1.7. Тепловложение при сварке

При сварке расходуется не вся мощность источника, а только частьее, называемая эффективной тепловой мощностью q=η_и q₀;

где q₀ = 0,24 I_д U_д - полная мощность источника нагрева (дуги); η_И=q/q₀ - эффективный КПД процесса нагрева изделия, учитывающий неизбежные потери теплоты на излучение, конвективный теплообмен со средой и т.д. Для дуговой сварки η_И меняется от 0,8 - 0,9 (при сварке под флюсом до 0,5 – 0,6 при сварке открытой дугой).

Минимальная тепловая мощность q_пл, необходимая для расплавления основного металла и образования сварочной ванны определяется энтальпией металла при температуре плавления ΔH_пл: q_пл= g₀ ΔH_пл ,

где g₀ = γ v_св F_пр - массовая скорость плавления металла; γ — плотность твердого металла; v_св — скорость сварки; F_пр — площадь проплавления.

Для теории и практики сварки особое значение приобретает термический КПД процесса плавления η_t =g₀ ΔH_пл/q, который позволяет оценить полный КПД процесса плавления металла η_пр= η_t η_и . Доля полной мощности, расходуемой на плавление металле при сварке, определяется

по формуле: η_пр =g₀ ΔH_пл/q₀ .

Определяющим параметром режима сварки является величина погонной энергии q/v_св, который характеризует тепловложение на единицу длины. С увеличением погонной энергии возрастают размеры ванны и ее масса

e = A₁ q/v_св S ; L = A₂ q²/v_св S² ;G = A₃ q³/(v_св S)² , (11)

где е, L, G — ширина, длина и масса сварочной ванны; А₁, А₂, А₃— коэффициенты, зависящие от теплофизических свойств свариваемого металла; S — толщина свариваемых кромок.

1.5. Сварочные материалы (электроды)

Сварочные материалы. К сварочным материалам относятся электродная или присадочная проволока, штучные электроды (см. табл. 4) и защитные газы (СО₂, аргон, О₂ и другие).

Электроды для ручной дуговой сварки выполняются из холоднотянутой проволоки и классифицируются: по химическому составу стержня по виду покрытия; по механическим свойствам металла шва. Тип электрода обозначается буквой Э, следующее за буквой число обозначает предел прочности ( , кгс/мм²). Если после числа следует буква А, то это означает, что электрод обеспечивает повышенной пластичностью (например, Э42А качественнее Э42).

Обмазки делятся на стабилизирующие (тонкие) и защитные (толстые). Первые легко ионизируются, чем поддерживают стабильное горение дуги, а вторые - надежно защищают и легируют металл. Покрытия электродов классифицируются следующим образом:

Кислые покрытия (А) - содержат окислы железа, марганца, кремнезем, ферромарганец. Электроды имеют высокую производительность, пригодны для сварки во всех пространственных поло­жениях, но являются токсичными.

Рутиловые (Т) покрытия - содержат в основном рутил с добавками кремнезема, ферромарганца, карбоната кальция и марганца. По технологическим качествам близки к кислым, дают хорошее формирование шва и менее вредны.

Основные (Б) - состоят из карбонатов кальция и магния, плавикового шпата и ферросплавов. Газовая защита обеспечивается СО и СО₂, образующимися при разложении карбонатов. Электроды часто используются при сварке на постоянном токе и рекомендуются для ответственных конструкций.

Целлюлозные (Ц) - состоят из органических материалов, к которым добавлены шлакообразующие ( , силикаты). Электроды пригодны для сварки в любых пространственных положениях.

Органические (0) - состоят из органических составляющих с добавлениями ферросплавов марганца, рутила, алюмосиликата и других.

Фтористокальциевые (Ф) - состоят из фтористых и кальциевых соединений, которые очень токсичны.

В настоящее время промышленностью выпускается более 100 марок электродной проволоки. По химическому составу они подразделяются на низкоуглеродистые, легированные, высокоуглеродистые и высоколегированные. Маркируют их, как и стали, но с добавлением букв Св. Haпример, проволока марка Св-10Г2А: первые - буквы Св – сварочная проволока, первые две цифры - содержание углерода в сотых долях процента (0,10%), буква Г – марганец до 2%, буква А в конце указывает на повышенное качество металла и пониженное содержанке S и Р).

Электроды подразделяются на группы в зависимости от свариваемых материалов: для сталей низкоуглеродистых (У); легированных (Л); теплоустойчивых (Т); высоколегированных (В) предназначенных для наплавки (Н). По толщине покрытия электроды маркируют: М – с тонкимпокрытием; С - со средним; Д – с толстым, Г – с особо толстым.

Условные обозначения электродов для сварки конструкционных сталей состоит из обозначения марки электродов, его типа, диаметра стержня, типа покрытия и номера ГОСТа. Например, условное обозначение электрода

Э50А- АНО-7. 5,0 -Л Д 3

Е 43 2 (5) – Б 1 0 - ГОСТ 9466-75,

расшифровывается в соответствии с ГОСТ 9467-75следующим образом: Э50А - тип электрода (с гарантированным пределом прочности металла шва = 50 кг/ см²; буква А - указываем на повышенную пластичность металла); АНО7 – заводская марка электрода; 5,0 - диаметр электрода; Л – электрод для сварки легированных сталей с >500 МПа; Д3 – толстое покрытие 3 группы (группа указывает высокую точность геометрических параметров электрода и прочность обмазки; всего 4 группы).

Е – электрод; 43 2 (5) – индексы электрода (43 - ; 2 – относительное удлинение не менее 20%; 5 – ударная вязкость 35 Дж/см² при Т = - 40 ⁰С). Б - - основное покрытие; 1 – для сварки во всех пространственных положениях; 0 – постоянный ток, обратной полярности.

Назначение некоторых типов электродов представлено в табл. 7.

Таблица 7

Электроды для сваркиконструкционных сталей (ГОСТ 9467–60)

Типы электродов	Механические свойства				Содержание в шве		Основное назначение
	металла шва
	времменное сопротивление разрыву, кг/мм2	относительное удлинение, %	ударная вязкость, кг/м/см2	угол загиба, град.	серы	фосфора
	не менее				не более
Э-34	34	-	–	30	0,05	0,05	для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей
Э-45	45	18	8	120	0,05	0,05
Э-45А	45	22	14	180	0,04	0,04
Э-46	46	18	8	120	0,005	0,05
Э-46А	46	22	14	150	0,04	0,04
Э-50	50	16	6	90	0,05	0,05	для сварки среднеуглеродистых и низколегированных сталей
Э-50А	50	20	13	150	0,04	0,04
Э-55	55	20	12	140	0,04	0,04
Э-60	60	16	6	––	0,04	0,04
Э-60А	60	18	10	––	0,04	0,04
Э-70	70	12	6	––	0,04	0,04	для сварки легированных сталей повышенной прочности
Э-85	85	12	5	––	0,04	0,04
Э-100	100	10	5	––	0,04	0,04
Э-145	145	5	4	––	0,04	0,04

Сварные соединения на чертежах обозначают по ГОСТ 2.312-72, рис. 17.

Т5-Рн - 6-50Z150 ГОСТ 5264-80

Рис. 17. Условное обозначение шва таврового соединения: шов тавровый (Т5). Цифра 5 – указывает номер в ГОСТе с указани

е м вида соединения и, а также формы разделки, то есть в данном случае шов двустороннего соединения с двумя симметричными скосами одной кромки, выполненного по замкну-тому контуру ( ), ручной дуговой сваркой (Р) неплавящимся электродом (н) в защитном газе (З). Катет шва 6 мм.( 6), шов прерывистый, с шахматным расположением (Z) участков длиной по 50 мм, шаг 150мм.

Свариваемость – комплексная технологическая характеристика металлов и сплавов, выражающая реакцию свариваемых материалов на сварочный цикл и определяющая техническую пригодность сварного соединения к эксплуатации. Мерой количественной оценки свариваемости является совокупность показателей, каждый из которых определяется сравнением показателей свойств сварного соединения с нормативным показателем свариваемого металла.

Углерод в сталях оказывает самое существенное влияние на свариваемость. По содержанию углерода свариваемость подразделяется на четыре категории:

• хорошая (С < 0,_,I5%)_, - сварка проводится по обычной технологии;

• удовлетворительная 0,_,I5<C <0,3%, - подогрев перед сваркой;

• ограниченная 0,_,3<C_, <0,5%, - подогрев с последующей ТО;

• плохая C_, >0,5%) - - подогрев с последующей ТО и специальные меры.

Оценку пригодности стали для сварных конструкций можно дать, пользуясь приведенным эквивалентом по углероду С_Э.:

, (12)

где числители - содержание элементов, %; - толщина детали, мм. По С_Э, определяют твердость металла HV в зоне термического влияния (по Виккерсу):

, (13)

Наличие серы в металле способствует появлению горячих трещин при сварке. Если соотношение Mn/S > 10, то марганец нейтрализует вредное воздействие серы S и повышает прочность металла шва.

Рабочие швы должны обладать определенным запасом прочности:

n_з= _т/_р,

где _т - предел текучести; _р - расчётное напряжение. Для стальных конструкций n_з ≈1,2 – 1,6. Для материалов с низкой пластичностью n_в = _в/_р ≈3 – 4. Оценка на прочность проводится по предельно допустимым расчётным усилиям N , кгс:

стыковые швы - N = Rc S l	фланговые угловые - N = Кф 07 К Rу
Лобовые угловые - N = 07 К Rу	тавровые - N =0,55 RТ К l

Примечание: R_c - расчётное сопротивление растяжению металла шва, кгс / см²;

S – толщина металла в расчётном сечении, см; l – длина шва, см.(длина фланговых швов обычно равна 50 катетам); К – высота катета шва, см; К_ф = 1,5 … 2,0 – поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность нагрузки сопряжённых швов.