Сварным соединением называют участок конструкции, в котором отдельные её элементы соединены с помощью сварки. Сварное соединение состоит из сварного шва, прилегающей к ней зоне основного металла с изменениями структуры и свойств в результате термического действия сварки (зона термического влияния) и примыкающие к ней участки основного металла. При сварке плавлением в сварном соединении (рис. 1) формируются различные участки, нагретые до различных температур, и отличающихся физическими, химическими и механическими свойствами.

Сварной шов представляет собой закристаллизовавшийся металл, который в процессе сварки находился в расплавленном состоянии.

Сварной шов как связующая часть соединяемых элементов определяет геометрическую форму, монолитность, прочность и другие свойства металла. Свойства сварного соединения определяются свойствами металла самого шва и зоны основного металла, прилегающего к шву, с измененной структурой. Необходимо учитывать и некоторую часть основного металла, прилегающую к зоне термического влияния и определяющую концентрацию напряжений в месте перехода от металла шва к основному металлу и пластических деформаций в зоне термического влияния, что отражается на характере и распределении усилий, действующих в сварном соединении.

Классификация сварных соединений

Различают следующие типы сварных соединений:

Данная классификация соединений подразумевает расположение свариваемых элементов в одной плоскости, под углом 90° и также расположение соединяемых деталей под острыми и тупыми углами.

По форме сопряжения свариваемых элементов можно выделить следующие основные типы сварных соединений: стыковые (рис. 2), тавровые (рис. 3), угловые (рис. 4), нахлесточные (рис. 5). Также можно в отдельную группу отнести торцевые соединения, применение которых весьма ограничено, рис. 6.

С помощью стыковых швов образуют в основном стыковые соединения, с помощью угловых швов формируют тавровые, угловые и нахлесточные соединения, с помощью электрозаклёпочных и прорезных швов могут быть образованы лишь нахлесточные, но иногда можно сформировать тавровые сварные 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 (рис. 7): без разделки кромок — односторонние и двусторонние; с отбортовкой кромок; с разделкой одной кромки — односторонний, двусторонний; с прямолинейной или криволинейной формой разделки; с односторонней разделкой двух промок; с V-образной разделкой; с двусторонней разделкой двух кромок; Х-образной разделкой. Разделка может быть образована прямыми линиями (скос кромок) либо иметь криволинейную форму, U-образная разделка.

Угловые швы различают по форме подготовки свариваемых кромок в поперечном сечении и сплошности шва по длине.

По форме поперечного сечения швы могут быть без разделки кромок, с односторонней разделкой кромок, с двусторонней разделкой кромок. Тавровые, нахлесточные и угловые соединения могут быть выполнены отрезками швов небольшой протяжённости — точечными швами.

Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют четыре основных конструктивных элемента (рис. 8): зазор — b, притупление — c, угол скоса кромки — β и угол разделки кромок — α, равный β или 2β. Размеры и предельные отклонения указанных параметров регламентируются стандартами на сварные швы и соединения почти для всех способов сварки, указанные в разделе обозначение сварных соединений.

При сварке металла большой толщины необходимо разделывать кромки. Угол скоса кромки обеспечивает определённую величину угла разделки кромок, что необходимо для доступа дуги в глубь соединения и полного проплавления кромок на всю их толщину.

Для всех типов швов важны полный провар кромок соединяемых элементов и внешняя форма шва, как с лицевой стороны, так и с обратной стороны, форма обратного валика. В стыковых, особенно односторонних швах трудно проваривать кромки притупления на всю их толщину без специальных приёмов, предупреждающих прожог и обеспечивающих хорошее формирование обратного валика. Для выполнения этих работ сварщики должны иметь высокую квалификацию.

Важное значение имеет образование плавного перехода металла лицевого и обратного валиков к основному металлу, так как это обеспечивает высокую прочность соединения при действии динамических нагрузок. 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 и знакопеременных нагрузках. При этом действительное значение расчётного катета должно быть не менее допустимого значения. В противном случае шов будет ослаблен и снижена несущая способность сварного соединения

Обозначения сварных швов

Обозначение сварного соединения производится на сборочных чертежах и чертежах общего вида. Если вам понадобиться любая помощь по чертежам сварных конструкций, можете обращаться сюда. Согласно ГОСТ 2.312-72, сварные швы всех типов изображают сплошными линиями или штриховыми линиями. К изображениям сварных швов подводят линии-выноски, оканчивающиеся односторонними стрелками. Линии-выноски предпочтительно проводить от видимого шва (рис. 9). Условное обозначение шва наносят над полкой линии - выноски и под полкой – для шва, выполненного на оборотной или невидимой стороне.

Расшифровка позиций:

1 - шов по замкнутой линии или шов выполнить при монтаже изделия.

2 - обозначение стандарта на типы и конструктивные элементы швов сварных соединений:

Список стандартов, используемых при соединении металлов с помощью сварки, обширен, а использование конкретного стандарта определяется исходя из применяемого способа сварки. Не имеют специального стандарта соединения, выполненные газовой сваркой.

3 - буквенно-цифровое обозначение шва по стандарту на типы и конструктивные элементы швов сварных соединений. Возможные буквы проставляются по первой букве типа соединения: С, Т, Н, У. После буквы в обязательном порядке должна быть проставлена цифра, указывающая конструктивные элементы подготовки свариваемых кромок и конкретные условия выполнения сварного соединения.

4 - условное обозначение способа сварки по стандарту на типы и конструктивные элементы швов сварных соединений. Данную позицию допускается не проставлять, когда из стандарта понятно, что за способ сварки при этом используется.

5 - для угловых швов в данной позиции проставляется катет шва.

6 - для прерывистых швов указывается длина провариваемого участка.

7 - указывается вид прерывистости соединения и шаг проставления швов.

8 - показывают вспомогательные знаки:

9 - показывают вспомогательные знаки, относящиеся к обратной стороне сварного шва:

Если указанные знаки стоят под линией выноски, то они относятся к обратной стороне шва. Возникают случаи, когда сварной шов видимый, но его необходимо выполнить с невидимой стороны, при этом основная надпись обозначения сварного шва записывается под линией-выноской. Для более удобного чтения чертежа используется ряд упрощений при обозначении сварных швов и соединений.

Применяя при изготовлении сварной конструкции один способ сварки и форму подготовки кромок по одному стандарту, допускается в структуре условного обозначения не проставлять стандарт на основные типы, конструктивные элементы и размеры швов. При этом стандарт на сварку указывают на чертеже в технических требованиях на изготовление данной конструкции. Нестандартный сварной шов изображается с указанием размеров конструктивных элементов, необходимых для его выполнения, а конструктивные элементы кромок в границах шва – сплошными тонкими линиями (рис. 10). В технических требованиях указывают способ сварки.

Дефекты сварных соединений

В процессе сварки в металле шва и в зоне термического влияния могут возникать различные дефекты, которые снижают прочность соединения, приводят к не герметичности швов и снижению эксплуатационной надежности изделия.

По расположению в сварном соединении дефекты делятся на наружные и внутренние. К наружным относятся надрезы, наплывы, наружные трещины и газовые поры. Эти дефекты, как правило, могут быть выявлены при наружном осмотре.

Подрез представляет собой углубление на основном металле вдоль линии сплавления сварного шва с основным металлом (рис. 11, а). Обычно образование подреза связано с формированием большой сварочной ванны за счет большого сварочного тока.

Наплыв – это натекание металла шва на поверхность основного металла или ранее выполненного валика без сплавления с ним (рис. 11, б).

Непровар – местное несплавление вследствие неполного расплавления кромок свариваемых деталей (рис. 11, в, г). Место непровара заполнено шлаком который, заполняет образующееся при непроваре полости.

При дуговой сварке образование непровара связано с недостаточным сварочным током.

Непровар является одним из наиболее опасных дефектов при нагружении непровар является концентратором напряжений. Напряжения, возникающие в этом месте, могут в несколько раз превышать средние напряжения в изделии. Это приводит к разрушению изделия при нагрузках, значительно меньших, чем расчетные.

Кроме того, непровар часто сопровождается появлением трудно- выявляемых трещин в металле шва. Непровары обязательно устраняют подваркой дефектных участков.

Трещины – частичное местное разрушение в сварном шве и/или в околошовной зоне. При сварке трещины могут образовываться в процессе кристаллизации в процессе фазовых и структурных превращений в твердом состоянии.

Механизм образования горячих трещин заключается в следующем. Расплавленный металл шва после удаления источника нагрева начинает охлаждаться. При температуре ниже ликвидуса в расплаве начинают появляться кристаллы. По мере дальнейшего охлаждения объем, занимаемый кристаллитами, увеличивается, а сами кристаллиты объединяются в каркас, разделенный жидкими прослойками. В таком состоянии циркуляция жидкости между кристаллитами затруднена. Это приводит к снижению деформационной способности системы и опасности ее хрупкого разрушения за счет усадочных кристаллизационных напряжений. Разрушению способствует образование на границах кристаллитов выделений легкоплавких фаз, ослабляющих связи между растущими зернами. Склонность к образованию горячих трещин тем выше, чем шире температурный интервал кристаллизации и чем ниже металлургическое качество стали. Углерод расширяет интервал кристаллизации и усиливает склонность стали к образованию горячих трещин.

Холодные трещины образуются при охлаждении сварного шва ниже 200 - 300℃ преимущественно в зоне термического влияния. Процесс их образования имеет, как правило, замедленный характер, что делает их особо опасными. Причиной образования холодных трещин являются внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях в результате местной закалки стали. В низкоуглеродистых сталях, где объемный эффект мартенситного превращения мал, холодные трещины встречаются редко. С ростом содержания углерода фазовые напряжения увеличиваются, что способствует появлению холодных трещин.

В углеродистых сталях холодные трещины являются наиболее распространенным дефектом. Для оценки склонности легированных сталей к образованию холодных трещин используют значение углеродного эквивалента. Склонность к образованию горячих и холодных трещин определяет свариваемость металла – способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом. Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость.

Высокой свариваемостью обладают стали, у которых Сэкв ≤ 0,45%. В эту группу входят углеродистые стали Ст1 – Ст4, 05, 08, 10, 15, 20, 25, а также низколегированные стали 09Г2(Д), 14Г2, 17ГС и др., применяемые для изготовления различных металлоконструкций.

Поры - округлые или вытянутые полости, заполненные газом. Они могут быть микроскопическими и крупными. Поры образуются в швах или на границе сплавления с основным металлом. Склонность к образованию пор зависит от концентрации газа в сварочной ванне, растворимости его в твердом или жидком металле при температуре кристаллизации, скорости кристаллизации металла, коэффициента диффузии газа в жидком и твердом металлах.

Газовыделение связано с химическими реакциями в расплавленном металле. Из-за нерастворимости в железе СО в процессе реакции выделяется в виде пузырьков. Снижение растворимости газов по мере охлаждения сварочной ванны также является причиной образования пористости. При сварке строительных сталей основная причина образования пор - плохое раскисление сварочной ванны.

Неметаллические включения – это дефекты в виде инородных частиц в металле шва. Различают шлаковые, флюсовые, окисные и другие неметаллические включения.

Шлаковые включения образуются в результате плохой очистки кромок свариваемых деталей, а также недостаточно полного удаления шлака при многослойной сварке. При сварке плавлением основной металл и электрод плавятся, образуя жидкую ванну. В результате жидкофазного перемешивания компонентов и последующей кристаллизации формируется литая структура шва, химический состав которой отличается от состава основного металла. Можно выделить три вида ликвации: зональную, дендритную и гравитационную.

Зональная ликвация. может наблюдаться в объеме шва. По мере кристаллизации шва по направлению от границы сплавления к центру металл будет обогащаться различными примесями, поэтому химический состав литой структуры по сечению будет неодинаков. При сварке стали в центральной части шва может увеличиваться концентрация углерода и вредных примесей - серы и фосфора. Помимо зональной ликвации в структуре шва может наблюдаться дендритная ликвация – неоднородность химического состава по сечению зерна. Центр зерна будет обогащен более тугоплавкими элементами, а меж дендритное пространство, затвердевающее в последнюю очередь, будет содержать наибольшее количество легкоплавких примесей.

При сварке плавлением металлов, сильно отличающихся по плотности, возможна гравитационная ликвация. Верхняя часть шва будет обогащена более легкими компонентами, а нижняя более тяжелыми.

Надеюсь теперь вы разобрались с электронно-лучевой сваркой, как это устроено, достоинства и недостатки этого процесса. Так же если вас интересуют образовательно-обучающие видео заходите на наш YouTube канал.