Детали машин : Технологические основы сварки плавлением и давлением

Технологические основы сварки плавлением и давлением

Министерство образования и науки Российской Федерации

Филиал Санкт-Петербургского государственного морского

 технического университета

СЕВМАШВТУЗ

Шевцов О.А.

МЕТОДИЧЕСКИЕ  УКАЗАНИЯ

к  выполнению курсовой работы по  дисциплине

“Технологические основы Сварки плавлением и давлением”

 (для студентов, обучающихся по специальности 150202)

Северодвинск

Севмашвтуз

2007г.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Общие сведения……………………………………………………………………

1.     Содержание  задания………………………………………………

2.     Варианты  задания…………………………………………………

3.     Маркировка легированных сталей……………………………………………

4.     Определение площади наплавки и числа проходов…………………………

5.     Расчёт параметров режима сварки……………………………………………

6.     Оценка геометрии сварного шва………………………………………………

7.     Расчётная оценка химсостава шва и свойство шва и 3ТВ……………………

8.     Оборудование для различных способов сварки………………………………

9.     Рекомендации по подогреву и термообработке после сварки………………

Приложение…………………………………………………………………………

Список рекомендуемой литературы………………………………………………

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

          Курс “Технологические основы сварки плавлением и давлением” является одним из основных при подготовке инженера по специальности 150202. Согласно требованиям квалификационной характеристики, специалист в области сварочного производства, должен владеть сварочными технологическими процессами. При организации производства любых металлоконструкций машиностроения, химических производств, сельхозтехники,  арматуры или других строительных конструкций и т.д., должен уметь назначить технологию получения неразъемного соединения металла определенной толщины различными способами сварки, уметь назначать разделку согласно ГОСТАМ и подбирать необходимое сварочное оборудование и режимы сварки.

1.     СОДЕРЖАНИЕ   ЗАДАНИЯ

          Согласно заданию задаётся определенная сталь заданной толщины (например, 09Г2С, S=60 мм), тип соединения и ограничение на сварку (доступ к шву, кантовка изделия и т.д.).

          Необходимо разработать три технологических процесса сварки:

                 ручная электродуговая;

                 сварка под флюсом;

                 сварка в защитных газах.

          Задание выполняется в следующем порядке.

          1. Для  данной толщины основного металла (S) и способа сварки определить тип соединения (C1,T3 и т.д.)  согласно ГОСТ (например, ГОСТ 14771-76). Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные.

2.     Согласно ГОСТ назначить зазоры, разделку  и подготовку кромок под сварку.

3.     Определить размеры сварных швов (e1,g1,e2,g2).

4.     Определить площадь наплавки FH, рассчитать число слоев и проходов, необходимых для выполнения разделки. Назначить раскладку проходов.

5.     Рассчитать необходимые параметры режима сварки каждого прохода.

6.     Подобрать необходимые сварочные материалы (электроды, электродные проволоки, флюсы, газы и т.д.).

7.     Произвести расчётную оценку химсостава шва и механических свойств шва околошовной зоны.

8.     Назначить требуемое сварное оборудование и оснастку для компоновки поста.

9.     При необходимости назначить подогрев при сварке или послесварочную термообработку.

10. Произвести анализ полученных результатов.

Примечание: при выполнении задания необходимо учесть дополнительные условия, доступ к шву и т.д.

2.     ВАРИАНТ  ЗАДАНИЯ

        Конкретное задание каждому студенту выдается преподавателем.

                                3.МАРКИРОВКА  ЛЕГИРОВАННЫХ  СТАЛЕЙ       

        Основную массу строительных легированных сталей составляют низколегированная (ГОСТ 19282-73; 19281-73), легированная конструкционная (ГОСТ 4543-71), теплоустойчивая (ГОСТ 200II-72). Маркировка всех перечисленных сталей однотипная.

Первые две цифры – содержание углерода в сотых долях процента; буквы – условное обозначение легирующих элементов; цифра после буквы – примерное содержание легирующего элемента. Буква  “А” в конце марки означает, что сталь высококачественная, т.е. с пониженным содержанием серы и фосфора.

Условные обозначение легирующих элементов

Элемент              N     Nb     W     Cu     Se     Co     Mo     Ni     P     B     Si     Ti

Обозначение      А      Б        В      Д       Е      К       М       Н     П     Р     С      Т    

Элемент              V      Cч     Zr     Al

Обозначение      Ф       Х      Ц      Ю

        Маленькие буквы “пс”, “сп”, “кп” в конце марки означает степень раскисленности стали, например: “пс” означает, что сталь полуспокойная.

3.     ОПРЕДЕЛЕНИЕ  ПЛОЩАДИ  НАПЛАВКИ  И  ЧИСЛА  ПРОХОДОВ

        При определении площади наплавки Fн учитываются разделка, которая характеризуется зазором а, притуплением с, углом скоса кромки β и углом разделки α, радиусом          R, высота усиления h, ширина шва в.

          При назначении числа проходов учитывают, что корень шва необходимо проваривать на малых токах:

F1=(6- 8)·dэл .

где dэл – диаметр электрода (при наличии притупления диаметр электрода выбирают минимальным-3мм).

        Последующие проходы выполняют с большим поперечным сечением

Fn=(10 - 12)·dэл .

        Общее количество проходов можно найти так: n=(Fн-F1)/Fn+1

. Затем назначается схема заполнения разделки (рис. 1).

                                        Рис. 1.  Схема заполнения разделки

4.  РАСЧЁТ  ПАРАМЕТРОВ  РЕЖИМА  СВАРКИ

4.1. Ручная дуговая сварка

        Определение режима сварки обычно начинают с выбора диаметра электрода dэл . Он назначается от S (толщины металла) при сварке стыковых швов и от катета при сварке угловых и тавровых соединений (табл.1).

Таблица 1

        При сварке металла угловыми швами катет швов назначается из расчета на прочность, но не более минимальной толщины. При многопроходной сварке первый проход выполняется электродами dэл =3-4 мм.

        При многопроходной Fн≤ 30-40 мм2.

        Для определения числа проходов при сварке угловых и тавровых соединений Fн может быть вычислена по формуле

Fн=k2/2·ky ,

где Ку – коэффициент увеличения, учитывающий наличие зазоров и выпуклость шва.

        Значения Ку в зависимости от катета шва могут быть приняты по табл.2.

Таблица 2

Существуют оптимальные соотношения между dэл и площадью поперечного сечения наплавленного металла.

  Для первого прохода (при проваре корня шва)

                                             F1=(6…8) dэл

Для последующих проходов

                                            FП=(8….12)dэл    

Величина сварочного тока при РДС может быть определена по формуле

Iсв=π· d 2эл /4·i ,

где i – допускаемая плотность тока, А/мм2.

        Значение допускаемой плотности тока в электроде при различных диаметрах стержня и типах покрытия приведены в табл.3.

Таблица 3.

 Для других покрытий или при приближённых подсчётах величина Iсв может быть определена по одной из следующих формул :

                                               Iсв=К· dэл;                                                                     (4.1)

Iсв=К1· d1,5эл;                                                            (4.2)

Iсв=d2эл· (К2+а· dэл),                                                 .(4.3)

где К =40 – 50;   К1=20 – 25;   К2=20;  а =6 – коэффициенты.

        При сварке электродами d = 4 – 5  мм используют первое выражение.   Для электродов с 4>dэл следует использовать выражения (2).  Для электродов dэл >5 мм использовать выражения (3).

При сварке во всех положениях, кроме нижнего, сварочный ток уменьшают на 10-15% -при сварке вертикальных швов; на15-20%- при сварке горизонтальных и потолочных швов.

        Напряжение на дуге колеблется в узком пределе (Uд=28-32 В) или устанавливаются по паспортным данным на каждую марку электрода, или в зависимости от вида покрытия электродов:

Основного типа               Uсв=12+0,36·Iсв / dэл ,

Рутилового типа                Uсв=12+1,7·Iсв / dэл                                

Скорость сварки можно определить по выражению

Uсв=αн·Iсв / 3600·ρ·Fн                                                         (4.4)

где αн – коэффициент наплавки, г/А·ч;

а) для постоянного тока обратной полярности       

                               αн =(12+0,022/ d1,5эл ) (1- ψ%  /100), где

ψ -коэффициент потерь при сварке под флюсом равен 1, при сварке в активных защитных газах

        ψ = - 4,72 + 0,176 i – 0,445  10-4 i2,

б) для постоянного тока прямой полярности

      αн=(6,3+ 0,07/ dэл1,035 Iсв)

в) для переменного тока

      αн= 0,2025(Iсв/ dэл ) 0,6

Для электродов УОНИ-13 αн= 8 г/Ач, для электродов ЦМ αн= 10 г/Ач

       ρ– удельный вес наплавленного металла, г/см3;

       Fн – площадь поперечного сечения наплавленного металла за данный проход, см2.

Погонная энергия может быть определена по уравнению

                                           qn=0,24Iсв·Uд·hи /Vсв ,    кал/см

Учитывая , что при ручной сварке  несколько изменяются напряжение на дуге, коэффициент использования тепла дуги и значение коэффициента наплавки, с достаточной для практических расчетов степенью точности для всех марок электродов можно принять

                                              qn= 145 Fн , кал/см

5.2             Определение параметров режима при механизированной сварке под флюсом односторонних и двухсторонних стыковых швов

Основными размерами швов, выполненных автоматической сваркой под слоем  флюса, влияющими на качество и работоспособность сварного соединения, являются: глубина провара h, ширина шва , высота валика с (см. рисунок 17).

Рис. 17. Основные размеры стыковых швов, выполненных

автоматической сваркой под флюсом

Отношение ширины шва  к глубине провара h называют коэффициентом формы провара ψпр:

    (5.1)

Отношение ширины шва  к высоте валика с называют коэффициентом  формы  валика ψв:

                                       (5.2)

При сварке стыковых швов с разделкой кромок величину проплавления нескошенной части называют глубиной проплавления притупления и обозначают h0.

Чтобы рассчитать режим сварки, обеспечивающий заданные размеры и форму шва, необходимо установить связь между отдельными параметрами режима и размерами шва.

Основными параметрами режима автоматической сварки под флюсом, оказывающими влияние на размеры и форму шва, являются: сварочный ток, напряжение на дуге, скорость сварки, диаметр электрода или плотность тока в электроде.

Основное влияние на размеры и форму шва оказывает количество теплоты, выделяемое дугой, и условия ввода этого тепла в изделие.

Увеличение силы сварочного тока приводит к возрастанию мощности дуги, вследствие чего увеличивается количество расплавленного металла, как электродного, так и основного. Поэтому увеличение сварочного тока приводит к возрастанию глубины провара, высоты валика и ширины шва. При этом, вследствие увеличения давления дуги, жидкий металл более интенсивно вытесняется в хвост сварочной ванны и дуга оказывает прямое воздействие на «дно» сварочной ванны, как бы заглубляясь в металл; поэтому главным образом сварочный ток оказывает влияние на глубину провара и высоту валика, а ширина шва увеличивается незначительно. Коэффициенты формы провара и формы валика вследствие этого интенсивно уменьшаются.

Увеличение напряжения на дуге также приводит к росту тепловой мощности дуги. Так как при возрастании напряжения длина дуги увеличивается, то тепло вводится в изделие по большей площади, что приводит к интенсивному росту ширины шва и снижению высоты валика.

Характер влияния напряжения на дуге на глубину провара зависит от величины сварочного тока.

При больших токах, когда дуга «заглублена» в основной металл, увеличение напряжения на дуге первоначально приводит к увеличению глубины провара; дальнейший рост напряжения связан со значительным удлинением дуги, и увеличение тепловой мощности не компенсирует возрастающих потерь поверхностью столба дуги. При этом существенно уменьшается давление дуги на металл сварочной ванны, который накапливается в основании столба дуги достаточно толстым слоем, препятствуя непосредственному воздействию дуги на основной металл. Вследствие этого глубина провара начинает падать.

При сварке на средних токах увеличение напряжения на дуге приводит к росту глубины провара лишь в диапазоне очень низких напряжений. Дальнейшее увеличение напряжения вызывает снижение глубины провара.

При сварке на малых токах напряжение на дуге оказывает незначительное влияние на глубину провара.

Увеличение скорости сварки во всем диапазоне вызывает уменьшение ширины провара и некоторое уменьшение высоты валика.

Характер влияния скорости сварки на глубину провара при разных диапазонах скоростей различен. Увеличение скорости сварки до 15—20м/час (при использовании электродной проволоки диаметром 4—5мм), несмотря на уменьшение погонной энергии, вызывает некоторое возрастание глубины провара, вследствие того, что при этом уменьшается количество жидкого металла в основании столба дуги. Поэтому непосредственное воздействие дуги на нерасплавленный металл усиливается.

В диапазоне 20—40м/час скорость сварки мало влияет на глубину провара. Дальнейшее увеличение скорости сварки вызывает снижение глубины провара.

Диаметр электрода при неизменной мощности дуги и скорости сварки также оказывает существенное влияние на размеры и форму шва.

С увеличением диаметра электрода при неизменном значении тока усиливается блуждание активного пятна по поверхности ванны, тепло дуги распределяется по большей площади, вследствие чего ширина шва увеличивается, а глубина провара и высота валика уменьшаются. Наоборот, при сварке электродной проволокой малого диаметра, когда плотность тока в электроде возрастает, блуждание активного пятна по поверхности ванны ослабевает, тепло вводится более концентрированно. В результате этого увеличивается глубина провара и высота валика, а ширина шва уменьшается. Росту высоты валика способствует также значительное увеличение коэффициента расплавления, а следовательно, и количества расплавленного электродного металла.

Коэффициенты формы провара и валика с уменьшением диаметра электродной проволоки резко уменьшаются.

Режим сварки обычно устанавливают исходя из условий обеспечения заданных размеров шва и сплошности сварного соединения.

Для обеспечения сплошного провара при двусторонней однопроходной автоматической сварке необходимо, чтобы размеры шва удовлетворяли  следующим требованиям (рис. 28 и формулы (5.3):

                                                                   h1 +h2= d + k

                                               h  >  d - S                            (5.3)                        

                                               k   > 0

d -толщина свариваемых листов,

h1 –глубина провара при сварке с первой стороны,

h2 - глубина провара при сварке с второй стороны,

k   - величина перекроя,

S –толщина нерасплавленного слоя металла под сварочной ванной.

При проектировании технологических процессов сварки необходимо определить режимы сварки, обеспечивающие получение швов заданных размеров, формы и качества.

Метод расчета режимов, предложенный Ленинградским политехническим институтом приближенный, но для инженерных расчетов достаточно точен.

Расчет режима сварки начинают с того, что задают требуемую глубину провара при сварке с первой стороны, которая устанавливается равной:

                                            h1 =d/2 ±(1÷3)мм                          (5.4)         

Затем определяют сварочный ток, имея в виду, что в среднем каждые 80-100А дают глубину провара 1мм, т.е.

                                                        Iсв = (80 ÷100) h                           (5.5)

Скорость сварки устанавливается в зависимости от принятой величины сварочного тока.

Уже отмечалось, что для сохранения геометрического подобия сварочной ванны при изменении тепловой мощности дуги необходимо qvсв поддерживать постоянным. Так как изменение тепловой мощности дуги пропорционально изменению тока, то для сохранения необходимой формы сварочной ванны произведение сварочного тока на скорость сварки должно находиться в определенных пределах. Как известно из практики, формируется шов удовлетворительно тогда, когда произведение силы тока (А) на скорость сварки (м/час) при автоматической сварке электродной проволокой диаметром 4-6мм находится в пределах 20000-30000.

Исходя из этого скорость сварки при автоматической сварке электродной проволокой диаметром 4-6мм можно определить по формуле:

                                              Vсв =  (20 ÷ 30) 103/ Iсв   ( м/час)                 (5.6 ) 

При этом следует иметь в виду, что при автоматической сварке скорость сварки не должна выходить за пределы 15-60м/час. Диаметр электродной проволоки может быть определен по формуле  (5.7) по установленной величине сварочного тока и допускаемой плотности тока j в электроде, которая при автоматической сварке изменяется в довольно  широких  пределах,  как можно видеть  из табл. 4.   

                                                      d Эл= 2√ Iсв/πj                                            (5.7)

                                        Iсв=π· dэл2/4·i,                                               (5.8)

где i – допускаемая плотность тока по табл.4.

Таблица 4

Или скорость сварки можно определить по формуле

Uсв=A/Iсв ,                                                           (5.9)

где А-коэффициент, назначается по табл. 6.

        Диаметр электродной проволоки назначается в зависимости от толщины свариваемого металла, согласно табл.5.

Таблица 5

     Значение коэффициента А при сварке под флюсом выбирают по табл.6.

Таблица 6

Зная величину сварочного тока и диаметр электродной проволоки, по кривым рис. 24 устанавливают оптимальное напряжение на дуге Uд и определяют коэффициент формы провара    при данном режиме сварки или

   Uд=20+0,05Iсв/ dэл0,5;                                        (5.10)

  Погонная энергия сварки

qn=8,64Iсв·Uд·hи /Vсв                                                (5.11)

где hи-эффективный к.п.д. процесса сварки под флюсом, принимается 0,9.

        Скорость подачи сварочной проволоки

Vnn=4·αн·Iсв/π dэл2 ρ,                                             (5.12)

где αн – коэффициент наплавки, г/Ач;(приложение 5)                                                   

После этого рассчитывают фактическую глубину провара по формуле (5.13) для малоуглеродистой стали при сварке стыкового бесскосного соединения и нулевом зазоре в стыке.

                                     h =0,0156√g/ ψпрVсв                                  (5.13)

Определив глубину провара h, по формуле , находят ширину шва b.

Теперь надо рассчитать коэффициент формы валика

Для этого  определяют площадь наплавки Fн по формуле

                              Fн= αн Iсв/100pVсв                                            (5.14)

при этом αн выбирается по рис.27,

а  p - удельный вес - для низкоуглеродистой  стали  7,8 г/см3

 Высота  валика определяется по формуле

                                   с = (1,35÷1,40) Fн/b                               (5.15)

    После этого находят коэффициент формы валика  

Значение коэффициента формы валика ψв должно быть в пределах от 7 до 10.  Значение ψв<6  даст высокие и узкие швы с резким переходом от основного металла к металлу шва. При этом концентрация напряжений в месте перехода от основного металла к шву может вызвать при знакопеременных нагрузках появление усталостных трещин. При ψв>12 швы получаются слишком широкие и низкие. В этом случае излишне расплавляется основной металл. Кроме того, вследствие колебаний уровня жидкого металла ванны могут возникать местные уменьшения сечения шва и на отдельных участках сечение шва может оказаться меньше сечения основного металла.

Если в результате расчета оказывается, что ψв<7, то необходимо делать разделку, чтобы убрать в нее излишнее количество наплавленного металла.

Одновременно следует иметь в виду, что при разделке глубина провара, определенная по формуле 5.13, изменится. Это следует учитывать при дальнейшем ходе расчета.

Как известно, согласно экспериментальным данным С.А. Островской, профиль провара при одном режиме сварки остается практически неизменным независимо от типа шва.  То есть - тип шва, зазоры или разделка влияют главным образом на соотношение долей основного и наплавленного металла, а контур провара во всех случаях практически одинаков (рис. 31).

Во всех случаях при неизменном режиме общая высота шва остается постоянной как при наплавке, так и при сварке в стык без разделки и с разделкой кромок, а также при сварке угловых швов:       Н =h +с =const                           (5.16)

Поэтому соотношения между основными размерами шва, определенные для сварки в стык без зазора, могут быть пересчитаны, если на этом же режиме сваривается соединение в стык с разделкой кромок или при наличии зазора.

Этот пересчет производится следующим образом. Зная h, b, с и Fн при сварке на данном режиме cтыкового шва без зазора и размеры разделки (глубину f и угол разделки α0 – см. рис. 17),  находят площадь разделки по формуле

 F= f2tg a/2  

Тогда   площадь   валика при разделке будет

                                                           Fв= Fн – Fр

Зная площадь валика Fв, можно найти высоту валика при разделке согласно формуле                                                с/ = (1.35 ÷ 1,4) F/b

Имея в виду, что Н = const [см. формулу (5.16)], можно определить и фактическую глубину провара при разделке:

                                                         h/ = Н - с/                                (5.17)

Если размеры разделки не заданы, а при сварке в стык без разделки ψв<7, то производится расчет размеров разделки в следующем порядке:

Задаются желаемой величиной коэффициента формы валика ψв' (в пределах 7-10) и, полагая, что ширина шва при разделке остается практически неизменной, определяют площадь валика Fв  по формуле

Fв =(1/1,35 ÷ 1/1,4) b с/ = (0,74 ÷ 0,715) b2 с/ /b = (0,74÷0,715) b2/ψв    (5.18)

Тогда необходимая площадь и глубина разделки определятся как:

                                           Fр= Fн – Fв                                                                                               (5.19)

                                           f =√ Fр/ tg a/2  

где   α  — угол разделки, который обычно принимают  равным 50 - 60°.

Определив таким образом режим сварки с первой стороны и основные размеры получающейся при этом части шва, в соответствии с формулой (5.3) назначают глубину провара для сварки со второй стороны.

Затем производят расчет режима сварки и основных размеров сечения шва, как было показано выше.

С целью расширения диапазона толщин, свариваемых в стык без скоса кромок, сборку под сварку в некоторых случаях производят с заранее заданным зазором в стыке (рис. 32).

При этом часть наплавленного металла размещается в зазоре, высота валика уменьшается, а глубина провара увеличивается.

При определении глубины провара при сварке стыковых  соединений с заранее заданным зазором сначала находят глубину провара, ширину шва, высоту валика и общую высоту шва, которые имели бы место при сварке на этом режиме стыкового соединения без зазора.

Затем определяют высоту валика с' с учетом размещения части наплавленного металла в зазоре (рис. 32).

В этом случае общая площадь наплавленного металла

                                   Fн = Н·а ÷ 0,73 с/  b - с/а

Отсюда                         с/= (Fн - Н·а)/ ( 0,73   b – а)                              (5.20)

Определив с', в соответствии с формулой (5.21) находят h'. 

                                     h/ = Н - с/                                                         (5.21)

Расчет режима сварки завершен.

Выполняется эскиз подготовки кромок, эскиз выполненного шва и таблица полученных результатов.

6.1            Расчёт параметров режима сварки угловых швов

механизированными способами

Угловой шов можно рассматривать как стыковой с углом разделки 90˚.

Диаметр сварочной проволоки выбирается в зависимости от катетов или толщины свариваемых деталей по табл.7.

Выбор диаметра электрода при положении углового соединения в “лодочку”,        (в нижнем положении).

Таблица 7

Плотность i тока выбирается в зависимости от диаметра применяемой проволоки по табл.8.

Таблица 8

Iсв=π dэл2/4·i;

Uд=20+0,05·Iсв/ dэл0,5 ;                                      (6.1)

Vсв=A/Iсв .                                                          (6.2)

Для определения коэффициента А можно пользоваться табл.6.

Критический ток определяется из уравнения

Iкр=I0+m·Vсв ,                                                     (6.3)

где I0 – условный критический ток при нулевой скорости сварки , А;

      m – коэффициент, Ач/м.

         Для сварки под флюсом I0=350 А.

        Коэффициент  m назначают в зависимости от dэл и способа сварки (табл.9).

        Для получения заданной поверхности углового шва корректируют скорость сварки и величину тока на основании зависимостей:

Iсв=Iкр – шов с плоской поверхностью;

Iсв>Iкр – шов с выпуклой поверхностью;

Iсв<Iкр – шов с вогнутой поверхностью.

        При определении погонной энергии qn по формуле (5.11) рекомендуется использовать значение ηи=0,85 (при механизированной сварке).

        Скорость подачи электродной проволоки определяется по формуле

Vп.п=4·αн·Iсв/π·d2эл· ρ ,                                     (6.4)

где  ρ – плотность основного металла – 7,8г/см3 ;

      αн – коэффициент наплавки 16 г/А·ч.

Таблица 9

Площадь внешней части поперечного сечения шва зависит от катета шва К

Fн=K2/2.                                             (6.5)

        Высота шва

H=d·K ,                                               (6.6)

где d – коэффициент.

        Глубина проплавления вертикального листа H равна

HI=в·K                                                (6.7)

        Коэффициенты d ,в определяются по табл. 10 в зависимости от dэл.

Таблица 10

  Ширина шва

в=ψпр·H.

7.  ОЦЕНКА  ГЕОМЕТРИИ  СВАРНОГО  ШВА

        Основными показателями, характеризующими формирование шва, являются коэффициент формы шва ψпр и коэффициент формы валика  ψв

ψпр= в/H                                                  (7.1)

где в ширина шва Н глубина проплавления.

Ψв =Fн/eh                                                  (7.2)

где g-величина технологического припуска (назначается по ГОСТу).

        Выражение (7.1) оценивает коэффициент формы шва, а (7.2) оценивает полноту валика для сварки без зазора и без разделки. Рекомендуется ψпр=1,6-2,5.

        Коэффициент ψпμ колеблется в пределах (0,67…0,75) и для большинства швов составляет 0,73. Отсюда (7.3)

h =Fн/0,73·в.                                              (7.3)

       После назначения режимов сварки можно оценить геометрию сварочного шва

                                                                H=0,156·√gn/ψпр Vсв.                                     (7.4)

По выражению (7.4) глубину проплавления можно оценить для односторонней сварки. Для двухсторонней сварки Η=0,6S:

в=ψпр·H;                                                   (7.5)

                       h =(100·Fн-h2·tgα)/0,73·в – шов с разделкой, но с нулевым зазором;

                       h =(100·Fн-H·b)/0,73·в – шов с разделкой и с зазором а.

Коэффициент формы провара определяются по формуле

ψпр=K'·(19-0,01·Iсв)·dэл·Uд/Iсв ,                                (7.6)

где К' – коэффициент, величина которого зависит от рода тока и полярности.

        При плотности тока i≥120 А/мм2 величина коэффициента К остаётся неизменной, постоянный ток обратной полярности К=1,12.

        При і<120 А/мм2 при сварке постоянным током обратной полярности

K'=0,367·i0,2.                                                           (7.7)

        При сварке постоянным током прямой полярности

K'=2,82/i0,2                                                              (7.8)

        При сварке переменным током во всех диапазонах К=1.

        Затем можно определить ширину шва

в=ψпр·H·10-2                                                              (7.9)

      Ширину шва,  зная площадь, можно определить  

                                                      в=Fпр/к0Н см,

к0-коэффициент заполнения =0,5…1

                            8.  РАСЧЁТНАЯ  ОЦЕНКА  ХИМСОСТАВА  ШВА

 И  СВОЙСТВА  ШВА  И  ЗТВ

Оптимизация технологического процесса сварки по химическому составу и по механическим характеристикам металла шва.

          При разработке технологического процесса сварки в зависимости от требований можно рассчитывать все или только отдельные промежуточные и выходные характеристики:

        а) температуру и скорость охлаждения металла и з.т.в., длительность его пребывания в опасном интервале температур (Тмах , wохл , tв);

        б) долевое участие основного металла в формировании шва, определяемое расчётом величин Fпр , Fн и коэффициентами γ, п;

        в) химический состав металла шва для всех легирующих элементов;

        г) механические свойства металла шва: предел прочности σвш, предел текучести σтш, относительное удлинение δш, относительное поперечное сужение ψш, ударную вязкость aкш.

        Расчёты по пунктам а и б обычно выполняют для всех сталей. Для конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей имеются приближённые формулы для расчётов по пункту г. Для закаливающихся можно выполнять расчёты по пунктам а – г, кроме того, с помощью термокинетических или изотермических диаграмм распада аустенита, оценить ожидаемую структуру металла шва и з.т.в., возможность возникновения закалочных структур и трещин.

        С увеличением скорости охлаждения металла шва, вместо сравнительно мягких равновесных структур ферритно-перлитной стали, происходит образование неравновесных, мелкозернистых структур сорбита, бейнита и троостита, что приводит к заметному повышению прочности и уменьшению пластичности металла шва. Аналогичное явление проходит в сталях, которые с целью повышения их прочности, подвергаются процессу термического упрочнения стали (рис.2).

Рис. 2. Диаграмма изотермического превращения  аустенита  углеродистой стали

        Механические свойства для конструкционных сталей оценивают с помощью безразмерных коэффициентов согласно рис.3.

Рис. 3. График для определения безразмерных коэффициентов

        Из рис.3. видно, что значения коэффициента связано со скоростью остывания металла шва.

        Зная скорость охлаждения для заданного режима сварки, определяют безразмерные коэффициенты и механические свойства металла шва по выражениям:

                                   σвш=φ(σ)·σво;

                                    σтш=φ(σг)·σто;

                                      ψш=φ(ψ)·σо;                                                         (8.1)

                                   ΗΒш=φ(σо)·ΗΒо;

                                        δш=0,43ψш.

        Некоторые авторы  для конструкционных сталей рекомендуют использовать эмпирические зависимости:

σвш= 4,8 + 50C + 25,2Mn + 17,5Si + 23,9Cr + 7,7Ni + 8W + 70Ti + 17,6Cu + 2,9Al + 16,8Mo,  кг/мм2                                                              (8.3)

        Для относительного удлинения шва в % :

δш= 50,4 – (21,8C + 15Mn + 4,9Si + 5,8Cr + 2,4Ni + 2,2W + 6,6Ti + 6,2Cu) + 17,1Al + 2,7Mo,                                                             (8.4)

        Для ударной вязкости шва при Т=293К, кГс  м/см

aнш= 23,3 – (25,7C + 6,4Mn + 8,4Si + 2,4Cr + 1,6Ni + 0,5W + 15,4Ti + 4Cu + 18Al + 1,4Mo),                                                        (8.5)

        Для предела текучести шва

σтш=0,73σвш                                                    (8.6)

ΗΒ=3,16σв , гк/мм2

(ωахл=3˚С/с).

        Для относительного поперечного сужения

Ψ=2,32δш.

        В этих формулах значение каждого компонента принято в %. Формулы (8.3) и (8.6) справедливы при условии, что концентрация указанных элементов лежит в пределах:

C    ≤   0,3%;      Si    ≤   1,0%;     Мn   ≤    2,5%;      Cr   ≤   3,0%;       Ni    ≤   3,0%;

Mo  ≤   1,0%;     Cu   ≤   3,0%;      Al    ≤   0,75%;      Ti   ≤  0,35%;      W    ≤   2,0%.

Формулы справедливы для случая, когда скорость охлаждения металла не более 30С/с. Если расчетные механические характеристики шва ниже характеристик основного металла, следует увеличить высоту шва (при σтш < σтом), изменить режим сварки или заменить сварочные материалы.

Суммарное содержание всех легирующих элементов не превышает 5% и скорость охлаждения металла шва не превышает 2 С/с (т.е. отсутствует эффект закалки).

Химический состав металла шва влияет, прежде всего, на его структуру и механические свойства, от него зависят технологическая и эксплуатационная прочность шва. Химический состав металла шва определяется составом основного и электродного металла и долей их участия в металле шва, а значит способом и режимом сварки.

Поэтому при оценке режима сварки по структурным критериям может возникнуть необходимость его корректировки.

    Состав металла шва в пределах одного слоя является полностью однородным. Поэтому в расчётах химсостава слоя или шва учитывается доля участия основного металла шва

[X]ш = [X]ом γ + [X]э(1- γ) + ΔΧ‚                             (8.7)

где [Х]шва – содержание элемента в шве или проходе, %;

      [X]оме – содержание элемента в основном металле, %;

      [X]э – содержание элемента в присадке;

       ΔΧ-  изменение содержания элемента в процессе сварки (см. приложение 7,

 таблица 2)

          γ – доля участия основного металла в металле шва;

          п – доля участия присадочного металла в металле шва;

γ=Fпр/(Fпр+Fн)=Fпр/Fш;                                    (8.8)

п=Fн/(Fн+Fпр)=Fн/Fш‚                                       (8.9)

где Fн – площадь наплавки;

      Fпр – площадь проплавления;

      Fшва – общая площадь шва.

              доля участия может быть определена по графикам (рис5) и таблице (см. приложение 7,

               таблица 1)

     1   2     3    4    5    6     7  8   9   10  11  12  13 14 15 16  Номер   слоя

б)

                      2О     40      60        80      Vм/ч Скорость с&арки

Рис. 5.

Доля участия основного металла в шве при ручной (а) и

автоматической сварке (б).

1,2 - стыковой шов без разделки кромок при] = 70-100 А/мм2

и при] = 40-50 А/мм2 соответственно ;

3,4 - шов таврового соединения при] = 70-100 и] = 40-50 А/мм2

соответственно.

 При расчете состава металла следующего валика необходимо учитывать долю участия основного металла и предыдущего валика. Содержание элемента в металле (п-го шва):

       Xn = Хом  γ o + Хn-1 γ n-1+ Xэ (1 - γ 0 – γ n-1) ± ΔХ                               (8.10)

          Поскольку в наиболее неблагоприятных условиях находится именно корневой проход (при многопроходной сварке), обычно ограничиваются расчетом его химического состава.

Если свариваются разнородные стали одного структурного класса, доля участия каждой из них составляет γо1 = γо2 = 0,5 γо.

Если свариваются стали перлитного и аустенитного класса, то

   γоА = 0,6 γ0;       γоп = 0,4 γо Тогда содержание элемента в металле шва рассчитывается по выражению:

                  Хш = ХомА • γоА + Хомп■ γп + (1 - γ n-1) Xэ ± ΔХ    (8.11)

              Полученный состав по условиям сопротивляемости горячим трещинам и эксплуатационной ударной вязкости должен содержать определенное количество легирующих элементов.

Технологическая прочность металла аустенитного шва (сопротивляемость горячим трещинам) обеспечивается при содержании в структуре не менее 2% ферритной фазы. Если изделие эксплуатируется при Т = 375°С, количество ферритной фазы допускается не более 8% (иначе происходит охрупчивание). В остальных случаях допускается до 20%.

Количество структурных составляющих в металле определяется по диаграмме Шеффлера (рис 6). Для этого предварительно подсчитывается эквиваленты хрома и никеля (%):

Сч экв=Сч+Мо+1,5Si+0,5Nb+V+3,5Ti

Niэкв=Ni+30C+0,5Mn.

Если химический состав или структура металла шва не удовлетворяют установленным требованиям, необходимо выбрать другие сварочные материалы или изменить режим сварки (долю участия основного металла γо).

Niэкв.%

4      8       /2    Г6    20   24      28   32    36   ,Сч экв,%

                                                                             Рис. 6. Диаграмма Шеффлера

9. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА СВАРКИ ПО СТРУКТУРНЫМ КРИТЕРИЯМ

9.1. Низкоуглеродистые стали.

Механические свойства металла шва при сварке низкоуглеродистых сталей зависят только от скорости остывания и пластических деформаций металла шва в процессе его остывания.

Фактическая   мгновенная  скорость  охлаждения   (°С/с)  рассчитывается  по формулам Н.Н.Рыкалина для температуры наименьшей устойчивости аустенита (для низкоуглеродистых сталей Тт= 500 °С).

 при наплавке на массивное изделие:

                        W0=2pl(Тм-Т0)2/ gп                                                                        (9.1)               

при сварке листов встык со сквозным проплавлением

                       W0=2plcp (Тм-Т0)3/ ( gп/d )2                                                      (9.2)            

при двусторонней сварке для каждого прохода

                          W0= w2pl(Тм-Т0)2/ gп                                                                  (9.3)

Безразмерный критерий процесса w=¦(1/q) определяется по рис.7.

                    1/q=2  gп /  pcp  d 2(Тм-Т0)                                  (9.4)         

Скорость охлаждения 1-го (корневого) слоя при сварке в глубокую разделку вычисляется по формуле (9.3). При этом в формулы (9.3) и (9.4) подставляется

g ппр= gп  180/180-a; и dпр=d•к2, где: a- угол разделки: к2 = 1.5 - для стыкового шва,

к2 = 1 - для углового.

Предел прочности, предел текучести, твердость по Бринеллю и относительное сужение металла рассчитывается по формулам:

                                                sьш=¦(sь)sьом

                                                sтш=¦(sт)sтом

                                               yш=¦(y)yом

                                                НВш=¦(sь)НВом

коэффициенты, ¦(sь );¦(sт); ¦(y) определяемые по рис.3.                                                       

                   9.2. Низколегированные стали.

При расчете механических характеристик металла шва для низколегированных сталей, имеющих значение эквивалента углерода, определяемое по формуле (2.4), С, > 0,21, также необходимо учитывать влияние эффекта закалки, если скорость охлаждения металла шва более 3°С/с. В этом случае механические характеристики, определенные по формулам (4.7) - (4.11), необходимо умножить на коэффициенты, определяемые по графикам на рис. .

                             9.3   Закаливающиеся стали

  К ним относятся стали, содержащие более 0,25%С, а также стали, имеющие эквивалент углерода С> 0,45%.

При повышенном содержании углерода и других легирующих элементов мартенсит обладает повышенной хрупкостью, и именно его образование определяет склонность стали к холодным трещинам.

Существует несколько способов расчетной оценки возможности закалки на мартенсит и определения оптимальных условий сварки.

Использование диаграмм термокинетического распада аустенита (приближенная оценка). На термокинетическую диаграмму наносится расчетная кривая скорости охлаждения при сварке на выбранных режимах, полученная расчетом значений мгновенной скорости охлаждения при различных значениях температуры, и устанавливается вероятная структура и твердость металла. Термокинетические диаграммы некоторых сталей приведены в работе/7/.

Использование диаграмм изотермического распада аустенита. Для получения в околошовной зоне металла, в котором будут отсутствовать закалочные структуры, необходимо, чтобы средняя скорость охлаждения в интервале температур от T1 до (Тm - 55) не превышала предельного значения:

                                  Wкр= T1 - (Тm - 55)/ 3t min                 (9.5)

 где: T1 - температура, соответствующая точке Ас на диаграмме

Fe - С;

Тm, tmin - соответственно температура минимальной устойчивости аустенита, °С, и минимальная продолжительность полного изотермического распада аустенита, с.

Использование результатов стандартных испытаний. При сварке некоторых сталей скорость охлаждения должна находиться в некотором интервале, чтобы не только исключить закалку, но и не допустить роста зерна, то есть должно быть выполнено условие:

                                                 W0min < Wo < W0min                (9.6)

В этом случае расчетное значение скорости охлаждения, полученное по формулам (8.1) - (8.3), сравнивается с допускаемыми значениями (приложение 8).

Если W0 < Wmm, следует погонную энергию дуги уменьшить.

Если W0 > Wmax, следует ввести подогрев. Температуру подогрева То можно определить из формул (8.1) - (8.3), подставляется в них W0 = Wmax.

Ориентировочно Т0 вычисляется по методике Сефериана, учитывающей химический состав стали и ее толщину

Т0 = 35оУс,-0,25                                                        (9.7)

Сэ = Сх (1 +0,005d),

где d - толщина металла, мм.

Здесь эквивалент углерода вычисляется по формуле:

Сх = С + (Мп + С,) /9 + Ni/18 + Mo/1

   Полученная температура подогрева должна быть проверена по формулам

 (5.1) - (5.3) и при необходимости откорректирована.

                                       9.4. Высокопрочные стали (С < 0.2° о).

При содержании С < 0.2% образуется так называемый дислокационный мартенсит, обладающий высокой пластичностью. Поэтому склонность к холодным трещинам определяется не только образованием мартенсита (допускается в составе структуры до 30%), сколько содержанием водорода.

По рекомендации /4/ значения критических скоростей охлаждения вычисляется по формулам:

Womin = x ехр [5.637 - 8.723 (Рсм + Н/60)]                    (9.8)

Womin = -3.1 + 19.2 Рсм,                                                  (9.9)

где Рсм - показатель, учитывающий влияние химического состава стали:

               Рсм = С+Мn/20 + Сr/20 + Си/20 +Si /30+Ni/60+Mo/15 + V/10    (9.10)

Н - содержание водорода в металле шва, см3/100 г мет.

x=1-0.24(d/dк-1 )-0,12 ((d/dк-1)2             при d > dк

x= 1 при d < dк

 Критическая толщина равна (мм):

dк = 6,3+ 155(Рсм + Н/60)

Фактическая скорость охлаждения, вычисленная по формулам (9.3) - (9.5), сравнивается с критическими. При W0 < W0min следует уменьшить погонную энергию дуги. При W0 > W0max - ввести подогрев.

Температуру подогрева рекомендуется вычислять по выражению:

То = 350 {1 - ехр [-5 (Рс - 0,27)]}                              (9.11)

Где           Рс= Рсм+Н/60+d/600                                               (9.12)

11.                        ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПО КРИТЕРИЮ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА СОЕДИНЕНИЯ

Вследствие нагрева при сварке нержавеющей стали происходят структурные изменения, вызывающие межкрисаллитную коррозию. Коррозионная стойкость минимальна в интервале температур 680-780°С и зав сит от времени пребывания металла в этом интервале.

Установлено, что для сохранения стойкости металла шва и околошовной зоны против коррозии фактическое время пребывания металла при опасных температурах t,}, должно быть меньше критического tk-p. Существует следующая зависимость:

                                                        t кр >1,45å t Ф     (10.1)

или

                                                       t кр > К t ф, + К1 å t Ф  (10.2)

где' tф1 - время пребывания при "опасных" температурах определяемого слоя, с;

åtф - суммарное время воздействия всех следующих слоев;

К и K1 - поправочные коэффициенты, равные соответственно 2,1 и 1,74.

Время пребывания металла в опасном интервале температур можно вычислить по формуле:            

                                           tф= (780-680)/ Wcp                                                                                                                     

Wcp - среднее значение скорости охлаждения в интервале температур 680-780° или при температуре 730°, вычисляется по формулам (8.3), (8.4)

 или (8.5)(Тm = 730°).

Критическое время определяется из графика (рис.78/5/). В случае несоблюдения условия (9.1, 9.2) необходимо уменьшить значение погонной энергии.

11. ОБОРУДОВАНИЕ  ДЛЯ  РАЗЛИЧНЫХ  СПОСОБОВ  СВАРКИ

        Для компоновки рабочего места при РДС или механизированной сварке необходимо иметь источник питания, который назначается исходя из параметров режима, получаемых по расчёту.

        При РДС основные элементы: сварочный кабель, электродержатели, маски назначаются по ГОС 14651 – 69, ГОСТ 1361 – 69. Светофильтры марки Э также применяются в зависимости от силы сварочного тока (ГОСТ 9497 – 60).

        Оборудование для механизированной и автоматической сварки в защитных газах и под флюсом назначается согласно рекомендациям в литературе /5/.

    10.РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДОГРЕВУ И ТЕРМООБРАБОТКЕ

ПОСЛЕ СВАРКИ

В отдельных случаях при больших значениях углерода требуется подогрев перед сваркой (табл.12).

Таблица 12

 Если в результате сварки складываются неблагоприятные структуры, то необходимо после сварки термообработка по определённому режиму (табл.13).

Таблица 13

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

Ориентировочные режимы сварки

Стыковые швы

                                               Однопроходная                Многопроходная       Примечание:

                                                                                                                                                                                                                                                n – число проходов.

                                                          Многопроходной

Угловые швы

                                                       Однопроходные                              Многопроходные

                                                           Многопроходной

Определение величины сварочного тока Iсв: Iсв=50 dэ

Примечание: прихватку выполняют электродом dэ =4мм.

Примечание: 1. При сварке проволокой диаметром 1,4мм вылет электрода lэ=10 – 15мм; для    диаметра dэ=2,0 lэ=20 – 25мм, соответственно.

                       2. Расход углекислого газа Q=1000 – 1200л/ч.

                            3. Прихваточные швы выполняются диаметром проволоки dэ=1,4мм за один    проход для соответствующей толщины (катета)

*    Режимы сварки угловых швов при горизонтальном положении стенки.

**  При сварке в положении "в лодочку".

Таблица 2

Сварочное оборудование

Примечание: 1.  Технические характеристики сварочного оборудования должны соответствовать значениям параметров режима сварки.

2.  Механизированную дуговую сварку в углекислом газе необходимо выполнять на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде).

3.  Ручная дуговая сварка выполняется на переменном токе, что экономически  выгоднее, чем на постоянном токе. Постоянный ток применяется, если это необходимо по технологическим условиям на марку электрода (см.табл.7).

 4.  Автоматическую дуговую сварку под флюсом для конструкций группы 1 предпочтительно выполнять на постоянном токе обратной полярности.

Таблица 3

Сварочные материалы для сварки металлических конструкций

Примечание: 1.  Марки электродов для ручной сварки позволяют выполнять швы в любом  пространственном положении.

                       2.  Сварочные материалы для прихваток выбираются так же, как и для сварки   швов.

                            3.В методических указаниях рассматриваются стыковые и угловые швы.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Юрьев В.П.  Справочное пособие по нормированию материалов и электроэнергии для сварочной техники. – М.: Машиностроение, 1972. – 186с.

2.     Технология и оборудование сварки плавления /Под ред. Н.А.Никифорова. – М.: Машиностроение, 1986. – 216с.

3.     Сварочные материалы для дуговой сварки: В 2 т./Под ред. Н.Н.Потапова. – М.: Машиностроение, 1989. – 540с.

4.     Сварка в машиностроении: Справочник: В 4 т/Под ред. Н.А.Николаева. – М.: Машиностроение, 1979. – 2018с.

5.     Акулов А.И. и др. Технология и оборудование сварки плавлением. – М.: Машиностроение, 1977. – 432с.

6.     Технология электрической сварки металлов и сплавов /Под ред. Б.Е.Патона. – М.: Машиностроение, 1974. – 756с.

7.  Акулов А.И. Сварка в машиностроении: Справочник: В 4 т/ М.: Машиностроение-   1978г.