Стыковые швы, как правило, выполняют непрерывными; отличительным признаком для них обычно служит форма разделки кромок[2] 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
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.
