ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ШВА ПРИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ

Основные параметры режима механизированной сварки (автомати­ческой и полуавтоматической) под флюсом и в защитных газах, оказывающие существенное влияние на размеры и форму швов, — сила сварочного тока, плотность тока в электроде, напряжение дуги, скорость сварки, химический состав (марка) и грануляция флюса, род тока и его полярность.

При определении режима сварки необходимо выбрать такие параметры его, которые обеспечат получение швов заданных

размеров, формы и качества. Основное условие получения сплошности провара сечения при двусторонней автоматической или полуавтоматической сварке стыко­вого соединения (рис. 94)

H^H^S + k,

где 1Г1 и /У 2 — глубина провара при сварке с одной и другой стороны; S — тол­щина свариваемых листов; к — пере­крытие.

Однако это условие недостаточное для определения качества шва. Для того чтобы швы обладали высокой технологической и эксплуатационной прочностью, необходимо получить опреде­ленные значения и других размеров шва, а именно, его ширины е и высоты валика g.

Отношение ширины шва к глубине провара называют коэффи­циентом формы провара фпр, а отношение ширины шва к высоте уси­ления — коэффициентом формы усиления фв. Для автоматической и полуавтоматической сварки значения фпр должны составлять 0,8—4. При меньшем значении будут получаться швы, склонные к образованию горячих трещин, при больших — слишком широ­кие швы с малой глубиной провара, что нерационально с точки зрения использования теплоты дуги и приводит к увеличенным деформациям.

Значения фЕ для хорошо сформированных швов не должны выходить за пределы 7—10. Малые значения фв имеют место при узких и высоких швах; такие швы не имеют плавного сопря­жения с основным металлом и обладают неудовлетворительной работоспособностью при переменных нагрузках. Большие зна­чения фв соответствуют широким и низким усилениям; такие швы нежелательны по тем же причинам, что и швы с чрезмерно большим значением фпр, а также в связи с возможным уменьше­нием сечения шва по сравнению с сечением основного металла из-за колебаний уровня жидкой ванны.

Для получения швов оптимальной формы необходимо уста­новить связь между параметрами режима сварки и основными размерами шва.

Размеры и форма шва определяются количеством теплоты, введенной в изделие, и характером ввода этой теплоты. При действии точечного быстродвижущегося источника квадрат рас­стояния до изотермы плавления согласно (20) определяется как

„2 _ 2?п

песуТпл‘

При расчетном определении по схеме точечного быстродвижу­щегося источника теплоты площадь, ограниченная той или иной

изотермой в поперечном сечении, пред­ставляет собой полуокружности радиу­са г (кривая 1, рис. 95). Поэтому пло­щадь провара (площадь, ограниченная изотермой плавления 7'Г1Л)

р яг" л 1 (00

ґпр - 2 - 2 лесуТи„ - есуТ1Ы <1п'

Однако фактическая форма провара Р|1С - 95. Очертания площа-

при автоматической и полуавтомата - ди нровара

ческой сварке в большинстве случаев

отличается от полуокружности: при сварке на больших силах

тока и низких напряжениях фпр < 2 (кривая 2, рис. 95), а при

сравнительно небольших силах тока и высоких напряжениях ■фпр > 2 (кривая 3, рис. 95).

В. И. Дятлов предложил сделать допущение, что фактическая форма провара представляет собой полуэллипс, площадь кото­рого равна площади полуокружности, определенной по формуле (22). Площадь полуэллипса, одна из полуосей которого равна е/2, а другая Н может быть определена,

е Н я е Н3 лфпр№

fnp — зт 2 2 2 2 2 ~ 4 ■ (22а)

Приравнивая правые части уравнений (22) и (22а) и решая относительно U, получим

Н~2 У леС;ТПлФпр ~Л

Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей при сварке под флюсом низкоуглеродистой проволокой А = 0,0156,

поэтому_________________________________

Н = 0,0156 Y qjtyпр. (23)

При сварке в углекислом газе иизкоуглеродистых и низко­легированных сталей электродной проволокой марок Св-08Г2С и Св-08ГС А = 0,0165. Тогда глубина провара Н для этих усло­вий

Н — 0,0165 Y~qJ^Yv

Таким образом, для расчета глубины провара необходимо определить погонную энергию

0,24/свГ7 д t]n

Q п —'

^СВ

и знать коэффициент формы провара, который зависит главным образом от величины сварочного тока, диаметра электрода и напряжения дуги. Зависимости фпр — / (Ua, /св) для разных
диаметров электродной проволоки, полученные экспериментально для сварки на переменном токе иод кислыми высокомарганцови - стыми флюсами (типа ОСЦ-45 и АН-348А), приведены на рис. 96.

Обработка экспериментальных данных, накопленных в тече­ние многих лет, позволила установить следующую зависимость коэффициента формы провара от основных параметров режима сварки:

фпр = й'(19 —0,017вЕ)4^-, (24)

ісв

где к' — коэффициент, величина которого зависит от рода тока и полярности; de — диаметр электродной проволоки, мм.

Величина коэффициента к' при плотности тока /<120 А/мм2 при сварке постоянным током обратной полярности

к' = 0,367/°»Ш5; при сварке постоянным током прямой полярности

к’ = 2,82//М925.

При / 120 А/мм2 величина коэффициента к' остается неиз­

менной (для постоянного тока обратной полярности к' = 0,92, прямой полярности к' = 1,12). При сварке переменным током во всем диапазоне плотностей тока к' — 1 = const.

Зная глубину провара и ф„р, можно определить ширину шва

є = фЩ1Н.

Для вычисления высоты валика g сначала рассчитывают пло­щадь поперечного сечения наплавленного металла по формуле (19). Значение коэффициента наплавки ан при определении Fn по фор­муле (19) принимают по экспериментальным данным (рис. 97), а также расчетом. Ввиду незначительных потерь электродного

го зо о-о so ид, в м зо оо so ид, ь

а) 6)

Рис. 96. Зависимость от сила тока и напряжения (ток переменный): a) d3 = 2 мм; б) dB = 5 мм

Рис. 97. Зависимость ар от режима сварки:

металла при механизированной сварке под флюсом с достаточной дли практических расчетов степенью точности можно принять, что коэффициент наплавки а,, равен коэффициенту расплавления ар.

Величина коэффициента расплавления ар состоит из двух слагаемых:

а„ = а£,-|-Дар, (25)

где <Хр — составляющая коэффициента расплавления, обусловли­ваемая тепл овл ожени ем дуги, г/А • ч; Дар — составляющая коэф­фициента расплавления, зависящая от тепловложепия вследствие предварительного нагрева вылета электрода протекающим током, г/А - ч.

При сварке постоянным током обратной полярности удельное количество теплоты, выделяющееся в приэлектредной области, из­меняется в небольших пределах, и составляющая коэффициента расплавления оср = 11,6 ± 0,4.

При сварке постоянным током прямой полярности и перемен­ным током

<Хр — А В1св, (26)

где А я В — коэффициенты.

Анализ экспериментальных данных позволил установить значение коэффициентов А и В для условий выполнения сварки на переменном и постоянном токе прямой полярности низкоугле­родистой проволокой под кислыми высокомарганцовистыми флю­сами. Если подставить эти значения в формулу (26), то расчетные формулы примут вид:

при сварке постоянным током прямой полярности

' _ а ч і 70’2 •10-3 т ■

ар — І J 1,035 1 СВ.

Величина второй составляющей коэффициента расплавления [см. формулу (25)] может быть рассчитана по уравнению

Да =-%ш3600, 1 q-J си

гдо <?п. п — количество теплоты, расходуемое на предварительный подогрев вылета электродной проволоки протекающим по нему током; q0 — количество теплоты, необходимое для расплавления 1 г электродной проволоки (для низкоуглеродистой проволоки qA = 50U кал/г).

Значение п можно рассчитать по формуле

SHAPE * MERGEFORMAT

Qnu = 0,1884/M -1)

где / — плотность тока в электроде, А/см2; р0 — удельное элект­росопротивление электродной проволоки при 0° С (для низко­углеродистой проволоки р„ = 14 • 10 6 Ом • см); <70 — диаметр электродной проволоки, см; v3 — условная скорость подачи электрода, см/с (скорость плавления электродной проволоки при пулевом вылете); а — коэффициент температуропроводности, см2/с; а — температурный коэффициент электрического сопро­тивления (для низкоуглеродистой стали а я» 0,0083° С"1); (5 — коэффициент, равный 0,24/2 p0/acj; с — теплоемкость, кал/г • 0 С; / — плотность, г/см3; 7/ — вылет электрода, см; Тп — температура плавления проволоки; 7’0 — начальная температура проволоки; Pi и Ра — коэффициенты;

При механизированных способах сварки под флюсом ар ду аи. При сварке в защитных газах величина коэффициента наплавки может существенно отличаться от величины коэффициента рас­плавления в связи с потерями электродного металла:

ан = ссР (1— Ф),

где ф — коэффициент потерь, под которым понимают отношение количества металла, потерянного в виде брызг и угара, к пол­ному количеству расплавленного электродного металла;

ф = 1 — Gu/Gv.

Анализ экспериментальных данных, полученных при сварке в среде углекислого газа электродной проволокой марки Св-08Г2С, показал, что величина коэффициента потерь (%) для сварки при

оптимальных напряжениях дуги зависит от плотности тока в электроде:

ф = — 4,72 17,6 ■ 10 */- 4,48-10 4/2. (27)

Уравнение (27) позволяет рассчитать ожидаемую среднюю величину коэффициента потерь в диапазоне плотностей тока 60—320 А/мм2. Средняя квадратичная ошибка при этом состав­ляет 2,96%. Таким образом, найдя значение а„, по формуле (19) определяют площадь наплавки FH.

При наплавке или сварке стыковых соединений без скоса кромок с нулевым зазором наплавленный металл располагается в виде валика над поверхностью листов. Площадь поперечного сечения такого валика

FB — Fb =

где g и е — высота и ширина валика; рв — коэффициент полноты валика, т. е. отношение площади поперечного сечения валика к площади прямоугольника, основание и высота которого равны ширине и высоте валика.

Опытные данные показывают, что в условиях автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, а также в среде угле­кислого газа, в диапазоне режимов, обеспечивающих удовлетво­рительное формирование, коэффициент полноты валика рв изме­няется в узких пределах и практически имеет устойчивое значе­ние цв =- 0,73.

g = Fn/0,73е. (28)

При наличии разделки кромок размеры глубины провара и вы­соты валика будет отличаться от размеров, полученных при сварке стыковых соединений без разделки на одинаковом режиме. Однако наличие разделки, зазоров, тип шва влияют главным образом на соотношение долей участия основного и наплавленного метал­ла, а контур провара и общая высота шва С при неизменном режиме сварки остаются практически одинаковыми (рис. 98). Поэтому
с достаточной для практических це­лей степенью точности можно счи­тать, что для неизменного режима

С = II - f - g = const. (29)

Зная общую высоту шва С при наплавке можно определить глубину провара Н’ при наличии зазора и разделки:

H' = C-g (30)

где II' — глубина проплавления (расстояние от поверхности листов до наиболее удаленной точки, лежащей на изотерме плав­ления) при наличии разделки, зазора в стыке или зазора и раз­делки; g' — высота валика при наличии разделки, зазора в стыке или зазора и разделки.

Высоту g' при наличии разделки и зазора (рис. 99) можно определить так:

F„-hng~-Cb 0,73 e — h

Формулы (23)—(31) позволяют определить основные размеры шва в зависимости от применяемого режима сварки. Пользуясь этими зависимостями, можно решить и другую задачу: рас­считать режим сварки, обеспечивающий требуемые размеры зоны проплавления. В зависимости от типа соединения последователь­ность расчета режима сварки различна.