При многослойной сварке проектное сечение шва заваривают в несколько слоев, поэтому околошовная зона подвергается много­кратному нагреву. Необходимо различать два предельных ти­па теплового воздействия многослойной сварки.

1. Участок каждого слоя имеет значительную длину (до 1—1,5 м) например, при автоматической сварке. К тому времени, когда укла­дывают конец слоя, начало его успевает почти полностью охладиться Следующий слой укладывают на охладившийся металл, поэтому егс термический цикл не зависит от укладки предыдущих слоев.

2. Длина участка, укладываемого за один проход, невелика (50— 400 мм). Каждый последующий слой укладывают на неуспевши охладиться предыдущий слой. При многослойной сварке коротким; участками тепловые воздействия каждого слоя накладываются

на друга. При этом сложный термический цикл околошовной зоны складывается из тепловых воздействий отдельных слоев. Термический цикл многослойной сварки, в основном, определяется длиной участка слоя. Чем длиннее участок, тем меньше сказывается влияние тепла ранее уложенных слоев.

Структурные изменения при сварке длинными участками. При

многослойной сварке длинными участками околошовная зона уг-‘ леродистой или низколегированной конструкционной стали может подвергаться закалке с последующим отпуском. Образовавшаяся при заварке предыдущего слоя закаленная околошовная зона может при укладке последующего слоя нагреваться до температуры, не превышающей Ас (фиг. 160). При этом происходит отпуск зака-

Фиг. 160. Термический цикл (а) и схема структурных изменений (б) при много­слойной сварке длинными участками.

ленной зоны с образованием троостита и сорбита. Таким образом, тепловое воздействие последующих слоев улучшает структуру око­лошовной зоны основного металла, а также и ранее уложенных слоев наплавленного металла.

При многослойной сварке длинными участками некоторых сортов стали, например і содержащих более 0,5 %С или значительное ко­личество легирующих элементов, в особенности Мо и Сг, в резко закаленной околсшовной зоне первого слоя возможно образование трещин до наложения последующих слоев.

В основу расчета режима многослойной сварки длинными участками положена скорость охлаждения околошовной зоны w в верхнем субкритическом промежутке температур (от ТАГх до Tmin). Если в этом промежутке околошовная зона охлаждается медленно или если действительная скорость охлаждения w околошовной зоны меньше скорости w3 (фиг. 142) для стали данной марки, то аустенит распадается с образованием феррито-перлитных структур, тем более дисперсных, чем выше скорость охлаждения. Скорость охлаждения находят по валиковой пробе, исходя из требуемой структуры или твердости околошовной зоны. Далее подбирают такие параметры режима сварки, которые обеспечивают заданную скорость охлаж­дения.

При многослойной сварке длинными участками расчетным являет­ся первый слой. Если режим заварки первого слоя обеспечивает ско­рость охлаждения, близкую к заданной, то длина участка и длитель­ность перерыва между слоями не регламентируются.

При весьма длинных участках и длительных перерывах между за­варкой слоев металл может полностью охладиться. Тогда последний слой может вызвать более быстрое охлаждение; поэтому нужно про­верять также и скорость охлаждения для режима заварки послед­него слоя.

Расчет скорости охлаждения 1-го слоя. Скорость охлаждения околошовной зоны 1-го слоя рассчитывают по схеме быстродвижу — щегося точечного источника в плоском слое с коэфиииентами при­ведения, учитывающими тип соединения.(стык, тавр, нахлестка, крест).

Процесс охлаждения при заварке первого слоя этих соединений можно привести к процессу охлаждения при наплавке валика на лист (фиг. 161а).

Зависимость мгновенной скорости охлаждения w от мгновенной температуры Т представлена графиком фиг. 145, устанавливающим

связь между безразмерными критериями процесса со и ~ (45.5) и

(45.6) .

а) Стыковое соединение. Первый слой, укладывае­мый в вершину односторонней или двухсторонней разделки стыко­вого соединения, заполняет часть высоты стыка. Высота первого слоя при данном очертании разделки определяется в основном погонной энергией дуги qjv (электрическими параметрами дуги и скоростью сварки). Обычно высота первого слоя не превышает половины тол­щины листов (фиг. 161,г).

В расчетной схеме точечного источника на поверхности плоского слоя (фиг. 161, ж) телесный угол распространения тепла составляет 180°, а в расчетной схеме 1-го слоя—180°—а, где а — угол разделки кромок листов (фиг. 161, е). Для того, чтобы тепловой поток в рас­четной схеме соответствовал действительному тепловому потоку при укладке 1-го"слоя, необходимо в расчетную схему ввести поправочный коэфициент kx приведения погонной энергии, учитывающий раз­делку шва

Для угла разделки а^60° kx^s/2.

Введение поправочного коэфициента для погонной энергии при­ближает расчетную схему к действительной в области, непосредст­венно расположенной вблизи источника, но искажает тепловой по­ток в области, расположенной между краями пластины, сгущая его в kx раз. Чтобы и здесь приблизить расчетную схему к действитель­ной картине, необходимо увеличить расчетную толщину пластины

3

8пр в k± раз (фиг. 161,дс), т. е. при ос = 60° принимать 8пр— у 5 (фиг. 161, б).

Введение коэфидиента 3/2 для погонной энергии основано на том, что при условном переходе к наплавке валика телесный угол 120° увеличивают до 180°, т. е. в полтора раза. Увеличивая в 3/2 раза расчетную толщину, учитывают то обстоятельство, что разделка меняет условия распространения тепла в металле по отношению к условиям наплавки на пластину конечной толщины. Эти формулы

Фиг. 161. Расчетные значения толщины и погонной энергии для определения скорости охлаждения первого слоя многослойного шва:

а— наплавка на лист; б—соединение встык с односторонним скосом кромок; в — соединение внахлестку; г —тавровое соединение; д — крестовое соедигсі ие; е и ж — схема приведения процесса распространения тепла при заварке 1-го слоя стыкового шга с тдоді разделки у к про­цессу распространения тепла при наплавке валика на лист толщиной о.

Скорости охлаждения сС/сек. рассчитаны для Г — 600° при заварке шва листов толщиной 25 мм без подогрева (Д ~ 0) в 8 слоев — 7100 кал/сеи, верхние цифры^) и в 3 слоя (Д 18 700 к ал/се к. нижние цифры

приведения дают хорошие результаты для /іі</0,15§, где hi высота первого слоя (фиг. 161, е).

б) Тавровое и нахлесточное соединение. Для расчета выбираем горизонтальную (нижнюю) полку, т. е. схему плоского слоя толщиной §, по поверхности которого переме­щается точечный источник. В этих соединениях тепловой поток раз­бивается на три ветви — одну по вертикальной (верхней) и две по горизонтальной (нижней) полке (фиг. 161, в иг). Если толщина полок одинакова, то доля тепла qjv> приходящаяся на расчетную нижнюю полку, будет составлять 2/3, т. е. коэфициент приведения погонной

энергии для таврового и нахлесточиого соединения kx= % При выбранной схеме расчетная толщина листа принимается равной истинной величине §, т. е. &2~1.

в) Крестовое соединение. Тепловой поток в этом случае разбивается на четыре ветви — две по вертикальной и две по горизонтальной полке соединения (фиг. 161, д) Если для расчета принять ту же схему, чго для стыка и тавра, то доля погонной энер­гии, приходящейся на расчетную горизонтальную полку при заварке 4-го шва по ранее полностью проваренным вертикальным полкам, составляет половину полной погонной энергии, і. е. коэфициент при­ведения kx = V2. Коэфициент приведения толщины равен 1.

Схема расчета скорости охлаждения 1-го слоя для данного режима сварки сводится к следующему:

1) определяем погонную энергию qjv;

2) находим приведенные значения погонной энергии (qjv)np = — ki (qjv) и толщины пластины § =kz$9

3) вычисляем по выражению (45.6) критерий-* , учитывая началь­ную температуру изделия Т0;

4) по рассчитанному у9 пользуясь графиком фиг. 145 по кривой

для плоского слоя, находим критерий со;

5) из уравнения (45.7) определяем скорость охлаждения для дан­ного режима сварки

Принятые расчетные предположения иллюстрируются следующим сопоставлением скоростей охлаждения для различных типов соеди­нения (фиг. 161). При данном сечении 1-го слоя (g/o—const) наи­меньшей скоростью охлаждения характеризуются стык с V-об разным скосом кромок, несколько большей скоростью — наплавка валика на лист, далее идут соединения тавровое и внахлестку и наибольшей скоростью характеризуется 3-й и 4-й швы крестового соединения.

Влияние параметров режима. Скорость охлаждения околошовной зоны 1-го слоя определяют те же параметры режима, что и при однопроходной сварке: погонная энергия qjv и температура подог­рева изделия Г0, а также толщина листов 8. При сварке плавя­щимся электродом погонная энергия пропорциональна в первом приближении площади поперечного сечения слоя; чем больше число слоев при данном сечении шва, тем меньше qjv. С увеличением сечения слоя, т. е. с увеличением погонной энергии или с умень­шением числа слоев, мгновенная скорость охлаждения первого слоя уменьшается (фиг. 162,6) и тем самым понижается вероятность закалки. Однопроходная сварка является предельным случаем, к которому стремится многослойная сварка по мере уменьшения числа слоев.

С увеличением температуры предварительного подогрева скорость охлаждения значительно уменьшается (фиг. 162, в). Скорость охлаж­дения 1-го слоя (при постоянном сечении слоя) увеличивается с уве­личением толщины свариваемых листов до некоторого предела (фиг. 162, а).

Твердость ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ уменьшается С увеличением ПОГОН’ ной энергии, т. е. поперечного сечения слоя. Для уменьшения под­калки ОКОЛОШОВНОЙ зоны сечение 1-го слоя следует выбирать не слишком малым. Кривая зависимости твердости околошовной зоны от погонной энергии дуги qjo или от числа слоев (фиг. 162, гид) состоит из двух участков, соответствующих участкам кривой зависимости

стыкового шва:

а — влияние толщины лииов; б — влияние погонной энергии (сечения слоя); в —* влияние іем-
пературы подогрева; гид — твердость околошовной ьоны 1-го слоя многосло шого шва.

твердости стали от скорости охлаждения; крутой участок соответ­ствует полной или частичной закалке, пологий — нормализованной структуре.

Пример 1. Ручная сварка листов встык толщиной 20 млг из стали 50. Реко­мендуемое число слоев для данной толщины гг =5 — ь 6. Выбираем 6 слоев. Общая площадь наплавки (фиг. 163,а) составит 254 мм2. Площадь наплавки одного 254

слоя: FHi~ —г-42 мм2 (высота 1-го слоя h =8,5 мм). Примем ток / —250 а%

3600-7.8*0,42

электрод диаметром 5 мм, козфшшент наплавки ан —8 г/а-час, напряжение дуги U ~-25 в, % =0,75, тогда скорость сварки

Н* Щ Рыкалин

Тепловая мощность дуги

<7=0,24 — 0,75 » 25 • 250 =1120 кал/сек.

Погонная энергия дуги

qjv— ^^=6700 кал/см.

Находим скорость охлаждения околоиовной зоны 1 го слоя. Приведенные значения погонной энергии и толщины для 1-го слоя стыкового шва листов с односторонней разделкой, а=60°, (см. § 48, п a) (qjv)np = 3/2-6700 = — 10 500 к ал/см, дпр =3/2 *2=3 см

Температура наименьшей >стоичивости аусте­нита для среднеуглеродистой стали 50 Тmm^ = 550, начальная температура металла изделия То =20°, с 7=1,3 кал/см3оС, Л=0,095 кал(см сек°С. По уравнению (45 6) находим*

1 2*10500 ___ _

О 3,14 1,3 3і (550—20)

Фиг. І64. Результаты испытаний стали 50
по методике МВТУ (валиковая проба),

зариснмость твердости ст скорости охлаждения

По графику фиг. 145 находим, что со =0,76, откуда по уравнению (45 7) нахо дим скорость охлаждения

П 2-3,14*0,095.(550—20)! ^ ’ 10500

По графику валиковой пробы для стали 50 (фиг. 164) находим, что пр« скорости охлаждения 16°С/сек. твердость околошовной зоны 280 Ну, которо соответствует пластичная структура троостита. После укладки последующ! v слоев твердость околошовной зоны 1-го слоя несколько понизится.

Пример 2. Автоматическая сварка встык листов толщиной 30 мм из стали Ш1-2. Сталь НЛ-2 обладает склонностью к росту зерна вследствие дере грева, поэтому предельной толщиной, свариваемой в один проход, являетес 12 мм. Выбираем режим многослойной сварки, исключающий рост зерна. Пс^ общую площадь наплавки, равную 240 мм2, заваривают в четыре слоя, тогд^ площадь наплавки 1-го слоя (фиг. 3 63, б) FHl =60 мм2.

Принимаем ток /=1250 а и коэфициент наплавки 12 г/а-час, тогда сьс рость сварки

12»1250 л on / ,

v ~ 3600~ 0,89 см! сек ~ 32 м! час■

Эффективная тепловая мощность дуги при значении г1ц = 0,85, £/ = 34 в:
ц = 0,24 ■ 0,85 *34-1250=: 8700 кал/сек.

Погонная энергия дуги q/v^= = 9800 кал /см. Находим скорость охлажде-

1-го слоя. Козфициенты приведения Q/v и 5 при угле разделки а = 30°

ki’—kt— 180—зо" 1,2‘

Тогда (q/v)np =1,2*9800 =

= 11 800 кал/см, 6пр = 1,2*3 = = 3,6 см. Температура наи­меньшей устойчивости аусте­нита для стали НЛ-2 Ттп = =520°. При Г0 =20° безраз­мерный критерий

1 2-11800 _ 6 3,14-3,6*-! ,3 (520—20)“"

=0,89; по графику фиг. 145 с» = 0,88. Тогда скорость охлаждения по выражению

(45.7)

_ 0,88-2.3,14-0,095 (520-20)3_
11800
= 11,1°С/сек.

По графику валиковой пробы (фиг. 165) этой скорости охлаждения соответ­ствует среднее значение твердости Ну =280 (твердость основного металла 200 Ну).

1 _ 2*9800

0 ” 3,14-3*-1,3 (520—20)

<*> = 0,76,

2*3,14-0,095 (520—20)2
9800

Скорость охлаждения последнего слоя рассчитываем по схеме наплавки валика на лист. Козфициенты приведения q/v и д равны единице, т. е. за расчетные значения qjv и <5 принимаются их истинные значения (фиг. 161,а).

чему соответствует твердость Я^ = 280. Скорость охлаждения и твердость око — лошовной зоны последнего слоя близки к скорости охлаждения и твердости околошовной зоны первого слоя.