Подготовка кромок под газовую сварку

Обновлено: 18.05.2024

Сварку в защитных газах можно выполнять неплавящимся, обычно вольфрамовым, или плавящимся электродом. В первом случае сварной шов получается за счет расплавления кромок изделия и, если необходимо, подаваемой в зону дуги присадочной проволоки. Плавящийся электрод в процессе сварки расплавляется и участвует в образовании металла шва. Для защиты применяют три группы газов: инертные (аргон, гелий); активные (углекислый газ, азот, водород и др.); смеси газов инертных, активных или первой и второй групп. Выбор защитного газа определяется химическим составом свариваемого металла, требованиями, предъявляемыми к свойствам сварного соединения; экономичностью процесса и другими факторами.

Смесь инертных газов с активными рекомендуется применять и для повышения устойчивости дуги, увеличения глубины проплавления и изменения формы шва, металлургической обработки расплавленного металла, повышения производительности сварки. При сварке в смеси газов повышается переход электродного металла в шов.

Смесь аргона с 1—5% кислорода используют для сварки плавящимся электродом низкоуглеродистой и легированной стали. Добавка кислорода к аргону понижает критический ток, предупреждает возникновение пор, улучшает форму шва.

Смесь аргона с 10—25% углекислого газа применяют при сварке плавящимся электродом. Добавка углекислого газа при сварке углеродистых сталей позволяет избежать образование пор, несколько повышает стабильность дуги и надежность защиты зоны сварки при наличии сквозняков, улучшает формирование шва при сварке тонколистового металла.

Смесь аргона с углекислым газом (до 20%) и с не более 5% кислорода используют при сварке плавящимся электродом углеродистых и легированных сталей. Добавки активных газов улучшают стабильность дуги, формирование швов и предупреждают пористость.

Смесь углекислого газа с кислородом (до 20%) применяют при сварке плавящимся электродом углеродистой стали. Эта смесь имеет высокую окислительную способность, обеспечивает глубокое проплавление и хорошую форму, предохраняет шов от пористости.

В зону сварки защитный газ может подаваться центрально (см. рис. XI.2 и XI.3, а,в), а при повышенных скоростях сварки плавящимся электродом — сбоку (см. рис. XI.3,б). Для экономии расхода дефицитных и дорогих инертных газов используют защиту двумя раздельными потоками газов (см. рис. XI.3,в); наружный поток — обычно углекислый газ. При сварке активных материалов для предупреждения контакта воздуха не только с расплавленным, но и с нагретым твердым металлом применяют удлиненные насадки на сопла (подвижные камеры, см. рис. XI.3,г). Наиболее надежная защита достигается при размещении изделия в стационарных камерах, заполненных защитным газом. Для сварки крупногабаритных изделий используют переносные камеры из мягких пластичных обычно прозрачных материалов, устанавливаемых локально над свариваемым стыком. Теплофизические свойства защитных газов оказывают большое влияние на технологические свойства дуги, а значит на форму и размеры шва. При равных условиях дуга в гелии по сравнению с дугой в аргоне является более «мягкой», имеет более высокое напряжение, а образующийся шов имеет меньшую глубину проплавления и большую ширину. Углекислый газ по влиянию на форму шва занимает промежуточное положение.

XI.2. Схемы сварки в защитных газах а, б — неплавящимся, плавящимся электродом; 1 — сварочная дуга; 2 — электрод; 3 — защитный газ; 4 — газовое сопло (горелка); 5 — присадочная проволока

XI.3. Схемы подачи защитного газа в зону сварки
а — центральная; б — боковая; в — двумя концентрическими потоками; г — в подвижную камеру (насадку); 1 — электрод; 2 — защитный газ; 3, 4 — наружный и внутренний потоки защитных газов; 5 — насадка; 6 — распределительная сетка

Преимущества и недостатки способа

Широкий диапазон применяемых защитных газов обусловливает большое распространение этого способа как в отношении свариваемых металлов, так и их толщин (от 0,1 мм до десятков миллиметров). Основными преимуществами рассматриваемого способа сварки являются следующие:

высокое качество сварных соединений па разнообразных металлах и их сплавах разной толщины, особенно при сварке в инертных газах из-за малого угара легирующих элементов;
возможность сварки в различных пространственных положениях;
отсутствие операций по засыпке и уборке флюса и удалению шлака;
возможность наблюдения за образованием шва, что особенно важно при механизированной сварке;
высокая производительность и легкость механизации и автоматизации процесса;
низкая стоимость при использовании активных защитных газов.

К недостаткам способа относятся: необходимость применения защитных мер против световой и тепловой радиации дуги; возможность нарушения газовой защиты при сдувании струи газа движением воздуха или при забрызгиванни сопла; потерн металла на разбрызгивание, при котором брызги прочно соединяются с поверхностями шва и изделия; наличие газовой аппаратуры и в некоторых случаях необходимость водяного охлаждения горелок.

Подготовка кромок и их сборка под сварку

Способы подготовки кромок под сварку (механические, газовые и т. д.) такие же, как и при других способах сварки. Вид разделки кромок и ее геометрические размеры должны соответствовать ГОСТ 14771—76 или техническим условиям на изготовление изделия. При механизированной сварке плавящимся электродом можно получить полный провар без разделки кромок и без зазора между ними при толщине металла до 8 мм. При зазоре или разделке кромок полный провар достигается при толщине металла до 11 мм. При автоматической сварке стыковых соединений производительность процесса значительно возрастает при использовании разделки без скоса кромок (щелевой разделке см. рис. Х.11). При толщине металла до 40 мм зазор между кромками в нижней части стыка до 10 мм. Для обеспечения постоянства зазора в зоне сварки из-за поперечной усадки при сварке каждого прохода выполняют шарнирное закрепление деталей с углом раскрытия кромок, зависящим от толщины свариваемого металла.

XI.11. Схема расположения присадочной проволоки относительно сварочной ванны
1 — присадочная проволока; 2 — сварочная ванна; 3 — электрод; 4 — границы струи защитного газа. Стрелкой указано направление сварки

При сварке в углекислом газе многослойных швов на сталях перед наложением последующего слоя поверхность предыдущего слоя следует тщательно очищать от брызг и образующего шлака. Для уменьшения забрызгивання поверхности детали из углеродистой стали ее покрывают специальными аэрозольными препаратами типа «Дуга». Сварку можно вести при непросохшем препарате. Детали собирают с помощью струбцин, клиньев, скоб или на прихватках. Прихватки лучше выполнять в защитных газах тем же способом, которым будет проводиться и сварка. Прихватки перед сваркой осматривают, а при сварке переваривают.

Общие рекомендации по технике сварки

Ручную и механизированную сварку обычно ведут на весу. Автоматическую сварку можно осуществлять так же, как и при сварке под флюсом, на остающихся или съемных подкладках и флюсовых подушках. Однако во многих случаях наиболее благоприятные результаты достигаются при использовании газовых подушек (рис. XI.4). Они улучшают формирование корня шва, а при сварке активных металлов способствуют и защите нагретого твердого металла от воздействия с воздухом. Подаваемые в подушку газы по составу могут быть аналогичными применяемым для защиты зоны сварки.

XI.4. Схемы газовых подушек
а, б — односторонняя и двусторонняя сварка; 1 — защитный газ; 2 — медная подкладка

Качество шва в большой степени определяется надежностью оттеснения от зоны сварки воздуха. Необходимый расход защитного газа устанавливают в зависимости от состава и толщины свариваемого металла, конструкции сварного соединения, скорости сварки, состава защитного газа.

Влияние скорости сварки на надежность защиты зоны сварки видно из рис. XI.5. Ветер и сквозняки также снижают эффективность газовой защиты. В названных случаях рекомендуется на 20—30% повышать расход защитного газа, увеличивать диаметр выходного отверстия сопла или приближать горелку к поверхности детали. При сварке на повышенных скоростях полезно также наклонять горелку углом вперед, а при автоматической сварке применять боковую подачу газа (см. рис. XI.3,б). Для защиты от ветра зону сварки закрывают щитками. Для достаточной защиты соединений, указанных на рис. XI.6,в,г, необходим повышенной расход газа. При их сварке рекомендуется устанавливать сбоку и параллельно шву экраны, задерживающие утечку защитного газа. При равных условиях расход гелия благодаря его меньшей плотности должен быть увеличен по сравнению с аргоном или с углекислым газом.

XI.5. Влияние скорости сварки на эффективность газовой защиты
а—в — сварка соответственно на малой, средней и очень большой

XI.6. Схемы (а—г) расположения границы струи защитного газа при сварке различных типов соединений

9.1. Подготовка кромок и сборка под газовую сварку

Технология — совокупность процессов обработки и значений их параметров при производстве продукции. Различают технологию изготовления сварных конструкций, включающую в себя все стадии от резки заготовок до приемных испытаний, и технологию сварки, в которую входят процессы подготовки кромок, сборки, сварки и термообработки.

Подготовка кромок. Вид подготовки кромок (табл. 9.1) зависит от толщины свариваемых деталей. При толщине металла 0,5. 2 мм подготовка сводится к торцеванию или отбортовке кромок. Сварку осуществляют встык без присадочного материала. При толщине 1. 4 мм отторцованные кромки собирают с зазором и сварку проводят с использованием присадки. При толщине металла свыше 5 мм выполняют V-образную разделку кромок. Для металла толщиной свыше 10 мм применяют Х-образную разделку.

Таблица 9.1
Параметры подготовки кромок

Разделка кромок — придание кромкам, подлежащим сварке, необходимой формы. Обработка кромок, осуществляемая механической или газотермической резкой, должна обеспечить определенные параметры их скоса и притупления.

Скос кромки — прямолинейный наклонный срез кромки, подлежащий сварке.

Притупление кромки — нескошенная часть торца кромки, подлежащая сварке.

Форма кромок при V-образной разделке показана на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Параметры V-образной разделки кромок:
а — угол разделки кромок; р — угол скоса кромки; b — зазор между свариваемыми частями; с — притупление кромки

Угол разделки кромок α представляет собой угол между скошенными кромками свариваемых частей.

Угол скоса кромки β заключен между плоскостью скоса кромки и плоскостью торца.

Перед сборкой область шириной 20. 30 мм, расположенная вблизи свариваемых кромок, должна быть очищена от ржавчины, грязи, краски и окалины.

Сборка. Сборку изделия под сварку осуществляют либо в специальных приспособлениях — кондукторах, жестко фиксирующих взаимное расположение деталей (рис. 9.2), либо путем наложения прихваток.

Рис. 9.2. Сборка стыка трубы в кондукторе: 1 — эксцентриковое устройство; 2 — стяжка; 3 — рукоятка; 4 — упоры; 5 — свариваемые трубы

Прихватка — это короткий сварной шов, предназначенный для фиксации свариваемых деталей в определенном положении по отношению друг к другу.

прихватки должен накладывать тот сварщик, который впоследствии будет сваривать конструкцию;
прихватки выполняют на тех же режимах, что и сварку;
прихватки необходимо накладывать снаружи изделия;
прихватки не должны иметь подрезов, трещин, пор, несплавлений и других дефектов;
дефектные прихватки удаляют механическим способом и заменяют новыми;
перед сваркой прихватки очищают от шлака, флюса и других загрязнений;
при сварке прихватки должны быть удалены или переплавлены;
последовательность выполнения прихваток для различных конструкций приведена на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Последовательность выполнения прихваток (1—8):
а — швы малой и средней длины; б — кольцевые швы; в — длинные швы

Разделка кромок под сварку

Разделка кромок выполняется при сваривании металлических конструкций толщиной от 5 мм. Это следует воспринимать не как пожелание, а как необходимое условие потому, что такой порядок предусмотрен ГОСТом. Только такой подход к свариванию может обеспечить качественный шов и надежность сваренной конструкции. Квалифицированные сварщики обязаны владеть этими знаниями и применять их на практике. ГОСТы существуют для каждого вида сварки. В ГОСТе 5264-80 на ручную дуговую сварку описаны формы кромок для всех типов соединений:

для стыкового - 15 видов;
для углового - 5 видов;
для таврового - 4 вида;
для нахлесточного - без скоса.

Назначение разделки кромок под сварку

Разделка позволяет решить две основные задачи: провар по всей толщине листа и качественный провар корня шва. Скос, создаваемый при разделке, обеспечивает плавный переход от одной детали к другой, что снижает механические напряжения. Без правильно выполненного скоса электрод не сможет пройти к корню шва и осуществить полноценный провар. Отдельным вопросом стоит разделка при сваривании труб и сосудов, а также приваривание к трубам отводов и штуцеров.

Подготовка кромок под сварку

Процесс подготовки кромок под сварку можно условно разделить на два этапа: зачистку и разделку. Зачистка производится с целью удаления всех посторонних включений и мелких дефектов поверхности детали. Обработка кромок ведется до металлического блеска поверхности. Деталь зачищают с обоих сторон полосой до 20 мм. Далее проводят зачистку торцов и притуплений.

При небольших объемах работ зачистку производят ручными металлическими щетками, напильниками и шлифовальной бумагой. Места, загрязненные маслом и консервирующими составами, соскребаются скребками и протираются растворителями. При больших объемах работ применяют механические проволочные щетки или пескоструйные аппараты. С загрязнениями борются путем протравливания в растворах щелочей и кислот, с последующим промыванием чистой водой.

Разделка кромок

В зависимости от толщины свариваемого металла, разделка осуществляется либо с одной, либо с двух сторон. В любом варианте скосы выполняются без острой кромки, и на последних миллиметрах делают притупление, добиваясь плоской кромки. Разделка может производиться средствами механической обработки с применением следующих операций:

Прямые стыки подготавливаются на строгальных станках. Поступательное движение резца позволяет снять лишний металл и получить необходимую форму. Несколько сложнее обрабатывать швы криволинейной формы. В таких случаях приходится применять фрезерные станки. Движением фрезы можно управлять вручную, но чаще используются специальные программы. Таким образом, обработка происходит быстрее и точнее. При сложной конфигурации шва ручное управление движением фрезы невозможно.

При подготовке изделий, которые невозможно установить на станок из-за больших размеров или особенностей формы, используют переносные кромкосниматели. Они устанавливаются непосредственно на заготовке и обрабатывают её. Как нетрудно догадаться, форма и качество поверхности фаски оставляют желать лучшего, и заготовка требует дополнительной обработки.

Абразивная обработка применяется как дополнительная после фрезерования и скалывания, а также при удалении с поверхности незначительных изъянов на мелких деталях.

При разделке кромок термическими методами применяют:

газовую резку (кислород);
плазменную резку;
лазерную резку.

Применение газовой резки к легированным сталям ограничено образованием на поверхности кромки трудноудалимых карбидов. Этот вид резки применяется, в основном, для подготовки изделий из углеродистых сталей. Намного качественнее работает плазменная резка. Высокая температура плазмы позволяет получить качественную кромку на заготовках из любых материалов. Лазерная резка пока встречается крайне редко, дает великолепные результаты, но стоит очень дорого, поэтому применяется только для разделки швов на самых ответственных изделиях.

Применяются следующие формы скосов кромок: V-образная, X-образная, U-образная и K-образная.

V-образная форма

Это самый популярный вид разделки. Популярность легко объясняется сравнительной простотой исполнения и возможностью применения на металлах различной толщины.

X-образная форма

Применяют при сварке толстостенных металлов.

U-образная форма

Этот сложный для выполнения скос применяется для сварки толстостенных металлов. Наиболее часто его применяют при ручной дуговой сварке, так как здесь получается существенная экономия электродов.

К – образный скос применяется крайне редко. Напоминает собой Х – образный скос, выполненный на одной половине заготовки.

Разделка кромок под сварку труб

Разделку производят только для толстостенных труб. Трубы имеющие стенки толщиной до 5 мм. свариваются без разделки. В таком случае ограничиваются только зачисткой проволочными щетками. При больших объемах производства могут применяться шлифовальные машинки или пескоструйные аппараты.

При подготовке толстостенных труб делают скос под углом 15 – 35 0 . Проверяют перпендикулярность и угол скоса специальными шаблонами и угольником. Кроме того, обязательной проверке подлежит соосность труб, которая производится различными средствами измерения. После чего наступает время центрирования стыков.

Важно, чтобы расстояния между швами на трубе были не менее 200 мм. Сварку начинают с 3 – 4 прихваток по всему диаметру трубы. При этом стараются выдержать зазор между стыками труб. Величина зазора определяется видом сварки:

0,5 – 2 мм для газовой сварки;
1,5 – 3 мм при сваривании ручной электросваркой труб со стенкой до 8 мм.;
2,5 – 3,5 мм при сваривании ручной электросваркой труб со стенкой более 8 мм.

В процессе подготовки к сварке необходимо уделить внимание проверке готовности фасок. Концы труб должны быть зачищены на 20 мм. с двух сторон и очищены от грязи, масла и консервирующих смесей.

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.

Газовая сварка и наплавка стальных деталей. Заварка трещин

Для газопламенной обработки металлов применяют различные горючие газы и жидкости. При их сжигании в смеси с воздухом температура пламени обычно не превышает 1800…2000 °С. При газовой сварке большинства металлов требуется, чтобы температура газосварочного пламени была не ниже 3000 °С. Для повышения температуры пламени горючих газов их сжигание производится в смеси с технически чистым кислородом.

В качестве горючих газов в основном используют ацетилен (С₂Н₂) и пропан (С₃Н₆). От того, какой горючий газ и в какой пропорции он будет смешан с кислородом, зависят характер пламени, его температура и свойства. Различают три вида пламени.

Рис. 1. Схема газового пламени: 1 – ядро пламени; 2 – рабочая зона; 3 – факел

Нормальное пламя– не вызывает окисления или насыщения углеродом металла и способствует раскислению металла. Пламя состоит из ядра 1, восстановительной или рабочей зоны 2 и факела 3 (рис. 1). Ядро пламени — ярко светящаяся часть, состоящая из смеси кислорода с ацетиленом, начинающим гореть. Плавление металла ядром пламени недопустимо, потому что в составе ядра имеются кислород и свободный углерод, которые будут переходить в металл, окисляя его и насыщая углеродом. Восстановительная или рабочая зона представляет собой прозрачный ободок вокруг ядра и состоит из смеси продуктов частичного сгорания газа. Продукты частичного сгорания газа являются восстановителями по отношению к окислам большинства металлов. В связи с этим зона, называемая восстановительной, является и рабочей зоной. Она же обладает наивысшей температурой из всех участков пламени, и ею производят плавление металла. В факеле пламени происходит полное догорание горючего газа за счет кислорода, поступающего из воздуха. Нагревать металл при сварке факелом пламени недопустимо в связи с окислением металла, а также из-за низкой температуры факела пламени.

Окислительное пламя – получается при избытке кислорода в смеси. Оно вызывает окисление металла. Окислительное пламя отличается укороченным ядром синеватого цвета, имеющим остроконечную форму, укороченным факелом, рабочая зона почти не заметна.
Науглероживающее пламя– получается при избытке ацетилена в газовой смеси. При плавлении стали таким пламенем углерод из продуктов пламени переходит в металл. Науглероженный металл обладает повышенной твердостью и хрупкостью. Пламя отличается увеличенными размерами факела и ядра. Рабочая зона размыта и практически незаметна. В технике газопламенной обработки металлов обычно применяется нормальное пламя, но иногда рекомендуется слегка науглероживающее или слегка окислительное пламя.

1. Газовая сварка малоуглеродистой стали

Технология газовой сварки малоуглеродистой стали включает следующие операции.

1. Подготовка кромок металла под сварку:

кромки под сварку подготавливаются в зависимости от толщины свариваемого металла, вида соединения и метода сварки. Перед сваркой кромки должны быть очищены от всех загрязнений на ширину 4…5 мм от оси шва. Стыковые соединения металла толщиной менее 2 мм сваривают без разделки кромок или с отбортовкой кромок. При толщине металла 2…5 мм делают скос одной из кромок; при толщине металла 5…15 мм делают разделку кромок V-образной формы; при толщине металла более 15 мм ведут двустороннюю сварку с Х-образной разделкой кромок.

2. Подбор сварочной (присадочной) проволоки:

диаметр проволоки для газовой сварки подбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки по следующим формулам:

для левого способа сварки d = δ/2 + 1 мм;
для правого способа сварки d = δ/2, где δ – толщина свариваемого материала в миллиметрах.

Сварочная проволока выбирается в зависимости от марки свариваемого металла. Для сварки стали марок СтО…Ст15 выбирается проволока марки Св-08 или Св-15. Для сварки стали марок Ст15… Ст25 применяется проволока Св-08А или Св-08ГА.

3. Подбор мощности горелки (наконечника):

мощность наконечника горелки подбирается в зависимости от толщины свариваемых кромок и метода сварки. В общем случае расход горючего газа определяется по формуле

где К – удельный расход газа на 1 мм толщины металла (справочные данные); δ – толщина металла в миллиметрах.

4. Управление горелкой:

перед зажиганием горелки при помощи редуктора устанавливается необходимое рабочее давление кислорода. Сначала немного открывается кислородный вентиль на горелке, затем ацетиленовый и конец мундштука горелки подносится к пламени. После воспламенения смеси регулируют пламя до получения пламени нормального характера, руководствуясь его внешним видом. В процессе выполнения шва горелкой производят равномерное и непрерывное поступательное и колебательное движения, при этом факел пламени всегда должен оставаться параллельным оси шва.

Применяются два различных способа ручной газовой сварки: распространенный «левый» способ и менее распространенный – «правый» способ. При «левом» способе сварка ведется справа налево (рис. 2).

Рис. 2. Левый способ сварки

Рис. 3. Правый способ сварки

5. Подача сварочной проволоки – осуществляется под углом около 45°. При сварке металла толщиной свыше 1,5 мм конец сварочного прутка остается погруженным в сварочный металл во избежание окисления. При сварке металла толщиной более 5 мм сварочной проволокой производят колебательные движения в сторону, противоположную движению горелки.

Перед сваркой производится прихватка свариваемых кромок, которую выполняют от середины шва к краям. После сварки изделия из малоуглеродистой стали последующей термообработке не подвергаются, так как ее влияние на качество малоуглеродистой стали невелико.

2. Газовая сварка среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали

Основные затруднения при сварке

Происходит кипение сварочной ванны.
Металл закаливается в зоне шва, и образуются трещины в шве и околошовной зоне (ОШЗ).

Особенности сварки

Мощность горелки для сварки подбирается несколько меньшая, чем при сварке малоуглеродистой стали.
Рекомендуется применять флюс, особенно для сварки высокоуглеродистой стали (50 % NаСО3, 50 % Nа2СО3).
Перед сваркой заготовки рекомендуется отжигать.
Сварку следует выполнять с общим предварительным подогревом изделия, не допускаются перегрев и кипение сварочной ванны.
После сварки необходимо обеспечить наиболее замедленное охлаждение сварного соединения (укрывание песком, асбестом).
Во всех случаях сварки среднеи высокоуглеродистой стали рекомендуется последующая термическая обработка в виде отжига, нормализации или закалки с высоким отпуском.

3. Сварка легированной стали

Основные затруднения

Металл закаливается, и образуются трещины в шве и ОШЗ тем больше, чем больше в составе стали углерода и легирующих добавок.
Происходит выгорание из расплавленного металла легирующих элементов.

Необходимо постепенно нагревать металл в месте начала шва.
Накладывать швы следует с максимально возможной скоростью, не допуская перегрева металла.
В месте окончания шва осуществлять медленный, постепенный отвод пламени, образуя усиление в конце шва, а также обогревая увеличенную площадь металла.
Не допускать сварку металла при низких температурах. Обеспечивать медленное охлаждение сварного соединения.
Перед сваркой заготовки должны быть в отожженном состоянии.

4. Сварка высоколегированной и инструментальной стали

Образуются трещины в сварных швах вследствие сильной закаливаемости металла на воздухе.
Получаются швы с большой химической неоднородностью.

Заготовки перед сваркой должны быть в отожженном состоянии и тщательно очищены.
Заготовки перед сваркой должны подогреваться до температуры 250…300 °С.
При сварке должен обязательно применяться флюс.
Пламя должно быть с небольшим избытком ацетилена.
После сварки изделия в горячем состоянии необходимо помещать в печь для отжига.

Кроме различных сталей пламенем газовой горелки можно сваривать чугун, медь, латунь, бронзу. Широкое распространение газовое пламя нашло при ремонтной сварке чугуна, для наплавки, а также для пайки различных металлов. Газовое пламя может обеспечивать процесс разъединения металлов или газокислородную резку.

5. Заварка трещин

При заварке трещин необходимо предварительно на их концах просверлить отверстия сверлом диаметром 5…8 мм (рис. 4), для того чтобы при нагреве трещина не распространялась дальше (в деталях из малоуглеродистой стали концы

трещин можно не сверлить).

Рис. 4. Схема заварки коротких (а) и длинных (б) трещин

Конец трещины легко обнаруживается при снятии зубилом тонкой стружки. Если стружка не раздваивается, то это указывает на то, что трещины в данном месте нет.

При толщине металла более 5…6 мм трещину разделывают в зависимости от толщины с одной или двух сторон. Трещина заваривается от середины к краям. Если трещина имеет длину более 500 мм, то сварку целесообразно вести обратноступенчатым способом участками длиной 150…200 мм (рис. 4, б). Кромки трещины перед сваркой должны быть зачищены до металлического блеска.

Приемы заварки трещины зависят от конфигурации детали и ее характера. Трещины длиной до 200 мм можно сваривать без прихваток. При длинных трещинах требуется простановка прихваток, чтобы при сварке не уменьшался зазор между кромками разделанной трещины.

Рис. 5. Схема заварки трещины с расклиниванием

Иногда прихватки заменяют расклиниванием. Для этого в трещину посередине загоняют клин (рис. 5), вследствие чего она раздается. Трещину заваривают от каждого конца к клину. После этого клин выбивают и заваривают оставшийся участок. Если трещина выходит на край кромки детали, то сварку начинают от точки 1 и ведут к точке 2 (рис. 6). Затем заваривают оставшийся участок

2–3 от точки 3 к точке 2. Расстояние между точками 2 и 3 должно быть равно примерно 1/3 общей длины трещины. Небольшие трещины на тонком металле, например на крыле автомобиля, могут завариваться в одном направлении. При заварке крыла автомобиля после наложения небольшого участка шва производится проковка его с целью сохранения профиля крыла.

Рис. 6. Схема заварки трещины на крыле автомобиля

При заварке трещин на изделиях с малой толщиной листа (0,8…1,2 мм) колебательных движений горелкой и проволокой не делают.

6. Вварка заплат

При постановке заплат необходимо, чтобы материал заплаты соответствовал основному металлу по толщине и марке стали; углы отверстия и заплаты должны быть закруглены, так как при вварке заплат с острыми углами возникают трещины, начинающиеся от углов.

В основном металле и в заплате делают требуемый скос кромок. Размер заплаты берется таким, чтобы получить соответствующий зазор.

Кромки очищаются от ржавчины и грязи. После пригонки заплата закрепляется прихватками через каждые 200…250 мм. Сварка производится в порядке, указанном на рис. 7. Заплате придают выпуклую форму. Во время сварки такая заплата будет свободно деформироваться. После сварки нагретую заплату ударами молотка выправляют. Это предупреждает образование трещин от усадки при остывании металла шва.

Читайте также: