10. Эффективная погонная энергия. Влияние погонной энергии на параметры термического цикла и свойство сварного соединения.

Если установить в заданных точках сваривае­мых пластин термопары, фиксирующие изменение температуры металла во времени при перемещении сварочной дуги вдоль стыка, то будут получены кривые, представленные на рис. 17, 6.

Эти кривые - термические циклы сварки. Под термическим циклом сварки понимают изменение температуры в данной точке тела во время сварки. Термический цикл сварки, нагревая и охлаждая основной' металл и металл шва, фактически подвергает его вынуж­денной термической обработке. Результаты такой обработки носят в разной степени негативный, а иногда и недопустимый характер. Поэтому термическому циклу сварки придают должное внимание, особенно при сварке сложных металлов и сплавов.

Основными параметрами, определяющими форму термического цикла и его воздействие на металл являются: скорость нагрева, максимальная температура нагрева T_max, длительность пре­бывания металла выше заданной температуры t_н, скорость охлаж­дения (рис. 18). Эти параметры зависят от способа, технологии и режимов сварки, теплофизических свойств свариваемого металла, конфигурации соединения, условий охлаждения и температуры металла перед сваркой.

Максимальную температуру нагрева металла Т_пшх в зоне тер­мического влияния на определенном расстоянии от центра шва можно приближенно установить с помощью следующей формулы:

где Т_н — начальная температура металла, ⁰С; q — эффективная тепловая мощность сварочной дуги, Вт; V_CB — скорость сварки (перемещения дуги), см/с; С_р — объемная теплоемкость металла, Дж/(см³- ⁰С); 6 — толщина свариваемой пластины, см; у — рассто­яние от данной точки до оси шва, см.

Длительность пребывания металла шва выше заданной температуры Т:

(1)

где a — коэффициент температуропроводности, см²/с; a= λ /C_р , λ — коэффициент теплопроводности, Дж/ ( см*с*⁰С).

Мгновенную скорость охлаждения металла ω, ⁰С/с, т.е. ско­рость охлаждения при заданной температуре или в данной точке термического цикла при однопроходной сварке стыковых соеди­нений пластин, можно вычислить по формуле:

(2)

Знак минус показывает, что происходит остывание металла.

Время охлаждения металла шва и ЗТВ при однопроходной сварке пластин малой и средней толщины:

где k — коэффициент приведения, учитывающий различные условия теплоотвода стыковых и угловых швов от расплавленно­го металла в основной металл. Для стыковых швов k=1,0; для уг­ловых швов, форма которых способствует более интенсивному теплоотводу и, как следствие, повышению скорости охлаждения металла k=0,5-0,7. При ручной дуговой сварке стали без подо­грева время охлаждения металла t₈,₅ составляет порядка 1-10 с.

Формулы (2) и (3) показывают, что на скорость охлаждения заданною металла, как впрочем и на другие показателя термического цикла сварки, главное влияние оказывают величины q/V_Cв и Т_н (при сварке с нагревом начальная температура металла становится равной температуре нагрева). Учитывая значимость величины q/V _св ее выделяют в качестве самостоятельного и обобщающего параметра всего технологического процесса сварки и называют эффективной погонной энергией

Эффективная погонная анергия q/V_CB — это количество теп­лоты, вводимое при сварке плавлением в единицу длины однопроходного шва или валика. Она измеряется в Дж/см. При дуговой сварке:

Металл, как и термический цикл сварки, реагирует не на от­дельные параметры сварочного процесса (силу сварочного тока, напряжение дуги и скорость сварки), а на количество теплоты, которое в него вводится сварочной дугой в результате одновре­менного действия в различных комбинациях всех указанных па­раметров.

Практически оценить эффективность погонной энергии при ручной дуговой сварке можно, пользуясь следующей приближенной зависимостью:

q/V_св=650S, (4)

где S — площадь сечения валика шва, мм²; V_CB — скорость сварки, см/с.

Зная значения погонной энергии или параметров режима сварки, можно определить площадь сечения валика сварного шва и наоборот.

Из изложенного следует, что термическим циклом сварки, оказывающим определяющее влияние на структуру и свойства металла зоны термическою влияния, а следовательно и сварного соединения в целом, при ручной дуговой сварке можно эффек­тивно управлять следующими параметрами процесса: силой сва­рочного тока I_св, напряжением дуги U_д, скоростью сварки V_св. начальной температурой металла (температурой подогрева) Т_н.

Уменьшение погонной энергии сварки снижает усадочную силу и деформацию, возникающие при сварке. Поэтому следует назна­ чать и использовать способы и режимы сварки, обеспечивающие минимальные тепловложе- ния на один проход. По­скольку эффективная по­гонная энергия пропорцио­нальна сечению валика (см. формулу (4)), то сварку не­обходимо выполнять на ре­жимах, формирующих ва­лики с возможно малыми поперечными сечениями. Многопроходная сварка в этом отношении имеет пре­имущество перед однопро­ходной. Следует, однако, при определении техноло­гии сварки иметь в виду и другие требования, предъ­являемые к процессу и ка­честву сварных соедине­ний, например, относящие­ся к скорости охлаждения металла после сварки, про­изводительности и т.д.