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

УДК 621.791.01

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К РАСЧЕТУ РЕЖИМА ТРЕХДУГОВОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖКИ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

М.А. Иванов, А.М. Уланов, Ю.В. Безганс

Впервые представлен теоретический механизм расчета режима трехдуговой сварки при сварке стыковых сварных соединений под флюсом. Предложен постулат о взаимосвязи погонной энергии сварки с площадью проплавления. Проведены проверочные расчеты.

Ключевые слова: расчет режима сварки, трехдуговая сварка, многодуговая сварка, сварка под флюсом, стыковой шов.

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 Fпр 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.

Fпр _ МУ

-

где %, ц2 и л3 - 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; д1, д2, д3 -

мощность 1, 2 и 3-й дуги соответственно; М - расход тепловой энергии на нагрев единицы объема материала изделия до температуры плавления Тп и расплавления; Усв - скорость сварки;

Л = Лт,Ли, ,

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

М = gпTп - g0T0 + Кп У ^

где gп и g0 - объемные теплоемкости материала при температуре плавления Тп и начальной Т0 (перед сваркой); Кп- скрытая теплота плавления материала; уп - плотность материала при Тп.

Мощность сварочных дуг определяется следующими выражениями:

41 _ /св1исв1 ,

42 _ 1св2исв2 ,

43 ~ /св3^св3 ,

где /св1, /св2, /св3 - сварочный ток на 1, 2, 3-й дуге соответственно, А; исв1, Псв2, Псв3 - напряжение на 1, 2, 3-й сварочной дуге соответственно, В.

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

исВ1 = 0,020/СВ1 + 29 - 25^,

исВ2 = 0,025/св2 + 29 - 25^Э2,

Псв3 = 0,030/св3 + 29 - 25^з3,

где dз1, dэ2, dэ3 - диаметр электродной проволоки на 1, 2, 3-й сварочной дуге соответственно, мм.

Определим сварочный ток второй дуги как долю от тока первой дуги

1св2 = ^ /св!,

1св3 = DII/св2 .

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 5, мм Ь, мм с, мм йпр , мм

1 7 15 1 5

2 7 15 1 6

3 12 22 3 6,5

4 12 22 3 8

Таблица 2

Параметры режима сварки

№ сварного соединения иСв1, В 1св2, А исв2 , В 1 св3 , А исв3 , В Кв , 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 составляющая не имеет физического смысла.

і

—Ьл, +»/ЬА + 4аАс,

2а,

ф

При этом входящие в уравнение коэффициенты определяются следующим образом:

Яф = 0,02^1 + (Б1) 0,025^2 +

+

6ф = (29 - 25^ ) Л1 + Б1ц2 (29 - 25^ ) +

+ Б1

^ф = ШеъFПр .

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

^пр = ^р (0,8927Ь — с).

Расчетная схема определения FП|

После определения 1св1 необходимо рассчитать /св2, /св3> ^св1> и св2. исв3 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, уп = 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».

Литература

1. Попков, А.М. Расчет параметров режима двухдуговой сварки угловых и стыковых швов /

A.М. Попков // Сварочное производство. -1998. -№ 7.- С. 3-5.

2. Уланов, А.М. Современный подход к разработке технологических параметров сварки в производстве труб большого диаметра /А.М. Уланов, М.А. Иванов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2012. - Вып. 19, № 39 (298). - С. 154-155.

3. Уланов, А.М. Развитие технологии многодуговой сварки трубных сталей / А.М. Уланов, М.А. Иванов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2012. - Вып. 19, № 39 (298). - С. 156-158.

4. Пашков, Ю.И. Разработка классификатора дефектов для сварных труб / Ю.И. Пашков,

B.А. Лупин, М.А. Иванов //Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2012. - Вып. 18, № 15 (274). -

C. 37-40.

5. К вопросу влияния погонной энергии сварки на скорость охлаждения металла шва / М.А. Иванов, А.М. Уланов, В.В. Роде, П.А. Данилкин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2012. -Вып. 19, № 39 (298). - С. 159-160.

6. Рыкалин, Н.Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз, 1951. - 296 с.

7. Пименов, Д.Ю. Разработка модели эпюры

напряжений на задней поверхности зуба фрезы / Д.Ю. Пименов // Технология машиностроения. -2010. - № 1. - С. 48-52.

8. Пименов, Д.Ю. Математическое моделирование упругих перемещений технологической системы при торцевом фрезеровании с учетом износа инструмента / Д.Ю. Пименов, В.И. Гузеев,

A.А. Кошин // Вестник машиностроения. - 2011. -№ 11. - С. 69-73.

9. Метод измерения температур в исследовании характера затвердевания отливки / И.Н Ерда-ков, В.В. Новокрещенов, И.В. Саламатов, Л.Н. Сабирова //Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». -2012. - Вып. 19, № 39 (298). - С. 142-144.

10. Ердаков, И.Н. Ресурсосберегающий аспект в производстве литых плит из стали Гад-фильда / И.Н. Ердаков // Заготовительные производства в машиностроении. - 2011. - № 11. -

С. 3-5.

11. Ткачев, В.М. Влияние положения стояка на коробление и дефектность отливок-плит /

B.М. Ткачев, Н.А. Ласьков, И.Н. Ердаков //Заготовительные производства в машиностроении. -2010. - № 6. - С. 9-11.

12. Ердаков, И.Н. Влияние импульсного электрического воздействия на кристаллизацию силумина (АК7ч) и стали (20ГЛ) / И.Н. Ердаков,

В.В. Новокрещенов //Литейные процессы: межре-гион. сб. науч. тр. / под ред. В.М. Колокольцева. -Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. - Вып. 9, № 1. - С. 54-57.

Иванов Михаил Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и технологии сварочного производства, Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76. Тел.: (351)2679221. E-mail: IvanovM@yandex.ru.

Уланов Алексей Михайлович, аспирант кафедры оборудования и технологии сварочного производства, Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76. Тел.: (351)7297089.

Безганс Юрий Викторович, студент кафедры оборудования и технологии сварочного производства, Южно-Уральский государственный университет. 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76. Тел.: (351)2679221.

Bulletin of the South Ural State University

Series “Metallurgy" ___________2013, vol. 13, no. 1, pp. 146-149

THEORETICAL APPROACH TO THE CALCULATION OF THREE-ARC SUBMERGED ARC WELDING MODE OF BUTT JOINTS OF RAIL TRANSPORT TROLLEY PARTS

M.A. Ivanov, A.M. Ulanov, Yu.V. Bezgans

A theoretical mechanism for calculating the mode of three-arc submerged arc welding of butt welded joints is presented for the first time. A postulate is proposed of a relationship between welding heat input and the area of penetration. Verifying calculations are carried out.

Keywords: calculation of welding mode, three-arc welding, multiple-arc welding, submerged arc welding, butt seam.

Ivanov Mikhail Aleksandrovich, candidate of engineering science, associate professor of the Welding Equipment and Technology Department, South Ural State University. 76 Lenin avenue, Chelyabinsk, Russia 454080. Tel.: 7(351)2679221. E-mail: IvanovM@yandex.ru.

Ulanov Aleksey Mikhaylovich, post-graduate student of the Welding Equipment and Technology Department, South Ural State University. 76 Lenin avenue, Chelyabinsk, Russia 454080. Tel.: 7(351)7297089.

Bezgans Yuriy Viktorovich, student of the Welding Equipment and Technology Department, South Ural State University. 76 Lenin avenue, Chelyabinsk, Russia 454080. Tel.: 7(351)2679221.

Поступила в редакцию 28 марта 2013 г.