1.6 Расчёт химического состава шва, физических характеристик металла шва.

1.6.1 Расчёт химического состава шва

Степень легирования металла шва, с некоторой погрешностью, может быть установлена сопоставлением химического состава основного металла и металла наплавленного валика, определяемого по формуле [2,стр.74]

R_ш = R₀·₀ + (1-₀)·R_э, (28)

где R_ш – содержание рассчитываемого элемента, %;

R₀ – содержание того же элемента в основном металле, %;

(1-₀) – доля участия электродного металла в металле шва, %;

R_э – содержание рассчитываемого элемента в металле, наплавленным данной маркой электродов, %;

₀ - доля участия основного металла в металле шва.

Определяем химический состав шва для сварки покрытыми электродами:

[C]: R_ш = 0,18·0,58 + (1-0,58)·0,10 = 0,146%;

[Si]: R_ш = 0,1·0,58 + (1-0,58)·0,25 = 0,163%;

[Mn]: R_ш = 0,53·0,58 + (1-0,58)·0,6 = 0,56%;

[S]: R_ш = 0,05·0,58 + (1-0,58)·0,03 = 0,042%;

[P]: R_ш = 0,045·0,58 + (1-0,58)·0,03 = 0,039%.

Определяем химический состав шва для сварки под флюсом:

Содержание элементов в металле шва при сварке под флюсом можно с допустимой погрешностью определить по формуле [2, c.172]

Rш = _{пр ·}R_пр +(1-_пр)_·R₀+ΔR, (29)

где _пр – доля участия присадочного металла в металле шва;

R_пр – содержание элемента в присадочной проволоке;

ΔR – коэффициент усвоения флюса.

Таблица 12 – Коэффициент усвоения для флюса АН–348-А при сварке низкоуглеродистых конструкционных сталей низкоуглеродистыми сварочными проволоками

ΔMn	ΔSi	ΔC	ΔP
+0,18… +0,23	+0,13… +0,20	-0,028… -0,035	+0,008… +0,011

_пр= 0,29.

Определяем средний химический состав шва для сварки под флюсом:

[C]: R_ш = 0,29·0,10 + (1-0,29)·0,18 - 0,031 = 0,126%;

[Si]: R_ш = 0,29·0,03 + (1-0,29)·0,1 + 0,16 = 0,24%;

[Mn]: R_ш = 0,29·0,48 + (1-0,29)·0,53 + 0,2 = 0,715%;

[S]: R_ш = 0,29·0,04 + (1-0,29)·0,05 = 0,047%;

[P]: R_ш = 0,29·0,04 + (1-0,29)·0,045 + 0,01 = 0,0535%.

1.6.2. Расчет физических характеристик металла шва

Расчет физических характеристик производим согласно [1, стр. 198]

Прочность и работоспособность сварного соединения зависят от его формы и соотношения механических свойств металла шва, околошовной зоны (обычно зоны термического влияния) и основного металла.

При оценке ожидаемых механических свойств металла шва необходимо учитывать действие следующих технологических факторов: долю участия основного металла в формировании шва и его химический состав; тип и химический состав сварочных материалов; метод и режим сварки; тип соединения и число проходов (слоев) в сварном шве; размеры сварного соединения; величину пластических деформаций растяжения в металла шва при его остывании. При сварки низкоуглеродистых обычными методами химический состав металла шва незначительно отличается от химического состава основного металла. Механические свойства металла шва зависят в основном только от скорости его охлаждения и пластических деформаций растяжения, возникающих в металле шва при его остывании.

Используя график, при веденный на рис. 8, на котором показано изменение безразмерных коэффициентов, влияющих на характеристики металла шва f( _т), f( _в) в зависимости от скорости остывания шва , можно расчитать ожидаемые характеристики металла шва. Зная механические свойства основного металла и режим сварки, рассчитывают скорость охлаждения ω_охл, по графику определяют соответствующие безразмерные коэффициенты и определяют ожидаемые механические свойства металла шва по очевидным формулам:

_тш = f( _т)· _то; _вш = f( _в)· _во, (30)

где _т , _в - соответствующие характеристики металла шва

Мгновенную скорость охлаждения металла при заданной температуре определяют по формуле

, (31)

где Т₀ – начальная температура изделия, ⁰С.

λ - коэффициент теплопроводности, Дж/cм·c·град ;

для низкоуглеродистых сталей λ = 0,39 Дж/cм·c·град;

Т = 500⁰С;

q - эффективная тепловая мощность;

w – безразмерный критерий процесса охлаждения, который зависит от свойств свариваемого металла и условий сварки, выраженных через безразмерную величину 1/θ, определяемую по формуле

1/θ = (2q/V_св)/[πδ²cρ(T – T₀)], (32)

где - объемная теплоемкость Дж/см3·град;

для низкоуглеродистых сталей = 4,9 Дж/см3·град.

Безразмерный критерий процесса охлаждения определяется по номограмме [3, стр. 317, рис. VII.4] в зависимости от 1/θ.

Разделка швов меняет условия распространения тепла в металле по сравнению с наплавкой или сваркой встык за один проход. Поэтому для расчетов скоростей охлаждения Н. Н. Рыкалиным рекомендовано в расчетные формулы (31) и (32) вводить поправочные коэффициенты, приведенные в [3, стр. 317, табл. VII.I]. При сварке 1-го слоя тавровых соединений (q/V)_расч = 2/3(q/V).

При ручной дуговой сварке

1/θ = (2·(2/3)·6240/0,23)/[3,14·1,4²·4,9·(500 – 25)] = 2,52;

По номограмме w = 0,167;

Тогда ω_охл = - 0,167·2·3,14·0,39·(500 – 25)²/[(2/3)6240/0,23] = 5,1 ⁰С/c.

Рисунок 8 – Изменение относительных характеристик механических свойств металла

шва в зависимости от скорости его охлаждения

Из рисунка 8

f( _т) = 1,25;

f( _в) = 1,1;

_тш = f( _т)· _то = 1,25·230 = 287 мПа;

_вш = f( _в)· _во = 1,1·420 = 462 мПа.

При сварке под флюсом

1/θ = (2·(2/3)·27528/0,67)/[3,14·1,4²·4,9·(500 – 25)] = 3,82;

По номограмме w = 0, 125;

Тогда ω_охл = - 0,125·2·3,14·0,39·(500 – 25)²/[(2/3)27528/0,67] = 2,52 ⁰С/c.

Из рисунка 8

f( _т) = 1,18;

f( _в) = 1,05;

_тш = f( _т)· _то = 1,18·230 = 271 мПа;

_вш = f( _в)· _во = 1,05·420 = 441 мПа.