Классификация и типы сварных соединений
При всем многообразии сварных конструкций, с которыми приходится встречаться при производстве монтажных и специальных строительных работ, а следовательно, и сварных соединений, последние возможно классифицировать в зависимости от применяемых способов сварки основных принципов их проектирования.
Стыковым соединением называется сварное соединение двух элементов, расположенных в одной плоскости или на одной поверхности. Стыковые соединения являются наиболее распространенным видом сварных соединений ответственных конструкций, таких, например, как сосуды, аппараты, трубопроводы и другие аналогичные конструкции. Они широко применяются в конструкциях, где нужно выполнить требования прочности и плотности.
Угловое соединение - двух элементов, расположенных под прямым углом друг к другу и сваренных в месте примыкания их краев. Угловое соединение не является таким распространенным, как стыковое, однако тоже находит применение в прочно-плотных соединениях.
В строительных конструкциях широко применяют нахлесточные соединения, в которых свариваемые элементы расположены параллельно и перекрывают друг друга. Существуют схемы тавровых соединений, к боковой поверхности одного элемента которых примыкает под углом и приварен торцом другой элемент. В некоторых случаях примыкающих элементов - два, и тавровое соединение приобретает крестообразное сечение.
По расположению сварных швов стыковые соединения могут быть односторонние и двухсторонние. Так как в стыковых соединениях важнейшим требованием к их исполнению является обеспечение полного провара, то двухсторонние соединения, в особенности на больших толщинах металла, являются предпочтительным. Однако при сварке некоторых конструкций, например трубопроводов, невозможно осуществить двухсторонний подход к стыку, поэтому в этом случае проектируется одностороннее стыковое соединение. Односторонние соединения применяются также в том случае, если толщина свариваемых элементов невелика и используется ток небольшой плотности (сварка под флюсом) с приспособлениями, обеспечивающими полный провар соединения (флюсовые подушки, подкладки и др.). Однако следует помнить, что при больших толщинах металла односторонние соединения, требующие разделки кромок, становятся не экономичными по сравнению с двухсторонними из-за большого объема наплавленного металла и значительных деформаций конструкции.
Различные требования к подготовке свариваемых кромок предъявляются в зависимости от толщины свариваемых элементов. Соединение с отбортовкой кромок используют только при малых толщинах свариваемых элементов. То же можно сказать и про соединения, свариваемые без скоса кромок. Соединения с двумя симметричными или несимметричными скосами кромок применяются при сварке элементов большой толщины.
По характеру свариваемых поверхностей стыковые соединения подразделяются на плоские прямые, кольцевые и фасонные. Как следует из названия, плоские прямые соединения образуются при сварке элементов, лежащих в одной плоскости (стыковка листовой стали в полотнища), или стыков, лежащих на одной прямой (продольные швы обечаек или прямошовных труб). Кольцевые стыки образуются при сварке элементов, лежащих на криволинейной, чаще всего на цилиндрической поверхности. К ним относятся стыки трубопроводов, сварные швы сферических резервуаров, кольцевые стыки сосудов и аппаратов и др. Таким образом, изготавливая цилиндрическую емкость или аппарат, используют стыковые соединения обоих типов. Фасонные стыковые соединения получаются при сварке трубных тройников (на пересечении цилиндрических поверхностей) или криволинейных соединений судовых конструкций.
Нахлесточные соединения можно разделить по трем признакам. По расположению сварных швов они могут быть односторонние и двухсторонние. При изготовлении строительных конструкций толщины элементов, собираемых и свариваемых внахлест, обычно не превышают 16-20 мм и не требуют специальной подготовки кромок. По виду сварных швов нахлесточные соединения могут быть сплошные и прерывистые. Часто при проектировании сварных конструкций прерывистые и сплошные швы предусматриваются в двухсторонних нахлесточных соединениях, при этом лицевой шов выполняется сплошным, а изнаночный - прерывистым.
По аналогии со стыковыми соединениями нахлесточные в зависимости от характера свариваемых поверхностей, также могут быть: плоскими прямыми, кольцевыми или фасонными. Так, при изготовлении горизонтальных габаритных цилиндрических резервуаров при малой толщине стенок применяются нахлесточные соединения. В этом случае продольные швы будут прямыми, а поперечные - кольцевыми, приварка же усиливающих воротников на люках резервуаров - фасонными.
Тавровые соединения находят широкое применение при изготовлении строительных металлоконструкций и различных видов оборудования. Тавровые соединения классифицируются по расположению швов на односторонние и двухсторонние, причем последние применяются в качестве основных при изготовлении сварных двутавровых балок, колонн и других стержневых конструкций. В зависимости от толщины свариваемого металла и назначения конструкций тавровые соединения могут выполняться с разделкой и без разделки кромок, в свою очередь разделка может быть как двухсторонней, так и односторонней. Швы тавровых соединений могут быть сплошные и прерывистые (приварка ребер жесткостей, например). Как и предыдущие соединения, в зависимости от формы свариваемых поверхностей тавровые соединения могут быть плоскими прямыми (преимущественно), кольцевыми (жесткости в аппаратах и емкостях, приварка фланцев на трубопроводах) и фасонными (врезки типа «труба в трубу»).
Перечисленные выше типы сварных соединений являются основными при изготовлении сварных конструкций различного назначения. Указанному обстоятельству способствует также приоритет дуговых способов сварки. Однако на практике встречаются также и некоторые другие типы сварных соединений, пробочные проплавы, получающиеся при применении электрошлаковой и электроконтактной сварки, паяные и комбинированные (сварно-клепаные и клеесварные).
Пробочное проплавное соединение, иногда называемое «электрозаклепочным». Его применяют в некоторых нахлесточных соединениях, несущих преимущественно связующие нагрузки, на сравнительно небольших толщинах свариваемых элементов. В некоторых случаях, когда необходимо увеличить толщину металла, свариваемые элементы подготавливают (в проплавляемой детали сверлится отверстие), в этом случае толщина проплавляемого металла может достигать 12-16 мм.
Электрошлаковую сварку применяют преимущественно при изготовлении тяжелых толстостенных машиностроительных конструкций. На строительно-монтажных работах этот способ бездуговой сварки встречается при сооружении доменных комплексов (сварка кожухов доменных печей), вращающихся печей (сварка скорлуп в кольца), а также на объектах другого назначения. При электрошлаковой сварке укладывают швы с вертикальным расположением свариваемых кромок, причем специальной разделки со скосом они не требуют.
В строительстве находит применение контактная сварка - стыковая и точечная. Стыковую контактную сварку применяют преимущественно на заводах железобетонных изделий при сварке стержней арматуры для сборного железобетона. Стыковую контактную сварку используют при сварке магистральных трубопроводов большого диаметра. Точечную контактную сварку применяют при изготовлении металлоконструкций лестниц, площадок, настилов и оконных переплетов.
Два вида паяных соединений - трубчатое встык и нахлесточное. Пайку осуществляют присадочным металлом - припоем, имеющим более низкую температуру плавления, чем металл соединяемых элементов, и она пока не находит достаточного применения в строительстве.
Комбинированными называются такие соединения, в которых применены два или несколько способов их получения. В сварно-клепаном соединении одна часть усилий воспринимается сварными швами, а другая - заклепками, причем недостатком таких соединений является неравномерность распределения усилий между заклепками и швами. Такого рода соединения обычно применяют для усиления клепаных конструкций, находящихся в эксплуатации.
Аналогичные конструкции могут быть использованы и в случае применения болтовых соединений вместо заклепочных. Одна из разновидностей комбинированных соединений - клеесварные, которые применяют в конструкциях из алюминиевых сплавов и относят к нахлесточным. При этом клеевая прослойка повышает сопротивляемость конструкции коррозии, воспринимает часть усилий, а также уменьшает в соединении концентрацию напряжений, увеличивая тем самым прочность конструкции.
При сварке стержней арматуры железобетона форма сварных соединений отличается от описанной выше.
В особую группу следует выделить сварные соединения пластмассовых конструкций, которые с каждым годом все шире применяют в конструкциях различного назначения и в строительстве - прежде всего в трубопроводах. При изготовлении конструкций из пластмасс используют следующие способы сварки: прутковую горячим воздухом, ультразвуковую и контактную с нагревательным элементом. Прутковая сварка может образовывать стыковые, нахлесточные тавровые и раструбные соединения, ультразвуковая - нахлесточные, а контактная - стыковые и раструбные. Кроме того, при обработке пластмасс может быть также использовано склеивание. Наиболее широкое применение в строительных конструкциях нашли поливинилхлорид (винипласт) и полиолефины (полиэтилен). Из винипластов изготавливаются различного рода емкости для хранения агрессивных продуктов, вентиляционные воздуховоды и камеры, из полиэтилена - трубопроводы различного назначения.
Классификация сварных швов
Сварной шов является участком сварного соединения, образовавшимся в результате кристаллизации металла сварочной ванны. В дальнейшем будут рассматриваться преимущественно швы, образованные дуговыми способами сварки, наиболее распространенными при изготовлении и монтаже сварных конструкций.
По виду сварных соединений швы разделяются на стыковые, присущие стыковым соединениям всех типов и видов, и угловые, к которым относятся сварные швы угловых, нахлесточных и тавровых соединений.
По назначению швы бывают рабочие, связующие и подварочные. Как понять принцип, положенный в основу этой классификации. Две металлические полосы соединены стыковым швом, расположенным перпендикулярно направлению действия растягивающих соединение сил. В этом случае разрушение сварного шва приведет к разрушению всей конструкции. Сварные соединения и швы, разрушение которых влечет за собой выход из строя конструкции, называются рабочими, а напряжения, возникающие в них, рабочими напряжениями.
Если рассмотреть вариант связующего шва, в котором при приложении усилий, параллельных оси шва, возникают напряжения той же величины, что и в основном металле. Такие напряжения вследствие их совместной работы с основным металлом не опасны для прочности конструкции и называются связующими. Соответственно так же называют соединения и сварные швы.
Подварочный шов представляет собой меньшую часть двухстороннего шва, выполняемую предварительно для предотвращения прожогов при последующей сварке или накладываемую в последнюю очередь в корень шва для обеспечения высокого качества.
В зависимости от числа слоев швы могут быть однослойные и многослойные. Под слоем понимается часть металла сварного шва, образованная одним или несколькими валиками, располагающимися на одном уровне поперечного сечения шва. Понятия «однослойный шов» и «однопроходный шов» не являются синонимами. Особое значение для прочности сварного шва имеет корень шва, являющийся частью сварного шва, где дно сварочной ванны пересекает поверхность основного металла. Корень шва при некачественном его исполнении может стать источником появления дефектов, в особенности трещин, которые могут привести к разрушению сварного соединения. Поэтому к качеству корневого шва предъявляются повышенные требования, вплоть до проведения промежуточных контрольных операций (проверка проникающим излучением и цветной дефектоскопией).
По месту выполнения сварные швы разделяют на заводские и монтажные, осуществляемые на месте монтажа конструкции. Заводские швы сваривают, как правило, при помощи механизированных и автоматизированных способов сварки, что позволяет получить швы достаточно высокого качества при высокой производительности процесса. Монтажные соединения выполняют преимущественно ручной дуговой сваркой, что предъявляет повышенные требования к квалификации рабочих-сборщиков и сварщиков.
По протяженности сварные швы могут быть непрерывными и прерывистыми, с промежутками по длине. Разделение по протяженности относится к угловым швам. В свою очередь, прерывистые швы тавровых соединений разделяются на цепные и шахматные. Цепным является двухсторонний прерывистый шов таврового соединения, у которого промежутки расположены по обеим сторонам стенки один против другого. У шахматного шва, в отличие от цепного, промежутки на одной стороне стенки расположены против сваренных участков шва ее другой стороны.
В зависимости от внешней формы сваренные швы подразделяют на нормальные, усиленные и ослабленные, эта классификация относится преимущественно к угловым швам. Внешняя форма швов определяется их основными геометрическими параметрами. Усиленные (выпуклые) швы характеризуются усилением «д» - частью наплавленного металла, образующего выпуклость углового шва. Ослабленные швы характеризуются ослаблением шва «т», которое измеряется расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии сплавления шва с основным металлом и поверхностью сварного шва, измеренным в месте наибольшей вогнутости углового шва.
Толщиной углового шва является наибольшее расстояние от поверхности углового шва до точки максимального проплавления основного металла. Под расчетной высотой углового шва понимается длина перпендикуляра, опущенного из точки максимального проплавления в месте сопряжения свариваемых частей на гипотенузу наибольшего вписанного во внешнюю часть углового шва прямоугольного треугольника. Основная величина для расчета угловых швов на прочность - их расчетный катет. За расчетный катет принимается переходящий через зазор катет наибольшего прямоугольного треугольника, вписанного во внешнюю часть углового шва. При симметричном шве за расчетный принимается любой из катетов, при асимметричном - меньший из них.
Регламентацию сварных швов по их положению в пространстве осуществляет ГОСТ, в соответствии с которым различаются, в частности, следующие положения: нижнее «в лодочку», нижнее угловое, нижнее стыковое, горизонтальное, вертикальное, полупотолочное, потолочное.
Для нахлесточных сварных соединений характерна классификация сварных швов в зависимости от их расположения по отношению к направлению действующих на соединение сил. Швы, направленные перпендикулярно усилию, называют лобовыми, а швы направленные параллельно, - фланговыми. Косые швы направлены к усилию под некоторым углом, а комбинированные представляют собой сочетание лобовых, фланговых и косых швов.
В зависимости от вида сварных швов и сварных соединений, применяемой технологии сварки, характера конструкций регламентируются геометрические размеры и подготовка кромок свариваемых элементов, допуски на отклонения от номинальных размеров, условные обозначения швов. Регламентацию осуществляет ряд государственных стандартов.
Имеется также целый ряд стандартов, касающихся сравнительно редко встречающихся соединений (швы соединений с расположенными под углом друг другу свариваемыми элементами, сварные соединения, выполняемые контактной электросваркой, швы, выполненные электрошлаковой сваркой и т. д.). Все приведенные выше стандарты устанавливают основные типы сварных соединений. В них рассмотрены характеристики и взаимосвязь вида соединения, формы подготовки кромок, формы поперечного сечения кромок и шва, пределы толщин свариваемых деталей, а также условные обозначения способа сварки и шва сварного соединения.
Обозначения сварных соединений и швов на чертежах производятся в соответствии с ГОСТ, при этом видимый сварной шов изображают сплошной основной линией, а невидимый - штриховой. От изображения шва проводят линию-выноску со стрелкой, указывающей место расположения шва. Для упрощения технической документации на изготовление и монтаж сварных конструкций стандартами предусмотрено применение различного рода условных обозначений.
Типы сварных соединений обозначают следующим образом: «С» - стыковые, «У» - угловые, «Т» - тавровые, «Н» - нахлесточные, «О» - (особые) нестандартные. Цифры возле обозначения типа сварного соединения указывают: номер данного шва в соответствующем стандарте, форму разделки кромок и размеры соединения в сборе.
Способы сварки также имеют свои условные обозначения: «Э» - дуговая, «Г» - газовая, «У» - в углекислом газе, «И» - в инертных газах, «Ш» - электрошлаковая, «К» - контактная. Механизацию процесса сварки определяют индексом перед обозначением способа сварки: «Р» - ручная, «А» - автоматизированная, «П» - механизированная. Таким образом, РЭ обозначает ручную дуговую сварку, АИ - автоматизированную в инертном газе (например, аргоне), ПУ - механизированную в углекислом газе и т. д.
Существуют также условные обозначения для технологических приемов, используемых в процессе сварки. Так, для автоматизированной сварки под флюсом применяют следующие обозначения: А (без дополнительного индекса) - сварка на весу; Аф - сварка на флюсовой подушке; Ас - сварка на стальной подкладке; Ам - сварка на флюсомедной подкладке; Апш - сварка по подварочному шву, Апк - сварка с предварительной подваркой корня шва.
В случае применения контактной сварки используют следующие обозначения: Кс - стыковая сварка, Ксс - стыковая сварка сопротивлением, Ксо - то же, с оплавлением. Кт - точечная, Кр - шовная. Буквенные обозначения дуговой и ручной дуговой сварки на чертежах не проставляют. Буквенные обозначения других способов сварки проставляют на чертежах только в случаях одновременного применения нескольких способов. В том случае, когда применяется один способ сварки, его указывают в технических условиях (требованиях) на чертеже.
В условных обозначениях швов при разработке технической документации допускаются некоторые упрощения, смысл которых сводится к следующему. Если сварку конструкций выполняют одним способом, т. е. по какому-либо одному из стандартов, обозначение этого стандарта указывают только в технических требованиях. Одинаковые швы на чертеже должны иметь одинаковый номер, который наносится на полку линии-выноски, при этом на одном из этих швов наносят полное его обозначение. Если запись в технических требованиях чертежа может однозначно определить места сварки, способы сварки, типы швов и размеры их конструктивных элементов, то разрешается не отмечать на чертежах швы линиями-выносками.