книги из ГПНТБ / Елистратов, П. С. Сварка чугуна сталью

Затем канавка заваривалась стальными электродами: одна пластина — при наклоне электрода 60°, другая — 30° к горизонтальной поверхности. После заварки из пластин были сделаны продольные шлифы, на которых после травления очень хорошо заметно положение слоев нержавеющей стали: они имеют соответствующие на­ клоны, близкие к прямому углу по отношению к оси электродов, которыми производилась наплавка. Это про­ изошло потому, что при расплавлении металл прутков нержавеющей стали сдувался к задней стенке ванны и занимал положение, определяемое наклоном электрода.

Параметры кратера, образующегося при воздействии на жидкость струи газа, определяются давлением, ока­ зываемым газом на поверхность жидкости. При верти­ кальном расположении осп струи величина давления определяется уравнением (36). Наклон струи снижает давление па зеркало жидкости, что учитывается углом наклона (уравнение (44)). При этом общая величина давления не изменилась, а изменилось только направле­ ние действия сил. Для наклонной струп из треугольника сил (см. рис. 8) видно, что с увеличением угла наклона вертикальная составляющая силы снижается, а горизон­ тальная увеличивается. Это вызывает соответствующее уменьшение глубины проплавления и увеличение длины ванны, поскольку горизонтальная составляющая будет перемещать заднюю стенку ее. Изменение размеров ван­ ны будет определяться изменением соответствующих сил вертикальной и горизонтальной составляющих, что за­ висит от угла наклона струп газа. В таком случае соот­ ветствующие размеры ванны определяются по уравне­ ниям (39) и (42), но с учетом угла наклона:

Уравнение (40), определяющее диаметр кратера при вертикальной струе, можно применять и при наклонной струе. Однако в этом случае уравнение будет давать не длину ванны, а ширину ее, иными словами, это уравне­ ние пригодно и для определения ширины ванны (шири­ ны шва):

50

подкрашенных Капель в светлую воДу или светлых ка­ пель в подкрашенную ванну. В момент выбрасывания капли практически вся упавшая масса капли выходит из ванны, оставляя иногда лишь очень тонкий след на се поверхности в месте соприкасания.

Были произведены замеры глубины погружения па­ дающей капли и высоты последующего подъема воды для капель разлого размера (что определялось дпамег-

Рис. 13. Глубина погружения капли в воду Іі и высота подъема воды / для капель разного диаметра в зависимости от высоты падения капель Н

ром трубки, с торца которой отрывалась капля), а также капель, падающих с разной высоты. Результаты замеров приведены на рис. 13. Вследствие значительного колеба­ ния жидкости в момент взаимодействия капли и ванны наблюдаемые параметры было трудно измерять. Поэто­ му на рисунке указаны пределы измеряемых величии в виде площадей. При этом нижняя часть соответствующих площадей графиков больше относится к каплям меньше­ го диаметра, а верхняя — к каплям большего диаметра,

до 7—8 мм.

Анализ механического взаимодействия падающей капли и ванны позволяет перейти от модели к сварочной ванне. Эффект механического воздействия падающей

где М — масса капли; w — ее скорость.

52

Масса капли определяется размером трубки, на тор­ це которой образуется капля. Скорость, с которой капля подходит к поверхности ванны, падая с высоты Н, опре­ делим по уравнению свободного падения

Расчетные данные кинетической энергии для капель воды разной массы, падающих с различной высоты, при­ ведены в табл. 2.

Капли расплавляющегося стального прутка, падаю­ щие в сварочную ванну, также воздействуют на жидкий металл. Так как высота падения электродных капель, определяемая длиной дуги, невелика, то и скорость сво­ бодного падения капли не превышает 40 см/с. Однако электродная капля получает импульс при отрыве и увле­ кается попутным потоком плазмы столба дуги, омываю­ щим каплю с большой скоростью, и подвержена другим воздействиям сварочной дуги. Поэтому действительная скорость падения электродной капли намного больше скорости свободного падения. Как показало изучение кинокадров переходящих капель [7, 8], скорость их в за­ висимости от силы тока лежит в пределах от 120— 150 до 350—400 см/с. Естественно, что капли стали, движущие­ ся с такой скоростью, обладают большей кинетической энергией, чем соответствующие капли воды. Это видно из следующих расчетных данных (табл. 3).

При погружении в ванну падающая капля переме­ щает некоторый объем жидкости весом G па расстояние Л, совершая при этом работу

Исходя из закона постоянства энергии и пренебрегая неизбежными потерями, принимаем ЕК=А, т. е. вся ки­ нетическая энергия падающей капли (48) идет на рабо­ ту перемещения жидкости. Заменяя вес перемещаемой жидкости ванны произведением объема ее V и удельного веса у. получаем

Величину h, на которую перемещается жидкость ванны падающей каплей, можно принять за глубину погруже-

53

ния капли в ванну. Эта величина представляет большой интерес для сварочного процесса. Из (51) имеем

Из этого соотношения вытекает, что при равенстве кине­ тических энергий капель капля меньшего размера будет погружаться глубже, если ома перемещается с большей скоростью, чем крупная капля, имеющая малую ско­ рость. Это объясняется тем, что капля меньшего диа­ метра будет вытеснять меньший объем жидкости ванны по сравнению с крупной каплей.

Уравнение (52) применимо как для стали, так и для воды. Взяв отношение этого уравнения для стали (с ин­ дексом «с» у величин, входящих в него) и для воды (с индексом «в» соответствующих величин), выразим глу-

54

бипу погружения капли в стальную ванну через извест­ ную глубину погружения в воду с учетом соответствую­ щих свойств ванн:

Это уравнение дает очень простое соотношение глубин погружения, если принять ув=1 г/см3\ -ус= 7 г/см3, для частного случая, когда ЕсѴс—ЕпѴв. Подставив эти зна­ чения в (53), получим

имеющая скорость 312 см/с и падающая с высоты 50 см. Из рис. 13 находим, что глубина погружения капли со­ ставляет около 1,2 см. В таком случае глубина погруже­ ния стальной капли в сварочную ванну будет 0,17 см. Следовательно, электродная капля, падая в сварочную ванну, может погружаться на достаточно большую глу­ бину. Это способствует перемешиванию металла ванны, но не перемешиванию металла капли и ванны, так как капля отрывается от поверхности ванны, полностью не перемешиваясь.

Уравнения для расчета параметров сварочной ванны

Данные, полученные на водяных моделях, показы­ вают, что параметры ванны определяются тремя основ­ ными факторами: давлением потока газа и капель Р, диаметром трубки d0, подводящей газ, и расстоянием от торца газоподводящей трубки до поверхности воды /. Применительно к сварочной ванне эти факторы можно отождествить с подобными же факторами сварочного процесса: Р — давление столба сварочной дуги и падаю­ щих капель на сварочную ванну (при данном составе электродов оно определяется мощностью сварочной ду­ ги, главным образом силой тока /); d0 — диаметр элек­ трода da, расплавляющегося в дуге; I — длина дуги /д,

55

которую иногда можно заменить связанной с пей вели­ чиной напряжения на дуге і/,л.

Основные параметры сварочной ванны (глубина про­ плавления к, длина L и ширина Ь) можно рассчитать по уравнениям распространения тепла мгновенного точеч­ ного или линейного источника тепла [1, 23, 24]. Распро­ странение тепла на небольшое расстояние г от оси точеч­ ного источника приближенію можно описать уравнением

Решение этого уравнения для определения параметров сварочной ванны при заданных условиях дает следую­ щие выражения:

глубина проплавления

рость сварки; Тпл — температура плавления стали; с — теплоемкость; у — удельный вес; X — теплопроводность; t — время распространения теплового потока; А, Б, В — коэффициенты, объединяющие все постоянные величины уравнения при данных условиях.

Из этих уравнений видно, что параметры сварочной ванны определяются или тепловой мощностью дуги, или тепловой мощностью дуги и скоростью сварки. В общем виде это правильно, но иногда наблюдаются некоторые несоответствия с экспериментальными данными. Так, на­ пример, по уравнению (55а) глубина проплавления пря­ мо пропорциональна тепловой мощности q, но q = IUJxx\0. Отсюда можно было бы заключить, что к будет увеличи­ ваться одинаково с повышением / и 5/д. Однако это не так. По данным ЦНИИТМАШ [24], при сварке под флю­ сом повышение напряжения пе увеличивает глубину про-

5(5

плавления, а даже несколько снижает ее (рис. 14). Точно так же ширина шва больше изменяется при изме­ нении напряжения, чем при изменении силы тока. Ско­ рость сварки оказывает аналогичное влияние на h п Ь. Повышение скорости сварки более значительно умень­ шает ширину шва, чем глубину проплавления [25, 26].

Таким образом, уравнения (55) недостаточно точно отражают влияние принятых факторов на параметры

Рис. 14. Влияние режимов сварки на геометрические размеры валика наплавленного металла

сварочной ванны. Кроме того, они не учитывают других факторов, оказывающих влияние на размеры ванны. Так, из данных моделирования видно, что необходимо учитывать еще Р, d0, I и угол наклона электрода аэ. Сог­ ласно уравнениям (45) — (47), можно написать следую­ щие выражения функциональной зависимости геометри­ ческих параметров сварочной ванны от факторов свароч­ ного режима:

57

и (56) вызваны тем, что первые получены исходя из ус­ ловий нагрева и расплавления металла и не учитывают гидравлических особенностей сварочной ванны, а также влияние па нее сил, имеющих место в сварочном пламе­

учитывать, что сварочное пламя — источник не только высоких температур п механических усилий, по и физи­ ко-химических воздействий. Это проявляется в измене­ нии вязкости и поверхностного натяжения жидкого ме­ талла, создании капиллярных волн. Именно физико-хи­ мическое влияние сварочного пламени может изменить форму ванны (выпуклая вместо вогнутой), ее длину, а также другие параметры.

з. с в а р н о й шов

Составляющие сварного шва

При сварке чугуна сталью как частном случае сварки разнородных металлов существенное значение имеют геометрические размеры наплавляемого валика: шири­ на b и особенно глубина проплавления ht и величина усиления Іі2 (рис. 15). Объясняется это тем, что металл

шва состоит из части расплавляемого основного метал­ ла — чугуна, количество которого при данной ширине шва определяется величиной hь и из наплавленной ста-

58

ли, количество которой определяется величиной h2. Отношение Іі\/Іг2 показывает долю чугуна в общем объе­ ме шва, что имеет существенное значение для химиче­ ского состава металла шва. При сварке чугуна сталью надо стремиться к тому, чтобы металл шва содержал как можно меньше кремния и особенно углерода. Этого можно достичь уменьшением отношения h\/li2, т. е. сни­ жением доли чугуна в общем объеме металла шва.

Представление о количестве углерода и кремния, ко­ торые могут оказаться в металле шва, дает расчет для случая наплавки стальных валиков с разным отношени­

ный металл не содержит углерода и кремния и что они равномерно распределены но объему валика, в соответ­

Из приведенных данных видно, что снижения в ме­ талле шва углерода и кремния можно достичь уменьше­ нием доли чугуна — уменьшением глубины проплавле­ ния или увеличением высоты валика. Для этого исполь­ зуются технологические и металлургические факторы.

Влияние технологических факторов на размеры шва

Существует много различных факторов, включая и режим сварки, которые оказывают влияние на величины hi и /г2 и отношение ІцІІі2. Изучением этих факторов нача­ ли заниматься ученые с 30-х годов [27, 28]. Довольно подробно они рассмотрены в ранних трудах Института электросварки им. Е. О. Патона [25], ЦНИИТМАШ [24], в нашей работе [29] и другими авторами [30, 31]. Отме­ тим основные факторы, представляющие практический интерес при сварке чугуна.

С и л а тока . С увеличением силы тока возрастают hi и hi/h2.

59