Способ дуговой сварки многопроходных соединений

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при изготовлении металлоконструкций. Сварку заполняющих слоев многопроходных соединений ведут на силе сварочного тока, напряжения, скорости сварки и температуре подогрева, определенных с допуском ±5% по заданным длине сварного соединения, глубине проплавления предыдущего прохода и критической скорости охлаждения решением предложенной системы уравнений. Это позволит повысить качество сварных соединений за счет исключения образования закалочных структур в металле сварного многопроходного соединения и сократить производственные затраты путем сокращения времени сварки.

 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при изготовлении металлоконструкций для повышения производительности труда и качества сварки.

Известен способ дуговой наплавки изделий [1], включающий сварку на рассчитанном числе проходов, рассчитанных силе сварочного тока, напряжении и скорости сварки, при котором расчет производят по глубине проплавления i-того прохода. Определенный таким образом режим обеспечивает минимальное время выполнения процесса. Однако недостатком этого способа является то, что не учитывается скорость охлаждения металла сварного соединения в критическом интервале температур, которая определяется силой сварочного тока, напряжением и скоростью сварки. Это обстоятельство при наплавке среднелегированных закаливающихся сталей может привести к образованию закалочных структур в металле сварного соединения, следовательно, к холодным трещинам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ дуговой сварки [2], включающий расчет площади поперечного сечения наплавленного металла соединения, числа проходов, сварку корневого прохода и сварку заполняющих слоев на рассчитанных силе сварочного тока, напряжении и скорости сварке. Недостаток этого способа состоит в том, что не учитывается скорость охлаждения металла сварного соединения в критическом интервале температур, которая определяется силой сварочного тока, напряжением и скоростью сварки. Это обстоятельство при сварке среднелегированных закаливающихся сталей может привести к образованию закалочных структур в металле сварного соединения и, следовательно, к холодным трещинам.

Техническая задача изобретения - повышение качества сварных соединений за счет исключения образования закалочных структур в металле сварного соединения и сокращение производственных затрат путем сокращения времени сварки.

Технический результат достигается тем, что при дуговой сварке в углекислом газе многопроходных соединений задают длину сварного соединения, глубину проплавления предыдущего прохода и критическую скорость охлаждения, а сварку заполняющих слоев ведут с температурой подогрева, силой сварочного тока, напряжением и скоростью сварки, определяемых с допуском ±5% по соотношениям

где

L_ш - длина сварного соединения, м; S - площадь поперечного сечения шва, м², I_св, V_св, T, T_n, d_э - соответственно сила сварочного тока, А; скорость сварки, м/час; температура плавления металла, температура подогрева, ° С; диаметр электродной проволоки, мм; - коэффициент расплавления электродной проволоки (l_э - вылет электрода, мм); λ _i - неопределенные множители Лагранжа (i=1,... 6), h - заданная глубина проплавления предыдущего слоя, мм; ω - критическая скорость охлаждения свариваемого металла, ° С/с; х₁=1,098, x₂=-0,451, x₃=1,37, x₇=0,32, x₈=-0,64, x₉=0,38, x₁₀=0,616, ξ =1,11, К_u=3,65, ξ ₁=0,554, при этом в случае схемы нагрева свариваемого соединения в виде “пластина” х₄=1, x₅=2, x₆=3, а в случае в схемы нагрева свариваемого соединения в виде “полубесконечное тело” - х₄=0, x₅=1, x₆=2, К₂=2· π · λ _t·cγ ^x4, - где η _u λ _t, a, cγ - соответственно эффективный кпд нагрева изделия, коэффициенты теплопроводности Вт/(м· ° С), температуропроводности м²/с и объемной теплоемкости Дж/(м³·°С); I_min, I_max - технологические ограничения на силу сварочного тока, A; V_min, V_max - технологические ограничения на скорость сварки, м/час, i, ν - фиктивные переменные.

Одним из методов повышения конкурентоспособности сварочного производства является сокращение затрат, в частности основного времени процесса сварки. Основываясь на экспериментальных исследованиях, задачу сварки многопроходных соединений при заданных до сварки площади поперечного сечения наплавленного металла соединения S, длине соединения L, диаметре d_э и вылете электрода свели к сварке на расчетных оптимальных силе сварочного тока I_cв, напряжении на дуге U∂ , скорости сварки V_св, и температуре подогрева путем поиска минимума основного времени сварки как функции перечисленных выше параметров. Основное время сварки многопроходных соединений с одной стороны определяется как N· t (N - число проходов, t - время выполнения одного прохода), а с другой зависимостью

где γ - плотность металла, Ψ - коэффициент потерь электродного металла на угар и разбрызгивание, α _Р - коэффициент расплавления сварочной проволоки.

Коэффициент расплавления сварочной проволоки в случае сварки в углекислом газе определяют как функцию силы сварочного тока, вылета l_э и диаметра электрода d_э

где x₇=0,32, х₈=-0,64, х₉=0,38, х₁₀=0,616 - экспериментально определяемые коэффициенты.

При выполнении операции сварки многопроходных соединений требуется достичь заданного проплавления предыдущего слоя. Экспериментальным путем при сварке в углекислом газе получили зависимости между глубиной проплавления h с одной стороны и силой сварочного тока, напряжением на дуге, скоростью сварки и температурой подогрева T_n, теплофизическими свойствами свариваемого металла (η _u λ _t, а - соответственно эффективный кпд нагрева изделия, коэффициенты теплопроводности, температуропроводности) с другой

где ξ =1,11, x₁=1,098, х₂=-0,451, х₃=1,37, К_U=3,65 - экспериментально определяемые коэффициенты.

Критическую скорость охлаждения металла шва определяют из соотношения

где коэффициенты x₄=1, x₅=2, x₆=3, если свариваемое соединение относится к схеме нагрева "пластина", если свариваемое соединение относится к схеме нагрева "полубесконечное тело", то х₄=0, x₅=1, х₆=2.

На практике при выполнении сварочных работ на силу сварочного тока, напряжение на дуге и скорость сварки накладываются технологические ограничения. Скорость сварки ограничивается, с одной стороны, минимально возможным значением V_min, обеспечиваемым оборудованием или сварщиком при полуавтоматической сварке, или вероятностью образования дефектов шва типа наплывы, с другой, - максимально возможным значением V_max, обеспечиваемым оборудованием или сварщиком, или вероятностью образования дефектов шва типа подрезы, или устойчивостью горения дуги

V_{св min}<V_св<V_{св max}

Аналогично, на силу сварочного тока накладываются ограничения, связанные с устойчивостью горения дуги, формированием шва и техническими возможностями сварочного оборудования:

I_{св min}<I_св<I_{св max}.

Ограничение на напряжение на дуге накладывают в виде экспериментально установленной связи напряжения и силы сварочного тока для качественного формирования шва

Тогда поставленная задача определения силы сварочного тока, напряжения на дуге, скорости сварки и температуры подогрева после применения правила Лагранжа принимает вид

где λ ₁ - неопределенные множители Лагранжа (i=1,... 6), I_min, I_max - технологические ограничения на силу сварочного тока, A; V_min, V_max - технологические ограничения на скорость сварки, м/час, i, ν - фиктивные переменные, служат для преобразования неравенств в равенства, являясь средством метода решения задачи.

Для отыскания решения поставленной задачи, решают образованную из предыдущего уравнения систему дифференциальных уравнений:

где - точки экстремума, j=1,2, k=1,2,1=1,2,3,4,6.

Пример реализации предложенного способа.

Сваривают в углекислом газе соединение из среднелегированной стали толщиной 10 мм со скосом кромок 30° , площадь поперечного сечения наплавленного металла соединения 59 мм², длина соединения 1000 мм. Принимаем теплофизические свойства процесса и материала по данным справочной литературы: плотность γ =7850 кг/м³, эффективный кпд нагрева изделия η _u=0,8, коэффициенты теплопроводности λ _t=0,42 Вт/(см· К), температуропроводности а=0,08 см²/с и объемной теплоемкости сγ =4,8 Дж/(см³К), температура плавления Т=1530° С. Задана критическая скорость охлаждения ω =20° С/с. Сварка производится постоянным током обратной полярности проволокой диаметром 1,6 мм, вылет электрода 16 мм. Приняли схему нагрева "пластина". Задали глубину проплавления предыдущего слоя h=3 мм.

Экспериментально определяемые коэффициенты в этом случае принимают значения: х₁=1,098, х₂=-0,451, x₃=1,37, х₇=0,32, x₈=-0,64, х₉=0,38, x₁₀=0,616, ξ =1,11, K_u=3,65, ξ ₁=0,554. Технологические ограничения на силу сварочного тока I_min, I_max принимаем 100 А и 600 А соответственно, технологические ограничения на скорость сварки V_min, V_max принимаем 7 м/ч и 80 м/ч соответственно.

Решение поставленной задачи выполнялось средствами математического пакета Mathcad. Рассчитанные параметры режима: сила сварочного тока 234±12 А, напряжение на дуге 27±1,5 В, скорость сварки 32±1,6 м/ч, температура подогрева 198° С, число проходов 5.

Производилась сварка в углекислом газе ГОСТ 8050 заданного соединения из стали 17ГС на рассчитанных режимах проволокой Св-08Г2С ГОСТ 2246 диаметром 1,6 мм (вылет электрода 15... 17 мм). Использовался сварочный автомат тракторного типа АДГ-502 с источником сварочного питания ВДУ-504. Для записи термического цикла использовали автоматический электронный потенциометр КСП-4 с хромель-алюмелевыми термопарами диаметром 0,5 мм. Вначале была выполнена сварка коневого прохода. Температура 200± 20° С в месте наплавки была достигнута путем наложения дополнительных швов. Затем была выполнена сварка заполняющих проходов на режиме: сила сварочного тока 230±10 А, напряжение на дуге 26±2 В, скорость сварки 32±0,5 м/ч. Для заполнения разделки кромок было выполнено 5 проходов. Наложение каждого последующего прохода начинали при температуре 200±5° С в месте наплавки. Обработкой экспериментальных данных, полученных с помощью потенциометра КСП-4, установлено, что скорость охлаждения в ОШЗ заполняющих проходов составляла 15±5° С.

Технико-экономическое преимущество изобретения состоит в повышении качества сварных соединений за счет исключения образования закалочных структур в металле сварного соединения и сокращение производственных затрат путем сокращения времени сварки. Способ не требует капитальных затрат, имеет широкие возможности и может использоваться при применении любых типов соединений с разделкой кромок.

Источники информации

1. Васильев Н.Г. Оптимизация технологии наплавки изношенных изделий.//Сварочное производство, 1994, № 7, с.4-7.

2. Кривошея В.Е., Бабкин А.С. Проектирование в диалоговом режиме на ЭВМ технологического процесса сварки в СO₂//Автоматическая сварка, № 1, 1990, с.62-65.

Способ дуговой сварки многопроходных соединений, включающий определение площади наплавленного металла соединения, числа проходов, сварку в углекислом газе корневого прохода и заполняющих слоев на определенных силе сварочного тока, напряжении и скорости сварки, отличающийся тем, что задают длину сварного соединения, глубину проплавления предыдущего прохода и критическую скорость охлаждения, а сварку заполняющих слоев ведут с температурой подогрева, силой сварочного тока, напряжением и скоростью сварки, определяемых с допуском ±5% по соотношениям:

где

L_ш - длина сварного соединения, м; S - площадь поперечного сечения наплавленного металла соединения, м²; I_св, V_cв, Т, Т_n, d_э - соответственно сила сварочного тока, А; скорость сварки, м/ч; температура плавления металла, температура подогрева, ° С; диаметр электродной проволоки, мм; - коэффициент расплавления электродной проволоки (l_э - вылет электрода, мм); λ _i - неопределенные множители Лагранжа (i=1,... 6), h - заданная глубина проплавления предыдущего слоя, мм; ω - критическая скорость охлаждения свариваемого металла, ° С/с; X₁=1,098, Х₂=-0,451, Х₃=1,37, Х₇=0,32, X₈=-0,64, X₉=0,38, Х₁₀=0,616, ξ =1,11, K_u=3,65, ξ ₁=0,554, при этом в случае схемы нагрева свариваемого соединения в виде "пластина" Х₄=1, Х₅=2, Х₆=3, а в случае схемы нагрева свариваемого соединения в виде "полубесконечное тело" - Х₄=0, Х₅=1, Х₆=2, K₂=2· π · λ _t·cγ ^x4, где η _и, λ _t, а, сγ - соответственно эффективный кпд нагрева изделия, коэффициенты теплопроводности Вт/(м° С), температуропроводности см²/с и объемной теплоемкости Дж/(м³С); I_min, I_max - технологические ограничения на силу сварочного тока, A; V_min, V_max - технологические ограничения на скорость сварки, м/ч, i, v - фиктивные переменные.