Технология и режимы сварки судостроительных сталей

При разработке технологического процесса сварки изделия необходимо установить пригодность основного материала для сварки конструкции и выбрать:

- способ сварки;

- оборудование для сварки;

- сварочные материалы;

- конструкционный тип соединения и элементы подготовки кромок;

- режимы сварки;

- методы и нормы контроля сварных швов.

Сварное соединение включает в себя сварной шов, околошовную зону и примыкающий к ней основной металл.

Сварной шов – это та часть сварного соединения (при сварке плавлением), металл которой в процессе сварки находился в расплавленном состоянии.

В зависимости от взаимного расположения свариваемых частей различают несколько типов сварных швов и соединений (Рис. 7.1.).

В зависимости от типа соединения может изменяться вид сварного шва. Стыковые соединения образуются при помощи стыковых швов (Рис. 7.1,а); швы остальных соединений согласно ГОСТ РФ 5264 называют по типу соединения, т.е. швы тавровых соединений, нахлёсточных соединений, угловых соединений. Угловой шов обычно имеет плоскую или вогнутую и реже выпуклую поверхность. Размер углового шва задаётся его катетом. Стыковые швы в судостроительных конструкциях практически всегда бывают непрерывными и различаются только формой поперечного сечения подготовки кромок под сварку (при ручной сварке).

Форма угловых швов тавровых соединений может изменяться по длине и по поперечному сечению (Рис. 7.2.).

Стыковые и угловые швы бывают одно- и двусторонними.

Форма подготовки кромок сварных швов при ручной сварке регламентирована

ГОСТ РФ 5264-69. «Швы сварные ручной электродуговой сварки. Классификация и конструктивные элементы». По этому ГОСТ форма подготовки кромок характеризуется элементами, показанными на Рис.7.3.

Соединения внахлёстку применяют очень редко, так как они приводят к излишнему расходу металла и к образованию конструктивной концентрации напряжений. Тавровые соединения без сквозного проплавления выполняют в конструкциях, испытывающих статическую или случайную кратковременную переменную нагрузку. У конструкций, испытывающих действие вибрационной нагрузки, при δ ≥ 4 мм рекомендуется односторонний скос кромок, а при δ ≥ 12 мм – двусторонний. Форма подготовки кромок сварных швов под флюсом регламентирована ГОСТ РФ 8713-70. Следует заметить, что при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом, глубина проплавления основного металла, большая, чем при ручной сварке.

При ЭШС скос кромок не требуется, здесь только регламентируется начальный зазор между свариваемыми кромками деталей, величина которого зависит от толщины свариваемых деталей и метода ЭШС (одноэлектродная или многоэлектродная, проволочным или пластинчатым электродом). Зазор обычно колеблется в пределах 12-30 мм. При сварке сталей толщиной 12-30 мм зазор равен 14±4 мм.

При сварке в среде СО₂ подготовку кромок производят в зависимости от диаметра сварочной проволоки. При диаметре проволоки до 1,2 мм руководствуются стандартом на ручную сварку, т.е. ГОСТ РФ 5264-69, а при диаметре проволоки 1,6 -2,0 мм, стандартом на механизированную сварку в среде защитных газов (ГОСТ РФ 14771-69).

Выбирая тип подготовки кромок для стыковых швов, необходимо учитывать, что с точки зрения расхода электродного металла более экономична Х-образная подготовка (по сравнению с V-образной). Однако Х-образная подготовка кромок при автоматической сварке требует кантовки изделия.

Преимущества V-образной1 разделки кромок состоит в том, что основной объём сварки выполняется в нижнем положении.

Большинство угловых швов судового корпуса выполняют без скоса кромок, так как они мало нагружены.

Технология и режимы ручной сварки. Объём применения ручной дуговой сварки ограничен – её применяют при сварке секций и особенно широко – при монтаже всего корпуса на построечном месте. При изготовлении секций объём РДС составляет 10-15%, а на построечном месте – 40-50%.

Выбирая тип шва и вид подготовки кромок при разработке технологии РДС, необходимо также выбрать род тока, тип электрода, режим (силу тока и скорость сварки) и установить последовательность и порядок сварки.

Тип электрода выбирают исходя из необходимости получить механические показатели металла шва, равные показателям основного металла с учётом технологических характеристик электродов – пригодности для сварки в том или ином пространственном положении, величины коэффициента наплавки и т.п. Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого металла:

Толщина металла, мм	Диаметр электрода, мм
0,5 -1,0	1-1,5
1,0 – 2
2 – 5	3-4
5-10	4-5
10 b более	5-6

Силу тока выбирают в зависимости от диаметра электродов по формуле

I_св = md_э, 7.1.

Где I_св - сила сварочного тока, А;

m - эмпирический коэффициент (m = 30 при d_э = 3 мм и m = 40-50 при

d_э = 4 – 6 мм);

d_э - диаметр электрода, мм.

Эта формула условна, так как в ней ток является линейной функцией диаметра. В действительности он зависит от квадрата диаметра:

I_св = J F_э, 7.2

Где J - плотность тока, А/мм²;

F - площадь сечения стержня электрода, мм².

Для предотвращения стекания жидкого металла при сварке в вертикальном и потолочном положениях сила тока уменьшается на 15-20% по сравнению с силой тока для сварки в нижнем положении.

Глубина проплавления основного металла при сварке встык изменяется в пределах 1,5 – 4 мм, поэтому швы ручной сварки имеют характерную форму, они образуются на 60 -75% за счёт электродного металла.

Чтобы обеспечить удовлетворительную форму шва при сварке в нижнем положении, площадь поперечного сечения каждого прохода не должна быть больше

F_н ≤ 12d_э , 7.3.

Где F_н - площадь поперечного сечения прохода, мм²;

d_э - диаметр электрода, мм.

Первый поход при РДС, как правило, выполняется электродом диаметром 3-4 мм, с тем, чтобы улучшить провар корня шва.

Площадь поперечного сечения металла, наплавляемого за один проход, в зависимости от выбранного типа и диаметра электрода, силы тока и скорости сварки определяется следующим выражением:

F_н = α_н · I_св/V_св · ρ, 7.4.

Где F_н - площадь поперечного сечения наплавленного металла, см²;

α_н - коэффициент наплавки, г/А·ч (принимается по паспорту электрода);

V_св – скорость сварки, см/ч;

I_св - сила сварочного тока, А;

ρ - плотность, г/см³.

Зная необходимую площадь F_н – выбранную по формуле (7.3), можно по формуле (7.4) определить скорость сварки. По условиям получения шва с хорошим формированием и из-за утомляемости сварщика скорость сварки принимают обычно в пределах до 15 м/ч.

Число проходов определяют по формуле

N = Σ F_н/ F_н, 7.5.

Где Σ F_н - общая площадь поперечного сечения разделки шва, образуемого за счёт наплавленного металла, см²; она определяется по чертежам и ГОСТ РФ 5264 – 69 (площадь разделки плюс надбавка 10- 15% на утолщение или усиление шва).

Плотность сварочного тока ограничена величиной 10 – 18 А/мм², поэтому производительность обычной ручной сварки невелика. Некоторое повышение плотности тока возможно только при особых разновидностях ручной сварки:

- скоростная сварка с глубоким проплавлением (сварка опиранием);

- сварка пучком электродов;

- сварка электродами с металлическим порошком в покрытии;

- сварка трёхфазной дугой.

Скоростная сварка с глубоким проплавлением (сварка по методу «опирания») выполняется электродами с повышенной толщиной покрытия (вес покрытия 50-70% от веса стержня). В судостроении применялись установки типа «Огонёк», так называемая гравитационная сварка. Несколько таких установок «козелкового» типа (5-6 шт) применялись для приварки набора к обшивке плоских секций, причём один сварщик мог обслуживать эти 5-6 установок.

Технология и режимы механизированной сварки под флюсом. При разработке технологии и выборе режимов автоматической сварки под флюсом необходимо учитывать особенности соединения и подготовки кромок под сварку. Выбранные режимы должны обеспечить сплошной провар при сварке стыковых соединений и получение шва заданного катета при сварке тавровых и угловых соединений. Во всех случаях режимы сварки должны обеспечивать хорошее формирование шва. Приближённый метод расчёта режима автоматической сварки под флюсом заключается в следующем.

Для сварки стыковых соединений за исходные параметры принимают глубину проплавления Н и общую площадь наплавки ΣF_н или F_н, которая, очевидно, зависит от типа подготовки кромок.

Для сварки швов тавровых соединений за исходный параметр принимается площадь наплавки F_н или ΣF_н, которая определяется по заданному катету К из очевидной формулы F_н = 0,5К², см².

Диаметр электродной проволоки при автоматической сварке обычно берут в ·пределах 3 – 6 мм, а при полуавтоматической сварке – в пределах 1,2 – 2 мм. Рекомендуемые плотности и силы сварочного тока выбирают по таблицам.

Силу сварочного тока при автоматической сварке можно определить по формуле:

I_св = ξН, 7.6.

Где I_св - сила сварочного тока, А;

Н - глубина проплавления, мм; её предварительно назначают в зависимости от толщины листа;

ξ - эмпирический коэффициент, зависящий от рода тока и его полярности, диаметра электрода и состава флюса (выбирается по таблицам).

Скорость сварки при всех диаметрах электрода можно приближённо определить по выражению [ ]:

V_св = I²/ξ₁· Н, 7.7.

Где V_св - скорость сварки, м/ч;

Iсв - сварочный ток, А;

Н - глубина проплавления, мм;

ξ₁ - эмпирический коэффициент (по данным Г.А.Бельчука, равный 0,22·10⁴ при Н≤ 9мм и 0,49 · 10⁴ при Н > 9 мм.

По условиям правильного формирования шва скорость автоматической сварки должна лежать в пределах 12 – 75 м/ч.