Зварні з'єднання. Звареним називають нероз'ємне з'єднання, виконане зварюванням. Конструктивний тип зварного з'єднання визначається взаиморасположением зварювальних частин. В процесі утворення зварного з'єднання відбуваються складні фізичні і хімічні процеси. До фізичних відносять процеси, які, змінюючи фізичні властивості речовини, не змінюють будову елементарних частинок, з яких складається дана речовина, і не призводять до зміни його хімічних властивостей. У процесі зварювання відбувається нагрів металу, його плавлення і кристалізація, поширення теплоти, деформація вироби. Під час хімічних процесів відбувається зміна будови елементарних частинок, з яких складається дана речовина, в результаті чого виходять нові речовини з новими хімічними і фізичними властивостями. До основних хімічних зварювально-металургійним процесам ставляться хімічні реакції взаємодії металу, що зварюється з газами, покриттями і флюсами. При цьому фізичні і хімічні процеси при зварюванні пов'язані між собою за часом і простором, тому їх можна об'єднати загальним поняттям-фізико-хімічні процеси. Під дією цих процесів виникає характерне будова зварного з'єднання.
Зварене з'єднання при зварюванні плавленням включає в себе:
- зварений шов - ділянку зварного з'єднання, що утворився в результаті кристалізації зварювальної ванни
- зону сплаву - зону, де знаходяться частково сплаву зерна металу на кордоні основного металу і шва
- зону термічного впливу - ділянку основного металу, що не піддався розплавлення, структура і властивості якого змінилися в результаті нагрівання при зварюванні плавленням або різанні
- основний метал - метал підлягають зварюванню, що з'єднуються, але не змінив своїх властивостей при зварюванні.
З'єднання, виконане зварюванням тиском в твердому стані, складається із зони з'єднання, де утворилися міжатомні зв'язку з'єднуються частин, зони термомеханічного впливу і основного металу. У процесі формування структури і властивостей зварного з'єднання при зварюванні плавленням визначальна роль належить тепловим процесам, при зварюванні тиском - пластичної деформації. Залежно від взаємного розташування в просторі з'єднуються розрізняють наступні зварні з'єднання: стикові, кутові, таврові, нахлесточного і торцеве з'єднання, зварений шов і зварна ванна. Стикових вважають зварене з'єднання двох елементів, що примикають один до одного торцевими поверхнями. Його утворюють елементи однаковою або різною товщини. Стикові з'єднання є найтиповішими. У них торці або кромки деталей, що з'єднуються у своєму розпорядженні так, що поверхня однієї деталі є продовженням поверхні іншої. ГОСТом встановлені 32 види стикових зварних з'єднань, які позначаються С1, С2, С3, С4 і т.д. При з'єднанні листів товщиною до 12 мм, застосовують стикові з'єднання без скосу крайок, що зварюються. Процес виробництва такий: кромки листів зрізають під прямим кутом до площини листа і при зварюванні розташовують з зазором 1-2 мм. Листи товщиною до 4 мм зварюють одностороннім швом, понад і до 12 мм - двостороннім. При зварюванні металу товщиною від 3 до 60 мм застосовують стикові з'єднання з V - подібною обробленням кромок. При цьому оброблення крайок може бути одно-і двостороннім. При товщині металу в межах 15-100 мм застосовують V - образну оброблення з криволінійним скосом однієї або обох крайок. Стикові з'єднання з Х - і К-образними разделками кромок застосовують при зварюванні металу товщиною 8-175 мм. При цьому витрата електродного металу, а звідси і електроенергії майже вдвічі менше, ніж при V-подібної обробленні кромок. Крім того, така обробка забезпечує меншу деформацію після зварювання. При V- і Х-подібною обробленням кромки притупляють, щоб запобігти пропал металу при зварюванні. Стикові з'єднання найчастіше застосовуються для виготовлення резервуарів, трубопроводів, різних машинобудівних конструкцій (автомобілів, тракторів).
Нахлесточного з'єднання являє собою зварне з'єднання, в якому сполучаються елементи розташовані паралельно і частково перекривають один одного, тобто один лист металу накладається на інший. Величина перекриття береться в межах 3-240 мм і залежить від товщини зварюваного металу. Нахлесточного з'єднання позначають Н1 і Н2. Ці сполуки можуть бути як з односторонніми, так і з двосторонніми швами. Вони зустрічаються при виготовленні резервуарів, щогл, ферм і інших конструкцій. Їх виконують накладанням одного елемента з'єднання на інший. При цьому величина перекриття повинна бути не менше подвоєної суми товщини зварювальних кромок вироби. При цьому зварюються поверхні не обробляють (не рахуючи зачистку кромок). Листи заварюють з обох сторін, щоб не допустити проникнення вологи в зазор між зварюються листами. Таврові з'єднання - це з'єднання, в яких торець одного елемента примикає до поверхні іншого елемента свариваемой конструкції під деяким кутом і приварений до бічної поверхні іншого елемента. Перетин цього з'єднання має вигляд букви Т. Звідси і назва «Таврове». Ці сполуки застосовують для металів товщиною 2-120 мм. Залежно від призначення з'єднання і товщини металу зварювання може бути здійснена без скоса, з одно- і двостороннім скосом кромок елементів з'єднання. Для отримання міцного шва зазор між зварюються елементами складає 2-3 мм. Умовні позначення таврових з'єднань: Т1-Т8. Таврові з'єднання часто зустрічаються в будівельних конструкціях. Кутові з'єднання здійснюються при розташуванні зварюваних елементів під прямим або довільним кутом, зварювання виконується по крайках цих елементів з однієї або з обох сторін. Умовні позначення кутового з'єднання: У1-У10. Застосовують кутові з'єднання при зварюванні різних коробчастих виробів, резервуарів і ємностей з металу товщиною 1-100 мм. Вони застосовуються також в машинобудівних і будівельних конструкціях (щоглах, фермах, балка і т.п.) Торцевим з'єднанням називається з'єднання, в якому бічні поверхні елементів примикають один до одного. Умовних позначень торцевих з'єднань в стандарті поки немає.
Кожен тип зварного з'єднання має певні переваги і недоліки. Стикові з'єднання широко поширені в зварних виробах, так як вони надійні, економічні, зручні для контролю. Недоліки стикових з'єднань - необхідність більш точного складання деталей під зварювання, складність обробки крайок під зварювання профільного металу (куточки, швелери, таври). Кутові і таврові з'єднання також використовуються в конструкціях. Переваги та недоліки цих сполук такі ж, як і у стикових. Перевагами нахлесточного з'єднання є простота складання з'єднання (можливість підгонки розмірів за рахунок величини нахлестки), відсутність скоса кромок під зварювання. Недоліки нахлесточного з'єднання перед іншими типами: підвищена витрата основного металу на перекриття в з'єднанні, більш низька працездатність при змінних або динамічних навантаженнях, ніж у стикових з'єднань, складність проведення контролю якості зварювання. Існуючі способи дугового зварювання дозволяють зварювати без оброблення крайок метал обмеженою товщини (при ручному односторонньому зварюванні - до 4 мм, механізованої під флюсом - до 18 мм). Тому при зварюванні металу великої товщини необхідно обробляти кромки. Кут скосу кромки забезпечує певну величину кута оброблення крайок, що необхідно для доступу дуги вглиб з'єднання і повного проплавлення крайок на всю їх товщину.
Зварні шви. Зварений шов являє собою ділянку зварного з'єднання, що утворився в результаті кристалізації розплавленого металу зварювальної ванни (при зварюванні плавленням), пластичної деформації (при зварюванні тиском) або після проведення обох процесів. Зварювальної ванній називається частина металу зварного шва, що знаходиться в момент зварювання в розплавленому стані. Поглиблення, що утворюється в зварювальної ванні під дією дуги, називається кратером.
Зварні шви поділяють за такими основними ознаками:
- по положенню щодо чинного зусилля - на флангові, лобові і косі
- по положенню в просторі - на нижні, горизонтальні, вертикальні і стельові
- за зовнішньою формою - на опуклі, нормальні і увігнуті
- по протяжності - на безперервні, або суцільні, і переривчасті
- по виду зварного з'єднання - стикові і кутові.
Стикові шви - це шви стикових з'єднань. Кутові шви, звані також валиковими, - це шви кутових, таврових, з'єднань внапуск. Для виготовлення зварних конструкцій застосовується велика кількість зварювальних матеріалів, які забезпечують процес зварювання, формування, захист і заданий хімічний склад шва. Для регламентації основних типів і конструктивних елементів швів зварних з'єднань використовуються наступні державні стандарти: ГОСТ 5264-80 - для ручного дугового зварювання; ГОСТ 8713-79 - для автоматичної і механізованого зварювання під флюсом; ГОСТ 14771-76- для дугового зварювання в захисних газах; ГОСТ 15164-78 - для електрошлакового зварювання; ГОСТ 15878-79 - для контактного зварювання.
Опуклі шви мають більше перетин і тому називаються посиленими. Однак велика опуклість для швів, які працюють при знакозмінних навантаженнях, шкідлива, тому що викликає концентрацію напруг в місцях неплавное переходу від шва до поверхні основної деталі. Увігнуті (ослаблені) шви застосовують, як правило, в кутових з'єднаннях. У стикових з'єднаннях вони не допускаються. Нормальні шви по перетину відповідають розрахунковим і прийняті як основний вид зварного шва. Переривчасті шви застосовують в тому випадку, якщо шов не відповідальний (зварювання огорож, настилу і ін.) Або якщо по Розрахунки на міцність не потрібно суцільний шов. Їх застосовують з метою економії матеріалів, електроенергії та праці зварника. Довжину проварюють ділянок переривчастого шва приймають в межах 50-150 мм, а проміжки роблять приблизно вдвічі більше. Відстань від початку попереднього шва до початку наступного шва називають кроком шва. Основним металом називають метал з'єднуються частин, що піддаються зварюванні. Присадним металом називають метал, призначений для введення в зварювальну ванну на додаток до розплавленого основного. Наплавленим металом називають переплавлений присадний метал, введений в зварювальну ванну або наплавлений на основний метал. Металом шва називають сплав, утворений переплавлені основним і наплавленим металами. Залежно від параметрів і форми підготовки крайок, що зварюються деталей частки участі основного і наплавленого металів у формуванні шва можуть істотно змінюватися.
Зварювальні матеріали класифікують так:
Безпосередньо беруть участь в утворенні зварного шва. До них відносяться: штучні плавляться електроди для ручного дугового зварювання, електродні дроту для зварювання в захисних газах, під флюсом і для електрошлакового зварювання, присадочні матеріали при різних способах зварювання плавленням; в меншій мірі беруть участь у формуванні складу швів флюси і активні гази; безпосередньо не беруть участь в утворенні зварного шва. До них відносяться не плавляться електроди (вольфрамові, вугільні, графітові, інертні гази.) Зварювальні матеріали класифікуються також на металеві та неметалеві. До металевих зварювальних матеріалів відносяться: зварювальний й наплавочний дроту, стрічки суцільного перетину і порошкові; покриті плавляться і вольфрамові плавляться електроди; додатковий присадний метал у вигляді присадного дроту, гранульованих металевих порошків. До неметаллическим зварювальних матеріалів відносяться: флюси (плавлені та керамічні), захисні гази (інертні і активні). До цієї групи можна віднести вакуум як захисне середовище при зварюванні активних металів.
Зварюваністю металів називається властивість металів або поєднання властивостей металів утворювати при встановленій технології зварювання з'єднання, що відповідає вимогам, обумовленим конструкцією і експлуатацією вироби. Розрізняють фізичну і технологічну свариваемость. Фізичної зварюваністю називається властивість матеріалів давати монолітне з'єднання з хімічним зв'язком. Здатність металів зварюватись є важливою характеристикою, що визначає принципову можливість утворення зварного з'єднання. Подібної свариваемостью володіють практично всі технічні сплави і чисті метали, а також ряд поєднань металів з неметалами. При цьому фізична зварюваність металів в повному обсязі визначає можливість отримання якісного і економічного з'єднання, що володіють працездатність вироби в певних умовах експлуатації. Тому досягнення цих властивостей багато в чому буде залежати від застосовуваної технології зварювання. Технологічною свариваемостью називається технологічна характеристика металу, яка визначає його реакцію на вплив зварювання і здатність при цьому утворювати зварне з'єднання із заданими експлуатаційними властивостями. Зварюваність металів не є незмінною властивістю матеріалу, подібного його фізичних характеристиках. Зварюваність металу залежить від його хімічних і фізичних властивостей, кристалічної решітки, ступеня легування, наявності домішок та інших факторів. Тому поняття зварюваності є комплексним і характеризується сукупністю властивостей і залежно від природи металу та умов його експлуатації.
Основними показниками зварюваності металів та їх сплавів є:
- окислюваність при зварювальному нагріванні, що залежить від хімічної активності металу
- чутливість до теплового впливу зварювання, яка характеризується схильністю металу до зростання зерна, структурними і фазовими змінами в шві і зоні термічного впливу, зміною міцності і пластичних властивостей
- опірність утворенню гарячих тріщин
- опірність утворенню холодних тріщин при зварюванні
- чутливість до утворення пір
- відповідність властивостей зварного з'єднання заданим експлуатаційним вимогам.
Крім перерахованих основних показників зварюваності є ще показники, від яких залежить якість зварних з'єднань. До них відносять якість формування зварного шва, величину власних напружень, величину деформацій і викривлення зварюються матеріалів і виробів. Під час оцінки технологічної зварюваності доцільно використовувати, з одного боку, диференційований підхід, розглядаючи поведінку металу в зварювальній ванні і зміна його властивостей в результаті взаємодії з навколишнім середовищем (газами, шлаками), а також кристалізації в умовах зварювального процесу (металургійна зварюваність). З іншого боку, оцінюючи реакцію металу на теплові впливи в тих чи інших умовах зварювання (теплова свариваемость). При цьому необхідна оцінка з металургійних позицій для вибору способу і засобів захисту та металургійної обробки ванни. Оцінка теплової зварюваності важлива для вибору оптимального термічного циклу зварювання, інакше кажучи, джерела нагріву і режиму. Саме такий диференційований підхід до оцінки зварюваності дозволяє спростити вибір найбільш доцільного технологічного варіанту виконання зварного з'єднання.
Зварюваність сталі прийнято оцінювати за такими показниками:
- схильність металу шва до утворення гарячих і холодних тріщин
- схильність до зміни структури в околошовной зоні і до утворення гартівних структур
- фізико-механічні якості зварювального з'єднання
- відповідність спеціальних властивостей зварного з'єднання технічним умовам.
Вуглецеві сталі по зварюваності можна умовно поділити на такі групи:
- добре зварюються сталі - Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4 (ГОСТ 380-88); 08, 10, 15, 20, 25 (ГОСТ 1050-88)
- задовільно зварюються стали - Ст5 (ГОСТ 380-88); 30, 35 (ГОСТ 1050- 88)
- обмежено зварюються стали - Стб, ст7 (ГОСТ 380-88); 40, 45, 50 (ГОСТ 1050-88);
- погано зварюються стали - 60Г, 65Г, 70Г, 70, 75, 80, 85.
У зварних будівельних конструкціях використовуються головним чином стали першої групи. Стали Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5 застосовують при виготовленні будівельних конструкцій, арматури, гарячекатаних і зварних труб з прямим і спіральним швами. З стали Ст3 виготовляють бункери, резервуари, газгольдери, підкранові балки, конструкції доменного комплексу, балки перекриттів. Стали 10, 15 і 25 використовують для виробництва гарячекатаних труб. Ці стали добре піддаються зварюванні і утворюють зварний шов без тендітних структур і пористості. При цьому чим вище міцність зварюваного матеріалу і більше ступінь його легування, то чутливіші матеріал до термічного циклу зварювання і складніше технологія його зварювання. Оцінку чутливості металу до теплового впливу зварювання виробляють за властивостями різних зон з'єднань і зварних з'єднань в цілому при статичних, динамічних і вібраційних випробуваннях (розтягнення, вигин, визначення твердості, визначення переходу металу в крихкий стан і ін.), А також за результатами металографічних досліджень в залежності від застосовуваних видів і режимів зварювання.