Теоретический подход к расчету режима трехдуговой сварки под флюсом стыкового соединения деталей тележки рельсового транспорта

Металлургическому и машиностроительному секторам промышленности России требуется получение сложных сварных металлоконструкций с протяженными сварными швами. В частности, при изготовлении деталей тележки рельсового транспорта. Для гарантированного получения качественного сварного соединения необходимо задать режим сварки, который определяет структуру и свойства сварного шва, и зоны термического влияния [5, 9–12].

Расчет оптимального режима дуговой сварки под слоем флюса [2] является актуальным и определяет как качество сварного шва, так и период проведения пусконаладочных работ для изготовления новой детали или изделия, что в свою очередь повышает производительность труда.

Современные технологии изготовления деталей тележки, труб, отводов требуют проведения сварки несколькими сварочными головками в одну ванну [3], что позволяет исключить дефекты сварки и обеспечивает как высокое качество сварных швов [4], так и производительность процесса сварки.

При разработке методики расчета режима трехдуговой сварки за основу был взят постулат о взаимосвязи площади проплавления и суммарной погонной энергии сварки трех дуг [1]. Таким образом, предлагается при расчете параметров режима сварки стыковых швов без разделки кромок провести расчет при условии, что площадь проплавления F _пр пропорциональна суммарной погонной энергии сварки трех дуг и обратно пропорциональна скорости сварки и расходу тепловой энергии на нагрев единицы объема металла. Последний коэффициент зависит от объемной теплоемкости, скрытой теплоты плавления и плотности металла.

Fv = J (n qx+n2 q 2+n3 q 3), (1) MVсв где n1, П2 и n3 — полный тепловой коэффициент полезного действия (КПД) 1, 2 и 3-й дуги соответственно, учитывающий часть теплоты дуги, расходуемой на нагрев материала изделия до температуры плавления и его расплавление; q1 , q2 , q3 – мощность 1, 2 и 3-й дуги соответственно; M – расход тепловой энергии на нагрев единицы объема материала изделия до температуры плавления Tп и расплавления; Vсв – скорость сварки;

П = П mi П ui ,                                   ⁽²⁾

где n _mi — термический КПД проплавления i -й дуги, принимаемый при сварке пластин встык 0,484 [6], доли ед.; n _ui = 0,7-0,8 - эффективный КПД нагрева изделия теплотой i -й дуги, доли ед.

м = g п Т п - g 0 T o + W п Y п ,                  (3)

где g _п и g ₀ – объемные теплоемкости материала при температуре плавления T _п и начальной T ₀ (перед сваркой); W _п – скрытая теплота плавления материала; у п - плотность материала при Т _п.

Мощность сварочных дуг определяется следующими выражениями:

qi = 1CB1Uсв1,(4)

q2 = Icb2Uсв2 , q3 = ICB3Uсв3 ,(6)

где I _св1 , I _св2 , I _св3 – сварочный ток на 1, 2, 3-й дуге соответственно, А; U _св1 , U _св2 , U _св3 – напряжение на 1, 2, 3-й сварочной дуге соответственно, В.

Напряжения на дугах при сварке под флюсом определяются по следующим уравнениям:

Uсв1 = 0,0201св1 + 29 - 25dэ1,(7)

Uсв2 = 0,0251Св2 + 29 - 25dэ2,(8)

Uсвз = 0,0301свз + 29 - 25d эз,(9)

где d _э1 , d _э2 , d _э3 – диаметр электродной проволоки на 1, 2, 3-й сварочной дуге соответственно, мм.

Определим сварочный ток второй дуги как долю от тока первой дуги

I св2 = D ¹ 1 св1 ,                                  (10)

I св3 = D ¹¹ 1 св2 .                                 (11)

Тогда, решая совместно уравнения (1), (4)–(11), получили уравнение второго порядка для определения силы тока на первой дуге при сварке под флюсом. Нас интересует только положительный

Таблица 1

Геометрические параметры сварного соединения

№ сварного соединения	s , мм	b , мм	c , мм	h пр , мм
1	7	15	1	5
2	7	15	1	6
3	12	22	3	6,5
4	12	22	3	8

Параметры режима сварки

Таблица 2

№ сварного соединения Iсв1, А Uсв1 , В Iсв2, А Uсв2, В Iсв3, А Uсв3, В Vсв , см/с Табличные значения для трехдуговой сварки 1 650–710 32–34 620–680 34–38 600–660 38–42 2,6–3,5 2 650–710 32–34 600–650 36–38 550–600 38–42 2,5–2,9 3 680–730 32–34 650–700 34–38 640–680 38–42 2,5–2,7 4 750–760 32–34 700–720 36–38 650–670 38–42 2,3–2,6 Расчетные параметры 1 651 32 619 34 600 37 3,5 2 653 32 601 34 553 36 2,85 3 698 33 663 36 650 38 2,5 4 757 34 704 37 655 39 2,3 корень уравнения. Его отрицательная составляю-

щая не имеет физического смысла.

I св1

- ^ьф +V ^ь Ф2 + 4 a ф c ф

2 a _ф

При этом входящие в уравнение коэффициенты определяются следующим образом:

а ф = 0,02 п 1 + ( D * ) 0,025 п ₂ +

+ ( D ¹ D ¹¹ )² 0,03 ^ 3 ;                          (13)

Ь _ф = ( 29 - 25 d _э1 ) П 1 + D ' п ₂ ( 29 - 25 d _э2 ) +

+ D ¹ D ^ып₃ ( 29 - 25 d _э3 ) ;

С ф = MV св F p .

Расчетное значение F _пр определяется расчетным способом по известной геометрии сварного соединения с учетом приведенной модели на рисунке:

F _np = h np ( 0,8927 b - c ) . (16)

Расчетная схема определения F _пр

После определения I _св1 необходимо рассчитать I _св2, I _св3, U _св1, U _св2, U _св3 по уравнениям (10), (11), (7), (8), (9) соответственно.

Сравнение расчетных параметров с реальным технологическим процессом представлено в табл.1 и 2. Данные приведены для сварного соединения С7, выполненного по ГОСТ 8713–79 при сварке электродной проволокой диаметром 4 мм (см. табл. 1). В расчетах принимали М =9800 Дж/см³, у п =7,8 г/см³. Геометрические параметры сварных соединений № 1, 2, 3, 4 из табл. 1 соответствуют режимам сварки в табл. 2.

Методика расчета режима трехдуговой сварки рассчитана на сварку малоуглеродистых низколегированных сталей. Методика позволяет гарантированно получать качественные сварные соединения и миниминизировать необходимость дальнейшей механической обработки [7, 8]. Для расчета режима сварки высоколегированных сталей необходимо дополнительно учесть ограничение по допустимым скоростям охлаждения этих сталей.

При расчете стыковых швов с разделкой кромок необходимо учитывать также площадь наплавленного металла.

Таким образом, разработана теоретическая модель расчета режима трехдуговой сварки под флюсом стыкового соединения.

Работа выполнялась в рамках комплексного проекта «Создание высокотехнологичного производства модельного ряда энергосберегающих низкопольных трамвайных вагонов модульной конструкции» по договору № 02.G36.31.0002 между Министерством образования и науки Российской Федерации и

Федеральным государственным унитарным предприятием «Государственный космический научнопроизводственный центр имени М.В. Хруничева».