Геометрические параметры металла шва

Размеры, форма шва и глубина проплавления зависят от пространственного расположения сварки, от величины тока и напряжения дуги, а также наклона электрода. При вертикальном положении созда-

ются благоприятные условия для проплавления металла, благодаря удалению расплава из-под электрода за счет электродинамического давления дуги и сил гравитации (рис. 14).

Рис. 15. Сварка в нижнем положении: а - без наклона; б - наклон по направлению на спуск; в -наклон против направления сварки (на подъем)

Рис. 14. Сварка вертикальных соединений

со свободным формированием швов:

а-снизу вверх (на подъем); б - сверху вниз

(на спуск); р_м - сила тяжести расплава

При сварке в наклонном положении на подъем глубина проплавления возрастает, при сварке на спуск — снижается (рис. 15). В первом случае металл под действием силы тяжести перетекает в хвостовую часть ванны, уменьшая толщину расплавленной прослойки, во втором - под действием силы тяжести металл затекает в головную часть ванны, опережая источник теплоты, и увеличивает толщину расплавленной прослойки. Формирование швов на спуск и на подъем имеет место при сварке кольцевых поворотных швов, расположенных в вертикальной плоскости. Условия формирования швов зависят от смещения источника нагрева относительно верхней точки окружности (рис.16).

Рис. 16. Формирование швов: а — угол смещения источника нагрева): а-на подъем; б — на спуск при сварке кольцевых соединений

При сварке в вертикальном положении процесс можно вести сверху вниз (на спуск) и снизу вверх (на подъем), см. рис. 14. В обоих случаях сила веса ванны направлена вниз по продольной оси шва.

При сварке на спуск удержанию ванны от стекания способствует давление источника. При сварке на подъем ванна удерживается только силами поверхностного натяжения. Для удержания ванны в вертикальном положении необходимо ограничивать тепловую мощность дуги.

Сварку вертикальных соединений с двусторонним принудительным формированием шва ведут снизу вверх с расположением источника нагрева в направлении оси шва. Сварку сдвусторонним принудительным формированием применяют для соединения толстостенных элементов.

Выполнение сварных соединений в потолочном положении (рис. 17 а ) осложняется повышенной опасностью стекания ванны.

а б

Рис. 17 Формирование ванны и шва в потолочном положении (а) и при сварке неповоротных кольцевых соединений (б). Удержание ванны от стекания приобретает особенно важное значение при сварке в вертикальном и потолочном положениях. При сварке на спуск ванна удерживается только силами поверхностного натяжения.

При этом возникает необходимость переноса присадочного металла в ванну в направлении, противоположном действию силы тяжести. Примером формирования шва во всех пространственных положениях может служить сварка неповоротных стыков кольцевых швов, рис. 17 б. Наибольшая глубина проплавления сварочной ванны достигается при угле поворота источника нагрева, равном 270°. Наименьшая глубина соответствует повороту источника на 90° и формированию шва на спуск.

Технологические режимы

Из-за большого количества факторов логично выделить три вида режимов сварки: гидромеханический, термический и силовой.

Гидродинамический режим характеризуется гидростатическим давлением расплава Р_Г, скоростью его растекания u_р, жидкотекучестью Ж_Р, геометрическими параметрами жидкой ванны, временем существования жидкой ванныt_Р.

Силовой режим сварки характеризуется электродинамическим давлением дуги Р_Д , защитных сред Р_С (газа, флюса), амплитудно-частотными и скоростными параметрами формообразующих элементов.

Термический режим сварки характеризуется тепловой мощностью дуги (ток, напряжение дуги), скоростью сварки,подачи электродов их количеством, интенсивностью теплоотвода (охлаждения)

Ток дуги I_Д в наибольшей степени определяет её тепловую мощность. При постоянном диаметре электрода с увеличением силы тока дуги возрастает концентрация тепловой энергии в пятне нагрева.. С увеличением величины тока возрастает длина сварочной ванны, ее ширина и глубина проплавления. Особенно интенсивно растет глубина проплавления: Н = k I_Д , где k — коэффициент, зависящий от рода тока, полярности, диаметра электрода, степени сжатия дуги и др.

Напряжение дуги. С увеличением напряжения возрастает тепловая мощность дуги, а следовательно, и размеры сварочной ванны. Особенно интенсивно возрастают ширина ванны: , где S — толщина свариваемого металла. При постоянной величине сварочного тока повышение напряжения дуги незначительно сказывается на глубине проплавления

Режимы сварки назначают с учётом геометрических параметров свариваемых объектов. Максимальная толщина соединяемых элементов, свариваемых без разделки кромок, указана в табл. 5. Перед сваркой кромки зачищаются, а детали подвергаются правке.

Таблица 5

Диаметр электродов в зависимости от толщины свариваемых материалов

Толщина свариваемого материала,, мм	1,5
Диаметр электрода, d, мм

Ток сварки устанавливается в зависимости от необходимой глубины провара П из расчета, что 80 ¸ 100 А дают глубину провара около 1 мм:

(5)

Ток сварки корректируется с учётом диаметра электрода

(6)

где к – расчётный коэффициент выбирается по табл. 6.

Таблица 6

Расчётный коэффициент

Диаметр электрода, мм	1-2	3-4	5-6
Коэффициент, k	25-30	30-45	45-60

Для электродов с газозащитным покрытием коэффициент К имеет меньшее значение, чем для ионизирующих покрытий. Для вертикальных и потолочных швов расчетную величину тока уменьшают на 20%. С целью увеличения производительности сварку стремятся вести на сильном токе. Однако его увеличение ограничивается чрезмерным нагревом электрода. Величина тока при коротком замыкании (в момент зажигания) должна быть ограничена и составляет .

Напряжение обычноизменяется в пределах (20 ¸ 50 В). Напряжение холостого хода в 2-3 раза выше рабочего напряжения, но не более 100 В. Это необходимо для легкого зажигания дуги.

Скорость ручной сварки выбирается из условия отсутствия стекания расплава со свариваемого объекта, в зависимости от площади шва ( ). Обычно она находится в пределах 0,5 ¸ 1 м/ч. В то же время желательно сварку вести за один проход. Количество проходов , рассчитывается исходя из толщины наплавки за один проход (см. табл. 7):

, (7)

где , - площадь сечения шва за один проход и сечения разделки кромок, см². соответственно

Таблица 7

Максимальная толщина стали, свариваемой за один проход, мм

Способ сварки	Односторонний шов	Двусторонний шов
С обязательным зазором или скосом кромок	Без зазора	С обязательным зазором или скосом кромок	Без зазора
Электродами с обычным покрытием
Покрытиями для глубокого провара
Полуавтоматическая в СО2
Под флюсом

Сечение прямо пропорционально коэффициенту наплавки ( = 8 ¸ 10 г/Ач) и току сварки и обратно пропорционально объёму наплавляемого металла:

, (8)

Расчет основного времени сварки, проводится по формуле

, (9)

где - основное время (время горения дуги), ч; - количество наплавленного металла, г (зависит от сечения и длины шва L):

, (10)

- плотность наплавленного металла (7,8 г/см³ для стали); - коэффициент наплавки в г/Ач (зависит от способа сварки, марки электрода, полярности, величины и плотности тока и определяется из формулы , где - коэффициент расплавления, к/Ач; - коэффициент потерь на разбрызгивание, угар и изменяется в пределах 1 ¸ 20%). Коэффициент потерь при сварке под флюсом = 1 – 5 %, при сварке в СО₂, =10 ¸ 12%; при сварке открытой дугой =10 ¸ 20%.

Полное время сварки подсчитывается в зависимости от с учетом поправочного коэффициента К - 0,4 ¸ 0,8, зависящего от условий работы и организации рабочего места сварщика, степени механизации и автоматизации сварочного поста.

Расход электродов подсчитывается по формуле

, г, (11)

где =1,3 ¸ 1,5 - учитывает потери на огарки и вес покрытия.

Сварка в потолочном и вертикальном положении проводится на уменьшенном токе (табл. 6).

Таблица 8

Ориентировочные режимы сварки (ток и диаметр электродов)

Марка электрода	Диаметр электрода, мм	Положение шва в пространстве
Нижнее	Вертикальное	Потолочное
УОНИ-13/45		80-120	70-100	70-100
	120-150	100-130	100-130
	160-190	140-170	–
СМ-11		100-130	90-110	90-110
	160-200	140-180	140-180
ЦТ-15-1		80-110	70-90	70-90
	120-140	90-110	90-110
ОЗА-1		120-160	–	–
	150-220	–	–

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 плавленияметалла;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 , (12)

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