2 Расчёт химического состава металла шва

2.1 Расчёт химического состава металла шва по смешению

Содержание химического элемента в металле шва, %:

Х_шва=Х_осн₀F_{i осн}+Х_эл(1-₀) F_{i эл}, (30)

где Х_осн – содержание элемента в основном металле, %;

₀ – доля основного металла в металле шва;

Х_эл – содержание элемента в сварочной проволоке, %;

F_{i осн}– коэффициент перехода элемента из основного металла;

F_{i эл}– коэффициент перехода элемента из электродного металла.

Коэффициенты перехода химических элементов из проволоки и основного металла в зависимости от способа сварки приведены в таблице 7

Таблица 7 – Коэффициенты перехода некоторых химических элементов

Элемент	Коэффициент перехода
	при сварке под флюсом		при сварке в углекислом газе
	основной металл	электродный металл	основной металл	электродный металл
Углерод
Кремний
Марганец
Хром
Никель
Сера
Фосфор
Остальные

2.2 Расчёт химического металла шва с учётом прироста элементов из флюса

При сварке под флюсом происходит переход элементов из расплавленного флюса в металл сварочной ванны. Для определения прироста некоторых элементов из флюса, следует определить основность флюса В

В=[0,018∙CaO+0,015∙MgO+0,006∙CaF₂+0,014∙(Na₂O+K₂O)+

+0,007∙(MnO+FeO)]/[0,017∙SiO₂+0,005∙(Al₂O₃+TiO₂)] (31)

где символами обозначено содержание компонента во флюсе, %.

а) Прирост кремния из флюса ∆Si, % определяют по формуле

∆Si=[(─0,05+3,3∙10^-3∙SiO₂)/(Si_ш∙В)]+[(24∙U_д)/(I_св∙V_св), (32)

б) Прирост марганца из флюса ∆Mn, % определяют по формуле

∆Mn=[(─0,2+0,48∙MnO∙B)/Mn_ш]+[(24∙U_д)/(I_св∙V_св), (33)

где SiO₂, MnO– содержание двуокиси кремния и окиси марганца во

флюсе, г/моль;

Si_ш, Mn_ш – содержание двуокиси кремния и марганца в металле шва,

рассчитанное по смешению, % масс;

В – основность флюса;

U_д – напряжение дуги, В;

I_св – сварочный ток, А;

V_св – скорость сварки, мм/с.

3 Расчетные способы оценки стойкости сталей против

ОБРАЗОВАНИЯ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ

Для расчетной оценки склонности сталей к образованию горячих и холодных трещин при сварке используют параметрические уравнения", составленные по результатам регрессионного анализа. Эти уравнения справедливы для группы сталей с содержанием легирующих элементов в определенном пределе. Как правило, они не учитывают примеси в сталях, наличие микролегирующих элементов. В большинстве методик не учтены условия и способ сварки, параметры её режима. Расчетные способы применяют для приближенных экспресс-оценок на первом этапе проектирования технологии. Отдельные методики расчета целесообразно использовать и на последующих этапах. Например, при выбранных способе и режиме сварки, сварочных материалов необходимо определить химический состав металла шва и по показателю Уилкинсона оценить стойкость его против образования горячих трещин. Результаты расчетов используют для принятия и обоснования принятых решений на всех последующих этапах разработки технологии сварки.

3.1 Оценка склонности сталей к образованию горячих трещин при сварке

3.1.1 Склонность легированных сталей (с суммарным содержанием легирующих элементов не более 10%) к горячим трещинам при сварке оценивают по показателю Уилкинсона

HCS=(C[S+P+Si/25+Ni/100]1000)/(3Mn+Cr+Mo+V). (34)

При сварке сталей с пределом прочности не более 700 МПа при HCS< 4,0 горячие трещины не появляются. Для высокопрочных сталей (_в700 МПа) HCS<1,6...2,0; при наплавке легированных сталей горячие трещины не образуются, если HCS<1,7...2,0.

3.1.2 Для оценки трещинообразования высоколегированных хромоникелевых аустенитных сталей и сплавов рассчитывают отношение

Cr_э/Ni_э=(Cr+1,37Mo+1,5Si+2Nb+3Ti)/(Ni+3,31Mn+22C+14,2N+Cu) (35)

Если это отношение более 1,5 при суммарном содержании серы и фосфора не более 0,02%, то горячие трещины при сварке не появятся. При Сr_э/Ni_э<1,5 и Р+S=0,02% вероятно появление горячих трещин при сварке рассматриваемой хромоникелевой стали или сплава.

3.1.3 Высоколегированные аустенитно-ферритные стали склонны к горячим трещинам при сварке, если

L=299С+8Ni+142Nb-5,5(%-Fe)²-105>0 (36)

3.1.4 В параметрические уравнения (31─33) при выполнении расчета вместо символов химических элементов необходимо подставить численные значения (%) их содержания в стали. Если химический состав рассматриваемой стали задан пределами, то содержание элементов, повышающих склонность стали к горячим трещинам, целесообразно взять по верхнему пределу; количество элементов, повышающих стойкость против образования трещин, по нижнему пределу.

3.1.5 Полученные результаты расчета используют при выборе способа сварки и сварочных материалов. Если рассматриваемая сталь имеет склонность к горячим трещинам при сварке, то недопустимо применение способов сварки, при которых металл шва формируется только из основного металла (например, сварка неплавящимся электродом без присадочной проволоки). Для сварки используют сварочные проволоки с повышенным содержанием легирующих элементов, снижающих склонность металла шва к горячим трещинам (марганца, хрома, молибдена при сварке легированных сталей) и с низким содержанием элементов (углерода, серы, кремния при сварке легированных сталей), повышающих вероятность появления трещин.

Для предупреждения появления горячих трещин в околошовной зоне (ОШЗ) и в случаях, когда по условиям эксплуатации сварного соединения химический состав металла шва близок к основному металлу, при разработке технологии необходимо предусмотреть комплекс специальных технологических мероприятий.

3.2 Оценка склонности легированной стали к образованию холодных

трещин при сварке

Холодные трещины в сварных соединениях легированных сталей обусловлены образованием в OШ3 малопластичных закалочных структур (мартенсита, нижнего бейнита), наличием в металле шва диффузионного водорода и величиной внутренних растягивающих усилий (жесткостью соединения). Существующие расчетные способы отличаются степенью учета этих факторов.

3.2.1 Оценка по эквиваленту углерода

Эквивалент углерода показывает степень влияния отдельных легирующих элементов на образование закалочных структур. Международный институт сварки (МИС) рекомендует определять эквивалент углерода

C_экв=[С+Мn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15],%. (37)

В соответствие с японским промышленным стандартом

C_экв=[С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4],%. (38)

При сварке сталей с эквивалентом углерода C_экв0,40...0,45% возможно появление холодных трещин, обусловленных образованием закалочных структур в 0Ш3.

3.2.2 Оценка с учетом структурных превращений и жесткости изделия

(по Д.Сефериану)

Д.Сефериан предложил оценивать склонность стали к холодным трещинам по полному эквиваленту углерода

[C]=[C]_x(1+0,005) (39)

где [C]_x – химический эквивалент углерода

360[C]_x=[360C+40(Mn+Cr)+20Ni+28Mo],%, (40)

– толщина свариваемых листов, мм.

Появление холодных трещин вероятно при [C]0,40...0,45%.

3.2.3. Оценка по параметрам трещинообразования

Параметры трещинообразований учитывают влияние на процесс появления холодных трещин в сварных соединениях всех (трех) основных факторов.

а) Параметр Ито-Бессио

P=[Pсм+H/60+К/(4·105)],%, (41)

где Рсм– показатель, учитывающий влияние структурных

превращений в ОШЗ.

Рсм=[С+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+(Mo+V)/15+5B],%; (42)

Н– количество диффузионного водорода в металле шва, определяемого

методом с применением глицерина, мл/100г. Если количество диффузионного водорода определено по методике МИС (с использованием ртути), то

H=0,64 Н_мис –0,93, мл/100г, (43)

К– коэффициент интенсивности жесткости.

Для приближенных вычислений коэффициент интенсивности жесткости стыковых соединений толщиной до 150 мм принимают

К=0,69, (44)

где –толщина свариваемых листов, мм.

Сталь склонна к образованию холодных трещин, если параметр трещинообразования Ито-Бессио P_>0,286.

б) Показатель трещинообразования Бокэ

P_s=lg(₃₀₀/_k)+H/10+K/5000, (45)

где ₃₀₀ – действительная (расчетная) скорость охлаждения металла в точках

ОШЗ при 300С, град/с;

при сварке стыкового соединения (однопроходная односторонняя сварка):

₃₀₀=2с²(300─Т₀)³/(q_п²), (46)

при сварке таврового соединения

₃₀₀=3с²(300─Т₀)³/(q_п²), (47)

при наплавке валика на массивное тело

₃₀₀=2(300─Т₀)²/q_п, (48)

где  – коэффициент теплопроводности, Вт/(см⁰С),

с – удельная теплоёмкость, Дж/(г⁰С);

 – плотность основного металла, г/см³;

– толщина свариваемого металла, см;

Т₀ – начальная температура, ⁰С;

q_п – погонная энергия сварки, Дж/см.

Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей можно принять =0,42Вт/(см⁰С); с=5,25Дж/(см³⁰С).

_k – критическая скорость охлаждения, при которой в ОШЗ образуется

чисто мартенситная структура, град/с;

lg_k=3,0–(4,62C+1,05Mn+0,54Ni+0,5Сr+0,66Mo); (49)

H– количество диффузионного водорода в металле шва, определенного с

применением глицерина, мл/100г;

K– коэффициент интенсивности жесткости;

K=66 (50)

– толщина свариваемых листов, мм.

Если P_s-0,5, то холодные трещины не возникают; при P_s=0,3 вероятность появления трещин 50%; если P_s>1, то холодные трещины будут.

Расчет показателя Бокэ возможен при известных (рассчитанных или выбранных по таблицам) параметрах режима сварки.

Количество диффузионного водорода (Н_мис) в зависимости от выбранного способа сварки при расчетах параметров трещинообразования принимают (при отсутствии данных) по таблице 8.

3.2.4 При выполнении расчетов по параметрическим уравнениям, имеющим символы химических элементов необходимо выполнять указания по пункту 3.1.4.

3.2.5 Полученные результаты расчета используют на всех последующих этапах проектирования технологии (при выборе и обосновании способа сварки, сварочных материалов; при выборе параметров режима сварки, техники её выполнения и т.д.). Результаты оценки склонности сварных соединений к образованию холодных трещин могут быть обоснованием для включения дополнительных операций (предварительного подогрева; последующей термической обработки и др.).

Таблица 8 – Количество диффузионного водорода в металле шва

Способ сварки	Нмис, мл/100г
Сварка в защитных газах (СО2, Аr, в смесях газов ):
очищенной проволокой	2─7
неочищенной проволокой	6─12
Сварка порошковой проволокой в СО2	10─30
Сварка, под флюсом:
очищенной проволокой под прокаленным флюсом	5─10
неочищенной проволокой, флюс не прокален	10─25