3. Теоретическая часть.

3.1 Расчётная оценка химического состава и ожидаемых механических свойств металла шва. Оптимизация технологического процесса сварки по химическому составу и по механическим характеристикам металла шва.

При разработке технологического процесса сварки перлитных сталей в зависимости от требований рассчитываются или оцениваются:

а) долевое участие основного металла (γом = F_ом / F_р) в формировании шва опреде-ляется расчётом величин F_р , F_н, F_ом по данным из практической работы №1, Рис. 4.1

Рисунок 4.1 Определение доли участия основного и электродного металла в

сварочной ванне. Площади: F_р –расплавленного металла; F_н – наплавленного

металла; F_ом – основного металла.

б) химический состав металла шва для всех легирующих элементов по долевому участию основного металла заносится после расчёта по пункту а) в Табл.4.1;

в) механические свойства металла шва: предел прочности σ_вш, предел текучести σ_тш, относительное удлинение δ_ш, относительное поперечное сужение ψ_ш, ударную вязкость a_кш

Для конструкционных низкоуглеродистых и низколегированных сталей имеются приближённые формулы для расчёта ожидаемых механических свойств металла шва по пункту в):

- для предела текучести (σ_вш), кг/мм²:

σ_вш= 4,8 + 50C + 25,2Mn + 17,5Si + 23,9Cr + 7,7Ni + 8W + 70Ti + 17,6Cu + 2,9Al +

+ 16,8Mo; (4.1)

-для предела текучести (σ_тш), кг/мм²:

σ_тш=0,73·σ_вш; (4.2)

- для относительного удлинения (δ_ш), % :

δ_ш= 50,4 – (21,8C + 15Mn + 4,9Si + 5,8Cr + 2,4Ni + 2,2W + 6,6Ti + 6,2Cu) + 17,1Al +

+ 2,7Mo; (4.3)

- для относительного поперечного сужения (Ψ), % :

Ψ_ш = 2,32·δ_ш; (4.4)

- для ударной вязкости (a_нш) при Т=293К, кГс м/см:

a_кш= 23,3 – (25,7C + 6,4Mn + 8,4Si + 2,4Cr + 1,6Ni + 0,5W + 15,4Ti + 4Cu + 18Al +

+ 1,4Mo); (4.5)

- твёрдость по Бринелю, в единицах ΗΒ:

ΗΒ_ш = 3,16·σ_вш; (4.6)

В формулах (4.1; 4.3; 4.5) значение каждого компонента принято в весовых %.

Формулы (4.1) и (4.2) справедливы:

 1. При условии, что концентрации нижеуказанных элементов находятся в пределах:

C ≤ 0,3%; Si ≤ 1,0%; Мn ≤ 2,5%; Cr ≤ 3,0%; Ni ≤ 3,0%;

Mo ≤ 1,0%; Cu ≤ 3,0%; Al ≤ 0,75%; Ti ≤ 0,35%; W ≤ 2,0%; (4.6а)

2. Суммарное содержание всех легирующих элементов не должно превышать 5%; (4.6б)

3. Скорость охлаждения w(Т) металла шва должна быть не более 3⁰С/с.

w(Т) рассчитывается для температуры наименьшей устойчивости аустенита Т_т,

которая для низкоуглеродистых сталей ТА_r1 = 500…600 °С.

Порядок расчёта w(Т) приведён в пункте 3.2.2

Если фактическая расчётная w(ТА_r1) > 3⁰С/с, то механические характеристики, полученные по формулам (4.1) - (4.6), уточняются по приближённым формулам:

σ*_вш ≈ f(G_в)·σ_вш;

σ*_тш ≈ f(G_Т)·σ_тш;

ψ*_ш ≈ f(ψ)·ψ _ш; (4.7)

ΗΒ*_ш ≈ f(ΗΒ)·ΗΒ_ш;

δ*_ш = 0,43·ψ_ш.

Коэффициенты f(G_в), f(G_Т), f(ψ), f(ΗΒ) определяются по Рис.4.2:

Рис. 4.2. Определение безразмерных коэффициентов для

уточнения механических свойств при W = w(ТА_r1) > 3⁰С/с

Для проверки выполнения условия равнопрочности сварного соединения проводится сравнение механических свойств ОМ и металла шва, Табл.4.2.

Таблица 4.2. Расчётные механические свойства металла шва и основного металла (ОМ)

ЗОНА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ	МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
	σв, МПа	σт, МПа	δ,%	Ψ, %	aк, Дж/см2	ΗΒ
Основной металл, сталь ВСт3сп	…	…	…	…	…	…
Металл шва	…	…	…	…	…	…

Если расчетные механические характеристики прочности металла шва значительно выше / ниже соответствующих характеристик основного металла, следует либо:

- увеличить высоту шва (при σ_т^ш < σ_т^ом);

- изменить режим сварки;

- заменить сварочные материалы.

Если расчетные механические характеристики пластичности металла шва заметно ниже соответствующих характеристик основного металла при допустимой прочности, следует назначить послесварочную термообработку для улучшения механических свойств сварного соединения.

3.2 Термический цикл при однопроходной сварке. Сварочным термиче­ским циклом (Рис. 4.3) называется за­висимость T(t) температуры от времени в некоторой фиксированной точке ОШЗ. Он во многом определяет свойства различных зон сварного соединения, поэтому расчет его основных парамет­ров (максимальной температуры Т_т, скоростей нагрева и охлаждения w при заданных

Рис. 4.3. Сварочный тер­мический цикл однопроходной сварки

температурах, времени t_H пребывания материала при температуре выше заданной (T_зад) представляет значительный практиче­ский интерес. В перлитных сталях при нагреве выше 950 °С происходит интенсивный рост аустенитного зерна, что может при­водить к охрупчиванию металла.

Степень роста зерна определяется максимальной температурой термического цикла и временем пре­бывания стали при температурах выше 950 °С. Структурное со­стояние стали (степень закалки) определяется скоростью охлажде­ния металла сварного соединения в интервале температур минимальной устойчивости аустенита.

г) по температурному циклу для однопроходной сварки оцениваются:

- максимальная температура Т_m термического цикла;

- скорость охлаждения w(Т) металла шва и ОШЗ;

- длительность пребывания t_н металла ОШЗ при температурах выше Т_зад.