СПОСОБ ДУГОВОЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ЗАЗОРОМ Российский патент 2005 года по МПК B23K9/00 

Изобретение относится к сварочному производству и может быть использовано при изготовлении металлоконструкций.

Известен способ дуговой сварки плавлением [2-4] соединений с зазором в стыке.

Обычно режимы сварки соединений с зазором в стыке представляются в виде таблиц, ставящих в соответствие толщине свариваемых листов s и зазору в месте стыка b параметры режима сварки - силу сварочного тока I_св, напряжение на дуге U_д, скорость сварки V_св, диаметр d_э и вылет L_э электродной проволоки.

Однако не все комбинации свариваемых толщин s, зазора b и диаметров электродной проволоки d_э содержатся в таблицах. Также недостатком табличного способа сварки является неоднозначность определения зазора и параметров режима сварки. Например, при сварке в углекислом газе при s=3 мм и d_э=1,2...1,4 мм, b=0...1 мм, V_св=25...110 м/ч, I_св=200...300 А, U_д=23...25 В, L_э=12...15 мм [4]. Неоднозначность приводит к неточному определению силы сварочного тока I_св, напряжения на дуге U_д, скорости сварки V_св и вылета L_э, а следовательно, к не соответствию получаемых размеров шва заданным и, более того, - к прожогам или непроварам, т.е. к не качественным сварным соединениям.

Известен способ сварки одностороннего стыкового соединения в углекислом газе [1], при котором по толщине s и зазору b рассчитывают глубину проплавления

h=s-1,8b.

Затем - силу сварочного тока I_св к функцию h

Остальные параметры режима определяют как функции I_св

U_д=0,033·I_св+20,

где ψ_n - коэффициент потерь электродного металла на разбрызгивание, γ - удельный вес свариваемого металла.

Недостаток этого способа, выбранного за прототип, состоит в очень узкой области его применения, т.к. все эмпирические коэффициенты приведенных зависимостей применимы только для сварки в углекислом газе при d_э=1,6 мм, b=0...1,5 мм, V_св=12...48 м/ч, I_св=300...500 А, U_д=27...40 В. Кроме того, не проверяется возможность получения других размеров шва, таких как - ширина шва e_ш и высота усиления (выпуклости) g. В описанном методе совершенно не учитывается влияние вылета электрода L_э на высоту усиления и площадь наплавки.

Техническая задача изобретения - повышение качества сварных соединений, исключение трудоемких экспериментов, сокращение затрат на экспериментальное определение значений параметров режима сварки - силы сварочного тока I_св, напряжения на дуге U_д, скорости сварки V_св и вылета L_э электродной проволоки.

Технический результат достигается тем, что задают зазор в месте стыка b, диаметр d_э электродной проволоки, назначают глубину проплавления h, а сварку ведут на рассчитанных значениях силы сварочного тока I_св, напряжения на дуге U_д, скорости сварки V_св и вылета электродной проволоки L_э, причем эти параметры режима сварки рассчитывают с допуском ±5% решением системы уравнений

U_д=w·I^z _св·d^х _э,

где е - основание натурального логарифма, Т - температура плавления свариваемой стали, α_p - коэффициент расплавления: в случае сварки в углекислом газе α_p=0,616·I_св ^0,32·d_э ^-0,64·L_э ^0,38 (d_э в см, L_э в см), при сварке под флюсом постоянным током обратной полярности α_p=2,849·J_св ^0,265·L_э ^0,163, в случае сварки в смеси Ar+25% CO₂ α_p=0,058·J_св ^0,73·L_э ^0,608 (J - плотность сварочного тока в А/мм², d_э в мм, L_э в мм); k, m, n, р, r, w, z, x - экспериментально определяемые коэффициенты: в случае сварки в углекислом газе k=-1,473, m=0,67, n=0,335, p=0,33, r=0,665, w=3,65, z=-0,37, x=0, при сварке под флюсом постоянным током обратной полярности k=-2,932, m=0,882, n=0,441, p=0,118, r=0,559, w=1,58, z=0,45, x=-0,225; в случае сварки в смеси Ar+25% CO₂ с капельным переносом k=-2,141, m=0,882, n=0,441, p=0,178, r=0,589, w=3,64, z=0,32; в случае сварки в смеси Ar+25% CO₂ со струйным переносом k=-2,141, m=0,882, n=0,441, p=0,178, r=0,589, w=3,65, z=0,35), η - эффективный кпд процесса сварки: η=0,8 - для сварки в СО₂ и в смеси Ar+25% СО₂, η=0,9 - для сварки под флюсом, λ - коэффициент теплопроводности, α - коэффициент температуропроводности, μ - коэффициент полноты валика (в случае сварки в углекислом газе μ=0,66, при сварке под флюсом и в смеси Ar+25% CO₂ μ=0,73), e_ш - ширина шва, g - высота выпуклости, ψ - коэффициент потерь электродного металла на разбрызгивание, γ - удельный вес свариваемого металла.

Поставленная задача решается при одновременном учете влияния параметров режима и зазора в стыке свариваемых деталей на глубину проплавления, а также влияния параметров режима и вылета электрода на площадь наплавленного металла.

Для учета влияния параметров режима и зазора в стыке b на размеры шва образовали безразмерный комплекс (критерий)

который имеет тесную корреляционную связь с критерием Пекле

Например, обработкой методами линейного парного регрессионного анализа экспериментальных данных сварки в углекислом газе проволоками d_э=1,2...2,0 мм, представленных в виде критериев в логарифмических координатах, получили зависимость

π_1(h)=e^-1,473·π₄ ^0,335,

имеющую коэффициент корреляции R=0,89. После раскрытия последнего выражения получили формулу для расчета глубины проплавления при сварке в СО₂ с зазором в стыке

Второе уравнение системы связывает параметры режима (силу сварочного тока I_св, скорость сварки V_св), коэффициент расплавления электродной проволоки и площадь наплавленного металла. Площадь наплавленного металла F_н с другой стороны рассчитывается по размерам шва

F_н=μ·e_ш·g+h·b.

Экспериментально установлено влияние силы сварочного тока I_св, диаметра d_э и вылета электрода L_э электродной проволоки на коэффициент расплавления электродного металла α_р. Например, для сварки в углекислом газе установлено

α_р=0,616·I_св ^0,32·L_э ^0,38.

Третье уравнение системы устанавливает такое соотношение между сварочным током и напряжением, которое обеспечивает стабильный перенос электродного металла, минимальное разбрызгивание и качественное формирование швов. Так, например, при сварке в углекислом газе эта зависимость имеет вид

U_д=3,65·I_св ^0,37·d_э ⁰.

Примеры реализации предложенного способа

Решение поставленных задач выполнялось средствами математического пакета Mathcad.

Пример 1. Сваривается в углекислом газе соединение С7 ГОСТ 14771 из низкоуглеродистой стали. Глубину проплавления h для С7 принимают h=2s/3. Принимают следующие значения коэффициентов: k=-1,473, m=0,67, n=0,335, р=0,33, r=0,665, w=3,65, z=-0,37, x=0, γ=7,8 г/см³, ψ=0,1, α=0,084 см²/с, λ=0,42 Bm/(см·К), η=0,8.

Исходные данные (размеры шва, диаметр электрода d_э) и рассчитанные параметры режима сварки (сила сварочного тока I_св, напряжение на дуге U_д, скорость сварки V_св и вылет L_э электродной проволоки) в сравнении с данными [3] приведены в табл.1

Таблица 1Тип соединенияs, ммb, мме_ш, ммg, ммПараметры режимаГОСТ 14771I_св, АU_д, ВV_св, м/чd_э, ммL_э, ммС7 УП81,5±113±1Примечание. В числителе приведены параметры режима сварки по данным [3], в знаменателе - рассчитанные параметры режима.

Пример 2. Сваривают под флюсом на постоянном токе обратной полярности соединения С4 и С7 ГОСТ 8713 из низкоуглеродистой стали. Глубина проплавления h для С4 назначают равной толщине s свариваемой детали s=h, для С7 принимают h=2s/3. Принимают следующие значения коэффициентов: k=-2,932, m=0,882, n=0,441, p=0,118, r=0,559, w=1,58, z=0,45, x=-0,225, γ=7,8 г/см³, ψ=0, α=0,084 см²/с, λ=0,42 Bm/(см·К), η=0,9. Исходные данные (размеры шва, диаметр электрода d_э) и рассчитанные параметры режима сварки (сила сварочного тока I_св, напряжение на дуге U_д, скорость сварки V_св и вылет L_э электродной проволоки) в сравнении с данными [2] приведены в табл.2.

Таблица 2Тип соединенияs, ммb, мме_ш, ммg, ммПараметры режимаГОСТ 8713I_св, АU_д, ВV_св, м/чd_э, ммL_э, ммС4 Аф_ф82±1,5540±2С7 Аф_ф142±1,0540±2Примечание. В числителе приведены параметры режима сварки по данным [2], в знаменателе - рассчитанные параметры режима.

Пример 3. Производится сварка в смеси Ar+25% CO₂ короткими замыканиями. Сваривают соединение С7 ГОСТ 14771 из низкоуглеродистой стали, для которого принимают h=2s/3. Принимают следующие значения коэффициентов: k=-2,141, m=0,882, n=0,441, p=0,178, r=0,589, w=3,64, z=0,32, x=0, γ=7,8 г/см³, ψ=0,1, α=0,084 см²/с, λ=0,42 Bm/(см·К), η=0,8. Исходные данные (размеры шва, диаметр электрода d_э) и рассчитанные параметры режима сварки (сила сварочного тока I_св, напряжение на дуге U_д, скорость сварки V_св и вылет L_э электродной проволоки) приведены в табл.3.

Таблица 3Тип соединенияs, ммb,ммmе_ш, ммg, ммПараметры режимаГОСТ 14771для расчетаI_св, АU_д, ВV_св, м/чd_э, ммL_э, ммС7 УП60±11,0150±828±1,59,2±0,51,614±1

Сравнение расчетных параметров режима с известными данными показывает, что обеспечивается достаточная для практического применения точность расчета.

Технико-экономическое преимущество изобретения состоит в повышении качества сварных соединений, с минимальными отклонениями размеров швов от стандартов и технических условий, сокращении времени на настройку режима. Способ не требует капитальных затрат, имеет широкие возможности и может использоваться для дуговой сварки плавящимся электродом с зазором металлов и их сплавов.

Источники информации

1. Масумото И. и др. Программа задания параметров сварки в углекислом газе с однопроходным стыковым I-образным швом. // Есэцу Гаккай си. - 1979. - Т.48. - №11. - c.17-21 / ВЦП - №80/35975. - М., 1980.

2. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. /Под ред. Б.Е.Патона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.

3. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Демянцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. - М.: Машиностроение, 1977. - 432 с.

4. Потапьевский А.Г. Сварка в защитных газах плавящимся электродом. - М.: Машиностроение, 1974. - 240 с.

Изобретение может быть использовано при изготовлении металлоконструкций. Силу сварочного тока, напряжение на дуге, скорость сварки и вылет электродной проволоки рассчитывают с допуском ±5% решением системы уравнений. Предварительно задают зазор в стыке, диаметр электродной проволоки, выбирают глубину проплавления. Согласно способу одновременно учитывают влияние параметров режима и зазора в стыке свариваемых деталей на размеры шва, а также влияние параметров режима и вылета электрода на площадь наплавленного металла. Кроме того, устанавливают соотношение между сварочным током и напряжением, обеспечивающее стабильный перенос электродного металла, минимальное разбрызгивание и качественное формирование шва. Все расчеты проводятся с учетом коэффициентов в зависимости от вида сварки. Изобретение позволяет повысить качество сварных соединений, сократив затраты на экспериментальное определение значений параметров режима сварки. 3 табл.

Способ дуговой сварки плавлением стыковых соединений с зазором, при котором предварительно задают ширину зазора в месте стыка b, диаметр электродной проволоки d_э, глубину проплавления h и осуществляют сварку на рассчитанных значениях силы сварочного тока, отличающийся тем, что значения силы сварочного тока I_св, напряжения на дуге U_д, скорости сварки V_св и вылета электродной проволоки L_э определяют с допуском ±5% решением системы уравнений

U_д=w·I^z _св·d^х _э,

где е - основание натурального логарифма, α_р - коэффициент расплавления: в случае сварки в углекислом газе α_р=0,616·I_св ^0,32·d_э ^-0,64·L_э ^0,38 (d_э в см, L_э в см), при сварке под флюсом постоянным током обратной полярности α_р=2,849·J_св ^0,265·L_э ^0,163, в случае сварки в смеси Ar+25%CO₂ α_р=0,058·J_св ^0,73·L_э ^0,608 (J - плотность сварочного тока в А/мм², d_э в мм, L_э в мм); k, m, n, р, r, w, z, x, у - экспериментально определяемые коэффициенты: в случае сварки в углекислом газе k=-1,473, m=0,67, n=0,335, ρ=0,33, r=0,665, w=3,65, z=-0,37, x=0, при сварке под флюсом постоянным током обратной полярности k=-2,932, m=0,882, n=0,441, ρ=0,118, r=0,559, w=1,58, z=0,45, x=-0,225; в случае сварки в смеси Аг+25%CO₂ с капельным переносом k=-2,141, m=0,882, n=0,441, p=0,178, r=0,589, w=3,64, z=0,32, x=0; в случае сварки в смеси Ar+25% CO₂ со струйным переносом k==-2,141, m=0,882, n=0,441, p=0,178, r=0,589, w=3,65, z=0,35, x=0, η - эффективный кпд процесса сварки: η=0,8 - для сварки в CO₂ и в смеси Ar+25% СО₂, η=0,9 - для сварки под флюсом, λ - коэффициент теплопроводности, α - коэффициент температуропроводности, μ - коэффициент полноты валика (в случае сварки в углекислом газе μ=0,66, при сварке под флюсом и в смеси Ar+25% CO₂ μ=0,73), е_ш - ширина шва, g - высота выпуклости, ψ - коэффициент потерь электродного металла на разбрызгивание, γ - удельный вес свариваемого металла.