Какие материалы соединяют сваркой

Обновлено: 20.09.2024

Сваркой называют технологический процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми заготовками при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Это позволяет в результате сварки получить непрерывность структуры соединяемых металлических изделий. Сварочные процессы применяют для изготовления разнообразных конструкций, исправления брака литья, восстановления поломанных и изношенных деталей (ГОСТ Р ИСО 857-1–2009).

Существенным преимуществом сварки является плотность швов, обеспечивающая герметичность резервуаров, котлов, вагонов-цистерн, трубопроводов, корпусов судов. Сварка позволяет соединять элементы, имеющие различную толщину, и упрощать технологию изготовления сложных узлов и конструкций. Возможность механизации и автоматизации производственных процессов, высокое качество сварных соединений и рациональное использование металла сделали сварку прогрессивным высокопроизводительным и экономически выгодным технологическим процессом.

Сущность процесса сварки заключается в возникновении атомномолекулярных связей между контактирующими поверхностями. Для этого необходимо поверхности сблизить на расстояние, соизмеримое с атомным радиусом. В реальных условиях сближению поверхностей препятствуют микронеровности, окисные и органические пленки, адсорбированные газы. Для получения качественного соединения необходимо устранить причины, препятствующие сближению контактирующих поверхностей, и сообщить атомам твердого тела некоторую энергию для повышения энергии поверхностных атомов, которая называется энергией активации. Эта энергия может сообщаться в виде теплоты (термическая активация) и в виде упругопластической деформации (механическая активация).

В зависимости от типа активации образование связей между атомами соединяемых поверхностей происходит в твердой или жидкой фазах. В соответствии с этим все способы сварки можно разделить на две основные группы: сварка пластическим деформированием (давлением) и сварка плавлением.

Сварка давлением осуществляется приложением внешней силы и сопровождается пластическим деформированием сопрягаемых поверхностей, обычно без присадочного металла. При этой сварке сближение атомов и активация соединяемых поверхностей достигаются в результате совместной упругопластической деформации. В контактирующих слоях заготовок выравниваются микронеровности, разрушается адсорбированный слой и увеличивается число активных центров взаимодействия, атомы активизированных поверхностей вступают во взаимодействие, и между ними образуется металлическая связь.

Методы сварки давлением разделяются на две подгруппы – термомеханические и механические.

Сварку давлением можно проводить:

без предварительного нагрева места соединения (холодная, взрывом, ультразвуковая, трением), когда применяется только механическая энергия;
с предварительным нагревом (контактная, диффузионная, газопрессовая), когда наряду с механической, применяется и тепловая энергия от внешних или внутренних источников теплоты.

Предварительный нагрев до пластического состояния или до оплавления применяют для металлов и сплавов, обладающих повышенным сопротивлением пластическим деформациям в холодном состоянии, что затрудняет их совместное деформирование, так как требует больших давлений на единицу поверхности.

Нагрев металла при сварке давлением осуществляется либо за счет дополнительных энергетических затрат (пропускание тока, сжигание газов, индуктирование в деталях токов высокой частоты), либо за счет частичного преобразования сообщаемой энергии в тепловую.

Сварка плавлением осуществляется оплавлением свариваемых поверхностей без приложения внешней силы. Расплавляется либо только основной металл (заготовки) по кромкам, либо основной металл с дополнительным – электродным или присадочным.

Расплавленный металл заготовок с дополнительным образуют общую сварочную ванну. При этом достигается разрушение окисных пленок, покрывающих поверхность соединяемых элементов, и сближение атомов до расстояния, при котором возникают металлические связи. После кристаллизации металла образуется сварной шов, имеющий литую структуру.

Для расплавления основного и электродного (или присадочного) металлов применяют источники теплоты с температурой не ниже 3 000 °С.

В зависимости от характера источника теплоты различают электрическую и химическую сварку плавлением.

При электрической сварке плавлением источником теплоты служит электрический ток. Существуют следующие виды электрической сварки плавлением:

дуговая, при которой нагрев осуществляется электрической дугой;
плазменная, при которой нагрев осуществляется сжатой дугой;
электрошлаковая, при которой нагрев и плавление металла осуществляются за счет термической энергии, выделяемой шлаком при прохождении через него электрического тока;
лучевые способы сварки, к которым относятся лазерная и электронно-лучевая сварки. При лазерной сварке для нагрева используется монохроматический когерентный луч, а при электронно-лучевой сварке – сфокусированный электронный луч;
газовая сварка, где в качестве источника теплоты используют экзотермическую реакцию горения горючего газа или смеси горючих газов и кислорода.

Свариваемость – свойство металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Понятие свариваемости часто применяют при сравнительной оценке существующих и разработке новых материалов.

Свариваемость материалов оценивают степенью соответствия заданных свойств сварного соединения одноименным свойствам основного металла и их склонностью к образованию таких сварочных дефектов, как трещины, поры, шлаковые включения и др. По этим признакам материалы разделяют на хорошо, удовлетворительно и плохо сваривающиеся. Многие разнородные материалы, особенно металлы с неметаллами, не вступают во взаимодействие друг с другом. Такие материалы относятся к числу практически несваривающихся.

Свариваемость материалов в основном определяется типом и свойствами структуры, возникающей в сварном соединении при сварке. При сварке однородных металлов и сплавов в месте соединения, как правило, образуется структура, идентичная или близкая структуре соединяемых заготовок. Этому случаю соответствует хорошая свариваемость материалов.

При сварке разнородных материалов, в зависимости от различия их физико-химических свойств, в месте соединения образуется твердый раствор с решеткой одного из материалов либо химическое или интерметаллидное соединение с решеткой, отличающейся от решеток исходных материалов. Механические и физические свойства твердых растворов, особенно химических или интерметаллидных соединений, могут значительно отличаться от свойств соединяемых материалов. Такие материалы относятся к удовлетворительно сваривающимся.

Если образуются хрупкие и твердые структурные составляющие в сварном соединении, то в условиях действия сварочных напряжений возможно возникновение трещин в шве или околошовной зоне. В последнем случае материалы относятся к категории плохо сваривающихся.

Свариваемость, с одной стороны, зависит от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, а с другой — от эксплуатационных свойств сварной конструкции, которые определяются предъявляемыми к ним техническими требованиями. Это может быть одно свойство или комплекс свойств, в зависимости от назначения конструкции. Если эксплуатационные требования удовлетворяются, то свариваемость материалов считается достаточной. Если не обеспечивается хотя бы одно из этих свойств, то свариваемость материала считается недостаточной.

Для исследования свариваемости, как правило, применяют сварные образцы специальной конструкции или образцы с имитацией сварочных циклов. В результате испытания сварных образцов определяются условия появления дефектов, механические и специальные свойства соединений. Наряду с экспериментальными используют расчетные методы определения показателей свариваемости, учитывающие химический состав, тип соединения, вид, режим сварки и другие факторы.

В каждом конкретном случае основные показатели выбирают с учетом того, какие свойства и характеристики связаны с наиболее частыми отказами сварных соединений при эксплуатации.

При сварке однородных металлов в месте соединения, как правило, образуется структура, близкая к структуре соединяемых заготовок. В этом случае свариваемость оценивается как хорошая или удовлетворительная. В процессе сварки разнородных материалов в зависимости от степени их взаимной растворимости в соединении могут образовываться твердые растворы, химические и интерметаллические соединения. Механические и физические свойства соединений могут существенно отличаться от свойств свариваемых материалов. При этом высока вероятность образования несплошностей в виде трещин и несплавлений. Свариваемость в этом случае оценивается как ограниченная или плохая.

Рис. 1. Неоднородность механических свойств различных зон сварного соединения легированной стали: 1 — основной металл; 2 — шов с литой структурой; 3 — зона термического влияния

Прочность и твердость шва при сварке сплавов, как правило, ниже, чем у основного материала. Это объясняется тем, что для предотвращения образования трещин при сварке плавлением применяют менее легированный присадочный материал, чем металл заготовок. Пониженная пластичность шва также может быть обусловлена крупнокристаллической литой макроструктурой (рис. 1) и повышенным содержанием газов.

Типы сварных соединений и классификация 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. Основные элементы сварного шва: 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.

Виды сварных соединений и швов

Нередко причиной брака у начинающих сварщиков становится неправильно выбранные сварные соединения. Что неудивительно, так как со дня проведения первой сварки было разработано больше сотни разновидностей. В них несложно разобраться, поскольку сварные швы и соединения объединены в несколько групп по технике выполнения, положению деталей и другим признакам.

Что такое сварочное соединение

Новички ошибочно полагают, что понятия сварной шов и соединение равноценны. На самом деле шов ― это место стыковки двух заготовок расплавленным металлом с последующим охлаждением. Сварное соединение ― это три участка, которые подверглись действию высокой температуры. К ним относят:

Один или несколько швов, которые образуются при плавлении только основного или с добавлением присадочного металла.
Зону сплавления, расположенную между сварным швом и основным металлом деталей. Она не нагревается до температуры плавления, но может насыщаться элементами, которые вводят в сварочную ванну электродами или флюсом. Поэтому по составу отличается от основного металла.
Зону термического воздействия. Это полоса, примыкающая к зоне сплавления, где под действием температуры изменились свойства металла.

Схема сварного соединения: 1 — сварной шов; 2 — зона сплавления; 3 — зона термического влияния; 4 — основной металл

Важно не путать два абсолютно разных понятия — сварочный шов и сварное соединение!

Сварочный шов ― это место стыковки двух заготовок расплавленным металлом с последующим охлаждением. Сварное соединение ― это три участка, которые подверглись действию высокой температуры.

Виды сварных соединений

В зависимости от того как расположены заготовки между собой к основным видам сварочных соединений относят:

стыковые;
угловые;
нахлесточные;
тавровые;
торцевые.

Стыковые

Самые простые по выполнению швы даже для начинающих сварщиков. Ими соединяют заготовки, примыкающие друг к другу торцами, размещенные в одной плоскости или на ровной поверхности. При сварке деталей с разной толщиной допускается смещение поверхностей. Стыковым способом сваривают конструкции из листового проката, резервуары, трубы. Сравнительно с другими сварными соединениями сокращаются сроки выполнения работы и расход материалов, но нужно тщательно подготавливать кромки.

Угловые

Это сварные соединения двух металлических деталей под любым углом. Если заготовки разной толщины, толстостенную размещают снизу, чтобы на тонкой не появились прожиги и подрезы, сварочную ванну создают за счет плавления металла толстой заготовки. Для повышения прочности соединения швы накладывают с обеих сторон. Внутренний угол сваривают малым током, чтобы снаружи не образовалось закругление.

Угловые сварные соединения удобно выполнять способом «в лодочку». Заготовки прихватывают под нужным углом, затем устанавливают так, как будто это плывущий кораблик. После расплавления металл будет равномерно растекаться по обеим сторонам без образования дефектов.

Угловым способом сваривают каркасы небольших строений, емкости, навесы, кузова грузовиков. Кроме этого устанавливают детали конструкций в труднодоступных местах.

Нахлесточные

Такими сварными швами соединяют параллельно расположенные металлические пластины, которые наложены одна на другую с небольшим перекрытием. Для повышения прочности на разрыв и предотвращения проникновения влаги внутрь сварку выполняют с обеих сторон. Этим способом можно соединять листы толщиной до 12 мм. Для выполнения нахлесточных соединений от сварщика не требуется высокая квалификация, так как нет опасности прожога и не нужно подготавливать кромки. Недостатком считают повышенный расход металла.

Тавровые

Это сварное соединение торца одной детали с боковой поверхностью другой под прямым или небольшим углом. Если толщина заготовки больше 4 мм сварка проводится с обеих сторон с тщательной подготовкой кромок вертикальной пластины. Тавровые соединения применяют преимущественно при сборке несущих конструкций. Поэтому, если есть возможность изменения положения, сварку ответственных узлов лучше выполнять «в лодочку».

Торцевые

При выполнении таких соединений сваривают торцы заготовок, которые плотно примыкают одна к другой или расходятся от места стыка под углом не больше 30⁰. Способ применяют при производстве кожухов, вентиляционных коробов, контейнеров, металлических шкафов и пр. К достоинствам торцевого типа сварочных соединений относят низкую вероятность образования прожогов и внутренних напряжений, вызывающих деформацию. Недостатками считают завышенный расход материала и появление коррозии при проникновении воды между листами через дефекты шва.

Выбор сварного соединения зависит от расположения заготовок относительно друга друга.

Классификация сварных швов

Даже в одном типе соединения сварочные швы могут отличаться по конфигурации, протяженности, технологии и т. д. Поэтому в нормативных документах они сгруппированы по параметрам.

По положению в пространстве

По пространственному положению сварные швы могут быть:

Нижними, когда стык находится внизу относительно сварщика. Расплавленный металл не вытекает из сварочной ванны, а шлак и газы беспрепятственно поднимаются на поверхность. При сварке электрод или пламя горелки ведут вдоль стыка с небольшими поперечными движениями.
Горизонтальными, если сваривают вертикально установленные детали справа налево или наоборот. Для предотвращения стекания металла нижнюю заготовку смещают на 1 мм, чтобы получился уступ. После завершения работы разница будет незаметна. Важно не ошибиться со скоростью сварки, поскольку при медленном перемещении дуги или пламени горелки появятся потеки, а при быстром ― непровары.
Вертикальными, когда вертикально установленные детали соединяют сверху вниз или в обратном направлении. Для удержания расплава в сварочной ванне сварку ведут снизу вверх прерывистой дугой на малом токе.
Потолочными, если стык расположен над головой мастера. Расплавленный металл удерживается поверхностным натяжением.

По конфигурации

В эту группу занесены три вида сварочных швов, которые зависят от формы стыков. Они бывают прямолинейными, криволинейными, кольцевыми (спиральными). Конфигурация швов не зависит от пространственного положения заготовок.

По степени выпуклости

По форме поперечного сечения сварные швы квалифицируют как:

Выпуклые (усиленные). Используют для сборки узлов эксплуатируемых с большой статической нагрузкой.
Вогнутые (ослабленные). Используют при сварке тонкого металла.
Нормальные (плоские). Хорошо противостоят динамическим и разнонаправленным воздействиям.
Специальные в виде неравнобедренных треугольников применяют в угловых и тавровых соединениях, на которые действуют переменные нагрузки.

По протяженности

В эту классификацию входят сплошные и прерывистые сварные швы, которые выполняют отрезками по 10 — 30 см, но учитывается суммарная протяженность соединения. По расположению отрезков сварки прерывистые типы называют:

цепными одно или двухсторонними, если разрывы равномерно расположены по обе стороны заготовки;
шахматными двухсторонними, когда отрезки сварки на одной стороне сдвинуты относительно участков на другой;
точечными при контактной сварке.

В зависимости от длины сварные швы относят к трем категориям:

короткие ― до 25 см;
средние ― 25 — 100 см;
длинные ― больше 1 м.

По количеству проходов

Независимо от типа сварочные швы выполняют одним или несколькими проходами. Выбор варианта определяется толщиной металла и необходимой прочностью. При каждом проходе наплавляется один валик. Если их расположить на одном уровне образуется слой сварного шва.

Детали толщиной до 5 мм соединяют однопроходными швами. Угловые соединения из заготовок со стенками 6 — 8 мм сваривают одним слоем, а стыковые двумя. Многослойные швы используют при работе с толстостенными элементами и для предотвращения термических деформаций.

Типы сварных швов по количеству проходов: а) однослойный, однопроходной; б) многослойный; в) многопроходной

По направлению действующего усилия и вектору действия внешних сил

По этим критериям соединения и швы подразделяются на 4 вида:

продольный (фланговый) ― усилие параллельно стыку;
поперечный (лобовой) ― вектор направлен под углом 90⁰;
комбинированный ― сочетает признаки предыдущих;
косой ― направление усилия меньше 90⁰.

По виду сварки

Классификацию по этому критерию проводят по типу сварочного аппарата, который создает условия для выполнения сварки. Из длинного списка технологий можно выделить основные виды;

ручная электродуговая;
автоматическая;
в среде инертных газов;
плазменная;
лазерная;
газопламенная.

Требования к сварным швам

Требования к швам зависят от условий эксплуатации, видов нагрузки, свойств металла, технологии сварки и пр. Для их классификации по конкретным условиям были разработаны ГОСТы. Например, требования к соединениям ручной сварки приведены в ГОСТ 5264-80.

К общим для всех швов независимо от условий относят:

прочность;
надежность;
долговечность;
стойкость к коррозии и агрессивным веществам.

Чтобы шов был качественным, необходимо соблюдать технологию подготовки металла и выполнения сварки.

О длине и толщине швов в зависимости от особенностей конструкции и марки металла, методах проверки качества и т. д. можно узнать из тематических СНиПов, которые нетрудно найти в свободном доступе. Полученные сведения можно использовать как шпаргалку при выполнении сложной работы.

Что влияет на качество сварного соединения

Качество соединения сваркой зависит не только от соблюдения технологии, но и от подготовки деталей. Даже форма кромок влияет на качество соединения. Независимо от вида соединения подготовку проводят в следующем порядке:

зону шириной не меньше 20 мм от линии стыка очищают от грязи и коррозии;
на кромках, если толщина металла больше 3 мм, снимают фаски, оставляя притупление;
устанавливают зазор между деталями.

Зависимость угла разделки, величины притупления и зазора от толщины металла показана в таблице:

Знание основных видов соединений и принципов их применения поможет правильно выбирать сварочный шов нужного типа для каждого конкретного случая. Для повышения квалификации полезно следить за технологическими новостями, чтобы не пропустить появление новых сплавов и методов сварки.

Что такое сварка и какие виды бывают

В промышленности, строительстве и при ремонте используются различные способы стыковки деталей конструкций. Наибольшее распространение получили разнообразные виды сварки, которыми скрепляют не только однотипные и разнородные металлы, но также стекло, пластик, керамику. Популярность технологии объясняется высокой прочностью и надежностью соединений.

Определение процесса сварки

Независимо от вида, сваркой называют технологию создания неразъемных соединений путем нагрева, деформирования или комбинированием обоих методов. Сущность сварки заключается в том, что под действием внешнего источника энергии (тепла, давления) между соединяемыми материалами образуются прочные связи на межатомном уровне. После кристаллизации в процессе остывания на стыке образуется сварочный шов. В зависимости от вида материала и условий проведения работы, это локальный или общий нагрев и деформирование стыкуемых поверхностей.

Классификация видов сварки

В зависимости от критериев, классификацию способов сварки выполняют по виду защиты расплавленного металла от кислорода воздуха, способу управления процессом, материалу и т. д. Также учитываются технологические особенности проведения сварочных работ. По способу воздействия на детали выделены три основных вида сварки:

Механическую проводят внешним давлением, под действием которого поверхности деформируются, что приводит к плотному соединению.
Термическую выполняют с применением дополнительных материалов, которые расплавляются теплом от источника энергии. Жидкий металл заполняет промежуток между заготовками, после остывания образуется прочное соединение.
При термомеханических (комбинированных) видах сварки детали подвергаются совместному воздействию тепла и давления. Для повышения пластичности детали предварительно нагревают, затем сжимают.

Термический класс сварки

Эти способы сварки выполняются с образованием сварочной ванны из расплавленного металла деталей и электрода или присадочного материала.

Дуговая

Тепло для локального плавления металла заготовок выделяется при горении электрической дуги между электродом и заготовками. Для зажигания кратковременно касаются электродом поверхности, затем отводят на расстояние 2 — 5 мм. Чем короче дуга, тем выше ее температура.

Для соединения деталей используют следующие методы сварки:

ручную, когда все манипуляции с электродом выполняет сварщик;
полуавтоматическую с подачей электродной проволоки механизмом, установленным в аппарате;
автоматическую, когда процесс выполняется по заданному алгоритму без вмешательства человека.

Дуговой вид выполняется плавящимися и неплавящимися угольными или вольфрамовыми электродами с введением присадочной проволоки в рабочую зону. Для защиты расплавленного металла от соприкосновения с воздухом механизированные способы проводят под флюсом или в среде инертного газа.

Газовая

В отличие от дугового вида при газовой сварке нагрев и охлаждение материала происходит более медленно. Поэтому этим методом проще сваривать тонкостенную сталь, цветные металлы, проводить наплавку. Независимость от электроэнергии позволяет работать в полевых условиях.

Стык нагревается факелом горелки, который образуется при сгорании в чистом кислороде ацетилена, пропана, водорода, паров бензина или керосина. Шов формируется за счет плавления присадочного материала. Для сварочных работ чаще используют ацетилен, температура пламени которого доходит до 3100⁰C. Похожая по принципу работы плазменная сварка выполняется струей ионизированного газа с температурой больше 10000⁰C.

Лучевая

Технология основана на плавлении материала деталей световым лучом лазера или потоком электронов, создаваемого электронной пушкой. Оба метода применяются преимущественно в радиоэлектронной отрасли для соединения и крепления микроэлементов. Чтобы луч не рассеивался, электронно-лучевая сварка проводится в вакуумной камере.

Лазерная сварка позволяет накладывать швы с высокой точностью. При этом, практически не нагреваются прилегающие поверхности, что исключает деформирование даже очень тонкого материала. Для работы в труднодоступных местах изменяют направление луча призмами. Процесс рекомендуется проводить в среде инертного газа.

Термитная

Для сварки этого вида используют порошкообразную смесь (термит), состоящую из алюминия, магния, окислов железа. При сгорании образуется тепло, которое расплавляет кромки заготовок. Расплавленный термит смешивается с металлом деталей, после кристаллизации образуется соединение.

Для запуска процесса термит дистанционно поджигают пиропатроном, электрическим разрядом, бикфордовым шнуром. Температура горения смеси достигает 2700⁰C, которой достаточно для сварки металлов распространенных видов. Термитным способом ремонтируют крупногабаритное оборудование, рельсы, сращивают провода на линиях электропередачи.

Электрошлаковая

Эта разновидность термической сварки применяется для соединения стали толщиной от 5 см до 3 м. Заготовки устанавливают вертикально, зазор между ними с обеих сторон закрывают подвижными ползунами из меди с водяным охлаждением. Снизу на поддон насыпают слой флюса, под которым зажигают дугу.

После расплавления флюса образовавшийся шлак становится электропроводным. Дуга гаснет, но проходящего через шлак тока хватает для плавления новых порций флюса, электрода и кромок. По мере остывания расплава в сварочной ванне ползуны постепенно передвигаются выше. Этим способом соединяют заготовки за один проход независимо от их толщины без образования трещин.

Термомеханический класс сварки

Комбинированными видами соединяют небольшие детали, если другими способами невозможно создать качественный шов. К термомеханическому классу относят следующие виды сварки:

кузнечную;
контактную;
диффузионную.

Кузнечная

Этим способом соединяли железные заготовки задолго до изобретения современных классов сварки. Заготовки нагревают в горне, кладут одна на другую, скрепляют ударами молота. Механизированный подвид, когда заготовки сдавливаются прессом, называют прессовой сваркой.

Качество соединения зависит от опытности мастера. Перечень металлов, которые можно сваривать этим методом, ограничен видами с хорошей пластичностью. Из-за малой производительности и низкой надежности соединения кузнечный вид сварки применяется редко.

Контактная

Металл нагревают током, проходящим через место соприкосновения заготовок, затем сжимают или осаживают. Этот вид легко автоматизируется, поэтому широко используется на предприятиях машиностроительной отрасли в составе роботизированных комплексов.

В зависимости от решаемых задач контактный вид сварки выполняют как:

Точечную, зажимая детали между электродами. После подачи тока в месте сдавливания образуется точечное соединение.
Стыковую с нагревом всей площади соприкосновения.
Рельефную с предварительным нанесением выступов (рельефов) на соединяемые плоскости. После подачи тока рельефы деформируются, поверхность выравнивается.
Шовную, когда детали соединяют внахлест роликовыми электродами.

Диффузионная

Технология основана на взаимном проникновении (диффузии) атомов материалов, если их плотно прижать один к другому. При нагреве скорость обмена частицами увеличивается. Сварку проводят в вакуумной камере или среде инертного газа. Детали сжимают с усилием не меньше 20 МПа, поверхностные слои нагревают электротоком до температуры близкой к точке плавления. Для надежного сцепления заготовки оставляют в этом положении на некоторое время, не отключая ток.

Механический класс сварки

Эти виды сварки выполняют за счет энергии трения, взрыва, давления, ультразвука. При их воздействии выделяется тепло, достаточное для плавления материала.

Трением

Технология входит в список перспективных разработок. Одну из соединяемых заготовок крепят неподвижно, другая, прижатая к ней, вращается. Подробная классификация сварки трением включает следующие подвиды:

С перемешиванием выполняется на оборудовании, оснащенном инструментом вращения с двумя элементами ― основанием (бурт) и наконечником (пин). Соединение создается методом выдавливания с последующим перемешиванием.
Радиальной стыкуют трубы, помещая вращающееся кольцо между торцами.
Штифтовой заделывают небольшие сквозные повреждения. На месте дырки просверливают круглое отверстие, в которое вставляют вращающийся штифт из такого же металла что и основной.
Линейная выполняется без вращения. Заготовки трут одна о другую пока не начнут плавиться стыкуемые поверхности, затем повышают усилие сдавливания.
При инерционном виде сварки заготовки двигают за счет энергии предварительно раскрученного маховика.

Холодная

В основу технологии заложен принцип сжатия деталей пуансонами с усилием 1 — 3 ГПа. Точечную сварку проводят стержнями, шовную роликами. Пуансон вдавливают в заготовку до образования пластической деформации, что способствует появлению межатомных связей и созданию соединения между деталями. Сварку выполняют простым сжатием или со сдвигом деталей после сдавливания. Прочность соединения зависит от качества подготовки места стыка, степени сжатия, характера воздействия (вибрационное либо статичное).

При соединении встык величину деформации ограничивают размером выступающих из зажимов частей заготовок. Чтобы предотвратить коробление листов при соединении внахлест, их закрепляют прижимами. После пластической деформации металл становится тверже, поэтому прочность шва выше, чем у заготовок.

Холодный вид соединения применяют для работы с алюминием, медью, цинком, серебром и другими металлами с низкой температурой плавления.

Взрывом

Для сварки этим способом над стационарной заготовкой под углом 3 — 10⁰ или параллельно с зазором 2 — 10 мм устанавливают подвижную (метаемую) деталь. На верхнюю пластину помещают равномерный слой взрывчатки с детонатором. Чтобы предотвратить боковой разлет металла, площадь подвижной заготовки делают больше чем у нижней.

После подрыва подвижная деталь под действием ударной волны с большой скоростью ударяется о нижнюю пластину. В месте соприкосновения образуется давление, значительно превышающее прочность металлов, при котором материал начинает течь как жидкость. В результате поверхности одновременно деформируются, создавая соединение. Длительность процесса не превышает миллионных долей секунды, поэтому диффузия происходит только в поверхностных слоях.

Несмотря на то, что до сих пор не разработана детальная методика этого вида, сварка взрывом получила широкое применение в промышленности для стыковки разнородных материалов. Таким способом получают биметаллические соединения, детали и заготовки больших размеров, наносят плакирующие слои толщиной до 45 мм.

Ультразвуковая

Такой вид сварки проводится преобразователем ультразвуковых волн в механические колебания в сочетании с небольшим давлением. При воздействии на поверхность сначала за счет сухого трения разрушается оксидная пленка, затем плавится материал. Поэтому нет необходимости в тщательной подготовке стыка. Для повышения прочности шва детали предварительно подогревают.

Помимо металлов, в том числе тугоплавких, этим видом соединяют пластик, кожу, ткани. Также доступно сваривание стекла и керамики с металлом, фольги толщиной 0,001 мм. При необходимости детали можно сваривать с металлической или пластмассовой прослойкой между ними.

В сварочном деле постоянно что-то меняется, улучшается, дорабатывается. Поэтому для повышения мастерства полезно знакомиться с новинками и тестировать на практике. Какие-то из них пригодятся профессиональным сварщикам, другие для домашних работ.

Соединения деталей сваркой

Соединение сваркой – неразъемное соединение, полученное в результате того, что в месте соединения деталей металл расплавляют и заполняют образовавшееся пространство присадочным расплавленным металлом. Полученная смесь металлов при застывании образует сварочный шов, который по механическим свойствам (на разрыв) может выдерживать большие нагрузки, чем свариваемые металлы.

Сварка может быть (рис. 1) электродуговой, газопламенной, электроконтактной и др.

Рис. 1. Виды сварки: а – дуговая; б – газовая; в – в среде защитных газов: 1 – электрическая дуга, 2 – плавящийся электрод, 3 – электрододержатель, 4 – присадочный материал, 5 – сварочная горелка, 6 – пламя, 7 – электрод, 8 – защитный газ, 9 – сопло горелки

1. Электроконтактная сварка

Видами контактной сварки являются точечная, шовная и стыковая. При точечной и шовной электросварке электрический ток пропускают через электроды, сжимающие листы, положенные внахлестку, а при стыковой – через листы, положенные встык. В процессе сварки электрод перемещается по поверхности соединяемых листов. Под электродом, в месте его прохождения, ток, проходя через металл, нагревает его, и листы свариваются.

Эти виды сварки очень экономичны и производительны, их применяют для соединения листовых изделий (рис. 2).

Рис. 2. Схемы электроконтактной сварки: а – точечной, б – шовной

2. Электродуговая сварка

При соединении деталей электродуговой сваркой (рис. 1, а) металл плавится под действием теплоты электрического тока, выделяемой вольтовой дугой. Для получения вольтовой дуги применяют аппараты постоянного и переменного тока.

Сварку деталей обычно выполняют на сварочном столе, поверхность которого выполнена из стального листа.

Процесс электросварки осуществляется следующим образом. В электрическую цепь к сварочной установке подключают к отрицательному полюсу поверхность стола со свариваемыми деталями; противоположным положительным полюсом является присадочный материал (электрод), который изготовляют из мягкой стальной проволоки диаметром 2-12 мм с содержанием углерода до 0,25 % и покрывают специальным флюсом для снижения окисляемости сварочного шва. При сварке электрод плавится под действием теплоты вольтовой дуги; расплавленный металл электрода заполняет кратер, образуемый вольтовой дугой. Температура дуги в момент сварки достигает 6700° С. Дуговая сварка дает возможность получить различные соединения и швы (рис. 3, табл. 1).

Рис. 3. Детали и сварные соединения: а – детали, подготовленные под сварку; б – соединение деталей после сварки; соединения: в – стыковое; г – угловое; д – с одной накладкой; е – с двумя накладками; ж, з – тавровое

Максимальная толщина деталей, свариваемых вручную без скоса кромок, равна 4 мм при односторонней и 6 мм при двухсторонней сварке стали.

Таблица 1. Типы швов сварных соединений

Способы подготовки кромок определяются толщиной и маркой свариваемого металла, типом соединения, его пространственным положением при сварке и технологическим процессом сварки (одноили двусторонняя сварка) (табл. 2).

Таблица 2. Способы подготовки кромок под электросварку

Подготовка кромок монтажных стыков по возможности должна предусматривать их сварку в нижнем или вертикальном положении.

При определении значения катета шва k принимают меньший катет вписанного в сечение шва равнобедренного треугольника. Минимальный катет k_mln валиковых швов, обесточивающий удовлетворительный провар, определяют в зависимости от толщины свариваемых элементов δ, а именно: (табл. 3).

Таблица 3. Минимальный катет k_mln валиковых швов, мм

Конструктивные элементы. При сварке профильной стали производят подготовку присоединяемой детали по размерам в соответствии с табл. 4, 5.

Таблица 4. Соединение с уголком равнобоким

Таблица 5. Соединение с двутавром и швеллером

В случае сварки встык кромок листов разной толщины (δ и δ1) разница должна быть выдержана в соответствии с рекомендациями табл. 6.

Таблица 6. Рекомендации по сварке встык кромок листов разной толщины

Рис. 4. Сварка листов разной толщины

При сварке встык, если разность толщин кромок листов превышает указанную величину Δ = δ1–δ при одностороннем превышении кромок или величину Δ = 2(δ1–δ) при двустороннем, то на листе с большей толщиной выполняют скос до толщины тонкого листа с одной стороны длиной l = 5(δ1–δ) – при одностороннем превышении толщины кромок или с двух сторон длиной l = 2,5(δ1–δ) – при двустороннем превышении толщины кромок согласно рис. 4.

Допускается смещение свариваемых кромок относительно друг друга до 10%, но не более 3 мм.

Сварка алюминия и его сплавов встык толщиной до 25 мм обычно производится без скоса кромок с зазором 1-1,5 мм.

3. Газовая сварка деталей

При газовой сварке производят местный нагрев свариваемых металлов до температуры плавления и сваривают их с помощью присадочного материала. Металлы нагревают газовой горелкой. Температура при горении газовой смеси достигает 3100-3200°С. В качестве присадочного материала при сварке низкоуглеродистой стали применяют проволоку с содержанием (%): 0,06-0,1 углерода, 0,1-0,25 кремния и 0,2-0,4 марганца.

Газовую сварку применяют для соединения тонкой листовой стали, чугуна, цветных металлов и сплавов, а также для разъединения сваренных деталей и для резки металла на заготовки для деталей.

Известны два основных способа ручной газовой сварки: правый и левый. В первом случае пламя сварочной горелки направлено на выполненный шов, горелка перемещается впереди прутка присадочного металла, процесс сварки ведется слева направо; во втором пламя направлено в сторону еще не заваренного соединения, впереди находится пруток присадочного металла, а за ним – пламя горелки, процесс сварки ведется справа налево.

Левый способ, получивший наибольшее распространение, более пригоден для сварки стальных деталей толщиной до 3 мм. Он обеспечивает получение шва с равномерными шириной и высотой валика и с лучшим внешним видом. При этом способе уменьшается вероятность прожога металла при сварке листов малой толщины.

Правый способ рекомендуется для сварки стальных деталей, особенно из легированных сталей и сталей с повышенным содержанием углерода, деталей толщиной более 5 мм и только в нижнем положении, отличается большей производительностью, чем левый при сварке сталей толщиной более 5 мм, обеспечивает некоторую термическую обработку сварного соединения.

Подготовка кромок монтажных стыков по возможности должна предусматривать их сварку в горизонтальном нижнем положении (табл. 7).

Таблица 7. Виды подготовки кромок под газовую сварку стальных деталей

4. Расчет на прочность сварных соединений

При расчетах на прочность сварных соединений предполагается, что напряжения в сечениях распределены равномерно.

Обычно сварные соединения нагружены силами, действующими параллельно плоскости контакта соединяемых деталей.

Расчет стыковых сварных соединений на прочность производят по номинальному сечению без учета утолщения швов в зависимости от вида действующих нагрузок (рис. 5).

Рис. 5. Сварные швы

Прямой сварной стыковой шов (рис. 5, а) растягивается (сжимается) постоянной силой F. Допускаемое усилие на шов определяют по формуле

где Lδ – площадь поперечного сечения шва, где высоту шва принимают равной толщине листа – δ, h ≈ δ[σ’_p] – допускаемое напряжение на растяжение в самом шве.

При расчете на сжатие берут допускаемое напряжение на сжатие [σ’_сж], которое обычно превышает допускаемое напряжение на растяжение (табл. 8).

Таблица 8. Допускаемое напряжение для основного металла

Нахлесточное соединение (рис. 5, б) может быть лобовым при перпендикулярном расположении силы F относительно шва, фланговым при параллельном расположении валика шва и комбинированным при наличии косых швов.

Угловое соединение двух деталей, свариваемые кромки которых расположены под любым углом (чаще 90°).

Тавровое соединение – соединение торцов одной детали с плоскостями других деталей.

Нахлесточное, угловое и тавровое соединения образуются угловым швом (рис. 5).

Соединение угловым швом сопровождается действием статической растягивающей силы F (рис. 5, б).

Рис. 6. Угловые соединения

Расчет угловых швов всех типов (выпуклых и вогнутых) производят на срез в опасном сечении 1–1, проходящем через биссектрису прямого угла (рис. 6; а, б) равнобедренного треугольника без учета выпуклости шва: со стороной К = δ. В этом сечении кроме касательных возникают и нормальные напряжения.

Площадь среза при длине шва, равной ширине полосы

где b_1-1 = δcos45° ≈ 0,7δ.

Полагая, что усилие F распределяется равномерно по всей длине шва, допускаемое усилие для одностороннего шва

где δ – толщина листа, мм (или величина катета К); b – ширина листа (или длина шва), мм; [τ’_ср] – допускаемое напряжение на срез шва (табл. 2).

При расчете на сжатие следует подставлять в формулу допускаемое напряжение на сжатие [σ’_сж].

При расчетах на прочность (растяжение-сжатие) других сварных угловых соединений применяют ту же расчетную формулу, только вместо b подставляют суммарную длину всех швов L, и получаем:

где К = δ, мм; L_Σ – суммарная длина всех швов; [τ’_ср] – допускаемое напряжение на срез шва.

Суммарная длина шва L_Σ = Σl_i – сумма всех отрезков сварного шва. Так, на рис. 5, а L_Σ = L = b; на рис. 5, б суммарная длина шва LΣ = 2l_ф + l_a; на рис. 7, а – L_Σ = 2l₁ + 2l₂ + 2B.

Рис. 7. Схема определения суммарной длины сварных швов

Учитывая возможные дефекты швов (непровары в начале и по длине, кратеры в конце шва), иногда наращивают фактическую длину отдельных швов на 5…10 мм для обеспечения прочности соединения.

При соединении конструкций фланговыми швами с деталями несимметричного профиля (уголки, швеллеры), привариваемых посредством косынок (рис. 7, б), общую длину швов l1 и l2 принимают равными произведению суммарной длины шва L_Σ на размер, обратно пропорциональный расстояниям от фланговых швов до линии центров тяжести несимметричного профиля сечения детали:

5. Допускаемое напряжение для сварных швов

При расчете машиностроительных конструкций из низкоуглеродистых, среднеуглеродистых и низколегированных сталей допускаемые напряжения для сварных швов при статических нагрузках принимают в зависимости от допускаемого напряжения на растяжение основного металла [σ_p] (табл. 2).

Значение [σ_p] получают из зависимости

где σт – предел текучести для основного металла (свариваемых деталей), МПа; [n] – коэффициент запаса прочности, [n] = 1,3…1,6 для низкоуглеродистых сталей, [n] = 1,5…1,7 для низколегированных сталей. Меньшие значения [n] рекомендуются для малоответственных соединений и при легких режимах работы, а большие – в ответственных соединениях и при тяжелых условиях работы (табл. 9).

Таблица 9. Предел текучести для основного металла (σт) (выборка)

Пример. Определить длину фланговых швов, обеспечивающих прочность соединения равнополочного (равнобокого) уголка и косынки (рис. 7, б), если размеры поперечного сечения уголка (его профиль): а) 70х70х6, б) 50х50х4; материал – сталь СтЗ. Сварка ручная электродом Э42.

По таблице справочника для равнополочного (равнобокого) уголка профиля 70х70х6 принимаем b = 70 мм, t = 6 мм, SL = 813 мм 2 ,

Вычисляем допускаемое напряжение при растяжении основного материала, принимая по табл. 5 для стали СтЗ σт = 225 МПа и [n] = 1,45:

Исходя из уравнения прочности уголка на растяжение σр = F/SL≤[σр], определяем допускаемое значение растягивающей силы:

По этой силе производим вычисление условий равнопрочности уголка на растяжение и шва на срез.

С помощью табл. 4 вычисляем допускаемое напряжение шва при срезе:

Из уравнения прочности швов
определяем их суммарную длину, принимая k = t = 6 мм:

при b = 70 мм и Cx = 19,3 мм определяем l1 и l2:

Учитывая возможность технологических дефектов сварки, окончательно принимаем l₁ = 240 мм, l₂ = 100 мм.

6. Стержневые конструкции

В сварных конструкциях чаще всего встречаются следующие виды деталей: фермы из стержней, работающих на растяжение или сжатие (на продольный изгиб), балки и стойки.

Для каждого из этих видов деталей применяют определенные проверенные опытом методы расчета и конструкции сварных соединений.

Стержни соединяются в узловых точках посредством косынок.

Стержни, работающие на сжатие, изготовляются из профилей с малой площадью сечения и большим моментом инерции, т. е. из угольников, двутавров, швеллеров.

В зависимости от расположения применяют стержни цельные, состоящие из таврового, двутаврового или швеллерного профиля. Могут быть применены составные стержни из двух профилей (углового, двутаврового, таврового или швеллерного), соединенных сплошным или прерывистым швом, а также сложносоставные (рис. 8), изготовленные из двух или нескольких цельных стержней, взаимно связанных накладками или косынками. Стержни ферм должны быть соединены таким образом, чтобы линии центров тяжести стержней пересекались в одной точке косынки (рис. 9).

Рис. 8. Составные стержни для фермы

Рис. 9. Соединение профилей в узел с помощью косынки с учетом их центров тяжести

Если угольник присоединен только одной своей полкой, то длина угольника, привариваемого к косынке, должна быть трехкратна или двукратна ширине полки.

Читайте также: