Процесс современной сварки относится к высоким технологиям с классификацией и критериями качества. Поскольку главным финальным продуктом являются сварочные швы, они также хорошо описаны, классифицированы и имеют свои критерии качества и способы выполнения.
Стандарты в виде ГОСТов содержат исчерпывающие сведения и условные обозначения вариантов самого разного назначения.
Для начала определимся с понятиями «сварочный шов» и «сварочное соединение», потому что некоторые источники рассматривают их как одно и то же, другие разводят формулировки.
Самое короткое определение: – это неразъемное соединение сваркой.
Второй вариант раскрывает физику процесса сварки как таковой: сварочный шов – это участок, в котором соединены две или несколько деталей в результате кристаллизации или деформации вещества, или одного и другого вместе. Так или иначе, сварочные швы и соединения логичнее принимать за один и тот же процесс.
Один из самых старых и известных среди специалистов стандартов – «ГОСТ 5264 – 80 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные». Этот ГОСТ был введен в действие еще в 1981 году, он до сих пор прекрасно справляется со своими задачами: четко и ясно перечислены основные виды сварных швов, их размеры, конструктивные элементы и инструкции, как правильно класть сварочный шов. Отличный пример документа, который не нуждается в корректировках в течение долгого времени.
Виды сварочных швов
Типы сварочных соединений.
Как и методы сварки, виды сварочных швов подпадают под стройную классификацию по разным критериями:
- Способу соединения деталей;
- Положению во время сварки;
- Протяженности ;
- Расположению к силе, действующей на шов.
Самые популярные и важные виды швов объединены в группу по способу соединения деталей:
- Стыковые.
- Угловые.
- Тавровые.
- Внахлест.
Важно! Какой бы вид шва от сварки вы не выбрали, нужно помнить и соблюдать одно простое правило: никакой ржавчины на металле! Предварительная обработка напильником или наждачной бумагой обязательна, вопрос больше не обсуждается.
Швы встык
Классификация электродов для сварки.
Виды сварных соединений включают как очень популярные способы, так и редкие. Стыковые способы можно отнести к высокой популярности: они используются при сварке листового металла или торцов труб. Принципиальное требование для стыкового способа – жесткая фиксация соединяемых деталей с зазором 1 – 2 мм, который заполняется металлом по ходу процесса сварки.
Важнейший «стыковой» вопрос – края деталей, которые будут плавиться и соединяться. Вернее, способ обработки этих краев. Стыковое соединение считается одним из самых надежных и экономичных с точки зрения прочности. Особенно это касается случаев, когда варят с обеих сторон. Предварительная подготовка краев – серьезная составляющая высокого качества шва. Все 32 типа стыковых соединений с вариантами обработки краев изложены в стандарте ГОСТ 5264-80.
Вот некоторые примеры:
- Если лист металла тонкий – меньше 4 мм, предварительная обработка не требуется, это семейство с условными обозначениями С1, С2, С3.
- Если толщина листа в пределах 4 – 12 мм, шов можно варить как с одной, так и с двух сторон. Но в этом случае необходима обработка края зачисткой. Здесь все зависит от требований к качеству сварки. Если вы решили варить с одной стороны, вам придется делать несколько проходов для заполнения шва. Если требуется высокое качество – зачищать и варить нужно с двух сторон. Зачистки бывают в виде V или U. Вариантов множество, все перечислены в ГОСТе, например, условные обозначения С28, С42.
- Если металлический лист толще 12 мм, применяются только двойные швы с обработкой краев с обеих сторон в виде буквы Х. V или U формы зачистки кромок при большой толщине невыгодны: потребуется слишком много металла для их заполнения. А это снижает скорость процесса и повышает расход электродов. Условные обозначения С27, С39, С40.
Нет нужды излагать в данном обзоре все возможные способы сварки металлов дуговым методом в зависимости от толщины листов и способов обработки краев, лучше ГОСТа 5264-80 никто этого не сделает. Поэтому самым правильным решением будет сослаться на него и рекомендовать этот прекрасный образец технической инструкции для тщательного изучения.
Если коротко по ГОСТу, стыковое семейство делится на:
- Односторонние и двусторонние без обработки кромок;
- С обработкой одной из кромок;
- С обработкой обеих кромок;
- Распилкой в виде V или X;
- С двусторонней обработкой обеих кромок.
Тавровые соединения
Тавровый способ в разрезе представляет собой букву «Т»: торец одной детали приварен к боковой поверхности другой детали. Чаще всего элементы расположены перпендикулярно друг к другу. В ГОСТе 5264-80 описаны 9 тавровых видов: с Т1 по Т9. Для качественного таврового соединения необходимо глубокое плавление, которое выполняется с помощью автоматической сварки. Если сварка , тщательная обработка кромок обязательна.
Интересная особенность тавровых швов глубокого плавления: они прочнее основного металла. Прочность угловых швов (о них см. ниже), напротив, меньше основного металла. Такого рода различия нужно не просто учитывать, а заранее производить расчеты. Понятие «расчет сварных соединений» входит в особый раздел технической механики, который изучается на инженерных факультетах.
Эти задачи сопромата учитывают главные особенности и недостатки сварочных соединений: неравномерную прочность, неровные процессы нагрева и охлаждения, как результат, возможное коробление, остаточное напряжение или скрытые дефекты.
Угловые соединения
Схема создания вертикального шва.
В некоторых источниках угловые швы при сварке описываются как часть тавровых. Их описать так же легко, как тавровые: угловой профиль напоминает букву «Г», а в ГОСТе 5264-80 они обозначаются с начальной буквой «У»: от У1 до У10.
При кажущейся простоте в сварке углового соединения иногда возникают трудности: металл стекает с угла или вертикальной поверхности на горизонтальную. Решение такой проблемы – контроль движения электрода, чтобы соблюдать правильные углы его наклона, и чтобы это движение было ровным. В этом случае вы получите качественный ровно заполненный шов.
Отличным способом качественной угловой варки является метод, получивший название «сварка в лодочку»: детали расположены друг к другу под прямым углом, длина швов 8 мм и больше.
Если угловых соединений включает листы металла разной толщины – тонкий и толстый – электрод должен быть расположен к более толстой детали под углом 60 градусов, чтобы больше прогрева пришлось на нее. Тогда тонкий металл не прогорит.
Сварка угловых швов предусматривает выполнение правил геометрии сварочных соединений.
Главные геометрические критерии следующие:
- Ширина – зазор между краями сплавления металлов;
- Изогнутость – зазор в точке максимальной вогнутости;
- Выпуклость – зазор в точке максимальной выпуклости;
- Корень стыка – самая далекая от профиля грань (фактическая изнанка)
Сварка углового шва будет самой оптимальной при вогнутой форме уровня. Это объясняется риском неполной проварки угловых швов корня на всю толщину. Если говорить о самом прочном варианте из всех возможных, нужно помнить о множестве разнообразных факторов.
Основные типы сварных швов.
Основные нормы электросварки на величину шва:
- Напряжение тока дуги;
- Темп работы;
- Величина сечения проволоки;
- Величина, плотность, полярность напряжения.
Например, при увеличении силы тока увеличивается глубина провара (размер не меняется). Но в то время, когда дуга усиливается, шов расширяется и, как следствие, падает глубина провара.
Если уменьшается размер сечения сварной проволоки, ток в проводе усиливается, глубина провара увеличивается, а сам шов уменьшается в размерах. Примеров оптимального сочетания факторов сварки много. Все виды сварных соединений содержат главное требование – не нарушать технологии выполнения, заранее планировать и рассчитывать величины всех вводимых параметров.
Швы внахлест
Соединения внахлест: поверхности параллельны друг другу, частично перекрывают друг друга, сварены угловым способом. Это самые простые для исполнения швы – отличный старт для обучения новичков.
Соединение внахлест – схема.
Все типы сварных швов внахлест имеют строгое ограничение по толщине листового металла – он должен быть не больше 8 мм. Здесь важно найти правильный угол наклона электрода – диапазон от 15 до 45 градусов. В ГОСТе соединения внахлест условно обозначены как H1 и H2.
При работе с двумя заготовками часто используется односторонняя точеная сварка, у которой отмечается серьезный недостаток: между деталями формируются зазоры. Влага, коррозия становятся главными врагами при таком способе. Результат такого рода дефектов описывается одним словом – недолговечность.
Тем не менее, соединения внахлест имеют очень широкое применение, вот несколько таких примеров:
- Установка легких конструкций типа павильонов или ларьков;
- Установка рекламных щитов и других конструкций;
- Сборка тентов, навесов.
Сравниваем, оцениваем
Из вышеперечисленных вариантов самыми надежным и экономичным считается стыковой способ сварки. По действующим нагрузкам они практически равны целым элементам, которые не подвергались сварке, иными словами – основному материалу. Естественно, такая прочность достигается только при адекватном качестве работ.
Вместе с тем нужно помнить, что надежность и экономичность способа не означает простоту его исполнения. Требования к обработке краев, подгонка множества факторов под условия конкретной сварки, определенные ограничения в применении из-за формы – все это требует жесткой профессиональной дисциплины.
Сварка стыковых швов.
Тавровые соединения (включая угловые) тоже довольно популярны. Особенно часто их используют при сварке массивных конструкций.
Самые простые для исполнения – соединения внахлест. В них не требуется обработка , общая подготовка тоже намного проще. Очень популярны в сварке листов небольшой толщины (допускается толщина до 60 мм). Простота не означает экономичности: перерасход наплавленного и основного металлов – обычная для таких вариантов ситуация.
Швы по положению в пространстве
Следующий критерий классификации – положение поверхностей в пространстве. Таких положений четыре:
- Нижние швы
- Горизонтальные
- Вертикальные
- Потолочные
Если бы можно было выбирать, опытные мастера выбрали бы сварку в нижнем положении. Это самый удобный способ, к тому же лучше контролируется сварочная ванна. Подходящий способ для дебютных работ новичков – здесь практически не встречаются сложности. Зато три остальных пространственных варианта сопряжены с техническими нюансами и специальными требованиями к исполнению.
В сварке в горизонтальном положении главной проблемой выступает сила тяжести – из-за нее металл попросту сползает вниз. Такие соединения можно варить как справа налево, так и слева направо, кому как удобно. Но правило использования электрода одно на всех: угол его наклона должен быть достаточно большим. Конечно, при подборе угла нужно учитывать параметры тока и скорость движения, все взаимосвязано.
Подбирайте, пробуйте, главное – чтобы ванна не стремилась вниз. Если металл все-таки стекает, нужно уменьшить его прогрев – это можно сделать, увеличив скорость движения. Второй вариант – отрывать периодически дугу, чтобы металл хоть чуть-чуть остывал. Метод с отрывом дуги больше подходит новичкам
Классификация швов по положению в пространстве.
В вертикальных соединениях та же проблема – сила тяжести, но здесь вниз стремится не вся ванна, а капли металла. Обычно в таких случаях берут дугу покороче. Шов варить можно в любом направлении. В Регламенте аттестации сварщиков РД 03-495-02 эти варианты обозначаются как «положение при сварке В1» – вертикальное снизу-вверх (этот способ удобнее). «Положение при сварке В2» – вертикальное сверху вниз, его используют реже, так как здесь необходим жесткий контроль сварной ванны.
Потолочное соединение – самое сложное в подгруппе, для которого понадобится настоящее мастерство. В положении электрода нет никаких других вариантов – держать только под прямым углом к потолку. Дугу взять покороче, скорость круговых движения должна быть постоянной. Выделение газов и шлаков в данном случае затруднено, расплав трудно удержать от стекания. Даже если мастерство на должном уровне, и все технологические требования выполнены верно, потолочный способ уступает по прочности и общему качеству сварочным швам во всех других положениях.
Сварные соединения по очертанию
Как классифицируются сварные швы по очертанию:
- Продольные: требуют самой тщательной подготовки металла в виде доскональной зачистки от заусениц, кромок и любых неровностей, помимо всего необходимо обезжиривание поверхностей участка сварки.
- Кольцевые: это работы по окружностям со своими специальными требованиями – чрезвычайно высокими аккуратностью и точностью.
Варим трубопроводы, особые требования
К работе с промышленными трубопроводами допускают лишь опытных сертифицированных мастеров с высокой квалификацией. Трубные соединения относятся к вертикальному способу со всеми «вертикальными» нюансами. Особенность заключается в угле, под которым держится электрод, это угол в 45 градусов.
Ширина трубного шва может достигать 4 см, это зависит от толщины самой трубы. Для этого вида сварки предусмотрены отдельные стандарты, например, в ГОСТе 16037-80 описаны размеры швов для различных соединений конструкций трубопроводов.
Зачистка сварных швов
По своему виду вновь сваренные швы иногда напоминают келоидные рубцы на коже человека: они выпуклые и выступают над поверхностью. Шлак, окалина, капли металла часто остаются на поверхности. Убрать все это можно и нужно, процесс называется зачисткой швов.
Его этапы:
- Сбить окалину молотком или зубилом;
- Выровнять участок болгаркой;
- Иногда нужно нанести тонкий слой расплавленного олова (лужение).
Брак и швейные дефекты
Самый частый дефект в работе новичка – кривой шов с неровным заполнением. Такая картина – результат неравномерного ведения электрода, он буквально пляшет в руках юного мастера. Здесь вам понадобятся упорство и труд: с опытом все это проходит без следа. Вторая по частоте ошибка – неверный выбор силы тока или длины дуги, после чего остаются «подрезы» или неровное заполнение. При одних дефектах больше страдает эстетика, при других – прочность.
Непровар – недостаточное заполнение металлом стыка деталей. Его нужно исправлять, так как речь идет о прочности соединения.
В каких случаях появляется непровар:
- Некачественная обработка (или отсутствие таковой) кромок поверхностей;
- Слишком слабая сила тока;
- Слишком быстрое движение электрода.
Подрез – ненужная канавка вдоль шва. Диагноз простой, это выбор слишком длинной дуги. Лечение тоже понятное: либо дугу покороче, либо силу тока побольше.
Примеры схем движения электрода.
Прожог – банальная дырка в шве по следующим причинам:
- Широкий зазор между краями;
- Слишком большая сила тока;
- Низкая скорость движения электрода
И здесь ищем оптимальное соотношение трех составляющих: тока, ширины зазора, движения электрода.
Поры и наплывы – множественные отверстия малого размера. Это критический , влияющий на прочность соединения.
- Грязь и ржавчина на металле;
- Попадание кислорода к расплавленному металлу (при сквозняке);
- Некачественная обработка кромок;
- Электроды низкого качества;
- Использование присадочных проволок;
Трещины – серьезные нарушения целостности швов. Появляются после остывания металла и по своей сути являются предвестниками разрушения самого шва. В данном случае спасет только новая сварка или полное удаление старого шва и повторное накладывание нового.
Можно ли новичку самостоятельно научиться накладывать качественные швы? Да, без сомнений. В некоторых источниках присутствует слово «с легкостью». Легкости лучше не обещать, потому что сварка никогда не была легким и безопасным процессом. Но определить последовательные и выполнимые шаги вполне возможно самостоятельно. Принцип – от простого к сложному. Безусловно, все основные типы сварочных соединений имеют свои секреты и тонкости, которые нужно освоить.
Для дебютантов лучше всего подойдет электрическая дуговая сварка. Самый оптимальный вариант – начинать учиться под присмотром опытного наставника. Но если такой возможности нет, в сети огромное количество видеороликов с показом всех действий и подробнейшими разъяснениями к ним.
Однопроходные и многопроходные швы.
Главный начальный этап – это грамотная подготовка нужного оборудования.
Вот что нужно подготовить для электрической дуговой сварки:
- Сварное оборудование (разные типы);
- с правильно подобранным диаметром (чрезвычайно важно!)
- Молоток для зачистки остывшего шва;
- Металлическая щетка для той же зачистки сварного участка
- Маска, специальный световой фильтр.
Требования к одежде простые: она должна быть плотной, с длинными рукавами и перчатками. Пригодятся выпрямитель с трансформатором (особенно если оборудование старое).
Итог
Основные типы сварных соединений уложены в рамки точной и ясной классификации с условными обозначениями и детальным описанием технологических особенностей и советов. Один из самых популярных стандартов – ГОСТ 5264-80 с описанием практически всех видов сварочных швов.
Научиться сварке можно самостоятельно по принципу «от простого к сложному». «Простым» началом для исполнения можно взять швы внахлест. Закончить можно работой высшего пилотажа – сваркой при потолочном расположении поверхностей. Желаем чистого металла, хороших заказов и рабочего настроения.
Термины и определения для сварных конструкций, узлов, соединений и швов установлены ГОСТ 2601-84.
Сварным соединением называют неразъемное соединение двух и более элементов (деталей), выполненное с помощью сварки. В сварное соединение входят сварной шов, прилегающая к нему зона основного металла со структурными и другими изменениями в результате термического действия сварки (зона термического влияния) и примыкающие к ней участки основного металла.
Сварной шов представляет собой участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации.
Сварной узел представляет собой часть сварной конструкции, в которой сварены примыкающие друг к другу элементы.
Сварной конструкцией называется металлическая конструкция, изготовленная из отдельных деталей или узлов с помощью сварки.
Металл деталей, подлежащих соединению сваркой, называют основным металлом.
Металл, подаваемый в зону дуги дополнительно к расплавленному основному металлу, называют присадочным металлом.
Переплавленный присадочный металл, введенный в сварочную ванну или наплавленный на основной металл, называют наплавленным металлом.
Сплав, образованный переплавленным основным или основным и наплавленным металлами, называют металлом шва.
Работоспособность сварного изделия определяется типом сварного соединения, формой и размерами сварных соединений и швов, их расположением относительно действующих сил, плавностью перехода от сварного шва к основному металлу и др.
При выборе типа сварного соединения учитывают условия эксплуатации (статические или динамические нагрузки), способ и условия изготовления сварной конструкции (ручная сварка, автоматическая в заводских или монтажных условиях), экономию основного металла, электродов и др.
Типы сварных соединений. По форме сопряжения соединяемых деталей (элементов) различают следующие типы сварных соединений: стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные (рисунок 1).
Рисунок 1 -
Сварные швы подразделяют по форме поперечного сечения на стыковые (рисунок 2.а) и угловые (рисунок 2.б). Разновидностью этих типов являются швы пробочные (рисунок 2.в) и прорезные (рисунок 2.г), выполняемые в нахлесточных соединениях. По форме в продольном направлении различают швы непрерывные и прерывистые.
С помощью стыковых швов образуют в основном стыковые соединения (рисунок 1.а), с помощью угловых швов - тавровые, крестовые, угловые и нахлесточные соединения (рисунок 1.б - 1.д), с помощью пробочных и прорезных швов могут быть образованы нахлесточные и иногда тавровые соединения.
Стыковые швы, как правило, выполняют непрерывными; отличительным признаком для них обычно служит форма разделки кромок соединяемых деталей в поперечном сечении. По этому признаку различают следующие основные типы стыковых швов: с отбортовкой кромок (рисунок 3.а); без разделки кромок - односторонние и двусторонние (рисунок 3.б); с разделкой одной кромки - односторонней, двусторонней; с прямолинейной или криволинейной формой разделки (рисунок 3.в); с односторонней разделкой двух кромок; с V- образной разделкой (рисунок 3.г); с двусторонней разделкой двух кромок; Х-образной разделкой (рисунок 3.д). Разделка может быть образована прямыми линиями (скос кромок) либо иметь криволинейную форму (U-образная разделка, рисунок 3.е).
Рисунок 2 -
Стыковое соединение наиболее распространено в сварных конструкциях, поскольку имеет ряд преимуществ перед другими видами соединений. Его применяют в широком диапазоне толщины свариваемых деталей от десятых долей миллиметра до сотен миллиметров почти при всех способах сварки. При стыковом соединении на образование шва расходуется меньше присадочного материала, легко и удобно контролировать качество.
Угловые швы различают по форме подготовки свариваемых кромок в поперечном сечении и сплошности шва по длине.
По форме поперечного сечения угловые швы могут быть без разделки кромок (рисунок 4.а), с односторонней разделкой кромки (рисунок 4.б), с двусторонней разделкой кромок (рисунок 4.в). По протяженности угловые швы могут быть непрерывными (рисунок 5. а) и прерывистыми (рисунок 5.б), с шахматным (рисунок 5.в) и цепным (рисунок 5.г) расположением отрезков шва. Тавровые, нахлесточные и угловые соединения могут быть выполнены отрезками швов небольшой протяженности - точечными швами (рисунок 5.д).
Рисунок 4 -
Рисунок 4 - Подготовка кромок угловых швов тавровых соединений: а - без разделки кромок; б, в - с разделкой кромки
Пробочные швы по своей форме в плане (вид сверху) обычно имеют круглую форму и получаются в результате полного проплавления верхнего и частичного проплавления нижнего листов (рисунок 6.а) - их часто называют электрозаклепками - либо путем проплавления верхнего листа через предварительно проделанное в верхнем листе отверстие (рисунок 6.б).
Рисунок 5 -
Рисунок 6 -
Прорезные швы, обычно удлиненной формы, получаются путем приварки верхнего (накрывающего) листа к нижнему угловым швом по периметру прорези (рисунок 6. в). В отдельных случаях прорезь может заполняться и полностью.
Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют четыре основных конструктивных элемента (рисунок 7): зазор b, притупление с, угол скоса кромки в и угол разделки кромок а, равный в или 2в.
Существующие способы дуговой сварки без разделки кромок позволяют сваривать металл ограниченной толщины (при односторонней сварке ручной - до 4 мм, механизированной под флюсом - до 18 мм). Поэтому при сварке металла большой толщины необходимо разделывать кромки. Угол скоса кромки обеспечивает определенную величину угла разделки кромок, что необходимо для доступа дуги вглубь соединения и полного проплавления кромок на всю их толщину.
Рисунок 7 -
Стандартный угол разделки кромок в зависимости от способа сварки и типа соединения изменяется в пределах от (60±5) до (20±5) градусов. Тип разделки и величина угла разделки кромок определяют количество необходимого дополнительного металла для заполнения разделки, а значит, производительность сварки. Так, например, Х- образная разделка кромок по сравнению с V-образной позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6 - 1,7 раза. Уменьшается время на обработку кромок. Правда, в этом случае возникает необходимость вести сварку с одной стороны шва в неудобном потолочном положении или кантовать свариваемые изделия.
Притупление с обычно составляет (2 ± 1) мм. Его назначение - обеспечить правильное формирование и предотвратить прожоги в вершине шва. Зазор b обычно равен 1,5 - 2 мм, так как при принятых углах разделки кромок наличие зазора необходимо для провара вершины шва, но в отдельных случаях при той или иной технологии зазор может быть равным нулю или достигать 8 - 10 мм и более.
Для всех типов швов важны полный провар кромок соединяемых элементов и внешняя форма шва как с лицевой стороны (усиление шва), так и с обратной стороны, т. е. форма обратного валика. В стыковых и особенно односторонних швах трудно проваривать кромки притупления на всю их толщину без специальных приемов, предупреждающих прожог и обеспечивающих хорошее формирование обратного валика.
Сварные швы классифицируют по ряду признаков. По внешнему виду швы делят на выпуклые, нормальные, вогнутые (рисунок 8). Как правило, все швы выполняют с небольшим усилением (выпуклыми). Если требуются швы без усиления, это должно быть указано на чертеже. Ослабленными (вогнутыми) выполняют угловые швы, что также отмечается на чертеже. Такие швы требуются для улучшения работы сварных соединений, например при переменных нагрузках. Стыковые швы ослабленными не делают, вогнутость в этом случае является браком. Увеличение размеров сварных швов по сравнению с заданными приводит к увеличению массы свариваемой конструкции и перерасходу электродов. В результате возрастает себестоимость сварных конструкций, повышается трудоемкость сварочных работ.
Рисунок 8 -
Большое значение также имеет образование плавного перехода металла лицевого и обратного валиков к основному металлу, так как это обеспечивает высокую прочность соединения при динамических нагрузках. В угловых швах также бывает трудно проварить корень шва на всю его толщину, особенно при сварке наклонным электродом. Для этих швов рекомендуется вогнутая форма поперечного сечения шва с плавным переходом к основному металлу, что снижает концентрацию напряжений в месте перехода и повышает прочность соединения при динамических нагрузках.
По числу слоев и проходов различают однослойные, многослойные, однопроходные, многопроходные швы (рисунки 9, 10).
Рисунок 9 -
Рисунок 10 - Классификация швов по числу слоев и проходов: I - IV - число слоев; 1 - 8 - число проходов
Слой сварного шва - часть металла сварного шва, которая состоит из одного или нескольких валиков, располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва. Валик - металл сварного шва, наплавленный или переплавленный за один проход.
При сварке каждый слой многослойного шва отжигается при наложении последующего слоя. В результате такого теплового воздействия на металл сварного шва улучшаются его структура и механические свойства. Толщина каждого слоя в многослойных швах примерно равна 5 - 6 мм.
По действующему усилию швы делят на продольные (фланговые), поперечные (лобовые), комбинированные, косые (рисунок 11). Лобовой шов расположен перпендикулярно к усилию Р, фланговый - параллельно, а косой - под углом.
Рисунок 11-
По положению в пространстве различают нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные швы (рисунок 12). Отличаются они друг от друга углами, под которыми располагается поверхность свариваемой детали относительно горизонтали. Наиболее труден для исполнения потолочный шов, лучше всего шов формируется в нижнем положении. Потолочные, вертикальные и горизонтальные швы приходится обычно выполнять при изготовлении и особенно при монтаже крупногабаритных конструкций.
Примеры обозначения сварных швов по их положению в пространстве даны на рисунке 13.
Рисунок 12
Рисунок 13 -
2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКЕ
В связи с важностью правильной подготовки свариваемых кромок с точки зрения качества, экономичности, прочности и работоспособности сварного соединения созданы государственные стандарты на подготовку кромок под сварку. Стандарты регламентируют форму и конструктивные элементы разделки и сборки кромок под сварку и размеры готовых сварных швов.
ГОСТ 5264-80 «Швы сварных соединений. Ручная электродуговая сварка. Основные типы, конструктивные элементы и размеры» и ГОСТ 11534-75 «Ручная дуговая сварка. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры» регламентируют конструктивные элементы подготовки кромок и размеры выполненных швов при ручной дуговой сварке металлическим электродом во всех пространственных положениях.
Необходимо отметить некоторые особенности применения стандартов. Различные способы электрической сварки плавлением в силу их технологических особенностей позволяют получить различную максимальную глубину проплавления. Варьируя основными параметрами режима сварки, конструктивными типами разделки кромок, можно увеличивать или уменьшать глубину проплавления и другие размеры шва.
По указанной причине упомянутые стандарты, регламентирующие конструктивные элементы разделки кромок, учитывают возможность варьирования силой сварочного тока, напряжением, диаметром электродной проволоки (плотностью тока) и скоростью сварки. В тех случаях, когда процесс сварки обеспечивает использование больших токов, высокой плотности тока и концентрации теплоты, возможны повышенная величина притупления, меньшие углы разделки и величина зазора.
При ручной дуговой сварке такие факторы, как величина сварочного тока, скорость сварки и напряжение дуги, изменяются в небольших пределах.
Чтобы обеспечить сквозное проплавление кромок изделия при сварке односторонних стыковых или угловых швов при толщине листов свыше 4 мм, сварку приходится вести по заранее разделанным кромкам. При ручной сварке сварщики не могут существенно изменить глубину проплавления основного металла, но, меняя размах поперечных колебаний электрода, они могут значительно изменять ширину шва.
При толщине листов 9 - 100 мм ГОСТ 5264-80 для стыковых соединений предусматривает обязательную разделку кромок и зазор, которые имеют различную величину в зависимости от толщины металла и типа соединения.
Во всех случаях, используя стандарты на подготовку кромок, следует выбирать такие типы разделок, при которых обеспечиваются наименьшие объем и стоимость работ по разделке кромок, объем и масса наплавленного металла, полный провар по толщине, плавная форма сопряжения внешней части шва и минимальные угловые деформации.
Большое влияние на качество сварных соединений и экономичность процесса сварки оказывают чистота кромок и прилегающей к ним поверхности основного металла, точность подготовки кромок и сборки под сварку. Заготовки для свариваемых деталей следует изготовлять из предварительно выправленного и зачищенного металла. Вырезку деталей и подготовку кромок осуществляют механической обработкой (на пресс-ножницах, кромкострогальных и фрезерных станках), газокислородной и плазменной резкой и др. После применения тепловых способов резки кромки зачищают от грата, окалины и т. п. (шлифовальными кругами, металлическими щетками и др.).
В некоторых случаях при сварке высоколегированных сталей основной металл в зоне термического влияния после резки также удаляют механическим путем. Перед сборкой кромки прилегающие участки основного металла (на 40 мм от кромки) должны быть очищены от масла, ржавчины и других загрязнений металлическими щетками, дробеструйной обработкой или химическим травлением. Детали собирают на прихватках (коротких швах) длиной 20 - 30 мм или в специальных сборочных приспособлениях.
2.1 Геометрические параметры сварного шва
Стыковой шов. Элементами геометрической формы стыкового шва (рисунок 14) являются ширина шва - е, выпуклость шва - q, глубина провара - h, толщина шва - с, зазор - b, толщина свариваемого металла - S.
Рисунок 14 -
Ширина сварного шва - расстояние между видимыми линиями сплавления на лицевой стороне сварного шва при сварке плавлением.
Выпуклость сварного шва
Глубина проплавления (провара) представляет собой наибольшую глубину расплавления основного металла в сечении шва. Это глубина проплавления свариваемых элементов соединения.
Толщина шва включает выпуклость сварного шва q и глубину проплавления (с = q + h).
Зазор - расстояние между торцами свариваемых элементов. Устанавливается в зависимости от толщины свариваемого металла и составляет 0 - 5 мм (большой размер для толстого металла).
Характеристикой формы шва является коэффициент формы сварного шва ψш - коэффициент, выражаемый отношением ширины стыкового или углового шва к его толщине. Для стыкового шва оптимальное значение ψш от 1,2 до 2 (может изменяться в пределах 0,8 - 4).
Другой характеристикой формы шва является коэффициент выпуклости сварного шва, который определяют отношением ширины шва к выпуклости ψш шва. Коэффициент ψш не должен превышать 7 - 10.
Ширина сварного шва и глубина провара зависят от способа и режимов сварки, толщины свариваемых элементов и других факторов.
Угловой шов . Элементами геометрической формы углового шва (рисунок 15) являются катет шва - k, выпуклость шва - q, расчетная высота шва - р, толщина шва - а.
Катет углового шва - кратчайшее расстояние от поверхности одной из свариваемых частей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой части.
Рисунок 15 -
Выпуклость сварного шва определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы сварного шва с основным металлом, и поверхностью сварного шва, измеренным в месте наибольшей выпуклости.
Расчетная высота углового шва - длина перпендикуляра, опущенного из точки максимального проплавления в месте сопряжения спариваемых частей на гипотенузу наибольшего, вписанного во внешнюю часть углового шва прямоугольного треугольника.
Толщина углового шва - наибольшее расстояние от поверхности углового шва до точки максимального проплавления основного металла.
Если шов выполнен вогнутым, то измеряют вогнутость углового шва. Она определяется расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы углового шва с основным металлом, и поверхностью шва, измеренной в месте наибольшей вогнутости.
В зависимости от параметров сварки и формы подготовки свариваемых кромок деталей доли участия основного и наплавленного металлов в формировании шва могут существенно изменяться (рисунок 16).
Коэффициент доли основного металла в металле шва определяют по формуле
K = Fо/(Fо + Fэ),
где Fо - площадь сечения шва, сформированная за счет расплавления основного металла;
Fэ - площадь сечения шва, сформированная за счет наплавленного электродного металла.
При изменении доли участия основного и присадочного металлов в формировании шва его состав может изменяться, следовательно, изменяются и его механические, коррозионные и другие свойства.
Рисунок 16 -
Основные типы и конструктивные элементы швов сварных соединений для ручной дуговой сварки регламентирует ГОСТ 5264-80.
2.2 Обозначения сварных швов
Условные изображения швов сварных соединений. Основные типы, конструктивные элементы, размеры и условные обозначения сварных соединений и швов на чертежах, а также форма и размеры подготовки свариваемых кромок из различных конструкционных материалов, применяемых при дуговой сварке, регламентируются стандартами.
На чертежах сварных изделий применяют условные изображения и обозначения швов, приведенные в ГОСТ 2.312-72.
Шов сварного соединения, независимо от способа сварки, условно изображают: видимый - сплошной основной линией (рисунок 17.а - 17.в), невидимый - штриховой (рисунок 17.г). Видимую одиночную сварную точку, независимо от способа сварки, условно обозначают знаком «+» (рисунок 17. б).
От изображения шва или одиночной точки проводят линию- выноску с односторонней стрелкой, указывающей место расположения шва. Линию-выноску предпочтительно выполнять от изображения видимого шва.
На изображение сечения многопроходного шва допускается наносить контуры отдельных проходов, при этом их необходимо обозначать прописными буквами русского алфавита (рисунок 18. а).
Рисунок 18 -
Нестандартные швы (рисунок 18.б) изображают с указанием конструктивных элементов, необходимых для выполнения шва по данному чертежу.
На чертежах поперечных сечений границы шва наносят сплошными основными линиями, а конструктивные элементы кромок в границах шва - сплошными тонкими линиями.
2.3 Условные обозначения швов сварных соединений
Вспомогательные знаки для обозначения сварных швов приведены в таблице 1.
Вспомогательный знак | Значение вспомогательного знака | Расположение вспомогательного знака относительно полки линии выноски, проведенной от изображения шва |
||
с лицевой стороны | с оборотной стороны |
|||
| Усиление шва снять |
|
|
|
| Наплывы и неровности шва обработать с плавным переходом к основному металлу |
|
|
|
| Шов выполнить при монтаже изделия, т.е. при установке его по монтажному чертежу на месте применения |
|
||
Шов прерывистый или точечный с цепным расположением. Угол наклона линии ≈ 60° |
|
|
||
Шов прерывистый или точечный с шахматным расположением |
|
|
||
Шов по замкнутой линии. Диаметр знака 3 - 5 мм |
|
|||
Шов по незамкнутой линии. Знак применяют, если расположение шва ясно из чертежа |
|
|
||
В условном обозначении шва (рисунок 19) вспомогательные знаки выполняют сплошными тонкими линиями. Вспомогательные знаки должны быть одинаковой высоты с цифрами, входящими в обозначение шва.
Структура условного обозначения стандартного шва или одиночной сварной точки приведена на рисунке 19. а.
1. Первыми в обозначении располагают вспомогательные знаки - «шов по замкнутой линии» и «выполнить при монтаже изделия» (таблица 1).
2. Указывают номер стандарта на типы и конструктивные элементы швов сварных соединений. Например: ГОСТ 5264-80 - Ручная дуговая сварка.
3. Приводят буквенно-цифровое обозначение шва по стандарту на типы и конструктивные элементы швов сварных соединений. Например, стыковой шов без скоса кромок односторонний обозначают как С2.
Рисунок 19 -
4. На этой позиции указывают условное обозначение способа сварки по стандарту на типы и конструктивные элементы швов. Стандарт допускает не указывать способ сварки.
5. Знак и размер катета для угловых, тавровых соединений и внахлестку, для которых стандартом предусмотрено указание катета шва, например 5.
6. В данной позиции проставляют:
Для прерывистого шва - размер длины провариваемого участка, знак / или Z и размер шага, например, 50 Z 100;
Для одиночной сварной точки - размер расчетного диаметра точки;
Для шва контактной точечной сварки или электрозаклепочного шва - размер расчетного диаметра точки или электрозаклепки; знак / или Z и размер шага, например 10/80;
Для шва контактной шовной сварки - размер расчетной ширины шва;
Для прерывистого шва контактной шовной сварки - размер расчетной ширины, знак умножения, размер длины провариваемого участка, знак / и размер шага, например 5 х 40/200.
7. На последнем месте обозначения располагают вспомогательные знаки - усиление шва снять и др. (таблица 1).
Если шов нестандартный, то в его условном обозначении (рисунок 19. б) из рассмотренных выше частей сохраняются только вспомогательные знаки (1 и 7) и часть обозначения, касающаяся конструктивных элементов прерывистого либо точечного шва (6). В технических требованиях чертежа или таблице швов при этом указывают способ сварки, которым выполняется нестандартный шов.
Условное обозначение шва наносят:
На полке линии-выноски, проведенной от изображения шва с лицевой стороны (рисунок 20. а);
Под полкой линии-выноски, проведенной от изображения шва с оборотной стороны (рисунок 20. б).
Рисунок 20 -
За лицевую сторону одностороннего шва принимают ту, с которой производят сварку. За лицевую сторону двустороннего шва с несимметрично подготовленными кромками принимают ту, с которой сваривают основной шов. Если двусторонний шов имеет симметричные кромки, то за лицевую может быть принята любая сторона шва.
Обозначение шероховатости механически обработанной поверхности шва наносят на полке или под полкой линии-выноски после условного обозначения шва (рисунок 20.а - 20.б), указывают в таблице швов или приводят в технических требованиях чертежа, например: параметр шероховатости поверхностей сварных швов Rz 80 мкм.
Если для шва сварного соединения установлен контрольный комплекс или категория контроля шва, то их обозначение допускается помещать под линией выноской (рисунок 20). В технических требованиях или таблице швов на чертеже приводят ссылку на соответствующий нормативно-технический документ.
Сварочные материалы указывают на чертеже в технических требованиях или таблице швов. Допускается сварочные материалы не указывать.
При наличии на чертеже одинаковых швов обозначение наносят у одного из изображений, а от изображений остальных одинаковых швов проводят линии-выноски с полками. Всем одинаковым швам присваивают один и тот же номер, который наносят:
На линии-выноске, имеющей полку с нанесенным обозначением шва (рисунок 21. а);
На полке линии-выноски, проведенной от изображения шва, не имеющего обозначения, с лицевой стороны (рисунок 21. б);
Под полкой линии-выноски, проведенной от изображения шва, не имеющего обозначения, с оборотной стороны (рисунок 21.в).
Рисунок 21
Допускается указывать количество одинаковых швов на линии- выноске, имеющей полку с нанесенным обозначением (рисунок 21. а).
Если все швы на чертеже одинаковы и изображены с одной стороны, то порядковый номер швам не присваивают и отмечают их только линиями-выносками без полок (рисунок 21.г) кроме шва, на котором нанесено условное обозначение.
На чертеже симметричного изделия, при наличии на изображении оси симметрии, допускается отмечать линиями-выносками и обозначать швы только одной из симметричных частей изображения изделия.
На чертеже изделия, в котором имеются одинаковые составные части, привариваемые одинаковыми швами, допускается отмечать линиями-выносками и обозначать швы только на одной из одинаковых изображенных частей.
Если все швы на данном чертеже выполнены по одному и тому же стандарту, обозначение стандарта указывают в технических требованиях чертежа (записью по типу: «Сварные швы по...») или в таблице.
Допускается не отмечать на чертеже швы линиями-выносками, а приводить указания по сварке записью в технических требованиях чертежа, если эта запись однозначно определяет места сварки, способы сварки, типы швов сварных соединений и размеры их конструктивных элементов в поперечном сечении и расположении швов.
Одинаковые требования, предъявляемые ко всем швам или группе швов, приводят один раз - в технических требованиях или в таблице.
Условные обозначения стандартных швов сварных соединений
На рисунке 22 приведены форма поперечного сечения шва и условное обозначение стандартного стыкового шва соответственно. Данный шов имеет следующую характеристику: шов стыкового соединения с V-образным скосом одной кромки, двусторонний, выполняемый ручной дуговой сваркой при монтаже изделия; усиление снято с обеих сторон; параметр шероховатости поверхностей шва: с лицевой стороны Rz 20 мкм;
Чертежи, изображающие сварные изделия, сварные узлы и т. п., которые содержат необходимые данные для сборки, сварки и контроля, называют сборочными. Сборочные чертежи дают возможность определить, как спроектировано и работает изделие, какие детали в него входят, какими должны быть типы сварных соединений, какой следует применить способ сварки для соединения деталей между собой, каким способом контроля нужно подвергнуть сварные соединения и швы, каким техническим требованиям должны соответствовать сварные швы и т. д.
Рисунок 22 -
Приступая к работе, сварщик должен прежде всего изучить чертеж: все надписи, изображаемые виды, условные обозначения, материал деталей, технические требования, предъявляемые к сварным швам.
Для неразъемного соединения между собой металлических деталей сваркой используют различные типы сварных соединений.
Неразъемное соединение деталей выполненных из металлических заготовок и получаемое при помощи расплавления их краев электродуговой или газом. Одновременно с этим происходит наплавка дополнительного металла, это может быть расплавленный электрод или специально подаваемый в зону нагрева пруток. В результате этих манипуляций в месте соединения заготовок образуется сварочный шов.
Для соединения металлических деталей применяют различные виды сварки. Список сварочных технологий довольно большой, но к основным видам можно отнести:
- электродуговую;
- газопламенную;
- плазменную;
- лазерную и многие другие.
Основные типы сварочных соединений
Все вопросы, касающиеся сварочного дела, так или иначе, стандартизированы. Один из основополагающих документов это ГОСТ 2601-92. Этот документ нормирует термины и основные понятия в области сварочного дела. В этом же документе определены и основные виды соединений при помощи сварки. К ним относят:
Стыковые
Торцы плотно прилегают друг к другу. Это широко применяемый вид соединения, который можно получать при использовании различных сварочных технологий. Стыковые швы обладают рядом преимуществ, в сравнении с другими - высокая скорость выполнения работ, соответственно высокая производительность, выполняемых работ. Минимальный расход материала. Высокая прочность сварного соединения, разумеется, она достигается при полном соблюдении всех технологических норм и правил. Но использование стыкового соединения требует предварительной подготовки кромок, то есть, подготовить фаску, кроме того, необходимо обеспечить точность установки заготовок.
Такой вид используют для соединения листового, трубного и сортового проката.
Нахлесточные
При этом способе сборки, заготовки располагают так, что их плоскости расположены параллельно друг другу и при этом частично перекрывают друг друга. Соединения этого типа чаще всего используют при выполнении точечной и контактной сварки. В других случаях при выполнении такого шва неоправданно увеличивается расход самого металла и электродов. При выполнении соединения внахлест нет необходимости в предварительной разделке кромок. Но в любом случае листы должны быть обрезаны с применением специального оборудования, например, механических ножниц. Во избежание коррозии, которая может возникнуть между листами металла, целесообразно проварить такое соединение по всей длине.
Такое скрепление заготовок целесообразно использовать если их толщина не превышает 10 мм.
Угловое
Заготовки располагают друг относительно друга под определенным углом, а шов пролегает в месте их контакта.
Угловые соединения могут иметь одно- или двустороннее исполнение. Их используют при слиянии деталей из листового проката, фасонных изделий и труб. Угол может быть различным, все зависит от назначения конструкции. Небольшое осложнение вызывает то, что необходимо разделать кромки примыкающей заготовки.
Тавровое
Торец одной заготовки примыкает к плоскости другой, чаще всего под прямым углом.
Деталь, устанавливаемая вертикально должна в обязательном порядке иметь обрезанную кромку. Таким образом, обеспечивается примыкание одной детали к другой. Кстати, при подготовке ее к сварке, в зависимости от толщины, может потребоваться предварительная разделка кромки. Если металл довольно толстый, к примеру, свыше 20 мм, то фаску необходимо снимать с двух сторон заготовки. Такой подход обеспечит провар соединения.
Торцовое
Такая форма слияния поверхностей, при котором края свариваемых заготовок прилегают друг к другу и получаемая деталь напоминает бутерброд в разрезе.
Соединения, выполненные при помощи сварки, получили распространение в промышленности, строительстве. Сварка широко используется для замены кованых изделий и деталей, которые изготавливают с помощью литья.
Технологические особенности сварочных работ
Любая работа имеет свои секреты, которыми по большей части владеют профессионалы и сварка тут не исключение. Например, при выполнении таврового соединения, состоящего из листов разной толщины, следует держатель электрода установить таким образом, чтобы угол между ним и толстым листом составлял 60 градусов.
Другая особенность выполнения таврового типа заключается в установке листов в «лодочку», то есть угол между заготовкой и горизонтальной плоскостью должен составлять 45 градусов. При такой форме установки заготовок электрод может быть установлен строго вертикально. В результате вырастает скорость сварки и снижается вероятность появления таких дефектов, как подрез, кстати, это чаще всего встречающийся дефект таврового шва. В зависимости от толщины металла может возникнуть необходимость выполнения нескольких проходов электродом. Сварку в «лодочку» применяют при использовании автоматической сварки.
Классификация по расположению соединения
Кроме вышеприведенной квалификации, сварные швы можно классифицировать и по другим характеристикам. Одна из таких - это по степени выпуклости.
Сварные швы можно разделить на:
- нормальные;
- выпуклые;
- вогнутые.
Во многом этот параметр зависит от параметров сварочных материалов и от режимов сварочного аппарата. Если при выполнении сварки применяют длинную дугу, то шов выйдет ровным и широким. При использовании короткой дуги, ширина шва уменьшиться, а сам он станет выпуклым. Нельзя забывать и о том, что на качество и геометрию шва большое значение оказывает скорость движения электрода и, конечно, форма и размеры разделки кромки.
Сварные швы можно классифицировать по их положению в пространстве. То есть они могут быть расположены - внизу, вертикально и на потолке.
Оптимальным расположением сварочного шва считают нижнее. Такой вид шва рекомендуется использовать при разработке рабочей документации на изделия. Сварщик, при обработке нижнего шва, находиться поверх него и прекрасно видит и движение электрода, и процесс формирования шва.
Вертикально расположенные или потолочные швы могут выполнять только сварщики определенной квалификации. Потолочное расположение шва это самый трудоемкая и небезопасная работа.
Квалификация сварных соединений по протяженности
Неразъемные соединения, полученные при помощи сварки можно разделить на сплошные и прерывистые. Первые выполняют там, где необходимо обеспечить герметичность соединения или там, где по прочностным требованиям невозможно применить второй вариант (прерывистый)
Нормативная база
Сварочные соединения могут быть классифицированы по разным параметрам - это и геометрия шва, и тип соединения и многое другое. При проектирования изделия, в котором будут использоваться сварочные швы, проектировщик в первую очередь должен руководствоваться результатами прочностных расчетов. И только после этого выбирать способ соединения заготовок.
В своей работе проектировщики и изготовители должны руководствоваться следующими документами:
- ГОСТ 2601-84;
- ГОСТ5264;
- ГОСТ15878;
- ГОСТ15164.
На основании данных из этих нормативных документов, необходимо определить геометрию шва и тип сварки. Уже затем должны быть установлены критерии раздела кромок, если таковой требуется. На последней стадии определяют допустимые и предельные отклонения размеров шва.
Дефекты сварочных соединений
Сварочные работы относят к особо ответственным. И это понятно. Сварку используют и при изготовлении емкостей, работающих под давлением, и трубопроводов и котлов. И от качества выполненного соединения зависит работоспособность и, главное, безопасность работы оборудования. Практически на всех производствах и строительных площадках. Где используют сварку, применяют различные методы контроля качества. В соответствии с требованиями ГОСТ 3242-79 для контроля сварочных соединений предусмотрено несколько способов контроля. Среди них такие, как:
- Визуальный, его применяют при контроле неответственных соединений.
- Ультразвуковой - его применяют для контроля разных типов соединений.
На особо ответственные, например, на мостовых конструкциях или трубопроводах высокого давления, сварщик должен оставить отпечаток личного клейма.
Сварные швы и соединения
Неразъемное соединение, которое было выполнено с помощью сварки, называется сварным. Оно состоит из нескольких зон (рис. 77):
Сварного шва;
Сплавления;
Рис. 77. Зоны сварного соединения: 1 – сварного шва; 2 – сплавления; 3 – термического влияния; 4 – основного металла
Термического влияния;
Основного металла.
По протяженности сварные соединения бывают:
Короткими (250–300 мм);
Средними (300–1000 мм);
Длинными (более 1000 мм). В зависимости от длины сварного шва выбирают и способ его выполнения. При коротких соединениях шов ведут в одном направлении от начала к концу; для средних участков характерно наложение шва отдельными участками, причем его длина должна быть такой, чтобы для его завершения хватило целого числа электродов (два, три); длинные соединения сваривают обратноступенчатым способом, о котором говорилось выше.
По типу сварные соединения (рис. 78) подразделяются на:
1. Стыковые. Это наиболее часто встречающиеся соединения при различных способах сварки. Им отдают предпочтение, потому что они характеризуются наименьшими собственными напряжениями и деформациями. Как правило, стыковыми соединениями сваривают конструкции из листового металла.
Рис. 78. Виды сварных соединений: а – стыковые; б – тавровые; в – угловые; г – нахлесточные
Рис. 78 (окончание). д – прорезные; е – торцовые; ж – с накладками; 1–3 – основной металл; 2 – накладка: 3 – электрозаклепки; з – с электрозаклепками
Основными достоинствами данного соединения, рассчитывать на которые можно при условии тщательной подготовки и подгонки кромок (благодаря притуплению последних предотвращаются прожог и протекание металла в процессе сварки, а соблюдение их параллельности обеспечивает ка чественный равномерный шов), являются следующие:
Минимальный расход основного и наплавленного металла;
Наименьший временной промежуток, необходимый для сварки;
Выполненное соединение может по своей прочности не уступать основному металлу.
В зависимости от толщины металла кромки при дуговой сварке могут быть обрезаны под разными углами к поверхности:
Под прямым углом, если соединяют стальные листы толщиной 4–8 мм. При этом между ними оставляют зазор в 1–2 мм, что облегчает проваривание нижней частей кромок;
Под прямым углом, если соединяют металл толщиной до 3 и до 8 мм при одно– или двусторонней сварке соответственно;
С односторонним скосом кромок (V-об разно), если толщина металла составляет от 4 до 26 мм;
С двусторонним скосом (X-образно), если листы имеют толщину 12–40 мм, причем этот способ более экономичен, чем предыдущий, поскольку количество наплавленного металла уменьшается практически в 2 раза. Это означает экономию электродов и электроэнергии. Кроме того, для двустороннего скоса в меньшей степени характерны деформации и напряжения при сварке;
Угол скоса можно уменьшить с 60° довести до 45°, если сваривать листы толщиной более 20 мм, что снизит объем наплавленного металла и сэкономит электроды. Наличие зазора в 4 мм между кромками обеспечит необходимый провар металла.
При сварке металла разной толщины кромку более толстого материала скашивают сильнее. При значительной толщине соединяемых дуговой сваркой деталей или листов применяют чашеобразную подготовку кромок, причем при толщине 20–50 мм проводят одностороннюю подготовку, а при толщине более 50 мм – двустороннюю.
Сказанное выше наглядно показано в табл. 44.
2. Нахлесточные, чаще всего используемые при дуговой сварке конструкций, толщина металла которых составляет 10–12 мм. От предыдущего соединения данный вариант отличает отсутствие необходимости специальным образом подготавливать кромки – достаточно просто обрезать их. Хотя сборка и подготовка металла под нахлесточное соединение не столь обременительны, следует учесть, что расход основного и наплавленного металла увеличивается по сравнению со стыковыми соединениями. Для надежности и избегания коррозии вследствие попадания влаги между листами такие соединения проваривают с обеих сторон. Есть виды сварки, где применяют исключительно данный вариант, в частности при точечной контактной и роликовой.
3. Тавровые, широко распространенные при дуговой сварке. Для них кромки скашивают с одной или обеих сторон либо вообще обходятся без скоса. Особые требования предъявляются только к подготовке вертикального листа, который должен иметь равно обрезанную кромку. При одно– и двусторонних скосах кромки вертикального листа предусматривают зазор в 2–3 мм между вертикальной и горизонтальной плоскостями, чтобы проварить вертикальный лист на всю толщину. Односторонний скос выполняют в том случае, когда конструкция изделия такова, что невозможно проварить ее с обеих сторон.
Таблица 44
Выбор стыкового соединения в зависимости от толщины металла
5. Прорезные, к которым прибегают в тех случаях, когда нахлесточный шов нормальной длины не дает необходимой прочности. Такие соединения бывают двух типов – открытые и закрытые. Прорезь проделывают с помощью кислородной резки.
6. Торцовые (боковые), при которых листы накладывают один на другой и сваривают по торцам.
7. С накладками. Для выполнения такого соединения листы состыковывают и перекрывают стык накладкой, что, естественно, влечет за собой дополнительный расход металла. Поэтому данный способ используют в том случае, когда выполнить стыковой или нахлесточный шов не представляется возможным.
8. С электрозаклепками. Данное соединение является прочным, но недостаточно плотным. Для него верхний лист просверливают и заваривают полученное отверстие таким образом, чтобы захватить и нижний лист.
Если металл не слишком толстый, то просверливания и не требуется. Например, при автоматической сварке под флюсом верхний лист просто проплавляется сварочной дугой.
Конструктивный элемент сварного соединения, который при его выполнении образуется вследствие кристаллизации расплавленного металла по линии перемещения источника нагрева, называется сварным швом. Элементами его геометрической формы (рис. 79) являются:
Ширина (b);
Высота (h);
Величина катета (K) для угловых, нахлесточных и тавровых соединений.
Классификация сварных швов основывается на различных признаках, которые представлены ниже.
Рис. 79. Элементы геометрической формы сварного шва (ширина, высота, величина катета)
1. По типу соединения:
Стыковые;
Угловые (рис. 80).
Рис. 80. Угловой шов
Угловые швы практикуют при некоторых видах сварных соединений, в частности при нахлесточных, стыковых, угловых и с накладками.
Стороны такого шва называются катетами (k), зона ABCD на рис. 80 показывает степень выпуклости шва и не принимается во внимание при расчете прочности сварного соединения. При его выполнении необходимо, чтобы катеты были равны, а угол между сторонами OD и BD составлял 45°.
2. По виду сварки:
Швы дуговой сварки;
Швы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом;
Швы дуговой сварки в среде защитных газов;
Швы электрошлаковой сварки;
Швы контактной сварки;
Швы газовой сварки.
3. По пространственному положению (рис. 81), в котором выполняется сварка:
Рис. 81. Сварные швы в зависимости от их пространственного положения: а – нижний; б – горизонтальный; в – вертикальный; г – потолочный
Горизонтальные;
Вертикальные;
Потолочные.
Проще всего выполняется нижний шов, труднее всего – потолочный.
В последнем случае сварщики проходят специальное обучение, причем потолочный шов легче сделать газовой сваркой, чем дуговой.
4. По протяженности:
Непрерывные;
Прерывистые (рис. 82).
Рис. 82. Прерывистый сварной шов
Прерывистые швы практикуют достаточно широко, особенно в тех случаях, когда нет необходимости (расчет на прочность не предполагает выполнения сплошного шва) плотно соединять изделия.
Длина (l) соединяемых участков составляет 50–150 мм, промежуток между ними приблизительно в 1,5–2,5 раза превосходит зону сваривания, а вместе они образуют шаг шва (t).
5. По степени выпуклости, т. е. форме наружной поверхности (рис. 83):
Нормальные;
Выпуклые;
Вогнутые.
Тип используемого электрода определяет выпуклость шва (a‘). Наибольшая выпуклость характерна для тонкопокрытых электродов, а толстопокрытые электроды дают нормальные швы, поскольку отличаются большей жидкотекучестью расплавленного металла.
Рис. 83. Сварные швы, различающиеся по форме наружной поверхности: а – нормальные; б – выпуклые в – вогнутые
Опытным путем было установлено, что прочность шва не возрастает с увеличением его выпуклости, тем более если соединение «работает» при переменных нагрузках и вибрации. Подобное положение объясняется так: при выполнении шва с большой выпуклостью невозможно добиться плавного перехода от валика шва к основному металлу, поэтому в этой точке кромка шва как бы подрезается, и здесь в основном концентрируются напряжения.
В условиях переменных и вибрационных нагрузок в этом месте сварное соединение может подвергаться разрушению. Кроме того, выпуклые швы требуют повышенного расхода электродного металла, энергии и времени, т. е. является неэкономичным вариантом.
6. По конфигурации (рис. 84):
Прямолинейные;
Кольцевые;
Рис. 84. Сварные швы различной конфигурации: а – прямолинейный; б – кольцевой
Вертикальные;
Горизонтальные.
7. По отношению к действующим силам (рис. 85):
Фланговые;
Торцовые;
Комбинированные;
Косые. Вектор действия внешних сил может быть параллельным оси шва (характерно для фланговых), перпендикулярным оси шва (при торцовых), проходить под углом к оси (для косых) или сочетать направление фланговых и торцовых сил (при комбинированных).
8. По способу удержания расплавленного металла шва:
Без подкладок и подушек;
На съемных и остающихся стальных подкладках;
Рис. 85. Сварные швы по отношению к действующим силам: а – фланговый; б – торцовый; в – комбинированный; г – косой
На медных, флюсо-медных, керамических и асбестовых подкладках, флюсовых и газовых подушках.
При наложении первого слоя шва главное – суметь удержать жидкий металл в сварочной ванне.
Чтобы предотвратить его вытекание, используют:
Стальные, медные, асбестовые и керамические подкладки, которые подводятся под корневой шов. Благодаря им можно увеличить сварочный ток, что обеспечивает сквозное проплавление кромок и гарантирует стопроцентный провар деталей. Кроме того, подкладки удерживают расплавленный металл в сварочной ванне, препятствуя образованию прожогов;
Вставки между свариваемыми кромками, которые выполняют те же функции, что и прокладки;
Подрубку и подварку корня шва с противоположной стороны, при этом не стремятся к сквозному проплавлению;
Флюсовые, флюсо-медные (при сварке под флюсом) и газовые (при ручной дуговой, автоматической и аргонно-дуговой сварке) подушки, которые подводят или подают под первый слой шва. Их цель – не допустить вытекания металла из сварочной ванны;
Соединения в замок при выполнении стыковых швов, которые предупреждают прожоги в корневом слое шва;
Специальные электроды, покрытие которых содержит особые компоненты, увеличивающие силу поверхностного натяжения металла и не позволяющие ему вытекать из сварочной ванны при выполнении вертикальных швов сверху вниз;
Импульсную дугу, благодаря которой происходит кратковременное расплавление металла, что способствует более быстрому охлаждению и кристаллизации металла шва.
9. По стороне, на которой накладывается шов (рис. 86):
Односторонние;
Двусторонние.
10. По свариваемым материалам:
На углеродистых и легированных сталях;
Рис. 86. Сварные швы, различающиеся своим расположением: а – односторонний; б – двусторонний
На цветных металлах;
На биметалле;
На пенопласте и полиэтилене.
11. По расположению соединяемых деталей:
Под острым или тупым углом;
Под прямым углом;
В одной плоскости.
12. По объему наплавленного металла (рис. 87):
Нормальные;
Ослабленные;
Усиленные.
13. По расположению на изделии:
Продольные;
Поперечные.
14. По форме свариваемых конструкций:
На плоских поверхностях;
На сферических поверхностях.
15. По количеству наплавленных валиков (рис. 88):
Однослойные;
Многослойные;
Многопроходные.
Перед осуществлением сварочных работ кромки соединяемых изделий, конструкций или частей должны быть соответствующим образом подготовлены, поскольку от их геометрической формы зависит прочность шва
Рис. 87. Сварные швы, различающиеся по объему наплавленного металла: а – ослабленный; б – нормальный; в – усиленный
Рис. 88. Сварные швы, различающиеся количеством наплавленных валиков: а – однослойный; б – многослойный; в – многослойный многопроходный
Элементами подготовки формы являются (рис. 89):
Угол разделки кромки (?), который должен быть выполнен, если толщина металла составляет более 3 мм. Если пропустить эту операцию, то возможны такие негативные последствия, как непровар по сечению сварного соединения, перегрев и пережог металла. Разделка кромок дает возможность осуществлять сварку несколькими слоями небольшого сечения, благодаря чему структура сварного соединения улучшается, а внутренние напряжения и деформации снижаются;
Рис. 89. Элементы подготовки кромо
Зазор между соединяемыми кромками (a). От правильности установленного зазора и подобранного режима сварки зависит, насколько полным будет провар по сечению соединения при формировании первого (корневого) слоя шва;
Притупление кромок (S), необходимое для того, чтобы придать процессу наложения корневого шва определенную устойчивость. Игнорирование этого требования приводит к пережогу металла при сварке;
Длина скоса листа в том случае, если имеется разница по толщине (L). Этот элемент позволяет обеспечивать плавный и постепенный переход от более толстой детали к тонкой, что снижает или устраняет риск концентрации напряжений в сварных конструкциях;
Смещение кромок по отношению друг к другу (?). Поскольку это снижает прочностные характеристики соединения, а также способствует непровару металла и образованию очагов напряжений, ГОСТом 5264–80 установлены допустимые нормы, в частности смещение должно составлять не более 10 % толщины металла (максимум 3 мм).
Таким образом, при подготовке к сварке необходимо выполнить следующие требования:
Очистить кромки от загрязнений и коррозии;
Снять фаски соответствующего размера (по ГОСТу);
Установить зазор в соответствии с ГОСТом, разработанным для того или иного типа соединения.
О некоторых видах кромок уже говорилось ранее (хотя они и рассматривались в другом аспекте) при описании стыковых соединений, но тем не менее необходимо еще раз заострить на этом внимание (рис. 90).
Выбор того или иного вида кромок определяется рядом факторов:
Способом сварки;
Толщиной металла;
Способом соединения изделий, частей и проч.
Для каждого способа сварки разработан отдельный стандарт, в котором указаны форма подготовки кромок, размер шва и допустимые отклонения. Например, ручная дуговая сварка осуществляется по ГОСТу 5264–80, контактная – по ГОСТу 15878–79, электрошлаковая – по ГОСТу 15164–68 и т. д.
Рис. 90. Виды кромок, подготовленных к сварке: а – со скосом обеих кромок; б – со скосом одной кромки; в – с двумя симметричными скосами одной кромки; г – с двумя симметричными скосами двух кромок; д – с криволинейным скосом двух кромок; е – с двумя симметричными криволинейными скосами двух кромок; ж – со скосом одной кромки; з – с двумя симметричными скосами одной кромки
Кроме того, имеется стандарт на графическое обозначение сварного шва, в частности ГОСТ 2.312–72. Для этого используется наклонная линия с односторонней стрелкой (рис. 91), которая указывает участок шва.
Характеристика шва, рекомендованный способ сварки и иная информация представлены над или под горизонтальной полкой, соединенной с наклонной линией-стрелкой. Если шов видимый, т. е. находится на лицевой стороне, то характеристика шва дается над полкой, если невидимый – под ней.
Рис. 91. Графическое обозначение сварных швов
К условным обозначениям сварного шва относятся и дополнительные знаки (рис. 92).
Для различных видов сварки приняты буквенные обозначения:
Дуговая сварка – Э, но поскольку этот вид наиболее распространенный, то в чертежах буква может и не указываться;
Газовая сварка – Г;
Электрошлаковая сварка – Ш;
Сварка в среде инертных газов – И;
Сварка взрывом – Вз;
Плазменная сварка – Пл;
Контактная сварка – Кт;
Сварка в углекислом газе – У;
Сварка трением – Тр;
Холодная сварка – Х.
При необходимости (если реализуется несколько способов сварки) перед обозначением той или иной разновидности располагают буквенное обозначение используемого способа сварки:
Рис. 92. Дополнительные обозначения сварного шва: а – прерывистый шов с цепной последовательностью участков; б – прерывистый шов с шахматной последовательностью участков; в – шов по замкнутому контуру; г – шов по незамкнутому контуру; д – монтажный шов; е – шов со снятым усилением; ж – шов с плавным переходом к основному металлу
Ручная – Р;
Полуавтоматическая – П;
Автоматическая – А.
Дуговая под флюсом – Ф;
Сварка в активном газе плавящимся электродом – УП;
Сварка в инертном газе плавящимся электродом – ИП;
Сварка в инертном газе неплавящимся электродом – ИН.
Для сварных соединений также имеются специальные буквенные обозначения:
Стыковое – С;
Тавровое – Т;
Нахлесточное – Н;
Угловое – У. По цифрам, проставленным после букв, определяют номер сварного соединения по ГОСТу на сварку.
Обобщая сказанное выше, можно констатировать, что условные обозначения сварных шов складываются в определенную структуру (рис. 93).
Их применяют как при малоэтажном строительстве, так и при постройках больших домов, офисных и спортивных центров. При помощи сварки соединяют 2 или более деталей в 1. При этом образуется прочный и надежный шов, который может прослужить длительное время, не нарушаясь и не вызывая повреждения детали в целом.
Кроме того, сварные соединения и швы могут быть использованы, как для стыка металлических деталей из однородного типа стали, так и элементов, выполненных из различных сплавов. При таких сложных работах необходимо правильно подобрать технологию сварки, силу тока, расходные материалы (электроды). Кроме того, сварщик должен обладать достаточным опытом и умениями, чтобы не допустить прожига детали, избежать лишних напряжений и деформации в дальнейшей эксплуатации.
Классификация сварочных швов
Все сварные соединения нормируются специальной документацией, которая определяет понятия, области и места выполнения сварки. Описанная терминология применима для технической документации, которая прилагается по окончании выполнения швов. Эти же понятия указаны в учебных и методических пособиях, по которым производится подготовка сварщиков, а также дальнейшее обучение и повышение их квалификации.
Таблица классификаций сварных швов.
Используя общепринятые сокращения, даже при отсутствии документации по маркировке соединения или общей спецификации можно определить, какое именно сварное соединение выполнено в том или ином месте строительной конструкции. Приняты следующие условные обозначения: стыковые сварные соединения принято обозначать буквой «С», при выполнении шва внахлест – указывают «Н», если предусмотрены тавровые стыки, то на спецификации обозначено «Т», угловые – «У».
В основном сварочные соединения и швы принять разделять по нескольким признакам:
По виду конечной формы поперечного сечения:
- Стыковые, то есть свариваемые детали располагают по одной плоскости.
- Угловые, когда металлические детали находятся друг к другу под углом, при этом его величина значения не имеет.
- Прорезные, если детали, наложенные друг на друга, взаимно проплавляются. При этом одна из деталей (верхняя) проплавлена целиком, а другая часть сварного соединения (нижняя) лишь частично. Сам шов представляет собой заклепку. Это соединение еще называют электрозаклепочным.
По конфигурации при сварке:
- прямолинейного характера;
- криволинейного вида;
- кольцевого вида.
По длительности сварного соединения:
- Соединения, выполненные сплошным швом. Их длина колеблется от 300 мм до 1 м и более.
- Которые выполнены прерывисто. При этом расположение шва может быть по цепочке, в шахматном порядке, в зависимости от конструктивных особенностей детали и предъявляемых требований.
По способу применяемой технологии сварки:
- дуговая сварка без применения дополнительных средств (газа, флюса);
- сварка, выполненная в среде с наличием газа (например, аргона).
По количеству нанесения сварочных элементов:
- односторонний;
- двухстороннее соединение;
- многослойные.
По количеству металла, который образовался в результате наплавления:
- нормальное;
- усиленное;
- ослабленное.
Обычно нет строгого разделения по всем типам классификаций. При работе сварные соединения могут быть прямолинейные стыковые усиленные. То есть сочетания могут быть самыми разнообразными, в зависимости от сложности металлической конструкции, требований жесткости и надежности, наличия расходных материалов, а также мастерства сварщика.
Характеристика сварных соединений
Основные типы сварных соединений.
В зависимости от того, каким должен получиться в итоге, необходимо учитывать особенности его выполнения и технологию исполнения.
Стыковые сварные соединения представляют собой соединение деталей путем сплавления между собой. Детали располагают в одной плоскости и чаще всего применяют дуговую сварку. При этом такие швы могут быть использованы для соединения деталей с различной кромкой. Обработка кромки для сваривания зависит от толщины листа. Если в процессе выполнения работ требуется соединить детали различной толщины, то более толстый край должен быть скошен под размер меньшего. Это обеспечивает надежный шов.
По типу краев, которые участвуют при сваривании, стыковые сварные соединения можно разделить на:
- детали, которые не имеют скоса кромки. Они должны быть толщиной 3-5 мм;
- элементы, которые имеют криволинейную кромку;
- детали с кромкой, образующей букву «U», их толщина составляет 20-60 мм;
- детали, у которых кромка имеет вид «Х», толщина металла 12-40 мм.
Более подробно о соединениях
Стыковые сварные швы обладают самым низким значением напряжения, менее склонны к деформациям. Это обуславливает частое их применение. При выполнении стыкового соединения расход металла является минимальным, сама подготовка к работе должна выполняться тщательно и скрупулезно.
Тавровые элементы представляют собой соединения деталей из металла, когда одна из них расположена перпендикулярно к другой. Получается стык в виде буквы «Т». При таком типе сам шов может располагаться как с одной из сторон, так и с двух. Все зависит от требований жесткости, технической и конструктивной возможности произвести работы. Тавровые системы используются для сборки каркасов для ферм, различных видов колонн, стоек. Кроме того, такое соединение хорошо применять для сварки балок.
Угловые соединения выполняют в тех случаях, где элементы в конструкции не будут нести значительных напряжений. Например, при сварке емкостей, резервуаров. Чтобы обеспечить необходимую надежность и прочность, толщина свариваемого металла не должна превышать 1-3 мм. При угловом соединении детали прикладывают друг к другу под необходимым углом и сваривают. Величина угла не имеет значения. Шов проделывают двухсторонним сплошным таким образом, чтобы в него не могла проникнуть влага.
Нахлесточные соединения образуются тогда, когда детали расположены параллельно друг к другу. Шов при этом находится на боковых поверхностях металлических элементов. Кромки металла не нуждаются в дополнительной обработке, в отличие от стыкового метода. Расходы металла как основного, так и наплавляемого будут значительными.
Толщина самой конструкции при такой обработке составляет не более 12 мм. Для исключения проникновения влаги в само соединение его необходимо выполнять двухсторонним.
Швы при тавровом, нахлесточном, угловом соединении могут исполняться в виде маленьких отрезков, то есть точечным методом. Если надо сделать предварительные наплавления, то они выполняются круглой формы. Т.е. образуются при полном проплавлении одной из детали и частично другой.
Дополнительные моменты
Известные способы выполнения дуговой сварки без дополнительной обработки кромок могут быть произведены при толщине металла 4 мм при ручном виде работ, 18 мм – при механизированной работе. Поэтому если требуется сварить детали значительной толщины, используя ручную дуговую методику, то кромки необходимо дополнительно обрабатывать.
К элементам геометрии соединения можно отнести зазор, который присутствует между элементами, угол разделки, скоса и отклонение деталей, участвующих в сварке по отношению друг к другу. Угол скоса определяет угол разделки, который является определяющим для обеспечения необходимого доступа дуги на всю глубину шва, значит, полноценного выполнения самого шва. Величина угла в зависимости от типа соединения и метода обработки в основном колеблется в пределах 20-60 ° с допуском в 5 °. Величина зазора составляет 0-4 мм.