Классификация сварных швов

При проектировании металлоконструкций типы сварных швов назначаются с учетом методов сварки, толщины свариваемых элементов, положения в пространстве и технологии сварки. Сварные швы классифицируются по назначению, конструктивному признаку, протяженности и внешней форме в зависимости от условий изготовления и эксплуатации сварных конструкций.

По назначению сварные швы делят на рабочие, предназначенные для восприятия и передачи расчетных усилий с одного элемента на другой, и связующие, предназначенные для соединения частей элементов конструкций в одно целое и принимаемые конструктивно с минимальным катетом угловых швов (для уменьшения влияния возможных непроваров), принимаемым в зависимости от толщины более толстого из свариваемых элементов по табл. 10.10.

Таблица 10.10

Минимальные катеты cварных швов

По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые и угловые.

Стыковые швы наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений, но требуют дополнительную разделку кромок, зависящую от толщины соединяемых элементов и способа сварки. Разделку кромок применяют в том случае, если односторонняя сварка не позволяет обеспечить полный провар шва в листах толщиной более 8…10 мм (табл. 10.11).

Таблица 10.11

Виды стыковых швов в элементах стальных конструкций

Окончание табл. 10.11

Обозначения: О – односторонний шов; Д – двухсторонний шов; t – толщина соединяемых элементов; а – зазор; p – притупление; R – радиус закругления; α – угол раскрытия шва.

Разделка кромок имеет технологическое назначение. Она позволяет глубже вводить электрод и оставлять между соединяемыми элементами зазор постоянного размера, обеспечивая хороший провар стыка по всей толщине сечения, создает условия для свободы сварочных деформаций (усадки), развивающихся при остывании швов, и не влияет на статическую прочность соединения.

По форме разделки кромок свариваемых элементов швы подразделяются: без разделки; V-образные; U-образные; X-образные; K-образные (см. табл. 10.11). Для V- и U-образных швов, свариваемых с одной стороны, обязательна подварка корня шва с другой стороны для устранения возможных непроваров.

Для сварочных соединений при толщине деталей более 30 мм применяют, главным образом, швы с криволинейным скосом двух кромок. Некоторое повышение трудоемкости обработки кромок в этом случае компенсируется значительным уменьшением объемов сварочных работ и количеством наплавленного металла.

Рис. 10.20. Вывод начала и конца шва на технологические планки

Притупление кромок производится для обеспечения устойчивого ведения процесса сварки при выполнении корневого слоя шва. Отсутствие притупления способствует образованию прожогов при сварке. Правильно установленный перед сваркой зазор позволяет обеспечить полный провар по сечению соединения при наложении первого (корневого) слоя шва.

Рис. 10.21. Типы сварных швов в нахлесточных соединениях:

а – фланговые; б – лобовые; в – косые

При автоматической сварке принимают меньшие размеры разделки кромок вследствие большего проплавления соединяемых элементов.

Для устранения низкого качества шва в зонах зажигания (непровар) и прерывания (кратер) сварочной дуги применяют выводные технологические планки, позволяющие вывести начало и конец шва за пределы рабочего сечения шва (см. рис. 10.20). После сварки технологические планки срезают, а торцы шва зачищают наждачным кругом. Выводные планки выполняют с той же разделкой кромок, что и для свариваемых элементов.

Угловые швы наваривают в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях (см. рис. 10.21).

В зависимости от ориентации углового шва относительно линии действия внешнего усилия швы подразделяются на фланговые, расположенные параллельно усилию, лобовые или торцевые, расположенные перпендикулярно усилию, и косые, расположенные под углом к усилию.

По положению в пространстве при выполнении сварки швы подразделяются на виды:

– нижние, выполняемые на горизонтальной поверхности или при небольшом уклоне;

– вертикальные, выполняемые на вертикальной поверхности (или несколько наклонной) снизу вверх или сверху вниз;

– горизонтальные на вертикальной плоскости;

– потолочные, выполняемые сварщиком под изделием, как бы по потолку;

– «в лодочку», выполняемые по горизонтали в угол, образованный двумя наклонными плоскостями соединяемых элементов (рис. 10.22).

Сварка нижних швов наиболее удобна (расплавленный металл под действием собственного веса переходит в шов, не вытекая из ванны, а шлак и газы легко всплывают на поверхность), легко поддается механизации, дает лучшее качество шва, поэтому конструктивное решение должно предусматривать возможность выполнения большинства швов в нижнем положении. В заводских условиях благодаря возможности кантовки элементов в процессе изготовления все швы желательно выполнять в нижнем положении (стыковые) и «в лодочку» (угловые).

По протяженности сварные швы бывают непрерывными (сплошными) и прерывистыми (шпоночными) (рис. 10.23). Прерывистые швы могут быть расположены в виде цепочки или в шахматном порядке. Длина участка прерывистого шва l = 50…100 мм. Расстояние t – шаг прерывистого шва, обычно равный 2l. Применение прерывистых швов из-за концентрации напряжений по концам шва и пониженной коррозийной стойкости нежелательно. Основное преимущество прерывистых швов – ускорение ручной сварки благодаря уменьшению объема наплавленного металла – не может компенсировать отмеченных недостатков. Эти швы применяются в качестве связующих, а также для сварки лестниц, настилов площадок и прочих слабонагруженных конструкций и элементов с напряжением менее 0,4R.

Рис. 10.22. Положение сварных швов в пространстве:

а – расположение: нижнее (1), вертикальное (2), потолочное (3);

б – горизонтальное на вертикальной плоскости; в – «в лодочку»

Рис. 10.23. Сварные швы по протяженности:

а – сплошные; б – прерывистые

По количеству слоев, наложенных при сварке, швы могут быть однослойными и многослойными. Первые выполняются одним проходом сварочной дуги, вторые несколькими (рис. 10.24).

Рис. 10.24. Сварные швы по количеству слоев:

а – однослойные; б – многослойные

При ручной сварке за один проход может быть выполнен шов с катетом kf  ≤ 8 мм. Более толстые швы получаются при многослойной сварке, катет которых kf  > 20 мм применять не рекомендуется, так как они имеют большие внутренние сварочные напряжения.

По внешней форме сварные швы делятся на нормальные (с плоской поверхностью), выпуклые (усиленные) и вогнутые (рис. 10.25).

Выпуклые швы характерны для ручной сварки. К вогнутым угловым швам прибегают в целях повышения сопротивления сварных соединений усталости (вогнутость стыковых соединений является браком). Вогнутость и плоская поверхность швов достигаются регулировкой режима сварки или специальной механической обработкой.

Параметры режима сварки влияют на качество сварного соединения и предопределяют геометрические размеры и форму шва (см. рис. 10.25). За расчетный катет шва kf принимается меньший катет вписанного в сечение треугольника. Выпуклость (усиление) шва сварного соединения q и вогнутость m допускаются равными 0,2k, но не более 3 мм.

Форма шва характеризуется:

– коэффициентом провара, т.е. отношением ширины шва к его толщине (лучшей формой провара считается такая, у которой ширина шва в 1,3…2 раза больше толщины шва);

– коэффициентом формы шва, т.е. отношением толщины шва к его усилению (для нормально сформированных швов коэффициент формы шва должен находиться в пределах от 6 до 12);

– долей основного металла в металле шва, т.е. отношением площади расплавленного основного металла к площади сечения всего шва.

Рис. 10.25. Форма и геометрические размеры сварного шва:

а – стыковые; б – угловые;

t – толщина свариваемого металла; h – глубина провара; e – ширина шва;

q – выпуклость шва (высота усиления); m – величина вогнутости; k, k1 и k2 – катеты угловых швов; kf  – расчетный катет шва; p – расчетная высота

углового шва; s = (p + q) – толщина углового шва; δ – зазор

Соотношение размеров катетов угловых швов принимается, как правило, 1:1. Для уменьшения концентрации напряжений при переходе силового потока с одного элемента на другой рекомендуются пологие швы с отношением катетов 1:1,5. При этом больший катет должен быть расположен вдоль передаваемого швом усилия, а за толщину шва принимается меньший катет. Плавный переход силового потока достигается также устройством швов вогнутой формы. Такая форма швов применяется в конструкциях, воспринимающих динамические и вибрационные нагрузки, а также возводимых в климатических   районах  Ι2,  ΙΙ2,  ΙΙ3  и  Ι1  (расчетная  температура  воздуха

–40оС > t ≥ –65оС), при обосновании расчетом на выносливость или на прочность с учетом хрупкого разрушения.

Швы с неравными катетами допускается применять в свариваемых элементах разной толщины, при этом катет, примыкающий к более тонкому листу, должен быть не более 1,2 tmin, а примыкающий к более толстому листу – не менее kf, min (см. табл. 10.10).

Максимальный катет угловых швов в целях уменьшения возможности пережога свариваемых элементов, а также снижения усадочных напряжений и деформаций принимается kf,max ≤ 1,2 tmin (tmin – толщина более тонкого из соединяемых элементов).