Расчеты параметров сварки плавлением


В. П. Сидоров





        РАСЧЕТЫ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ


Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.791.75
ББК 34.641
     С34



Рецензенты:
     д-р техн. наук, профессор Волжского университета им. В. Н. Татищева
С. В. Краснов;
д-р техн. наук, академик РАЕН, профессор Тольяттинского государственного университета В. И. Столбов




     Сидоров, В. П.
С34 Расчеты параметров сварки плавлением : учебное пособие / В. П. Сидоров. - Москва ; Вологда: Инфра-Инженерия, 2022. - 216 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0966-7

      Приведены результаты анализа энергетических характеристик наиболее распространенных способов сварки плавлением. Изложены подходы к расчету проплавления основного металла при сварке плавящимся электродом. Рассмотрены вопросы производительности расплавления покрытых сварочных электродов. Обосновано понятие гибкости технологических процессов сварки. Даны примеры известных и новых гибких технологических процессов.
      Для студентов высших технических учебных заведений, а также преподавателей и инженеров производства.

                                                          УДК 621.791.75
                                                          ББК 34.641













ISBN 978-5-9729-0966-7

      © Сидоров В.П., 2022
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

ПРЕДИСЛОВИЕ..........................................................5
ГЛАВА 1. ПОКАЗАТЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ..............................................6
   1.1. Понятие производительности образования соединения при сварке.6
   1.2. Возможности регулирования химического состава металла шва при дуговой сварке...........................................10
   1.3. Особенности распространения тепла при сварке плавлением и образования сварочной ванны................................11
   1.4. Тепловая эффективность сварочных источников тепла............12
   1.5. Сосредоточенность теплового потока сварочных источников.18
   1.6. Удельные затраты энергии при сварке.....................23
ГЛАВА 2. ПОКАЗАТЕЛИ ПРОПЛАВЛЯЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СВАРОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА......................................32
   2.1. Схематизация тел и источников тепла при сварке..........32
       2.1.1. Полубесконечное тело с подвижным точечным источником теплоты.......................................33
       2.1.2. Бесконечная пластина с движущимся линейным источником тепла..............................................38
       2.1.3. Нормально-круговой источник на поверхности плоского слоя.................................................40
   2.2. Анализ показателей эффективности проплавления металла при сварке...................................................44
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ..........................................................51
   3.1. Методика приведения параметров математической модели....51
   3.2. Сравнение расчетов с экспериментальными данными.........59
ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ СВАРКЕ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ..............................71
   4.1. Энергетическая эффективность сварки при действии НКИ....71
   4.2. Предельные возможности проплавления при аргонодуговой сварке (АРДС)................................................79
   4.3. Влияние подогрева пластин на эффективность проплавления металла......................................................86
   4.4. Исследование односторонней тандемной сварки.............89
ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ................................93
   5.1. Коэффициент расплавления электрода......................93
   5.2. Определение вольтова эквивалента анодной мощности по характеристикам плавления электрода...............................96
   5.3. Расчетные методы определения скорости плавления электродной проволоки.........................................................100
   5.4. Влияние полярности на эффективность расплавления электрода...121

3

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАСПЛАВЛЕНИЯ ПОКРЫТЫХ ЭЛЕКТРОДОВ...........................................130
   6.1. Методика расчета скорости расплавления покрытого электрода..130
   6.2. Влияние тока дуги на скорость расплавления электродов.138
   6.3. Влияние полярности на скорость расплавления покрытых электродов.................................................141
   6.4. Влияние тока дуги на время расплавления покрытых электродов.143
ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОПЛАВЛЕНИЯ
ОСНОВНОГО МЕТАЛЛА ПРИ СВАРКЕ ПЛАВЯЩИМИСЯ ЭЛЕКТРОДАМИ...................................................146
   7.1. Влияние полярности дуги на долю участия основного металла в металле шва....................................................146
   7.2. Методика аппроксимации зависимостей проплавления металла при сварке плавлением............................................148
   7.3. Проплавляющая способность дуги под флюсом при сварке разнополярными импульсами тока...................................153
   7.4. Определение эффективной мощности дуги с разнополярными импульсами тока..................................................159
   7.5. Учет влияния полярности в расчетах проплавления основного металла при сварке плавящимся электродом.........................162
   7.6. Расчет площади проплавления основного металла дугой с плавящимся электродом .........................................170
ГЛАВА 8. ГИБКИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СВАРКИ.....................175
   8.1. Понятие гибкости технологического процесса сварки.....175
   8.2. Плавление присадочной проволоки при сварке неплавящимся электродом.................................................183
   8.3. Сварка неплавящимся электродом пульсирующей дугой.....183
   8.4. Сварка с подогреваемой присадочной проволокой.........185
   8.5. Многодуговая сварка вольфрамовыми электродами.........187
   8.6. Сварка проникающей дугой с применением заостренного вольфрамового электрода....................................188
   8.7. Одновременная двухсторонняя дуговая сварка (ОДДС).....190
   8.8. Плазменная сварка дугой прямой полярности.............191
   8.9. Трехфазная сварочная дуга.............................193
       8.9.1. Схема питания трехфазной сварочной дуги.........193
       8.9.2. Дополнительные технологические возможности трехфазной дуги........................................194
       8.9.3. Сварка пульсирующей трехфазной дугой............195
   8.10. Способ сварки и наплавки дугой комбинированного действия...195
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................203
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................205

4

ПРЕДИСЛОВИЕ


   Сварка является одним из ведущих технологических процессов современного производства. Важное место среди них занимают процессы сварки плавлением. Постоянно ведется совершенствование известных способов сварки и создание новых. Поскольку появляются новые конструкционные материалы, требуется быстрое освоение технологии их сварки. Зачастую это является весьма непростым делом, так как с улучшением свойств материалов их сварка, как правило, усложняется. Важной составляющей качества сварных соединений является получение сварного шва необходимых размеров с высокой стабильностью характеристик. В этом направлении накоплен обширный экспериментальный материал. Получила существенное развитие теория распространения тепла при сварке. Однако ее применение для разработки и совершенствования сварочных процессов, особенно в инженерной практике, явно недостаточно.
   Данная работа построена на основе единого подхода к сварному шву как смеси основного и дополнительного металлов. Рассмотрены расчетные методы получения соотношений этой смеси для различных способов сварки плавлением. Для расчета проплавления основного металла использована перспективная схема нормально кругового источника тепла на поверхности пластины. Показано, как с помощью метода приведения этой математической модели к конкретным условиям сварки могут быть решены многие инженерные задачи. Большое внимание уделено недостаточно изученным до сих пор энергетическим характеристикам сварочных процессов. Предложен и обоснован ряд новых показателей энергетической эффективности сварочных процессов.
   Рассмотрены причины существенного различия проплавляющей способности сварочной дуги в зависимости от ее полярности и предложен учет этих различий при расчете температур при сварке. Установлена особая роль электродного металла при сварке плавящимся электродом в проплавлении основного металла. Предложен подход к расчету площади проплавления основного металла при сварке такими способами. Наряду с обобщением закономерностей производительности расплавления электродного металла это позволило создать предпосылки для разработки систем автоматизированного проектирования сварочных процессов с позиций управления химическим составом шва.
   Уделено внимание понятию гибкости технологических процессов сварки. Гибкость рассматривается с позиций создания возможностей независимого регулирования проплавления основного и дополнительного металлов. Проанализирована гибкость ряда известных и предложенных в Тольяттинском государственном университете (ранее в Тольяттинском политехническом институте) новых технологических процессов.
   Значительное влияние на направление данной работы оказали исследования, выполненные в последние годы в Волгоградском техническом университете (В.И. Лысак, И.Е. Лапин, А.В. Савинов), Донском техническом университете (В.А. Ленивкин, Н.Г. Дюргеров). Непреходящее значение имеют работы советской сварочной школы, ссылки на которые приведены в списке литературы.

5

Автор благодарен сотрудникам кафедры сварки ТГУ (профессорам В.И. Столбову, В.В. Ельцову, Ю.В. Казакову, Г.М. Коротковой, доцентам К.В. Моторину, В.В. Масакову, ст. преподавателю А.В. Мельзитдиновой) за помощь в подготовке учебного пособия.

ГЛАВА 1. ПОКАЗАТЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВАРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ


1.1. Понятие производительности образования соединения при сварке

   При сварке требуется прочно соединить две соприкасающиеся поверхности твердых тел. Межатомные силы начинают активно действовать на расстоянии между атомами порядка 1 А° = 10 * см. В силу ряда причин добиться сближения атомов на такое расстояние на значительной поверхности затруднительно. Поэтому для соединения материалов применяют различные приемы, в которых осуществляют массоперенос и взаимное сближение атомов двух тел за счет подведения энергии. Наиболее часто для этой цели используют тепловую и механическую энергию или их комбинацию. В связи с чем способы сварки классифицируют по степени применения этих двух видов энергии. В некоторых случаях может использоваться только один из видов энергии. Основную роль обычно играет тепловая энергия, а механической энергии в большинстве случаев отводится второстепенная роль.
   При сварке оптимальной представляется максимальная концентрация вкладываемой энергии на соединяемых поверхностях. Во многих случаях этому есть значительные препятствия.
   По направлению ввода тепловой энергии по отношению к соединяемым поверхностям все способы сварки можно разделить на три группы (рис. 1.1):
   А)  энергия подводится извне параллельно соединяемым поверхностям;
   Б) энергия выделяется внутри соединяемых поверхностей. Соединяемые поверхности могут быть плотно подогнаны друг к другу или собираться с зазором;
   В) энергия вводится извне перпендикулярно соединяемым поверхностям.


Рис. 1.1. Схемы вводамощности сварочного источника тепла по отношению к свариваемым поверхностям


6

   В качестве примера реализации схемы А можно привести большинство распространенных способов дуговой сварки плавлением. Примером схемы Б может являться термитная сварка, при которой энергия выделяется за счет химической реакции в специальной смеси, расположенной в свариваемом зазоре. Распространенным вариантом ввода энергии по схеме Б является электрошла-ковая сварка. Схема Б характерна для большинства способов контактной сварки - стыковой и точечной. Известны и способы сварки с использованием комбинации этих двух способов ввода энергии.
   Примером схемы В может служить процесс точечной дуговой сварки (сварки электрозаклепками) нахлесточных соединений.
   Исходя из цели сварки, которая заключается в необходимости соединения именно по поверхностям тел, схема Б представляется наиболее эффективной и предпочтительной. Однако при всех схемах существуют ограничения на возможность одновременного ввода энергии на значительной площади. С увеличением соединяемых поверхностей главными ограничениями являются повышение требований к качеству и точности их подготовки, трудности сопряжения и значительный рост потребляемой мощности тепловой или механической энергии. Это приводит к увеличению материалоемкости используемого оборудования и делает одновременную сварку значительных поверхностей неэкономичной, по сравнению с последовательным соединением поверхностей частями. Поэтому во многих случаях используют последовательную сварку соединяемых поверхностей, которую можно осуществлять по различным вариантам.
   При любом способе сварки следует учитывать ее физическую производительность, которую будем называть производительностью образования соединения J, в отличие от линейной скорости сварки, характеризующей перемещение источника тепла по изделию. Среднюю производительность соединения при любом способе сварки можно определить по формуле
F
Jc = -,                            (1.1)
tc
где F - площадь соединенной поверхности, см²; tc - физическое время соединения, с.
   Формула (1.1) справедлива для процесса сварки, в котором соединение образуется с одинаковой скоростью. Для сварки с переменной скоростью образования соединения можно использовать понятие мгновенной производительно

сти соединения j
._d-dt

(1.2)

   Площадь соединения, полученная за время t, определится интегрированием (1.2)
F = J j (t) dt.
   Таким образом, производительность соединения интегрально отражает физические процессы непосредственно при сварке, не характеризуя затрат времени на различные подготовительные и вспомогательные операции.

7

   Для схемы ввода энергии на рис. 1.1, А, производительность соединения можно определить по формуле
F
J = - = Ус ■ h,
c
где Vc - линейная скорость движения источника тепла, см/с; h - провар пластин, см, то есть расстояние от поверхности до наиболее удаленной точки расплавленного металла.
   В случае провара свариваемых пластин на всю толщину h = 5, где 5 - толщина пластин, см.
J = Vc-8.
   При сварке пластин встык в несколько слоев (например, при двухсторонней сварке) производительность соединения должна рассчитываться в соответствии с формулой (1.1) по суммарному времени сварки всех проходов.
   На рис. 1.2 представлена схема получения нахлесточного соединения при точечной контактной сварке. Этот способ относится к схеме Б на рис. 1.1. Ввод тепла перпендикулярен к соединяемым поверхностям. Образование соединения происходит неравномерно во времени, в связи с чем в формуле (1.1) необходимо использовать окончательное сечение сварной точки и полное время сварки. Так получим среднюю производительность соединения за все время сварки.


Рис. 1.2. Образование соединения при точечной контактной сварке

    Понятие производительности соединения J позволяет глубже анализировать различные процессы сварки, сравнивать их реальную производительность, и этот показатель следует использовать при оценке эффективности способов сварки.
    В табл. 1.1 представлены данные о производительности соединения, обеспечиваемой различными способами сварки плавлением. При сравнении достигаемых производительностей необходимо учитывать максимальную толщину свариваемых элементов, свариваемую без разделки кромок.

8

Таблица 1.1
Примерная производительность J соединения встык плавлением

Способ       Элек-  Аргоноду- В защитных Дуга под Электро-
сварки      тронно-   говая     газах     флюсом  шлаковая
            лучевая                                       
Толщина, мм   100       4       20-22       20      230   
 J, см2/с     5,0   0,10-0,15    0,8       1,0      0,32  

    Наибольшая производительность соединения сваркой плавлением достигается при электронно-лучевой сварке. Электрошлаковая сварка, несмотря на равномерное выделение мощности в направлении соединяемых поверхностей, имеет невысокую производительность. Еще более низкая производительность характерна для аргонодуговой сварки. Таким образом, производительность соединения в зависимости от способа сварки может изменяться почти на два порядка.
    В табл. 1.2 представлены аналогичные данные для контактной сварки.


Таблица 1.2

Примерная производительность соединения при контактной сварке

Способ сварки Точечная   Шовная     Стыковая   
                                   оплавлением 
 Толщина, мм  1,0 + 1,0 1,0 + 1,0 Квадрат 40x40
  J, см2/с       1,0       1,0        0,18     

    Из табл. 1.2 видно, что, несмотря на существенные отличия в реализации способов контактной сварки, производительность соединения изменяется в сравнительно узких пределах. Для стыковой сварки оплавлением характерен ее рост с увеличением свариваемого сечения. При шовной сварке рост ширины шва с увеличением толщины листов компенсируется снижением скорости сварки. Аналогичная картина имеет место для точечной сварки.
    В табл. 1.3 приведены данные об изменении средней производительности соединения с изменением толщины свариваемых листов при точечной контактной сварке. Данные получены на основании сопоставления требований ГОСТ 15878-79 и рекомендуемых для тех же толщин в работе [1] режимов. Из табл. 1.3 видно, что с увеличением толщины пластин производительность соединения изменяется незначительно.

9

Таблица 1.3


Зависимость производительности соединения от толщины пластин при контактной точечной сварке (КТС, средние режимы)

   5, мм    0,6  0,8  1,0  1,2  1,5  1,8  2,0  2,5 
 J, см2/с   0,96 1,04 0,8  0,99 1,1  1,1  1,0  1,2 
F/5, мм2/мм 16,0 15,7 15,9 19,8 22,1 26,2 23,6 24,0

   Примечание. F/5 - отношение номинального сечения точки к толщине одной пластины.
   В табл. 1.3 диапазон изменения производительности соединения от 0,8 до 1,2 см²/с, то есть изменение в 1,5 раза можно считать случайным и связанным с особенностями зависимости площади соединения от толщины металла. Из табл. 1.3 видно, что отношение рекомендуемой площади соединения F к толщине металла 5 выше для больших толщин также в 1,5 раза. Данные табл. 1.3 дают представление о производительности соединения КТС и ее разбросе.
   Из сопоставления данных табл. 1.1-1.3 следует, что производительность соединения значительно выше при вводе мощности перпендикулярно соединяемым поверхностям. Электрошлаковую (ЭШС), электронно-лучевую (ЭЛС) и лазерную сварку можно отнести именно к такой схеме ввода мощности. Однако эффективность зависит не только от схемы, но и от условий сварки.

1.2. Возможности регулирования химического состава металла шва при дуговой сварке

   При сварке плавлением сварной шов в большинстве случаев образуется путем перемешивания свариваемого (основного) металла и дополнительного (присадочного или электродного металла). Регулирование химического состава шва необходимо для получения требуемых свойств. Для этого в большинстве случаев используется дополнительный металл, существенно отличающийся по составу от основного металла. Состав шва также регулируют за счет химических реакций между металлом и используемыми при сварке флюсами и защитными газами. Такой аспект регулирования химического состава шва в данной работе не рассматривался. Регулирование состава шва является важнейшим способом управления его свойствами, а иногда и свойствами сварного соединения в целом.
   Перемешивание основного и дополнительного металлов при сварке плавлением принято оценивать специальным коэффициентом, получившим название доли участия основного металла в металле шва >|/о (рис. 1.3).
F
¥ =------—,                          (1.3)
v° F ₊ F                               '
o н
где F° — площадь поперечного сечения основного металла; Fн - площадь поперечного сечения наплавленного металла.

10

Рис. 1.3. К понятию долиунастия основного металла в металле шва

   Для экспериментального определения уо необходимо получить макрошлиф поперечного сечения шва и определить каким-либо образом поперечное сечение дополнительного металла. Если известно сечение подготовки под сварку свариваемых кромок, определить Fн несложно. Однако в общем случае определение уо опытным путем достаточно трудоемко. Поэтому для достижения оптимальных характеристик сварных соединений и режимов их получения необходимо развитие расчетных методов определения уо на основе математического моделирования процессов при сварке и современного программного обеспечения.
   Если значение уо известно, то содержание химического элемента в шве Сэш можно определить по следующей формуле:
Сш = СэоУо + Сээ(1 -УУо),                  (1.4)
где Сэо - содержание данного химического элемента в основном металле в % по массе; Сээ - содержание этого же элемента в наплавленном металле в % по массе (так называемой «чистой» наплавке, полученной без перемешивания с основным металлом). Сведения о химическом составе наплавленного металла приводятся в справочной литературе и паспортах на сварочные материалы.
   Формула (1.4) не учитывает влияния металлургических процессов сварочной ванны с флюсами или защитными газами. Однако их роль в обеспечении легирования шва сравнительно невелика. Она учитывется с помощью экспериментально определяемых коэффициентов.
   Наиболее сложной задачей при теоретическом определении уо является нахождение площади проплавления основного металла Fо. Площадь поперечного сечения наплавленного металла Fн получить значительно проще, так как она определяется скоростью расплавления дополнительного металла, которая достаточно хорошо изучена экспериментально. Также эту площадь можно определять взвешиванием массы образцов до и после сварки совместно с измерением длины шва.

1.3. Особенности распространения тепла при сварке плавлением и образования сварочной ванны

   Площадь Fо следует определять на основе изучения особенностей распространения тепла при сварке плавлением путем расчета размеров сварочной ванны. Сварка плавлением в большинстве случаев производится за счет местного рас-

11

плавления свариваемых кромок, перемешивания расплавленного металла с последующей его кристаллизацией. Схема ввода тепла в свариваемые кромки при сварке шва стыкового соединения приведена на рис. 1.1, А. На начальном этапе равномерного движения сварочного источника тепла имеет место неустановившееся состояние температурного поля, привязанного к оси движущегося сварочного источника тепла. Постепенно количество подводимой и отводимой энергии в зоне сварки уравновешивается и наступает состояние, называемое квазистационарным. Температура в конкретной точке зоны сварки изменяется, но остается постоянной в подвижной системе координат. Далее, если не оговорено специально, рассматривается случай установившегося состояния температурного поля.
   Сварочный источник тепла вводит свою мощность в изделие на некоторой ограниченной площадке на поверхности тела. Тепловая мощность распространяется в теле по всем направлениям. Если тепловая мощность и ограниченность площадки ввода тепла достигают определенных значений, температура вблизи оси источника может превышать температуру плавления. Размеры расплавленной зоны определяются соотношением между вводимой в определенную зону мощностью и отводимой через границы этой зоны. Таким образом, размеры зоны расплавления могут изменяться в зависимости от мощности источника тепла, скорости его движения, сосредоточенности теплового потока источника и теплофизических свойств материала, размеров и формы тела, условий отвода тепла от границ тела.
   Решение задачи отыскания Fₒ сводится к определению границы зоны расплавления в плоскости Y0Z, где Y - ось в направлении поперек шва, Z - ось перпендикулярная поверхности пластины. Это может быть выполнено на основании решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье аналитическим или численным методом. В отечественной сварочной науке наибольшее распространение получили аналитические методы решения тепловой задачи на основе теории движущихся источников тепла, основы которой разработаны академиком Н.Н. Рыкалиным. Отметим, что, несмотря на все большее развитие численных методов решения тепловых задач с использованием современной компьютерной техники, далеко не все возможности классического подхода исчерпаны.

1.4. Тепловая эффективность сварочных источников тепла

   Важной характеристикой сварочного источника тепла является понятие эффективной мощности. Под ней принято понимать мощность, вводимую в изделие при сварке. Она обозначается qи и измеряется в ваттах (Вт). Однако при сварке происходит не только передача мощности от источника тепла к изделию, но и одновременно имеются потери мощности от изделия в окружающую среду, которые являются неизбежными, присущими практически всем сварочным процессам. Поэтому целесообразно и другое определение эффективной мощности. В ряде случаев под ней следует понимать мощность, остающуюся (распространяемую) в изделии после достижения квазистационарного состояния температурного поля. Чтобы различать два этих определения, первую эф-12