книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов
.pdfДлительность пребывания металла tn выше некоторой тем пературы Т рассчитывается по следующим формулам:
в случае 3 -х мерного температурного поля при наплавке на массивное тело
тзн |
____ 2 д_____. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.25) |
||
4пе |
vh (Тх — Т н) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
в случае 2 -х мерного тем |
||||||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
пературного |
поля |
при |
|
од |
||||||
|
|
нопроходной |
сварке |
листов |
||||||||
|
|
^21 |
64яе |
|
—-—Г-----*------ Т |
|||||||
|
|
|
|
Хер |
Ы |
( Т |
г - |
Т |
п) \ |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.26) |
||
|
|
Коэффициенты |
Тан |
И |
||||||||
|
|
|
4пе |
|||||||||
|
|
т ан |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
определяются |
по но- |
|||||||||
|
|
64яе |
||||||||||
|
|
|
|
(рис. 2 .6 ) |
в за |
|||||||
|
|
мограмме |
||||||||||
|
|
висимости от безразмерного |
||||||||||
|
|
критерия |
1 г Т ” |
■ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
* т— ' н |
|
|
|
|
|||
|
|
Многослойная сварка. |
||||||||||
|
|
Термический |
цикл |
|
при |
|||||||
|
|
многослойной |
сварке |
зави |
||||||||
|
|
сит |
от |
длины |
очередного |
|||||||
|
|
слоя |
(участка). |
длинными |
||||||||
|
|
При |
|
сварке |
||||||||
|
|
участками (0 ,5-М |
м) |
|
наи |
|||||||
Рис. 2.6. Номограммы для определения дли- |
большую |
скорость |
охлаж |
|||||||||
тельности |
нагрева |
дения |
испытывает |
металл |
||||||||
а — при тнf > 0,2; |
б — при тн <0,2 [3] |
первого слоя. Последующие |
||||||||||
|
|
слои |
укладываются, |
|
|
как |
||||||
правило, на металл, подогретый предыдущими слоями.
Для расчета скорости охлаждения первого слоя при сварке соединений различного типа (рис. 2.7) применяется схема на плавки валика на плоский слой (рис. 2.7,а). Скорость охлаж
дения определяется по формуле (2.23). При этом |
в качестве |
q/v и 6 в формулы (2.23) и (2.24) подставляются |
величины |
{й/У)рясч И брасч (рИС. 2.7).
Скорость охлаждения первого слоя уменьшается с ростом погонной энергии и особенно эффективно с увеличением темпе ратуры подогрева.
При многослойной сварке короткими участками (40— 400 мм) термический цикл должен обеспечить пребывание ме талла выше заданной температуры, а также умеренную ско рость охлаждения ниже этой температуры.
Параметры режима сварки короткими участками: qfv — погонная энергия сварки слоя зависит (2.3) от сечения наплав ляемого за один проход металла; I — длина участка; Тя — тем пература подогрева.
Режим сварки короткими участками выбирается из усло вия, чтобы температура шва и околошовной зоны 7"в к моменту
а |
б |
в |
г |
*рич <Г |
iУгв |
6 |
<Г |
Ч/УршаЧ/r |
3/2 q/v |
2/з ч/у |
Узч/у |
Рнс. 2.7. Значение расчетной толщины Ярде н расчетной по гонной энергии (f/aJpac*
укладки второго слоя находилась в нижнем субкритическом ин тервале (от температуры наименьшей устойчивости аустенита до температуры Ты начала мартенситного превращения). При этом длительность пребывания околошовной зоны /в выше тем пературы Гв должна обеспечить оптимальные условия распада
аустенита |
|
в |
пластичный |
|
Сварка |
|
Расчетная |
|
|
|||||
игольчатый |
троостит. |
|
|
|
|
|
||||||||
|
Температуру |
Тъ |
часто |
первого слоя |
1 |
слепа |
|
к |
||||||
принимают на 50 К выше |
1 |
~\Г~ъ - J |
\ Ж Ч » |
1 |
||||||||||
температуры |
Ты |
(470—620 |
|
|
|
\ Тепловые |
||||||||
К |
для |
перлитных |
сталей). |
|
|
|
||||||||
|
Для |
расчета |
температу |
|
|
|
1 потоки |
|||||||
ры |
|
|
|
Xi ■/ |
|
|
||||||||
Тя, |
до |
|
которой |
охлаж |
|
|
|
|
|
|||||
дается |
первый слой, |
прини |
|
1 |
У |
к |
| |
р |
||||||
мается |
схема |
мгновенного |
|
|||||||||||
выделения |
теплоты |
на |
за |
|
Рис. 2.8. Расчетная схема при сварке корот |
|||||||||
вариваемом |
участке |
/ |
(рис. |
|
||||||||||
|
кими участками |
|
|
|||||||||||
2.8). По |
схеме |
линейного |
|
|
|
|
|
|
||||||
быстродвижущегося источника теплоты в пластине (2.16) тем пература точек, расположенных на оси шва:
Т - Т я= --------q |
(2.27) |
об V4яХср/ |
|
Длительность охлаждения первого слоя до температуры Г„ равна
/в = --------- ;— ----------------. |
(2.28) |
4яХср8*о»(Гв— Гв)* |
|
К моменту времени tb должен быть уложен следующий слой. С учетом времени чистого горения дуги /г=//о и времени
перерывов t„ между укладками отдельных слоев время сварки одного слоя
*с = *г +
Длина завариваемого участка, обеспечивающая к началу сварки второго слоя температуру первого слоя выше Тв:
l = t rv = Vctf. |
(2.29) |
где kr= tr/tc — коэффициент чистого горения дуги.
Рис. 2.9. |
Номограммы |
для |
|
определения |
длительности |
||
нагрева |
при сварке корот |
||
кими |
участками: |
в — |
|
a — pi«0; |
б —pi**Otl; |
||
|
Pi“ 0,2 |
|
|
kr= \ для автоматической многодуговой сварки |
и |
Лг= 0 ,6 Ч-0 , 8 |
|||||
для ручной многослойной сварки. |
|
|
|
|
|
||
С учетом (2.28) |
и принимая tc = tB: |
|
|
|
|
|
|
*зМ2______ |
|
|
|
|
|
(2.30) |
|
4ntep64t> (Тл — Т „)* ’ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
где k3— поправочный коэффициент, |
учитывающий |
тип |
свар |
||||
ного соединения. |
ka равен 1,5 |
(соединение |
встык); |
0,9 |
(соеди |
||
Коэффициент |
|||||||
нения тавровое |
и внахлестку); |
0 , 8 (крестовое соединение). |
|||||
Длительность tB нагрева околошовной зоны выше темпера |
|||||||
туры Тв определяют по номограммам |
(рис. |
2.9) |
в зависимости |
||||
от безразмерных параметров btc, Рь 0 . |
|
|
|
|
|
||
Общая длительность сварки п слоев |
|
|
|
|
|||
< с= ~ г — • |
|
|
|
|
|
|
(2-31) |
v k r
Безразмерное расстояние до рассматриваемой точки околошовной зоны
Pi = IУ I |
(2.32) |
где |« /|— расчетное |
расстояние околошовной зоны от источ |
ника (для стыковых швов — полуширина разделки поверху, для угловых швов — половина длины катета шва).
Безразмерный параметр
0 |
= 2 Щ |
(Т’в-'Гн) |
(2.33) |
|
krkqq |
||
где |
kq— коэффициент |
приведения мощности дуги, равный 1 , 0 |
|
для стыкового, 0,67 для таврового и нахлесточного и 0,6 для крестового соединения.
Коэффициент |
поверхностной температуроотдачи расчетного |
||
стержня сечением F=6l |
|||
. _ |
2а |
|
|
|
срб„р |
’ |
|
где.6 Пр= 2 F/p |
(р/ 2 |
— половина периметра). |
|
Продолжительность пребывания околошовной зоны послед него слоя выше температуры Ть определяют приближенно по формуле
Длительность нагрева выше заданной температуры тем больше, чем больше поперечное сечение шва.
2.4.3. Расчет проплавления основного металла
Геометрические размеры сварочной ванны и валика шва харак
теризуются следующими |
параметрами (рис. 2.10): L — длина |
|||
ванны; В — ширина |
ванны, Н — глубина |
проплавления, |
А — |
|
величина усиления |
шва, |
Fnp — площадь |
проплавления, |
F„ — |
площадь наплавки. Форму зоны проплавления оценивают отно сительной глубиной проплавления Н[В или коэффициентом
формы провара Чrap=BfH, а |
также коэффициентом |
полноты |
|
р |
|
|
|
проплавления Рпр= ■НВ |
. Величина цПр изменяется в пределах |
||
0,6—0,8. Максимальные |
Н\В |
при дуговой сварке |
достигают |
значений порядка 3 (сварка под флюсом). Очертания зоны на
плавки характеризуют коэффициентом |
формы р валика Чгв = |
|
=В/А и коэффициентом полноты валика |
Дв= |
• |
Тепловую эффективность процесса проплавления оценивают термическим % или полным тепловым т)пр к. п. д. процесса про плавления основного металла:
4t = |
vF прР5ПЛ |
|
|
|
|
|
|
(2.35) |
------------ ; |
|
|
|
|
|
|
||
|
я |
|
|
|
|
|
|
|
|
vFпрР$пл |
|
|
|
|
|
|
(2.36) |
Ппр — |
|
|
|
|
|
|
||
|
U I |
|
|
|
|
|
|
|
где s„„ — теплосодержание единицы |
веса |
расплавленного |
ме |
|||||
талла, включающее скрытую теплоту плавления. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
При расплавлении ме |
||||
|
|
|
талла. |
массивного |
тела |
|||
|
|
|
точечным |
|
источником |
|||
|
|
|
теплоты |
термический |
||||
|
|
|
к. п. д. тр выше у мощ |
|||||
|
|
|
ных дуг, |
перемещающих |
||||
|
L _ |
|
ся |
с большой |
скоростью, |
|||
|
Q Q |
и |
может |
достигать |
пре |
|||
|
|
|
||||||
|
L |
|
дельного |
значения 0,368. |
||||
|
|
|
В |
случае |
мощного |
|||
|
|
|
|
|||||
Рис. |
2.10. Форма |
сварочной ванны |
быстродвижущегося |
ли |
||||
нейного источника тепло |
||||||||
|
|
|
ты |
в |
пластине предель |
|||
ное значение тр достигает 0,484.
При сварке швов, образуемых преимущественно наплавлен ным металлом, тепловую эффективность процесса характери зуют полным тепловым к. п. д. процесса наплавки:
Лнап : |
^ нр5пл |
(2.37) |
|
U I |
|
Используя |
формулы (2.35) —(2.37) |
и задаваясь значениями тр, |
Лпр, т)нап, можно рассчитывать величины Fщ> и F„. Производительность процесса сварки gc оценивают суммой
веса проплавленного в единицу |
времени основного металла |
g„Pи наплавленного присадочного металла gHan: |
|
Япр = pvFПр1 Янап = PVFн- |
(2.38) |
Производительность наплавки |
gHan зависит от производи |
тельности расплавления электродной проволоки gp: |
|
Янап = Яр (1 — £п)> |
(2.39) |
где £„ — коэффициент пртери металла электрода |
и ванны (при |
сварке открытой дугой £„= 0,054-0,2; при сварке |
под флюсом |
£„= 0,014-0,02). |
|
Удельная производительность наплавки характеризуется коэффициентом наплавки
а„ = |
г/(А с). |
(2.40) |
Размера сваРочн°й ванны. Теоретически очертание ванны расплавленц0 1-о металла соответствует очертанию изотермиче ской поверхности температуры плавления Т„„. Однако извест ные расчетное схемы не учитывают распределенности источ ника нагреву скрытой теплоты плавления, переменности зна чений теплофнзических констант и др. Вследствие этого расчет позволяет оценить размеры ванны приближенно.
Длина Ванны при наплавке валика на массивное тело
L = ------- |
SL___. |
Экспериментально получены попра вочные коэффициенты для более точно го определения размеров ванны.
Для однопроходной сварки длина и ширина сварочной ванны определяются соотношениями
L = |
1 |
Д2 |
(2.42) |
0,050з-----. ------- |
— ~— ; |
||
|
m |
|
|
В = |
0,242. |
|
(2.43) |
пчсрбТпл
Вслучае электродуговой сварки стали
СтЗ коэффициенты т = 0,0007 |
q/v, п — |
|
|
|||
=0,00049 q/v — 0,2. |
(2.43) |
можно |
|
|
||
Зависимости |
(2.42) и |
Рис. 2.11. |
Схема нагрева |
|||
использовать для |
расчетов |
при |
электро- |
массивного тела нормально |
||
круговым |
источником теп |
|||||
шлаковой сварке. В этом случае |
т = 1,2, |
|
лоты |
|||
я =0,95. |
|
при |
электрошлаковой |
сварке |
||
Глубина проплавления |
||||||
Нпр |
Я |
/ |
|
|
|
(2.44) |
vcpbTпл |
* |
|
|
|
||
|
2 |
|
|
|
|
|
где f — сварочный зазор (рис. 2.14).
2.5. Учет распределенности источников теплоты
Большинство сварочных источников теплоты являются нор мально распределенными. Тепловой поток в пятне нагрева рас пределен (рис. 2 .1 1 ) по нормальному закону
Яг = 42т е _ *"а. |
(2-45) |
где k — коэффициент сосредоточенности теплового потока ис точника, зависит от способа и режима сварки.
При расчетах радиус пятна нагрева принимают равным рас
стоянию, |
на котором |
удельный тепловой поток </2 (гн) равен |
0,05 <?2 т, |
т. е rH= dJ2 |
(см. рис. 2 .1 1 ). |
Условный расчетный диаметр пятна нагрева |
||
d„ = 3,46/У * • |
(2.46) |
|
Процесс распространения теплоты в пластине от мгновен ного нормально кругового источника выражается зависимо стью
qdt |
Га |
4а «+<„) |
|
dT |
(2.47) |
срб4яа (< + |
<0) |
где dt — время действия мгновенного нормально кругового ис точника эффективной мощностью q\ to—\/4ak — условное время действия фиктивного сосредоточенного источника, формирую щего в соответствии с расчетной схемой температурное поле распределенного источника к моменту его введения.
В случае введения мгновенного нормального кругового ис точника на поверхности полубесконечного тела
2qdt_________ 1 |
г3 |
|
г1 |
|
4а «+(„) |
1 |
4at |
||
ср |
4яа (f + |
10) |
(4яа<),/2 |
(2.48) |
|
||||
Температурное поле подвижного нормально кругового ис точника в пластине на стадии теплонасыщения может быть рассчитано по формуле
7' = г пре*"”[^ 2 (Р2: *2 + * о )-*2((У . то)]- |
(2-49) |
где Ч'г— коэффициент теплонасыщения (см. рис. 2 .2 , 6 ); |
Гпр — |
температура, определяемая по формуле (2 .8 ). |
|
Безразмерное время |
|
т.= ( - £ - + *)/,,
Впредельном состоянии при t-*~оо
Т = Т„р е « * [1 - Т 2(Р2; то)]- |
(2-50) |
В случае быстродвижущегося мощного нормально кругового источника в пластине
У» —Ы
4а«+<„)
(2.51)
vS [4яо (/ + <„)1, / 2
При большой скорости перемещения быстродвижущегося мощного нормально кругового источника по поверхности полу
бесконечного тела температурное поле может быть рассчитано по схеме нор>*ально линейного источника
_ _2?______ у*
Т = — |
а |
Ш |
4а (t+t0) |
------------- ГлГ" е |
|
(2.52) |
|
2л Л 1'< '+ 'о ) 1,/2 |
|
|
|
Такой источНик нормально распределен по линии, перпендику лярной напрЯвлению его движения (оси Ох).
В формулах (2.57) и (2.58) t — время, отсчитываемое от мо мента пересе(,ения распределенным источником плоскости, в ко торой находи™ рассматриваемая точка.
2.6. Особенности тепловых процессов при различных видах сварки
2.6.1. КонтакТная сварка стержней
Нагрев стержней ПРИ контактной стыковой сварке осуществля ется проходЯЩим током плотностью j. Температуру нагрева АТ можно представить (рис. 2.12) как сумму
ДТ = ДГх + ДТ’г. |
(2.53) |
где ATi — равномерная составляющая, вызванная работой тока
на |
удельном |
сопротивлении |
металла |
рг; |
— неравномерная |
||||
составляющая, вызванная контактным сопротивлением R. |
|||||||||
|
Равномерная составляющая |
|
|
|
|
||||
|
ДГ! = |
—?— (eptDo' — 1), |
|
|
|
|
(2,54) |
||
|
|
|
р |
|
|
|
|
|
|
|
ч е |
|
» . - ( - * г ) / - |
|
|
|
|
(2-55) |
|
Значения |
|
и коэффициента р приведены в табл. 2.3. |
|||||||
|
Неравномерная составляющая АТг рассчитывается по-раз |
||||||||
ному в |
зависимости от способа контактной сварки. |
|
|||||||
|
Контактная сварка сопротивлением. На стадии нагрева |
||||||||
|
Д7\, = . |
Ог___+р“0' |
|
|
|
|
(2.56) |
||
|
ср ^4я at |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
х — расстояни1е от стыка |
до сечения, в |
котором |
определя |
|||||
ется температура. |
|
выделяющейся в |
стыке: |
||||||
|
Удельное |
количество теплоты, |
|||||||
|
|
/ |
|
|
|
|
|
|
|
где |
k — коэффициент, зависящий |
от |
свойств |
металла |
и удель |
||||
ного давления |
(см. табл. 2.4). При большем удельном давлении |
||||||||
коэффициент k меньше. |
|
|
|
|
|
||||
Температура сваривания металла (для стали 1520—1620 К) в стыке достигается при определенной продолжительности на
грева t„. |
Значения |
произведений j2t„ приведены в табл. 2.4. |
|||||
На стадии выравнивания температур после окончания на |
|||||||
грева при t> tH |
|
|
|
|
|
|
|
ДТг |
ДГхи |
Х + 1 |
|
х — 1 |
|
|
|
2 |
V v - |
*«) |
V4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|||
где ДТш — температура ДГ1 |
в момент окончания нагрева; Ф — |
||||||
функция |
интеграла |
вероятности, берется по таблице в зависи |
|||||
|
|
|
мости от величины аргумента: |
||||
|
|
|
Д |
= _____ % |
_ е- ^ |
Г +Р4,“<н |
|
|
|
|
|
ср д / Anat |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.57) |
|
|
|
В |
формулах |
(2.63) |
и (2.64) |
|
|
|
|
t — полное время с |
момента на |
|||
|
|
|
чала |
нагрева. |
сварка |
с преры |
|
|
|
|
Контактная |
||||
Рнс. 2.12. Схема нагрева стержней при |
вистым подогревом |
и |
последую |
||||
|
стыковой сварке |
|
щим |
оплавлением. Прерывистый |
|||
|
|
|
подогрев рассматривают как не- |
||||
прерывный в течение времени tH током меньшей |
плотности |
||||||
где |
— суммарная |
длительность |
периодов включения тока |
||
плотностью /. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ТАБЛИЦА 2.3 |
|
ЧИСЛЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ РАСЧЕТА |
||||
|
|
НАГРЕВА СТЕРЖНЕЙ [3] |
|
|
|
|
Материал |
( — ^ ИР, |
0-1О3, |
(/«<„)• 10- ’ |
л-ю -1, |
|
V СР /0 |
1 |
А«с |
Дж-А |
|
|
|
мм4-град |
град |
ММ4 |
мм4 |
|
|
Аа-с |
|||
|
|
|
|
|
|
Сталь |
10 |
3,6 |
3,8 |
8,9—9,3 |
8 — 10 |
Сталь |
45 |
5,25 |
3,0 |
7,2—7,5 |
7—9 |
Сталь |
25НЗ |
5,6 |
2,23 |
7,5—7,8 |
9— 10 |
Сталь Р 18 |
12 |
0,64 |
12,4 |
7,5—9 |
|
Сталь |
нержавеющая |
16,7 |
0,28 |
6,2 |
3,8—5 |
(18-8) |
|
|
|
|
|
Алюминий |
1,35 |
2,33 |
25 |
7—7,5 |
|
Медь |
|
0,53 |
2 ,8 |
85—88 |
5—5,5 |
Температуру ATi |
определяют |
по формуле (2.60) с заменой |
||||
/ на /эф в формуле (2.61). |
|
|
|
|||
Неравномерная составляющая |
|
|
||||
|
АТ, = |
|
4at |
bp(o°< |
dT |
(2.58) |
где |
qi = t/к /9ф — мощность |
плоского источника |
теплоты. |
|||
|
|
|
|
I-------7 |
|
|
|
|
|
|
\ |
|
|
|
у |
£ 2 |
0 |
\ |
|
|
|
|
|
|
|
||
йТ, |
Удсдрш0 |
|
|
|
|
|
„ |
|
|
|
|
|
|
z |
Чг |
|
|
|
|
|
1,0 Т
0,1
0,8
о,г |
о,* |
о,б |
о,8 |
1,о |
и |
i,4fi(o0t |
Рис. 2.13. Номограмма |
для определения |
температуры |
стержней |
при прерывистом |
||
|
|
догреве [2) |
|
|
|
|
Параметр UK,«0,4-H0,6 В (более высокие значения пара метра соответствуют малым скоростям перемещения зажима
машины и большим сечением стержней). |
|
|
Численное |
определение ДТ2 производят по номограмме |
|
(рис. 2.13) |
через безразмерные параметры: |
температуру |
Л7у лДсрршо |
время соРо/ и расстояние х |
T ‘ |
<7» |
V J |
|