Технологические основы сварки плавлением и давлением

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 F H , 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 F н учитываются разделка, которая характеризуется зазором а, притуплением с, углом скоса кромки и углом разделки , радиусом R, высота усиления h , ширина шва в. При назначении числа проходов учитывают, что корень шва необходимо проваривать на малых токах: F 1 =(6- 8)· d эл . где dэл – диаметр электрода (при наличии притупления диаметр электрода выбирают минимальным-3мм). Последующие проходы выполняют с большим поперечным сечением F n = (10 - 12)· d эл . Общее количество проходов можно найти так: n =( F н - F 1 )/ F n +1

Значения К у в зависимости от катета шва могут быть приняты по табл.2. Таблица 2

Напряжение на дуге колеблется в узком пределе (U д =28-32 В) или устанавливаются по паспортным данным на каждую марку электрода, или в зависимости от вида покрытия электродов: Основного типа U св =12+0,36· I св / d эл , Рутилового типа U св =12+1,7· I св / d эл Скорость сварки можно определить по выражению U св = н · I св / 3600· · F н (4.4) где н – коэффициент наплавки, г/А·ч; а) для постоянного тока обратной полярности н =(12+0,022/ d 1,5 эл ) (1- % / 100 ), где -коэффициент потерь при сварке под флюсом равен 1, при сварке в активных защитных газах = - 4,72 + 0,176 i – 0,445 10 -4 i 2 , б) для постоянного тока прямой полярности н =(6,3+ 0,07/ d эл 1,035 I св ) в) для переменного тока н = 0,2025( I св / d эл ) 0,6 Для электродов УОНИ-13 н = 8 г/ Ач , для электродов ЦМ н = 10 г/ Ач – удельный вес наплавленного металла, г/см 3 ; F н – площадь поперечного сечения наплавленного металла за данный проход, см 2 . Погонная энергия может быть определена по уравнению q n =0,24I св · U д h и / 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 q n = 145 F н , 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 работоспособ ность сварного соединения, являются: глубина про вара h , ширина шва , высота валика с (см. рисунок 17).

f f 0

Основными параметрами режима автоматической сварки под флюсом, оказывающими влияние на раз меры 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 уве личивается 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 сни жению 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 мощ ности 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 прово локи диаметром 4—5мм), несмотря на уменьшение погонной энер гии, вызывает некоторое возрастание глубины провара, вследствие того, что при этом уменьшается количество жидкого металла в основании столба дуги.

Поэтому непосредственное воздействие дуги на нерасплавлен ный металл усиливается. В диапазоне 20—40м/час скорость сварки мало влияет на глу бину 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, вслед ствие 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 обеспе чения заданных размеров шва и сплошности сварного соединения. Для обеспечения сплошного провара при двусторонней одно проходной автоматической сварке необходимо, чтобы размеры шва удовлетворяли следующим требованиям (рис. 28 и формулы (5.3):

Расчет режима сварки начинают с того, что задают требуемую глубину провара при сварке с первой стороны, которая устанавливается равной: h 1 = 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. I св = (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 qv св поддерживать постоянным. Так как изменение теп ловой 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 : V св = (20 30) 10 3 / I св ( 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 уста новленной 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 I св / j (5.7) I св = · d эл 2 /4· i , (5.8) где i – допускаемая плотность тока по табл.4. Таблица 4

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

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

Таблица 9

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

Рекомендуется пр =1,6-2,5. Коэффициент п 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 / пр V св . (7.4) По выражению (7.4) глубину проплавления можно оценить для односторонней сварки. Для двухсторонней сварки =0,6S: в= пр · H ; (7.5) h =(100·F н -h 2 · tg )/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 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/мм 2 величина коэффициента К остаётся неизменной, постоянный ток обратной полярности К=1,12. При і 2 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= пр · H ·10 -2 (7.9) Ширину шва, зная площадь, можно определить в=F пр /к 0 Н см, к 0 -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 ( Т мах , w охл , t в ); б) долевое участие основного металла в формировании шва, определяемое расчётом величин F пр , F н и коэффициентами , п ; в) химический состав металла шва для всех легирующих элементов; г) механические свойства металла шва: предел прочности вш , предел текучести тш , относительное удлинение ш , относительное поперечное сужение 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.

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

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 + [X] э (1- ) + ‚ (8.7) где [Х] шва – содержание элемента в шве или проходе, %; [X] оме – содержание элемента в основном металле, %; [X] э – содержание элемента в присадке; - изменение содержания элемента в процессе сварки (см. приложение 7, таблица 2) – доля участия основного металла в металле шва; п – доля участия присадочного металла в металле шва; = 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 V м/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/мм 2 и при] = 40-50 А/мм 2 соответственно ; 3,4 - шов таврового соединения при] = 70-100 и] = 40-50 А/мм 2 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 o + Х n -1 n -1 + X э (1 - 0 – n -1 ) ± Х (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 о 1 = о 2 = 0,5 о . Если свариваются стали перлитного и аустенитного класса, то о А = 0,6 0 ; о п = 0,4 о Тогда содержание элемента в металле шва рассчитывается по выражению: Х ш = Хом А • о А + Хом п п + (1 - n -1 ) X э ± Х (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+1,5 Si +0,5 Nb + V +3,5 Ti Ni экв = Ni +30 C +0,5 Mn . Если химический состав или структура металла шва не удовлетворяют установленным требованиям, необходимо выбрать другие сварочные материалы или изменить режим сварки (долю участия основного металла 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

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: W 0 =2 p l (Т м -Т 0 ) 2 / g п (9.1) при сварке листов встык со сквозным проплавлением W 0 =2 p l cp (Т м -Т 0 ) 3 / ( g п / d ) 2 (9.2) при двусторонней сварке для каждого прохода W 0 = w 2 p l (Т м -Т 0 ) 2 / g п (9.3) Безразмерный критерий процесса w = ¦ (1/ q ) определяется по рис.7. 1/ q =2 g п / p cp d 2 (Т м -Т 0 ) (9.4)

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 T 1 до (Т m - 55) не превышала предельного значения: W кр = T 1 - ( Т m - 55)/ 3t min (9.5) где: T 1 - температура, соответствующая точке А с на диаграмме Fe - С; Т m , 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: W 0 min Wo W 0 min (9.6) В этом случае расчетное значение скорости охлаждения, полученное по формулам (8.1) - (8.3), сравнивается с допускаемыми значениями (приложение 8). Если W 0 W mm , следует погонную энергию дуги уменьшить. Если W 0 > W max , следует ввести подогрев.

Температуру подогрева То можно определить из формул (8.1) - (8.3), подставляется в них W 0 = W max . Ориентировочно Т 0 вычисляется по методике Сефериана , учитывающей химический состав стали и ее толщину

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 >1,45 t Ф (10.1) или t кр > К t ф , + К 1 t Ф (10.2) где' t ф1 - время пребывания при 'опасных' температурах определяемого слоя, с; t ф - суммарное время воздействия всех следующих слоев; К и K 1 - 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)(Т m = 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

Многопроходной

t , мм	14	16	18	20	22	24	26	28	30
F н , мм 2	79	96	115	135	158	182	207	235	264
n	2	3	3	4	4	5	5	6	7

k f , мм	4	6	8	10	12	14	16	18	20
F н , мм 2	12	24	40	63	83	113	147	186	230
n	1	1	1	2	2	3	4	5	6

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.