Текст книги "Сварочные работы. Практическое пособие"

Сварные соединения и швы

Сварные соединения могут быть стыковыми, угловыми, тавровыми и нахлесточными (рис. 5).

Рис. 5. Сварные соединения:

а – стыковое; б – угловое; в – нахлесточное; г – тавровое; д – торцовое

Стыковым называется сварное соединение двух элементов, расположенных в одной плоскости или на одной поверхности и примыкающих друг к другу торцами.

Угловым называется соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев.

Нахлесточным называется сварное соединение, в котором свариваемые элементы расположены параллельно и перекрывают друг друга. Разновидностью нахлесточного является торцовое соединение, в котором боковые поверхности свариваемых элементов примыкают друг к другу.

Тавровым называется сварное соединение, в котором к боковой поверхности одного элемента примыкает под углом и приварен торцом другой элемент.

Часть конструкции, в которой сварены примыкающие друг к другу элементы, называется сварным узлом.

Сварные швы могут быть стыковыми и угловыми (рис. 6, а – г). Стыковой шов – сварной шов стыкового соединения. Угловой шов – сварной шов углового, таврового и нахлесточного соединений. Разновидностью этих типов являются швы пробочные и прорезные, выполняемые в нахлесточных соединениях.

Рис. 6. Сварные швы:

а – стыковые; б – угловые; в – пробочные; г – прорезные; д – непрерывные; е – прерывистые цепные; ж – прерывистые шахматные; з – односторонние; и – двусторонние; к – многослойные (показано 2 слоя); л – основные и промежуточные пространственные положения сварных швов (I – нижнее; II – вертикальное или горизонтальное; III – потолочное); м – о – прихватки

По форме в продольном направлении сварные швы могут быть непрерывными, прерывистыми, одно– и многослойными, одно– и двусторонними (рис. 6, д – к). С помощью стыковых швов образуют в основном стыковые соединения, с помощью угловых швов – тавровые, крестовые, угловые и нахлесточные, с помощью пробочных и прорезных швов могут быть образованы нахлесточные и иногда тавровые соединения.

В зависимости от формы и размеров изделия швы можно выполнять в различных пространственных положениях. Швы разделяют на нижние, вертикальные, горизонтальные и потолочные (рис. 6, л). Горизонтальные швы выполняют на вертикальной плоскости в горизонтальном направлении. Согласно ГОСТ 11969–79, швы по положению в пространстве подразделяются: на нижние – Н и нижние «в лодочку» – Л; полугоризонтальные – Пг; горизонтальные – Г; полувертикальные – Пв; вертикальные – В; полупотолочные – Пп; потолочные – П.

Сварные швы, применяемые для фиксации взаимного расположения, размеров и формы собираемых под сварку элементов, называются прихватками. Длина каждой прихватки составляет от 3 до 6 толщин свариваемого металла, расстояние между ними выдерживается от 20 до 40 толщин. Ставят прихватки с лицевой стороны соединения, очищают от шлака, а при сварке полностью удаляют или полностью переплавляют. На коротких и средних швах прихватки расставляют от центра к краям, поочередно в каждую сторону (рис. 6, м). На длинных швах поступают наоборот – прихватывают вначале края, затем центр и поочередно с каждой стороны двигаются от краев к центру (рис. 6, н). При кольцевых швах (рис. 6, о) прихватки ставят попеременно по главным координатным осям (под 90°), а при необходимости – и по дополнительным диагоналям (под 45°).

Стыковые швы, как правило, выполняют непрерывными; отличительным признаком для них обычно служит форма разделки кромок[2]2
  Разделка кромок – придание кромкам, подлежащим сварке, необходимой формы.


[Закрыть] соединяемых деталей в поперечном сечении (рис. 7, а – е). По этому признаку различают следующие основные типы стыковых швов: с отбортовкой кромок (применяются при газовой сварке тонкого металла); без разделки кромок – односторонние (при толщине свариваемых деталей 1–6 мм) и двусторонние (при толщине деталей 3–8 мм); с разделкой одной кромки – односторонней, двусторонней (до 60 мм); с прямолинейной или криволинейной формой разделки; с односторонней разделкой двух кромок; с V-образной разделкой; с двусторонней разделкой двух кромок; с Х-образной разделкой (с толщиной деталей до 120 мм). Разделка может быть образована прямыми линиями (скос кромок) либо иметь криволинейную форму (U-образная разделка).

Угловые швы различают по форме подготовки свариваемых кромок в поперечном сечении и степени непрерывности шва по длине (рис. 7, ж – и). По форме поперечного сечения швы могут быть без разделки кромок (при толщине свариваемых деталей от 2 до 30 мм), с односторонней разделкой кромки (3–60 мм), с двусторонней разделкой кромок (до 100 мм). По протяженности угловые швы могут быть непрерывными и прерывистыми, с шахматным и цепным расположением отрезков шва (рис. 6, д – ж). Тавровые, нахлесточные и угловые соединения могут быть выполнены отрезками швов небольшой протяженности – точечными швами.

Рис. 7. Подготовка кромок стыковых (а – е) и угловых (ж – и) швов:

а – с отбортовкой кромок; б – без разделки кромок; в – с разделкой одной кромки: г – с односторонней разделкой двух кромок; д – с Х-образной разделкой двух кромок; е – с U-образной разделкой; ж – без разделки; з – с односторонней разделкой; и – с двусторонней разделкой; к – конструктивные элементы разделки

Пробочные швы по своей форме в плане (вид сверху) обычно имеют круглую форму и получаются в результате полного проплавления верхнего и частичного проплавления нижнего листов (их часто называют электрозаклепками) либо путем проплавления верхнего листа через предварительно проделанное отверстие.

Прорезные швы, обычно удлиненной формы, получают путем приварки верхнего (накрывающего) листа к нижнему угловым швом по периметру прорези. В отдельных случаях прорезь может заполняться и полностью.

Подготовку кромок при ручной сварке регламентирует ГОСТ 5264–80. Чаще всего приходится разделывать кромки при сварке металла большой толщины. Форму разделки кромок и их сборку под сварку характеризуют четыре основных конструктивных элемента: зазор b, притупление с, угол скоса кромки β и угол разделки кромок α, равный β или 2β (рис. 7, к). Стандартный угол разделки кромок, в зависимости от способа сварки и типа соединения, изменяется в пределах от 45 ± 2° до 12 ± 2°. Тип разделки и величина угла разделки кромок определяют количество необходимого дополнительного металла для заполнения разделки, а значит, производительность сварки. Так, например, Х-образная разделка кромок по сравнению с V-образной позволяет уменьшить объем наплавленного металла в 1,6–1,7 раза. Уменьшается время на обработку кромок. Правда, в этом случае возникает необходимость вести сварку с одной стороны шва в неудобном потолочном положении или кантовать свариваемые изделия.

Притупление кромки, т. е. нескошенная часть торца кромки, подлежащей сварке, обычно составляет 2 ± 1 мм и выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла. Его назначение – обеспечить правильное формирование шва и предотвратить прожоги в корне шва. Зазор b обычно равен 1–2 мм (допускается до 5 мм), так как при принятых углах разделки кромок наличие зазора необходимо для провара корня шва. Чем больше зазор, тем глубже проплавление металла.

Основными геометрическими параметрами сварных швов являются: при стыковых соединениях – ширина, выпуклость и глубина проплавления шва; при угловых, тавровых и нахлесточных соединениях – ширина, толщина и катет шва (рис. 8, г – д).

Рис. 8. Виды сварных швов (а – плоский; б – выпуклый; в – вогнутый) и характеристики стыкового (г) и углового (д) швов:

е – ширина шва; h – глубина проплавления; g – выпуклость шва; а – толщина шва; k – катет шва

Глубина проплавления стыкового шва (h) – наибольшая глубина расплавления основного металла в сечении шва.

Толщина углового шва (а) – наибольшее расстояние от поверхности углового шва до точки максимального проплавления основного металла.

Катет углового шва (k) – кратчайшее расстояние от поверхности одной из свариваемых частей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой части. При симметричном угловом шве за расчетный катет принимается любой из равных катетов, при несимметричном шве – меньший.

Выпуклость сварного шва (g) – выпуклость шва, определяемая расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы сварного шва с основным металлом, и поверхностью сварного шва, измеренным в месте наибольшей выпуклости.

Основным показателем формы швов является коэффициент формы сварного шва (ψ). Для стыкового шва этот коэффициент равен отношению ширины шва к глубине проплавления ψ = e/h; для углового шва – отношению ширины к толщине шва ψ = е/а. Форма и размеры сварного шва существенно влияют на качество сварного соединения. При ручной сварке покрытыми электродами коэффициент формы провара колеблется в пределах ψ = 1,0–2,5.

Таким образом, по форме наружной поверхности стыковые швы могут быть нормальными (плоскими), выпуклыми или вогнутыми (рис. 8, а – в). Причем вогнутость стыковых швов недопустима, это является серьезным браком сварки.

Угловые швы выполняются выпуклыми, плоскими, вогнутыми. Вогнутость угловых швов при сварке во всех пространственных положениях допускается не более 3 мм. Выпуклость сварных швов допускается не более 2 мм при сварке в нижнем положении и не более 3 мм при сварке в остальных положениях. Допускается увеличение выпуклости сварных швов, выполненных в вертикальном, горизонтальном и потолочном положениях на 1 мм при толщине основного металла до 26 мм и на 2 мм при толщине основного металла свыше 26 миллиметров.

Сварные соединения с выпуклыми (стыковыми и угловыми) швами лучше работают на статическую нагрузку. Но чрезмерно выпуклые швы нежелательны из-за повышенного расхода электродов и электрической энергии, а также из-за концентрации напряжений в точках пересечения поверхности шва с основным металлом.

Сварные соединения с плоскими (стыковыми и угловыми) и вогнутыми (угловыми) швами лучше работают на переменную и динамическую нагрузку, так как нет резкого перехода от основного металла к сварному шву. В противном случае создается концентрация напряжений, от которых может начаться разрушение сварного соединения.

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

Большое значение также имеет образование плавного перехода металла лицевого и обратного валиков к основному металлу, так как это обеспечивает высокую прочность соединения при динамических нагрузках. В угловых швах также бывает трудно проварить корень шва на всю его толщину, и тогда рекомендуется вогнутая форма поперечного сечения шва с плавным переходом к основному металлу. Это снижает концентрацию напряжений в месте перехода и повышает прочность соединения при динамических нагрузках.

Химический состав сварного шва значительно отличается от состава основного металла, так как в этой области происходит перемешивание основного и электродного металлов, различных присадок, используемых при сварке, а также продуктов реакций взаимодействия жидкой фазы с атмосферными газами и защитными средствами. Соотношение отдельных компонентов, сварного шва зависит от способа наложения шва, режимов сварки. К примеру, если сварной шов ведется с разделкой, то доля основного металла в структуре шва значительно снижается. Состав металла шва определяют с учетом коэффициента перехода n, показывающего, какая доля металла, содержащегося в электродной проволоке, переходит в металл шва. Величина этого коэффициента изменяется в широких пределах (0,3–0,95) в зависимости от химической активности элемента, вида и технологии сварки и др.

В процессе сварки расплавленный металл активно вступает в реакцию с атмосферными газами, поглощая их и тем самым снижая механические качества сварного шва. Так, при дуговой сварке дуга, контактирующая с металлом, состоит из смеси N₂, O₂, Н₂, СO₂, СО, паров Н₂О, паров металла и шлака. В зоне плавления металла происходит процесс диссоциации – распад молекул на атомы. Под воздействием высоких температур молекулярный азот, водород и кислород распадаются и переходят в атомарное состояние, при котором активность газов значительно повышается.

К примеру, атомы кислорода начинают активно растворяться в жидкой фазе металла, а при достижении предела растворимости начинается химическое взаимодействие, сопровождающееся образованием оксидов. В результате этого примеси и легирующие элементы, содержащиеся в металле, окисляются. С повышением содержания кислорода в металле шва снижаются предел прочности, предел текучести, ударная вязкость. Кроме того, ухудшается коррозионная стойкость и жаропрочность сталей. Кислород попадает в зону сварки из окружающего воздуха, из влаги, находящейся на свариваемых кромках и флюсах, с покрытия электродов. Удаление кислорода из расплавленного металла достигается за счет введения в сварочную ванну кремния и марганца, которые взаимодействуют с оксидом железа, образуя шлак. Шлак в процессе кристаллизации образует на поверхности шва твердую корку, которая удаляется механическим путем.

Растворение азота в жидкой фазе большинства конструктивных металлов сопровождается образованием соединений, называемых нитридами. Это приводит к старению металла и повышению его хрупкости. Азот попадает в зону сварки из окружающего воздуха, и для недопущения образования нитридов сварочную ванну изолируют средой защитных газов. Защиту сварного шва осуществляют при сварке легированных, жаропрочных сталей и большинства цветных металлов.

Весьма нежелательным процессом является растворение водорода, что приводит к возникновению гидридов. Образование этих соединений в ЗТВ приводит к появлению пор, микро– и макротрещин. Водород попадает в зону сварки из атмосферного воздуха и при разложении влаги, которая имеется на свариваемых кромках, в покрытии электродов, защитных флюсах и т. д. Снижению содержания водорода способствуют предварительное прокаливание и тщательная зачистка электродов и свариваемых поверхностей.

Окись углерода в жидкой фазе металла практически не растворяется, но влияние этого соединения на качество сварного шва огромно. В результате процесса кристаллизации металла окись углерода начинает выделять пузырьки, образуя поры в массиве сварного шва.

Отличия сварочной ванны от металлургической, в которой плавят сталь, следующие:

● малый объем и кратковременность существования ванны, поэтому плохо перемешивается металл; возможны поры из-за того, что не успевают выделиться газы; шлаковые включения в сварном шве;

● вследствие значительной поверхности контакта расплавленного металла с атмосферой происходит выгорание «полезных» кремния и магния и образование окислов железа (наличие кислорода в стали приводит к снижению ее прочности, пластичности и коррозионной стойкости и сообщает стали красноломкость), а насыщение сварного шва азотом увеличивает хрупкость.

Негативное влияние на состав сварного шва оказывает сера, которая находится в основном и присадочном металлах, в покрытиях, флюсах и т. д. Под действием высоких температур в сварочной ванне образуется сульфид железа (FeS), который в процессе кристаллизации образует эвтектику[3]3
  Эвтектика – тонкая смесь твердых веществ, одновременно выкристаллизовывающихся из расплава при температуре более низкой, чем температура плавления отдельных компонентов; а также – жидкий расплав или раствор, из которого возможна такая кристаллизация.


[Закрыть], температура плавления которой ниже, чем у основного металла.

Пары воды, находящиеся в жидкой фазе металла, взаимодействуют с ней, образуя оксиды железа и водород.

Бороться с этими вредными явлениями чрезвычайно трудно, и полностью изолировать сварочную ванну от влияния атмосферных газов чаще всего не удается. Для того чтобы снизить влияние на сварочную ванну атмосферных газов, применяют разные виды защиты – электродное покрытие, защитные газы, флюсы, вакуум и т. д. Это значительно снижает интенсивность металлургических реакций и позволяет добиться хорошего качества сварного шва. Кроме того, большая скорость охлаждения сварочной ванны не позволяет металлургическим реакциям завершиться полностью. Поэтому для регулирования сварочных процессов особое значение приобретают различные флюсы.

Флюс – это неметаллический материал, который вводится в зону сварки, наплавки, пайки, где под действием высоких температур, поддерживаемых в зоне сварки, плавится, образуя шлак. Покрывая сплошной пленкой сварочную ванну, шлак изолирует расплавленный металл от атмосферных газов, сдерживая металлургические реакции. Кроме того, сварочные флюсы уменьшают скорость охлаждения сформировавшегося шва, обеспечивают нужное качество металла шва за счет легирования, улучшают формирование шва, восстанавливают окислы, разжижают и понижают температуру шлаков, стабилизируют горение дуги, улучшают растекаемость металла. Флюсы должны обеспечивать легкую отделяемость шлака, минимизировать количество вредных газов и пыли, выделяющихся при сварке, а также уменьшать потери электродного металла на угар и разбрызгивание.

В сварочном процессе роль флюсов, особенно керамических, огромна. К примеру, флюсы, содержащие в своем составе марганец и кремний, способствуют процессу восстановления этих веществ и частично препятствуют окислению углерода, что снижает вероятность образования пор в металле шва. Образовавшийся при этом оксид железа переходит в шлак.

В состав сварочных материалов могут входить вредные вещества (сера, фосфор и др.), которые оказывают отрицательное влияние на качество шва, являясь причиной хрупкости сварного соединения и образования горячих трещин. В нейтрализации этих вредных явлений участвует содержащийся во флюсах марганец. Он является более активным элементом, чем свариваемый металл, и, вступая в реакцию с сульфидом железа FeS, образует менее растворимый сульфид марганца MnS, вызывая тем самым перераспределение серы из расплавленного металла в шлак и предотвращая появление горячих трещин.

Однако флюсы могут оказывать и негативное воздействие, способствуя увеличению размера кристаллов. Избежать этого помогает добавление специальных модификаторов, содержащих алюминий, титан или ванадий, которые измельчают структуру шва, улучшая его прочностные характеристики.

Для дуговой сварки и наплавки применяют обычно зернистый, порошкообразный флюс. Такой же флюс, но с дополнительными свойствами по электропроводности, используют и для электрошлаковой сварки. Для газовой сварки и пайки в качестве флюсов применяют пасты, порошки и газ.

Флюс получают сплавлением составляющих его компонентов и последующим дроблением (плавленые флюсы) или механическим связыванием (склеиванием) порошкообразных компонентов с последующим измельчением (неплавленые флюсы).

По назначению флюсы разделяют на три группы: для сварки углеродистых и легированных сталей, для сварки высоколегированных сталей, для сварки цветных металлов и их сплавов. В зависимости от химического состава различают флюсы высококремнистые (более 35 % кремнезема), низкокремнистые (до 35 % кремнезема), безмарганцевые (менее 1 % марганца), марганцевые (более 1 % марганца). Изготавливают также легированные флюсы, содержащие чистые легирующие металлы или ферросплавы. Флюсы для автоматической сварки выпускаются по ГОСТ 9087–81. Флюс с размером зерен от 0,25 до 1,60 мм предназначен для сварки проволокой диаметром до 3,00 мм, с размерами зерен от 0,35 до 3,00 мм – для сварки проволокой диаметром более 3,00 миллиметров.

Плавленые флюсы изготавливаются двух видов: стекловидные (зерна прозрачные, от светло-желтого до бурого и коричневого цвета) и пемзовидные (пористые зерна светлой окраски). Объемная масса стекловидных флюсов – от 1,3 до 1,8 кг/дм³, пемзовидных – не более 1 кг/дм³. Наиболее распространены стекловидные флюсы.

К неплавленым флюсам относятся керамические, которые используются главным образом как легирующие: они малочувствительны к ржавчине, окалине и влаге на кромках свариваемых швов; добавление керамических флюсов к стекловидным позволяет получать швы высокого качества даже при плохой очистке кромок.

По сложившейся традиции, марки флюсов обычно указывают наименование разработчика и порядковый номер флюса. Так, флюсы, разработанные ИЭС им. Е. О. Патона, имеют сериал, обозначенный буквенными индексами «АН» (АН-348-А; АН-20; АН-22 и т. д.), что обозначает – «Академия наук» (в составе которой находится ИЭС им. Патона). Флюсы, предложенные НПО ЦНИИТМАШ, имеют сериал «ФЦ» – флюсы ЦНИИТМАШ.

Преимущество плавленых флюсов перед керамическими – это более высокие технологические свойства (защита, формирование, отделяемость шлаковой корки и др.) и меньшая стоимость. Преимуществом керамических флюсов является возможность в более широких пределах легировать металл шва через флюс. В промышленности применяют преимущественно плавленые флюсы.

Высококремнистыми и марганцовистыми флюсами являются флюсы ОСЦ-45 и АН-348-А, АН-348Ш, шихта которых состоит из марганцевой руды (МnО), кварцевого песка (SiO₂) и плавикового шпата (фтористого кальция CaF₂). Буква А в конце марки флюса обозначает, что грануляция крупная (для автоматической сварки), а буква ∅ – мелкая грануляция, т. е. для использования при полуавтоматической сварке шланговыми полуавтоматами.

Для автоматической наплавки под флюсом служат те же флюсы, что и для сварки. Наиболее распространены плавленые флюсы АН-348-А; ОСЦ-45; АН-20; АН-60; 48-ОФ-6; АН-26; АН-15М; АН-8; АН-25; АН-22; АНФ-6 в сочетании с легированными проволоками.