книги из ГПНТБ / Безбах, Д. К. Сварка на открытых площадках в судостроении и судоремонте

Эффективный к. п. д. нагрева изделия дугой. Эффективную теп­ ловую мощность дуги исследовали Н. Н. Рыкалин 144], Л. О. Куль­ чицкий, А. В. Никонов [15], В. А. Петруничев, И. Д. Кулагин [45], Э. Ф. Ниппес и др. Имеющиеся данные по эффективному к. п. д. нагрева изделия дугой относятся к сварке без перемещения воз­ душных масс, окружающих дугу. При воздействии ветра тепловой баланс дуги несколько изменяется, что необходимо учитывать при расчетах распространения тепла в изделии.

Эффективным к. п. д. нагрева изделия дугой называют величину

В отличие от других методик, количество тепла, полученное образцом, как и другие характеристики, определялось автором с помощью водяного калориметра с сухим стаканом для помещения образца (см. рис. 15).

30

[ q — эффективная тепловая мощность Дуги:

М. П. Анучкина [2] и А. А. Чеканова [62] снижение температуры основного металла от + 20 до — (40-ъ60)°С приводит к небольшому сужению температурных полей. Это сужение равноценно уменьшению погонной энергии дп дуги на 10% . В то же время скорость охлажде­ ния металла шва и околошовной зоны возрастает на 17% при—40°С и на 36% при—-60°С. Таким образом, влияние температуры окру­ жающей среды удобно учесть поправочным коэффициентом к погонной энергии или к мощности дуги. Полагая приближенно, что зависи­ мость между снижением температуры окружающей среды и экви­ валентным условным снижением погонной энергии дуги линейная, можно принять значение поправочного коэффициента k„. т = 0,12% на каждый градус снижения температуры металлоконструкций.

Рассмотрим в л и я н и е в е т р а . На рис. 20 приведены гра­ фики температур на оси шва и нулевых изотерм (линий, ограни­ чивающих температурное поле да поверхности свариваемых листов) в зависимости от длины шва при сварке в спокойном воздухе и на ветру. Графики построены для условий рис. 19; направление ветра — попутное. Направление ветра имеет важное значение. Так как при обтекании пластины воздухом образуется ламинарный пограничный слой [1], то одни участки ее могут охлаждаться, а холодные соот­ ветственно подогреваться, тем самым общее охлаждение ее будет замедляться. Если направления ветра и градиентов температуры в пластине противоположны, то скорость охлаждения участков ее будет увеличиваться, а если одинаковы, то, наоборот, уменьшаться. При попутном ветре участки пластины, расположенные сзади дуги, будут охлаждаться, а впереди — еще более нагреваться. При бо­ ковом ветре охлаждение околошовной зоны, расположенной с навет­ ренной стороны, будет усиливаться, а с противоположной стороны — замедляться. Наконец, при встречном ветре будет замедленное ох­ лаждение нагретых участков, расположенных сзади от дуги. Таким

34

0 5

Рис. 19. Матрич­ ное температур­ ное поле при сварке встык полотен из стали Ст.Зс толщиной 10 мм (условия сварки: / св =

=475 A; U , =

=35,2 В; осв =

образом, условия охлаждения при попутном ветре являются наи­ более жесткими.

По данным рис. 19 и 20 можно оценить влияние ветра на темпе­ ратурное поле. Поправочный коэффициент k„, т составляет (16ч-17) X

проявляется в дополнительных затратах тепла на нагрев и испаре­ ние воды. Как и в случае пониженной температуры, влияние влаж­ ности удобно учесть условным уменьшением погонной энергии qn сварочной дуги. Так, например, при наличии на свариваемых кром­ ках с обеих сторон слоя изморози толщиной 0,5 мм, ее масса соста-

Рис. 20. График температуры на оси шва Гш и нулевая изотерма при сварке полот­ нища в спокойном воздухе и на ветру (использованы условия сварки рис. 19).

О — св = 0; G — Рв = 8 м/с.

вит 0,025 г/см2 (при плотности изморози 0,25 г/см3), а количество тепла для нагрева ее от—20° С и для испарения будет равно 76,3 Дж. Полоса изморози ширимой 150 мм вдоль свариваемого стыка потре­ бует для нагрева и испарения 1,15 кДж/см, т. е. около 8% погон­ ной энергии дуги.

Расчет температуры Т по методу матричного поля особенно прост, когда меняются только входящие в нее параметры (погонная энергия дуги, эффективный к. п. д. нагрева изделия г|и, сварочный ток / сп, напряжение дуги UR, скорость сварки ис„ и толщина свари­ ваемых листов s). В этом случае составляется пропорция, в которой матричное значение температуры соответствует матричному значе­ нию параметра, а искомое значение температуры — новому значе­ нию параметра.

При изменении условий, учитываемых экспоненциальной функ­ цией, необходимо решить систему уравнений, составленных на базе уравнения (15), которое в этом случае необходимо прологарифми­ ровать.

36

§4. Особенности металлургических процессов

Кметаллургическим процессам относят взаимодействия между химическими элементами и соединениями, имеющие место при пла­ влении электродного и основного металлов. В результате металлур­ гических процессов химический состав металла шва и его свойства получаются другими по сравнению с химическим составом и свой­ ствами основного металла. Выделяют две основные группы металлур­

гических процессов: 1) взаимодействие расплавленного металла с газами и 2) взаимодействие этого металла со шлаками. Течение металлургических процессов определяется концентрацией реаги­ рующих компонентов (реагентов), расстоянием, на которое они пе­

Хотя все три неблагоприятных погодных фактора: пониженная температура, повышенная влажность и ветер — имеют одинаковую направленность действия на металлургический процесс, способствуя ускорению охлаждения сварочной ванны и сокращению времени пребывания металла в жидком состоянии, их влияние компенси­ руется соответствующим повышением мощности дуги (для сохра­ нения требуемой глубины проплавления и размеров шва).

Можно сказать, что основной отличительной особенностью метал­ лургических процессов при сварке в условиях воздействия неблаго­ приятных факторов погоды является увеличение в зоне сварки кон­ центрации водяного пара, кислорода, азота, водорода и окислов железа. Рассмотрим влияние каждого из этих реагентов.

Влияние воздуха на качество шва. В металлургическом отноше­ нии воздух представляет собой механическую смесь азота, кисло­ рода и водяного пара. Небольшие количества инертных газов, во­ дорода и углекислого газа, имеющиеся в воздухе, существенно не изменяют ход металлургических процессов. В отличие от газов, имею­ щихся в воздухе в неизменном количестве, содержание паров воды изменяется в широких пределах в зависимости от времени года и погодных условий.

При сварке порошковой и легированной проволоками без до­ полнительной защиты, а также покрытыми электродами воздух непосредственно окружает придуговое пространство и оказывает существенное влияние на качество металла шва. При сварке в среде защитных газов воздух оттесняется от дуги, однако может прони­ кать в струю газа в небольших количествах, особенно при сварке на ветру. В табл. 11 приведен для сравнения состав воздуха, защит­ ных газов и газовых сред (фаз) при сварке покрытыми электродами и порошковой проволокой. При сварке на открытых площадках

37

*Содержание насыщающих паров приведено в табл. 3.

вусловиях воздействия неблагоприятных факторов состав газовой фазы отличается от состава, приведенного в таблице, наличием до­ полнительного количества воздуха и водяного пара. При существен­ ном отличии состава газовой фазы от нормального должны быть приняты меры для защиты придугового пространства от воздействия неблагоприятных факторов.

Влияние водяного пара (Н.20). Водяной пар может попасть в зону дуги при увлажнении электродов, флюсов, при наличии на элект­ роде или проволоке и кромках основного металла продуктов кор­ розии, влаги в виде росы, изморози, льда и т. п., при непосредствен­ ном попадании на поверхность сварочной ванны осадков в виде дождя, снега, тумана, града.

В жидкой стали водяной пар не растворяется; его вредное влия­ ние проявляется в результате распада его молекул на водород и кислород. Наиболее вероятной реакцией при нагреве водяного

38

Получение качественного металла шва п бколошовной зоны при наличии в газовой фазе значительного количества водяного пара является затруднительным. Раскисление металла приводит к большему его насыщению водородом, так как водяной пар служит источником получения одновременно и кислорода п водорода. Их вредное влияние на качество металла шва, а также пути борьбы с этим влиянием будут рассмотрены ниже.

Влияние кислорода. В газовую фазу кислород попадает в резуль­ тате распада молекул воды, продуктов коррозии, представляющих собой водную окись железа, а также при разбавлении газовой фазы воздухом в результате воздействия ветра. Влияние на процесс окис­ ления металла компонентов шлака и защитного газа не рассматри­ вается, ввиду общности этого процесса для условий цехов и откры­ тых площадок. Металлургия дуговой сварки в настоящее время имеет эффективные средства борьбы с кислородом газовой фазы,

ивлияние кислорода считают менее опасным, чем, например, азота

иводорода. Окисление металла газовой фазой в некоторых случаях даже желательно, например при сварке электродами руднокислого

ирутилового типов. В металле шва кислород находится как в рас­ творенном состоянии, так и в виде химических соединений и их смесей. И в том и в другом случае ухудшаются механические свой­ ства шва и повышается вероятность образования пор. Влияние кис­ лорода на образование пористости связывают с реакцией окисления

и выделяется в виде газовых пузырьков. Для уменьшения окисле­ ния жидкого металла применяются раскислмтели, которые обла­ дают большим сродством с кислородом, чем железо, например алю­ миний, титан, кремний, марганец и др. Flo интенсивности выгора­ ния раскислителей при прочих равных условиях можно судить о

Количестванная оценка окисления металла в газовой фазе пред­ ставляет значительные трудности, так как окисление происходит также от шлака и окисных пленок (окалина и ржавчина).

Влияние ветра на выгорание кремния и марганца при сварке применяющимися на открытых площадках электродными материа­ лами показано на рис. 21. Данные получены при сварке встык пла­ стин из стали Ст.4с толщиной 12 мм в нижнем положении. При сварке в среде защитного газа скорость истечения последнего равнялась

39