Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом
| Вид материала | Диплом |
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 72.4kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 88.46kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 70.63kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 90.11kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 85.34kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 118.75kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 126.93kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 211.4kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 89.5kb.
- Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 100.69kb.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УТВЕРЖДАЮ
Руководитель Департамента
образовательных и программ и стандартов
профессионального образования
______________________ В.И.Кружалин
"__10__" __апреля__ 2002 г.
ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Теория сварочных процессов
Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки
дипломированных специалистов 651300 Металлургия
Специальность 110700 Металлургия сварочного производства
Москва 2002 г.
1. Цель дисциплины.
Сформировать знания о физико-химических основах соединения металлов и сплавов при сварке и пайке, а также о закономерностях процессов, происходящих при формировании соединительных швов.
2. Практические умения и навыки.
В результате изучения дисциплины студент должен уметь:
• оценивать свариваемость (паяемость) конкретных конструкционных материалов и узлов;
• выбирать рациональные и экономичные методы соединения конструкционных материалов;
• давать расчетную оценку структуры, свойств и химического состава околошовной зоны сварных соединений;
• проводить научные исследования для оценки характеристик источников теплоты и выбора оптимальных параметров и условий сварки.
3. Объем дисциплины и виды учебной работы (час).
| Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |
| 6 | 7 | ||
| Общая трудоёмкость | 300 | 149 | 151 |
| Аудиторные занятия | 153 | 76 | 77 |
| Лекции | 115 | 61 | 54 |
| Практические занятия (ПЗ) | 8 | | 8 |
| Семинары (С) | | | |
| Лабораторные работы (ЛР) | 30 | 15 | 15 |
| Самостоятельная работа | 147 | 73 | 74 |
| Курсовая работа | * | | * |
| Расчётно-графическая работа | | | |
| Реферат | | | |
| Другие самостаятельные работы | | | |
| Вид итогового контроля | | экзамен | экзамен |
4. Содержание дисциплины.
4.1. Разделы дисциплины и виды занятий
| № | Темы лекций | Лекции | ПЗ | С | ЛР |
| 1 | Понятия о сварочных процессах. Классификация. | * | | | |
Раздел 1. Физико-химические основы соединения материалов при сварке и пайке
| 1 | Современная теория образования соединения материалов при сварке и пайке. | * | | | |
| 2 | Особенности образования соединения в условиях реальных процессов. | * | | | |
| № | Темы лекций | Лекции | ПЗ | С | ЛР |
| 3 | Образование соединения при сварке в твердом состоянии. | * | | | |
| 4 | Образование соединения при участии жидкой фазы. | * | | | * |
Раздел 2. Источники энергии для сварки и пайки
| 1 | Общие требования к источникам энергии для сварки и пайки. | * | | | |
| 2 | Газовое пламя. | * | | | * |
| 3 | Электрическая сварочная дуга. | * | | | * |
| 4 | Электронный луч. | * | | | |
| 5 | Фотонно - лучевые источники. | * | | | |
| 6 | Электрошлаковая ванна. | * | | | |
| 7 | Нагрев при протекании электрического тока. | * | | | |
| 8 | Нагрев при трении. | * | | | |
Раздел 3. Металлургические процессы при сварке и пайке
| 1 | Общая характеристика процессов при сварке и пайке. | * | | | |
| 2 | Окисление металла при сварке и пайке. | * | | | |
| 3 | Раскисление металла при сварке и пайке. | * | | | |
| 4 | Взаимодействие водорода и азота с металлами при сварке и пайке. | * | | | |
| 5 | Легирование металла при сварке. | * | | | |
| 6 | Рафинирование металла при сварке. | * | | | |
Раздел 4. Процесс кристаллизации и формирование первичной макроструктуры металла шва
| 1 | Свариваемость. | * | | | |
| 2 | Гомогенная и гетерогенная кристаллизация. | * | | | |
| 3 | Структура металла, формируемая в процессе кристаллизации. | * | * | | * |
| 4 | Особенности кристаллизации при сварке и пайке. | * | * | | |
| 5 | Химическая неоднородность сварного соединения. | * | * | | |
| 6 | Дефекты кристаллической решетки при сварке и пайке. | * | | | |
| 7 | Горячие трещины в металлах при сварке. | * | | | * |
Раздел 5. Термодеформационные процессы в металлах при сварке
| 1 | Элементы теории напряжнно-деформиро-ванного состояния. | * | | | * |
| 2 | Методы исследования напряжений и деформаций при сварке. | * | | | |
| 3 | Кинетика напряженно-деформированного состояния металла при сварке. | * | | | * |
| № | Темы лекций | Лекции | ПЗ | С | ЛР |
| 4 | Влияние условий сварки на кинетику напряженно-деформированного состояния. | * | | | |
Раздел 6. Фазовые и структурные превращения в металлах при сварке
| 1 | Фазовые и структурные превращения (общие вопросы). | * | * | | |
| 2 | Фазовые и структурные превращения при сварке сталей. | * | | | |
| 3 | Холодные трещины в сварных соединениях. | * | | | |
4.2.Содержание лекционного курса
Тема 1. Понятие о сварочных процессах. Классификация
Значение сварки и пайки в современной технике. Понятие о разъемных и неразъемных, монолитных и составных соединениях. Определение процессов сварки и пайки. Понятие о сварочных процессах. Классификация сварочных процессов по виду вводимой энергии. Схемы и основные характеристики процессов сварки и пайки.
Раздел 1. Физико-химические основы соединения материалов при сварке и пайке
Тема 1. Современная теория образования соединения при сварке и пайке
Кристаллическое строение и свариваемость материалов. Особенности строения и свойства твердых и жидких поверхностей. Термодинамическая оценка вероятности образования соединения и смачивания расплавом поверхности твердого тела.
Анализ взаимодействия двух изолированных атомов при их сближении. Начальные этапы взаимодействия. Понятия о физической адсорбции, активации взаимодействия, химической адсорбции.
Взаимодействие двух поверхностей поликристаллических материалов. Основные стадии взаимодействия. Образование физического контакта. Активация контактных поверхностей и схватывание. Понятие об активных центрах взаимодействия. Объёмное взаимодействие.
Тема 2. Особенности образования соединения в условиях реальных процессов
Понятие о реальной поверхности. Активация контактных поверхностей в условиях реальных процессов.
Тема 3. Образование соединения при сварке в твёрдом состоянии
Особенности развития взаимодействия в контакте твердых тел при сварке однородных и разнородных материалов на всех стадиях взаимодействия.
Длительность стадий взаимодействия в условиях сварки однородных и разнородных материалов.
Тема 4. Образование соединения при участии жидкой фазы
Роль жидкой фазы на стадии образования физического контакта, активация контактных поверхностей и объемное взаимодействие. Капиллярные процессы в контакте твердых тел. Проявление эффекта Ребиндера.
Раздел 2. Источники энергии для сварки и пайки
Тема 1. Общие требования к источникам энергии для сварки и пайки
Понятие об источниках энергии. Общая схема использования энергии при сварке. Классификация источников энергии для соединения материалов. Схема передачи энергии от источника к нагреваемому телу. Понятие о термическом к.п.д. источника. Тепловая мощность источника и плотность энергии в пятне нагрева при сварке.
Тема 2. Газовое пламя
Общий вид реакции сгорания углеводородов в смеси с кислородом. Тепловой эффект реакции. Строение ацетилено-кислородного пламени. Химический состав отдельных зон пламени. Распределение температуры по длине пламени. Взаимодействие пламени с нагреваемым материалом. Левый и правый методы нагрева при сварке. Регулирование тепловой мощности газового пламени.
Тема 3. Электрическая сварочная дуга
Классификация сварочных дуг. Процессы в дуговом разряде. Виды ионизации. Понятие о потенциале ионизации. Эффективный потенциал ионизации смеси газов. Структура дугового разряда. Технологические особенности сварочной дуги. Уравнение Айртон. Статическая вольтамперная характеристика дуги. Взаимодействие электрической дуги с магнитными полями. Особенности горения сварочной дуги при питании ее постоянным и переменным токами.
Плазменно-дуговой разряд. Схемы получения плазменной дуги. Функции газовой среды в плазматроне. Плазмообразующие и защитные газы. Эффективность плазмообразующих газов.
Тема 4. Электронный луч
Особенности использования энергии движущихся частиц для нагрева при сварке. Схема получения и управление потоком быстролетящих электронов. Процессы взаимодействия электронного луча с нагреваемым материалом.
Тема 5. Фотонно-лучевые источники питания
Использование лучистой энергии для нагрева. Понятие о полихроматическом излучении. Монохроматическое когерентное излучение. Принцип работы твердотельного лазера. Газовые лазеры.
Тема 6. Электрошлаковая ванна
Выделение теплоты при пропускании тока через солевой расплав и схема тепловых потоков. Тепловой баланс электрошлакового процесса при сварке.
Тема 7. Нагрев при протекании электрического тока
Природа контактного сопротивления. Твердый и жидкий контакты. Особенности нагрева металла при стыковой, точечной, шовной и рельефной сварке. Нагрев токами высокой частоты.
Тема 8. Нагрев при трении
Понятие о видах трения. Эпюра момента сил трения при сварке трением. Основные фазы процесса. Баланс энергии при сварке трением.
Раздел 3. Металлургические процессы при сварке и пайке
Тема 1. Общая характеристика процессов при сварке и пайке
Нагрев, плавление, испарение металла в сварочной ванне. Окисление, образование газовых пор и горячих трещин. Применение защитных газовых сред, покрытий и флюсов. Составляющие флюсов и покрытий и их функции. Температурные и другие условия в реакционном пространстве сварочной ванны.
Тема 2. Окисление металла при сварке и пайке
2.1. Окисление газами
Классификация газовых сред, используемых в сварочных процессах. Специально создаваемые газовые среды, образующиеся в процессе сварки в результате превращения компонентов. Газовые среды окислительного и восстановительного характера. Нейтральные газовые среды.
2.2. Окисление шлаками
Понятие о керамических и плавленных сварочных флюсах. Процессы, протекающие при нагреве и плавлении флюсов. Образование шлаков. Взаимодействие шлаков с металлами. Свойства шлаков. Короткие и длинные шлаки. Наиболее распространенные шлаковые системы, используемые при сварке. Процессы окисления при взаимодействии шлаков с металлами в сварочной ванне.
2.3. Окисление за счёт окислов, находящихся на свариваемых поверхностях.
Тема 3. Раскисление металла при сварке и пайке
3.1. Раскисление при сварке
Раскисление низкоуглеродистых сталей. Реакции с углеродом. Промывание металла шлаком. Влияние состава шлака на его раскисляющую способность. Основность шлаков. Кремне- и марганцевосстановительные процессы раскисления. Основные химические реакции взаимодействия. Способы введения кремния и марганца в сварочную ванну при различных способах сварки.
Особенности раскисления при сварке легированных сталей, меди и ее сплавов, алюминия и его сплавов. Основные шлаковые системы.
3.2. Раскисление при пайке
Понятие о раскислении в условиях пайки. Роль предварительной подготовки поверхности. Нанесение покрытий и облуживание. Механическое разрушение окислов при пайке. Газовые и жидкие флюсы. Требования к флюсовым системам при пайке.
Тема 4. Взаимодействие водорода и азота с металлами при сварке и пайке
Характер взаимодействия водорода с твердым и жидким металлами на примере черных и цветных металлов. Взаимодействие с азотом.
Тема 5. Легирование металлов при сварке
Основные задачи легирования. Способы легирования. Понятие о коэффициенте усвоения легирующего элемента. Долевое участие в образовании шва основного и наплавленного металлов. Коэффициент перехода легирующих компонентов.
Тема 6. Рафинирование металла при сварке
Задачи рафинирования. Источники загрязнения металла шва. Влияние основных примесей на свойства сварного шва. Сущность процесса рафинирования.
Раздел 4. Процесс кристаллизации и формирование первичной макроструктуры
металла шва.
Тема 1. Свариваемость
Понятие о свариваемости. Тепловые, термомеханические и механические процессы при сварке и пайке и их влияние на технологическую и эксплуатационную прочность. Критерии свариваемости: окисляемость металла, сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин, чувствительность металла к тепловому воздействию. Физическая и технологическая свариваемость.
Тема 2. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация
2.1. Основные представления теории кристаллизации. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация. Изменение фазового состояния в зависимости от температуры. Условие образования зародыша при гомогенной кристаллизации, влияние переохлаждения.
2.2. Гетерогенная кристаллизация; элементарные процессы кристаллизации. Скорость кристаллизации. Тангенциальный рост кристаллов. Влияние дефектов кристаллического строения. Особенности кристаллизации чистых металлов и сплавов. Направленная кристаллизация. Градиент температур, переохлаждение. Кристаллизация сплавов. Избирательная (диффузионная) кристаллизация; бездиффузионная кристаллизация. Концентрационное уплотнение, концентрационное переохлаждение, его связь с условиями кристаллизации, условиями сварки.
Тема 3. Структура металла, формируемая в процессе кристаллизации
Типы первичной структуры при кристаллизации. Полиэдрическая, столбчатая, ячеистая, ячеисто-дендритная и дендритная структуры. Влияние условий кристаллизации на структуру.
Тема 4. Особенности кристаллизации при сварке и пайке
Кристаллизация металла сварочной ванны. Макроструктура сварного шва. Схема кристаллизации шва. Формы фронтов кристаллизации, их зависимость от условий сварки. Размеры фронтов кристаллизации. Расчетная оценка размеров сварочной ванны. Аналитическое описание схемы кристаллизации. Скорость кристаллизации; среднее и мгновенное ее значения; влияние условий сварки на распределение скоростей кристаллизации по фронту кристаллизации; расчет этого распределения. Факторы, влияющие на первичную структуру металла шва.
Тема 5. Химическая неоднородность сварного соединения
Основные положения теории массопереноса. Механизмы диффузии. Коэффициент диффузии. Диаграмма состояния бинарного сплава при изотермической выдержке и при непрерывном охлаждении. Явление ликвации.
Виды химической неоднородности сварных швов. Внутрикристаллитная неоднородность. Кристаллизация в условиях полного перемешивания и без перемешивания металла. Три стадии процесса: начальный рост концентрации, установившийся процесс, завершающая стадия затвердевания; процесс кристаллизации при переменной скорости кристаллизации. Эффективный коэффициент распределения, межкристаллитная химическая неоднородность. Химическая неоднородность в зоне сплавления и в околошовной зоне. Сегрегации. Внутризёренная химическая неоднородность.
Влияние режима сварки на степень химической неоднородности сварного шва.
Тема 6. Дефекты кристаллической решётки металлов при сварке
Общие представления о дефектах кристаллического строения; точечные, линейные, плоские и объемные дефекты. Концентрация дефектов. Особенности распределения несовершенств кристаллической решетки в металле шва.
Тема 7. Горячие трещины в металлах при сварке
Характер изменения пластичности и прочности металлов и сплавов в области температурного интервала хрупкости. Природа образования горячих трещин при сварке; факторы, определяющие возможность их образования. Виды горячих трещин: кристаллизационные, подсолидусные трещины. Трещины повторного нагрева.
Методы оценки сопротивляемости металла образованию горячих трещин. Количественные и качественные пробы; машинные методы испытаний. Методы повышения сопротивляемости сварных соединений образованию горячих трещин.
Раздел 5. Термодеформационные процессы в металлах при сварке
Тема 1. Элементы теории напряжённо-деформированного состояния
Элементы теории напряженно-деформированного состояния в окрестности точки сплошной среды. Элементы реологии. Понятие об упругом, упругопластическом, вязком и др. телах. Термомеханическое нагружение.
Понятие о собственных напряжениях и внутренних деформациях в элементах сварных конструкций, о временных и остаточных напряжениях и деформациях.
Тема 2. Методы исследования напряжений и деформаций при сварке
Расчетные методы: аналитические и численные, математическое моделирование процесса развития напряженно-деформированного состояния. Экспериментальные методы исследования распределения напряжений и деформаций в элементах сварных конструкций.
Тема 3. Кинетика напряжённо-деформированного состояния металла при сварке
Кинетика развития напряжений и деформаций при сварочном термическом цикле, распределение продольных напряжений и деформаций в поперечных сечениях пластин при сварки их встык. Температурные и временные зависимости изменения внешних и внутренних деформаций и собственных напряжений.
Тема 4. Влияние условий сварки на кинетику напряжённо-деформированного состояния
Влияние условий сварочного нагрева на развитие напряжений и деформаций и на распределение их в свариваемых элементах: влияние мощности и скорости источника теплоты, влияние подогрева при сварке, влияние внешних нагрузок. Влияние механических характеристик свариваемых металлов на формирование поля остаточных напряжений. Влияние условий сварки на темп внутренних деформаций.
Особенности процесса развития напряженно-деформированного состояния при сварке сплавов претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии.
Методы регулирования сварочных напряжений и деформаций.
Раздел 6. Фазовые и структурные превращения в металлах при сварке
Тема 1. Фазовые и структурные превращения (общие вопросы)
Характерные зоны в сварных и паяных соединениях. Металл шва, зона сплавления, зона нагрева выше температуры фазовых превращений в твердом состоянии. Термодинамика и кинетика превращений в твердом состоянии. Термодинамика полиморфного превращения. Термодинамика выделения фаз при распаде твердых растворов. Кинетика выделения фаз при распаде твердых растворов. Старение, дисперсионное упрочнение, термическое и деформационное старение; естественное и искусственное старение, статическое и динамическое старение. Синеломкость. Растворение избыточных фаз.
Структурное превращение в сплавах при нагреве и охлаждении. Образование границ зерен; выравнивание границ зерен, рост зерен, перераспределение химических элементов; коагуляция и сфероидизация фаз; изменение концентрации и распределения дефектов кристаллического строения.
Тема 2. Фазовые и структурные превращения при сварке сталей
Превращения в основном металле при нагреве. Превращения в шве и основном металле при охлаждении. Ферритное превращение, перлитное превращение, мартенситное превращение, бейнитное превращение, Способы регулирования структуры сварных соединений.
Тема 3. Холодные трещины в сварных соединениях
Природа и механизм холодных трещин. Замедленное разрушение. Механизм разрушения. Роль водорода, атомарный, молекулярный, диффузионный, закрепленный водород. Распределение водорода. Способы оценки склонности металла к образованию холодных трещин. Косвенные и прямые способы; качественные и количественные; сравнительные и абсолютные способы оценки.
Способы повышения сопротивляемости сварных соединений легированных сталей холодным трещинам. Хрупкое разрушение металла сварных соединений. Трещины повторного нагрева.
5. Примерный перечень лабораторных работ.
| № | Название лабораторных работ |
| 1 | Изучение затекания жидкого металла (припоя) в капиллярный зазор. |
| 2 | Определение краевого угла смачивания и площади растекания жидкого металла (припоя) по твёрдой металлической поверхности. |
| 3 | Проявление эффекта Ребиндера при взаимодействии жидкого металла с твёрдым. |
| 4 | Исследование основных характеристик дугового разряда. |
| 5 | Изучение склонности к образованию горячих трещин в сплавах при сварке с помощью технологической пробы. |
| 6 | Экспериментально-расчётное исследование первичной макроструктуры металла сварного шва. |
| 7 | Анализ кинетики развития напряженно-деформированного состояния и сварке пластин встык. |
| 8 | Исследование влияния режима сварки на развитие напряжений и деформаций при сварке пластин встык. |
| 9 | Исследование влияния режима и состава металла шва на фазовые превращения при сварочном термическом цикле. |
6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
6.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература
1а. Петров Г.С., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. –М.: Высшая школа, 1977.
2а. Теория сварочных процессов / Под ред. В.В. Фролова. –М.: Высшая школа, 1988.
б) дополнительная литература
1б. Прохоров Н.Н. Физические процессы в металлах при сварке. т. 1.- М.: Металлургия, 1968.
2б. Сварка и свариваемые материалы. Справочник, т. 1.- М.: Металлургия, 1991.
3б. Сварка и свариваемые материалы. Справочник, т. 2.- М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана , 1996.
- Средства обеспечения освоения дисциплины
Обучающие и контролирующие программы. Плакаты схемы, видеофильмы и другие наглядные пособия по темам занятий.
- Материально-техническое обеспечение дисциплины
Специализированная лаборатория с оборудованием, приборами и материалами, необходимыми для проведения лабораторных и практических занятий. Компьютерная техника, видеотехника.
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом ВПО по направлению подготовки дипломированных специалистов 651300 Металлургия.
Программа составлена на основе рабочей программы МГВМИ по данной дисциплине.
Программа одобрена на заседании Совета УМО по образованию в области металлургии от 29 января 2002 г., протокол № 40.
Зам. председателя Совета УМО В.П. Соловьев