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

К, мм
dэл , мм	2 – 3 – 4	2 – 4 – 5	2 – 4 – 5	2 – 4 – 5

 

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

Таблица 8

dэл, мм
i, А/мм2

I_св=π d_эл²/4·i;

U_д=20+0,05·I_св/ dэл^0,5 ; (6.1)

V_св=A/I_св .(6.2)

Для определения коэффициента А можно пользоваться табл.6.

Критический ток определяется из уравнения

I_кр=I₀+m·V_св , (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 d_эл и способа сварки (табл.9).

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

I_св=I_кр – шов с плоской поверхностью;

I_св>I_кр – шов с выпуклой поверхностью;

I_св<I_кр – шов с вогнутой поверхностью.

 

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

Скорость подачи электродной проволоки определяется по формуле

V_п.п=4·α_н·I_св/π·d²_эл· ρ , (6.4)

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

α_н – коэффициент наплавки 16 г/А·ч.

 

 

Таблица 9

dэл , мм	1,2	1,4	1,6		2,5				Способ сварки
Коэф.m, Ач/м		3,5	5,3	6,5	8,5	-	-	-	П/автоматическая сварка в среде СО2
	0,4		3,5	4,5	5,5	-	-	-	Автоматическая в СО2
	-	-	-						Автоматическая и п/автоматическая под флюсом в "лодочку"

 

Площадь внешней части поперечного сечения шва зависит от катета шва К

F_н=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 d_эл.

 

Таблица 10

dэл ,мм	Коэффициент
d	в
3 – 5 при Iсв=550 – 700 А 1,4 – 2,5 при Iсв=250 – 500 А 1 – 1,4 при Ісв=250 А	1,2 1,1 1,0	0,85 0,75 0,65

 

Ширина шва

в=ψ_пр·H.

 

ОЦЕНКА ГЕОМЕТРИИ СВАРНОГО ШВА

 

Основными показателями, характеризующими формирование шва, являются коэффициент формы шва ψ_пр и коэффициент формы валика ψ_в

ψ_пр= в/H (7.1)

где в ширина шва Н глубина проплавления.

Ψ_в =F_н/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 ψ_пр=1,6-2,5.

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

h =F_н/0,73·в. (7.3)

После назначения режимов сварки можно оценить геометрию сварочного шва

H=0,156·√g_n/ψ_пр V_св. (7.4)

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

в=ψ_пр·H; (7.5)

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

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

 

Коэффициент формы провара определяются по формуле

ψ_пр=K'·(19-0,01·I_св)·d_эл·U_д/I_св , (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·i^0,2. (7.7)

При сварке постоянным током прямой полярности

K'=2,82/i^0,2 (7.8)

При сварке переменным током во всех диапазонах К=1.

Затем можно определить ширину шва

в=ψ_пр·H·10^-2 (7.9)

Ширину шва, зная площадь, можно определить

в=F_пр/к₀Н см,

к₀-коэффициент заполнения =0,5…1

 

 

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 (Т_мах , w_охл , t_в);

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

в) химический состав металла шва для всех легирующих элементов;

г) механические свойства металла шва: предел прочности σ_вш, предел текучести σ_тш, относительное удлинение δ_ш, относительное поперечное сужение ψ_ш, ударную вязкость a_кш.

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:

σ_вш=φ(σ)·σ_во;

σ_тш=φ(σ_г)·σ_то;

ψ_ш=φ(ψ)·σ_о; (8.1)

ΗΒ_ш=φ(σ_о)·ΗΒ_о;

δ_ш=0,43ψ_ш.

Некоторые авторы для конструкционных сталей рекомендуют использовать эмпирические зависимости:

σ_вш= 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 % :

δ_ш= 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

a_нш= 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

σ_тш=0,73σ_вш (8.6)

ΗΒ=3,16σ_в , гк/мм²

(ω_ахл=3˚С/с).

Для относительного поперечного сужения

Ψ=2,32δ_ш.

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 σ_т^ш < σ_т^ом), 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=F_пр/(F_пр+F_н)=F_пр/F_ш; (8.8)

п=F_н/(F_н+F_пр)=F_н/F_ш‚ (8.9)

где F_н – площадь наплавки;

F_пр – площадь проплавления;

F_шва – 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):

X_n = Х_ом γ _o + Х_n-1 γ _n-1+ X_э (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 γ_о¹ = γ_о² = 0,5 γ_о.

Если свариваются стали перлитного и аустенитного класса, то

γ_о^А = 0,6 γ₀; γ_о^п = 0,4 γ_о Тогда содержание элемента в металле шва рассчитывается по выражению:

Х_ш = Хом^А • γо^А + Хом^п■ γ^п + (1 - γ _n-1) X_э ± 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 (%):

С_{ч экв}=С_ч+Мо+1,5Si+0,5Nb+V+3,5Ti

Ni_экв=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 γ_о).

 

 

Ni_экв.%

4 8 /2 Г6 20 24 28 32 36 ,С_{ч экв,%}

 

Рис. 6. Диаграмма Шеффлера

Рис. 7 Расчетный график для определения мгновенной скорости охлаждения. 1-полубесконечное тело 2- плоский слой 3 -пластина

 

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 Т_т= 500 °С).

при наплавке на массивное изделие:

W₀=2pl(Т_м-Т₀)²/ g_п (9.1)

при сварке листов встык со сквозным проплавлением

W₀=2plcp (Т_м-Т₀)³/ ( g_п/d )² (9.2)

при двусторонней сварке для каждого прохода

 

W₀= w2pl(Т_м-Т₀)²/ g_п (9.3)

 

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

1/q=2 g_п / pcp d ²(Т_м-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= g_п 180/180-a; и d_пр=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:

s_ь^ш=¦(s_ь)s_ь^ом

s_т^ш=¦(s_т)s_т^ом

y_ш=¦(y)y_ом

НВ_ш=¦(s_ь)НВ_ом

коэффициенты, ¦(s_ь );¦(s_т); ¦(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:

W_кр= T₁ - (Тm - 55)/ 3t _min(9.5)

где: T₁ - температура, соответствующая точке А_с 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:

W₀^min < Wo < W₀^min (9.6)

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

Если W₀ < W^mm, следует погонную энергию дуги уменьшить.

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

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

Т₀ = 35оУс,-0,25 (9.7)

С

С_э = С_х (1 +0,005d),

где d - толщина металла, мм.

Здесь эквивалент углерода вычисляется по формуле:

Сх = С + (М_п + 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:

Wo^min = x ехр [5.637 - 8.723 (Р_см + Н/60)] (9.8)

Wo^min = -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/d_к-1 )-0,12 ((d/d_к-1)² при d > d_к

x= 1 при d < dк

Критическая толщина равна (мм):

d_к = 6,3+ 155(Р_см + Н/60)

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

Температуру подогрева рекомендуется вычислять по выражению:

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

Где Р_с= Р_см+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 t_k-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' t_ф1 - время пребывания при "опасных" температурах определяемого слоя, с;

åt_ф- 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:

t_ф= (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.