Способ дуговой сварки Советский патент 1993 года по МПК B23K9/16 

Изобретение относится к способам дуговой сварки плавлением и может быть использовано при сварке как в среде защитных газов, плавящимся или неплавящимся электродами, так и под слоем флюса. Преимущественные области использования - сварка закаливающихся трудносвариваемых ста- : лей, а также сварка корневых швов, скло- ненных к образованию горячих и холодных трещин.

Целью изобретения является повышение стойкости сварных швов и зоны термического влияния соединений против образования горячих и холодных трещин, улучшение качества и повышение механических свойств сварных соединений, а также отказ от предварительного подогрева при сварке закаливающихся сталей, в том числе

низколегированными сварочными материалами.

Это достигается тем, что сварной шов по его длине формируют из отдельных взаимно перекрывающих друг друга элементарных участков металла шва, при этом очередной участок шва формируют после кристаллизации предыдущего, но охлаждение его производят до температур не ниже, чем на 300...450°С, по сравнению с нижним значением температур интервала кристаллизации металла шва, причем при формировании последующего участка производят частичное расплавление металла шва предыдущего участка, при этом продолжительность отдельных периодов горения дуги определяют из условия сплавления свариваемых кромок, внесения дозирован00

со

00

о

кого тепловложения в свариваемый металл и вычисляют по зависимости

t S I у

tw Р -Уп.п(1 ) где tn продолжительность периода горения дуги, с;

S - сечение сварного шва, мм2, определяют экспериментальным или расчетным путем;. .

I - длина элементарного участка сварного шва, образующегося в отдельные периоды горения дуги, мм;

р - вес 1 погонного метра сварочной проволоки, г/м;

Vn.n - скорость подачи сварочной проволоки, м/с;

у- удельный вес неплавленного металл, г/мм ;

р - коэффициент потерь металла на угол и разбрызгивание обычно 0,03-0,05.

Величина элементарного участка (значение I и S) определяется исходя из следующих условий,

Минимальная величина элементарного участка определяется из условия сплавле- ния свариваемых кромок при кратковременном воздействии дуги.

Максимальная величина элементарного участка определяется из условия дозировочного тепловложения в свариваемый металл в зависимости от свариваемых сталей. Однако для эффективного управления процессом кристаллизации металла шва не рекомендуется, чтобы предельная величина элементарного участка превышала ту величину, при которой происходит кристаллизация металла шва при воздействии сварочной дуги.

В общем сварной шов формируется из отдельных элементарных участков, граница раздела между которыми определяется целенаправленной их кристаллизацией, для чего по сути в определенные периоды процесс сварки кратковременно и периодически прекращается. Причем такое прерывание процесса горения дуги рекомендуется производить раньше, чем начнется кристаллизация металла шва при горении сварочной дуги.

С целью повышения качества и стойкости соединений против образования трещин при сварке трудносвариваемых сталей в среде защитных газов, формирование отдельных элементарных участков осуществляют без сварочного перемещения дуги вдоль шва, а перемещение электрода вдоль шва производят в периоды, когда сварочная дуга не горит, при этом продолжительность пауз между отдельными периодами горения

tn

tM,

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

дуги определяют в зависимости от температуры охлаждения элементарного участка шва, скорости его охлаждения и вычисляют по формуле

. (УП.Э-УФ.Ш)

Уф.Ш

где tn - время паузы между двумя периодами горения дуги, с;

Уп.э - средняя скорость перемещения электрода, м/ч;

Уф.ш - средняя скорость формирования сварного шва, м/ч;

при этом среднюю скорость формирования сварного шва (Уф.ш) задают в зависимости от свариваемых сталей по крайней мере на 30% меньше, чем скорость получения сварного шва (VCB) равного сечения при непрерывном перемещении дуги с использованием выбранных значений сварочного тока и напряжения на дуге.

При прерывистом, дискретном формировании сварочного шва из отдельных элементарных участков общее время воздействия дуги в процессе сварки при получении шва определенной длины и общее время получения шва этой-же длины, состоящего из этих же элементарных участков - величины различные.

При непрерывной сварке скорость свар ки равна по сути скорости формирования шва, т.е. время воздействия дуги равно времени сварки. При дискретном же формировании сварного шва по предложенному способу скорость формирования шва определенной длины всегда меньше скорости сварки элементарного участка, т.е. время сварки всегда больше общего времени горения дуги. Именно это обстоятельство используется для управления процессом кристаллизации металла шва и термодеформационным циклом сварки.

п.З. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения качества соединений при сварке под флюсом, формирование отдельных элементарных участков осуществляют при периодических перемещениях дуги вдоль шва, чередующихся с паузами, когда электрод вдоль шва не перемещается, при этом продолжительность пауз между отдельными периодами горения дуги вычисляют по зависимости (Уп.д-Уф.ш)

Уф.ш

где Уп.д - средняя скорость перемещения дуги во время отдельных периодов ее горения, м/ч,

при этом среднюю скорость формирования сварного шва (Уф.ш) принимают в зависимости от свариваемых сталей, по крайней меtn

tM,

ре, на 30% меньше, чем средняя скорость перемещения дуги (Уп.д) во время отдельных периодов.

С целью уменьшения перегрева металла шва путем уменьшения отдельных порций кристаллизирующегося металла отдельные элементарные участки сварного шва в каждом периоде горения дуга формируют по высоте шва по крайней мере из двух-трех слоев, располагающихся один над другим, при этом очередной слой по высоте шва формируют после кристаллизации предыдущего, но охлаждение нижнего слоя производят до температур не ниже, чем на 300...450°С, по сравнению с нижним значением температур интервала кристаллизации металла шва (температура солидуса).

При выборе предельных температур охлаждения отдельных элементарных участков металла шва исходят из следующих условий. Эта температура, во-первых, должна быть обязательно ниже значения температуры интервала кристаллизации металла шва. Только в этом случае можно целенаправленно регулировать процесс кристаллизации и уменьшить перегрев металла шва за счет многократных переходов из одного фазового состояния в другое, в частности переход жидко-твердое и наоборот. Во-вторых, охлаждение металла ниже температуры кристаллизации должно быть оптимальным в той части, чтобы уменьшить скорость охлаждения металла в нижнем субкритическом интервале температур (400.;.200°С) и з то же время продолжительность пауз должна быть такой, чтобы умень- шение производительности процесса оправдывалась теми преимуществами, которые обеспечивают предлагаемый способ.

Эксперименты показали, что снижение температуры, при формировании отдельных элементарных участков шва, более чем на 300...450°С по сравнению с температурой солидуса, является нецелесообразным по причине чрезмерного снижения скорости формирования шва в то время как поставленная цель достигается и при охлаждении до температур не ниже указанных.

Зависимость для определения продолжительности периода горения дуги определена из условия соответствия количества металла элементарной зоны шва - количеству израсходованного металла на образование этой зоны. Размеры элементарного участка шва, удовлетворяя условиям изложенным ниже, должны быть в тоже время такими, чтобы после его кристаллизации, при формировании очередного участка, предыдущий участок расплавлялся по крайней мере не менее, чем на 10...25%. Расплавление предыдущего участка на 50% и более является не приемлемым из-за увеличение продолжительности пребывания ме- 5 талла шва при температуре выше Асз, что может привести к его перегреву.

В основу определения времени паузы между двумя периодами горения дуги положено то обстоятельство, что для уменьше0 ния скорости охлаждения металла при равных условиях необходимо, по крайней мере, уменьшить скорость формирования шва. Опыты показали, что для предотвращения холодных трещин при сварке закалива5 ющихся сталей такое уменьшение скорости целесообразно не менее, чем на 30%.

В то же время следует предотвратить перегрев металла шва, что достигается периодическими охлаждениями отдельных

0 элементарных участков металла шва во

время пауз, когда сварочная дуга не горит.

Для трудносвариваемых сталей скорость

формирования шва может быть уменьшена

в 2...3 раза, по сравнению со скоростью при

5 непрерывной сварке. Дальнейшее уменьшение этой скорости даже в этом способе может оказаться не целесообразным.из-за возможного перегрева металла шва, или уменьшения производительности процес0 са.

Повышение стойкости сварных швов против горячих трещин достигается за счет управления процессом кристаллизации сварочной ванны и соответствующим измене5 нием фронта встречи кристаллитов по центру шва. Это обеспечивается прерывистым поступлением жидкого металла в ванну и кристаллизацией от дельных его порций в результате прекращения горения

0 сварочной дуги.

Повышение стойкости зоны термического влияния соединений против образования холодных трещин обусловлено в первую очередь изменением в желаемом

5 направлении термодеформационного цикла сварки, уменьшением скоростей охлаж- дения металла в зоне термического влияния.

Улучшение качества соединений связа0 но с обеспечением надежного сплавления свариваемых кромок благодаря формированию шва отдельными элементарными участками.

Обеспечение высокой стойкости соеди5 нений против трещин позволяет отказаться при сварке закаливающихся сталей низколегированными проволоками от предварительного подогрева. Расширение технологических возможностей способа в этом плане достигается внесением оптимального тепловложения в свариваемый металл за счет регулирования количества направляемого металла для отдельного элементарного участка по длине шва и дополнительного изменения сварочного тока и напряжения на дуге, когда по сути мощность дуги может в определенной мере изменяться при равных количествах расплавленного металла. Так что вес наплавленного металла и отношение его к мощности дуги являются важными факторами, определяющими, наряду с другими, величину тепловложения в основной металл.

Образовавшиеся отдельные участки шва охлаждаются во время пауз между периодами горения дуга до заданной температуры с определенной скоростью. Эта температура регулируется практически продолжительностью паузы tn. Именно наличие таких пауз дополнительно изменяет термодеформационный цикл сварки, а значит и .стойкость соединений против образования трещин.

Способ позволяет в определенной мере регулировать и распространение тепла в процессе сварки.Благодаря формированию шва из отдельных элементарных участков и при наличии пауз при горении сварочной дуги, выполнение каждого последующего участка производится в условиях определенного автолодогрева. Регулирование протекания металлургических процессов в сварочной ванне осуществляется по существу периодическими изменениями ее температуры.

Комплекс описанных воздействий на дугу и сварочную ванну,, соответствующим образом управляемый, повышает механические свойства сварных соединений.

Учитывая тот факт, что отдельные элементарные участки шва формируются в промежутках между паузами, в одном из вариантов еще и при неподвижной сварочной дуге, важное значение на свойства соединений оказывает средняя скорость формирования сварного шва (Уф.ш). При определении продолжительности перемещения электрода tn по п,2 среднюю скорость его перемещения целесообразно принимать равной скорости сварки (VCB) при непрерывном перемещении дуги с использованием выбранных значений сварочного тока и напряжения на дуге и при равных сечениях сварных швов.

В общем предлагаемый способ сварки позволяет увеличить скорость кристаллизации металла шва, уменьшить время пребывания металла выше температур Асз м в то же время уменьшить скорость охлаждения сварного соединения в диапазоне температур 400,,,200°С. Именно этим объясняется положительное влияние предлагаемого способа на технологические и служебные характеристики сварных соединений. Следует

особо подчеркнуть, что, в существующих способах дуговой сварки, увеличить скорость кристаллизации металла шва, уменьшить время пребывания его выше Асз при одновременном уменьшении скорости ох0 лаждения в диапазоне температур 400...200°С возможно только в случае применения подогрева.

При паузах между периодами горения сварочной дуги продолжительностью более

5 10...15 с могут возникать определенные трудности с повторными зажиганиями этой дуги. Дело в том, что во врем-я продолжительных пауз электрод охлаждается настолько, что быстрое повторное зажигание

0 дуги может ухудшаться.

Для устранения этого недостатка, в подобных случаях, между периодами горения сварочной дуги осуществлять горение дежурной дуги не приемлемо, поскольку за5 трудняется процесс кристаллизации металла отдельного участка шва,

Пример. Сварка стали типа 14ХН4МД проволокой Св-10ГН2СМД с листом СОа. Параметры процесса: сварочный ток 425 А,

0 напряжение на дуге 39 В, продолжительность периода горения дуги ,5...2,5 с, время паузы между двумя периодами горения дуги ,5...2,5 с, средняя скорость перемещения электрода во время пауз

5 Уп.,3м/ч.

В общем протяженность элементарного участка шва соразмерима с длиной сварочной ванны, характер кристаллизации которой целенаправленно изменяется на основе

0 рассмотренных вариантов.

Техническое решение может использоваться также при сварке цветных металлов и сплавов.

Формула-изобретения

5 1. Способ дуговой с варки плавлением с применением периодически чередующихся перемещений электрода или сварочной дуги, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости сварных швов и зоны

0 термического влияния соединений против образования горячих и холодных трещин, улучшения качества и механических свойств соединений при сварке без предварительного подогрева закаливающихся сталей

5 низколегированными сварочными материалами, сварной шов по его длине формируют из отдельных взаимно перекрывающих друг друга элементарных участков металла шва, продолжительность периодов горения дуги определяют по формуле

tu:

S I У

P-Vn.n(l-p) где 1и - продолжительность периода горения дуги, с;

S - сечение сварного шва, мм ; I - длина элементарного участка сварного шва, образующегося в отдельные периоды горения дуги, мм;

Р - вес 1 погонного мера сварочной проволоки, г/м;

Vn.n. - скорость подачи сварочной проволоки, м/с:

у-удельный вес наплавленного металла, г/мм ;

р - коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание, обычно 0,03...0,06, а продолжительность пауз между периодами горения дуги определяют по зависимости

(Уп-Уо.ш)

tn

tM,

где tn - время паузы, с;

Vn - средняя скорость перемещения электрода или дуги,,м/ч;

Vo.ui - средняя скорость образования сварного шва, м/ч,

которую выбирают не менее, чем на 30% и не более, чем в 2-3 раза меньшей скорости VCB получения сварного шва равного сечения при непрерывном перемещении дуги на выбранных параметрах сварочного тока и напряжения на дуге,

при этом очередной участок шва формируют после кристаллизации предыдущего, охлаждение его производят до температур не ниже, чем на 300-450°С по сравнению с

нижним значением температур интервала кристаллизации металла шва, а при формировании последующего элементарного участка производят частичное расплавление металла шва предыдущего участка.

2. Способ по п.1,отличающийся тем.что формирование отдельных элементарных участков осуществляют без перемещения дуги вдоль шва, а перемещение электрода вдоль шва производят в периоды

пауз.

3. Способ по п.1,отличающийся тем, что формирование отдельных элементарных участков осуществляют при периодических перемещениях дуги вдоль шва, чередующихся с паузами, когда электрод вдоль шва не перемещается.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что отдельные элементарные участки сварного шва в каждом периоде горения

дуги формируют по высоте шва из двух - трех слоев, располагающихся один над другим, при этом очередной слой по высоте шва формируют после кристаллизации предыдущего, но охлаждение нижнего слоя производят до температур не ниже, чем на 300-450°С по сравнению с нижним значением температур интервала кристаллизации металла шва (температура солидуса).

Использование, при сварке как в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродами, так и подслоем флюса. Преимущественные области использования сварка закаливающихся трудносвариваемых сталей в защитных газах, а также сварка корневых швов, склонных к образованию трещин. .Сущность изобретения: при дуговой сварке плавлением с применением периодических чередующихся перемещений электрода или сварочной дуги, сварной шов по его длине формируют из отдельных взаимно перекрывающих друг друга элементарных участков металла шва. Очередной участок шва формируют после кристаллизации предыдущего, а охлаждение его производят до температур не ниже, чем на 300.. 450°С по сравнению с нижним значением температур интервала кристаллизации металла шва. При формировании последующего участка производят частич-. ное расплавление металла шва предыдущего участка. 3 з.п. ф-лы. ел С