Глава 3. Сварка и сварные соединения металлических конструкций

Сварка. Классификация сварки.

Сварка – процесс получения неразъемных соединений путём установки межатомных связей между соединяемыми элементами при их местном нагревании или пластической деформации, или совместном действии того и другого, обеспечивающий необходимую прочность и пластичность сварного соединения.

По физическим признакам сварку классифицируют:

• по форме используемой энергии определяется класс сварки

• по виду источника энергии определяется вид сварки

В соответствии с ГОСТ 19521-79 различают 3 класса сварки:

• термический – осуществляется плавлением: электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, газовая и т.д.

• термо-механический, использующий тепловую энергию и давление: контактная, диффузионная, газопрессовая

• механический, использующий механическую энергию и давление: холодная, взрывом, трением, ультразвуковая и т.д.

В строительстве чаще всего применяется электродуговые виды сварки плавящимся электродом:

• ручная

• механизированная (полуавтоматическая)

• автоматическая,

а также контактные виды сварки:

• точечная

• шовная

• стыковая

Электродуговая сварка основана на явлении возникновения электрической дуги между стальным стержнем (электродом) и свариваемыми стальными деталями, которая расплавляет основной металл и металл электрода, образуя сварной шов, соединяющий отдельные детали в одно целое. При этом выявляются три зоны:

- зона основного металла, с температурой нагрева не выше критической t◦=723°С, в которой металл сохраняет свои механические свойства

- переходная (околошовная) зона, или зона термического влияния, расположена между основным и наплавленным металлом. t° изменяется от 1500°с до 723°С.

В зоне с t=1000-1100°С происходит рост кристаллов, образуется грубая крупно-зернистая структура, ухудшаются механические качества. Переходная зона – самое слабое место шва.

- зона наплавленного металла.

Проникновение наплавленного металла в основной называется проваром. Чем глубже провар, тем лучше качество шва. Обычно глубина провара – 1,5-2 мм. Особенно важно, чтобы необходимая глубина провара была в корне угловых швов, подвергающихся переменным нагрузкам.

В процессе сварки под действием неравномерного нагрева и охлаждения металла в свариваемом изделии возникают внутренние сварочные напряжения и деформации. Сварочные напряжения изменяют напряженное состояние конструкции, возникающее от внешней нагрузки, создают плоскостное или объемное напряженное состояние, способствующее появлению хрупкости в металле. Сварочные напряжения могут быть настолько большими, что вызывают разрушение металла шва или конструкции, особенно при неправильном конструктивном решении соединения. Сварочные деформации вызывают искривление и коробление отдельных элементов конструкции и изделия в целом. Особенно большие и опасные сварочные напряжения возникают при сварке встык деталей, закрепленных от свободных перемещений. Сварочные напряжения вызывают продольную и поперечную усадку швов. Усадка швов происходит всегда «на себя» (к центру шва).

Наиболее неблагоприятна поперечная усадка, величина которой примерно в 10 раз больше продольной. Остаточные напряжения сварной конструкции складываются с напряжениями от внешней нагрузки. Сварочные напряжения в настоящее время расчетом не учитывают. Основанием для этого служат пластические свойства металла: напряжения при достижении предела текучести R_yn не увеличиваются, и происходит их выравнивание.

На прочность сварных соединений существенно влияют структура шва, а также встречающиеся в нем неметаллические включения (шлаковины или мелкие газовые пузыри, появляющиеся при остывании шва). Внутренние микропоры создают объемную концентрацию напряжения, увеличивая хрупкость шва. Появление трещин внутри шва недопустимо. Различают горячие и холодные сварные трещины. Горячие трещины иногда возникают при остывании шва в температурном интервале 1000-1350°С. Горячие трещины, вначале часто незаметные, обладают способностью увеличиваться, особенно при воздействии динамической нагрузки, и могут полностью разрушить соединение; поэтому они являются весьма опасными. Появление горячих трещин зависит от химического состава стали, от ее структуры, от скорости отвода тепла. Низколегированные стали меньше страдают от горячих трещин; весьма благоприятны спокойные стали. Зато в кипящих сталях трещины появляются достаточно часто, причем с повышением количества углерода опасность появления горячих трещин увеличивается. Всякие концентраторы напряжений, как например, непровар в корне шва или сварка при низких температурах способствует появлению горячих трещин. Возможность появления горячих трещин является основной причиной, требующей применения в ответственных сварных конструкциях спокойной стали. Холодные трещины большей частью являются результатом растягивающих напряжений в швах от усадки при быстром остывании. Эти трещины располагаются параллельно шву на некотором расстоянии от него, в области сравнительно низких температур. Холодные трещины наиболее свойственны кипящей стали. Содержание углерода в стали выше 0,2 % также способствует появлению холодных трещин

Термический класс сварки.

Сущность метода: электрическая дуга горит между электродом и изделием, теплота дуги расплавляет электрод и металл; образуется общая сварочная ванна жидкого металла, который при охлаждении образует сварной шов.

1. Ручная дуговая сварка (РДС)

Производится электродами диаметром 2 6 мм.

Для образования защитной газовой среды вокруг шва и для образования в жидкой ванне металла шлака, на электроды наносят обмазку.

Шлак, образующийся из обмазки, раскисляет и очищает металл, а также образует шлаковую корочку, предохраняющую горячую поверхность шва от соприкосновения с воздухом и окисления.

Сварка открытым электродом (проволокой) и незащищенной дугой дает недоброкачественные швы, т.к. в расплавленный металл шва попадает кислород, образующий окислы, и азот, образующий нитриды, вследствие чего шов становится хрупким.

Электроды подразделяются на типы и марки (ГОСТ 9467-75*)

Тип электрода определяет прочность металла шва в кН/см² (например, Э42, Э42А, Э50, Э50А)

Буква А означает повышенную пластичность металла шва.

Электрод выбирают в зависимости от классов стали свариваемых элементов.

Марка электрода определяется составом защитной обмазки, выбирается в зависимости от тока (переменный или постоянный) и положения шва в пространстве.

2.Автоматическая дуговая сварка под флюсом (АДСф)

Осуществляется самоходным сварочным аппаратом, позволяет получить наиболее качественный шов. Для сварки используют сварочную проволоку сплошного сечения и различные флюсы, а также порошковую проволоку. Порошковая проволока – металлическая оболочка из стальной ленты толщиной 0,2-0,5 мм, заполненная шихтой специального состава

Выбор материалов – в зависимости от группы конструкций, климатического района, класса стали.

3.Механизированная дуговая сварка в углекислом газе (МДСсо₂)и порошковой проволокой (МДСпп), или полуавтоматическая сварка, сварочный аппарат движется вручную, электродная проволока подается автоматически.

Выполняют: а) электродной проволокой с газовой защитой сварочной ванны или б) порошковой проволокой.

В качестве газа используется углекислый газ, который значительно улучшает качество и прочность шва.

В связи с отсутствием расплавленного шлака, раскислители и легирующие элементы вводят в металл сварочной ванны за счет сварочной проволоки.

Электрошлаковая сварка (ЭШС)

Процесс плавления основного и электродного металла происходит за счет тепла, выделяемого в расплавленном флюсе – шлаке при прохождении через него электрического тока, который поддерживает в жидкой сварочной ванне t°=2000-2500°С.

ЭШС применяется при сварке деталей вертикальными швами с принудительным формирование шва.

Газовая сварка – для соединения тонколистового металла, сварки цветных металлов, Al, свинца, ремонтной наплавки износившихся элементов строительных машин.

Источник тепла – сварочное пламя газовой горелки, которая образуется при сгорании горючего газа (чаще – ацетилена С₂Н₂) в кислороде.

t° сгорания достигает

- метан 2150 °С

- пропан + бутан 2400 °С

- ацетилен 3400 °С

Более широкая зона теплового воздействия газовой сварки приводит к увеличению сварочных напряжений и деформаций по сравнению с электродуговой сваркой.