Строение и прочность сварного соединения металлических деталей

  • Дата: 04-08-2015
  • Просмотров: 553
  • Комментариев:
  • Рейтинг: 22

Строение соединений металлических деталей, образуемое сваркой, состоит из сварного шва и прилегающих к нему зон, подвергающихся плавлению и термическому воздействию. Непосредственно сварной шов – это участок, который во время сварки находится в расплавленном состоянии. При остывании металла он кристаллизуется.

Схема сварного соединения

Схема сварного соединения: а — при сварке плавлением, б — при сварке давлением, 1 – сварной шов, 2 – зона сплавления, 3 – зона термического влияния, 4 – основной металл.

Прочность соединения зависит от предварительной обработки свариваемых поверхностей, свойств полученного шва и других участков соединения, подвергающихся структурным изменениям в процессе сварки и влияющих на распределение усилий при последующих нагрузках. В одном соединении может быть несколько швов.

Разделка швов сварных соединений

Подготовка кромок соединений осуществляется с помощью болгарки с отрезным и шлифовальным кругами. Используется и сварочный аппарат в режиме резки.

Существует 4 основных конструктивных типа соединения свариваемых деталей:

  • стыковой;
  • нахлесточный;
  • угловой;
  • тавровый.
Виды сварных швов

Виды сварных швов.

При сварке встык поверхности соединяют предварительно обработанными торцами. Нахлесточное соединение получают накладыванием одной из пластин на другую с образованием угловых швов. Величина нахлеста должна быть больше суммарной толщины свариваемых поверхностей в 3-5 раз. Угловые и тавровые соединения образуются при сваривании элементов конструкций под прямым углом.

Стыковое соединение может выполняться без обработки кромок, если зазор между кромками не превышает 2 мм. В этом случае срезаются лишь зазубрины и неровности. При возможности производится обработка только одной стыкуемой кромки.

Для деталей с толщиной в 4-25 мм производятся соединение с ровным или овальным скосом торцов и двусторонняя разделка с V-образным или U-образным скосом. Зазор выдерживается в 1-2 мм.

При тавровом соединении для формирования стыка обрабатывается только торец детали, стыкуемой с плоской поверхностью. Для деталей с толщиной более 10 мм производится односторонняя или двухсторонняя разделка с обрезанием кромки по 45°. При этом сварка при большой толщине металла и требуемой высокой прочности выполняется в несколько слоев с заполнением всего разделочного пространства.

Размеры конструктивных элементов кромок при газовой сварке стыковых соединений листового проката

Размеры конструктивных элементов кромок при газовой сварке стыковых соединений листового проката.

В нахлестном соединении разделка кромок не предусматривается технологией. Осуществляется лишь обработка прилегающей к плоскости части кромки. Швы накладываются по кромкам обеих деталей. Из соображений герметизации выполняется двойной шов. Для придания соединению необходимой прочности и при большой толщине металла производится усиление нахлеста прорезным швом, пробковой сваркой или проплавкой.

При угловом соединении обрабатывается кромка одной из стыкуемых деталей. Вторая лишь ровно отрезается и шлифуется для удаления заусениц и зазубрин. Шов может накладываться как с наружной стороны, так и с обеих для большей прочности. Как и при тавровом соединении, разделка производится односторонняя или V-образная двусторонняя. В первом варианте при толщине металла в 8-25 мм сварка выполняется в несколько слоев.

Процессы, происходящие в структуре соединения при сварке

Процесс кристаллизации шва начинается сразу после отвода дуги от свариваемого участка. Застывание металла происходит в направлении, обратном отводу тепла в структуру основной поверхности, начиная от краев сварочной ванны к ее центру. Средняя скорость кристаллизации и скорость сварки равны. По границам шва формируются кристаллиты наплавляемого и основного металла, обеспечивающие монолитность строения слоев и прочность соединения.

Образование шва и околошовной зоны

Образование шва и околошовной зоны.

Остановка начального процесса кристаллизации происходит достаточно быстро, при остывании шва на 20-30° С, то есть до температуры 1450-1500° С. После его завершения в структуре металла не происходит никаких изменений до его остывания до 850° С, когда металл начинает выходить из аустенитной формы.

Затем происходит процесс вторичной кристаллизации в структуре строения шва и прилегающем к нему основном металле. Он также протекает в коротком температурном диапазоне. Структура сварного шва становится стабильной по достижении им температуры в 720° С.

Кристаллиты сварочного шва имеют столбчатое строение структуры, характерное для процесса литья металла. Этот вид кристаллизации способствует вытеснению газовых и шлаковых фракций.

Зоны сварного соединения

Допускаемые отклонений на сборку сварных соединений листов

Допускаемые отклонений на сборку сварных соединений листов.

При сварке металлических деталей плавлением соединение образует несколько зон:

  • наплавленный металл шва;
  • зона сплавления;
  • зона термического влияния;
  • основной металл.

Зона наплавленного металла формируется за счет плавления электродного или присадочного металла и частичного соединения его с основным материалом. При электродуговой сварке в наплавляемый металл добавляется до 10% базового металла. При сварке проволокой под флюсом внедрение основного металла составляет около 50%.

Характеристики строения наплавленного металла отличаются как от основного материала, так и от присадочного.

К зоне сплавления относится слой толщиной в 0,1-0,4 мм с образовавшимися частично оплавленными зернами. На этом участке происходит соединение металла ванны и базовой поверхности, и от его качества зависит прочность свариваемых деталей.

Зоной термического влияния называют участок, не подвергшийся плавлению, в структуре которого при сварке происходит изменение свойств в результате пластической деформации. Эта часть соединения состоит из нескольких участков с особой структурой и свойствами.

Основные и сопутствующие процессы при образовании контактного соединения

Основные и сопутствующие процессы при образовании контактного соединения.

Основной металл – зона, структура которой не подвержена изменениям в результате сварки. Условной границей нагрева участка считается температура 450° С. Но при сварке поверхностей из низкоуглеродистых сталей с содержанием азота и кислорода более 0,005% и водорода более 0,0005% в области этого участка происходит снижение вязкости и пластичности металла.

Эта зона называется участком синеломкости и при нагреве до 200-400° С имеет склонность к образованию трещин. Изменение механических свойств участка происходит в результате выпадения по его границам зерен нитридов и оксидов. При сварке некоторых металлов участок способствует увеличению прочности шва, но снижает вязкость и пластичность металла.

Контроль качества сварных соединений

Сварное соединение подвергается проверке для обнаружения отклонений от установленных допустимых норм в зависимости от условий эксплуатации изделия. Контроль свариваемых соединений может быть предварительным, текущим и окончательным.

Предварительно проверяют подготовку свариваемых деталей, состояние оборудования и оснастки. Производятся сварка опытных образцов и испытание их в соответствии с условиями эксплуатации. Проверка выполняется неразрушающими и разрушающими методами. В сложных конструкциях проводится металлографическое исследование.

Макроскопические дефекты сварных соединений

Макроскопические дефекты сварных соединений.

При текущем контроле проверяются стабильность режима сварки, качество накладываемых швов и их зачистки. Окончательные испытания проводятся на соответствие изделия нагрузкам при эксплуатации. Визуальный осмотр можно произвести с помощью лупы с 10-кратным увеличением.

По завершении сварки выполняется обмер швов и соединений в целом. В условиях массового производства свариваемых изделий используются специальные контрольные шаблоны. При единичном изготовлении конструкций используется универсальный измерительный инструмент. Герметичность сваренных емкостей и сосудов проверяется гидравлическими и пневматическими испытаниями с избыточным давлением.

В частных условиях герметичность швов проверяется с использованием керосина. Одна сторона изделия на участке шва окрашивается мелом с помощью пульверизатора, шов с другой стороны смачивается керосином. Керосин имеет высокую проникающую способность, и при неплотных швах на закрашенной стороне образуются пятна.

Используется также магнитный контроль шва. К изделию подсоединяют сердечник электромагнита. На поверхность проверяемого соединения высыпают металлические опилки или окалину. При постукивании по изделию в местах дефектов образуются скопления металлического порошка. При окончательном контроле проводятся механические испытания соединений на различные виды напряжений, изгибов и соответствие изделия необходимой твердости в условиях эксплуатации.

Основные дефекты сварочных соединений

Схема контроля сварного соединения

Схема контроля сварного соединения: а — просвечиванием рентгеновскими лучами, б — рентгенограмма шва, в — намагничиванием.

Дефекты в структуре сварочного шва и околошовной зоне могут возникнуть по следующим причинам:

  • некачественная подготовка свариваемых поверхностей;
  • несоблюдение технологии процесса;
  • неисправность оборудования;
  • влияние условий окружающей среды;
  • несоответствие нормам сварочных материалов;
  • непрофессионализм исполнителя работ.

Дефекты в строении сварного шва подразделяются на 3 основные группы:

  1. Внешние: наплывы, кратеры, подрезы, превышения выпуклости, смещения.
  2. Внутренние: поры, несплавления, непровары, инородные включения.
  3. Сквозные: трещины, прожоги, свищи.

Трещины относятся к наиболее опасным дефектам, влияющим на статическую и циклическую прочность конструкций. Трещины, появившиеся в процессе сварки деталей, называют горячими, образовавшиеся после охлаждения соединения – холодными.

Подрезы представляют собой углубления в поверхности основного металла по краю сварного шва. Они могут возникнуть из-за большой силы тока, смещения положения электрода от правильного. Исключить подобные дефекты можно, уменьшив скорость сварки и, соответственно, скорость кристаллизации.

http://youtu.be/gsgTD24VCZc

Пористость сварного шва образовывается в результате перенасыщения структуры соединения газами из воздуха и выделяющимися в процессе разложения электродного покрытия. Непроваром называют отсутствие сцепления между наплавленным и основным металлом или между валиками. Возникает дефект из-за некачественной обработки кромок, несоблюдения технологии сварки и т. д.

Прожоги – сквозные отверстия, возникающие в процессе сваривания элементов с небольшой толщиной. Они могут возникнуть по причине недостаточного притупления кромок, превышения силы сварочного тока, при недостаточно высокой скорости сваривания. При автоматической сварке дефект может образоваться при слабом поджатии флюсовой подушки или подкладки, наличии загрязнений на поверхностях.

Качество структуры соединения, получаемой в результате сварки, зависит от многих факторов. К ним относятся режим сварки, подготовка и пространственное положение свариваемых деталей, профессионализм сварщика. Работоспособность свариваемой конструкции определяет комплексная совокупность учета свойств материала, условий последующей эксплуатации изделия и соблюдения технологии сварки.