Расчет режимов ручной дуговой сварки производим согласно [3, с.180]

Выбор диаметра электрода.

Для катета 6 мм рекомендуется применять электроды диаметром 4 мм.

Определение числа проходов при сварке угловых и тавровых соединений. Общая площадь наплавленного металла :

, (23)

где К - катет шва;

K_y - коэффициент, учитывающий усиление шва;

Для катета 6 мм K_y=1,25

F_Н=1,35·6²/2 = 22,5мм²< 30мм² ,следовательно, сварка будет осуществляться за один проход.

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

, (24)

где d_э – диаметр электрода, мм;

j – допускаемая плотность тока, А/мм² [3, с. 182]

.

Для приближенного расчет напряжения на дуге воспользуемся формулой:

, (25)

.

Скорость сварки можно определить по формуле:

, (26)

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

γ– плотность наплавленного металла за данный проход, γ = 7,8г/см³;

F_н– площадь поперечного сечения металла, наплавленного за данный проход, см².

Погонная энергия:

, (27)

где I_св - сварочный ток, А;

U_д – напряжение, В;

V_св - скорость сварки, см/с;

η_и = 0,8 – эффективный КПД, для ручной дуговой сварки (покрытыми электродами на постоянном токе η_и=(0,75….0,85);

^Дж/см.

Глубина проплавления может быть определена по формуле:

(28)

Но так как действительные условия ввода теплоты в изделие при ручной дуговой сварке отличаются от расчетной схемы, то глубина провара определяется по формуле:

, (29)

С учетом того, что формула (29) является расчетной для стыковых соединений, принимаем глубину провара Н=0,3 см.

Определение доли участия основного металла в металле шва.

Рисунок 7-Очертания площади провара при ручной дуговой cварки покрытыми электродами.

Фактическая форма провара представляет собой полуэллипс, площадь которого можно определить по формуле:

(30)

где a,b- полуоси эллипса.

Можно сделать допущение, что фактическая форма провара представляет собой полуэллипс рисунок.

Рисунок 8- Определение площади проплавления.

Полуось b найдем по формуле:

b= Н + к_р, (31)

где Н- глубина провара;

к_р- расчетный катет, определяемый по формуле:

к_р= k·Sinα, (32)

где k- геометрический катет.

Тогда,

к_р= 6·Sin45⁰=4,24мм.

Полуось b, подставив числовые значения, равна:

b=3+4,24= 7,24мм.

Полуось a можно представить как половину гипотенузы треугольника, а гипотенузу определим по теореме Пифагора:

(33)

где k₁, k₂- геометрические катеты.

Тогда,

Тогда полуось b найдем по формуле:

a= С/2, (34)

a= 8,48/2= 4,24мм.

Тогда площадь шва равна:

F_шв=

Площадь наплавки равна 22,5 мм²;

тогда площадь проплавления определим по формуле:

F_пр= F_шв- F_н, (35)

F_пр= 48,2-22,5=25,7мм².

Рассчитаем долю участия основного металла в металле шва по формуле:

γ₀= (36)

где F_пр- площадь проплавления;

F_н- площадь наплавки.

γ₀=

1.6.2 Расчет режимов для сварки плавящимися электродами в среде углекислого газа

Таблица 8-Геометрические размеры подготовки кромок под сварку и сварного шва при сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа (по ГОСТ 14771-76).

Условное обозначение сварного соединения	Конструктивные элементы		S	B	b
	Подготовленных кромок свариваемых деталей	шва сварного соединения			Номин. откл.	Предел. откл.
H1	* Размер для справок.		5,5 – 10	8,0 – 40,0	0	+1,0

Принимаем диаметр проволоки d_э=1,2мм. Катет шва К=6мм.

F_Н= ,

Значения к_у – выбирают в зависимости от катета шва к_у=1,25 [3,с. 181].

F_Н= ,

Сила сварочного тока I_св:

I_св= , (37)

где d_э – диаметр электродной проволоки, мм;

j – допускаемая плотность тока j=60-150А/мм² [4,с. 196]. Принимаем j=100А/мм².

I_св= А.

Принимаем силу сварочного тока I_св=115 А.

Для принятого диаметра электрода и силы сварочного тока определяем оптимальное напряжение дуги:

(38)

откуда

Принимаем напряжение дуги U_Д=20В.

Для того чтобы определить коэффициент наплавки нам необходимо рассчитать коэффициент расплавления по формуле:

, (39)

где l_в- величина вылета. Определяется по формуле:

l_в=(8÷12)·d_эп; (40)

l_в=(8÷12)·1,2=9,6÷14,4 мм.

Принимаем l_в=15мм.

Тогда,

ψ – коэффициент потерь, определяемый по формуле [3, с. 191]:

(41)

При механизированных способах сварки в среде СО₂ α_н= α_р(1-) .

Коэффициент наплавки равен:

α_н= 12,5· (1-0,078)=11,5г/А·ч.

Тогда скорость сварки определим по формуле:

, (42)

Рассчитаем погонную энергию по формуле:

q_п= (43)

где η_и- эффективный кпд нагрева изделия, который для сварки в среде СО₂ составляет 0,8 – 0,84 .

Тогда погонная энергия равна:

q_п=

Обработка экспериментальных данных, накопленных в течение многих лет, позволила установить следующую зависимость коэффициента формы провара от основных параметров режима сварки:

(44)

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

d_э- диаметр электродной проволоки, мм.

Коэффициент определим по формуле:

k^/=0,367·j ^0,1925 ; (45)

k^/=0,367·100^0,1925=0,89.

Ψ _пр=0,89· (19-0,01·115) · =3,3.

Глубина провара:

H= А· , (46)

где

А==0,0081 [3,С.187]. (47)

Н=0,0081· =0,35 см.

Определим ширину шва исходя из формулы:

е= (48)

е=3,3·3,5=11,5 мм.

Высоту валика определим по формуле

q = (49)

где е- ширина шва;

ψ_в- выбирают в пределах 7 – 10.

q =

Общую высоту определим по формуле:

С = Н+q, (50)

С = 3,5+1,64=5,14 мм.

Определяем глубину проплавления по формуле:

, (51)

где (52)

Тогда

Рисунок 9 - Определение площади проплавления.

Площадь шва определим по формуле:

F=

где a,b – полуоси эллипса.

(53)

b=C (54)

Тогда,

F=

Площадь наплавки равна 22,5 мм² ;

тогда площадь проплавления равна:

F_пр= F- F_н ; (55)

F_пр= 46,4 – 22,5=23,9 мм².

После того как определили площадь проплавления, мы можем рассчитать долю участия основного металла в металле шва по формуле:

γ₀= (56)

1.7 Расчёт химического состава шва, механических характеристик

металла шва

1.7.1 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 [3, с. 23]

R_ш = R₀·₀ + (1-₀)·R_э ±ΔR, (57)

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;

±ΔR­- переход данного металла из покрытия или газа в шов.

Расчет химического состава для шва, полученного ручной дуговой сваркой покрытым электродом

γ₀=0,53

Типичный химический состав наплавленного металла, произведённый электродами марки УОНИ 13/55 представлен в таблице. Поскольку, определяя химический состав металла шва, мы используем типичный химический состав наплавленного металла, то значение ΔR мы не учитываем.

Таблица 9 -Типичный химический состав наплавленного металла, %

Марка электрода	C	Si	Mn	S	P
УОНИ 13/45	0,08-0,11	0,20-0,30	0,45-0,80	≤0,030	≤0,030

Определяем химический состав металла шва для сварки покрытыми электродами, %:

[C]: R_ш=0,53∙0,2+(1-0,53)∙0,09=0,148%

[Si]: R_ш=0,53∙0,15+(1-0,53)∙0,23=0,188%

[Mn]: R_ш=0,53∙0,5+(1-0,53)∙0,57=0,533 %

[S]: R_ш=0,53∙0,03+(1-0,53)∙0,025=0,028 %

[P]: R_ш=0,53∙0,03+(1-0,53)∙0,027= 0,029 %.

Расчет химического состава металла шва, полученного сваркой плавящимся электродом в среде углекислого газа

= 0,52

Определяем химический состав металла шва для сварки в среде углекислого газа плавившимся электродом, %:

[C]: R_ш=0,52∙0,2+(1-0,52)∙0,08=0,142%

[Si]: R_ш=0,52∙0,15+(1-0,52)∙0,8=0,462%

[Mn]: R_ш=0,52∙0,5+(1-0,52)∙1,6=1,028%

[S]: R_ш=0,52∙0,025+(1-0,52)∙0,015=0,021 %

[P]: R_ш=0,52∙0,025+(1-0,52)∙0,03=0,027 %.

1.7.2 Расчет механических характеристик металла шва

Расчет физических характеристик производим согласно [3, с. 200].

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 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 рисунке 8, на котором показано изменение безразмерных коэффициентов, влияющих на характеристики металла шва f( _т), f( _в) в зависимости от скорости остывания шва, можно рассчитать 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, (58)

_вш = f( _в)· _во, (59)

где _{т, в} - соответствующие характеристики металла шва

Мгновенную скорость охлаждения металла при заданной температуре определяют по формуле:

, (60)

где Т₀ – начальная температура изделия, ⁰С.

λ - коэффициент теплопроводности, Дж/cм·c·⁰С ;

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

Т = 550⁰С;

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

, (61)

где - объемная теплоемкость Дж/см³·град;

для низкоуглеродистых сталей = 4,9 Дж/см³·⁰С.

Безразмерный критерий процесса охлаждения определяется по номограмме

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 (60) и (61) вводить поправочные коэффициенты, приведенные в [5, с. 317]. При сварке 1-го слоя тавровых соединений (q/V)_расч = 2/3(q/V).

Механических характеристик металла шва выполненного ручной дуговой сваркой покрытыми электродами

Погонная энергия сварки qп=13160 Дж/см

;

По номограмме w = 0,18;

Тогда ⁰С/c.

Рисунок 10 – Изменение относительных характеристик механических свойств металла шва в зависимости от скорости его охлаждения.

Из рисунка 10

f( _т) = 1,3;

f( _в) = 1,1;

_тш = f( _т)· _то = 1,3·245 = 319 МПа;

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

ψ_ш=f(ψ) · ψ_о=0,93·55=51,2%

δ_ш=0.43 ψ_ш =22%

Механических характеристик металла шва выполненного сваркой в среде углекислого газа плавящимся электродом.

Погонная энергия сварки qп=9200кДж/см;

тогда

,

по номограмме находим критерий охлаждения ω=0,3.

Тогда скорость охлаждения равна:

Из графика определим:

f(σ_т)= 1,4;

f(σ_в)= 1,2;

σ_тш= f(σ_т)· σ_то= 1,4·245=343МПа;

σ_вш= f(σ_в)· σ_во= 1,2·420=504 МПа.

ψ_ш=f(ψ) · ψ_о=0,9·55=49,5%

δ_ш=0,43 ψ_ш =21,3%

1.8 Расход сварочных материалов

1.8.1 Расход сварочных материалов при ручной дуговой сварке покрытыми электродами

При ручной дуговой сварке расход электродов можно определить по формуле:

G_э = G_н · (1,6 ÷ 1,7), (62)

где G_н – масса наплавленного металла, которую определим по формуле:

G_н = F_н · l_ш · γ, (63)

где F_н – площадь наплавленного металла; F_н=0,225см² ;

l_ш – длина шва; l_ш =100 см;

γ – плотность металла; γ=7,8 г/см³ .

Таким образом, G_н = 0,225· 100 · 7,8 =175,5 г,

G_э = 175,5· (1,6 ÷ 1,7) = 280,9 ÷ 298,35 г.

1.8.2 Расход сварочных материалов при сварке в среде углекислого газа плавящимся электродом

При сварке в среде углекислого газа расход сварочной проволоки можно определить по формуле:

G_р = G_н / (1- ψ), (64)

где G_н – масса наплавленного металла, которую определим по формуле, [3, с. 295]:

G_н = F_н · l_ш · γ, (65)

где F_н – площадь наплавленного металла; F_н=0,225см²;

l_ш – длина шва; l_ш = 100 см;

γ – плотность металла; γ=7,8 г/см³ .

Таким образом, G_н = 0,225· 100 · 7,8 = 175,5 г.

ψ – коэффициент потерь, под которым понимают отношение количества металла, потерянного в виде брызг и угара, к полному количеству расплавленного электродного металла. Поскольку в ходе расчетов режимов сварки этот коэффициент был определён: ψ =0,078, то расход сварочной проволоки равен:

G_р = 175,5 / (1 - 0,078) = 190,35 г.

Определим расход газа, требуемого на выполнение шва, по формуле:

G_г = t_осн· g_н, (66)

где t_осн – основное время сварки. Его можно определить по формуле:

t_осн = l_ш / V_св (67)

где l_ш – длина шва,

V_св – скорость сварки.

Таким образом, t_осн = 100 / 0,29 = 344,8 с = 5,7 мин.

g_н – норма расхода газа. Согласно рекомендациям [2,с. 58], норма расхода газа, при сварке угловых швов толщиной металла 6мм и более равна g_н = 15 – 20 л/мин.

G_г = 5,7 · 18 = 102,6 л.

1.9 Выбор источников питания

1.9.1. Выбор источников питания дуги для ручной дуговой сварки

Для получения качественного соединения источник питания сварочной дуги должен обладать свойствами, требуемыми процессом сварки и проявляющимися при высоких технико-экономических показателях. Источник питания должен: быть рассчитан на конкретные режимы работы, т.е. на определенные нагрузки и определённые условия эксплуатации (температуру, влажность, давление, пространственное положение шва), при которых все его