Технологические особенности сварки

Низкое содержание углерода и относительно низкая степень легирования делает конструкционные низкоуглеродистые низколегированные стали мало чувствительными к термическому циклу сварки (ТЦС). Под действием сварочного нагрева в околошовной зоне (ОШЗ), как правило, не образуется закалочных структур при соблюдении следующих условий.

Влияние ТЦС на механические свойства металла сварных соединений можно проиллюстрировать такими зависимостями (рис. 1,а).

При низких значениях погонной энергии q_n, происходит подкалка метала ОШЗ, а при высоких - чрезмерно растет зерно, что также является нежелательным. Но при определенном (q_n= const) значении погонной энергии при сварки различных толщин будет различная скорость охлаждения V_охл. Поэтому критерием пригодности выбранного режима сварки должна быть скорость охлаждения V_{охл .} металла шва и ОШЗ, соответствующая определенному значению погонной энергии._.

Зависимость механических свойств сварного соединения от V_охл носит обратный характер (рис. 1,б). Многочисленными исследованиями для некоторых сталей были определены оптимальные V_охл металла ОШЗ (табл. 1). Поэтому, выбрав режим сварки по условиям формирования и обеспечения заданных геометрических размеров сварного шва, необходимо произвести расчетную проверку действительной скорости охлаждения V_охл металла ОШЗ, соответствующей данному режиму.

 

Таблица 1

Оптимальный диапазон скоростей охлаждения сварных соединений

Марка стали	10ХСНД	10ХГ2С1Д	09Г2	10ГС
Vохл. 0С/сек	3-70	3-60	3,1-50	2,9-40

 

Расчет действительной скорости охлаждения V_охл металла ОШЗ для данного режима выполняется по формулам Н.Н.Рыкалина.

1. Для случая наплавки на поверхность массивного изделия:

 

. (2)

 

2. Для сварки металла толщиной S:

 

. (3)

 

3. Для однопроходной сварки встык со сквозным проплавлением:

 

     (4)

 

где V_охл - действительная скорость охлаждения при температуре T _m (⁰С/с);

T_m – температура минимальной устойчивости аустенита, ⁰С;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м ⁰С;

Т₀ – начальная температура изделия, ⁰С;

q_п – погонная энергия, Дж/м;

сρ - объемная теплоемкость, Дж/м³ ×⁰С;

S – толщина свариваемого металла, м;

ω – безразмерный критерий, являющийся функцией величины обратной безразмерной температуры.

ω = f ;  (5)

 

Вычислив  по графику Н.Н.Рыкалина (рис.2), находим величину ω

 

Формулы (2) и (3) выведены Н.Н. Рыкалиным для мощного быстродвижущегося точечного источника тепла на поверхности тела. При сварке первого прохода в разделку или таврового соединения действительная схема ввода тепла и условия теплоотвода отличаются от принятой расчетной схемы – точечного источника.

 

Рис.3. Расчетная (а) и действительная (б) схема ввода тепла при сварке стыкового соединения

Для сходимости результатов расчета с практикой Н.Н. Рыкалиным предложено вводить так называемые коэффициенты приведения К₁ и К₂ на которые необходимо помножить значения q_п и S при расчетах по формулам (3-5)

 

 ; . (6)

 

Для первого прохода стыкового соединения с углом разделки :

 

. (7)

 

Для некоторых типов соединения значения К₁ и К₂ были определены Н.Н.Рыкалиным экспериментально.

 

     Таблица 2

Коэффициенты приведения для расчета при сварке 1-го слоя

	Стыковое соединение α=600	Тавровое, нахлесточное Соединение	Крестовое соединение
К1	3/2	2/3	1/2
К2	3/2	1	1

 

Для обеспечения равнопрочности сварного соединения и основного металла в целом необходимо получить равнопрочными не только ЗТВ, но и металл шва, что обеспечивается рациональным выбором сварочных материалов.

 

1.3 Выбор сварочных материалов при сварке низколегированных сталей

 

Так как при сварке металл шва дополнительно легируется элементами, входящими в основной металл, то его прочность повышается, а пластичность снижается по сравнению с характеристиками наплавленного металла. Поэтому для расчетной оценки пригодности принятого сварочного материала необходимо рассчитать химический состав металла шва и по его составу определить механические свойства.

В случае ручной дуговой сварки покрытыми электродами (РДС) последовательность расчета следующая.

Определяется химический состав металла шва:

 

, (8)

 

где [ X ] _{мшв ,} [ X ] _{ом ,} [ X ] _нм – содержание элемента Х в металле шва, основном и наплавленном металлах;

γ – доля участия основного металла в формировании металла шва;

(1- γ) – доля участия наплавленного (электродного) металла в формировании металла шва.

Доля участия основного металла γ определяется по следующей зависимости:

 

 (9)

 

Площади наплавки и проплавления можно определить как:

 

; (10)

, (11)

 

где q - эффективная тепловая мощность дуги;

V_св - скорость сварки;

S_пл – объемное теплосодержание расплавленного металла;

η_t – термический к.п.д дуги, представляющий собой процент тепла введенного в изделие, определяется по графику Н.Н. Рыкалина (рис.4).

 

;  , (12)

 

где а - коэффициент температуропроводности.

Эта методика справедлива для случая сварки встык без скоса кромок.

При наличии разделки зависимость усложняется.

 

, (13)

где К_β - коэффициент разделки, К_β=f(β)

- коэффициент влияния разделки, где с – величина притупления в разделке; b - величина зазора в стыке.

 

ht

e3

 

По найденному химическому составу металла шва рассчитывают его механические характеристики по эмпирическим формулам Б.Д. Лебедева (справедливы для низколегированных сталей первой и второй групп):

= 4,8+50 С +25,2Mn + 17,5Si +23,9Cr +7,7Ni + 70Ti + 17,6Cu +8W

+29Ae +16,8Mo;                                                           (14)

    для предела текучести шва  ; (15)

для твердости шва по Бринелю ; (16)

для относительного удлинения шва, %

 

= 50,4 – [21,8С + 15Mn + 4,9Si + 2,4Ni + 5,8Cr + 6,6Ti + 6,2Cu + 17,1Ae + +2,7Mo], %;                                                                                (17)

 

для относительного поперечного сужения  ; (18)

для ударной вязкости шва при Т=20 ⁰С, кгсм/см²

 

, (19)

 

где С, Mn и т.д. - содержание элемента в процентах в металле шва.

Эти формулы дают возможность рассчитать значения механических характеристик только при V_охл =2,3 ⁰С/с. Рассчитанные величины должны быть откорректированы по действительной V_охл. Для этого по химическому составу металла шва находят так называемый эквивалент углерода, С_экв:

 

 (20)

 

Затем по графикам (рис.6) определяют значения корректирующих коэффициентов, на которые домножаются значения механических свойств, рассчитанных для V_охл =2, 3 ⁰С/с

 

; ; ; . (21)

 

Такова схема расчетной оценки пригодности выбранного сварочного материала для РДС плавящимся электродом.

В случае автоматической сварки под флюсом (АСФ) и в среде СО₂ схема расчета аналогична, хотя и имеет свои особенности. При сварке под активными флюсами в результате кремне-марганцевосстановительного процесса происходит дополнительное легирование металла шва и снижение содержание углерода на 0.02 – 0.03 %. Приращение кремния и марганца в металле шва зависит от параметров режима сварки и может быть определено по следующим зависимостям:

 

; (22)

, (23)

 

где  и А_{( MnO )} – относительные химические активности SiO ₂ и MnO во флюсе; [ Si ] _и и [ Mn ] _и - исходные концентрации кремния и марганца в сварочной проволоке; U _д – напряжение дуги; I _св – сварочный ток; V _св – скорость сварки, м/ч.

  При сварке в среде углекислого газа происходит выгорание легирующих элементов, которое необходимо учитывать при расчете химического состава металла шва. В этом случае состав металла шва определяется по следующему выражению:

 

[ X ]_шв = [ X ]_ом g h _R + [ X ]_эп h _R (1 - g), (24)

 

где h _R – коэффициент перехода легирующего элемента из основного металла и сварочной проволоки соответственно (табл. 3).

 

     Таблица 3

Коэффициенты перехода легирующих элементов при механизированной сварке в СО₂

Коэффициент	Легирующие элементы
перехода: из основного металла из электродной проволоки	C	Si	Mn	Cr	Ni
	0,92 0,55	0,97 0,69	0,93 0,64	0,97 0,89	1,0 0,99

 

Дальнейший порядок расчета не отличается от выше описанного.