Технологические основы сварки плавлением и давлением

        Для относительного удлинения шва в % :

δш= 50,4 – (21,8C + 15Mn + 4,9Si + 5,8Cr + 2,4Ni + 2,2W + 6,6Ti + 6,2Cu) + 17,1Al + 2,7Mo,                                                             (8.4)

        Для ударной вязкости шва при Т=293К, кГс  м/см

aнш= 23,3 – (25,7C + 6,4Mn + 8,4Si + 2,4Cr + 1,6Ni + 0,5W + 15,4Ti + 4Cu + 18Al + 1,4Mo),                                                        (8.5)

        Для предела текучести шва

σтш=0,73σвш                                                    (8.6)

ΗΒ=3,16σв , гк/мм2

(ωахл=3˚С/с).

        Для относительного поперечного сужения

Ψ=2,32δш.

        В этих формулах значение каждого компонента принято в %. Формулы (8.3) и (8.6) справедливы при условии, что концентрация указанных элементов лежит в пределах:

C    ≤   0,3%;      Si    ≤   1,0%;     Мn   ≤    2,5%;      Cr   ≤   3,0%;       Ni    ≤   3,0%;

Mo  ≤   1,0%;     Cu   ≤   3,0%;      Al    ≤   0,75%;      Ti   ≤  0,35%;      W    ≤   2,0%.

Формулы справедливы для случая, когда скорость охлаждения металла не более 30С/с. Если расчетные механические характеристики шва ниже характеристик основного металла, следует увеличить высоту шва (при σтш < σтом), изменить режим сварки или заменить сварочные материалы.

Суммарное содержание всех легирующих элементов не превышает 5% и скорость охлаждения металла шва не превышает 2 С/с (т.е. отсутствует эффект закалки).

Химический состав металла шва влияет, прежде всего, на его структуру и механические свойства, от него зависят технологическая и эксплуатационная прочность шва. Химический состав металла шва определяется составом основного и электродного металла и долей их участия в металле шва, а значит способом и режимом сварки.

Поэтому при оценке режима сварки по структурным критериям может возникнуть необходимость его корректировки.

    Состав металла шва в пределах одного слоя является полностью однородным. Поэтому в расчётах химсостава слоя или шва учитывается доля участия основного металла шва

[X]ш = [X]ом γ + [X]э(1- γ) + ΔΧ‚                             (8.7)

где [Х]шва – содержание элемента в шве или проходе, %;

      [X]оме – содержание элемента в основном металле, %;

      [X]э – содержание элемента в присадке;

       ΔΧ-  изменение содержания элемента в процессе сварки (см. приложение 7,

 таблица 2)

          γ – доля участия основного металла в металле шва;

          п – доля участия присадочного металла в металле шва;

γ=Fпр/(Fпр+Fн)=Fпр/Fш;                                    (8.8)

п=Fн/(Fн+Fпр)=Fн/Fш‚                                       (8.9)

где Fн – площадь наплавки;

      Fпр – площадь проплавления;

      Fшва – общая площадь шва.

              доля участия может быть определена по графикам (рис5) и таблице (см. приложение 7,

               таблица 1)

     1   2     3    4    5    6     7  8   9   10  11  12  13 14 15 16  Номер   слоя

б)

                      2О     40      60        80      Vм/ч Скорость с&арки

Рис. 5.

Доля участия основного металла в шве при ручной (а) и

автоматической сварке (б).

1,2 - стыковой шов без разделки кромок при] = 70-100 А/мм2

и при] = 40-50 А/мм2 соответственно ;

3,4 - шов таврового соединения при] = 70-100 и] = 40-50 А/мм2

соответственно.

 При расчете состава металла следующего валика необходимо учитывать долю участия основного металла и предыдущего валика. Содержание элемента в металле (п-го шва):

       Xn = Хом  γ o + Хn-1 γ n-1+ Xэ (1 - γ 0 – γ n-1) ± ΔХ                               (8.10)

          Поскольку в наиболее неблагоприятных условиях находится именно корневой проход (при многопроходной сварке), обычно ограничиваются расчетом его химического состава.

Если свариваются разнородные стали одного структурного класса, доля участия каждой из них составляет γо1 = γо2 = 0,5 γо.

Если свариваются стали перлитного и аустенитного класса, то

   γоА = 0,6 γ0;       γоп = 0,4 γо Тогда содержание элемента в металле шва рассчитывается по выражению:

                  Хш = ХомА • γоА + Хомп■ γп + (1 - γ n-1) Xэ ± ΔХ    (8.11)

              Полученный состав по условиям сопротивляемости горячим трещинам и эксплуатационной ударной вязкости должен содержать определенное количество легирующих элементов.

Технологическая прочность металла аустенитного шва (сопротивляемость горячим трещинам) обеспечивается при содержании в структуре не менее 2% ферритной фазы. Если изделие эксплуатируется при Т = 375°С, количество ферритной фазы допускается не более 8% (иначе происходит охрупчивание). В остальных случаях допускается до 20%.

Количество структурных составляющих в металле определяется по диаграмме Шеффлера (рис 6). Для этого предварительно подсчитывается эквиваленты хрома и никеля (%):

Сч экв=Сч+Мо+1,5Si+0,5Nb+V+3,5Ti

Niэкв=Ni+30C+0,5Mn.

Если химический состав или структура металла шва не удовлетворяют установленным требованиям, необходимо выбрать другие сварочные материалы или изменить режим сварки (долю участия основного металла γо).

Niэкв.%

4      8       /2    Г6    20   24      28   32    36   ,Сч экв,%

                                                                             Рис. 6. Диаграмма Шеффлера

9. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПРОЦЕССА СВАРКИ ПО СТРУКТУРНЫМ КРИТЕРИЯМ

9.1. Низкоуглеродистые стали.

Механические свойства металла шва при сварке низкоуглеродистых сталей зависят только от скорости остывания и пластических деформаций металла шва в процессе его остывания.

Фактическая   мгновенная  скорость  охлаждения   (°С/с)  рассчитывается  по формулам Н.Н.Рыкалина для температуры наименьшей устойчивости аустенита (для низкоуглеродистых сталей Тт= 500 °С).

 при наплавке на массивное изделие:

                        W0=2pl(Тм-Т0)2/ gп                                                                        (9.1)               

при сварке листов встык со сквозным проплавлением

                       W0=2plcp (Тм-Т0)3/ ( gп/d )2                                                      (9.2)            

при двусторонней сварке для каждого прохода

                          W0= w2pl(Тм-Т0)2/ gп                                                                  (9.3)

Безразмерный критерий процесса w=¦(1/q) определяется по рис.7.

                    1/q=2  gп /  pcp  d 2(Тм-Т0)                                  (9.4)         

Скорость охлаждения 1-го (корневого) слоя при сварке в глубокую разделку вычисляется по формуле (9.3). При этом в формулы (9.3) и (9.4) подставляется

g ппр= gп  180/180-a; и dпр=d•к2, где: a- угол разделки: к2 = 1.5 - для стыкового шва,

к2 = 1 - для углового.

Предел прочности, предел текучести, твердость по Бринеллю и относительное сужение металла рассчитывается по формулам:

                                                sьш=¦(sь)sьом

                                                sтш=¦(sт)sтом

                                               yш=¦(y)yом

                                                НВш=¦(sь)НВом

коэффициенты, ¦(sь );¦(sт); ¦(y) определяемые по рис.3.                                                       

                   9.2. Низколегированные стали.

При расчете механических характеристик металла шва для низколегированных сталей, имеющих значение эквивалента углерода, определяемое по формуле (2.4), С, > 0,21, также необходимо учитывать влияние эффекта закалки, если скорость охлаждения металла шва более 3°С/с. В этом случае механические характеристики, определенные по формулам (4.7) - (4.11), необходимо умножить на коэффициенты, определяемые по графикам на рис. .

                             9.3   Закаливающиеся стали

  К ним относятся стали, содержащие более 0,25%С, а также стали, имеющие эквивалент углерода С> 0,45%.

При повышенном содержании углерода и других легирующих элементов мартенсит обладает повышенной хрупкостью, и именно его образование определяет склонность стали к холодным трещинам.

Существует несколько способов расчетной оценки возможности закалки на мартенсит и определения оптимальных условий сварки.

Использование диаграмм термокинетического распада аустенита (приближенная оценка). На термокинетическую диаграмму наносится расчетная кривая скорости охлаждения при сварке на выбранных режимах, полученная расчетом значений мгновенной скорости охлаждения при различных значениях температуры, и устанавливается вероятная структура и твердость металла. Термокинетические диаграммы некоторых сталей приведены в работе/7/.

Использование диаграмм изотермического распада аустенита. Для получения в околошовной зоне металла, в котором будут отсутствовать закалочные структуры, необходимо, чтобы средняя скорость охлаждения в интервале температур от T1 до (Тm - 55) не превышала предельного значения:

                                  Wкр= T1 - (Тm - 55)/ 3t min                 (9.5)

 где: T1 - температура, соответствующая точке Ас на диаграмме

Fe - С;

Тm, tmin - соответственно температура минимальной устойчивости аустенита, °С, и минимальная продолжительность полного изотермического распада аустенита, с.

Использование результатов стандартных испытаний. При сварке некоторых сталей скорость охлаждения должна находиться в некотором интервале, чтобы не только исключить закалку, но и не допустить роста зерна, то есть должно быть выполнено условие:

                                                 W0min < Wo < W0min                (9.6)

В этом случае расчетное значение скорости охлаждения, полученное по формулам (8.1) - (8.3), сравнивается с допускаемыми значениями (приложение 8).

Если W0 < Wmm, следует погонную энергию дуги уменьшить.

Если W0 > Wmax, следует ввести подогрев. Температуру подогрева То можно определить из формул (8.1) - (8.3), подставляется в них W0 = Wmax.

Ориентировочно Т0 вычисляется по методике Сефериана, учитывающей химический состав стали и ее толщину

Т0 = 35оУс,-0,25                                                        (9.7)

Сэ = Сх (1 +0,005d),

где d - толщина металла, мм.

Здесь эквивалент углерода вычисляется по формуле:

Сх = С + (Мп + С,) /9 + Ni/18 + Mo/1

   Полученная температура подогрева должна быть проверена по формулам

 (5.1) - (5.3) и при необходимости откорректирована.

                                       9.4. Высокопрочные стали (С < 0.2° о).

При содержании С < 0.2% образуется так называемый дислокационный мартенсит, обладающий высокой пластичностью. Поэтому склонность к холодным трещинам определяется не только образованием мартенсита (допускается в составе структуры до 30%), сколько содержанием водорода.

По рекомендации /4/ значения критических скоростей охлаждения вычисляется по формулам:

Womin = x ехр [5.637 - 8.723 (Рсм + Н/60)]                    (9.8)

Womin = -3.1 + 19.2 Рсм,                                                  (9.9)

где Рсм - показатель, учитывающий влияние химического состава стали:

               Рсм = С+Мn/20 + Сr/20 + Си/20 +Si /30+Ni/60+Mo/15 + V/10    (9.10)

Н - содержание водорода в металле шва, см3/100 г мет.

x=1-0.24(d/dк-1 )-0,12 ((d/dк-1)2             при d > dк

x= 1 при d < dк

 Критическая толщина равна (мм):

dк = 6,3+ 155(Рсм + Н/60)

Фактическая скорость охлаждения, вычисленная по формулам (9.3) - (9.5), сравнивается с критическими. При W0 < W0min следует уменьшить погонную энергию дуги. При W0 > W0max - ввести подогрев.

Температуру подогрева рекомендуется вычислять по выражению:

То = 350 {1 - ехр [-5 (Рс - 0,27)]}                              (9.11)

Где           Рс= Рсм+Н/60+d/600                                               (9.12)

11.                        ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПО КРИТЕРИЮ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ МЕТАЛЛА СОЕДИНЕНИЯ

Вследствие нагрева при сварке нержавеющей стали происходят структурные изменения, вызывающие межкрисаллитную коррозию. Коррозионная стойкость минимальна в интервале температур 680-780°С и зав сит от времени пребывания металла в этом интервале.

Установлено, что для сохранения стойкости металла шва и околошовной зоны против коррозии фактическое время пребывания металла при опасных температурах t,}, должно быть меньше критического tk-p. Существует следующая зависимость:

                                                        t кр >1,45å t Ф     (10.1)

или

                                                       t кр > К t ф, + К1 å t Ф  (10.2)

где' tф1 - время пребывания при "опасных" температурах определяемого слоя, с;

åtф - суммарное время воздействия всех следующих слоев;

К и K1 - поправочные коэффициенты, равные соответственно 2,1 и 1,74.

Время пребывания металла в опасном интервале температур можно вычислить по формуле:            

                                           tф= (780-680)/ Wcp                                                                                                                     

Wcp - среднее значение скорости охлаждения в интервале температур 680-780° или при температуре 730°, вычисляется по формулам (8.3), (8.4)

 или (8.5)(Тm = 730°).

Критическое время определяется из графика (рис.78/5/). В случае несоблюдения условия (9.1, 9.2) необходимо уменьшить значение погонной энергии.

11. ОБОРУДОВАНИЕ  ДЛЯ  РАЗЛИЧНЫХ  СПОСОБОВ  СВАРКИ

        Для компоновки рабочего места при РДС или механизированной сварке необходимо иметь источник питания, который назначается исходя из параметров режима, получаемых по расчёту.

        При РДС основные элементы: сварочный кабель, электродержатели, маски назначаются по ГОС 14651 – 69, ГОСТ 1361 – 69. Светофильтры марки Э также применяются в зависимости от силы сварочного тока (ГОСТ 9497 – 60).

        Оборудование для механизированной и автоматической сварки в защитных газах и под флюсом назначается согласно рекомендациям в литературе /5/.

    10.РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОДОГРЕВУ И ТЕРМООБРАБОТКЕ

ПОСЛЕ СВАРКИ

В отдельных случаях при больших значениях углерода требуется подогрев перед сваркой (табл.12).

Таблица 12

 Если в результате сварки складываются неблагоприятные структуры, то необходимо после сварки термообработка по определённому режиму (табл.13).

Таблица 13

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

Ориентировочные режимы сварки

Стыковые швы

                                               Однопроходная                Многопроходная       Примечание:

                                                                                                                                                                                                                                                n – число проходов.

                                                          Многопроходной

Угловые швы

                                                       Однопроходные                              Многопроходные

                                                           Многопроходной

Определение величины сварочного тока Iсв: Iсв=50 dэ

Примечание: прихватку выполняют электродом dэ =4мм.

Примечание: 1. При сварке проволокой диаметром 1,4мм вылет электрода lэ=10 – 15мм; для    диаметра dэ=2,0 lэ=20 – 25мм, соответственно.

                       2. Расход углекислого газа Q=1000 – 1200л/ч.

                            3. Прихваточные швы выполняются диаметром проволоки dэ=1,4мм за один    проход для соответствующей толщины (катета)

*    Режимы сварки угловых швов при горизонтальном положении стенки.

**  При сварке в положении "в лодочку".

Таблица 2

Сварочное оборудование

Примечание: 1.  Технические характеристики сварочного оборудования должны соответствовать значениям параметров режима сварки.

2.  Механизированную дуговую сварку в углекислом газе необходимо выполнять на постоянном токе обратной полярности (плюс на электроде).

3.  Ручная дуговая сварка выполняется на переменном токе, что экономически  выгоднее, чем на постоянном токе. Постоянный ток применяется, если это необходимо по технологическим условиям на марку электрода (см.табл.7).

 4.  Автоматическую дуговую сварку под флюсом для конструкций группы 1 предпочтительно выполнять на постоянном токе обратной полярности.

Таблица 3

Сварочные материалы для сварки металлических конструкций

Примечание: 1.  Марки электродов для ручной сварки позволяют выполнять швы в любом  пространственном положении.

                       2.  Сварочные материалы для прихваток выбираются так же, как и для сварки   швов.

                            3.В методических указаниях рассматриваются стыковые и угловые швы.

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.     Юрьев В.П.  Справочное пособие по нормированию материалов и электроэнергии для сварочной техники. – М.: Машиностроение, 1972. – 186с.

2.     Технология и оборудование сварки плавления /Под ред. Н.А.Никифорова. – М.: Машиностроение, 1986. – 216с.

3.     Сварочные материалы для дуговой сварки: В 2 т./Под ред. Н.Н.Потапова. – М.: Машиностроение, 1989. – 540с.

4.     Сварка в машиностроении: Справочник: В 4 т/Под ред. Н.А.Николаева. – М.: Машиностроение, 1979. – 2018с.

5.     Акулов А.И. и др. Технология и оборудование сварки плавлением. – М.: Машиностроение, 1977. – 432с.

6.     Технология электрической сварки металлов и сплавов /Под ред. Б.Е.Патона. – М.: Машиностроение, 1974. – 756с.

7.  Акулов А.И. Сварка в машиностроении: Справочник: В 4 т/ М.: Машиностроение-   1978г.

Страницы: 1, 2, 3