Технические науки/1.Металлургия

К. т. н Семенов.В.М., инж. Ерегин П.Л

Донбасская государственная машиностроительная академия Украина

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ ЦИКЛОВ ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ ПРИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ СВАРКЕ

Для разработки технологии электрошлаковой сварки (ЭШС) и изучения термических циклов металла околошовной зоны (ОШЗ), влияющих на образова ние трещин в сварных соединениях [1] , вместо крупных образцов, требующих трудоемких и длительных ( до 1 года) испытаний, предложены малогабаритные образцы. Такие малогабаритные образцы-диски Ø 800 и толщиной 100 мм ис-ользованы для разработки технологии сварки валковых сталей 9Х2МФ Обра-зцы-собирали (рис.1.а) и сваривали на режиме: напряжение 48-52 В; сила тока 800–1500 А; глубина шлаковой ванны 50 мм. Термический цикл записывали тремя термопарами.(рис.2б.) Две из них располагали по центру каждой заготов-ки, а третью выше на расстостоянии 1/2 радиуса заготовки. С целью модели-рования термического цикла металла ОШЗ крупных изделий свариваемые заготовкив в процессе сварки принудительно охлаждали медной водоохлаждае-мой.накладкой,расход.воды.вкоторой.регулировали.

700

600

500

400

300

200

100

0

0

Т ⁰ С

Т₂

Т₁

12 13 14 15 ч

Т₃

Т₂

Т₁

Рис.1. Схема сборки образцов-дисков Ø 800 мм с принудительным охлаждением (а) и график термического цикла ОШЗ (б)

С учетом проведенных экпериментов разработана технология ЭШС расходуемых электродов из валковой стали 9Х2МФ. Диаметр свариваемой де

тали 500мм, длина 3000 мм. Измеряли термичекие цилы на трех участках рас

положенных на расстоянии 100, 200 и 300 мм (рис.3)

а)

б)

Рис.2 Схема расположения термопар (а) и термический цикл околошовной зоны (б).

Адекватность термических циклов ОШЗ малогабаритных образцов и изделий из валковых сталей. была подтверждена расчетным методом .(рис.4) Рассмотрен процесс нагрева металла, прилегающего к шву. в точке А (х₀ , у₀ ), он нагревается двумя источниками тепла. Один из них действует в плоскости ВС (шлаковый источник, обладающий мощностью q _ш /2 ), нагревает металл до температуры Т_Аш, а другой, действующий в плоскости D′ D ( источник металлической ванны, обладающей мощностью q_м – до Т_{Ам. .}Суммарная температура точки Т_А =Т_Аш + Т_Ам Выделив элементарные линейные источники, обладающие мощностью (q_м/b_ш) dy на D′ D и и (q _ш /2а) dх на ВС и суммируя элементарные приращения в точке А от действия этих источников в пластине при установившемся процессе сварки получим:

Рис. 3 Расчетная схема термического цикла металла околошовной

зоны при ЭШС легированных конструкционных сталей

:

где :q_и –эффективная мощность при ЭШС кал/с; С= q_м / q._ш;.; (принимается 1.4 ); q_м = b_ш v_с γ Т_{м ,} кал/с; q._ш;.;= q_и – q_м:: Т_м–=1900 ⁰ С–средняя температура металлической ванны.При выборе безразмерных величин за основу были приняты значения параметроврежима электрошлаковой сварки, применяемые на производстве : υ=0,008....0,03 см/с; b_з =2…5.см.; r= 0…5 см;

где:h = 2…10 см.; коэффициент температуропроводности α =0.065…0.08 см²/ с.; координаты точек: х₀ =–30…+10 см. Расчеты термического цикла были выполнены на компьютере с использованием программы «MathCad». и построен график термического цикла в безразмерных параметрах режима сварки ( υ h /2а) = 0,6.

Рис.4Термический.цикл.в.безмерных.параметрах.при.(υh/2а).=.0,6.

Сравнение термических циклов малогабаритных образцов с термичес-кими циклами крупных изделий, а также полученными расчетным путем показало, что характер нагрева и охлаждения металла околошовной зоны их идентичны.Испльзование малогабаитных образцов с регулируемым, принуди-

тельным охлаждением для моделирования термических циклов при ЭШС поз-

волило получить экономию материалов и топлива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Paton B.E. Current trends of research and development in the field of welding and strength of structures, Welding journal № 10, Kiev, Ukraine, 2003 –P 5-12