4.1 Расчет режимов сварки для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

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

Так при толщине листов 9-12 мм диаметр электрода равен, [3, С.180]:

для провара корня шва d_э1 = 3мм ,а для последующего прохода d_э2 = 4мм.

При ручной дуговой сварке установлены следующие геометрические размеры подготовки кромок под сварку и размеры сварного шва, которые приведены в таблице 8.

Таблица 8 - ГОСТ 5264-80, геометрические размеры подготовки кромок под сварку и сварного шва

Условное обозначение сварного элемента	Конструктивные элементы		S=S1	L		g
	подготовленных кромок свариваемых деталей	шва сварного элемента		номин.	пред. откл.	номин.	пред. откл.
С17			Св.8,0до11,0	16	± 2	0,5	+ 1,5 - 0,5

При сварке швов стыковых соединений площадь поперечного сечения металла, наплавляемого за один проход, при которой обеспечиваются оптимальные условия формирования, должна составлять [3, С.181]:

для первого прохода (при проварке корня шва):

(4)

для последующих проходов:

(5)

Определим площадь поперечного сечения наплавленного металла по формуле:

. (6)

Подставив в формулу (6) входящие в неё значения (таблица 7) получим:

.

Определим число проходов:

(7)

где F_н – площадь наплавленного металла;

F₁ – площадь поперечного сечения металла наплавляемая за один проход;

F_п - площадь поперечного сечения металла наплавляемая за последующий проход.

Принимаем n=2.

Определим силу сварочного тока.

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

, (8)

где d_э – диаметр электрода;

j – плотность тока; Для электродов с фтористо-кальциевым покрытием и диаметрами d_э1 = 3мм и d_э2 = 4мм, плотность тока соответственно равна:

j1 = 13 ÷ 18,5А/мм² и j2 = 10 ÷ 14,5А/мм² [3, С.182].

Тогда, сила тока равна:

Поскольку расчетные значения тока несколько отличаются от фактических, то для электродов марки СМ - 11, принимаем:

;

.

Определим напряжение дуги по формуле:

; (9)

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, С.182].

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

(10)

где U_д - напряжение дуги, В;

η_и - эффективный коэффициент полезного действия дуги; для дуговых способов сварки он равен, [6, С.25]: η_и= 0,6 ÷ 0,9;

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

, (11)

α_н – коэффициент наплавки; α_н= 9,5 г/А·ч;

γ – плотность наплавляемого металла. Согласно [3, С.36]: γ = 7,8г/см³;

F_н – площадь наплавленного металла .

Таким образом,

Следовательно, погонная энергия равна:

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

(12)

Если в формулу (12) подставить значения всех констант для низкоуглеродистых или низколегированных сталей, то расстояние до изотермы Тпл = 1500˚С:

(13)

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

, (14)

Таким образом,

Осуществляя сварку на переменном токе для получения необходимых размеров шва нам нужно повысить значение тока на 15÷20%.

Можно сделать допущение, что фактическая форма провара представляет собой полуэллипс (Рис.1).

Рис.1 – Очертания площади провара при ручной дуговой

сварки покрытыми электродами

Площадь полуэллипса можно определить по формуле:

F= (15)

где a,b- полуоси эллипса.

Полуось а=S=10мм;

Полуось b=L/2=16/2=8мм;

Найдем площадь усиления шва:

(16)

Тогда площадь шва равна:

(17)

Площадь наплавки равна 63,61мм²;

Тогда площадь проплавления определим по формуле:

F_пр= F_шв- F_н, (18)

F_пр= 131,44 – 63,61=67,83мм²=0,6783 см² .

Рассчитаем долю участия основного металла в металле шва по формуле:

(19)

где F_пр- площадь проплавления;

F_н- площадь наплавки.

4.2 Расчет режимов сварки под слоем флюса

При сварке под слоем флюса в соответствии с ГОСТ 8713-79 установлены следующие геометрические размеры подготовки кромок под сварку и размеры сварного шва, которые представлены в таблице 9.

Таблица 9 - ГОСТ 8713-79, геометрические размеры подготовки кромок под сварку и сварного шва

Условное оозначе-ние сварного элемента	Конструктивные элементы		Способ сварки	S=S1	L, не более	b		g
	подготовленных кромок свариваемых деталей	шва сварного элемента				номин.	пред. откл.	номин.	пред. откл.
С4			АФм	Св.10 до 12	28	4	+ 1	2	+ 1,0 - 2,0

Зная геометрию сварного шва определим площадь наплавленного металла по формуле:

, (20)

где g – усиление обратного валика (корня) шва;

Подставив в формулу (20) входящие в неё значения (таблица 9) получим:

.

Рассчитаем основные параметры сварки.

Определим силу сварочного тока по формуле:

(21)

где - диаметр электродной проволоки;

- допускаемая плотность тока;

Согласно [3,C.196], для диаметра проволоки равного , допускаемая плотность тока равна

Принимаем

Таким образом,

В связи с физическими особенностями дуги принимаем ток сварки равным:

Уточняем диаметр электродной проволоки.

Ориентировочно диаметр электродной проволоки можно определить по формуле, [3, С.193]:

(22)

Следовательно, диаметр электродной проволоки будет равным:

Определим скорость сварки по формуле (11):

где γ – плотность наплавляемого металла. Согласно [3, С.36]:

γ = 7,8 г/см³;

F_н – площадь наплавленного металла; F_н = 0,8234 см² .

α_н – коэффициент наплавки.

Ввиду незначительных потерь электродного металла при сварке под слоем флюса с достаточной для практических расчетов точностью, можно принять, что коэффициент наплавки равен коэффициенту расплавления .

Рассчитаем коэффициент расплавления по формуле:

α_р= , (23)

где - составляющая коэффициента расплавления, обусловленная тепловложением дуги;

- составляющая, зависящая от тепловложения вследствие предварительного нагрева вылета электрода протекающим током.

= 11,6±0,4; (24)

Принимаем = 11,6г/А·ч.

Составляющую, зависящую от тепловложения вследствие предварительного нагрева вылета электрода протекающим током, определим по формуле:

, (25)

где L - вылет электродной проволоки, определяемый по формуле:

L= 10d_эп ± 2d_эп; (27)

L= 10·4 ± 2·4 = 40±8мм.

Принимаем L= 40мм.

Тогда,

Принимаем коэффициент наплавки α_н= 11,8г/А·ч.

Следовательно, скорость сварки равна:

Для принятого диаметра электрода и силы сварочного тока определим оптимальное напряжение дуги, [3, С.194]:

(28)

Таким образом,

Определим скорость подачи электродной проволоки по формуле:

(29)

где α_р - коэффициент расплавления проволоки; α_р = 11,8 г / А·ч;

F_эл- площадь поперечного сечения электродной проволоки;

γ – плотность наплавляемого металла; γ =7,8 г/см³.

Таким образом,

Определим коэффициент формы провара по формуле, [13, С.10]:

(30)

где - коэффициент, величина которого зависит от рода тока и полярности.

Согласно [13, С.10], для постоянного тока обратной полярности и плотности тока: j < 120 А / мм², он равен:

(31)

Таким образом,

Определим погонную энергию. Согласно формуле (10) она равна:

.

Определим глубину провара:

(32)

Таким образом,

Зная глубину провара и коэффициент формы провара, определим ширину шва:

(33)

Задавшись оптимальным значением формы выпуклости, т.е. коэффициентом формы усиления =8 ( ), находим высоту валика:

(34)

Определим площадь сечения наплавленного металла:

(35)

Находим общую высоту шва:

(36)

Определим высоту усиления:

(37)

Таким образом, глубина проплавления равна:

(38)

Увеличенное значение глубины проплавления из-за того, что в процессе сварки под флюсом рассматриваемого изделия используется медная подкладка.

Можно сделать допущение, что фактическая форма провара представляет собой полуэллипс (Рис.2).

Рис.2 – Очертания площади провара при сварки под флюсом

Площадь полуэллипса можно определить по формуле (15):

F=

где a,b- полуоси эллипса.

Полуось а=S=10мм;

Полуось b=L/2=25/2=12,5мм;

Найдем площадь усиления шва:

(39)

.

Тогда площадь шва равна по формуле (17):

Площадь наплавки равна 82,34мм²;

Тогда площадь проплавления определим по формуле (18):

F_пр= F_шв- F_н,

F_пр= 238,59 – 82,34=156,25мм²=1,5625см² .

Рассчитаем долю участия основного металла в металле шва по формуле (19):

где F_пр- площадь проплавления;

F_н- площадь наплавки.