Принципы выбора рациональных режимов сварки различных конструкций

Режимом сварки называют совокупность основных характеристик сварочного процесса, обеспечивающего получение сварных швов заданных размеров, формы и качества. При дуговой сварке такими характеристиками являются сварочный ток, напряжение на дуге, диаметр электрода, скорость перемещения электрода вдоль свариваемых кромок (скорость сварки), род тока, полярность и др. При электрошлаковой сварке сварочный ток, напряжение на шлаковой ванне, скорость подъема металлической ванны (скорость сварки), глубина шлаковой ванны и др. При электрической контактной сварке сварочный ток (мощность машины на данной ступени), время сварки, усилие на электродах (при точечной и шовной сварке), усилие осадки и установочная длина (при стыковой сварке) и др.

(L длина сварочной ванны).

. Поэтому, добиваясь геометрического подобия сварочной ванны, чтобы сохранить оптимальные условия кристаллизации, следует снижать скорость при увеличении мощности дуги и стремиться к постоянству произведения этих величин. При действии точечного быстродвижущегося источника тепла (см. § 22) максимальная температура на расстоянии г определяется выражением

(VIII.6)

, и будет площадью провара:

, можно определить необходимые сварочный ток и напряжение на дуге по уравнению

(VIII. 15)

. Здесь, так же как и при дуговой сварке, форма и размеры металлической ванны оказывают существенное влияние на качество сварного соединения и зависят от режима сварки. Увеличение тока и скорости сварки, а также уменьшение напряжения на шлаковой ванне, глубины шлаковой ванны и скорости поперечных колебаний электродов снижают коэффициент формы металлической ванны. При сварке низкоуглеродистой стали тепловое воздействие дуги не вызывает существенных изменений свойств околошовной зоны и режим, выбранный исходя из условий наилучшего формирования шва, обеспечивает необходимые качества сварного соединения. При сварке же легированных сталей как в металле шва, так и в зоне термического влияния могут произойти такие структурные превращения, которые окажут существенное влияние на прочностные и пластические свойства сварного соединения. Поэтому удовлетворительное формирование швов является необходимым, но недостаточным критерием оценки пригодности режима сварки легированных сталей. В этих случаях режим сварки не только должен обеспечивать хорошее формирование шва, но и не вызывать существенного ухудшения свойств околошовной зоны, в первую очередь ее пластичности. Следовательно, вторым условием выбора рационального режима сварки является обеспечение такого термического цикла, который обеспечит оптимальные свойства зоны термического влияния и металла шва. Воздействие термического цикла сварки на структуру и свойства сварных соединений подробно рассмотрено в гл. VII. Поэтому напомним только, что при сварке низколегированных конструкционных сталей как с невысоким, так и с повышенным содержанием углерода, а также среднелегированных и высоколегированных конструкционных сталей, склонных к закалке под воздействием термического цикла сварки, в зависимости от величины погонной энергии может наблюдаться либо резкая подкалка околошовной зоны, сопровождающаяся повышением твердости и снижением пластичности (при малых значениях погонной энергии), либо интенсивный рост зерна, вызывающий снижение пластичности металла (при чрезмерно больших значениях погонной энергии). Как в первом, так и во втором случаях в около шовной зоне могут образоваться трещины. Поэтому для различных сталей следует устанавливать (с помощью валиковой пробы или пробы ИМЕТ-1см. § 57) диапазон оптимальных скоростей охлаждения околошовной зоны, который обеспечит ее оптимальные свойства. Связь между режимом сварки (погонной энергией) и скоростью охлаждения дают формулы (VII.2) -f- (VII.4). Сварка на режимах, дающих скорость охлаждения околошовной зоны выше верхнего предела, приводит к резкому снижению пластичности околошовной зоны из-за ее подкалки; режимы, приводящие к получению скорости охлаждения ниже нижнего предела, снижают пластичность и вязкость вследствие чрезмерного роста зерна. Если сталь подвержена резкой закалке, то может оказаться, что при всех скоростях охлаждения в околошовной зоне образуется мартенситная структура. При этом уменьшение скорости охлаждения ниже некоторого предела, не устраняя образования мартенсита, приводит к значительному росту зерна, вызывающему сильное снижение пластичности. Для таких сталей чрезмерно высокий подогрев с целью избежать подкалки околошовной зоны не только не принесет пользы, а, наоборот, может заметно ухудшить свойства (прежде всего ударную вязкость) околошовной зоны. В этих случаях допустимый диапазон скоростей охлаждения должен быть таким, при котором, несмотря на частичную подкалку, гарантируется отсутствие трещин. Для восстановления свойств околошовной зоны в таких случаях необходима последующая термообработка.

Таким образом, при выборе режима сварки легированных конструкционных сталей необходимо либо экспериментально, либо расчетным путем подобрать режим сварки по условиям формирования шва, определить фактическую скорость охлаждения околошовной зоны и сравнить ее с данными о допустимых скоростях охлаждения этой стали. Для сталей, закаливающихся в условиях сварки, надо найти необходимую температуру предварительного подогрева в случае, если фактическая скорость охлаждения при сварке на принятом режиме выходит за верхний предел диапазона оптимальных скоростей. При сварке высоколегированных хромоникелевых аустенитных сталей под влиянием термического цикла сварки могут протекать процессы, в результате которых произойдет потеря стойкости металла против коррозии. В гл. VII рассмотрена физическая сущность этого явления. На рис. VII.13 показана схематически зависимость склонности стали к межкристаллитной коррозии от температуры и времени, из которой следует, что для появления склонности к межкристаллитной коррозии необходима определенная выдержка стали при высоких температурах. Наименьшее время выдержки стали tKp, необходимое для возникновения склонности к межкристаллитной коррозии, наблюдается при температурах 680780° С. Как для более высоких, так и для более низких температур время выдержки, вызывающее такую склонность, увеличивается. Для предупреждения появления склонности к межкристаллитной коррозии при сварке аустенитных хромоникелевых сталей необходимо выбирать такие режимы, при которых время пребывания металла шва и околошовной зоны в опасном интервале температур было бы наименьшим. При выборе режима сварки аустенитных хромоникелевых сталей необходимо:

1) определить режим сварки по условиям формирования шва; при этом следует иметь в виду, что эти стали обладают большим удельным электрическим сопротивлением, поэтому допускаемая плотность тока при сварке аустенитными электродами должна быть меньше, чем при сварке низкоуглеродистыми электродами;

2) определить фактическую скорость охлаждения и время выдержки металла шва и околошовной зоны в опасном интервале температур. Это время пребывания металла шва и околошовной зоны в опасном интервале температур сопоставить с критическим временем, т. е. минимальным временем выдержки, которое, вызовет возникновение склонности к межкристаллитной коррозии. Время пребывания металла шва и околошовной зоны в опасном интервале температур можно определить по формуле

среднее значение скорости охлаждения в интервале температур 780-680° С.

суммарное время пребывания в области опасных температур, определяемое суммой соответствующих времен воздействия всех термических циклов сварки (при многослойной сварке) на слой шва, стойкость которого определяется; К и Кг поправочные коэффициенты, определенные сопоставлением расчетных данных с фактическими и равные соответственно 2,1 и 1,74. Таким образом, при выборе режима сварки во всех случаях следует исходить из условий получения швов, имеющих хорошее формирование (наименьшую геометрическую неоднородность и оптимальные условия кристаллизации), а также получения такого термического цикла, который обеспечит оптимальные свойства зоны термического влияния и металла шва.