Расчет режимов сварки

4.1 Расчет режимов сварки для ручной дуговой сварки покрытыми электродам и.

Определение режимов сварки обычно начинают с диаметра электрода, который назначают в зависимости от толщины листов при сварке швов стыковых соединений.

Так при толщине листов 4-8 мм диаметр электрода равен, [3, C. 180]: d_э = 4 мм.

При ручной дуговой сварке в соответствии с ГОСТ 5264-80 установлены следующие геометрические размеры подготовки кромок под сварку и размеры сварного шва, которые приведены в таблице 6.

Таблица 4.1 - ГОСТ 5264-80, геометрические размеры подготовки кромок под сварку и сварного шва

Условное обозначение сварного соединения	Конструктивные элементы	S=S1	b	e, не более	g
подготовленных кромок свариваемых деталей	сварного шва	Номин.	пред. откл.		Номин.	пред. откл
С2					+1,0 -0,5		+1,0 -1,0

Расчет производим согласно формулам [3,C.180]:

Определим площадь поперечного сечения наплавленного металла по формуле:

(1)

Данные (смотри таблицу 6) подставим в формулу (3) и получим:

Определим силу сварочного тока.

При ручной дуговой сварки сила тока выбирается в зависимости от диаметра электрода и допускаемой плотности тока:

, (2)

где d_э – диаметр электрода;

j – плотность тока, согласно [3,С.182, таблица 40] для электродов с фтористо-кальциевым покрытием и диаметром 4мм, плотность тока равна:j = 10 – 14,5 А/мм².

Тогда, сила тока равна:

А.

Расчетные значения тока отличаются от фактических, то для электродов марки ЦЛ-11 диаметром 4мм для сварки в нижнем положении по ГОСТ 9466-60, принимаем:

Определим напряжение дуги по формуле:

, (3)

.

Напряжение дуги при ручной дуговой сварке изменяется в сравнительно узких пределах и при проектировании технологических процессов сварки выбирается на основании рекомендаций сертификата на данную марку электродов, [3,c.182].

Для вычисления величины сварочных деформаций и некоторых других расчётов бывает необходимо учесть тепловое воздействие на свариваемый металл, определяемой погонной энергией, [3,с.182]:

(4)

где U_д- напряжение дуги, В;

η_и - эффективный К.П.Д. дуги; для дуговых способов сварки он равен,[4. с.25]: η_и= 0,6 ÷0,9;

V_св- скорость сварки, которая определяется по формуле, [3,с.183]:

(5)

где α_н – коэффициент наплавки, г/А·ч; α_н=11,5 г/А·ч;

γ – плотность наплавляемого металла γ = 8,1 г/см³;

F_н – площадь наплавленного металла; F_н = 0,22 см² .

Таким образом: .

V_св=10,3м/ч.

Следовательно, погонная энергия равна:

.

Определим количество проходов, которое необходимо для образования соединения.

Согласно [5, С.7], количество проходов определим по формуле:

(6)

где F₁ – площадь поперечного сечения металла наплавляемая за один проход;

F_n - площадь поперечного сечения металла наплавляемая за последующий проход.

Площадь поперечного сечения металла наплавляемая за один проход определим по формуле, [5, С.6]:

(7)

где d_э – диаметр электрода; d_э = 4 мм.

Таким образом:

.

Площадь поперечного сечения металла наплавляемую за последующий проход определим по формуле, [5, С.6]:

(8)

Тогда: .

Следовательно количество проходов равно:

.

Принимаем n = 1.

Максимальную температуру на расстоянии r рассчитывают по формуле:

отсюда получаем изотермы плавления:

, (9)

где qп - погонная энергия.

где qэ-эффективная тепловая мощность источника, Вт

где сρ= 4.7 Дж/см3·град – объемная теплоемкость.

Подставляя значения получим:

Для одного прохода:

Глубина провара

Примем глубину провара равной 4,6мм.

Для этого определим площадь проплавления по формуле

;

где е=8мм – ширина шва, Н=3,9мм – глубина провара, (на основании таблицы 17).

;

Площадь наплавленного металла .

Рассчитаем долю участия основного металла в металле шва по формуле[1,cтр.85]:

где Fпр- площадь проплавления;

Fн- площадь наплавки.

Тогда: γ₀= .

Определим расстояние от центра сварочной ванны до изотермы плавления, которая для низкоуглеродистых сталей вычисляется по формуле, [3, С.184]:

, (10)

где е = 2,718;

q_п = 10150 Дж/см;

Т_пл = 1425°С;

- объемная теплоемкость Дж/см3·град (для аустенитных сталей = 4,7Дж/см3·град);

Таким образом:

.

Определим глубину провара по формуле [3, С.184]:

(11).

Таким образом:

.

В ходе данных расчётов выбрали режимы для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, которые обеспечивают формирование геометрии шва согласно ГОСТ 5264-80.

4.2 Для сварки под слоем флюса.

Таблица 4.2 -Тавровое сварное соединение С2 для дуговой сварки под флюсом.

(ГОСТ 8713-79).

Условное обозначение сварного соединения	Конструктивные элементы	S=S1	b	e, не более	g
подготовленных кромок свариваемых деталей	сварного шва	Номин.	пред. откл.		Номин.	пред. откл
С2					+1,0 -0,5		+1,0 -1,0

Для сварки под флюсом пластин толщиной 5мм принимаем диаметр проволоки d_э=2мм.

1) Площадь наплавленного металла:

F_н=К²/2, (12)

где К - катет шва, мм;

F_н=7²/2=24,5мм²=0,245см²

2) Сила сварочного тока I_св:

I_св=π×d_э/4 × j, (13)

где d_э – диаметр электрода, мм;

j – допускаемая плотность тока, А/мм² [1, с. 196].

I_св=((3,14 2²)/4) 150=471 А

3) Напряжение дуги:

U_д=20+50×10^-3/ _э ×I_св, (14)

U_д=20+((50 10^-3)/ ) 471) =36,8 В.

4) Скорость сварки:

V_св=(α_н I_св)/(3600 γ F_Н), (15)

где α_н - коэффициент наплавки, г/А ч;

γ=8,1 – плотность наплавленного металла, г/см³.

Так как при сварке под флюсом потери металла составляют 2-3%,то α_н»α_р.

α_р=6,3+((70,2 10^-3)/(d_э^1,035)) I_св, (16)

α_р=6,3+((70,2 10^-3)/(2^1,035)) 471 =22,44 г/А ч

V_св=(13,46 471)/(3600 8,1 0,25)=0,86 см/с=30,96 м/ч

5) Погонная энергия:

g_п=I_св×И_g×η_и/V_св, (17)

где I_св - сварочный ток;

И_g - напряжение;

V_св - скорость сварки;

η_и=0,85 0,95 – эффективный КПД для дуговых методов под флюсом.

g_п=(471 36,8 0,85)/0,86=17,13 кДж/см=4111,2 кКалл/см

6) Глубина провара:

H= А , (18)

где А=0,0156 для сварки под флюсом.

Ψ_пр= К (19-0,01 I_св) , (19)

где К – коэффициент проплавления.

К=0,367×i^0.1925 , (20)

К=0,367×45^0,1925=0,763

Ψ_пр=0,763 (19-0,01 471) =10,7

Н=0,0156 =0,48 см

7) Ширина валика:

е=F_н/0,73 q, (21)

е=0,245/0,73 0,2=1,7см

8) Общая высота шва:

С=Н+q, (22)

С=0,48+0,2=0,68 см

9) Мгновенная скорость охлаждения металла в околошовной зоне:

, (23)

где ω=f() – безразмерный критерий;

λ – теплопроводность, Вт/см*⁰С;

сρ – обьемная теплоемкость, Дж/см³*⁰С;

T₀ – начальная температура изделия, ⁰С;

T – температура наименьшей устойчивости аустенита, ⁰С.

Для большинства аустенитных сталей:

λ=0,16; сρ=4,9;

Т=550-600 ⁰С; Т₀=20 ⁰С

(24)

⁰С/С

Согласно рекомендациям [1,с.292] для сварки заданной марки стали во избежание коробления нужно применять способы и режимы сварки, обеспечивающие максимальную концентрацию тепловой энергии. Большее почти в 5 раз, чем для углеродистых сталей, удельное сопротивление металла является причиной большого разогрева сварочной проволоки и электродного металла, что обуславливает повышенный коэффициент расплавления. Учитывая это, при сварке снижают вылет электрода и увеличивают скорость подачи проволоки. Примем .

Т.к. при сварке постоянным током обратной полярности удельное количество теплоты, выделяющееся в приэлектродной области, изменяется в небольших пределах, и составляющая

Величина второй составляющей коэффициента расплавления может быть рассчитана по уравнению, предложенному Б. К. Панибратцевым.

(25)

Где - вылет электрода, см; dЭ – диаметр электрода, см.

Величину вылета электрода при сварке под флюсом выбирают в пределах 20-80 мм.

Меньшим диаметром электрода соответствуют меньшие значения вылета и наобарот.

Тогда

Определяем скорость сварки:

;

Погонная энергия:

; (26)

где η_и=0,85 0,95 – эффективный КПД для дуговых методов под флюсом;

Примем η_и=0,9;

Мгновенная скорость охлаждения металла в околошовной зоне [2,стр.213, п 7.4]:

λ= 0,16 Вт/см К – теплопроводность, [2,стр.152,табл.5.1];

сρ =4,9 Дж/см³ К – объемная теплоемкость высоколегированных аустенитных сталей;

T₀ = 20⁰С - начальная температура изделия;

T =550-600 ⁰С – температура наименьшей устойчивости аустенита;

w – безразмерный критерий процесса охлаждения, который зависит от свойств свариваемого металла и условий сварки, выраженных через безразмерную величину 1/θ, определяемую по формуле:

по [2,стр.215, рис.7.7] ω = 0,1 при ;

Согласно рекомендаций [5,стр.28] желательно обеспечить повышенную скорость охлаждения металла после сварки для измельчения структуры металла шва, снижению степени ликвации легирующих элементов. И произвести нормализующий отпуск при температуре 650-700 С для предотвращения межкристалидной коррозии и уменьшению внутренних деформаций в ЗТВ

5. Расход сварочных материалов.

5.1 Расход сварочных материалов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами.

Расход электродов для ручной дуговой сварки определяется по формуле:

Gэ = (1,6…1,8)Gн, (27)

где Gэ – масса электродов,

1,8кг – масса электродов на 1кг наплавленного металла (для электрода типа ЦЛ-11);

Gн - масса наплавленного металла:

Gн = , (28)

где γ=8,1 – плотность наплавленного металла, г/см³ ,

- площадь наплавленного металла,

- длина шва.

Gн = = 23,04кг;

Масса электродов:

Gэ = 1,8·23,04=42,12кг.

5.2 Расход сварочных материалов при сварке под слоем флюса.

Расход электродной проволоки при автоматической сварке под флюсом:

Gэл = Gн·Кп, (29)

где Gэл – масса электродной проволоки;

Кп = 1,03-коэффициент, учитывающий неизбежные потери электродной проволоки при наладке оборудования, не использовании концов проволоки в бухте.

Gн - масса наплавленного металла (22):

Gн = , (30)

где - площадь наплавленного металла.

Gн = = 11,66кг;

Gэл = 11.66·1,03 = 12.00кг.

Расход флюса определяется опытным путем. Для ориентировочных расчетов расход флюса может быть принят 1,2-1,4 от массы расходуемой электродной проволоки.

4. Расчёт химического состава шва, физических характеристик металла шва.

4.1Для ручной дуговой сварки покрытыми электродами.

Степень легирования металла шва, с некоторой погрешностью, может быть установлена сопоставлением химического состава основного металла и металла наплавленного валика, определяемого по формуле:

(31)

где; R_ш – содержание рассчитываемого элемента, %;

R₀ – содержание того же элемента в основном металле, %;

(1-g) – доля участия электродного металла в металле шва, %;

R_э – содержание рассчитываемого элемента в металле, наплавленным электродом типа ЦЛ-11, %;

γ₀= доля участия основного металла в металле шва.

Определяем химический состав для сварки покрытыми электродами:

[C]: R_ш=

[Cr]: R_ш=

[Si]: R_ш=

[Mn]: R_ш=

[Ti]: R_ш=

[Ni]: R_ш=

[S]: R_ш=

[P]: R_ш=

4.2Для сварке под флюсом.

γ= -доля участия основного металла в металле шва.

[C]: R_ш=

[Cr]: R_ш=

[Si]: R_ш=

[Mn]: R_ш=

[Ti]: R_ш=

[Ni]: R_ш=

[S]: R_ш=

[P]: R_ш=