Сварной шов: виды сварочных соединений и технология их изготовления

сварочный шов и сварные соединения
сварочный шов и сварные соединения

Сварной шов — это след, образующийся после сварки и соединяющий детали в неразъемную конструкцию — сварочное соединение. Несмотря на то, что сварные соединения и швы относятся к одному производственному процессу, не следует смешивать эти понятия.

К сварочному шву предъявляются конкретные требования, регламентирующиеся нормативными документами. Одним из таких документов является ГОСТ 2601 – 84 «Сварка металлов. Термины и определения основных понятий».

В данном обзоре основным объектом рассмотрения является сварной шов, образованный посредством ручной дуговой сварки (MMA), его классификация, технология и распространенные дефекты сварки.

Ручная дуговая сварка

Ручная дуговая сварка – это сварка покрытым специальной обмазкой металлическим электродом, к которому подводится сварочный ток для образования и поддержания электрической дуги. Дуга зажигается при кратковременном прикосновении конца электрода к свариваемому изделию.

Схема процесса ручной дуговой сварки:

схема ручной дуговой сварки 1) Закристаллизовавшийся метал шва.
2) Затвердевший шлак.
3) Сварочная ванна.
4) Газовая атмосфера дуги.
5) Электродный стержень.
6) Покрытие электрода.
7) Капли расплавленного электродного метала.
8) Глубина проплавления.
9) Свариваемое изделие.
10) Направление сварки.

Более подробно рассмотрим все процессы, происходящие в процессе сварки:

  • Под действием электрической дуги расплавляется металлический стержень электрода и металл свариваемого изделия. Электродный металл в виде отдельных капель, покрытых шлаком, переходит в сварочную ванну, где смешивается с основным металлом, а расплавленный шлак всплывает на поверхность.
  • Шлак, покрывая капли расплавленного электродного металла и поверхность сварочной ванны, препятствует их взаимодействию с воздухом, а также способствует очищению расплавленного металла от примесей.
  • При плавлении покрытия электрода вокруг дуги и над сварочной ванной образуется газовая атмосфера, оттесняющая воздух из зоны сварки для предотвращения его взаимодействия с расплавленным металлом.
  • Завершающий шаг — металл сварочной ванны кристаллизуется и образуется шов.

Сварное соединение, форма шва и изображение на чертеже

Разобравшись с процессом ручной дуговой сварки, в процессе которого образуется шов, перейдем к рассмотрению основных зон сварного шва и его формам.

Сварное соединение включает четыре зоны металла:

1) Зона сварного шва — это сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами. сварной шов - схема
2) В зоне сплавления, где нагрев ниже температуры плавления, находятся частично оплавленные зерна металла на границе основного металла и металла шва. Зерна металла здесь разъединяются жидкими прослойками, связанными с жидким металлом сварочной ванны.
3) Зона термического влияния — это участок основного металла, не подвергшийся расплавлению. Структура и свойства данной зоны меняются в результате нагрева при сварке.
4) Часть основного металла, прилегающая к зоне термического влияния.

Различают лицевую и обратную стороны шва. За лицевую сторону в одностороннем шве принимается та, с которой производится сварка. В двухстороннем шве с несимметричным скосом — сторона, с которой производится сварка основного шва. В двухстороннем шве с симметричным скосом — любая сторона.

стороны сварочного шва
Стороны сварного шва

По форме наружной поверхности сварные швы бывают:

форма шва 1 — 2 — 3 — выпуклый шов. При его остывании усадка (обозначено пунктиром) проходит спокойно. Пунктирная линия шва короче первоначальной, поэтому растягивающее напряжение в сварном шве не возникает.
1 — 4 — 3 — вогнутый шов. Усадка шва протекает с удлинением кривой контура, поэтому может возникнуть местный разрыв и трещина.

Основные геометрические параметры стыкового шва по ГОСТ 2601 – 84:

S — толщина свариваемого металла. геометрические параметры стыкового шва
e — ширина сварного шва.
g — выпуклость стыкового шва — наибольшая высота (глубина) между
поверхностью сварного шва и уровнем расположения поверхности
сваренных деталей.
h — глубина провара (глубина проплавления) — наибольшая глубина
расплавления основного металла.
t — толщина шва (g + h).
b — зазор.

Основные геометрические параметры углового шва по ГОСТ 2601 – 84:

K — катет углового шва — кратчайшее расстояние от поверхности одной
из свариваемых деталей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой детали.		 геометрические параметры углового шва
g — выпуклость шва.
Hp — расчетная высота углового шва — длина перпендикулярной линии,
проведенной из точки наибольшего проплавления в месте сопряжения свариваемых частей к гипотенузе наибольшего прямоугольного треугольника, вписанного во внешнюю часть углового шва.
a — толщина углового шва (g + p).

Видимые сварные швы на чертеже изображаются основной линией, а невидимые — штриховой:

сварочные швы на чертеже
Обозначение шва на чертеже

Классификация сварных швов

Существуют различные разновидности сварных соединений и швов. Выработанная классификация учитывает технологические особенности швов, их пространственное положение, размеры и иные факторы. В данном пункте подробно рассмотрены все типы сварочных швов и конструкционных соединений.

По расположению свариваемых элементов

В зависимости от взаимного расположения свариваемых элементов различают следующие виды сварных соединений:

стыковые соединения Стыковые соединения (типы швов С1 — С48). При данной способе обработки детали располагаются в одной плоскости. При этом сварку можно осуществлять как на весу, так и на подкладке. Сварной стыковой шов применим для соединения труб и металлических листов.  Полученные соединения имеют наименьшую концентрацию напряжений и обеспечивают равнопрочность соединения с основным материалом.
нахлесточные соединения Нахлесточные соединения (типы швов Н1 — Н2) производятся при параллельном расположении деталей в пространстве. При этом одна деталь частично налегает на другую. Соединение нахлестом применимо при сварке металлических листов толщиной не более 12 мм.  Если при эксплуатации узла возможны нагрузки на излом, то от использования такого метода соединения лучше отказаться.
тавровые соединения При тавровых соединениях (типы швов Т1 — Т9), выполняемых угловыми швами, торец одной детали располагается перпендикулярно основной поверхности второй детали. Такое соединение широко востребовано при устройстве несущих конструкций, так как оно считается наиболее прочным — способным выдерживать повышенные нагрузки.
угловые соединения Угловые соединения (типы швов У1 — У10) выполняются при расположении деталей под углом (чаще под прямым углом) и их последующем сваривании в месте примыкания краев. По технологии выполнения такие соединения бывают односторонние и двусторонние, а применяемые в их основе сварные швы — угловые. Угловые соединения чаще применимы при соединении частей различных емкостей и резервуаров.
торцевые соединения При торцевых соединениях заготовки параллельно располагаются одна на одной и воедино сваривают на торцах. Таким способом можно соединить детали любой толщины с минимальной деформацией.
проплавные швы Проплавные швы — это особая разновидность, которая используется в тавровых, нахлесточных соединениях и ограничивается деталями толщиной до 10 мм. Такие швы изготавливаются путем полного проплавления верхнего и частичного проплавления нижнего листа заготовки.  Разновидностью проплавных швов являются пробочные проплавные швы. Они образуются в результате проплавления верхнего более тонкого листа. Такие электрозаклепки можно ставить как без отверстия в привариваемом листе, так и по отверстию.

Сварочные швы по протяженности

По протяженности швы бывают сплошными и прерывистыми:

1) Непрерывный односторонний шов. сварочные швы по протяженности
2) Прерывистый односторонний шов.
3) Непрерывные двусторонние швы.
4) Цепные двусторонние швы.
5) Шахматные двусторонние швы.

Прерывистые швы подходят для ненагруженных (и/или негерметичных) соединений и могут быть расположены в виде цепочки или в шахматном порядке. Длина соединенных участков (l) обычно составляет 50 — 150 мм. Промежуток между швами (t), называющийся шагом обычно делают в 1,5 — 2,5 раза больше длины зоны сваривания l.

Сварные швы по количеству слоев

По количеству слоев сварка бывает однослойной и многослойной, а по числу проходов — однопроходной и многопроходной. Многослойный шов целесообразно применять при обработке толстого металла. Также используя метод нескольких слоем на более тонких заготовках можно добиться уменьшения зоны термического влияния.

Структура и терминология многослойного сварного шва: 

многослойный шов Слой сварного шва — металл
шва, состоящий из одного, двух или нескольких валиков, которые размещены на одном уровне поперечного сечения шва.
Проход — однократное перемещение источника тепла в одном направлении при сварке или наплавке.
Валик — часть металла сварного шва, которая была наплавлена за один проход.

Выполняя многопроходный шов, следует учитывать, что каждый новый слой следует накладывать быстро, пока не остыл предыдущий (нужно учитывать и время, затрачиваемое на удаление шлака).

К положительному эффекту от многопроходной технологии можно отнести тот факт, что при наложении последующего шва, в предыдущем происходит отжиг. Отжиг — это вид термической обработки, заключающийся в нагреве до определенной температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры.

Швы по положению в пространстве

По положению в пространстве швы подразделяют:

а) Нижние. Такое положение заготовок является самым удобным для сварщика. сварочные швы по положению в пространстве
б) Горизонтальные. Такое расположение линии шва, как и во всех остальных случаях, приводит к стеканию металла в процессе работы. Бороться с этим можно, увеличив скорость передвижения электрода, или регулярно прерывая дугу, давая возможность остыть металлу.
в) Вертикальные. В данном случае также существует проблема стекания расплавленного металла (капель). И если сварка осуществляется по направлению сверху вниз, то эти капельки начнут быстро застывать, образуя своеобразную преграду. Поэтому вести сварку при вертикальном способе следует снизу вверх.
г) Потолочные (верхние). Такие швы требуют от сварщика определенной сноровки, так как в процессе работы ему придется принимать неестественную позу. Сварка потолочного соединения производится в режиме короткой дуги электродами не толще 4 мм. Ширина шва должна быть меньше, чем толщина электрода.Сваривание должно выполняться по направлению «на себя».

Сварные швы по внешнему виду

По внешнему виду наружной поверхности сварные швы разделяют на выпуклые (усиленные), нормальные и вогнутые.

Форма сварных стыковых швов:

внешний вид сварочных швов а) Выпуклый сварной шов
б) Нормальный шов
в) Вогнутый шов

Обычно при ручной сварке применяют выпуклые (усиленные) швы, которые лучше работают при статических (постоянных) нагрузках. Однако выбирая более надежное соединение, стоит понимать, что они неэкономичны в плане расхода электродов и энергии.

Если сварное изделие при эксплуатации предполагается наличие динамических нагрузок, то при соединении заготовок лучше использовать нормальный (плоский) или вогнутый шов. Преимущество такого подхода заключается в отсутствии большого перепада между поверхностями свариваемых изделий и швом.

Положение и движение электрода при сварке

Наклон электрода в процессе сварки влияет на скорость разогрева металла. Поэтому выбор оптимального угла зависит от видов сварных соединений и используемых типов швов.

Следующим важным нюансом при сварке является и то, каким способом перемещается электрод в процессе создания сварного шва. Траектория движения выбирается в зависимости от толщины заготовок и типов сварочных соединений.

Следующее схематическое изображение наглядно иллюстрирует допустимые траектории движения электрода при создании вертикальных, горизонтальных и потолочных швов:

движение электрода при сварке

Поперечные колебательные движения электродом при сварке обеспечивают хороший прогрев корня шва и его кромок, делают соединение более прочным. Также амплитуда колебания позволяет получить шов заданного размера. Существуют различные зацикленные фигуры, которые вырисовывает электрод при сварке — «лестница», «треугольник», «елка», «полумесяц», «петля». Выбор зависит от типов сварочных соединений, как указано на схеме выше.

Положение электрода при сварке:

положение электрода при сварке Углом вперед — подходит для горизонтальных, вертикальных, потолочных швов, сварке неповоротных стыков труб. Процессу сварки будет мешать жидкий шлак, находящийся все время впереди. Сварная дуга может гаснуть или начать «блуждать». При появлении пропущенных участков качество шва может быть снижено.
Под прямым углом — для сварки в труднодоступных местах. Такое положение позволяет контролировать жидкий шлак и следить за тем, чтобы он перемещался вслед за сварочной ванной.
Углом назад выполняется сварка угловых и стыковых соединений.
Обрыв дуги при окончании сварки. В конце шва нельзя обрывать дугу сразу. Электрод нужно перемещать на верхний край сварочной ванны (положение 1 — 2) и затем быстро отводить от кратера в положение 3.
Заварка кратера (первый способ). Дугу нужно обрывать в конце сварного шва (1), а затем повторно зажигать (2) для формирования необходимой высоты.
Заварка кратера (второй способ). Из положения 1, не обрывая дуги, нужно смещать электрод на 10 — 15 мм в положение 2, а затем в положение 3, после чего дугу можно оборвать.

Чтобы зажглась дуга, электрод следует держать перпендикулярно. Затем необходимо осуществлять небольшой наклон. Сварочный шов получится более качественным, если сварку проводить короткой дугой.

Дефекты сварных швов

Причинами возникновения дефектов могут быть:

  • Некачественный материал или неисправность применяемого оборудования.
  • Ошибки при проведении производственного процесса, недостаточная квалификация сварщика.
  • Нарушение технологического процесса. Выбор электродов неправильного размера, включение на оборудовании несоответствующего виду сварки режима, колебания напряжения в электросети, неподходящая скорость процесса.
  • При проведении сварки на свежем воздухе могут неблагоприятно подействовать плохие погодные условия.

Виды дефектов, в зависимости от места возникновения:

  • Наружные дефекты хорошо видны при визуальном осмотре. К ним относятся наплывы, трещины, выпуклости и углубления, подрезы, свищи. Сюда же и относится наличие в сварном шве участков, различающихся по ширине, а при угловых соединениях — разная величина катетов.
  • Внутренние (непровар, поры, трещины). Причины возникновения — недостаточно качественный основной материал, нарушение технологии сварки.
  • Сквозные (поры, проходящие всю толщину шва) также можно обнаружить при визуальном осмотре.

Виды дефектов сварного шва и причины образования:

Причина дефекта Схема
Кратеры в сварочном шве могут образоваться по причине обрыва дуги или неправильного выполнения конечного участка шва. дефекты сварочных швов
Поры могут возникнуть из-за: быстрого охлаждения шва; загрязнения кромок маслом (ржавчиной); непросушенных электродов; высокой скорости сварки.
Включения шлака в шве — это следствие: грязи на кромках; малого сварочного тока; большой скорости сварки.
Несплавления могут возникнуть из-за: плохой зачистки кромок; большой длины дуги; недостаточного сварочного тока; большой скорости сварки.
Причинами наплыва являются: большой сварочный ток; неправильный наклон электрода; излишне длинная дуга.
Свищи в сварочном шве возникают из-за: низкой пластичности металла шва; образования закалочных структур; напряжения от неравномерного нагрева.
Причинами образования подрезов являются: большой сварочный ток; длинная дуга; смещение электрода в сторону вертикальной стенки (при сварке угловых швов).
Непровар образуется из-за: малого угла скоса вертикальных кромок; малого зазора между кромками; загрязнения кромок; недостаточного сварочного тока; высокой скорости сварки.
Прожог сварочного шва — это следствие: большого тока при малой скорости сварки; большого зазора между кромками; плохого поджатия флюсовой подушки или медной подкладки под свариваемый шов.
Неравномерная форма шва образуется при: неустойчивом режиме сварки; неточном направлении электрода.
Трещины в сварочном шве образуются из-за: резкого охлаждения; высокого напряжения (физическое воздействие) в жестко закрепленных конструкциях; повышенного содержания серы или фосфора.
Перегрев (пережог) металла происходит по причине: чрезмерного нагрева околошовной зоны; неправильного выбранной тепловой мощности; завышенного значения мощности пламени или сварочного тока.

ГОСТ 5264-80 (Ручная дуговая сварка. Соединения сварные), ГОСТ 30242-97 (Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначение и определения) четко регламентируют требования к сварным швам, определяют, какие дефекты в каких швах допустимы.