Простой термический цикл околошовной зоны при однопроходной сварке или при наплавке валика, состоящий из быст­рого нагрева до максимальной температуры и последующего более медленного охлаждения (фиг. 146), зависит от погонной энергии дуги, которая в первом приближении пропорциональна площади поперечного сечения зоны наплавки или разделки шва.

С увеличением сечения шва или валика, т. е. с увеличением погон­ной энергии дуги, увеличивается длительность нагрева и уменьшает­ся скорость охлаждения. Если для данной марки стали скорость ох — лаждепия слишком велика, то, увеличивая сечение валика или раз* делки шва, можно замедлить охлаждение и тем самым ослабить или исключить закалку. Однако при этом увеличивается длительность нагрева околошовной зоны и возникает опасность значительного роста зерна, которое в свою очередь может снизить показатели пла­стических свойств сварного соединения. Таким образом, регули­рование простого термического цикла сварки изменением погонной энергии не Ессгда приводит к нужным результатам.

(1L £L

Фиг. 152. Скорость охлаждения околошовной зоны при наплавке валика на стальной лист: а — влышие голпишы листа б — рлияпие погонточ энергии qp> а — в чья* ие температуры 70 об пего подогрера; г — влияние ьпновеннои температуры Г.

Наплавка валиков. При наплавке валика на мас­сивное тело скорость охлаждения согласно выражению (45.3) обратно пропорциональна погонной энергии qjv, т. е. в пер­вом приближении сечению зоны наплавки валика. Длительность нагрева выше данной температуры согласно выражению (46.5) прямо пропорциональна погонной энергии, т. е. в первом приближении сечению зоны наплавки.

Повышение температуры подогрева изделия также снижает ско­рость охлаждения, но увеличивает длительность нагрева. Оба пара­метра режима — погонная энергия и температура подогрева — регу­лируют термический цикл так, что снижению скорости охлаждения соответствует увеличение длительности нагрева.

При наплавке валиков па листы, т. е. при расчете термического цикла по схеме точечного источника на поверх­ности плоского слоя, количественные соотношения не столь просты, как при наплавке на массивнее тело. Все же с увеличением погонной энергии, т. е. сечения Еалика, при прочих равных условиях мгновен­ная скорость охлаждения уменьшается (фиг. 151, б). С повышением

16*

Фиг, 152, Термический цикл нагрева и охлаждения околошовной

зоны:

а — при 0 2.КО ірохот;ной сварке и ширине разделки 18 мм; /“ 1600 a, U = 37 а,
v — Ъм/час, qjzfz= 25000 кйі/см; б—яри одчолрпх^дгол сварке и ширине разделки
26 мм; /—ІбООй, U~?i7a v = 12,5 м/час, q v ™ 36000 нал/см. в — при многослойной
старке, в 8 слое?, / = 2б0я, U „ 25й v ~ 9 м/час, #/я ^4600 нал/см.

СЛг/^е/Г V" £? £6 СМ [сен

q/v — Г 700 кал/см q/v-331*00 на л/см

j

температуры подогрева Т0 при постоянной по: онксй энергии скорость охлаждения также снижается (фиг, 151, в). Погонная энергия и тем­пература подогрева являются основными параметрами для регулиро­вания термического цикла при сварке сталей повышенной прочности. С уменьшением толщины листов S мгновенная скорость охлаждения при заданном постоянном значении погонной энергии уменьшается (фиг. 151,а). С понижением мгновенной температуры Т околошовной зоны скорость ее охлаждения также уменьшается (фиг. 151,г).

£10с/ш

Ит

Сварка листов встык. При сварке листов данной толщины встык в один проход основной параметр регулирования термиче­ского цикла — погонная энергия — значительно не изменяется. Сравним термические циклы при сварке листов толщиной 25 мм с односторонним скосом кромок при различных площадях разделки шва (фиг. 152). Термический цикл околошовной зоны при ширине разделки 18 мм и погонной энергии 25000 кал [см отличается нагревом в течение 80 сек. выше 750° и скоростью ох­лаждения 4°С/сек. при 750°. Термический цикл сварки при ширине разделки 26 мм и погонной энергии 36 000 калієм ха­рактеризуется большей длительностью нагрева 145 сек. выше 750°, но и более медленным охлаждением (2°С/сек. при 750°). Значительно увеличивать сечение разделки экономически и технологически невыго­дно, поэтому регулирование термического цикла однопроходной свар­ки изменением погонной энергии возможно лишь в узких пределах.

С увеличением толщины листов, свариваемых встык в един про­ход, увеличивается сечение шва, а тем самым и погонная энергия, которая в первом приближении пропорциональна сечению шва, т. е. при одинаковых углах разделки —квадрату толщины свариваемых
листов (фиг. 153, б). Таким образом, удельная энергия qjvb при сварке встык в первом приближении пропорциональна толщине § свариваемых листов. Длительность нагрева выше данной темпера­туры пропорциональна квадрату удельной энергии [см. выражение

(46.5) ], и следовательно, квадрату толщины листов. Скорость охлаж­дения при данной температуре обратно пропорциональна квадрату qjvb [см. выражение (45.4) ], и следовательно, толщине листа. Поэтому термический цикл однопроходной сварки встык толстых листов отличается большей длительностью перегрева и меньшей скоростью охлаждения в сравнении с циклом сварки встык тонких листов (фиг. 153, а).

Уменьшению скорости охлаждения и увеличению длительности нагрева при сварке листов встык в один проход способствует увели­чение толщины листов (фиг. 154, а), увеличение угла разделки кро­мок (фиг. 154, а), уменьшение кеэфициента наплавки (фиг. 154,в), повышение температуры общего подогрева листов (фиг. 154,6)

и уменьшение поверхностной теплоотдачи (фиг. 154,г).

Влияние флюса на режим ох­лаждения, При сгарке под флю­сом тепло, затрачиваемое на рас­плавление флюса, сосредоточено вблизи шва. Зто тепло не исполь­зуется для проплавления изде­лия, но нагретый дугой флюс отдаст тепло металлу шва и прилегающей к нему зоне осно­вного металла, замедляя про­цесс охлаждения. Флюс обла­дает значительно меньшей теп­лопроводностью, чем металл изделия, поэтому отвод тепла в металл значительно больше отвода во флюс. При одной и той же погонной энергии покрытый слоем флюса металл охлаждается медленнее, чем при открытой дуге, так как в процессе охлаждения флюс отдает металлу накопленное им тепло (фиг. 155). Поэтому длительность f охлаждения металла в субкритическом промежутке Тг—Т при сварке под флюсом больше длительности t при сварке открытой дугой (при одинаковой qjv) (И. Д. Кулагин).

Термический никл однопроходной сварки листов встык можно регулировать лишь в ограниченных пределах, вслед — с~ вне ограниченной возможности изменять основной параметр регулирования — погонную энергию дуги. При наплавке валиков, когда погонную энергию можно изме­нять в более широких пределах, увеличение погонной энергии при повышений температуры общего подогрева снижает скорость охлаждения, но увеличивает длительность нагрева. При однопро­ходной сварке можно изменить общее очертание кривой термине —

ского цикла, можно узкую и острую кривую, например а на фиг. 152, заменить более широкой и пологой кривой б, но нельзя переломить эту кривую на требуемом уровне температуры и придать ей целесооб­разную характеристику условного термического цикла (фиг. 143). Для того, чтобы приблизиться к такому циклу, необходимо либо применить дополнительный местный подогрев зоны термического влияниясварки, либо перейти к сложному воздействию дуги, т. е. к многослойной сварке.

Методика (валиковая проба) МВТУ. Методика МВТУ определяет характер изме­нений структуры околошовной зоны и механических свойств стали, вызванных термическим циклом нагрева и охлаждения при сварке Этими испытаниями устанавливают склонность стали к закалке и перегреву, в широ­ком диапазоне режима, механиче­ские свойства стали, измененные процессом сварки, а также влия­ние последующей термообработки на улучшение этих свойств.

Методика проведе­ния испытаний (подго­товка пластин и процесс наплав­ки). Для испытаний по методике МВТУ используют сталь каждой плавки в том структурном? состоя­нии. в каком она применяется для сварки. На лист исследуемой стали толщиной 12—18 мм наплавляют на расстоянии 200—220 мм друг от друга несколько валиков (фиг.

156,а) при различных значениях погонной энергии так, чтобы qjv при наплавке каждого следующего валика отличалась от предыдущего в 1,5—1,7 раза Каждый валик следует наплавлять на холодный лист достаточно далеко (100—НО мм) от его краев. Для большего удобства лист испытуемой стали можно разрезать на отдельные пластины размером (200—220) х500 мм (фиг 156,а). Валик наплавляют вручную без поперечных колебаний электрода или на автомате (открытой дугой или дугой под флюсом) по продольной оси симметрии пластины.

Из испытуемой пластины с наплавленным валиком механическим способом вырезают образцы на статический изгиб (фиг. 156, б) и на удар (фиг 156, в), а также образец ддя макро — ц мц&роиссдедованця,

Фиг 157. Результаты испытаний углеродистой конструкционной стали
40 (С—0,40%, Мп—-0,70%, Si— 0,24%, Сг—-0,03%, Ni—’0,44%) по методике
МВТУ (Л А. Фридлянд)

д — изменение механических CFoacTp стали (>гла загиба и хдарнол вязкости акгм/сл& твердости Н$ и размеров зерна аустенита в очолоьовнгй ^ої е в зависимости гт по­гонной энергии дуги qv кі алісм при наплавке валика на лист толщиной 16 лш, б — из менание твердости Н{ сколошовроі зоны в зависиуости от скорости охлаждения при температуре наименьшей устойчивости аустенита ста чи 40, 7’Пц»=5Б0°.

Результаты испытаний сводятся в график, выражающий зависи­мость механических свойств стали (угол загиба <р и ударная вязкость ak кгм/см2), а также твердости Ну и размера р аустенитного зерна околошовной зоны от погонной энергии дуги в ккал/см (фиг 157 и 158).

Для каждого валика с помощью номограммы фиг. 159 рас­считывают скорость охлаждения при температуре Т1гт, соответ­ствующей наименьшей устойчивости аустенита испытуемой стали По этим данным строят график зависимости твердости Hv от скорости охлаждения (фиг. 157,6 и 158,6).

Результаты испытаний. Механические свойсгва низколе гированной конструкционной стали перлитного класса изменяются закономерно в зависимости от погонной энергии дуги qfv, опреде­
ляющей термический цикл околошовной зоны. В определенном для данной стали и ее толщины промежутке погонной энергии дуги показатели механических свойств стали, ударная вязкость и угол загиба достигают наибольших значений.

Для углеродистой конструкционной стали (сталь 40) промежуток значений погонной энергии дуги, в котором механические свойства стали имеют наибольшее значение, составляет 7000—10000 калісм (фиг 157,а).

Для низколегированной стали НЛ-2 оптимальные значения меха­нических свойств стали имеют место при значениях погонной энер­гии дуги 5000—8000 кал/см (фиг. 158,а).

С уменьшением погонной энергии дуги от оптимального значения, т. е с увеличением скорости охлаждения и с уменьшением длитель­ности нагрева угол загиба и ударная вязкость стали в околошов­ной зоне снижаются, твердость околошовной зоны увеличи­вается, но одновременно уменьшается размер аустенитного зерна. С увеличением погонной энергии дуги от оптимального значения, т е. с уменьшением скорости охлаждения и с увеличением длитель­ности нагрева механические свойства стали в околошовной зоне, также снижаются, причем твердость околошовной зоны умень­шается, но значительно увеличивается размер аустенитного зерна Для низколегированной стали НЛ-2 (фиг. 158, а) с увеличением погонной энергии от оптимальных значений наблюдается некоторое повышение твердости Снижение механических свойств стати как с уменьшением, так и с увеличением погонной энергии дуги от опти­мального для данной стали значения обусловлено в первом случае процессом закалки, а во втором случае — процессом роста аустенит­ного зерна

Связь между типом структуры, твердостью и механическими свой­ствами стали зависит от состава стали. При одинаковой твердости пластичность и ударная вязкость низколегированной стали, как правило, выше, чем углеродистой (фиг 157 и 158)

Пример расчета режима автоматической однослойной сварки под ф носом 4Ы-348 втавр листов из стали НЛ-2 толщиной 20 мм без подогрева (То~0)

Оптимальные механические свойствам ал и НЛ-2 (рср —14 5°, и =8,5 кгм/см° при наплавке на лист толщиной Ь—12 ми имеют место при погонной энергии дуги qlv=7000 калісм (фиг 157,а) При оптимальной погонной энергии qjv =7000 кал/см твердости околошовной зоны Hv — 230 соответствует ско рость охлаждения w— 3°С/сек при гсь пературе наи деныией устойчивости аус тенита стали Н П-2 Лт/Я=500° (фиг 157, б).

При наплавке валика на лист толщиной 20 ми скорость охлаждения ш = — 3°С/сек при Т1ГІП—То=500° имеет место при значении погонной энергии q/v~ “ 11 000 кал/см (фиг 159), которое является оптимальным для данной тол щины листа. Чтобы привести оптимального погонную энергию при наплавке валика на лист к случаю сварки листов втавр, ее необ содимо умножить на коэфи циент приведения погонной энергии Коэфициент приведения kx погонной энер гии при сварке листов одной и той же толщины втавр равен 1,5

(qlv)np =1,5 11 000=16 500 кагісм1

Погонная энергия ^/п=16 500 кал/см при сварке втавр листов толщиной 2р мм обеспечивает оптимальные механические свойства стали

Примем ток / = 1200 а и напряжение дуги V =40 в. Мощность дуги под флюсом при значении эффективного к. п. д. нагрева изделия дугой ги =0,85 составит

q =0,24 • 0,85 * 1200 • 40 =9800 кдл/аг/е,

Если принять коэфициеш наплавки 12 г/а-час то птощадь натавки

c/J 12-1200

3500 {v 3600-7,8 0,59 тогда размеры h катетов шва

h = V2FZ ~ К 2^87—13 мм.

Пример поверочного расчета режима ручной сварки встык листов из сіа — ли 40 толщиной 12 мм без предварительного подогрева листов (7% =20°).

По производительности наплавки и проплавления выбран следующий режим /=450 а, 0=2G в, v =5,5 ж/час=0,155 CMjcetc, q~ 1730 калісек, qjv = =11 500 кал і см.

Требуется установшь, обеспечивает ли выбранный режим оптимальные механические свойства стали и соответствующий им тип структуры (твердость и размер зерна) околошовной зоны. При сварке малоуглеродистой стали такая проверка пе обязательна, так как термический цикл в диапазоне практически

применяемых режимов сварки незначительно влияет на изменение механических свойств малоуглеродистой стали и на тип структуры околошовной зоны. При сварке углеродистой и низколегированной стали такая проверка желательна

Толщина листов изменяет основные параметры термического цикла — ско­рость охлаждения и длительность нагрева околошовной зоны, которые в зна­чительной мере определяют характер изменения механических свойств стали и структуры околошовной зоны Чтобы использовать данные методики МВТУ по стали 40, относящиеся к толщине листов 16 мм, для случая сварки лисюв толщиной 12 мм необходимо учесть влияние толщины листов на изменение тер­мического цикла околошовной зоны.

Для выбранного режима рассчитаем скорость охлаждения околошовной зоны при температуре наименьшей устойчивости аустенита. По диаграмме изо­термического распада аустенита стали ^0 находим температуру его наименьшей устойчивости, равную 550°. Козфициенты теплофизических свойств углеродистой и низколегированной стали при высоких температурах близки к козфициентам малоуілеродистой стали. Поэтому для расчета принимаем теплофизические ха­рактеристики малоуглеродистой стали, соответствующие температуре 500° А= 0,1 калі см сек°С, с у—1,25 кал/см*0 С. Расчет скорости охлаждения по указанным значениям теплофизических коэфициентов приводит к незначитель­ным отклонениям

Мгновенная скорость охлаждения по уравнению (45 4) составляет ш — 2-3,14 0,1* 1,25 /"-нузо2°—Т2" 0,785 ~ l,4°C/t ек

‘ ~0Д55^ЦГ *

Скорости охлаждения, равной 1,4сС/сек., соответствует твердость около шовной зоны Hv = 250 (фиг 157, б). В свою очередь твердости 250 соответствуют следующие показатели механических свойств стали — угол загиба оср —56° и ударная вязкость 5,4 кгм/см2 (фиг. 157, а).

Механические свойства стали 40, соответствующие выбранному режиму сварки, занижены по сравнению с оптимальными свойствами (рср =72°, ач — =6,7 кгм/см2. Для того, чтобы приблизить механические свойства стали 40 к оптимальным, необходимо изменить режим сварки в сторону уменьшения погонной энергии (т. е. уменьшить силу тока или увеличить скорость сварки) Однако погонная энергия дуги при сварке листов встык связана с принятой разделкой кромок листов. Поэтому, если позволяют условия производительности проплавления основного металла, повышение механических свойств стали мо­жет быть достигнуто за счет уменьшения площади наплавки. Практически это может быть обеспечено или уменьшением угла разделки кромок листов, и чи применением частичной их разделки