Выбор и расчет режимов сварки

При сварке применяются как переменный, так и постоянный ток. Постоянный ток имеет то преимущество, что дуга горит устойчивее. Но переменный ток дешевле, поэтому его применение при сварке предпочтительнее. Но есть способы сварки, при которых применяют только постоянный ток. Сварка в защитных газах и под флюсом выполняется на постоянном токе обратной полярности. Электроды с основным покрытием тоже требуют постоянного тока обратной полярности, как и сварочные флюсы для сварки высоколегированных сталей, основу которых составляет плавиковый шпат. В этих случаях происходит насыщение дуги кислородом или фтором, имеющим большое сродство к электрону. Поэтому необходимо раскрыть сущность процессов, происходящих в дуге при насыщении ее кислородом или фтором и обосновать применение рода тока и полярности. Полярность тока влияет на глубину проплавления, химический состав шва и качество сварного соединения [3, 8, 19].

Режимом сварки называют совокупность характеристик сварочного процесса, обеспечивающих получение сварных соединений заданных размеров, формы и качества. При всех дуговых способов сварки такими характеристиками являются следующие параметры: диаметр электрода, сила сварочного тока, напряжение на дуге, скорость перемещения электрода вдоль шва, род тока и полярность. При механизированных способах сварки добавляют еще один параметр-скорость подачи сварочной проволоки, а при сварке в защитных газах - удельный расход газа.

Параметры режима сварки влияют на форму шва, а значит и его размеры: на ширину шва - е; усиление шва - q; глубину шва – h.

На форму и размеры влияют не только основные параметры сварки, но и такие технологические факторы, как род и полярность тока, наклон электрода и изделия, вылет электрода, конструктивная форма соединения и величина зазора.

2.6.1 Методика расчета режима ручной дуговой сварки. Определяется площадь наплавки, как сумма площадей элементарных геометрических фигур, составляющих сечение шва.

Рисунок 3

Площадь наплавки одностороннего сварного шва, выполненного с зазором, определяется по формуле, мм

F_н = 2F₁ + F₂, (13)

F_н = S b + 0,75 eq, (14)

где S-толщина деталей, мм;

b - зазор, мм;

e - ширина, мм;

q - высота усиления, мм.

а) б)

Рисунок 4

Площадь наплавки стыкового шва с разделкой двух кромок и подваркой корня шва определяется по формуле, мм

F = S b + (S - с)²tg a / 2 + 0,75eq+0,75е₁q₁, (15)

где c - величина притупления, мм;

е₁ – ширина подварки, мм;

q₁ – высота подварки, мм;

a - угол разделки, мм.

При сварке многопроходных швов необходимо определить число проходов по формуле, шт

, (16)

где F_н – площадь всей наплавки, мм²;

F_н1 – площадь первого прохода, мм²;

F_нс – площадь каждого последующего прохода, мм².

При ручной сварке многопроходных швов первый проход выполняется электродами диаметром 3 – 4мм, так как применение электродов большого диаметра затрудняют провар корня шва. При определении числа проходов следует учитывать, что сечение первого прохода не должно превышать 30-35мм² и может быть определено по формуле, мм²

F_н1 = (6 - 8) d_э, (17)

где dэ – диаметр электрода для сварки корневого шва, мм.

Площадь наплавки последующих проходов определяется по формуле, мм²

F_нс = (8 - 12) d_эс, (18)

где F_нс – площадь последующего прохода, мм;

d_эс – диаметр электрода для сварки следующих швов, мм

При сварке многопроходных швов стремятся сварку проходов выполнять на одних и тех же режимах за исключением первого прохода.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины свариваемого изделия. Примерное соотношение между диаметром электрода и толщиной листов свариваемого изделия приведено ниже.

Таблица 8

Толщина свариваемого изделия, мм	Диаметр электрода, мм
1 - 2	1,5 – 2
4 – 5
6 – 12	3 – 4
13 и более	5 – 5,5
	6 и более

Расчет силы сварочного тока Iсв производится по диаметру электрода и допускаемой плотности тока, А

, (19)

где i – допускаемая плотность тока, А/мм.

Допускаемая плотность тока зависит от диаметра и вида покрытия электрода.

Таблица 9 Величина допускаемой плотности тока в электроде при ручной дуговой сварке

Виды покрытия	Диаметр электрода
Кислое, рутиловое	14 - 20	11,5 – 16	10 – 13,5	9,5 - 12,5
Основное	13 – 18,5	10 – 14,5	9 - 12	8,5 - 12

Напряжение на дуге не регламентируется и принимается в пределах 20…36В, то есть Uд = 20 – 36, B

Скорость сварки определяется из соотношения, м/час

, (20)

где a_н – коэффициент наплавки, г/А ч;

g - плотность наплавленного металла, г/см ;

Fн – площадь сечения наплавленного металла, мм²

Длина дуги при ручной дуговой сварке должна составлять, мм

Lд = (0,5 – 1,2) d_э , (21)

2.6.2 Методика расчета режима автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом стыковых соединений односторонних без скоса кромок. Основными параметрами режима автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом является: сварочный ток, диаметр и скорость подачи сварочной проволоки, напряжение и скорость сварки.

Расчет режимов сварки производится всегда для конкретного случая, когда известен тип соединения и толщина свариваемого металла, марка проволоки, флюса и способа защиты сварочной ванны от воздуха и другие данные по шву. Поэтому до начала расчетов следует установить по ГОСТ8713-79 или по чертежу конструктивные элементы заданного сварного соединения и по известной методике определить площадь многопроходного шва.

При этом необходимо учитывать, что максимальное сечение однопроходного шва, выполнено автоматом, не должно превышать 100мм² . Сечение первого прохода многопроходного шва не должно превышать 40-50мм² .

При двухсторонней сварке под флюсом стыкового бесскосного соединения (рисунок 4) сила сварочного тока определяется по глубине проплавления – h основного металла; h - за один проход составляет 8 – 10мм, на форсированных режимах - 12мм, А

Iсв = h_1,2 / k , (22)

где h_1,2 – глубина проплавления основного металла при двухсторонней сварке, без скоса кромок свариваемых деталей, мм;

k – коэффициент пропорциональности, мм/100А, зависящий от рода тока и полярности, диаметра электрода, марки флюса, колеблется от 1-2.

Рисунок 5 Рисунок 6

Таблица 10 Значение К в зависимости от условий проведения сварки

Марка флюса или защитный газ	Диаметр электродной проволоки, мм	К, мм/100 А	Марка флюса или защитный газ	Диаметр электродной проволоки, мм	К, мм/100 А
Переменный ток	Постоянный ток	Переменный ток	Постоянный ток
Прямая полярность	Обратная полярность	Прямая полярность	Обратная полярность
ОЦС-45		1,30	1,15	1,45	АН-348		0,95	0,85	1,05
	1,15	0,95	1,30		0,90
	1,05	0,85	1,15
	0,95	0,75	1,10
	0,90
АН-348А		1,25	1,15	1,40	Углекислый газ	1,2			2,10
	1,10	0,95	1,25	1,6			1,75
	1,00	0,90	1,10	2,0			1,55
				3,0			1,45
				4,0			1,35
				5,0			1,20

Металл толщиной свыше 20мм сваривают за несколько проходов. Чтобы избежать непровара при сварке под флюсом и добиться нормального формирования шва прибегают к скосу кромок. Для однопроходного стыкового шва толщиной не более 10-12мм глубина проплавления равна толщине свариваемых деталей (рисунок 5), при двухсторонней сварке толщиной не более 20мм (рисунок 6) глубина проплавления составляет, мм

h_1,2 = S/2 + (2 - 3), (23)

Диаметр сварочной проволоки dэ принимается в зависимости от толщины свариваемого металла в пределах 2-6мм, а затем уточняется расчетом по формуле, мм

d_э = 2 , (24)

где i - плотность тока, А/мм².

Полученное значение d_э принимается из ближайшего стандартного.

Плотность тока в зависимости от диаметра проволоки указана в таблице 11

Таблица 11

Диаметр проволоки, мм
Плотность тока, А/мм²	65-200	45-90	35-60	30-50	25-45

Напряжение на дуге принимается в пределах 32-40В.

Скорость сварки определяется по формуле, м/ч

Vсв = А / Iсв , (25)

где А следует принимать в пределах, приведенных ниже

Таблица 12

dэ, мм	А, м/ч
1,2	(2 – 5) 103
1,6	(5 – 8) 103
2,0	(8 – 12) 103
3,0	(12 – 16) 103
4,0	(16 – 20) 103
5,0	(20 – 25) 103
6,0	(25 –30) 103

Скорость сварки также можно рассчитать по формуле, м/ч

, (26)

где α_нд - коэффициент наплавки при сварке под флюсом, г/Ач.

Коэффициент наплавки при сварке под флюсом определяется по формуле, г/Ач

α_нд = α_н + Δα_н , (27)

где α_н - коэффициент наплавки, не учитывающий увеличение скорости плавления электродной проволоки за счет предварительного подогрева вылета электрода сварочным током, г/Ач;

Δα_н - увеличение коэффициента наплавки за счет предварительного подогрева вылета электрода, г/Ач, определяется по рисунку 7.

Δα_н

Рисунок 7

При сварке на постоянном токе обратной полярности коэффициент наплавки определяется по формуле, г/Ач

α_н = 11,6 ± 0,4 (28)

При сварке на постоянном токе прямой полярности или переменном токе определяется по формуле, г/А*ч

α_н = А + В (Iсв / dэ), (29)

где А и В – коэффициенты, значения которых для флюса приведены ниже.

Таблица 12

Коэффициенты	А	В
Прямая полярность	2,3	0,65
Переменный ток		0,04

Скорость подачи проволоки Vп.п определяется по формуле, м/ч

, (30)

где Fэ – площадь поперечного сечения электродной проволоки, мм².

Или скорость подачи проволоки может определяться по формуле, м/ч

. (31)

Режим сварки последующих проходов выбирают из условий заполнения разделки и получения поверхности шва, имеющей плавное сопряжение с основным металлом.

2.6.3 При двухсторонней сварке стыковых швов под флюсом со скосом кромокопределяют режим сварки первого прохода с одной и другой стороны шва и последующих проходов отдельно.

Рисунок 8

Рисунок 9

h₁ = h₂ = [c + (2 - 3)], (32)

где h₁,₂ – глубина проплавления первого прохода с одной и другой стороны шва, мм;

с - величина притупления, мм.

Сила сварочного тока определяется по глубине проплавления, А

Iсв = h_1,2 / k, (33)

где k – коэффициент пропорциональности (мм/100А), зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, марки флюса, колеблется 1-2А (см. таблицу 10).

Расчёт остальных параметров режима сварки производится в том же порядке, что и при сварке под флюсом двухстороннего стыкового бесскосного соединения по формулам (16), (24) - (31).

Примечание: Расчёт параметров режима сварки под флюсом угловых и тавровых соединений с разделкой кромок производить по методике расчёта режимов сварки стыковых соединений с разделкой кромок (см. п.2.7.3).

2.6.4 Методика расчёта режима автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом угловых швов без разделки кромок:

Зная катет шва, определяем площадь наплавки, мм²

Fн = k² / 2 + 1,05 kq , (34)

где k – катет шва, мм.

Рисунок 10

Устанавливаем количество проходов на основании того, что за первый проход при сварке в “лодочку” максимальный катет шва можно заварить 14мм, а при сварке в нижнем положении наклонным электродом – 8мм по формуле (16), где Fнс - принимаем в пределах 60-80мм².

Выбираем диаметр электрода, имея в виду, что угловые швы катетом 3-4мм можно получить лишь при использовании электродной проволоки диаметром 2мм, при сварке электродной проволокой диаметром 4-5мм минимальный катет составляет 5-6мм. Сварочную проволоку диаметром больше 5мм применять не следует, так как она не обеспечит провар корня шва.

Для принятого диаметра проволоки подбираем плотность тока по данным, приведенным ниже и определяем силу сварочного тока Iсв, А

. (35)

Определяем коэффициент наплавки из ранее приведенных формул (27), (28), (29), в зависимости от рода тока и полярности.

Зная площадь наплавки за один проход, сварочный ток и коэффициент наплавки, определяем скорость сварки, м/час

. (36)

Скорость подачи электродной проволоки определяется по формуле, м/ч

, (37)

где F_э – площадь поперечного сечения электродной проволоки, мм².

Скорость подачи электродной проволоки можно определить по формуле, м/ч

. (38)

Определяем напряжение на дуге – Uд , оно изменяется от 28 до 36В.

Определяем погонную энергию сварки – q _п по формуле, Дж/см

q_п1,н = 650 F_{н1, с}, (39)

где F_н1,с – площадь поперечного сечения первого или последующего прохода, мм².

Определяем коэффициент формы провара.

Коэффициент формы провара должен быть не больше 2мм, иначе появляются подрезы, но в тоже время он не должен быть чрезмерно мал, так как швы получаются слишком глубокие и узкие, склонные к образованию кристаллизационных трещин, то есть горячих трещин [8].

Определяем глубину провара – h по формуле, мм

. (40)

2.6.5 Расчет режимов сварки в углекислом газе, в аргоне. Известно, что основные параметры режимов механизированных процессов дуговой сварки следующие: диаметр электродной проволоки – d_э, вылет ее - l_э, скорость подачи электродной проволоки - Vп.п, сила тока – Iсв, напряжение дуги – Uд и скорость сварки – Vсв, а также удельный расход СО₂.

Полуавтоматическую сварку в углекислом газе выполняют короткой дугой на постоянном токе обратной полярности.

Расстояние от сопла горелки до изделия не должно превышать 22мм. Стыковые швы в нижнем положении сваривают с наклоном электрода от поверхностной оси на 5-20º. Угловые соединения сваривают с таким же наклоном в направлении сварки и наклоном поперек шва под углом 40-50º к горизонтали, смещая электрод на 1 - 1,15мм от угла на горизонтальную полку.

Тонкий металл сваривают без колебательных движений, за исключением мест с повышенным зазором. Швы катетом 4-8мм накладывают за один проход, перемещая электрод по вытянутой спирали. Корень стыкового шва заваривают возвратно – поступательно, следующей вытянутой спиралью, а последующие - серповидными движениями.

Проволокой толщиной 0,8-1,2мм сваривают металл во всех положениях, причем при вертикальных, горизонтальных и потолочных напряжение уменьшают до 17-18,5В, а силу тока на 10-20%.

Стыковые швы металла толщиной до 2мм, а угловые катетом – 5мм и корень стыковых швов большого сечения лучше сваривать сверху вниз. При сварке необходимо обеспечить защиту от сдувания газа и подсоса воздуха через зазор. Для уменьшения разбрызгивания в сварочную цепь можно последовательно включить дроссель.

Расчет параметров режимов производят в следующем порядке:

- определяют толщину свариваемого металла по чертежам;

- в зависимости от толщины свариваемого металла выбирают диаметр электродной проволоки.

Таблица 13 Зависимость диаметра электродной проволоки от толщины свариваемого металла

Показатель	Толщина свариваемого металла, мм
0,6-1,0	1,2-2,0	3,0-4,0	5,0-8,0	9,0-12,0	13,0-18,0
Диаметр электродной проволоки, мм	0,5-0,8	0,8-1,0	1,0-1,2	1,4-1,6	2,0-2,0	2,5-3,0

Диаметр электродной проволоки для автоматической сварки может быть в интервале 0,7-3,0мм и выше, а для полуавтоматической – в интервале от 0,8-2,0мм.

Вылет электрода определяется по формуле, мм

l_э = 10d_э , (41)

Рассчитывают силу сварочного тока по формуле, А

Iсв = I F_э , (42)

где i – плотность тока, А/мм² (диапазон плотностей сварочного тока от 100 до 200А/мм²), оптимальное значение 100-140А/мм²;

F_э – площадь поперечного сечения электродной проволоки, мм².

Большое значение плотности тока соответствует меньшим диаметрам электродной проволоки.

Устойчивое горение дуги при сварке плавящимся электродам в углекислом газе достигается при плотности тока свыше 100А/мм². Так как определение основного параметра режима сварки основываются на интерполировании широкого диапазона рекомендованных плотностей тока, то Iсв необходимо уточнять по таблице 14 [17].

Таблица 14 Диапазоны сварочных токов основных процессов сварки в СО₂ проволокой Св-08Г2С

Процесс сварки	Диаметр электродной проволоки, мм
0,5	0,8	1,0	1,2
ИДС к.з.	30-120	50-120	71-240	85-260
КР без к.з.	100-250	150-300	160-450	190-550
КР с к.з.	30-150	50-180	75-260	65-290
Процесс сварки	Диаметр электродной проволоки, мм
1,4	1,6	2,0
ИДС к.з.	90-280	110-290	120-300
Продолжение таблицы 14
Процесс сварки	Диаметр электродной проволоки, мм
1,4	1,6	2,0
КР без к.з.	90-320	110-380	150-400	220-500	250-600
КР с к.з.	200-650	210-800	220-1200	250-2000	270-2500

Примечание: ИДС к.з. – импульсный с частыми принудительными короткими замыканиями; КР без к.з. – крупнокапельный без коротких замыканий; КР с к.з. - крупнокапельный с короткими замыканиями.

При сварке в СО₂ проволокой Св-08Г2С в основном используют процесс с частыми принудительным коротким замыканиями и процесс с крупнокапельным переносом (таблица 12). При сварке порошковыми проволоками используют процесс с непрерывным горением дуги, а при сварке актированной проволокой – струйный процесс. Процесс с частыми короткими принудительными замыканиями получают при сварке в СО₂ проволоками диаметрами 0,5-1,4мм путем программирования сварочного тока, обеспечивающего изменение скорости плавления электрода и давления дуги.

Процесс с крупнокапельными переносом наблюдается при сварке проволоками диаметрами 0,5-1,5мм на повышенных напряжениях, а диаметрами более 1,6 – во всем диапазоне режимов сварки кремне-марганцевыми проволоками (см. таблицу 13). При низких напряжениях процесс протекает с короткими замыканиями, а при высоких без них.

При проверке расчетных режимов и внедрении их в производство необходимо помнить, что стабильный процесс сварки с хорошими техническими характеристиками можно получить только в определенном диапазоне сил тока, который зависит от диаметра и состава электрода и рода защитного газа (см. таблицу 13).

Регулирует силу тока изменением скорости подачи электродной проволоки. Сила тока определяет глубину провара и производительность процесса. Поэтому весь расчет режимов является ориентировочным и на практике требует уточнения.

Определяют скорость подачи электродной проволоки по формуле, м/ч

, (43)

где Vп.п – скорость подачи проволоки, м/ч;

α_р – коэффициент расплавления электродной проволоки, г/Ач;

Iсв – сварочный ток, А;

dэ – диаметр электродной проволоки, мм;

γ – плотность металла электродной проволоки г/см³ (γ=0,0078г/мм³).

Коэффициент расплавления определяется по формуле, г/Ач

α_р = [8,3 + 0,22 Icв / dэ] 3,6·10^-1, (44)

Определяется скорость сварки по формуле, м/ч

, (45)

или

, (46)

где Vсв – скорость сварки, м/ч;

α _н – коэффициент наплавки, г/Ач;

Iсв – сварочный ток, А;

Fн – площадь поперечного сечения, мм²;

γ – плотность наплавленного металла, г/см³;

0,9 – коэффициент, учитывающий потери на угар и разбрызгивание.

Коэффициент наплавки, г/Ач определяется по формуле, г/Ач

α_н = α_р (1 – ψ / 100), (47)

где ψ – потеря электродного металла вследствие окисления, испарения и разбрызгивания, % (ψ = 7-15%, принимают обычно ψ = 10%). Потери электродного металла возрастают с увеличением напряжения на дуге.

Напряжение на дуге принимают в интервале 16-34В. Большие значения соответствуют большей величине тока. Напряжение можно определить по графику (см. рисунок 11).

Рисунок 11

Напряжение на дуге предварительно подбирается и может быть установлено при настройке, например, по напряжению холостого хода источника тока. К параметрам режима сварки в среде углекислого газа относится удельный расход газа – q_г, который зависит от положения шва в пространстве, скорости сварки, типа соединения и толщины свариваемого металла [8,17,19 т.2]. Параметры режима сварки свести в таблицу 15

Таблица 15