6. Нагрев и плавление металла при сварке

6.1. Нагрев и плавление основного металла

Нагрев основного металла

Рассмотрим влияние скорости сварки и эффективной мощности источника на температурное поле предельного состояния при сварке пластин.

С увеличением скорости υ при q = сonst изотермы, соответствующие определенным температурам, например, t = 600 ºC, уменьшаются по ширине и длине (рис. 6.1, а). Если пренебречь коэффициентом температуроотдачи в формуле (3.31), то окажется, что уменьшение длины и ширины изотерм происходит прямо пропорционально увеличению скорости сварки.

С возрастанием мощности источника теплоты q области, нагретые выше определенной температуры, увеличиваются по длине и ширине значительно быстрее, чем мощность источника. Увеличение длины изотерм идет быстрее, чем ширины (рис. 6.1,б). Одновременное увеличение мощности источника теплоты и скорости сварки при постоянной погонной энергии сварки q/υ приводит в основном к увеличению длины изотерм. Ширина изотерм также увеличивается, но стремится к определенному значению (рис.6.1, в).

Теплофизические свойства металла также оказывают влияние на поле температур.

Наиболее заметно влияние теплопроводности металлов λ. Увеличение теплопроводности при прочих равных условиях примерно соответствует случаю одновременного уменьшения мощности и скорости при постоянной погонной энергии сварки. Изотермы сильно укорачиваются по длине и несколько сужаются по ширине. В качестве примера можно сравнить между собой низкоуглеродистую и аустенитную стали, у которых теплоемкости примерно одинаковы, а теплопроводность различная (рис. 6.2, а, б.).

У меди и алюминия, обладающих высокой теплопроводностью, изотермы в области высоких температур близки к окружностям (рис. 6.2, в, г).

Увеличение теплоемкости металла сρ оказывает примерно такое же влияние, как увеличение скорости сварки при постоянной мощности. С увеличением теплоемкости металла при прочих равных условиях изотермы укорачиваются и сужаются.

При сварке массивных тел влияние параметров режима сварки и свойств металла на поле температур иное, чем при сварке пластин.

Изменение скорости сварки при q=const в основном влияет на ширину изотерм и почти не влияет на их длину. Из формулы (3.25) следует, что на оси шва в области позади источника теплоты, где R = -x, распределение приращений температуры не зависит от скорости сварки .

Рис. 6.1. Влияние режима сварки на температурное поле предельного состояния в стальной пластине (δ=1см): а – изменение скорости сварки υ (q=const=4кВт); б – изменение мощности источника теплоты q (υ=const=0,5см/с); в – изменение мощности и скорости (q/υ=const=0,38 Вт/(см∙К); сρ=4,4 Дж/(см³К) a=0,08 см²/с)

Рис. 6.2. Влияние теплофизических свойств материала на характер температурного поля в пластине толщиной 1 см (q = 4.2 кВт, υ = 0.2 см/с)

Поэтому с увеличением скорости сварки изотермы сгущаются впереди источника теплоты, а распределение температуры на отрицательной полуоси остается постоянным (рис. 6.3).

С увеличением мощности источника теплоты q увеличиваются длина и ширина изотерм на плоскости хОу. Увеличение длины изотерм происходит быстрее, чем их ширины.

Одновременное увеличение мощности источника и скорости сварки при постоянной погонной энергии сварки q/υ качественно влияет на форму и размеры изотерм так же, как и при сварке пластин.

Увеличение теплопроводности λ равносильно одновременному уменьшению мощности источника и скорости сварки при постоянной погонной энергии q/υ. Увеличение теплоемкости сρ влияет так же, как возрастание скорости сварки, т. е. зоны сужаются, но распределение температуры по отрицательной полуоси остается постоянным.

Ширина зоны нагрева

Для оценки термического влияния на свариваемый металл бывает необходимо определить размеры зоны 2l, нагреваемой выше заданной температуры t_l (рис. 6.4). В общем случае ширина зоны нагрева выше температуры t_l, равная 2l, будет найдена, если определить координату y точки А. Точка А, во-первых, находится на изотерме и, следовательно, имеет температуру t_l, во-вторых, в точке А достигается максимальная температура на расстоянии у = l, т. е. ∂ t/∂ х = 0.

Рис. 6.3. Влияние скорости перемещения точечного источника теплоты на распределения приращений температуры по оси Ox в полубесконечном теле (q = 4 кВт; λ = 0.4 Вт/(см∙град); а = 0.1 см²/с)

Рис. 6.4. Ширина зоны 2l ,нагревавшейся выше температуры t_l

Таким образом, для определения ширины зоны необходимо решить систему двух уравнений. Покажем это на примере наплавки валика на массивное тело.

Из уравнения (3.25) находим:

; (6.1)

. (6.2)

Полагая z = 0 и учитывая, что l² = y² = R² – x², из уравнений (6.1) и (6.2) выведем два уравнения в параметрической форме

; (6.3)

, (6.4)

где ρ₃ = υR/(2a).

Задаваясь различными значениями ρ_з, находим значения υl/(2a), соответствующие различным значениям t_l. На рисунке 6.5, а представлена номограмма для определения ширины зоны термического влияния при нагреве полубесконечного тела точечным источником. Зная режим сварки, находим вначале значение параметра, отложенного по вертикальной оси, а затем υl/(2a).

Для мощного быстродвижущегося точечного источника теплоты на поверхности полубесконечного тела, используя уравнение (3.41), определим ширину зоны термического влияния аналогичным образом:

. (6.5)

Ширина зоны нагрева при сварке пластины определяется так же, как для полубесконечного тела. Уравнения в параметрической форме, получаемые из (3.31) при b = 0, позволяют определить ширину зоны нагрева 2l:

; (6.6)

, (6.7)

где ρ₂ = υr/(2a).

На рисунке 6.5, б показана номограмма для определения ширины зоны нагрева при сварке пластины линейным источником в случае  = 0.

Для мощного быстродвижущегося линейного источника теплоты в пластине ширина зоны термического влияния определяется с использованием уравнения (3.43) при b= 0 по формуле

. (6.8)

Пример 16. На поверхность массивного тела наплавляют валик. Определить ширину зоны, нагревавшейся выше температуры t = 600 ºC, при которой углеродистая сталь в значительной степени теряет упругие свойства. Режим сварки: эффективная мощность источника теплоты q = 6000 Дж/с; υ = 9 м/ч = 0,25 см/с. Теплофизические коэффициенты: а = 0,08 см²/с, λ = 0,39 Дж/(см∙с∙град); сρ = 4,9 Дж/(см³∙град).

а) б)

Рис. 6.5. Номограммы для определения ширины зоны нагрева 2l движущимся источником теплоты: а – полубесконечное тело, точечный источник теплоты; б – пластина, линейный источник теплоты, l = 0

Определим ширину зоны двумя способами: по номограмме (см. рис. 6.5, а), пригодной для источников теплоты, движущихся с любой скоростью, и по формуле (6.5) для быстродвижущегося источника теплоты.

Определяем безразмерный критерий приращения температуры

.

По номограмме (рис. 6.5, а) находим .

Ширина зоны, нагревавшейся выше 600 ºC,

.

Определяем ширину зоны по формуле (6.5)

Ошибка в определении ширины зоны составляет около 8 %.

Следовательно, при скоростях сварки около 10 м/ч и более можно пользоваться формулой (6.5).

Пример 17. Листы из низколегированной закаленной стали δ = 0,8 см сваривают за один проход дуговой сваркой при токе I= 300 А, напряжении дуги U=34 В и скорости υ = 18 м/ч = 0,5 см/с, η = 0,8. Определить ширину зоны отпуска, которая находится примерно между изотермами 600 и 780 ºС. Теплоемкость стали – 5,0 Дж/(см³ ∙ град).

Находим эффективную мощность источника теплоты:

q = ηUI = 0,8∙34∙300 = 8150 Дж/с.

Воспользуемся формулой (6.8) для мощных быстродвижущихся источников и определим ширину зоны, нагревавшейся до t = 600 ºС

и ширину зоны, нагревавшейся до t = 780 ºС

Ширина зоны отпуска

.

Термический цикл при однопроходной сварке

В процессе однопроходной сварки источник теплоты перемещается в теле и вместе с ним перемещается температурное поле. Температуры точек тела непрерывно изменяются (рис. 6.6). Вначале температура повышается, достигает максимального значения, а затем снижается. Изменение температуры во времени в данной точке тела называется термическим циклом.

При установившемся температурном поле термические циклы точек, расположенных на одинаковом расстоянии от оси движения источника теплоты, одинаковы, но смещены во времени.

Термические циклы точек, расположенных на различных расстояниях от оси движения источника теплоты, различаются между собой. В более удаленных точках температура повышается медленнее и позже достигает максимального значения.

Восходящая ветвь температурной кривой называется стадией нагрева, нисходящая – стадией остывания.

Основные характеристики термического цикла следующие: максимальная температура, скорость нагрева и скорость охлаждения при различных температурах, а также длительность пребывания материала выше заданной температуры. Эти характеристики цикла зависят от режима сварки, теплофизических свойств материала, конфигурации тела, условий его охлаждения, температуры предварительного подогрева.

Максимальные температуры, достигаемые отдельными точками, определяются достаточно просто, если известно температурное поле. В точке максимальной температуры первая производная по времени или по расстоянию равна нулю:

Рис. 6.6. Изменение температуры в точках тела А, В, С со временем

(6.9)

Производная по времени или по расстоянию берется в зависимости от того, какую координату содержит выражение для температурного поля. Время τ и координата x, как известно, связаны между собой скоростью сварки.

Аналитическое определение максимальной температуры в массивном теле и в пластине, если за исходные брать формулы (3.25) и (3.31), сопряжено с трудностями. Максимальную температуру аналитически выразить не удается. Возможно численное определение максимальной температуры, которое по существу состоит в построении участка термического цикла. Если необходимо определить максимальную температуру в точке, находящейся на расстоянии у_о от оси движения источника теплоты, то задаются несколькими отрицательными значениями х₀, подставляют х₀ и y₀ в формулы (3.25) и (3.31), находят приращение температуры и строят график термического цикла в зависимости от x_о. Координату z₀ в уравнении (3.25) полагают равной нулю.

Другой путь определения максимальной температуры состоит в использовании номограмм, приведенных на рисунке 6.5, а, б. Вычисляют значение υl/(2a), где l=у_о, находят величину параметра на вертикальной оси, а затем определяют максимальную температуру t_max = t_l. Необходимо иметь в виду, что кривая на рисунке 6.5, б вычислена по формуле (3.31) без учета теплоотдачи, т. е, при b = 0.

Наконец, возможно определение максимальной температуры в предположении, что источник нагрева быстродвижущийся. Для точечного источника теплоты на поверхности массивного тела путем использования формул (3.41) и (6.9) получаем

, (6.10)

где r₀² = y₀² + z₀².

Для линейного источника теплоты в пластине из формул (3.42) и (6.9) находим

, (6.11)

где у_о – расстояние от данной точки до оси шва.

При сварке в условиях нормальной температуры, хотя подогрев как таковой и отсутствует, t₀≈ 20 ºC.

Пример 18. Автоматической аргонно-дуговой сваркой соединяют встык однопроходным швом листы δ=6 мм из сплава АМг6. Режим сварки: I=400 А. U = 16 В, η = 0,5. Скорость сварки υ = 18 м/ч = 0,5см/с.

Определить максимальную температуру, которая достигается на расстоянии l=у = 4 см от оси шва. Теплофизические коэффициенты: λ = 2,7 Дж/(см∙с∙град); а = 1 см²/с; сρ = 2,7 Дж/(см³∙град).

Теплоотдачей в воздух пренебрегаем. Определяем эффективную мощность источника теплоты

q = ηUI =0,5∙16∙400=3200 Дж/с.

Максимальную температуру определяем по номограмме, приведенной на рисунке 6.5, б. Вычисляем безразмерный критерий

.

По значению находим

; ΔT = 346 К; .

Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре

Определение скорости охлаждения может представлять интерес, когда изменения скорости охлаждения в интервале температур распада аустенита может вызывать существенное изменение механических свойств металла.

Например, при сварке закаливающихся материалов путём изменения режима сварки и термического цикла можно заметно уменьшить степень закалки отдельных зон и тем самым снизить вредные последствия, вызванные термическим циклом.

Мгновенная скорость охлаждения ω является первой производной температуры по времени

. (6.12)

В общем случае, когда температурное поле выражается формулами (3.25) и (3.31), ее определяют следующим образом. По формулам (3.25) и (3.31) находят координаты точки, расположенной в исследуемой зоне и имеющей температуру, при которой требуется определить скорость охлаждения. Затем значения этих координат подставляют в формулу скорости охлаждения (6.12).

Так как в большинстве случаев оказывается достаточным приближенное определение скорости охлаждения, то используют теорию мощных быстродвижущихся источников теплоты без учета теплоотдачи. Скорости охлаждения обычно определяют только для оси шва ввиду их незначительного отличия от скоростей охлаждения околошовных зон, нагревающихся до t = 800…900 ºC и выше.

Температуры точек оси шва при наплавке валика на массивное тело и однопроходной сварке пластин встык с учетом начальной температуры находим из формул (3.41) и (3.42) при r=0 и у = 0:

; (6.13)

, (6.14)

где T_и – начальная температура изделия или температура сопутствующего подогрева.

Если по формуле (6.12) вычислить производные от выражений (6.13) и (6.14), т. е.

; (6.15)

(6.16)

и в уравнения (6.15) и (6.16) подставить значения t из уравнений (6.13) и (6.14), то получим скорости охлаждения

; (6.17)

. (6.18)

Знак минус в уравнениях (6.17) и (6.18) показывает, что происходит остывание металла. Скорость охлаждения зависит от формы изделия (массивное тело, пластина), эффективной погонной энергии q/υ и температуры подогрева t_n.

Температура подогрева t₀ практически позволяет в большей степени регулировать скорость охлаждения, чем эффективная погонная энергия. Однако при сварке крупных деталей нагрев приходится ограничивать по соображениям облегчения условий труда.

Влияние подогрева и погонной энергии сварки на скорость охлаждения сильнее сказывается в пластинах, чем в массивных телах. Это следует из показателей степеней в формулах (6.17) и (6.18).

Пример 19. Режим сварки на поверхности массивного тела из низколегированной стали подобран из условия качественного формирования шва и характеризуется следующими параметрами: I = 400 А; U = 38 В; υ = 18 м/ч = 0,5 см/с, η= 0,8. Требуется определить мгновенную скорость охлаждения металла при t=650 ºC и в случае, если она выше 25 град/с, определить температуру подогрева t_п, обеспечивающую указанную скорость охлаждения. Теплофизические коэффициенты стали: а = 0,08см²/с; λ = 0,38 Дж/(см∙с∙град); сρ=4,8 Дж/(см³∙град).

Определим вначале эффективную мощность источника теплоты и погонную энергию сварки :

q=ηUI = 0,8∙38∙400=12 150 Дж/с;

.

Скорость охлаждения вычислим по формуле (6.17):

.

Определяем температуру подогрева, обеспечивающую скорость охлаждения – 25 град/с, используя формулу (6.18):

(t-t₀)²= -ωq / υ / (2πλ) = -25∙24 300/(2∙3,14∙0,38) = 25,5∙10⁴ К²;

t-t₀= 514 ºC; t_н = 650 - 514 = 136 ºC,

т. е. требуется осуществить подогрев изделия примерно до температуры t_н= 136 ºC.

При сварке по плоскому слою скорость охлаждения также целесообразно определять для точек на оси шва, т. е. для у = 0, z = 0. Скорость охлаждения определяют при помощи номограммы (рис. 6.7). Вначале необходимо определить критерий

, (6.19)

т. е. значение аргумента на номограмме рисунка 6.7, а затем по кривой найти численное значение функции – безразмерного критерия ω.

Рис. 6.7. Расчётный график для определения мгновенной скорости охлаждения при наплавке валика на лист

Скорость охлаждения точек плоского слоя определяется по формуле

(6.20)

Следует отметить, что при значениях критерия 1/θ>2,5 скорости охлаждения точек плоского слоя, расположенных по оси движения источника теплоты, почти совпадают со скоростью охлаждения точек пластины, а при 1/θ<0,4 – со скоростью охлаждения точек полубесконечного тела.

Пример 20. На лист из стали δ = 2.4 см наплавляют валик при погонной энергии q/υ= 32 000 Дж/см. Теплофизические коэффициенты: λ =0,38 Дж/(см∙с∙град); сρ=5,2Дж/(см³∙град).

Определить влияние окружающей температуры, изменяющейся в пределах от +20 до -30 ºC, на мгновенную скорость охлаждения металла на оси шва при t=700ºC.

Толщина листа δ = 2.4 см не соответствует значениям, для которых скорость охлаждения определяют по уравнениям (6.17) и (6.18). Поэтому будем определять скорость охлаждения по номограмме, приведенной на рисунке 6.7.

Вычисляем при t₀= +20 ºC безразмерный критерий

.

По номограмме (рис.6.7) находим соответствующее значение критерия ω=0,79. Скорость охлаждения определяем по формуле (6.20):

.

Определяем скорость охлаждения при температуре окружающей среды t = -30 ºC:

.

Находим по номограмме (рис.6.7) ω = 0,87.

Скорость охлаждения при начальной температуре металла t = -30 ºC

Скорость охлаждения изменяется примерно на 7 град/с при изменении начальной температуры тела на 50 ºC.

Длительность пребывания металла выше данной температуры

Длительность пребывания металла выше некоторой температуры Т выражается на рисунке 6.8 отрезком τ_H. Определим зависимость τ_H от параметров режима сварки для двух случаев: наплавки на массивное тело и однопроходной сварки встык.

Математические преобразования выполним для обоих случаев одновременно, используя теорию мощных быстродвижущихся источников теплоты без учета теплоотдачи, т. е. b = 0.

Рис. 6.8. Схема термического цикла при однопроходной сварке

Длительность нагрева τ_H может быть выражена через безразмерные критерии времени p₂ и p_з:

τ_3H = p_3H r²/(4a); τ _2H = p_2H y²/(4a), (6.21)

где p _3H = 4а τ _3H/r²; p_2H =4а τ _2H/у².

Значения r² и y² выразим из уравнений (6.10) и (6.11) и подставим в выражение (6.22):

; (6.22)

. (6.23)

Путём деления уравнений (3.41) и (3.42) на уравнения (6.10) и (6.11) находим

;

. (6.24)

Безразмерные величины p₃ = 4аτ/r² и p₂ = 4аτ/y² выражаются в уравнении (6.24) через безразмерные величины . На основании зависимостей (6.24) можно построить номограмму для определения коэффициентов K₁ = p_3H /(4πe) и K₂ = p_2H/(64πe), которые содержатся в выражениях (6.22) и (6.23) (рис. 6.9).

Для определения длительности пребывания точки тела выше данной температуры необходимо вычислить значение для интересующей точки тела, отложить его на горизонтальной оси номограммы, а затем по соответствующей кривой найти на вертикальной оси значения к₁ или к₂. Подставив указанные значения в выражения (6.22) или (6.23), находим численное значение τ_3H или τ_2H.

Рис. 6.9. Номограммы для определения k₁ и k₂ при однопроходной сварке

Пример 21. Определить длительность пребывания выше 1000 ºC точек околошовной зоны, лежащих у границы сплавления (t ≈1500ºC) при электрошлаковой сварке плит δ= 80 см; q = 130 000 Дж/с; υ = 0,3 м/ч = 0,0083 см/с.

Теплофизические коэффициенты: λ=0,40 Дж/(см∙с∙град); сq = 5 Дж/(см³∙град).

Так как зависимости (6.21)...(6.24) получены на основе использования теории быстродвижущегося источника теплоты, то определение продолжительности нагрева при электрошлаковой сварке будет ориентировочным. Используем схему линейного источника теплоты в пластине.

Определяем безразмерный критерий

.

На рисунке 6.9 находим

.

Для определения продолжительности пребывания металла выше t=1000ºC используем формулу (6.23):

.

Термический цикл при многослойной сварке

Многослойной сваркой сваривают конструкции из легированных сталей, в которых воздействие термического цикла может повлечь за собой существенные изменения свойств металла. Для таких конструкций определение термического цикла и его регулирование представляет наибольший интерес. Вследствие сложности явления распространения теплоты при многослойной сварке удается дать лишь качественное описание процесса. Количественные зависимости имеют ориентировочный характер и служат для приближенного определения параметров процесса.

Тепловое воздействие на металл при многослойной сварке зависит от того, как осуществляют сварку – длинными или короткими участками.

Сварка длинными участками

Под сваркой длинными участками обычно понимают укладку валика на всю длину завариваемого соединения, т. е. на длину более 0,5... 1 м. При сварке склонных к подкалке сталей скорость охлаждения — один из параметров, определяющих возможность появления закалочных структур. Наибольшая скорость охлаждения обычно бывает у первого слоя, так как последующие слои, как правило, остывают медленнее вследствие подогрева. Однако после перерыва в сварке, когда изделие полностью остынет, может оказаться, что скорость охлаждения очередного слоя выше, чем первого.

а) б) в) г) д)

Рис. 6.10. Виды соединений:

а) б) в) г) д)

δ_расч……….......... δ 3δ/2 δ δ δ

(q/υ)_расч................q/υ 3q/(2υ) 2q(3υ) 2q(3υ) q(2υ)

Для определения скорости охлаждения первого слоя в стыковых (рис. 6.10, б), нахлесточных (рис. 6.10, в), тавровых (рис. 6.10, г) и крестообразных (рис. 6.10, д) соединениях используют расчетную схему наплавки валика на плоский слой (рис. 6.10, а) с поправочными коэффициентами для определения расчетной погонной энергии (q/υ)_расч и расчетной толщины плоского слоя δ_расч, значения которых приведены ниже:

Поправочный коэффициент к погонной энергии вводится для учета условий распространения теплоты в области, непосредственно прилегающей к месту введения теплоты, а поправочный коэффициент для толщины в стыковом сварном соединении (рис. 6.10, б) – для учета условий распространения теплоты вдали от источника теплоты. Методика расчета скорости охлаждения валика на плоском слое изложена в п. 6.4. Вместо q/υ и δ при расчете в формулы (6.19) и (6.20) подставляют значения (q/υ)_расч и δ_расч, указанные выше.

Скорость охлаждения первого слоя уменьшается с увеличением сечения слоя, т. е. с увеличением погонной энергии, температуры подогрева t_н и с уменьшением толщины материала δ. Наиболее сильно влияет на скорость охлаждения температура подогрева t_н.

Сварка короткими участками

К многослойной сварке короткими участками прибегают в тех случаях, когда стремятся продлить пребывание металла выше определенной температуры и не допустить быстрого охлаждения его ниже этой температуры. Тепловые воздействия навариваемых коротких слоев складываются и замедляют скорость охлаждения отдельного слоя. Режим многослойной сварки (каскадной, горкой) включает, помимо прочих, три независимых параметра – погонную энергию q/υ, которая зависит от сечения слоя, длину участка l, температуру подогрева t_н, поэтому он более гибок, чем режим однопроходной сварки.

Условия сварки короткими участками выбирают такими, чтобы температура охлаждения первого слоя к моменту подогрева вторым слоем не падала ниже определенной температуры t, и чтобы длительность пребывания околошовной зоны τ_в выше температуры t_в соответствовала условиям завершения распада аустенита. В качестве температуры t_в принимают температуру начала мартенситного превращения (200...350 ºC) или температуру наиболее вероятного образования холодных трещин (60...200 ºC).

Температура t_в, до которой охлаждается первый слой, зависит, в частности, от длины завариваемого участка l, погонной энергии сварки q/υ и температуры подогрева t_н. Выразим связь между перечисленными параметрами. В качестве расчетной схемы примем схему мгновенного выделения теплоты на завариваемом участке l в начальный момент сварки; при этом также примем, что теплота выделяется равномерно по толщине металла δ, распространяется только в направлении y и теплоотдача отсутствует (рис. 6.11). Иными словами, принимается схема линейного быстродвижущегося источника теплоты в пластине. Выбранная схема не учитывает ряда особенностей распространения теплоты, однако может быть принята для расчета по следующим соображениям. Температура t_в, как указывалось выше, не превышает, как правило, 350 ºC. Когда околошовная зона охладится до 200...300ºC, то температура по сечению успевает выровняться, и поэтому несущественно, какое распределение теплоты принято в начальный момент времени.

Температура t точек, расположенных на оси х (рис. 6.11), согласно уравнению (3.42) изменяется во времени:

. (6.25)

Рис. 6.11. Расчётная схема определения температуры первого слоя при сварке короткими участками (стрелками показаны тепловые потоки)

Поставим условие, что за период времени сварки одного слоя t_с на участке l температура t понизится до t_в. Тогда

. (6.26)

Время сварки τ_c1 = τ_r+τ_n слагается из времени чистого горения дуги τ_r = l/υ и перерывов τ_n, где υ - скорость сварки. Вводя коэффициент чистого горения дуги K_r=τ_r/τ_с1, находим

τ_c1 = l/ υK_r. (6.27)

Подставляя в уравнение (6.26) уравнение (6.27), численные значения λ, и сρ и вводя поправочный коэффициент K₃, находим

. (6.29)

Для ручной многослойной сварки коэффициент K_r = 0,6...0,8, для автоматической многодуговой сварки K_r=1; поправочный коэффициент K₃, найденный опытным путем, равен 1,5 для соединения встык; 0,9 – для соединений в тавр и внахлестку; 0,8 - для крестового соединения. Длина участка, найденная по формуле (6.28), обеспечивает пребывание первого слоя при температуре выше t_в к моменту начала сварки второго слоя шва.

Пример 22. Пластины из стали 40Х толщиной δ = 1,6 см сваривают многослойным швом встык. Выбранный режим сварки: I =170 А; U = 25 В; η = 0,8; υ=0,2 см/с. Определить длину участка при сварке короткими участками при условии, что температура мартенситного превращения t_M стали 40Х близка к 300 ºC.

Принимаем t_B = t_M + 50= 300+ 50= 350 ºC.

Поправочный коэффициент для соединения встык K₃ =1,5, коэффициент горения дуги K_r = 0,75, t_н = 20 ºC.

Находим эффективную мощность: q=0,8∙170∙25 =3400 Дж/с. По формуле (6.28)

.

При данном режиме сварки и длине участка 140 мм первый слой не охлаждается ниже 350 ºC.

Длительность пребывания зоны термического влияния выше определенной температуры t_в определяется примерно из тех же расчетных предпосылок, что и в предыдущем случае, однако с учетом теплоотдачи в воздух. Предполагается, что в течение всего процесса заполнения разделки валиками (рис. 6.12, а) действует плоский неподвижный источник теплоты в сечении с координатой у = 0 (рис. 6.12, б). Теплота распространяется вдоль оси Оу.

Рис. 6.12. Расчётная схема определения продолжительности нагрева околошовной зоны многослойного стыкового шва

Расчетная мощность источника теплоты

q_p = K_rK_qq, (6.29)

где q – эффективная мощность дуги; K_r – коэффициент горения дуги; K_q – коэффициент приведения мощности дуги, учитывающий тип соединения для стыкового соединения K_q = 1, для таврового соединения и нахлестки 0,67, для крестового соединения 0,6.

Расчетная площадь поперечного сечения стержня

F = δl,

где l - длина завариваемого участка.

Длительность τ_в пребывания околошовной зоны первого слоя при температуре выше t_в находят по номограммам, приведенным на рисунке 6.13 в зависимости от длительности сварки всех слоев τ_с, безразмерного параметра θ, коэффициента температуроотдачи b и безразмерного расстояния ρ₁ до рассматриваемой точки околошовной зоны.

Рис. 6.13. Номограммы для определения длительности пребывания τ_в выше определённой температуры t_в точек околошовной зоны в зависимости от длительности τ_с действия источника теплоты: а – ρ₁ = 0; б – ρ₁ = 0,1; в – ρ₁ = 0,2

Значения этих величин определяют по следующим формулам:

; (6.30)

где F = δl – расчетная площадь поперечного сечения (см. рис. 6.11); p/2 – половина периметра; n – число слоев по сечению разделки; |у| – расчетное расстояние от околошовной зоны до плоского источника теплоты, для стыковых швов равное половине ширины разделки в верхней части (см. рис., 6.12, а), а для угловых – половине катета шва.

Продолжительность (t_B)_n пребывания околошовной зоны последнего слоя выше температуры Т_B можно приближенно определить из соотношения

(6.31)

Пример 23. Для условия примера 22 определить длительность пребывания околошовной зоны первого слоя при температуре выше t_в = 350ºC, если разделка заваривается шестью слоями и имеет размер в верхней части около 18 мм.

Для определения безразмерного критерия температуры θ вычислим значения необходимых для этого величин по уравнению (6.30). Для t_в ≈ 350 ºC: α=3∙10^-3 Дж/(см²∙с∙град). Принимаем сρ= 5,2 Дж/(см³∙ град); а=0,075см²/с; λ=0,39 Дж/(см∙с∙град).

q_р = 0,75∙1∙3400= 2550 Дж/с;

Длительность заварки одного участка шестью слоями:

По номограмме рисунка 6.13, б находим, что при полученных значениях θ и bτ_с критерий bτ_B = 0.6, откуда длительность пребывания околошовной зоны первого слоя выше t_B.

Длительность пребывания околошовной зоны последнего слоя выше t_B =350 ºC согласно уравнению (6.31)

(τ_B)_n=τ_B – τ_C + l/(υK_r)= 742 - 560 + 14/(0,2∙0,75) = 742 - 560 + 93 = 275с.

Плавление основного металла

Формы сварочной ванны при различных способах сварки

Плавление основного металла при сварке осуществляется с целью соединения между собой свариваемых деталей. Идеальным в отношении затрат теплоты представляется такое тепловыделение в источнике, при котором обеспечивалась бы минимальная глубина проплавления сопрягаемых поверхностей, а присадочный металл не требовался бы вовсе или входил в соединение в минимальном объеме. Если не рассматривать диффузионную сварку и пайку, при которых детали нагреваются полностью, и сварку трением, при которой полного плавления металла не достигается, наиболее близко этому требованию отвечает высокочастотная сварка и некоторые виды контактной сварки (точечная, шовная, рельефная). В перечисленных способах сварки существенная роль в образовании соединения принадлежит давлению, что позволяет плавить основной металл незначительно. Ограничимся рассмотрением случаев плавления основного металла в способах сварки без применения давления.

При электронно-лучевой сварке удается получить минимальное проплавление основного металла при сварке встык вплоть до толщин, измеряемых сотнями миллиметров. Сварочная ванна в поперечном сечении имеет форму, близкую к конусу, а в плоскостях, перпендикулярных лучу, – близкую к эллипсу.

При электрошлаковой сварке также можно получить минимальное проплавление основного металла, но для ведения шлакового процесса с целью получения достаточного выделения теплоты необходим зазор, который затем должен заполняться присадочным металлом. Сварочная ванна может быть мелкой или глубокой в зависимости от скорости сварки и мощности источника. Форма ванны при электрошлаковой сварке зависит от соотношения между количествами теплоты, поступающими в основной металл непосредственно от шлака и от опускающегося в металлическую ванну перегретого электродного металла.

При использовании дуговых, плазменных и газопламенных источников теплоты при сварке встык металла небольшой толщины форма ванны близка к форме изотермической линии температуры плавления, рассчитанной для движущегося линейного источника теплоты в пластине. С ростом толщины металла разница в размерах ванны на верхней и нижней поверхностях листа становится все более значительной, а при некоторой толщине полное проплавление уже не достигается, как показано на рисунке 6.19. Для увеличения проплавляющей возможности указанных источников используют разделку кромок. Особенности различных источников нагрева в части их проплавляющей способности обычно оценивают экспериментальным путем, расплавляя поверхность массивного тела или толстой пластины (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Формы сварочной ванны при дуговой сварке: а – поверхностная дуга; б – погруженная дуга; в – дуга под флюсом

Ванну характеризуют следующими параметрами: L – длина ванны; В – ее ширина; Н – глубина проплавления; Н_к – глубина кратера. Очертание зоны проплавления характеризуют относительной глубиной проплавления Н / В или обратной ей величиной – коэффициентом формы проплавления ψ_пр = В/Н, а также коэффициентом полноты проплавления μ_пр=F_пр/(НВ), где F_пр – площадь проплавления. Значения μ_пр обычно находятся в пределах 0,6...0,8. Для дуговой сварки под флюсом характерно большое Н/В, но при дуговых способах сварки оно все же не превышает 3. Очертание зоны наплавки характеризуют коэффициент формы валика ψ_В = В/А, а также коэффициент полноты валика μ_B = F_H /(АВ), где А – высота шва, F_H – площадь наплавки.

Расчёт позволяет оценить размеры сварочной ванны. При наплавке валика на поверхность массивного тела температура (уравнение 3.41) равна

,

где .

Приняв r² = 0, T = T_пл, τ = τ_в = L/υ

. (a)

Из выражения (а) получаем.

. (6.43)

Длина ванны при наплавке валика на массивное тело пропорционально мощности дуги и обратно пропорциональна коэффициенту теплопроводности металла λ и температуре плавления металла t_пл.

Формула (6.43) показывает, что длина ванны на поверхности массивного тела от скорости сварки не зависит. Опытные данные в целом указывают на справедливость этой формулы, хотя и обнаруживают некоторую зависимость длины ванны от скорости. Аналогично можно оценить и ширину ванны.

При заполнении разделки в случае многослойной сварки форма ванны имеет меньшее значение. Более существенно полное сплавление наплавляемого металла с ранее уложенными слоями и отсутствие шлаковых включений.

Форма и размеры ванны при прочих равных условиях (мощности источника и скорости сварки) существенно зависят от характера подачи и температуры присадочного металла. При подаче в ванну холодной непрерывной или рубленной на мелкие части проволоки ванна становится короче. Поэтому оценка L по формуле (6.43) справедлива лишь для идеализированных условий.

Температура сварочной ванны

Температуры жидкого металла в различных точках сварочной ванны могут сильно различаться между собой. У границы с твердым металлом температура жидкого металла близка к температуре его плавления (табл. 6.1). Она может быть как несколько ниже Т_пл вследствие кристаллизационного переохлаждения, так и выше при больших скоростях движения жидкого металла вдоль твердой границы. Как следует из рисунка 6.19, расплавляющийся на передней кромке ванны жидкий металл поступает в ее заднюю часть, проходя вдоль боковых поверхностей и дна ванны. При этом скорости движения металла могут превышать скорость сварки в 1,5... 10 раз.

Таблица 6.1

Температуры плавления и кипения различных металлов, К, при атмосферном давлении

Металл	Температура плавления	Температура кипения
Магний	923 ±0,5	1323 ±5
Алюминий	933 ±1	2590±50
Медь	1356±3	2630 ±30
Железо	1803 ±5	3320 ±50
Титан	1998 ±10	3770±100
Ниобий	2730	4000
Молибден	2895 ±25	5000 ±200
Вольфрам	3660 ±60	6200 ±200

Максимальные температуры жидкого металла существенно зависят от источника теплоты. При лучевых способах сварки, особенно при значительной концентрации энергии в пятне нагрева, металл может достигать температуры кипения (см. табл. 6.1).

Дуговые и плазменные источники энергии также способны создавать на поверхности металла довольно высокие температуры, например, у сталей до 2300 К. При электрошлаковом процессе температура жидкого присадочного металла, проходящего через активную зону шлаковой ванны, где выделяется теплота, достигает температуры шлака, которая в средней по высоте части шлаковой ванны составляет 2100...2200 К, а на поверхности шлака – около 2000 К.

При способах сварки плавлением, особенно с использованием дуги, происходит интенсивное перемешивание жидкого металла как вследствие его движения из передней части ванны в заднюю, так и под влиянием других воздействий источника теплоты на жидкий металл. Происходит интенсивный теплообмен между отдельными порциями различно нагретого жидкого металла, а также вследствие теплоотвода в твердый металл. По этой причине энергетическое состояние ванны целесообразно характеризовать не только возможными максимальными и минимальными температурами, но и средней температурой жидкого металла. Она зависит от режима сварки (тока, напряжения, скорости сварки), характера подачи присадочного металла, устойчивости дуги и положения ее активного пятна. Например, средняя температура ванны при аргонно-дуговой сварке алюминиевого сплава АМг6 может изменяться от 920 до 1050 К при возрастании тока от 300 до 450 А при U_д = 14 В и от 1070 до 1200 К при U_д = 8 В, в то время как температура плавления сплава АМг6 составляет около 890 К.