Тавровый сварной шов. Виды сварных соединений и швов

Сварка является одним из основных способов соединения, которое применяется в промышленности и в частной сфере. Это относительно дешевый и надежный метод, который обеспечивает получение неразъемного соединения. С учетом того, что существует множество разновидностей металла, каждый из которых имеет свои особенности сваривания, а также различные условия проведения работы и сами требования к соединению, выделяются разнообразные виды сварных соединений и швов.

Зоны сварного соединения

Зона сплавления – занимает от 0,1 до 0,4 мм основного металла. В ней присутствуют частично оплавленные зерна. Когда металл прогревается в данной зоне, то он приобретает игольчатую структуру. Она обладает низкой прочностью и высокой хрупкостью.

Зона термического влияния – она разделяется на четыре участка. Первый участок относится к основному металлу, который нагрелся до температуры выше 1100 градусов Цельсия. Он обладает крупнозернистой структурой. Зерна в данной области, примерно, в 12 раз больше стандартных. Из-за перегрева снижается вязкость, пластичность и прочие механические свойства металла. Это самый слабый участок сварки, в котором зачастую происходит разрыв.

Второй участок – это зона нормализации, где основной металл прогревается на 900 градусов Цельсия. Структура зерна здесь намного более мелкая, чем в предыдущем случае. Данный участок занимает от 1 до 4 мм.

Третий участок – зона неполной кристаллизации. Здесь основной металл прогревается от 750 до 900 градусов Цельсия. На нем встречаются как мелкие, так и крупные зерна. За счет неравномерного распределения кристаллов механические свойства снижаются.

Четвертый участок – зона рекристаллизации. Область прогревается от 450 до 750 градусов Цельсия. Здесь восстанавливается форма зерен, которые были деформированы прошлыми механическими воздействиями. Примерная ширина данного участка составляет от 5 до 7 мм.

Зона основного металла – начинается от участка, который прогревается менее чем 450 градусов Цельсия. Здесь структура схожа с основным металлом, но за счет прогревания сталь теряет свои свойства крепости. По границе выделяются нитриды и оксиды, которые ослабляют связь зерен. Металл приобретает более высокую прочность в данном месте, но получает меньшую ударную вязкость и пластичность.

Полная классификация сварочных швов и соединений

Виды сварных швов разделяются на несколько категорий по различным признакам. Одним из них является различие по внешнему виду. Здесь выделяют:

• Вогнутые (они же ослабленные);
• Выпуклые (они же усиленные);
• Нормальные (они же плоские).

По типу исполнения встречаются:

• Односторонние;
• Двусторонние.

По количеству проходов:

• Многопроходные;
• Однопроходные.

По количеству слоев:

• Многослойные (при сварке толстых металлов);
• Односторонние.

Классификация сварных швов выделяет еще разновидности по протяженности:

• Точечные швы (их создают при помощи );
• Двусторонние шахматные;
• Двусторонние цепные;
• Односторонние прерывистые;
• Односторонние непрерывные.

Типы сварных швов по направлению усилия воздействия:

• Лобовой (поперечный) – усилие осуществляется перпендикулярно;
• Фланговый (продольный) – усилие проводится параллельно шву;
• Косой – усилие осуществляется под углом;
• Комбинированный — сочетает в себе фланговую и лобовую разновидность.

Виды сварочных швов и соединений по пространственному положению:

• Нижний;
• Горизонтальный;
• Вертикальный;
• Потолочный;
• Полугоризонтальный;
• Полувертикальный;
• Полупотолочный;
• В лодочку.

По своим функциям и назначению категории сварочных швов бывают:

• Герметичные;
• Прочные;
• Прочно-плотные.

По ширине:

• Уширенные – делаются при помощи поперечных колебательных движений электрода;
• Ниточные – ширина шва которых практически не превышает величину диаметра .

Особенности швов

• Стыковые

Это наиболее распространенный вариант, который представляет собой обыкновенное соединение листов или торцевых поверхностей. На него требуется минимальное количество металла и времени. Его могут проводить без скоса кромок, если листы тонкие. Для толстых изделий требуется , где потребуется скашивать кромки для увеличения глубины проварки. Это актуально при толщине от 8 мм и выше. Если деталь толще 12 мм, то здесь необходимо двустороннее стыковое соединение со скашиванием кромок. Такие соединения чаще всего проводятся в горизонтальном положении.

• Тавровое

Тавровые разновидности соединений и швов представляются в виде буквы «Т». Оно могут быть одно- или двусторонними, а также могут соединять изделия различной толщины. Если перпендикулярно устанавливается меньшая деталь, то электрод во время сварки нужно наклонять до 60 градусов. Здесь же можно воспользоваться прихватками, чтобы наклонить деталь и осуществить более простой вариант сварки «в лодочку». Это уменьшает вероятность образования подрезов. Шов, как правило, накладывается за один проход. Сейчас существует много аппаратов для осуществления автоматической тавровой сварки.

• Угловое

Угловым считается соединение, которое располагается под углом 90 градусов, или другой величины. У таких соединений часто подкашиваются кромки, чтобы шов смог залечь на нужную глубину для обеспечения надежности. Двусторонняя проварка делает соединение более крепким.

• Внахлест

Этот метод применяется для сваривания листов толщиною менее 1 сантиметра. Они кладутся внахлест друг на друга и провариваются с двух сторон. Следует следить, чтобы между ними не попадала влага. Иногда, для лучшего скрепления, такое соединение варится с торца.

Геометрия сварного шва

Рассмотрев виды сварных швов и способы их нанесения, стоит обратить внимание на основные геометрические параметры.

Геометрические параметры шва встык

• E – ширина образованного шва;
• S – толщина заготовки;
• B – зазор между свариваемыми заготовками;
• T – толщина полученного шва;
• H – глубина залегания проваренной части;
• Q – размер выпуклой части.

• A – толщина углового шва, в которую. Входит величина выпуклости и расчетной высоты;
• P – расчетная высота, которая соответствует перпендикулярной линии, проведенной из места самого глубокого про плавления к гипотенузе самого большого прямого треугольника, вписанного во внешнюю часть шва;
• Q – выпуклость наплавленной области;
• K – катет углового шва представляет собой расстояние от поверхности одной заготовки до границы угла другой.

Особенности выбора

Все виды сварных соединений и швов заметно отличаются по своим свойствам. Поэтому, для каждого конкретного случая приходится подбирать свой набор параметров для удачного сочетания. В первую очередь следует обращать внимание на пространственное положение. Чем более легко проходит работа, тем лучше качество шва. Наиболее легкими в исполнении считаются горизонтальные швы, поэтому, мастера стараются поставить заготовки в такую позицию. Иногда даже приходится несколько раз переворачивать одно и то же изделие, чтобы обеспечить высокое качество шва. «Важно! Не следует забывать, что сваривание за один проход помогает достичь лучшей крепости, чем многократные проходы. Поэтому, нужно находить баланс между удобством и количеством проходов.»

При толстых заготовках всегда нужно разделывать кромки и после этого еще обрабатывать поверхность, чтобы добавить ей чистоту. Стыковые варианты являются самыми простыми и предпочтительными к работе, так как их проще фиксировать, чтобы избежать искажений геометрии полученных деталей. Помимо правильного выбора типа шва, нужно обращать внимание еще и на температурный режим, так как тогда могут сместиться зоны проварки и изделие просто переплавится или недоварится.

Неразъемное соединение, которое было выполнено с помощью сварки, называется сварным. Оно состоит из нескольких зон:

Зоны сварного соединения: 1 — сварного шва; 2 — сплавления; 3 — термического влияния; 4 — основного металла

— сварного шва;
— сплавления;
— 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.

Виды сварных соединений: а — стыковые; б — тавровые; в — угловые; г — нахлесточные

д — прорезные; е — торцовые; ж — с накладками; 1-3 — основной металл; 2 — накладка: 3 — электрозаклепки; з — с электрозаклепками

По типу сварные соединения 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.
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 качественный 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-образно), если толщина металла составляет от 4 до 26 мм;
— с двусторонним скосом (Х-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.

2. Нахлестанные, 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 нахлестанное 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.
4. Угловые, при которых элементы конструкции или детали совмещают под тем или иным углом и сваривают по кромкам, которые нужно предварительно подготовить. Подобные соединения встречаются при изготовлении резервуаров для жидкостей или газов, которые содержатся в них под небольшим внутренним давлением. Угловые соединения для усиления прочности могут быть проварены и с внутренней стороны.
5. Прорезные, к которым прибегают в тех случаях, когда на-хлесточный 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 являются:

Элементы геометрической формы сварного шва (ширина, высота, величина катета)

— ширина (Ь);
— высота (п);
— величина катета (К) для угловых, нахлесточных и тавровых соединений.
Классификация сварных швов основывается на различных признаках, которые представлены ниже. 1. По типу соединения:
— стыковые;
— угловые.

Угловой шов

Угловые швы практикуют при некоторых видах сварных соединений, в частности при нахлесточных, стыковых, угловых и с накладками. Стороны такого шва называются катетами (к), зона ABCD на рис. 33 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.

Сварные швы в зависимости от их пространственного положения: а — нижний; б — горизонтальный; в — вертикальный; г — потолочный

3. По пространственному положению, в котором выполняется сварка:
— нижние;
— 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.

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 (I) 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:

Сварные швы, различающиеся по форме наружной поверхности: а — нормальные; б — выпуклые; в — вогнутые

— нормальные;
— выпуклые;
— вогнутые.
Тип используемого электрода определяет выпуклостьшва (а"). Наибольшая выпуклость характерна для тонкопокрытых электродов, а толстопокрытые электроды дают нормальные швы, поскольку отличаются большей жидкотекучестью расплавленного металла.
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:

Сварные швы различной конфигурации: а — прямолинейный

Сварные швы различной конфигурации: б — кольцевой

— прямолинейные;
— кольцевые;
— вертикальные;
— горизонтальные.
7. По отношению к действующим силам:

Сварные швы по отношению к действующим силам: а — фланговый; б — торцовый; в — комбинированный; г — косой

— 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;
— 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:

Сварные швы, различающиеся своим расположением: а — односторонний; б — двусторонний

— односторонние;
— двусторонние.
10. По свариваемым материалам:
— на углеродистых и легированных сталях;
— 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:

Сварные швы, различающиеся по объему наплавленного металла: а — ослабленный; б — нормальный; в — усиленный

— 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:

Сварные швы, различающиеся количеством наплавленных валиков: а однослойный; б — многослойный; в — многослойный многопроходный

— 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. Элементами подготовки формы являются:

Элементы подготовки кромок

— угол разделки кромки (а), 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;
— зазор между соединяемыми кромками (а). 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 (5). 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.

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

Выбор того или иного вида кромок определяется рядом факторов:
— способом сварки;
— толщиной металла;
— способом соединения изделий, частей и пр.
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 1516468 и т.д.
Кроме того, имеется стандарт на графическое обозначение сварного шва, в частности ГОСТ 2.312-72. Для этого используется наклонная линия с односторонней стрелкой, которая указывает участок шва.

Графическое обозначение сварных швов

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.
К условным обозначениям сварного шва относятся и дополнительные знаки.

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

— 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 трением — Т;
— холодная сварка — X.
При необходимости (если реализуется несколько способов сварки) перед обозначением той или иной разновидности располагают буквенное обозначение используемого способа сварки:
— 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.

Структура условных обозначений сварного шва: 1 — сварной шов; 2 — вспомогательные знаки шва по замкнутой линии; 3 — дефис; 4 — вспомогательные знаки; 5 — для прерывистого
шва — длина шва, знак / или Z, шаг; 6— для точечного шва — размер точки; 7 — для контактной сварки — диаметр точки,
знак / или ~Z. , шаг; 8—для шовной сварки — длина шва;
9 — ширина и длина шва, знак или, шаг; 10 — знак и катет по стандарту; 11 — условное изображение способа сварки; 12 — тип шва; 13 — стандарт соединения

В качестве примера расшифруем обозначение:

— шов располагается на невидимой стороне — обозначение находится под полочкой;
— тавровое соединение, шов № 4 по ГОСТу 1477176 — Т4;
— сварка в углекислом газе — У;
— сварка полуавтоматическая — П;
— длина катета 6 мм — Г\ 6:
— шов прерывистый с шахматным расположением участков — 50 ~Z_ 150.

Сварочные швы представляют собой зону соединяемых заготовок, которая подвергается непосредственному тепловому воздействию пламени, электрической дуги/плазмы или лазерного луча. По внешнему виду сварного соединения судят о квалификации сварщика, о технологическом предназначении конструкции и даже о способе сварки.

Структура шва

Типовой сварочный шов включает в себя:

1. Зону наплавленного металла (из сварочного электрода или из основного металла соединенных между собой заготовок).
2. Зону механического сплавления.
3. Зону термического влияния.
4. Переходную зону к основному металлу.

При рассматривании шлифа сварного шва в любой металлографический микроскоп разграниченность вышеперечисленных зон определяется весьма четко. Исключение составляют лазерные технологии соединения тонкостенных и мелких деталей, когда из-за точной локализации светового потока некоторые зоны могут отсутствовать.

Зона наплавленного металла представляет собой сплошную литую структуру, формирование которой происходит с момента начала расплавления электрода или заготовки. На обычных микрошлифах эту зону рассмотреть невозможно вследствие особой мелкой дисперсности частиц, которые ее составляют. Зона отличается наибольшей твердостью, но часто имеет поверхностные дефекты, обусловленные совместным действием сварочных шлаков, кислорода воздуха, остатков сварочного флюса и т.д.

Протяженность зоны механического сплавления связана с термодиффузионной активностью металлов соединяемых деталей. При интенсивном проникновении одного металла в другой глубина зоны сплавления может достигать 40-50% от объема литой зоны. Состав зоны неоднороден: наряду со структурами основного металла, там могут присутствовать интерметаллидные соединения углерода и азота с легирующими элементами, которые имеются в основном металле. Чаще всего в этой зоне встречаются грубодисперсные карбиды вольфрама, хрома, железа, а также более мелкие по размерам нитриты тех же металлов.

Зона термического влияния по своей структуре напоминает поверхностные зоны термически обрабатываемого металла в условиях скоростной и поверхностной закалки или упрочнения. Непосредственно к объемам механического сплавления примыкает так называемый «белый слой» - нетравящаяся часть металла этой зоны. Твердость белого слоя - максимальна и часто превосходит показатели зоны механического сплавления. Причиной тому являются тепловые процессы, энергии которых уже недостаточно для расплавления, но вполне хватает для сверхскоростной закалки (особенно, если сварка ведется под слоем инертного газа). Далее по глубине располагаются зоны структурных превращений, состав которых зависит от марки стали. Например, после сварки нержавеющих сталей основной составляющей рассматриваемой зоны является аустенит, для инструментальных сталей - мартенсит и т.д.

В переходной к основному металлу зоне присутствуют структуры троостита, остаточного аустенита, перлита и других составляющих, которые формируются в условиях сравнительно небольших температурных перепадов.

Качество сварки определяется скачками твердости и структурной однородности: чем они меньше, тем долговечнее и прочнее будет сварочный шов.

Таким образом, структура сварного шва является неоднородной, а сопоставительный анализ ее основных физико-механических характеристик (твердости, прочности, однородности и пр.) определяет качество сварного соединения.

В основу классификации типов сварных соединений могут быть приняты различные факторы: геометрические, конструктивные, технологические и прочностные.

С точки зрения месторасположения сварных соединений их подразделяют на:

1. Горизонтальные.
2. Вертикальные.
3. Наклонные.
4. Нижние.

Из всех типов сварных швов нижний, при котором разделка кромок исходной заготовки производится со стороны сварщика, считается не только самым доступным для освоения, но и самым прочным. Это объясняется удобством формирования расплава (как при ручном, так и при автоматическом процессах), когда силы тяжести металла способствуют лучшему заполнению зазоров между соединяемыми поверхностями. Нижний тип еще и наиболее экономичен. Используется два основных приема его формирования - от себя и на себя.

Горизонтальный шов формируется в условиях, когда подготовленные поверхности расположены перпендикулярно плоскости сварочного электрода. Приемы его получения аналогичны описанным выше, но расход сварочных электродов и флюсов увеличивается, поскольку часть расплава уносится силами тяжести из сварочной зоны.

Еще тяжелее условия для производства вертикальных швов. Здесь, кроме возрастающих потерь металла, увеличивается и неравномерность геометрических характеристик: на последних участках шов получается более толстым, а вероятность ухудшения механических параметров, в сравнении с горизонтальным и нижним типами, увеличивается.

Хуже всего качество у вертикально расположенных швов. Даже при автоматической сварке потери металла велики. Кроме того, в данном случае требуются особые меры безопасности процесса, которые бы исключали возгорание поверхностей, оплавление смежных площадей соединяемых заготовок и т.д. Количество швов, налагаемых вертикально, при проектировании сварных конструкций должно быть минимальным.

Типы сварного соединения могут классифицироваться и по конструктивному принципу своего образования. Соответственно, сварочные швы могут быть:

1. Встык.
2. Внахлестку.
3. Угловыми.
4. Тавровыми.
5. Под электрозаклепки.

Стыковое соединение считается оптимальным по соотношению «экономичность-прочность». Габариты шва при правильной подготовке зоны соединения (тип разделки, подготовка кромок, зазоры) практически не искажают форму поверхности. Качество стыкового соединения зависит от толщины заготовок. При толщине до 4 мм (все размеры здесь и далее приводятся относительно низко- и среднеуглеродистых сталей) чаще выполняется односторонняя разделка кромок, при толщине до 8-10 мм - двухсторонняя U/V-образная, а при более толстых деталях - Х-образная. Соответственно, изменяется и зазор между смежными деталями: в частности, для тонких заготовок его величина не должна превышать 1-2 мм.

Соединение внахлестку используется для ситуаций, когда свободного пространства для сварки обычным способом недостаточно. Толщина заготовок не должна превышать 8-10 мм, а для обеспечения равнопрочности подготовку необходимо выполнять с обеих сторон. Если разделка кромок невозможна, то сечение приходится увеличивать. Вариантом соединения внахлестку является прорезное, когда торцы одной из деталей искусственно увеличивают для того, чтобы добиться желаемой прочности.

Угловое соединение, в свою очередь, может быть торцевым и «в лодочку» (используется, когда торец одной детали приваривается к поверхности другой). С целью придания прочности угловым швам их, по возможности, обваривают с обеих сторон. Технология угловой сварки требует более высокой квалификации исполнителя. В частности, из-за опасности проплавления одной из смежных поверхностей электрод должен располагаться под углом 45-60 0 к более длинной стороне угла. При сварке «в лодочку» расход сварочной проволоки увеличивается, протяженность зоны термического влияния возрастает, а ее твердость, наоборот, падает. Это связано с ухудшением условий отвода тепла.

Тавровое соединение считается более сложным вариантом углового, когда сваркой формируются обе полки такого составного профиля. Подготовка кромок в этом случае не обязательна, зато имеются определенные ограничения в направлении удерживаемого электрода, который должен располагаться к вертикальной стенке тавра под углом не выше 60 0 . При тавровом способе вероятность дефектов выше (как, впрочем, и расход сварочной проволоки, поскольку сварку приходится проводить за несколько проходов горелки).

Когда особых требований к герметичности готового соединения нет, используется шов под электрозаклепки. Подготовленные к соединению изделия плотно прижимаются плоскими поверхностями друг к другу, после чего в верхней детали любым способом получают отверстие. В него вводят горелку и расплавляют металл, который далее проникает вовнутрь, сваривая изделия между собой. Такой метод чрезвычайно экономичен и, при последующей шлифовке, обеспечивает необходимый внешний вид поверхности.

Классификация сварных швов помогает выбрать оптимальную последовательность их получения.

Основные характеристики сварочного шва

Различают геометрические и технологические параметры сварного шва. К геометрическим относят размеры в поперечном сечении - ширину, толщину и высоту над основной плоскостью. На виды сварочных соединений влияют также и технологических параметры: катет и корень в стыке, его выпуклость/вогнутость, а также соотношение объема металла шва к общей площади сварного стыка.

Виды сварочных швов, в частности, ширина, высота и толщина, зависят от требуемых прочностных показателей соединения. Такая зависимость не является однозначной: чрезмерно массивный шов, наоборот, снижает качество соединения, поскольку сцепление зон наплавки и механического сплавления ослабляется, а качество поверхности может ухудшиться из-за наличия сварочного грата, а также интенсификации процессов окисления и обезуглероживания материала деталей.

Классификация сварных швов и форма их поверхности важны и с точки зрения долговечности готовых конструкций. Вогнутые швы, оформляемые по параболической зависимости высоты шва от его толщины, снижают уровень внутренних напряжений и минимизируют остаточные деформации. Наоборот, ровные швы, когда сохраняются острые углы при переходе от одной поверхности к смежной, уровень остаточных напряжений и деформаций повышают.

Оптимизацию формы поперечного сечения сварочного соединения можно производить при помощи следующих практических коэффициентов:

• Для наилучшего соотношения ширины к высоте - 1,2-1,5;
• Для наилучшего соотношения ширины к выпуклости - не более 8;
• Для наилучшего соотношения площадей поверхности шва к площади металла в зоне соединения - 0,85-1,0.

Виды сварных швов и технология их получения определяют качество процесса. Для оценки используют такие параметры, как глубина провара металла и количество проходов.

Глубина провара определяет однородность структуры в зоне соединения. Она принимается в пределах 0,5-0,8 (при меньших значениях ухудшается прочность сварного стыка, а при увеличенных - возрастает опасность проплавления).

Количество проходов зависит от способа разделки кромок и толщины соединяемых элементов. При увеличенных зазорах и обычном профиле кромок (со скосом) количество проходов и амплитуду колебаний горелки приходится изменять, что повышает уровень внутренних сварочных напряжений. Проблема (для сварки толстых листов) снимается оптимизацией формы подготовки кромок. Число проходов для глубоких швов может достигать 6-8, при этом стараются заполнить сначала основной зазор (между кромками), а затем обварить место стыка с обеих сторон.

На качество сварных швов и соединений влияют также относительные размеры корня по отношению к катету и высоте. Если корень шва меньше указанных параметров, то качество готового соединения будет хуже из-за уменьшенной глубины провара металла. При статических нагрузках на соединение это обстоятельство не критично, однако при динамических нагрузках может стать причиной разрушения сваренной конструкции.

Классификация сварочных швов основывается на технологии их образования, соотношении геометрических размеров и последовательности выполнения сварки.

• Разновидность сварных точек по типу соединения
• Различные виды сварочных швов
• Геометрия сварочных швов
• Нормы использования сварки на величину шва

Участок металлической структуры, в которой объединяются разные детали при эксплуатации сварки, называется сварочным соединением. Сварные швы могут быть различными по прочности. Сварочное соединение может включать в себя один сварной шов. Это место термического воздействия на точку соединения металлов. В результате такого воздействия металл расплавляется, а при остывании кристаллизуется. Во многом на качество шва влияет характеристика металла в точке термического воздействия.

Разновидность сварных точек по типу соединения

Швы стыковые используются в стыковых соединениях. Выполняются они неотрывными. Отличием являются действия по подготовке плоскости в торце сечения и элементов, подготавливаемых к контакту. Благодаря этому открывается полный доступ к месту сварки и обеспечивается максимально эффективное проваривание плоскостей на всю толщину.

Среди стыковых швов можно различить разные виды:

1. Односторонние и двухсторонние без распилки краев.
2. С односторонней или двухсторонней распилкой одного из краев.
3. С односторонней распилкой обоих краев.
4. Распилкой V или X-вида.
5. Двухсторонней распилкой обоих краев.

Угловой тип соединений применяют, когда нужна сварка угловых швов. В изготовлении таких соединений используются угловые швы. Разделить их можно по беспрерывности и по зазору.

Дополнить вышеуказанные виды можно еще разновидностью, относящейся и к стыковым, и к угловым. Таковыми служат пробочные и прорезные разновидности. Прорезной тип используется, когда нужно верхний пласт, а возможно, и нижележащие, проплавить до основного элемента. В контакте утолщенных пластов прорезные швы и соединения выполняются по изготовленным жерлам. В таком виде они будут называться “пробочными” или в случае дуговой сварки «электрозаклепкой».

Вернуться к оглавлению

Различные виды сварочных швов

Различия сварки и виды сварочных швов по пребыванию в пространстве:

• сварка горизонтальных швов;
• сварка потолочных швов;
• нижние швы.

Применяется при сварочных работах, находящихся снизу на ровной плоскости. Они технически простейшие по исполнению. Высокая прочность стыков объясняется удобными условиями, в которых растопленный металл под своим весом устремляется в сварную ванну, которая расположена горизонтально. Эта работа самая легкая в исполнении и за ней легко уследить. В нахлесточных структурах угольные в нижней позиции выполняются непрерывными, без производства поперечных колебаний.

Горизонтальные сварные швы. Ход сваривания горизонтальных точек связан с некоторыми трудностями. В ходе сваривания поперечным швом на вертикальной поверхности расплавленный металл может стекать на нижний край. Как следствие на верхнем краю может появиться подрез. Использование этого способа в сваривании угольных точек, производимых в горизонтальном расположении, довольно простое и не вызывает каких-либо затруднений. Сама работа похожа на сварочные работы в нижнем расположении и зависит от требуемого шва.

Вертикальные сварочные швы. В сварке вертикально стоящих деталей расположенный снизу металл призван удерживать плавящийся металл сверху, но при этом он получается грубым и в виде чешуи. Значительно сложнее получить качественное соединение при работе, направленной вниз. Сварка вертикальных швов в стоячей плоскости возможна лишь в ориентации снизу вверх и наоборот.

Потолочные швы. Сложнейший по исполнению вид сварных работ. В процессе работы затруднено выделение газов и шлаков, а также сложно расплав удерживать от стекания и добиваться прочности точки. Но несмотря на соблюдение всех техник потолочной сварки, швы все равно уступают по надежности сварочным швам, исполненным в остальных позициях.

Классификация особенностей сварных соединений по очертанию:

• сварка продольных швов;
• создание кольцевых швов.

Для выполнения продольного типа сварочных работ требуется провести доскональную подготовку металла в точке предполагаемой сварки. Поверхности деталей должны быть очищены от заусениц, кромок и неровностей. В работе продольной сварки шов возможен только при полной очистке и обезжиривании требуемых поверхностей.

Кольцевые сварные швы. Сварные работы по окружностям требуют большой аккуратности и точности, тут же необходима калибровка сварочных токов, особенно при работе с малыми диаметрами.

Сварка кольцевых швов различается по очертанию. Они бывают:

• выпуклые;
• вогнутые;
• плоские.

Вернуться к оглавлению

Геометрия сварочных швов

Основными геометрическими параметрами являются: ширина, изогнутость, выпуклость и корень стыка.

Шириной называется зазор между обозримо различными гранями сплавления металлов. Изогнутость – это зазор промеж площади, протекающей по обозримым граням точки сварки и определенного металла в точке предельной вогнутости.

Для измерения выпуклости определяется зазор относительно уровней, протекающий по обозримым граням шва и основного металла в точке предельной выпуклости. Корень – это предельно отдаленная от профильного уровня грань, которая фактически является его обратной стороной.

Можно разделить такие швы по размерным нормам:

• катет;
• толщина;
• расчетная высота.

В угловом сварном шве для угловой сварки длина от уровня первой свариваемой детали до края шва на следующей детали и есть катет угольного шва. Катет относится к важным характеристикам, которые необходимо соблюдать в ходе сварных работ. При простых угольных соединениях с единым размером катет шва задается размером его краев. В сваривании тавровых конструкций катет имеет фиксированную величину, при этом используют единую размерность материалов. А при применении в сварных работах тавровых конструкций разной размерности он приравнивается к толщине более тонкого металла. Катет должен иметь правильные размеры для достижения максимальной крепости соединения, если пользоваться слишком большим катетом, то возможны сварные дефекты.

Начинающим можно упростить работу с деталями, расположив их для сварки «в лодочку». При сварке “в лодочку” сокращается вероятность появления подрезов, и замок получится прочнее.

Толщина угольного шва – это предельное удаление от его уровня до контакта предельного проплавления основного металла.

Что нужно помнить при сварке угловых соединений? Для угловых швов благоприятной считается вогнутая форма уровня с плавным переходом к основе. Это связано с проблематичностью проварки в угольных швах корня на всю толщину. В большинстве вариантов катет и толщину замеряют определенными лекалами.

Чтобы получить максимально прочное соединение, нужно ссылаться на множество факторов. Их учитывают при определении типа соединения в зависимости от необходимых характеристик свариваемых изделий.

В процессе выполнения сварочных работ получаются различные соединения. Сварочные швы способны соединять не только металлы, но и другие разнородные материалы. Состыкованные в неразъемный узел элементы представляют собой соединение, которое можно разграничить на несколько участков.

Зоны сварочного соединения

Соединение, полученное в процессе сварки, разбивают на такие зоны:

• Место сплавления - граница между основным металлом и металлом полученного шва. В этой зоне находятся зерна, которые отличаются по своей структуре от состояния основного металла. Происходит это из-за частичного расплавления во время сварочного процесса.
• Область термического влияния - зона основного металла, которая не подверглась оплавлению, хотя в процессе нагрева металла структура ее была изменена.
• Сварочный шов - участок, который образовался во время кристаллизации в процессе остывания металла.

Типы сварочных соединений

В зависимости от расположения стыкуемых изделий друг относительно друга соединения делятся на такие типы:

1. Встык. Состыковка элементов конструкции осуществляется в одной плоскости торцами друг к другу. В зависимости от различной толщины соединяемых деталей торцы могут относительно друг друга вертикально смещаться.
2. Угловое соединение. В этом случае совмещение торцов производится под углом. Сварочный процесс осуществляется на примыкающих краях деталей.
3. Соединение внахлест. Детали под сварку расположены параллельно с частичным перекрытием.
4. Торцевое соединение. Свариваемые элементы совмещены параллельно друг другу и состыкованы по торцам.
5. Тавровое соединение. В этом случае торец одной детали примыкает к боковой части другой под углом.

Сварочные соединения также характеризуют виды сварочных швов, квалифицировать которые можно по некоторым признакам.

Показатели сварного шва

Существует несколько параметров, по которым можно охарактеризовать все полученные сварочные швы:

• ширина - это размер между границами шва, которые прорисовываются видимыми линиями сплавления;
• корень шва - обратная его сторона, которая находится в максимальной удаленности от лицевой части;
• выпуклость - определяется в наиболее выпуклой части шва и обозначается расстоянием от плоскости основного металла до границы наибольшего выступа;
• вогнутость - этот показатель актуален, если имеет место в сварном шве, потому что, по сути, является дефектом; определяется данный параметр в том месте, где шов имеет наибольший прогиб - от него до плоскости основного металла измеряется размер вогнутости;
• катет шва - он имеет место только в угловом и тавровом соединении; измеряется этот показатель наименьшим расстоянием от боковой поверхности одной свариваемой детали до ограничительной линии шва на поверхности второй.

Виды швов по способу выполнения

Виды сварочных швов по пространственному положению и протяженности

Различают такие положения сварки:

• нижнее, когда свариваемый шов находится в нижней горизонтальной плоскости, т. е. под углом 0º относительно земли;
• горизонтальное, направление сварки ведется горизонтально, а деталь может находиться под углом от 0º до 60º;
• вертикальное, в этом положении свариваемая поверхность находится в плоскости от 60º до 120º, и сварка ведется в вертикальном направлении;
• потолочное, когда работа проводится под углом 120-180º, то есть сварочные швы расположены над мастером;
• "в лодочку", это положение относится только к угловым или тавровым соединениям, деталь выставляется под наклоном, и сварка ведется «в угол».

Разбивка по протяженности:

• непрерывные, так выполняются практически все швы, но бывают и исключения;
• прерывистые швы, они имеют место только в угловых соединениях; двухсторонние швы такого типа могут выполняться как в шахматном, так и в цепном порядке.

Разделка кромок

Эта конструктивная особенность применяется в том случае, когда толщина металла, используемого для сварки, больше размера 7 мм. Разделка кромок - это удаление металла с кромок в определенной форме. Данный процесс выполняется при однопроходной сварке стыковых швов. Это необходимо для того, чтобы получить правильный сварочный шов. Что касается толстого материала, разделка необходима для того, чтобы проплавить первоначально корневой проход и затем следующими наплавляемыми валиками, равномерно заполняя полость, проварить металл по всей толщине.

Разделку кромок можно выполнять, если толщина металла не меньше 3 мм. Потому что более низкое ее значение приведет к прожогам. Разделка характеризуется такими конструктивными параметрами: зазор - R; угол разделки кромок - α; притупление - с. Расположение этих параметров показывает чертеж сварочного шва.

Разделка кромок увеличивает количество расходных материалов. Поэтому данную величину всячески пытаются минимизировать. Она подразделяется на несколько видов по конструктивному исполнению:

• V-образная;
• X-образная;
• Y-образная;
• U-образная;
• щелевая.

Особенности разделки кромок

Для малых толщин свариваемого материала от 3 до 25 мм обычно применяется односторонняя V-образная разделка. Скос может выполняться на обоих торцах или на одном из них. Металл толщиной 12-60 мм целесообразно сваривать с двухсторонней X-образной разделкой. Угол α при разделке в X, V форме равен 60º, если скос выполняется только на одной кромке, тогда значение α будет равно 50º. Для толщины 20-60 мм наиболее экономным будет расход наплавляемого металла при U-образной разделке. Скос также может быть выполнен по одному или по обоим торцам. Притупление составит 1-2 мм, а значение зазора будет равно 2 мм. Для большой толщины металла (свыше 60 мм) самым эффективным способом будет щелевая разделка кромок. Для сварного соединения очень важна данная процедура, она влияет на несколько факторов шва:

Стандарты и ГОСТы

1. Ручная Сварочные швы и соединения по ГОСТу 5264-80 включают типы, конструктивные размеры для сварки, покрытые электродами во всех пространственных положениях. Сюда не входят только трубопроводы из стали.
2. Сварка стальных трубопроводов. ГОСТ 16037-80 - определяет основные типы, разделку кромок, конструктивные размеры при механизированном способе сваривания.
3. Сварка трубопроводов из меди и медно-никелевых сплавов. ГОСТ 16038-80.
4. Дуговая сварка алюминия. ГОСТ 14806-80 - форма, размеры, подготовка кромок для ручной и механизированной сварки алюминия и его сплавов, процесс выполняется в защитной среде.
5. Под флюсом. ГОСТ 8713-79 - сварочные швы и соединения выполняются автоматической или механизированной сваркой на весу, на флюсовой подушке. Распространяется на толщину металла от 1,5 до 160 мм.
6. в ГОСТ 27580-88 - стандарт на ручную, полуавтоматическую и Она выполняется неплавящимся электродом в инертных газах с присадочным материалом и распространяется на толщину алюминия от 0,8 до 60 мм.

Обозначение сварочного шва

Согласно нормативным документам наличие сварочных швов показывается на или на общем виде. Изображаются сварочные швы сплошными линиями, если они видимые. А если наоборот - то штриховыми отрезками. От данных линий отводятся выноски с односторонними стрелками. Условное обозначение сварочных швов выполняется на полке от выноски. Надпись делается над полкой, если шов находится на лицевой стороне. В обратном варианте обозначение будет находиться под полкой. Сюда включается информация о шве в такой последовательности:

• Вспомогательные знаки. На пересечении выноски с полкой может стоять значок:

○ - замкнутый шов;

┐ - сварка шва производится при монтаже.

• Обозначение сварочных швов, их конструктивных элементов и ГОСТ соединения.
• Наименование шва по стандарту.
• Способ сварки по нормативным стандартам.
• Указывается катет, этот пункт касается только угловых соединений.
• Прерывистость шва, если таковая имеет место. Здесь указывается шаг и расположение отрезков сварки.
• Дополнительные значки вспомогательного значения. Рассмотрим их отдельным пунктом.

Вспомогательные обозначения

Эти знаки также наносятся сверху полки, если сварочный шов на чертеже видимый, и под ней, когда невидимый:

• ---снятие усиления шва;
• обработка поверхности, которая обеспечит плавный переход к основному металлу, исключив наплывы и неровности;
• шов выполняется по незамкнутой линии; этот знак применяется только к видимым на чертеже сварочным швам;
• чистота обработки поверхности сварного соединения.

Для упрощения, если все швы конструкции выполнены по одному ГОСТу, имеют одинаковые разделки кромок и конструктивные размеры, обозначение и стандарт на сварку указываются в технических требованиях. В конструкции могут быть не все, но большое количество одинаковых швов. Тогда их разбивают по группам и присваивают им порядковые номера в каждой группе в отдельности. На одном шве указывают полное обозначение. На остальных ставят только порядковые номера. Количество групп и число швов в каждой из них должно быть указано в нормативной документации.