Сварочные швы. Типы сварных соединений Типы сварных швов
Основные типы сварных соединений. Сварным соединением называется неразъемное соединение деталей, выполненное сваркой. В металлических конструкциях встречаются следующие основные типы сварных соединений:
- стыковые;
- нахлесточные;
- тавровые;
- угловые;
- торцовые.
Стыковое соединение - это сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями.
Нахлесточное - сварное соединение, в котором сваренные элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга.
Тавровое - сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и приварен к боковой поверхности другого элемента.
Угловое - сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев.
Торцовое - сварное соединение, в котором боковые поверхности сваренных элементов примыкают друг к другу.
Классификация и обозначение сварных швов. Сварной шов - это участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации. Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми.
Стыковой - это сварной шов стыкового соединения. Угловой - это сварной шов углового, нахлесточного или таврового соединений (ГОСТ 2601-84).
Сварные швы подразделяются также по положению в пространстве (ГОСТ 11969-79):
- нижнее - в лодочку - Л;
- полугоризонтальные - Пг;
- горизонтальные - Г;
- полувертикальные - Пв;
- вертикальные - В;
- полупотолочные - Пп;
- потолочные - П.
По протяженности швы различают сплошные и прерывистые. Прерывистые швы могут быть цепными или шахматными. По отношению к направлению действующих усилий швы подразделяются на:
- продольные;
- поперечные;
- комбинированные;
- косые.
По форме наружной поверхности стыковые швы могут быть выполнены нормальными (плоскими), выпуклыми или вогнутыми. Соединения, образованные выпуклыми швами лучше работают при статических нагрузках. Однако чрезмерный наплыв приводит к лишнему расходу электродного металла и поэтому выпуклые швы неэкономичны. Плоские и вогнутые швы лучше работают при динамических и знакопеременных нагрузках, так как нет резкого перехода от основного металла к сварному шву. В противном случае создается концентрация напряжений, от которых может начаться разрушение сварного соединения.
По условиям работы сварного узла в процессе эксплуатации изделия сварные швы подразделяются на рабочие, которые непосредственно воспринимают нагрузки, и соединительные (связующие), предназначенные только для скрепления частей или деталей изделия. Связующие швы чаще называют нерабочими швами. При изготовлении ответственных изделий выпуклость на рабочих швах снимают электрическими шлифмашинками, специальными фрезами или пламенем аргонодуговой горелки (выглаживание).
Основные типы, конструктивные элементы, размеры и условия обозначения швов сварных соединений для ручной электродуговой сварки углеродистых и низколегированных сталей, регламентированы ГОСТ 5264-80.
Конструктивные элементы сварных соединений. Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют три основные конструктивные элемента: зазор, притупление кромок, и угол скоса кромки.
Тип и угол разделки кромок определяют количество необходимого электродного металла для заполнения разделки, а значит, и производительность сварки. X-образная разделка кромок, по сравнению с V-образной, позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6-1,7 раза. Кроме того, такая разделка обеспечивает меньшую величину деформаций после сварки. При X-образной и V-образной разделке, кромки притупляют для правильного формирования шва и предотвращения образования прожогов.
Зазор при сборке под сварку определяется толщиной свариваемых металлов, маркой материала, способом сварки, формой подготовки кромок и т. п. Например, минимальную величину зазора назначают при сварке без присадочного металла небольших толщин (до 2 мм) или при дуговой сварке неплавящимся электродом алюминиевых сплавов. При сварке плавящимся электродом зазор обычно составляет 0-5 мм, увеличение зазора способствует более глубокому проплавлению металла.
Шов сварного соединения характеризуется основными конструктивными элементами в соответствии с ГОСТ 2601-84: шириной; выпуклостью; глубиной проплавления (для стыкового шва) и катетом для углового шва; толщиной детали.
Основные элементы сварного шва показаны на рис. 1.
Рис. 1. : а - угловой шов; б - стыковой шов
Технологическая прочность сварного шва. Термин «Технологическая прочность» применяется для характеристики прочности конструкции в процессе ее изготовления. В сварных конструкциях технологическая прочность лимитируется в основном прочностью сварных швов. Это один из важных показателей свариваемости стали.
Технологическая прочность оценивается образованием горячих и холодных трещин.
Горячие трещины - это хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и зоны термического влияния. Возникают в твердо-жидком состоянии на завершающей стадии первичной кристаллизации, а так же в твердом состоянии при высоких температурах на этапе преимущественного развития межзернистой деформации.
Наличие температурно-временного интервала хрупкости является первой причиной образования горячих трещин. Температурно-временной интервал обуславливается образованием жидких и полужидких прослоек, нарушающих металлическую сплошность сварного шва. Эти прослойки образуются при наличии легкоплавких, сернистых соединений (сульфидов) FeS с температурой плавления 1189 °C и NiS с температурой плавления 810 °C. В пиковый момент развития сварочных напряжений по этим жидким прослойкам происходит сдвиг металла, перерастающего в хрупкие трещины.
Вторая причина образования горячих трещин - высокотемпературные деформации. Они развиваются вследствие затрудненной усадки металла шва, формоизменения свариваемых заготовок, а так же при релаксации сварочных напряжений в неравновесных условиях сварки и при послесварочной термообработки, структурной и механической концентрации деформации.
Холодные трещины . Холодными считают такие трещины, которые образуются в процессе охлаждения после сварки при температуре 150 °C или в течении нескольких последующих суток. Они имеют блестящий кристаллический излом без следов высокотемпературного окисления.
Основные факторы, обуславливающие появление холодных трещин:
- образование структур закалки (мартенсита и бейнита) приводит к появлению дополнительных напряжений, обусловленных объемным эффектом;
- воздействие сварочных растягивающих напряжений;
- концентрация диффузионного водорода.
Водород легко перемещается в незакаленных структурах. В мартенсите диффузионная способность водорода снижается, он скапливается в микропустотах мартенсита, переходит в молекулярную форму и постепенно развивает высокое давление, способствующее образованию холодных трещин. Кроме того, водород, адсорбированный на поверхности металла и в микропустотах, вызывает охрупчивание металла.
Свариваемость - свойство металла и сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Сложность понятия о свариваемости материалов объясняется тем, что при оценке свариваемости должна учитываться взаимосвязь сварочных материалов, металлов и конструкции изделия с технологий сварки.
Показателей свариваемости много. Показателем свариваемости легированных сталей, предназначенных например, для изготовления химической аппаратуры, является возможность получить сварочное соединение, обеспечивающее специальные свойства - коррозионную стойкость, прочность при высоких или низких температурах.
При сварке разнородных металлов показателем свариваемости является возможность образования в соединении межатомных связей. Однородные металлы соединяются сваркой без затруднений, тогда как некоторые пары из разнородных металлов совершенно не образуют в соединении межатомных связей, например, не сваривается медь со свинцом, или титан с углеродистой сталью.
Важным показателем свариваемости металлов является отсутствие в сварных соединениях закаленных участков, трещин и других дефектов, отрицательно влияющих на работу сварного соединения.
Единого показателя свариваемости металлов пока нет.
Сварным соединением называется соединение двух или нескольких элементов полученное сваркой.
Сварное соединение (рис.2) состоит: из сварного шва, имеющего литую структуру и образовавшегося в результате кристаллизации сварочной ванны, зоны сплавления, зоны термического влияния – участок основного металла, не подвергавшийся расплавлению, где в результате нагрева произошли структурные и фазовые изменения и части основного металла.
Рис. 2. Схема сварного соединения
1 – сварной шов, 2 – зона сплавления, 3 – зона термического влияния, 4 – основной металл
Существует 5 видов сварных соединений (рис.3) – стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные и торцевые.
Рис. 3. Типы сварных соединений: а – стыковое, б – нахлесточное, в – торцовое, г – угловое,
д – тавровое
Наиболее типичные и предпочтительные стыковые соединения, но не всегда теплоты источника энергии хватает, чтобы проплавить на всю толщину, поэтому для деталей с толщиной больше 4 мм применяют специальную подготовку кромок (рис.4)
Рис. 4. Примеры (а-ж) подготовки кромок
Конструктивные элементы подготовки кромок следующие:
S – толщина соединяемых элементов;
С – притупление кромок (обычно 1-2мм);
β – для скоса от 25 до 45˚;
α – угол разделки, равен 2 β;
В – зазор, зависит от толщины и способа сварки;
R – Радиус закругления для фигурной разделки кромок.
Классификация сварных швов.
Все сварные швы классифицируются по признакам:
1. По типу сварного соединения на стыковые, образованные стыковыми соединениями и на угловые – тавровыми, нахлесточными, угловыми.
2. По положению относительно действующего усилия – на фланговые, лобовые и косые.
3. По положению в пространстве (рис. 5)
Рис. 5. Основные пространственные положения сварки:
1 – нижнее, 2 – вертикальное или горизонтальное, 3 – потолочное
4. По внешней форме (рис. 6) – на выпуклые, нормальные и вогнутые.
Рис.6. Форма сварных швов: а – нормальная, б – выпуклая, в – вогнутая
5. По протяженности (рис.7) – на непрерывные и прерывистые, которые делятся на цепные и шахматные.
Рис. 7. Классификация сварных швов по протяженности.
Сварка по-прежнему остаётся одним из самых популярных методов получения неразъёмных конструкций из металлов и полимеров. Такая популярность определяет и разнообразие сварных стыков, которые в чём-то схожи между собой, а в чём-то принципиально различны. В данной статье мы рассмотрим все основные виды термических сварочных соединений.
Итак, какие бывают сварные соединения? Виды сварочных соединений следующие:
Стыковое
Наиболее широко применяемая разновидность, которая может быть одно- и двухсторонней, со съёмной и несъёмной подкладкой и вообще без неё. Стыковым сварочным соединением могут быть соединены детали с отбортовкой, с замковой кромкой, а также с разнообразными скосами: дву- и односторонними, симметричными и асимметричными, ломанными и криволинейными.
Угловое
Как становится уже ясным из самого названия, данное соединение сваривает угловые конструкции. Кроме того, при помощи угловых соединений производит сваривание конструкционных элементов в труднодоступных местах. Данный тип соединения применяется в следующих случаях:
- Скосы (односторонние или двусторонние) имеются у кромок двух соединяемых деталей;
- У кромок соединяемых деталей отсутствуют скосы;
- У одного края имеется отбортовка.
В других случаях угловое соединение применять нельзя, поскольку из-за сложности кромок качество связи резко ухудшается.
Тавровое
Применяется для сварки Т-образных конструкций, а также для деталей, которые соединяются под небольшим углом друг к другу. Данное соединение совместимо со следующими видами кромок:
- Скос отсутствует;
- На кромке могут быть симметричные или асимметричные одно- и двусторонние скосы;
- На кромке имеется криволинейный одно- или двусторонний скос, расположенный в одной плоскости.
Небольшое количество кромок, к которым применимо тавровое соединение, поясняется сложной геометрией соединяемых деталей.
Внахлёст
Данный тип сварки соединяет между собой концы деталей или конструкционных элементов. Сварочные работы внахлёст производятся только с кромками без скосов.
Торцевое
Достаточно редкий тип соединения, поскольку подразумевает варку одной детали к торцу другой. Поэтому нередко основные типы сварочных соединений не включают торцевое в отдельный пункт, а объединяют его с соединением внахлёст.
Классификации швов
Также виды сварных соединений различаются по шву, получаемого в результате сварочных работ. Действующие стандартны подразумевают несколько классификаций:
По пространственному расположению
По своему местоположению сварные швы могут быть:
- Нижними, если их угол относительно горизонтали не превышает 60 градусов;
- Вертикальными, если их угол относительно горизонтали расположен в диапазоне 60-120 градусов;
- Потолочными, если их угол относительно горизонтали расположен в диапазоне 120-180 градусов.
По их непрерывности
Сварные швы могут быть непрерывными (без разрывов) и прерывистыми (имеются разрывы). Последние более всего характерны для угловых и тавровых соединений.
По характеру разрывов прерывистые швы подразделяются на:
- Цепные – разрывы равномерные словно бы ячейки в цепи;
- Шахматные – разрывы сдвигают небольшие по длине швы друг относительно друга словно бы белые клетки на шахматной доске;
- Точечные – схожи с шахматными швами, только швы выглядят не в виде чёрточек, а в виде единичных точек.
Отметим, что непрерывные швы более надёжны и более устойчивы к коррозийному разрушению, но зачастую их невозможно применять по технологическим причинам.
По типу сварного соединения
Сварные соединения отличаются друг от друга ещё и по получаемому шву:
- Стыковой получается при одноименном соединении деталей;
- Угловой образуется не только при сварке деталей углами, но также ещё при тавровом и стыковом сваривании;
- Проплавной получается при тавровой сварке и при стыке внахлёст деталей, чья толщина не превышает 1 см;
- Электрозаклёпочный получается при сварке тавровых стыков и внахлёст. Технология выполнения данных швов следующая. Металлические детали, чья толщина не превышает 3 мм, варят без предварительной обработки, поскольку электрическая дуга пробивает их насквозь. Если толщина свариваемых деталей превышает 3 мм, то одна деталь просверливается и уже через неё сваркой прихватывается вторая;
- Торцевые получаются при сваривании деталей их торцами.
По характеру профильного сечения
Данная классификация указывает на форму сечения сварного шва в разрезе:
- Выпуклые выступают полукругом над поверхностью соединённых деталей;
- Вогнутые образуют небольшое углубление относительно поверхности соединённых деталей;
- Нормальные составляют одну линию с поверхностью;
- Специальные. Образуются при стыке деталей углом или тавром. В поперечном сечении они выглядят как неравнобедренный треугольник.
Внутреннее сечение определяет эксплуатационные характеристики сварных соединений. Так, например, выпуклое сечение придаёт хорошую устойчивость к статическим нагрузкам, такие швы считаются усиленными. Тогда как вогнутые, наоборот, считаются ослабленными, зато они лучше выдерживают динамические и разнонаправленные нагрузки. Эксплуатационные характеристики нормальных сварных швов схожи с характеристиками вогнутых. Специальные швы отлично справляются с переменными нагрузками. Также они снижают напряжение, возникающее в сваренных деталях в процессе их повседневной эксплуатации.
По технологии выполнения сварных работ
Здесь сварные швы классифицируются по ходу электрода при проведении сварных работ:
- Продольный образуется при движении электрода вдоль стыка соединяемых деталей;
- Поперечный получается при движении электрода поперёк стыка соединяемых деталей;
- Косой образуется, когда электрод движется под некоторым углом относительно крайних точек его траектории;
- Комбинированный образуется при попеременном использовании трёх выше указанных швов.
По числу слоёв
Предусмотренные сварные работы выполняются в один или в несколько слоёв (проходов). При одном проходе образуется валик из оплавленного металла. Валики могут выполняться на одном или на разных уровнях. В первом случае один слой будет состоять из нескольких валиков. Самый дальний от облицовочного уровня валик называется корнем шва.
Многослойные и многопроходные сварные соединения используются при варке толстостенных элементов или для избегания термических деформаций в структуре стального сплава.
Для избегания термических деформаций и прожогов часто применяют подварочный шов. Облицовочный же применяется для улучшения внешнего вида сварного стыка приваренных друг к другу конструкционных элементов.
Результаты нарушения технологии сварочных работ
При нарушении технологии сварочных работ в месте соединения могут возникнуть:
- Прожоги (подрезы) – зоны критического нагрева металла, в которых под воздействием высоких температур начались различные химические реакции (кристаллическая коррозия и др.);
- Непровары – зоны, в которых температура оказалась недостаточной для взаимного проникновения краёв друг в друга и образования единой монолитной структуры;
- Несплавление – соединяемые края не нагрелись до температуры плавления и не сплавились друг с другом;
- Шлаковое засорение – точки концентрация шлаковых веществ, проникших в жидком состоянии из некачественных электродов в сварочную ванну и по застывании образовавших инородные кристаллические вкрапления;
- Поры появляются из-за брызжущего металла вследствие внезапно возникших пиковых температур в сварочной ванне;
- Трещины появляются из-за некачественного соединения двух сортов стали, имеющих разную температуру плавления;
- Микрополости возникают из-за неравномерного нагрева и остывания металла.
Технологии контроля качества
Все виды сварных соединений обязательно подвергаются проверке. В зависимости от требований к качеству работы выполняются следующие технологии контроля качества:
- Визуальный осмотр позволяет определить лишь видимые нарушения качества (вкрапления шлака, трещины, прожоги и т.п.);
- Измерения длины и ширины указывают на соответствие полученного результата техническому заданию и ГОСТу;
- Проверка герметичности при помощи опрессовки. Применяется при изготовлении различных ёмкостей;
- Специальные контрольно-измерительные приборы устанавливают характеристики внутренней структуры полученного сварного стыка;
- Лабораторные исследования позволяют определить поведение сваренной конструкции под воздействием различных нагрузок и химических веществ.
Сварочные швы – зоны сварных соединений, которые образованы первоначально расплавленным, а затем кристаллизованным при остывании металлом.
Срок службы всей сварочной конструкции зависит от качества сварочных швов. Качество сварки характеризуется следующими геометрическими параметрами сварного шва:
- Ширина – расстояние между его краями;
- Корень – внутренняя часть, противоположная его внешней поверхности;
- Выпуклость – наибольший выступ от поверхности соединяемого металла;
- Вогнутость – наибольший прогиб от поверхности соединяемого металла;
- Катет – одна из равных сторон треугольника, вписанного в поперечное сечение двух соединяемых элементов.
Какие бывают сварочные швы и соединения, классификация
В таблице 1 приведены основные типы сварочных соединений, сгруппированные по форме поперечного сечения.
| Сварные соединения и швы | Особенности расположения | Основное применение | Примечание | |
| 1 | Стыковые |
Соединяемые детали, элементы находятся в одной плоскости. | Сварка конструкций из листового металла, резервуаров и трубопроводов. | Экономия расходных материалов и времени на сварку, прочность соединения. Тщательная подготовка металла и выбор электродов. |
| 2 | Угловые
|
Соединяемые детали, элементы расположены под любым углом относительно друг друга. | Сварка емкостей, резервуаров. | Максимальная толщина металла 3 мм. |
| 3 | Нахлесточные
|
Параллельное расположение деталей. | Сварка конструкций из листового металла до 12 мм. | Большой расход материала без тщательной обработки. |
| 4 | Тавровые (буквой Т) |
Торец одного элемента и боковая часть другого находятся под углом | Сварка несущих конструкций. | Тщательная обработка вертикального листа. |
| 5 | Торцовые
|
Боковые поверхности деталей примыкают друг к другу | Сварка сосудов без давления | Экономия материала и простота исполнения |
По способу выполнения:
- Двухсторонние – сварка с двух противоположных сторон с удалением корня первой стороны;
- Однослойные – выполнение за один «проход», с одним наплавленным валиком;
- Многослойные – число слоев равно числу «проходов». Применяется при большой толщине металла.
По степени выпуклости:
- Выпуклые – усиленные;
- Вогнутые – ослабленные;
- Нормальные – плоские.
На выпуклость шва влияют используемые сварочные материалы, режимы и скорость сварки, ширина разделки кромок.
По положению в пространстве:
- Нижние – сварка ведется под углом 0° – наиболее оптимальный вариант, высокие производительность и качество;
- Горизонтальные – сварка ведется под углом от 0 до 60° требуют повышенной
- Вертикальные- сварка ведется под углом от 60 до 120° квалификации сварщика;
- Потолочные – сварка ведется под углом от 120 до 180° – наиболее трудоемкие, небезопасные, сварщики проходят специальное обучение.
По протяженности:
- Сплошные – самые распространенные;
- Прерывистые – негерметичность конструкции.
Виды сварных соединений и швов по взаимному расположению:
- Расположены по прямой линии;
- Расположены по кривой линии;
- Расположены по окружности.
По направлению действующего усилию и вектору действия внешних сил:
- фланговые – вдоль оси сварного соединения;
- лобовые – поперек оси сварного соединения;
- комбинированные – сочетание фланговых и лобовых;
- косые –под некоторым углом к оси сварного соединения.
Виды сварных швов по форме свариваемых изделий:
- на плоских поверхностях;
- на сферических.
Виды швов зависят также от толщины рабочего материала и от длины самого стыка:
- короткие – не > 25 см, при этом сварка производится способом «за один проход»;
- средние – длиной < 100 см – используется обратно-ступенчатый способ сварки, при этом строчка разбивается на малые отрезки длиной в 100-300 мм;
Все протяженные швы обрабатываются обратно-ступенчатым способом, от центра к краям.
Разделка кромок под сварку
Для создания прочного и качественного сварного шва кромки соединяемых изделий проходят необходимую подготовку и им придается определенная форма (V, X, U, I, K, J, Y – образная). Во избежание прожога подготовку кромок можно выполнять при толщине металла не менее 3 мм.
Порядок подготовки кромок:
- Очищение краев металла от ржавчины и загрязнений;
- Снятие фасок определенного размера – в зависимости от способа сварки;
- Величина зазора – в зависимости от типа сварных соединений.
Параметры подготовки кромок:
В таблице 2 приведены особенности подготовки кромок в зависимости от толщины металла.
Таблица 2
| №,п/п | Толщина металла, мм | Разделка кромки | Угол, α | Зазор b,мм | Притупление кромок c, мм |
| 1 | 3-25 | Односторонняя
V-образная |
50 | – | – |
| 2 | 12-60 |
Двухсторонняя X-образная |
60 | – | – |
| 3 | 20-60 |
Односторонняя, двухсторонняя U-образная |
– | 2 | 1-2 |
| 4 | >60 | I-образная | – | – | – |
