ТЕОРИЯ сварочных процессов

Термический цикл при многослойной сварке

Вследствие сложности явления распространения теплоты при многослойной сварке удается дать лишь качественное описание процесса. Количественные зависимости имеют ориентировочный характер и служат для приближенного определения параметров процесса.

Тепловое воздействие на металл при многослойной сварке зависит от того, как осуществляют сварку — длинными или ко­роткими участками.

СВАРКА ДЛИННЫМИ УЧАСТКАМИ

Под сваркой длинными участками обычно понимают укладку валика на всю длину завариваемого соединения, т. е. на длину более 0,5... 1 м. При сварке склонных к подкалке сталей скорость охлаждения — один из параметров, определяющих возможность появления закалочных структур. Наибольшая скорость охлаж-

дения обычно бывает у первого слоя, так как последующие слои, как правило, остывают медленнее вследствие подогрева. Однако пос­ле перерыва в сварке, когда изделие пол­ностью остынет, может

Термический цикл при многослойной сварке

Рис. 7.10. Виды соединений

оказаться, что ско­

рость охлаждения оче­редного слоя выше, чем первого.

Для определения скорости охлаждения первого слоя встыковых (рис. 7.10, б), нахлесточных (рис. 7.10, в), тавровых (рис. 7.10, г) и крестообразных (рис. 7.10,6) соедине­ниях используют расчетную схему наплавки валика на плоский слой (рис. 7.10, а) с поправочными коэффициентами для опре­деления расчетной погонной энергии (q/v)paсч и расчетной толщи­ны плоского слоя брасч, значения которых приведены ниже:

Рисунок 7.10................................... а 6 в г д

брас.......................................................................... б 36/2 6 в 6

(<?/») рас,...................................... ?/» 3?/(2о) 2q{3v) 2q(3u] q{2u)

Поправочный коэффициент к погонной энергии вводится для учета условий распространения теплоты в области, непосредст­венно прилегающей к месту введения теплоты, а поправочный коэффициент для толщины в стыковом сварном соединении (рис. 7.10, б) — для учета условий распространения теплоты вда­ли от источника теплоты. Методика расчета скорости охлаждения валика на плоском слое изложена в п. 7.4. Вместо q/v и б при расчете в формулы (7.20) и (7.21) подставляют значения (<7/р)рас. и брасч, указанные выше.

Скорость охлаждения первого слоя уменьшается с увеличе­нием сечения слоя, т. е. с увеличением погонной энергии, темпе­ратуры подогрева Г, и с уменьшением толщины материала 6. Наиболее сильно влияет на скорость охлаждения температура подогрева 7’„.

Сварка короткими участками. К многослойной сварке корот­кими участками прибегают в тех случаях, когда стремятся про­длить пребывание металла выше определенной температуры и не допустить быстрого охлаждения его ниже этой температуры. Тепловые воздействия навариваемых коротких слоев складыва­ются и замедляют скорость охлаждения отдельного слоя. Режим многослойной сварки (каскадной, горкой) включает, помимо про­чих, три независимых параметра — погонную энергию q/v, кото­рая зависит от сечения слоя, длину участка I, температуру

подогрева Тю поэтому он более гибок, чем режим однопроходной сварки.

Условия сварки короткими участками выбирают такими, что­бы температура охлаждения первого слоя к моменту подогрева вторым слоем не падала ниже определенной температуры Тв и чтобы длительность пребывания околошовной зоны (в выше тем­пературы Тв соответствовала условиям завершения распада аустенита. В качестве температуры Гв принимают температуру начала мартенситного превращения (500...650 К) или темпера­туру наиболее вероятного образования холодных трещин (350...500 К). Более подробно о выборе указанных температур рассказано в гл. 13.

Температура Тв, до которой охлаждается первый слой, зави­сит, в частности, от длины завариваемого участка I, погонной энергии сварки q/v и температуры подогрева Тн. Выразим связь между перечисленными параметрами. В качестве расчетной схе­мы примем схему мгновенного выделения теплоты на завари­ваемом участке I в начальный момент сварки; при этом также примем, что теплота выделяется равномерно по толщине метал­ла 6, распространяется только в направлении у и теплоотдача отсутствует (рис. 7.11). Иными словами, принимается схема линейного быстродвижущегося источника теплоты в пластине. Выбранная схема не учитывает ряда особенностей распростра­нения теплоты, однако может быть принята для расчета по сле­дующим соображениям. Температура Тв, как указывалось выше, не превышает, как правило, 650 К. Когда околошовная зона охладится до 500...600 К, то температура по сечению успевает выравняться, и поэтому несущественно, какое распределение теп­лоты принято в начальный момент времени.

Температура Т точек, расположенных на оси х (рис. 7.11), согласно уравнению (6.47) изменяется во времени:

Т— Т„= q/{vS-/4nk cpt). (7.26)

Термический цикл при многослойной сварке

Рнс. 7.11. Расчетная схема определения темпера­туры первого слоя при сварке короткими участками (стрелками показаны тепловые потоки)

Поставим условие, что за период времени сварки одного слоя /с на участке I температура Т понизится до Тя. Тогда

4nKc62v2(TB-Ta)2' (7-27'>

Время сварки tci = tT+tn слагается из времени чистого горе­ния дуги tT = l/v и перерывов tn, где v — скорость сварки. Вводя коэффициент ЧИСТОГО горения дуги kT—tr/tс, находим

*С = //(»*Г). (7.28)

Подставляя в уравнение (7.27) уравнение (7.28), численные значения Я и ср и вводя поправочный коэффициент кз, находим

klkrq2

62с(7'. — Т„)2 ’

Для ручной многослойной сварки коэффициент fer = 0,6...0,8, для автоматической многодуговой сварки fer=l; поправочный коэффициент £з, найденный опытным путем, равен 1,5 для соеди­нения встык; 0,9 — для соединений втавр и внахлестку; 0,8 — для крестового соединения. Длина участка, найденная по форму­ле (7.29), обеспечивает пребывание первого слоя при темпера­туре выше Тл к моменту начала сварки второго слоя шва.

I= 0,04-

Пример 7. Пластины из стали 40Х толщиной 6=1,6 см сваривают много­слойным швом встык. Выбранный режим сварки: /=170 А, V = 25 В, т] = 0,8, о = 0,2 см/с. Определить длину участка при сварке короткими участками при условии, что температура мартенситного превращения Т„ стали 40Х близка к 600 К.

Принимаем Тв= Ти + 50= 600 + 50 = 650 К.

Поправочный коэффициент для соединения встык А3=1,5, коэффициент горения дуги fer=0,75, Г„ = 320К.

Находим эффективную мощность: д = 0,8-170-25= 3400 Вт. По формуле

При данном режиме сварки и длине участка 140 мм первый слой не охлаж­дается ниже 650 К.

Длительность пребывания зо­ны термического влияния выше определенной температуры Тв оп­ределяется примерно из тех же расчетных предпосылок, что и в предыдущем случае, однако с уче­том теплоотдачи в воздух. Пред­полагается, что в течение всего процесса заполнения разделки валиками (рис. 7.12, а) действует плоский неподвижный источник теплоты в сечении с координатой у = 0 (рис. 7.12, б). Теплота рас­пространяется вдоль оси Оу.

1,52-0,75-34002 1,62-0,2(650—320)'

(7.29)

(7.29)

Термический цикл при многослойной сварке

Рис. 7.12. Расчетная схема опреде­ления продолжительности нагрева околошовной зоны многослойного стыкового шва

/ = 0,04-

-= 14 см.

Расчетная мощность источни - а) ка теплоты Jv

(7.30)

Термический цикл при многослойной сварке

Qp — ferfe qQ,

где q — эффективная мощность дуги; fer— коэффициент горения дуги; kq — коэффициент приведе­ния мощности дуги, учитывающий тип соединения для стыкового соединения ft, — 1, для таврового соединения и нахлестки 0,67, для крестового соединения 0,6.

-Pft

—0J-

V

К

Расчетная площадь попереч­ного сечения стержня

F = Ы,

где I - участка.

Длительность U пребывания околошовной зоны первого слоя при температуре выше 7’в находят по номограммам, приведенным на рис. 7.13, а — в в зависимости от длительности сварки всех слоев /с, безразмерного параметра 0, коэффициента температуроотдачи b и безразмерного расстояния Pi до рассматриваемой точки око - лошовной зоны.

Значения этих величин опре­деляют по следующим формулам:

0,5 1,0

1,5

2,0

2,5 it

1

-0,3^

пЛ -

е)

it,,

0,5 1,0 1,5 7,0 2,5 it с

Рис. 7.13. Номограмма для опреде­ления длительности пребывания выше определенной температуры Гв точек околошовной зоны в зависи­мости от длительности tc действия источника

длина завариваемого

'Г. ь/ЇТЇ; (7.31)

In. vkr ’

в = -

р/2’

пр

срЬщ

.,-ІкГуД;

где F = bl— расчетная площадь поперечного сечения (см. рис. 7.11); р/2 — половина периметра; п — число слоев по сече­нию разделки; |у| — расчетное расстояние от околошовной зоны до плоского источника теплоты, для стыковых швов равное поло­вине ширины разделки в верхней части (см. рис. 7.12, а), а для угловых — половине катета шва.

Продолжительность (/„)„ пребывания околошовной зоны по­следнего слоя выше температуры Г, можно приближенно опре­делить из соотношения

(Q^tt-[tc-l/(vkr)]. (7.32)

Пример 8. Для условия примера 7 определить длительность пребывания околошовной зоны первого слоя при температуре выше 7,, = 650 К, если разделка заваривается шестью слоями и имеет размер в верхней части около 18 мм.

Для определения безразмерного критерия температуры 0 вычислим значе­ния необходимых для этого величин по формулам (7.31). Для Г^ббОК по графику рис. 5.6 находим: а=3-10_3 Вт/ (см - К). Принимаем ср=5,2 Дж/ (см3-К); а= 0,075 см2/с; Х = 0.39 Вт/(см-К)

б„р = f/(p/2); F = 61 = 1,6 ■ 14 = 22,4 см2; р/2 = 1,6 + 14 = 15,6 см;

22,4

■ = 1,43 см,

15,6

TOC o "1-5" h z, 2а _ 2-3- Ю-3_й „

ср 8„р 5,2-1,43 ’ /С’

<7р = 0,75 • 1 • 3400 = 2550 Вт;

Длительность заварки одного участка шестью слоями;

61 6'14

^=^=-01Ж75=550С;

8,1 • 10-f-560= 0,453;

Р1 = |У|УЇ=0,9Л/-^^=0,0935.

По номограмме рис. 7.13, б находим, что при полученных значениях Он bt критерий bt„ = 0,6, откуда длительность пребывания околошовной зоны первого слоя выше 7, = 650 К

0,6 0,6

'»=ПГ=ЖьТ<г-=742с'

Длительность пребывания околошовной зоны последнего слоя выше 7,= = 650 К согласно уравнению (7.32)

(0« = t. - fc + l/(vkr)= 742 - 560 + 14/(0,2-0,75) = 742 - 560 + 93= 275 с.

ТЕОРИЯ сварочных процессов

Граничные условия

Чтобы решить дифференциальное уравнение теплопроводно­сти, необходимо задать распределение температур в начальный момент времени (начальное условие) и условия взаимодействия тела с окружающей средой на его границах (граничные условия). Начальное условие определяется …

Основные допущения и упрощения, принятые в классической теории распространения теплоты при сварке

На современном уровне развития математики аналитическое решение уравнения теплопроводности в общем виде (5.21) еще не найдено, однако при введении некоторых допущений и упрощений можно получить пригодные для практического использования ча­стные …

Дифференциальное уравнение теплопроводности

Сложный процесс изменения температуры точек тела с коор­динатами jc, у, z во времени t описывается дифференциальным уравнением теплопроводности. Для вывода этого уравнения необ­ходимо рассмотреть баланс теплоты в некотором элементарном объеме …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.