§ 1. ЗАДАЧИ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА

При разработке технологического процесса сварки конструкции либо изделия из определенного материала необходимо выбрать способ сварки, оборудование для сварки, сварочные материалы, конструктивный тиц 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, относящимся непосредственно к разработке технологии дуговой сварки плавлением, нужно отнести расчеты, связанные с оценкой ожидаемой геометрической формы и размеров, химического состава и механических свойств сварного шва и соединения в целом.

В связи с этим необходимо учитывать условия, в которых осу­ществляется технологический процесс сварки: химический состав, размеры и толщину свариваемого металла; температуру окружаю­щего воздуха; режим сварки, определяющий долевое участие основного металла в формировании шва; скорость охлаждения металла шва и зоны термического влияния (з. т. в.); химический состав присадочных материалов; их долевое участие в формиро­вании шва, характер протекающих в капле, дуге и сварочной ванне реакций; величину пластических деформаций растяжения, возни­кающих в металле шва, и з. т. в. при его охлаждении.

Из-за сложности процесса сварки невозможно иметь точные аналитические зависимости, которые позволяли бы рассчитывать упомянутые характеристики сварных соединений по режиму сварки с учетом всех технологических условий. Практическое получение информации, отражающей тонкости явления, а также позволяющей учитывать большое многообразие частных условий, возможно только на основе применения экспериментальных мето­дов. Поэтому технологический процесс сварки, как правило, рас­считывают по приближенным формулам, полученным на основе обобщения її аппроксимации результатов экспериментальных исследований.

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 шва и з. т. в., длительность его выдержки в опасном интервале температур (Ушах» ^'охлі /,;) і

б) долевое участие основного металла в формировании шва, определяемое расчетом величин FBр, FH и коэффициента у0;

в) химический состав металла шва для всех легирующих эле­ментов;

г) геометрические размеры шва—глубину проплавления II, ширину е, высоту усиления h, коэффициенты формы провара фПр и валика ф„;

д) механические свойства металла шва: предел прочности Св Ш1 предел текучести сгт ш, относительное удлинение 6„„ отно­сительное поперечное сужение фш, ударную вязкость ш.

Расчеты по пунктам а и б обычно выполняют для всех сталей. Для конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей имеются приближенные формулы для расчетов по пунктам г и д. Для закаливающихся сталей можно выполнять расчет 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.

Для хромоникелевых аустенитных сталей проводят расчет по пунктам а—г; после расчета эквивалентного содержания никеля Ni3 и хрома Сгэ и суммарного времени выдержки металла в крити­ческом интервале температур 2т01[ оценивают фазовый состав металла по диаграмме Шеффлера и вероятность образования меж - кристаллитной (м. к. к) и общей коррозии.

Строгое математическое обоснование имеют только формулы по расчету процессов нагрева и охлаждения металла при сварке. До настоящего времени наиболее широко практикуется выбор параметров режима сварки по различным таблицам и номограм- мам, построенным на основании большого числа экспериментов. Использование этих данных позволяет выбрать все параметры ре­жима сварки I, U, vCB, vnn, dB, 1В. При этом можно быть уверенным, что будут обеспечен!.] необходимое проплавление свариваемых кромок, удовлетворительная форма внешней части шва, механи­ческие свойства металла шва на уровне основного металла. Однако номограммы и таблицы не содержат информации о таких важных и интересных для технолога сведениях, как: 1) какие размеры имеет шов (Я, е, h, фпр, ф„); 2) каковы величины FH и у0; 3) какие механические характеристики будет иметь металл шва (ей ш, от ш, 6Ш, фш). Только наличие указанных сведений позво­ляет из нескольких вариантов выбрать оптимальный, обеспечи­вающий не только отсутствие дефектов, но и наиболее благоприят­ные прочностные и эксплуатационные качества при наибольшей производительности и минимальном расходе сварочных материа­лов, электроэнергии, зарплаты, накладных и других расходов.

Выбор оптимальных режимов сварки должен базироваться на сравнении указанных количественных показателей нескольких вариантов, а это наиболее просто, дешево и объективно можно сделать расчетным путем. Именно это и определило стремление многих исследователей на основе накопления фактических опыт­ных данных, их научной систематизации, обобщения и математи­ческой обработки разработать расчетные алгоритмы, т. е. мате­матические модели, с той или иной точностью отображающие сущность интересующих технологов процессов сварки.

В настоящее время математическая модель исследуемого объекта или процесса становится необходимой частью экспериментальных исследований, так как без нее трудно правильно и с наименьшими затратами осуществить экспериментальное исследование и ста­тистическую обработку полученных результатов.

Классический однофакторнын эксперимент предусматривает, что при выполнении его нее независимые переменные, за исклю­чением одной, полагаются постоянными, а одна переменная изме­няется во всем выбранном диапазоне своих значений. Затем ана­логичные опыты повторяются для других факторов и делается попытка суммирования результатов однофакторных экспериментов.

Реализация такого плана экспериментов не вызывает затруд­нений, однако она связана с увеличением продолжительности, затратой больших количеств материалов и средств, дает невысо­кую точность, не позволяет учитывать одновременное и совмест­ное действие нескольких факторов.

По указанной причине в настоящее время планирование экспе­риментальных исследований осуществляют на базе математических моделей, процессов и явлений, которые основаны на идеях теории подобия, либо многофакторного планирования экспериментов.

Если па основании анализа физической сути изучаемого про­цесса и теории подобия удается получить критерии подобия и комп­лексные параметры пли так называемые обобщенные координаты этого процесса, можно успешно и с высокой степенью точности обобщить результаты различных экспериментов, отвечающих условиям подобия.

Переход от обычных физических параметров к обобщенным безразмерным или размерным комплексам (которые включают наиболее характерные параметры процесса) очень удобен, так как при этом уменьшается число варьируемых параметров, более четко выявляются внутренние закономерности изучаемого процесса, сокращаются время и материальные затраты на проведение экспе­риментальной части, появляется возможность накопления данных различных экспериментов на одной обобщенной базе сравнения.

При невозможности использования теории подобия для полу­чения более обширной информации о совместном влиянии отдель­ных параметров процесса, а также для сокращения числа необ­ходимых экспериментов и целенаправленной их постановки используют метод многофакторного планируемого эксперимента. В основу этого метода положен множественный корреляционный анализ, позволяющий получить эмпирическую зависимость между результатами наблюдений и независимыми переменными на основе небольшого числа запланированных опытов в форме функциональ­ной зависимости различной степени, которая учитывает раздель­ное влияние отдельных параметров, а также их совместное дей­ствие. В этом случае внутренняя физическая природа протекаю­щих процессов не вскрывается, но формальное влияние тех или иных параметров на ход процесса может быть установлено коли­чественно с учетом одновременного действия нескольких неза­висимых переменных (параметров).

При использовании этого метода значительно сокращается число опытов, необходимых для нахождения функциональной зависи­мости, и, кроме того, полученные решения могут быть использо­ваны как интерполяционные формулы, которые характеризуют количественную сторону изучаемого явления.

Таким образом, возможности расчетов по пунктам а—д раз­личны и применение их обусловлено наличием уже существующих приближенных расчетных формул и умением правильно построить необходимое экспериментальное исследование с целью получения таких формул. Именно такой подход, основанный па использова­нии количественного анализа вариантов, при выборе и обоснова­нии режимов сварки представляется наиболее правильным.

Рассмотрим вопросы построения критериев подобия по методу анализа размерностей и основы теории многофакторного экспе­римента. Формулы для выбора режимов сварки и приближенного расчета геометрических размеров сварных швов и их механических свойств приведены только для механизированной сварки под флю­сом и только для низкоуглеродистых и низколегированных сталей. Для этих сталей и метода сварки указанные формулы прошли многократную опытную проверку и дают надежные результаты с точностью до ±10—12%.