ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При разработке технологического процесса сварки конструкции ли­бо изделия из определенного материала необходимо выбрать способ сварки, оборудование для сварки, сварочные материалы, конструктивный тип соединения и элементы подготовки кромок, режимы сварки, методы и нормы контроля качества сварных швов, предусмотреть мероприятия по предупреждению или уменьшению сварочных деформаций.

К технологическим расчетам, необходимым непосредственно для разработки технологии дуговой сварки плавлением, относятся расчеты, связанные с оценкой ожидаемого химического состава и механических свойств сварного шва и соединения в целом.

Выбор способа сварки определяется характером производства (еди­ничное, серийное и др.), толщиной свариваемого материала, протяженно­стью шва и пространственным положением его выполнения, требуемыми свойствами сварного соединения. При этом учитывается наличие соот­ветствующего оборудования.

Сварочные материалы выбираются в зависимости от способа сварки, химического состава свариваемого металла, требований к свойствам сварного соединения. Немаловажными являются также сопутствующие и послесварочные операции (подогрев, термообработка и др.).

Элементы подготовки кромок и геометрия сварного шва (в том чис­ле и площадь наплавленного металла F_н) задаются соответствующими ГОСТами или ТУ, в зависимости от способа сварки, толщины сваривае­мого металла, пространственного положения сварки, конструкции свар­ного соединения. В некоторых случаях, при сварке специальных изделий, геометрия сварного шва выбирается конструктором или технологом.

Наиболее важным элементом разработки технологического процесса сварки является определение режимов и техники сварки (сварочный ток и напряжение, скорость сварки, длина швов и последовательность их на­ложения и др.). Эти параметры оказывают существенное влияние на

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

свойства сварного соединения: металла шва и зоны термического влия­ния (ЗТВ). Механические и другие свойства сварного соединения (метал­ла шва и ЗТВ) могут значительно различаться, так как они зависят от хи­мического состава, структуры металла и погонной энергии сварки. Хи­мический состав основного металла в ЗТВ известен и значительного его изменения в процессе сварки не происходит (только диффузионные про­цессы). Состав металла шва зависит от состава основного металла и сва­рочных материалов (доли участия основного и электродного металлов γ₀ и γ_н см. гл. 2), металлургических взаимодействий в сварочной ванне на стадии расплавления присадочного материала и в дуговом промежутке. Все эти данные рассчитать теоретически в настоящее время мы не можем ввиду сложности процессов, происходящих в сварочной ванне. Проплав-ление основного металла при дуговых способах сварки происходит за счет теплопередачи от плазменного потока дуги (прежде всего в голов­ной части сварочной ванны), а при работе плавящимся электродом и за счет тепла, приносимого в сварочную ванну расплавленным электродным металлом. Кроме того, проплавление основного металла осуществляется и теплопередачей на границе расплавленный металл - твердый металл. Тепловой поток в сварочной ванне определяется перемещением потока расплавленного металла. При теоретических расчетах необходимо знать все эти взаимодействия. Но несмотря на большое количество научных работ, посвященных этим вопросам, они не решены.

Приводимые в некоторых литературных источниках методы расчет-но-экспериментального определения режимов сварки основаны на изуче­нии уже готовых сварных соединений (определение F_н и F_пр, γ₀ и γ_н). Для определения химического состава шва нужно также учесть металлурги­ческие процессы (легирование или угар тех или иных элементов). В ли­тературе они приводятся в общем виде, на практике же могут значитель­но различаться. Таким образом, имея экспериментальный шов, проще и точнее можно провести химический анализ металла. При этом, зная хи­мический состав металла шва и термический цикл сварки, можно судить о его механических и других свойствах, а с учетом теплового цикла в ЗТВ и о свойствах сварного соединения в целом. Структура металла и его свойства определяются с помощью термокинетических и изотермических диаграмм распада аустенита. Для высоколегированных, хромоникелевых и аустенитных сталей фазовый состав металла можно приблизительно определить по диаграмме Шеффлера. Более подробные сведения приво-

242 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ

дятся ниже при рассмотрении технологии сварки тех или иных групп металлов. Учитывая вышесказанное можно отметить, что выбор пара­метров режима сварки и сварочных материалов производится по литера­турным данным (таблицам, номограммам и др.). При необходимости па­раметры режима сварки корректируются с целью получения требуемых свойств сварного соединения. Основная задача, возникающая при выборе параметров режимов сварки сводится к определению такого их сочета­ния, при котором обеспечиваются требуемые свойства сварных соедине­ний при максимальной производительности и минимальной стоимости процесса. Простейшие приемы выбора некоторых параметров сварки рассматриваются ниже.

Ручная дуговая сварка покрытыми электродами. Учитывая тре­бования к свойствам сварного соединения, выбирается тип электрода, затем (см. гл. 2) по справочным данным или паспорту на электроды, где приводятся их технологические и другие показатели, с учетом условий выполнения сварки и имеющихся источников сварочного тока выбирает­ся марка электрода. Часто выбор марки электродов производится сразу по их паспортным данным. В паспорте на электроды приводятся сведе­ния о их назначении, типичные химический состав и механические свой­ства металла шва, технологические особенности сварки, рекомендуемые род и сила сварочного тока, производительность наплавки, расход элек­тродов и др. Следует помнить, что химический состав металла шва по его длине изменяется. Это связано с нагревом электрода по мере его рас­плавления, а значит с изменением скорости его расплавления, т.е. изме­няется γ_o- Геометрические размеры швов задаются по соответствующим ГОСТ или ТУ. Точность их исполнения зависит от квалификации свар­щика и проверяется специальным шаблоном. При сварке многопроход­ных швов стыковых соединений первые проход (корневой) должен вы­полняться электродами диаметром 3 ... 4 мм для удобства провара корня шва. Следует иметь ввиду, что максимальная площадь поперечного сече­ния металла шва, наплавленного за один проход 30 ... 40 мм². При сварке угловых швов, за один проход, рекомендуется выполнять швы с катетом 8 ... 9 мм. При необходимости выполнения швов с большим катетом применяется сварка за два прохода и более.

Дуговая сварка в защитных газах. Состав защитного газа, марка и диаметр сварочной проволоки, основные параметры режима полуавтома­тической и автоматической сварки выбираются по справочным данным, с

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 243

учетом технологических рекомендаций (см. технологию сварки различ­ных групп металлов). При полуавтоматической сварке геометрические размеры шва зависят от квалификации сварщика и химический состав ме­талла шва по его длине изменяется. При автоматической сварке параметры шва более стабильны. Условия сварки многопроходных стыковых и угло­вых швов такие же, как при ручной сварке покрытыми электродами.

Автоматическая сварка под слоем флюса. Выбор параметров ре­жима сварки производится так же, как при сварке в защитных газах. Од­нако, учитывая, что при сварке под флюсом потери электродного металла на угар и разбрызгивание не превышают 5 %, должно выполняться соот­ношение F_элV_под ≥F_нv_св.

Однако и в этом случае нужно знать зависимость скорости подачи электрода vnoa от сварочного тока и других параметров режима (вылет электрода, напряжение дуги см. гл. 3). Зная значение F_эл и F_н (по ГОСТу или чертежу), можно уточнить

5.2. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОЖИДАЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛА ШВА

Прочность и работоспособность сварного соединения зависят от его формы и соотношения механических свойств металла шва, околошовной зоны (обычно зоны термического влияния) и основного металла.

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необхо­димо учитывать действие следующих технологических факторов:

- долю участия основного металла в формировании шва и его хими­ческий состав;

- тип и химический состав сварочных материалов;

- метод и режим сварки;

- тип соединения и число проходов в сварном шве;

- размеры сварного соединения;

- пластические деформации растяжения в металле шва при его ос­тывании.

Влияние химических элементов, входящих в основной металл, мо­жет быть значительным. Не учитывать этого нельзя. Роль химического

244 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ

состава сварочных материалов также очевидна, так как их подбором можно регулировать химический состав и механические свойства метал­ла шва в самых широких пределах.

Метод сварки определяет тип защиты, ее химическую активность, а режим сварки изменяет долю основного металла и объем жидкого флюса, участвующих в химических реакциях, что, естественно, влияет на хими­ческий состав металла шва и его свойства.

Тип соединения и число проходов влияют на химический состав ме­талла шва, так как они определяют долю участия сварочных материалов в формировании шва и характер химико-металлургических процессов в зоне сварки.

Размеры сварного соединения влияют на характер температурного поля и термического цикла, определяя также существенные для форми­рования механических свойств металла шва характеристики: наиболь­шую температуру нагрева T_max, длительность выдержки металла в интер­вале температур выше критических tB и скорость его охлаждения w_охл.

Пластические деформации растяжения влияют в основном только на предел текучести металла шва, повышая отношение σ_т.ш / σ_в.ш до значе­ний 0,75 ... 0,8 вместо обычных для прокатной стали - 0,65 ... 0,7.

В связи с этим недостаточно выбирать режим сварки и наплавки только по показателям сплошности металла шва, правильного формиро­вания, отсутствия дефектов, устойчивости и производительности процес­са. Необходимо выбирать такие режимы, которые, обеспечивая выполне­ние указанных выше требований, способствовали бы также получению благоприятных структур и механических свойств металла шва и ЗТВ.

На основании изучения всех факторов, влияющих на механические свойства металла шва, разработаны приближенные способы оценки ожи­даемых механических свойств, многократная проверка которых показала, что расчетные характеристики металла шва отличаются от эксперимен­тальных на ±10 ... 15 %.

При сварке низкоуглеродистых сталей обычными методами химиче­ский состав металла шва, характеризуемый эквивалентным содержанием углерода Сэш, незначительно отличается от химического состава основ­ного металла, характеризуемого также эквивалентным содержанием уг­лерода С_эо. Для этих сталей С_э.о = 0,21 ... 0,35 % и С_эш = 0,20 ... 0,30 %. Механические свойства металла шва зависят в основном от скорости его охлаждения и пластических деформаций растяжения, возникающих в металле шва при его остывании.

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ 245

Существенное влияние скорости охлаждения металла шва на его механические свойства связано с известными в металловедении особен­ностями распада переохлажденного аустенита, с образованием вместо равновесного перлита (содержащего 0,83 % С) псевдоэвтектоида, имею­щего неравновесный состав и более мелкую структуру. Кроме того, наря­ду с уменьшением количества углерода в псевдоэвтектоиде феррит обо­гащается углеродом, становится также неравновесным и изменяет свои свойства. Измельчаются зерна псевдоэвтектоида и феррита.

Таким образом, с увеличением скорости охлаждения металла шва вместо сравнительно мягких равновесных структур ферритно-перлитной стали происходит образование неравновесных, мелкодисперсных струк­тур сорбита, троостита и бейнита, что приводит к заметному повышению прочности и уменьшению пластичности металла шва. Аналогичное явле­ние происходит в сталях, которые с целью повышения их прочности под­вергаются процессу так называемого термического упрочнения.

Используя график, приведенный на рис. 5.1, на котором показано изменение безразмерных коэффициентов, влияющих на характеристики металла шва ƒ(НВ),ƒ(σ_в),ƒ(σ_т) и ƒ(ψ) в зависимости от скорости остыва­ния шва можно рассчитать ожидаемые характеристики металла шва. Зная механические свойства основного металла и режим сварки, рассчитыва-

Рис. 5.1. Изменение относительных характеристик механических свойств металла шва в зависимости от скорости его охлаждения

246 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ

ют скорость охлаждения w_охл; по графику определяют соответствующие безразмерные коэффициенты и затем ожидаемые механические свойства металла шва по формулам:

где ав ш, отш, ч/ш, НВШ - соответственно предел прочности, предел теку­чести, относительное поперечное сужение и твердость металла шва; Оно, сгто, ц/0, НВО - соответствующие характеристики основного свари­ваемого металла.

Для легированных сталей необходимо учитывать более точно хими­ческий состав металла шва (рис. 5.2). При изучении комплексного леги­рования металла шва с пределом легирования:

установлено, что для данного диапазона легирования изменение механи­ческих свойств металла шва пропорционально концентрации легирую­щих элементов и что при комплексном их легировании действие всех элементов подчиняется закону аддитивности.

Экспериментальное определение механических характеристик ме­талла швов позволило установить коэффициенты влияния каждого эле­мента и составить эмпирические уравнения для расчета ожидаемых ме­ханических характеристик металла сварных низколегированных швов в следующем виде:

для предела прочности шва, МПа

для относительного удлинения шва, %

для ударной вязкости шва при T=20 °C, Дж/см²

РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Содержание легирующего элемента ° Содержание легирующего элемента'

Рис. 5.2. Влияние

легирующих элементов

на свойства стали

для предела текучести шва

для относительного поперечного сужения

В приведенных формулах значение каждого компонента принято в процентах. Формулы справедливы при условии, что концентрация от-

248 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ДУГОВОЙ СВАРКИ

дельных элементов находится в указанных выше пределах, суммарное содержание всех легирующих элементов не превышает 5 % и скорость охлаждения металла шва не превышает 2 °С/с (т.е. отсутствует эффект закалки). При больших скоростях охлаждения необходимо учитывать эффект закалки, используя данные рис. 5.3, на котором эффект закалки в зависимости от скорости охлаждения приведен для двух эквивалентных содержаний углерода С_э = 0,26 и С_э = 0,57. Для промежуточных значений С_э рекомендуется пользоваться интерполяцией и определять w0XJ1. Экви­валентное содержание углерода в шве подсчитывают по формуле

где С, Мn, Сг, V, Мо и т.д. - процентное содержание легирующих эле­ментов в металле шва. Медь и фосфор учитывают только в том случае, если концентрация меди больше 0,5 %, а фосфора больше 0,05 %. Для определения химического состава металла шва можно воспользоваться правилом смешения.

Площадь наплавки можно рассчитать по формуле

Рис. 5.3. Коэффициенты, учитывающие влияние

скорости остывания низколегированного металла шва

на его механические свойства

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Рис. 5.4. Зависимость полного теплового кпд от скорости сварки и плотности тока в электроде (механизированная сварка под флюсом):

1 - 25 А/мм²; 2-30 А/мм²; 3-40 А/мм²; 4-80 А/мм²; 5- 160 А/мм²; б - 250 А/мм²

Полный тепловой кпд η_пр зависит главным образом от скорости сварки и плотности тока в электроде (рис. 5.4).

Все полученные расчетные данные следует уточнять при сварке опытных образцов.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит выбор способа сварки и сварочных материалов?

2. Влияние параметров режима на свойства сварных соединений.

3. Приемы выбора параметров режима сварки покрытыми электро­дами, в защитных газах, под флюсом.

4. Факторы учитываемые при оценке ожидаемых свойств металла шва.

Г л а в а 6