НАГРЕВ И ПРОПЛАВЛЕНИЕ ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА СВАРОЧНОЙ ДУГОЙ
Сварочная ванна. В процессе горения и перемещения дуги под ней образуется жидкая сварочная ванна. Основной металл расплавляется в передней части ванны и отбрасывается к задней ее части.
По форме сварочной ванны можно судить о форме изотермической поверхности, соответствующей температуре Гпл плавления основного металла. Очертания ванны на поверхности изделия также представляют собой изотерму Тпл. Параметрами ванны являются её длина L, ширина В и глубина Н (рис. 78). Величина и соотношение этих параметров зависят от многих причин: от режима сварки, состава атмосферы дуги, состава и свойств основного металла, от положения шва в пространстве и т. д. По форме ванны, образованной в нижнем положении, различают два вида сварочных дуг:
1)поверхностная дуга—кратер неглубокий, под пятном дуги значительный слой жидкого металла;
2)погруженная дуга — кратер глубокий, жидкий металл оттеснен к заднему концу ванны, дуга погружена в основной металл, эффективно оплавляет переднюю кромку ванны и ее обнаженное дно.
В зависимости от требований технологии могут применяться оба віща сварочных дуг.
Длина ванны расплавленного металла проще всего определяется из уравнений, связывающих между собой температуру, время и координаты точек тела. Например, при наплавке валика на массивное тело мощной быстродвижущейся дугой температурное поле описывается уравнением
Так как нас интересует только максимальная длина ванны на поверхности изделия, т. е. расстояние между точками А и £(рис. 78), лежащими на оси X, то положим /? = (). Тогда
Определим время tж пребывания в жидком состоянии каждого элемента, лежащего на оси X, т. е. — время прохождения дуги от Б до А. Поскольку в точках Б и А температура Т — Тпл, то, подставив ТШ' в предыдущее уравнение, получим
т ___ Яи on ™ ~ 2*ЫЖ |
(IV. 48) |
откуда |
|
^-2гІплда' |
|
или, заменяя Рх — 2пыГ~ • будем иметь |
|
X II «1? |
(IV. 49) |
т. е. время пребывания в жидком состоянии каждого элемента, лежащего на оси шва, пропорционально погонной энергии.
3,ная (ж и скорость v сварки, найдем длину /, ванны:
т. е. длина сварочной ванны при наплавке валика на массивное тело пропорциональна мощности дуги. Такая зависимость сохраняется и для наплавки валиков на стальные листы.
Пример 7. Определить длины сварочных ванн при наплавке валика на массивное тело из меди, алюминия, малоуглеродистой и аустенитной сталей. Наплавка ведется на одинаковом режиме; I = 700 a, U = 35 в, iju = 0,7. Таблица 20 Средние значения Гш, и J. для некоторых металлов
|
Средние значения теплопроводностей X и температур плавления Тпл, принятые для расчета, приведены в табл. 20.
Используя формулу (IV.50) и данные табл. 20, получим
Яи = 0,24/г/т]и = 0,24 • 700 • 35 • 0,7 « 4100 кал/сек;
4100 п ГГ
0,66 см;
алии 2 • 3,14 • 0,65 ■ 650
, 4100
-малоугл 2-3,14 .0,09 ■ 1500
. 4100
Laycr 2 -3,14 -0,06 ■ 1500 =
Эти значения ориентировочные, так как здесь нс учитывалось изменение •»],,.
Тепловая эффективность процесса проплавления. Сварочный шов или наплавленный валик представляет собой сплав основного и электродного металлов. Соотношение этих металлов может характеризоваться площадями наплавки F„ и проплавления F„p (рис. 79).
Зона расплавления основного металла оценивается тремя показателями:
Н/В — относительной глубиной проплавления;
Fnp/HB — коэффициентом полноты;
Fup/F, — коэффициентом площадей.
На проплавление основного металла расходуется только часть тепла дуги. Тепло, затраченное дугой на проплавление основного металла в единицу времени, или тепловую мощность, затрачиваемую дугой на проплавление, можно подсчитать, зная объем проплавляемого за единицу времени металла V = Fupv, его плотность у и теплосодержание кал/г, металла, соответствующее температуре плавления. Тогда
пр — F npvSnxf кал/сек. (IV.51)
Процесс расплавления основного металла можно разделить на две стадии:
1) нагрев основного металла за счет тепла дуги; при этом в металл идет не все тепло дуги, а лишь та его часть, которую оценивают эффективным к. п. д. ij„;
и
7]г = ^ = 0,368.
Чи
Аналогично можно произвести теоретический расчет к. п. д. проплавления для случая однопроходной сварки пластин в стык мощной быстродвижущейся дугой (рис. 80, б). Воспользовавшись уравнением (IV.33) и положив, что теплоотдача с поверхности отсутствует, т. е. Ь = 0, запишем
Ттах («/)=]/”—• ■
Подставив в него В = 2у (рис. 80, б); Ттах (у) — Тпл, будем иметь
<?пр = ^ЬВс^Тпл — qu |/" ~ ,
откуда
^ = у-2
‘ Чи Чи г ке
Оба значения гр соответствуют принятой нами расчетной схеме для быстродвижущихся дуг, согласно которой тепло распространяется только перпендикулярно к оси шва. Так как не учитывались потери тепла в результате теплопроводности вдоль шва и теплоотдачи с поверхности, определенные значения максимальны. При меньших скоростях дуги значения ЦТ будут ниже.
Для определения т)Г при сварке и наплавке дугами, движущимися с произвольной скоростью, пользуются номограммами рис. 81, 82 [22]. На рис. 81 i)r при наплавке валика на массивное тело представлен в зависимости от безразмерного критерия
„ _ ЧиУ
где для малоуглеродистой стали обычно принимают
a = 0,08 см*1сек SAл = 2500 калієм3.
Термический к. п. д. для сварки тонких листов в стык представлен на рис. 82 в зависимости от безразмерного критерия
Номограммы учитывают уширение валика или углубление дуги, т. е. Н/В — относительную глубину проплавления. На графике представлены кривые для различных отношений НІВ в пределах 0,1—2,5, что в основном охватывает все случаи, встречающиеся на практике.
WOO 4000 10000
• р - 1- v
*3-q? TZ
Пример 8. Сопоставить значения njT, рассчитанные по режиму сварки, с ijT, определенными из опыта по размерам зоны проплавления, если наплавка валика на толстый лист производилась постоянным током при следующих параметрах режима: / = 370 а; (/ = 25 и; электрод d = 6 мм; обмазка меловая; о = 0,162 см/сек. Непосредственными замерами на шлифе найдены площадь проплавления Fnp = 0,97 елі2; ширина зоны проплавления В = 1,95 см; глубина зоны проплавления Н = 0,4 см
Чтобы определить tjt по режиму, воспользуемся номограммой рис. 81 Для этого нужно вычислить безразмерный критерий es
Как уже указывалось, для малоуглеродистой стали можно считать а = 0,08 см*/сек; S^r = 2500 кал/смл. Примем rlU = 0,75; найдем ди = 0,24 х X 370 • 25 • 0,75 за 1660 кал/сек Тогда
1660 - 0,162 _ ,с „
E;i 0,082 ■ 2500 ~ ’ ’
И 4 В ~ 19,5
По номограмме рис. 81 находим ijT, соответствующий е3 = 16,8 и - g-=~0,2
т}т « 0,24.
Как видно из приведенного примера, можно пользоваться обоими методами определения т1т, так как они дают близкие результаты.
К. п. д. процесса проплавления т1пр найдем с учетом выражения (IV.53):
’Inp = %11т = °>75 ' °>240 — 0,130.
Производительность процессов наплавки и проплавления. При
дуговой сварке или наплавке одновременно происходит проплавление основного металла и расплавление электрода. Вызываются эти процессы двумя различными источниками тепла — анодным и катодным пятнами дуги, первое из которых при прямой полярности лежит на изделии, а второе — на электроде.
Распределение тепла дуги между ее полюсами (электродом и изделием) неодинаково и зависит от ряда факторов: материала полюсов, химического состава и свойств электродных покрытий и флюсов, рода тока, его полярности и т. д. С точки зрения требований технологии было бы очень выгодно регулировать это распределение: при
наплавке, например, целесообразно увеличить долю тепла, расходуемого на расплавление электрода. Однако в условиях электро - дуговой сварки возможности перераспределения тепла между электродом и изделием весьма ограничены. Производительность
сварки или наплавки определяется характеристиками обоих процессов и может быть повышена за счет увеличения их производительности.
Производительность процесса дуговой сварки оценивается суммой весов наплавленного и проплавленного металла в единицу времени:
G = g„ - f gnP г/сек.
Очевидно, что
§н — ^VFні gnp — fvFпр - (IV.54)
Производительность наплавки g-H зависит от производительности расплавления gp и коэффициента потерь ф:
= &р(1—Ф)- (IV. 55)
Экспериментально установленные значения ф таковы:
для автоматической сварки ф = 0,01 - г - 0,02;
» ручной » ф = 0,05 - г - 0,2.
Удельная производительность наплавки и расплавления оценивается коэффициентами ар г/(а • ч); а„ г/(а ■ ч):
ар = 3600 & ; а„ = 3600 у. (IV. 56)
Эти коэффициенты характеризуют эффективность использования тока при расплавлении металла и наплавке.
Из уравнений (IV.54), (IV.55) легко найти выражения для площадей наплавки и проплавления в зависимости от режима сварки:
г* т чи
L учетом ТОГО, ЧТО I — р-24^ , получим
(1—4) арди
3600т • 0,24IJvriU'
Если считать постоянным
т. е. площадь поперечного сечения наплавки прямо пропорциональна эффективной погонной энергии.
Площадь зоны проплавления рассчитываем аналогично:
'/пр пр'і^пл
1'1пр — q ~ 0,24Ш '
откуда
г 0,24/{Дпр quriT Пр“ v<Sm ~~ vjSnJl'
Здесь использовано соотношение т]пр = Обозначив - jJ— = /л2, получим
^ ПЛ
Рпр — М&ЦТ v і
т. е. площадь поперечного сечения проплавленной зоны пропорциональна эффективной погонной энергии и термическому к. п. д.
На основании анализа уравнения (IV.59) можно сделать некоторые практические рекомендации:
1. При постоянной эффективной погонной энергии ~ — const
термический к. п. д. yjj1 возрастает с ростом qu и и. Это означает, что площадь проплавления Fnp увеличивается при высоких токах и скоростях сварки.
2. Для увеличения площади проплавления основного металла нужно увеличить эффективную погонную энергию.
В условиях производства основной показатель производительности — скорость сварки и, тогда как площади проплавления и наплавки чаще всего—конструктивно заданные постоянные величины. Проектом обычно задаются расчетные сечения катетов швов, глубина проплавления и т. п., поэтому повышение производительности сварки во многих случаях достигается только за счет увеличения скорости.
Для изучения возможности повышения скорости сварки рассмотрим два типа швов:
1) швы типа А (рис. 83, о), образуемые преимущественно на-
f
плавленным металлом, для которых 0. К ним относятся швы
с разделкой кромок, угловые швы с малым проплавлением основного металла и др.;
2) швы типа Б (рис. 83, б), образованные главным образом за
/-
счет проплавления основного металла Для этих швов оо.
* Н
Сюда относятся стыковые швы без разделки кромок, угловые с проплавлением и др.
Важно установить, от каких параметров зависит скорость сварки в швах А и Б.
Для швов типа А производительность наплавки qK — Fvyv, но так как из уравнения (IV.56)
При заданном сечении шва FH & const скорость сварки v растет с увеличением коэффициента наплавки ак и значения /. Следовательно, для данных швов возможны два пути повышения скорости сварки:
1) увеличение коэффициента наплавки а„ за счет лучшего использования тепла дуги или введения дополнительного металла, например, железного порошка, в покрытие электродов;
2) рост максимально допустимой плотности тока, а значит и величины общего допустимого тока, для данного диаметра электрода.
Совершенствование ручной и автоматической дуговой сварки идет по этим двум направлениям. Достигнутые на практике параметры режимов сварки приведены в табл. 21.
Для швов типа Б основным технологическим требованием является обеспечение заданной глубины проплавления И (см. рис. 79):
Fпр — НВъ,
где (А —коэффициент полноты;
Вид сварки |
Марка электрода |
Род тока, полярность |
Диаметр электрода, мм |
О X я є |
as S; а X га Е |
а «> а в |
а 'х га Я и |
д- га V д в |
Ручная |
Меловой |
Переменный |
5 |
192 |
9,6 |
9 |
6 |
1,15 |
Постоянный |
||||||||
обратной по- |
||||||||
лярности |
5 |
177 |
8,8 |
7 |
6 |
1,06 |
||
ОММ-5 |
Переменный |
5 |
224 |
11,2 |
9 |
7,5 |
1,68 |
|
УОНИ-13 |
Постоянный |
|||||||
обратной по- |
||||||||
лярности |
5 |
230 |
11,5 |
9,5 |
9 |
2,06 |
||
ЦМ-7С |
Переменный |
5 |
280 |
14 |
12,5 |
11 |
3,08 |
|
Автома- |
Проволо- |
Переменный |
5 |
1000 |
50 |
13—23 |
13—21 |
15—18 |
тическая |
ка Св-08 |
Таблица 21 |
Достигнутые на практике параметры режимов сварки |
С другой стороны по уравнению (IV.59)
0.24/£/Чпр
Приравниваем правые части обоих выражений:
K-W2 °’24/L4p «/В ’
откуда
0,24/t/ //
° ■ в
При заданной глубине провара Н, например при однопроходной сварке листов в стык с полным проплавлением, можно записать
1
|
Итак, для повышения скорости сварки швов типа Б нужно:
1) применять методы сварки, допускающие большие токи и напряжения, и выбирать электроды, отвечающие этим условиям;
2) использовать методы или технику сварки, обеспечивающие максимальные значения относительной глубины проплавления.
Перечисленные требования хорошо выполняются при автоматической электродуговой сварке под флюсом.
Термический цикл основного металла при сварке. В результате теплового воздействия дуги металл изделия в точках на самом шве или вблизи него претерпевает нагрев и охлаждение. Характер нагрева и охлаждения разных точек различен и зависит от их расположения. Каждый участок металла подвергается особой термической обработке, в результате которой меняется его структура. Совокупность участков основного металла, в которых в результате воздействия источника тепла изменилась структура или свойства, называют зоной термического влияния. Иногда термическое воздействие сварки мало отражается на свойствах сварного изделия, но чаще ухудшает свойства околошовной зоны.
Для оценки характера влияния сварки на свойства сварного соединения важно установить характер термических циклов точек и влияние этих циклов на структуру и свойства металла.
В условиях обычной термообработки такие задачи решаются сравнительно легко. Режимы нагрева и охлаждения здесь можно выбирать на основе теоретических и практических данных. При сварке задача гораздо сложнее, так как регулирование термических циклов возможно только в ограниченных пределах, путем изменения режимов при условии обеспечения хорошего формирования швов, необходимой производительности и других требований.
К структуре зоны термического влияния, а следовательно и к термическим циклам нагрева и охлаждения при сварке, предъявляются различные требования, которые зависят и от материала и от, условий эксплуатации изделия. В результате несоблюдения необходимых режимов структура шва и зоны влияния может значительно ухудшиться, что приведет к снижению качества сварных соединений. Так, в малоуглеродистой стали существенного изменения свойств у зоны термического влияния обычно не происходит. Низколегированные и углеродистые конструкционные сталив результате слишком быстрого охлаждения и подкалки иногда значительно снижают пластичность. В закаленных сталях (перлитного и мартенситного класса) при излишне замедленном охлаждении может произойти отпуск зоны термического влияния. Длительный нагрев высоколегированных хромистых сталей ферритного класса приводит к укрупнению их зерна, снижению пластических свойств и коррозионной стойкости. Хромоникелевые стали аустенитного класса нельзя длительное время перегревать выше температуры распада аустенита, так как при этом нарушается однородность аустенитной структуры и теряется коррозионная стойкость.
Структурные изменения в зоне термического влияния углеродистых и низколегированных сталей. При нагреве стали выше температуры Асз и последующем охлаждении характер образующихся структур определяется степенью переохлаждения аустенита. При небольшом переохлаждении (когда распад аустенита наблюдается вблизи температуры Acj) продуктом распада будет достаточно равновесная структура—перлит. С увеличением степени переохлаждения может образовываться сорбит, далее — троостит, и, наконец,/В результате бездиффузнойного превращения образуется мартенсит. Таким образом, структура зоны влияния для данной стали зависит от:
1) максимальной температуры нагреЕа для данного участка;
2) скорости охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита;
3) длительности нагрева выше температуры интенсивного роста зерен аустенита (Аа 4- 100 °С).
Теория распространения тепла позволяет рассчитывать и скорость охлаждения и длительность нагрева в зависимости от режима сварки.
Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре. Так
как скорость охлаждения есть производная от температуры по вре - dT *
мени: w = - л, то, чтобы решить поставленную задачу, достаточно
2-lvt2 |
Уравнение (IV.64) можно решать двумя способами — алгебраическим или графическим. Чтобы алгебраически определить скорость охлаждения через температуру, нужно совместно решить уравнения (IV.63а) и (IV.64). Для этого I выразим у через величины, входящие в уравнение (IV.63а), и подставим полученное значение в выражение (IV.64): 1 2*Хи1Г(0, t) — Г„) t Чи dT (0, l) qu (2яХв)2 [Г (0, І) - 7Д2 . dt 2rXv ’ q* |
= йТ (0, I) _ 2гХу [Г (0, I)—Гп]2 |
продифференцировать выражение для температуры. Например, для автоматической дуговой наплавки валика на массивную деталь с учетом начальной температуры Т0 скорость охлаждения находим, дифференцируя уравнение (IV.29):
Графически мгновенную скорость охлаждения при данной температуре определяют в таком порядке:
1) строят температурную кривую Т (0, і) при Т0 = 0, задаваясь произвольными значениями t (рис. 84);
2) производную
можно строить путем проведения касательных к различным точкам и замера углово^; а.,; . . . ;
3) для заданной температуры Т определяют w, как показано на рис. 84.
На основе аналогичных рассуждений выведем выражение для мгновенной скорости охлаждения при автоматической сварке
листов толщиной 6 с полным проплавлением. Воспользовавшись видоизмененным уравнением (IV.30)
при у = 0 получим
Из формул (IV.65) и (IV.67) очевидно, что для снижения скорости охлаждения шва и околошовной зоны нужно увеличить Т0 (за счет предварительного или сопутствующего подогрева изделия) и одновременно повысить погонную мощность дуги.
Пример!). Рассчитать минимальную температуру предварительного подогрева при наплавке прокатных валков из стали 55Х, которая позволяет избежать появления закалочных структур, если режим наплавки следующий: / = 650 а I/= 30 в; п=16 м,'ч — 0,445 см/сек. Примем ). = 0,1 кал/(см • сек ■ С); 1}и = 0,7. Для стали валка при Т = 700 °С критическая скорость охлаждения, дающая закалочные структуры, гыкр = 20 °С/сек.
Определим эффективную мощность:
qu = 0,24/Urtu — 0,24 - 650 • ЗО • 0,7 ss 3280 кал/сек.
Г0 = 700 — 480 = 220 ‘С
Таким образом, закаленный слой не будет возникать при подогреве наплавляемого валка до температур выше 220 °С.
Пример 10. Определить мгновенную скорость охлаждения шва при наплавке массивного стального валика для Т„п -= 700 °С, если наплавка ведется на таком
режиме: / = 600 a; U = 32 в; v = 20 м/ч = 0,556 см/сек Примем I = = 0,1 калЦсм • сек • °С); % = 0,7.
В данном случае нас интересует скорость охлаждения при температуре Т = Ткр. Примем температуру окружающей среды Г0 = 20 °С; qu — 0,24/t/r]u = = 0,24 - 600 32 • 0,7 к 3220 кал/сек.
Подставив эти значения в уравнение (IV.65), получим
Пример 11. Установить, при какой минимальной погонной энергии в металле шва и околошовной зоны детали, свариваемой в стык за один проход, не возникают закалочные структуры, если критическая скорость охлаждения для данной марки стали tatKp = 20 °С/сек при 7'кр = 680 ‘С; X — 0,1 калЦсм • сек • °С); q = 0,06 • 7,8 я 0,47 кал/см3.
Из уравнения (IV.67)
9«= / (Ткр — Г0)3
ИЛИ
Приняв Т„ = 0, получим
^ = ( 2~3—4-^’--°’47-] ^ • 680э/г я 2120 кал/см.
Зная величину погонной энергии, можно задаться током или скоростью сварки и определить остальные параметры режима.
Расчет длительности нагрева выше данной температуры проведем для следующих наиболее важных случаев:
1) наплавка валика на массивное тело;
2) однопроходная сварка листов в стык.
Если интересующая нас точка имеет термический цикл, изображенный на рис. 85, то t„ — длительность нагрева точки выше некоторой температуры Т — представляет собой разность времени U и tx:
t„ = t2 — tx.
На рис. 85 принято, что
Тгтшх — максимальная температура цикла, °С;
Т0 — начальная температура, °С.
Расчет нужно вести по следующим формулам[10];
1) для цдплавки валика
‘“-'•MrfW <lv'68)
Сформулируйте и поясните физический смысл закона теплопроводности Фурье.
Что такое коэффициент теплопроводности Я? В каких единицах его измеряют?
Поясните механизм и закономерности теплопередачи путем конвекции и радиации.
Что такое коэффициент температуропроводности? Какова размерность этой величины?
Рассмотрите частные случаи уравнения теплопроводности. Приведите практические примеры их применения.
v В чем заключаются адиабатическое и изотермическое краевые условия, а также условия теплообмена на границе со средой заданной температуры?
Какие упрощенные схемы нагреваемого тела и источников тепла применяют при тепловых расчетах?
Напишите уравнение теплового поля для случая распространения тепла от мгновенного неподвижного точечного источника тепла в бесконечном теле. Поясните значения величин и их размерности.
Напишите уравнение распространения тепла в бесконечном теле от неподвижного мгновенного линейного источника.
Напишите уравнение распространения тепла в бесконечном теле от неподвижного мгновенного плоского источника.
В чем сущность и смысл принципа независимости действия источников тепла (наложения температур)? Является ли он строгим? В каких случаях допустимо его применение? ,
Составьте выражения, описывающие процесс выравнивания тепла в неравномерно нагретом теле.
Составьте уравнение распространения тепла в бесконечном теле от линейного непрерывно действующего источника тепла постоянной мощности.
В чем заключается прием внесения фиктивных источников при составлении уравнений тепла в ограниченном теле?
Составьте уравнение распространения тепла в теле с адиабатической границей.
Составьте уравнение распространения тепла в теле с изотермической границей.
Какие типовые схемы применяются при расчетах теплогых процессов при сварке?
v В чем заключается принцип местного влияния при выборе схем расчета процессов распространения тепла?
Напишите уравнение предельного состояния процесса распространения тепла от точечного источника тепла постоянной мощности, движущегося с постоянной скоростью по поверхности полубескоиечного тела, отнесенное к подвижной системе координат. Проанализируйте, как меняется характер передней и задней ветвей температурной кривой при изменении скорости движения источника.
Напишите уравнение процесса распространения тепла при однопроходной сварке пластин в стык. Сделайте анализ этого уравнения.
В чем выражается влияние параметров режима сварки и теплофизических свойств Металла на температурное поле предельного состояния?
Выведите уравнение распространения тепла при наплавке валика на массивное тело мощной быстродвижущейся дугой.
Выведите уравнение распространения тепла при автоматической одно» проходной сварке пластин в стык.
Что такое термический цикл данной точки тела при сварке?
Как изменяются термические циклы точек тела в зависимости от их расстояния от шва?
Каким образом можно найти максимальную температуру нагрева точки тела от подвижного источника тепла?
Какими основными источниками тепла нагревается электрод при ручной и автоматической дуговой сварке?
Какое значение для повышения производительности процесса имеет наличие подвижного токоподвода при автоматической электродуговой сварке по сравнению с ручной?
Дайте определение понятий производительности расплавления и наплавки, коэффициентов расплавления, наплавки, неравномерности плавления электрода и потерь.
Что такое эффективный, термический и полный тепловой коэффициенты полезного действия дуги? Как' практически определяют эти величины?
Какими показателями можно оценивать производительность процессов сварки и наплавки?
Выведите уравнение для определения мгновенной скорости охлаждения в заданной точке свариваемого изделия при наплавке валика на массивное тело.
V/ При решении каких вопросов сварочной науки и техники необходимо использовать и применять закономерности распространения тепла при сварке?