3000 К равна 0,33; lnKN = – 1,108. Определить, в каком направлении будет происходить реакция диссоциации, если взять 1 моль СО2, 1 моль СО, 1 моль О2 (Σn = 3).
26 вариант
1. Катодная и анодная области дуги.
2. Превращения в основном металле при нагреве.
3. Для Ме-дуги из опыта UK = 8 В, UA = 3 В, T ? 5800 К, kT ? 0,5 эВ, φ = 4 эВ. Оценить теплоту, выделившуюся на катоде WK и на аноде WA.
27 вариант
1. Металлургические процессы при сварке в инертных газах.
2. Превращения в основном металле при охлаждении.
3. Сравнить потери WT и Wn столба «железной» дуги при 5000 К, задавшись QFe = 50·м2; ΔТ/Δх = 107 К/М; АFе = 54; δ = 5,7·10-8 Вт/(м2 ·К4).
28 вариант
1. Вредные примеси в металле при сварке и их удаление.
2. Фазовые и структурные превращения при сварке сталей.
3. Рассчитать u0 в зависимости от концентрации газовой смеси из паров К и Fe: uK = 4,32 В; uFe= 7,83 В. Нарисовать график изменения эффективного потенциала ионизации в системе паров K – Fe.
29 вариант
1. Виды сварочных дуг.
2. Трещины повторного нагрева.
3. Определить дебаевский радиус поляризации для сварки в вакууме при Р =10 Па, Те = 160000 К и kT = 15 эВ = 25·10-19 Дж. Можно ли плазму дуги в этом случае считать квазинейтральной?
30 вариант
1. Понятие свариваемости.
2. Схема кристаллизации шва.
3. Определить дебаевский радиус поляризации для сварочной высокоионизированной плазмы при Р =105 Па, Т = 10000 К и ne = 1018 см-3. Можно ли плазму обычной дуги считать квазинейтральной?
Список литературы
1 Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов. Под ред. В.В. Фролова.- М.: Высшая школа, 1988.- 559 с.
2 Горячие трещины при сварке жаропрочных сплавов / М.Х. Шорохов, А.А. Ерохин, Т.А. Черенышова и др.- М.: Машиностроение, 1973.- 224 с.
3 Лившиц Л.С., Хакимов А.Н. Металловедение сварки и термическая обработка сварных соединений.- М.: Машиностроение, 1989.- 336 с.
4 Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей.- М.: Машиностроение, 1981.- 247 с.
5 Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов.- М.: Высшая школа, 1977.- 392 с.