Основы сварочного дела

Сварные соединения и швы

Сварным соединением называется не­разъемное соединение, выполненное сваркой, состоящее из двух деталей и соединяющего их сварного шва.

ГОСТ 5264—80 устанавливает ос­новные типы, конструктивные элемен­ты и размеры сварных соединений из сталей, а также сплавов на железо­никелевой и никелевой основах, вы­полняемых ручной дуговой сваркой металлическим электродом при тол­щине свариваемого металла до 175 мм. Установлены слудующие типы соединений: стыковые — условное

обозначение С, нахлесточные — Н, тавровые — Ти угловые — У.

Стыковые соединения — самые ти­пичные сварные соединения, в кото­рых торцы или кромки соединяемых деталей располагаются так, что по­верхность одной детали является про­должением поверхности другой дета­ли. Стыковые соединения без скоса свариваемых кромок применяют при соединении листов толщиной до 12 мм. Кромки листов срезают под прямым углом к плоскости листа и при сварке располагают с зазором 1 ... 2 мм. Листы толщиной до 4 мм сваривают односторонним швом, 2... 12 мм — двусторонним швом. Стыковые соеди­нения с V-образной разделкой кромок применяют при сварке металла тол­щиной 3 ... 60 мм. При этом разделка кромок может быть одно - и двусто­ронней. Для толщин металла 15 ... 100 мм применяют V-обр. азную разделку шва с криволинейным скосом одной или обеих кромок. Стыковые соеди­нения с X - и К - образной разделкой кромок применяют при сварке металла толщиной 8... 175 мм. При этом рас­ход электродного металла, а отсюда и электроэнергии почти вдвое меньше, чем при V-образной разделке кромок. Кроме того, такая разделка обеспечи­вает меньшую величину деформаций после сварки. При V - и Х-образной разделках кромки притупляют, чтобы предотвратить прожог металла при сварке.

-SL

Рис. 39

Нахлесточные соединения широко применяют при изготовлении различ­ных строительных конструкций — ко­лонн, мачт, ферм и др. Один элемент соединения накладывается на другой. Величина перекрытия должна быть не менее удвоенной суммы толщин сва­риваемых кромок изделия. Сваривае­мые поверхности не обрабатывают (не считая зачистку кромок). Листы при сварке заваривают с обеих сторон, чтобы не допустить проникновения влаги в зазор между свариваемыми листами.

Тавровые соединения — соедине­ния, при которых торец одного эле­мента примыкает к поверхности дру­гого элемента свариваемой конструк­ции под некоторым углом (чаще всего под прямым). В зависимости от наз­начения соединения и толщины ме­талла элементов конструкции сварка может быть осуществлена без скоса, с одно - и двусторонним скосом кро­мок элементов соединения. Для полу­чения прочного шва зазор между свариваемыми элементами составляет 2 ... 3 мм.

Угловые соединения осуществляют при расположении свариваемых эле­ментов под прямым или произволь­ным углом и сварка выполняется по кромкам этих элементов с одной или с обеих сторон. Угловые соеди­нения применяют при сварке различ­ных коробчатых изделий, резервуаров и емкостей.

Сварные швы подразделяют по следующим признакам: по положению относительно действующей силы (рис. 39) — на фланговые (а), лобо­вые (б) и косые (в); по положению в пространстве (рис. 40) — на ниж­ние (а), горизонтальные (б), верти­кальные (в) и потолочные (г); по внешней форме (рис. 41) — на выпук­лые (а), нормальные (о) и вогнутые (в); по протяженности (рис. 42) — на непрерывные или сплошные (а) и прерывистые (б).

Выпуклые швы имеют большее се­чение и поэтому называются усилен­ными. Однако большая выпуклость для швов, работающих при знако­переменных нагрузках, вредна, так как вызывает концентрацию напряжений в местах перехода от шва к поверхности основной детали. Вогнутые швы, ос­лабленные, применяют, как правило, в угловых соединениях; в стыковых сое­динениях они не допускаются. Нор­мальные швы по сечению соответству­ют расчетным и приняты как основ­ной вид сварного шва. Прерывистые швы применяют в том случае, если шов неответственный (сварка ограж­дений, настила и др.) или если по прочностному расчету не требуется сплошной шов. Их применяют в целях экономии материалов, электро­энергии и труда сварщика. Длину I провариваемых участков прерывис­того шва принимают 50... 150 мм, а промежутки девают примерно вдвое больше. Расстояние от начала предыдущего шва до начала после­дующего шва называют шагом шва t.

Основные типы сварных швов: стыковые и угловые. Стыковые швы — это швы стыковых соединений. Угло-

а)

.вые швы, называемые также Вали­ковыми, — это швы угловых, тавровых и нахлесточных соединений. ГОСТ 2.312—72 ЕСКД устанавливает услов­ные изображения и обозначения свар­ных соединений в конструкторских документах изделий. Условное обоз­начение шва наносят на полке линии-выноски, проведенной от изоб­ражения шва с лицевой стороны, и под полкой линии-выноски, проведенной от изображения шва с оборотной сто­роны. На рис. 43 показан пример обозначения шва стыкового соедине­ния с криволинейным скосом одной кромки, двустороннего, выпол­няемого ручной дуговой сваркой при монтаже изделия. Уснленне снято с обеих сторон. Шероховатость поверх­ности шва с лицевой стороны — Rz20, а с оборотной стороны — #г40.

§ 15. Выбор режима сварки

и техника выполнения швов

Для выполнения сварного шва прежде всего определяют режим свар­ки, обеспечивающий хорошее качест­во сварного соединения, установлен­ные размеры и форму при минималь­ных затратах материалов, электро­энергии н труда.

Режимом сварки называется сово­купность параметров, определяющих процесс сварки: вид тока, диаметр электрода, напряжение н сварочный ток, скорость перемещения электрода вдоль шва и др. Основными парамет­рами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и зна-

Толщина свариваемых кро­мок, мм <2 3...5

Диаметр электрода, мм <2 3...4

При выполнении угловых и тавро­вых соединений принимают во внима­ние значение катета шва: при катете

3 ... 5 мм сваривают электродами диа­метром 3... 4 мм, а при катете 6 ... 8 мм — электродами диаметром

4 ... 5 мм. При многопроходной свар­ке швов стыковых соединений первый проход выполняют электродом диамет­ром не более 4 мм; это необхо­димо для хорошего провара корня шва в глубине разделки.

Рис. 41

т

чение сварочного тока. Остальные па­раметры выбирают в завнснмостн от марки электрода, положения сварива­емого шва в пространстве, вида оборудования и др.

Диаметр электрода устанавливают в зависимости от толщины сваривае­мых кромок, вида сварного соедине­ния и размеров шва. Для стыковых соединений приняты практические рекомендации по выбору диаметра электрода в зависимости от толщины свариваемых кромок.

6.. .8 9...12 13...15 16...20 >20

4.. .5 5...6 6...7 7...8 8...10

По выбранному диаметру электро­да устанавливают значение свароч­ного тока. Обычно для каждой марки электродов значение тока указано на заводской этикетке, но можно также определить его по формулам:

/ = (40...50) d3 при йэ = 4...6 мм; / = (20 + 6 йз) d3 при йз<4 мм и йэ> 6 мм,

где / — сварочный ток, А; йэ — диа­метр электрода, мм.

Полученное значение сварочного тока корректируют, учитывая толщину металла и положение свариваемого шва. При толщине кромок (1,3 ... 1,6) d, расчетное значение сварочного тока уменьшают на 10...15%, а при тол­щине кромок > 3d, — увеличивают на 10... 15%. Сварку вертикальных и потолочных швов выполняют сва­рочным током, на 10... 15% умень­шенным против расчетного.

Сварочную дугу возбуждают дву­мя приемами. Можно коснуться сва­риваемого изделия торцом электрода и затем отвести электрод от по­верхности изделия на 3... 4 мм, поддерживая горение образовавшейся дуги. Можно также быстрым боковым движением коснуться свариваемого изделия и затем отвести электрод от поверхности изделия на такое же рас­стояние (по методу зажигания спич­ки). Прикосновение электрода к изде­лию должно быть кратковременным, так как иначе он приваривается к изделию («примерзает»). Отрывать «примерзший» электрод следует рез­ким поворачиванием его вправо и вле­во.

Длина дуги значительно влияет на качество сварки. Короткая дуга горит устойчиво и спокойно. Она обеспечивает получение высококачест­венного шва, так как расплавленный металл электрода быстро проходит дуговой промежуток и меньше под­вергается окислению и азотированию. Но слишком короткая дуга вызывает «примерзание» электрода, дуга пре­рывается, нарушается процесс сварки. Длинная дуга горит неустойчиво с характерным шипением. Глубина про­плавления недостаточная, расплав­ленный металл электрода разбрызги­вается и больше окисляется и азоти­руется. Шов получается бесформен­ным, а металл шва содержит боль­шое количество оксидов. Для электро­дов с толстым покрытием длину дуги указывают на заводской этикетке.

В процессе сварки электроду сооб­щаются следующие движения (рис. 44): а—по направлению оси элек­трода 1 в зону дуги. Скорость движения должна соответствовать скорости плавления электрода, чтобы сохранить постоянство длины дуги; б — вдоль линии свариваемого шва 2. Скорость перемещения не должна быть большой, так как металл электрода не успеет сплавиться с ос­новным металлом (непровар).При ма­лой скорости перемещения возможны перегрев и пережог металла. Шов получается широкий, толстый. Произ­водительность сварки оказывается низкой; в — поперечные колебатель­ные движения применяют для полу­чения уширенного валика шириной, равной 3 ... 4 йэ. Поперечные движе­ния замедляют остывание направляе­мого металла, облегчают выход газов и шлаков и способствуют наилучшему сплавлению основного и электродного металлов и получению высококачест­венного шва. Образующийся в конце наплавки валика кратер необходимо тщательно заварить.

Техника выполнения сварных швов зависит от вида и пространственного положения шва.

Нижние швы наиболее удобны для выполнения, так как расплавленный металл электрода под действием силы тяжести стекает в кратер и не выте­кает из сварочной ванны, а газы и шлак выходят на поверхность метал­ла. Поэтому по возможности следует вести сварку в нижнем положении. Стыковые швы без скоса кромок вы­полняют наплавкой вдоль шва валика с небольшим уширением. Необходимо хорошее проплавление свариваемых кромок. Шов делают с усилением (выпуклость шва до 2 мм). После проварки шва с одной стороны изде­лие переворачивают и, тщательно очистив от подтеков и шлака, зава­ривают шов с другой стороны.

Сварку стыковых швов с V-образной разделкой при толщине кромок до 8 мм производят в один слой, а при большой толщине — в два слоя и бо­лее. Первый слой наплавляют высотой 3 ... 5 мм электродом диаметром 3 ... 4 мм. Последующие слои выполняют электродом диаметром 4...5 мм. Перед наплавкой очередного слоя необходимо тщательно очистить ме­таллической щеткой разделку шва от шлака и брызг металла. После заполнения всей разделки шва изде­лие переворачивают и выбирают не­большую канавку в корне шва, кото­рую затем аккуратно заваривают. При невозможности подварить шов с обратной стороны следует особенно аккуратно проварить первый шов. Стыковые швы с Х-образной раздел­кой выполняют аналогично многослой­ным швам с обеих сторон разделки. Угловые швы в нижнем положении лучше выполнять в положении «лодоч­ка» (рис. 45, а). Если изделие не мо­жет быть так установлено, необхо­димо особенно тщательно обеспечить хороший провар корня шва и свари­ваемых кромок. Сварку следует начи­нать с поверхности нижней кромки и затем переходить через разделку шва на вертикальную кромку, как показа­но на рис. 45, б. При наложении многослойного шва первый валик вы­полняют ниточным швом электродом диаметром 3 ... 4 мм. При этом необ­ходимо обеспечить хороший провар

корня шва. Затем после зачистки раз­делки наплавляют последующие слои.

Вертикальные швы менее удобно сваривать, так как сила тяжести ув­лекает капли электродного металла вниз. Вертикальные швы следует вы­полнять короткой дугой и снизу вверх (рис. 45, в). При этом капли металла легче переходят в шов, а образующаяся полочка удерживает очередные капли металла от стекания вниз. Сварку можно вести и сверху вниз. При этом дугу следует зажигать при положении электрода, перпенди­кулярном плоскости изделия (поло­жение /, рис. 45, г). После об­разования первых капель металла электрод наклоняют вниз 11 и сварку выполняют возможно короткой дугой. Рекомендуется применять электроды диаметром 4 ... 5 мм при несколько пониженном сварочном токе (150... 170 А).

Горизонтальные швы — для их вы­полнения подготавливают кромки с односторонним скосом у верхнего лис­та (рис. 45, д). Дугу возбуждают на нижней кромке и затем переводят на поверхность скоса и обратно. Сварку выполняют электродом ди­аметром 4 ... 5 мм. Горизонтальные нахлесточные швы (рис. 45, е) выпол­няются легче, так как нижняя кромка образует полочку, удерживающую капли расплавленного металла.

Потолочные швы наиболее трудно выполнимы и поэтому требуют высо-

кой квалификации сварщика. Приме­няют электроды диаметром не более 5 мм при уменьшенном сварочном токе. Следует применять тугоплавкое покрытие электрода, образующее «че­хольчик», в котором удерживается расплавленный металл электрода. Ду­га должна быть как можно ко­роче для облегчения перехода ка­пель металла электрода в кратер шва.

Выбор способа и порядка выпол­нения сварных швов зависит главным образом от толщины металла и протяженности шва. При сварке тонколистовой стали необходимо стро­гое соблюдение техники выполнения сварных швов. Особую опасность представляют сквозные прожоги и проплавление металла.

Сталь толщиной 0,5 ... 1,0 мм сле­дует сваривать внахлестку с проплав­лением через верхний лист (рис. 46, а) или встык с укладкой между свари­ваемыми кромками стальной полосы (рис. 46, б). Во втором случае рас­плавление кромок должно происхо­дить при косвенном воздействии дуги. Сварку производят на пониженных режимах. Питание дуги — от преоб­разователя ПС-100-1 или аппарата пе­ременного тока ТС-120, так как они отличаются повышенным напряже­нием холостого хода и малыми сва­рочными токами. Рекомендуются сле­дующие режимы сварки:

TOC o "1-5" h z Толщина металла, мм Диаметр электрода, мм Сварочный ток, А. .

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

1 1,6...2 2 2,5 3

10.. .20 25...35 40...50 50...70 60.. .90

Применяют электроды с покры­тием марок МТ или ОМА-2. Свар­ку ведут на массивных теплоотводя­щих медных подкладках. Такой способ теплоотвода предохраняет металл от сквозного прожога и способствует хорошему формированию шва. Тонко­листовую сталь можно сваривать с отбортовкой кромок (рис. 46, в).

Сварку производят постоянным то­ком неплавящимся электродом (уголь­ным или графитовым) диаметром

6.. . 10 мм при сварочном токе 120... 160 А. Применение иных способов сварки тонколистового материала рас­смотрено в соответствующих главах.

Металл большой толщины свари­вают в несколько проходов, заполняя разделку кромок слоями. При тол­щине металла 15 ... 20 мм сварку вы­полняют секциями способом двойного слоя (рис. 47, а). Шов разбивают на участки длиной 250... 300 мм и каж­дый участок заваривают двойным сло­ем. Второй слой накладывают после удаления шлака по неостывшему пер­вому. При толщине металла 20 ... 25 мм и более применяют сварку каска­дом (рис. 47, б) или сварку горкой (рис. 47, в). Каскадный способ заклю­чается в следующем. Весь шов раз­бивают на участки и сварку ведут непрерывно. Закончив сварку слоя на первом участке, сваривают первый слой на втором участке и продолжают сварку на первом участке, наклады­вая второй слой по неостывшему пер­вому слою, и т. д. Сварка горкой является разновидностью сварки кас­кадом, обычно выполняется двумя сварщиками одновременно и ведет­ся от середины шва к краям. Такие способы сварки обеспечивают более равномерное распределение темпера­туры и значительное снижение сва­рочных деформаций.

Способы выполнения сварных швов по длине зависят от их протя­
женности. Условно принято различать: короткие швы длиной до 250 мм, средние швы длиной 250... 1000 мм и длинные швы протяженностью более 1000 мм. Короткие швы выполняют сваркой на проход (рис. 48, а). Швы средней длины сваривают либо от се­редины к краям (рис. 48, б), либо об­ратноступенчатым способом (рис. 48, в). Обратноступенчатый способ зак­лючается в том, что весь шов разби­вают на участки и каждый участок сваривают в направлении, обратном общему направлению сварки. Конец каждого участка совпадает с началом предыдущего. Длина участка выби­рается в пределах 100... 300 мм в зависимости от толщины металла и жесткости свариваемой конструк­ции. Длинные швы сваривают также обратноступенчатым способом.

Сварка при низких температурах отличается следующими основными особенностями. Стали изменяют свои механические свойства, понижается ударная вязкость и уменьшается угол загиба, ухудшаются пластические свойства и несколько повышается хрупкость, а отсюда склонность к об­разованию трещин. Это особенно за­метно у сталей, содержащих углерод более 0,3%, а также у легированных сталей, склонных к закалке. Металл сварочной ванны охлаждается значи­тельно быстрее, а это приводит к повышенному содержанию газов и шлаковых включений и, как следст­вие, — к снижению механических свойств металла шва. В связи с этим установлены следующие ограничения сварочных работ при низкой темпе­ратуре. Сварка стали толщиной более 40 мм при температуре 0°С до­пускается только с подогревом. Подог­рев необходим для сталей толщиной 30 ... 40j мм при температуре ниже

— 10°С, для сталей толщиной 16... 30 мм при температуре ниже — 20°С и для сталей толщиной менее 16 мм при температуре ниже — 30°С.

Для подогрева применяют горелки, индукционные печи и другие нагре­вательные устройства. Сварку произ­водят электродами типа Э42А, Э46А, Э50А, обеспечивающими высокую пластичность и вязкость металла шва. Сварочный ток на 15...20% выше нор­мального. Рабочее место должно быть защищено от ветра и снега.

§ 16. Высокопроизводительные способы сварки

Сварка с глубоким проплавлением

(методом опирання). Для получения глубокого проплавления используют электрод 4 (рис. 49) с утолщен­ным покрытием. Стержень электрода плавится быстрее покрытия, поэтому на конце электрода образуется «че­хольчик». Опираясь этим чехольчиком на кромки свариваемого изделия, пе­ремещают электрод вдоль шва 3 без колебательных движений (1 — шлак, 2 — металл шва, 5 — основной ме­талл). Для получения узких швов

рекомендуется усиливать нажим на электрод в направлении сварки, а для получения широких швов нажим необходимо ослаблять.

Такой метод обеспечивает повы­шение производительности сварки на 50 ... 70% за счет уменьшения рас­хода наплавляемого металла на еди­ницу длины шва. Короткая дуга и большая концентрация теплоты зна­чительно увеличивают глубину про­плавления основного металла. В зак­рытой чехольчиком зоне дуги потери металла на угар и разбрызгивание минимальные. Сварочный ток может быть повышен на 40 ... 60% по срав­нению с нормальным. Метод особен­но эффективен при сварке угловых и тавровых соединений в нижнем поло­жении или «в лодочку». Основным электродом для сварки с глубоким проплавлением является ЦМ-7с. Ме­нее эффективно применение электро­дов ОММ-5, МЭЗ-04. Сварка таким методом не требует высокой квали­фикации и легко осваивается свар­щиком.

Сварка пучком электродов (рис. 50). Два или несколько электродов с качественным покрытием связывают в двух-трех местах по длине тонкой проволокой, а оголенные от покры­тия концы прихватывают сваркой. Через электрододержатель ток подво­дится одновременно ко всем электро­дам. Дуга возбуждается на том электроде, который ближе к сваривае­мому изделию. По мере проплавления дуга переходит от одного электрода к другому. При таком методе элект­род нагревается значительно меньше, что позволяет работать при больших токах. Например, при трех электродах диаметром 3 мм допустимый свароч­ный ток достигает 300 А. Потери ме­талла на угар и разбрызгивание не возрастают. При этом, производитель­ность сварки повышается в 1,5 ... 2 ра­за. Коэффициент наплавки электродов увеличивается, так как стержни элект­родов все время подогреваются теп­лотой дуги. Однако пучком электро­дов невозможно обеспечить хороший провар корня шва. Поэтому прихо­дится предварительно одиночным электродом проваривать корень раз­делки и затем производить сварку шва пучком электродов. Этот метод дает высокую производительность при на­плавочных работах.

Сварка трехфазной дугой. Свар­ка осуществляется двумя электрода­ми, изолированными друг от друга (рис. 51, а). К электрододержателю подводят две фазы источника тока, а третью фазу подводят к свариваемо­му изделию. Возбуждаются и одно­

временно горят три сварочные дуги: по одной между каждым электродом и изделием и третья между электродами. Такая схема значительно повышает устойчивость горения дуги, улучшает степень использования теплоты дуги и позволяет снизить напряжение хо­лостого хода. Для сварки применяют электроды марок ЦМ-7, ОММ-5. УОНИ-13.

При сварке трехфазной дугой при­меняют также следующие схемы: сварку двумя одинарными электродо - держателями (рис. 51, б); сварку од­ним одинарным электрододержателем и вторым электродом, уложенным в разделку шва изолированно от сва­риваемого изделия (рис. 51, в); сварку пучком электродов, из которых только два токоведущие, а остальные холос­тые (т. е. не включены в сварочную цепь и расплавляются от теплоты ду­ги). Сварка трехфразной дугой приме­нима при любых соединениях в ниж­нем и наклонном положениях. Такой метод особенно можно рекомендовать для сварки в нижнем положении и «в лодочку» угловых и тавровых сое­динений.

Сварка ванным способом. Ванный способ применяют при сварке сты­ков арматуры железобетонных конст­рукций (рис. 52, а). Сущность

способа заключается в следующем: к стержням арматуры в месте стыка при­варивают стальную форму, в которой теплотой дуги создают ванну расплав­ленного металла, непрерывно подогре­ваемую дугой. От теплоты металла ванны плавятся торцы свариваемых стержней, образуется общая ванна ме­талла шва и затем при остыва­нии — сварное соединение. При свар­ке вертикальных швов в качестве фор­мующей детали применяют штампо­ванную форму из листовой стали (рис. 52, б), которую приваривают к нижнему стержню. Затем прихва­тывают конец верхнего стержня к нижнему и переходят к заполнению формы наплавляемым металлом. Для выпуска шлака прожигают электро­дом отверстия в стенке формы, кото­рые затем заваривают. Процесс свар­ки ведут при больших токах. Напри­мер, для электродов диаметром 5...6 мм сварочный ток достигает 400... 450 А. Сварку при низких температу­рах выполняют током выше установ­ленного на 10... 12%. Зазор между торцами свариваемых стержней дол­жен быть не менее удвоенного диа­метра электрода. Сварку можно вы­полнять одним или несколькими электродами одновременно. Рекомен­дуется применять электроды марки УОНИ-13/55 (типа Э50А). Ванный способ значительно уменьшает расход электродов и электроэнергии и снижа­ет трудоемкость и себестоимость сварочных работ.