Сварные швы и их классификация¶

Сварной шов — участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением, а также совокупность наплавленного металла и зоны термического влияния. Является основным элементом неразъёмного соединения, обеспечивающим передачу усилий между свариваемыми деталями. Качество шва определяет прочность, герметичность и долговечность всей конструкции.

¶История

Сварка как способ соединения металлов известна с древности: кузнечная сварка применялась ещё в эпоху железа для изготовления оружия и инструментов. В конце XIX века появились электрические способы — дуговая сварка (Н. Н. Бенардос, 1882; Н. Г. Славянов, 1888), что позволило получать швы плавлением. В XX веке развитие получили автоматическая сварка под флюсом, электрошлаковая, газовая и лазерная сварка, что расширило номенклатуру типов швов и областей их применения. В России значительный вклад в теорию сварных соединений внесли работы Института электросварки им. Е. О. Патона и отечественных научных школ.

¶Классификация

Швы классифицируют по нескольким признакам.

¶По взаимному расположению деталей

• Стыковые — детали расположены в одной плоскости, торцами друг к другу; наиболее экономичны и прочны.
• Угловые — детали образуют угол, свариваются по кромкам.
• Тавровые — торец одной детали приваривается к поверхности другой.
• Нахлёсточные — детали частично перекрывают друг друга.
• Торцевые — боковыми поверхностями.

¶По форме поперечного сечения

Различают выпуклые (усиленные), нормальные и вогнутые (ослабленные) швы. Выпуклость создаёт концентраторы напряжений, поэтому в ответственных конструкциях её часто удаляют механической обработкой.

¶По протяжённости и направлению

Швы бывают непрерывными и прерывистыми (цепными, шахматными), прямолинейными, кольцевыми, криволинейными. По положению в пространстве — нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные; последние наиболее сложны для выполнения.

¶По числу слоёв

Однослойные и многослойные; многослойные применяют при большой толщине металла для уменьшения деформаций и повышения качества.

¶Геометрия и параметры

Основные характеристики стыкового шва: ширина, глубина проплавления, выпуклость (усиление), коэффициент формы шва. Для угловых швов нормируется катет — длина перпендикуляра от поверхности одной детали до границы шва на другой. Важнейший параметр — глубина проплавления, определяющая сплошность соединения. Геометрия регламентируется стандартами: в России — ГОСТ 5264 (ручная дуговая сварка), ГОСТ 14771 (сварка в защитных газах), ГОСТ 8713 (под флюсом) и другими.

¶Строение и зоны

В сварном соединении выделяют три характерные зоны:

1. Зона наплавленного металла — закристаллизовавшийся расплав, часто неоднородный по химическому составу.
2. Зона сплавления — граница между наплавленным и основным металлом.
3. Зона термического влияния (ЗТВ) — участок основного металла, изменивший структуру и свойства под действием нагрева. Именно в ЗТВ часто возникают трещины и снижение пластичности.

¶Дефекты

Дефекты швов делят на наружные и внутренние.

• Наружные: подрезы, наплывы, прожоги, незаваренные кратеры, смещение кромок, поверхностные поры и трещины.
• Внутренние: непровары, шлаковые включения, газовые поры, внутренние трещины, несплавления.

Причины — нарушение технологии, некачественные материалы, неправильный режим сварки, низкая квалификация сварщика. Дефекты выявляют неразрушающими методами: ультразвуковой, радиографической (рентгеновской) дефектоскопией, капиллярным и магнитопорошковым контролем.

¶Методы контроля

Контроль качества включает предварительный (проверка материалов и квалификации), операционный (в процессе сварки) и приёмочный (готовой продукции). Применяются визуально-измерительный контроль, ультразвук, радиография, гидравлические и пневматические испытания на герметичность, механические испытания образцов. Для ответственных конструкций — атомной энергетики, газопроводов, мостов — объём контроля особенно велик.

¶Обозначение на чертежах

Сварные швы обозначают на чертежах по ГОСТ 2.312: указывают вид соединения, способ сварки, катет или ширину шва, длину и другие параметры. Стандартные швы имеют условные знаки, что упрощает чтение документации.

¶Применение и значение

Сварные швы применяются практически во всех отраслях: строительстве (металлоконструкции, мосты), машиностроении, судостроении, авиации, трубопроводном транспорте, энергетике, автомобилестроении. От их надёжности зависят безопасность и ресурс сооружений. В России требования к швам ответственных конструкций устанавливаются сводами правил и руководящими документами, а аттестация сварщиков проводится по системе Национального агентства контроля сварки.

¶Прочность и расчёт

Стыковые швы рассчитывают на растяжение или сжатие по площади сечения с учётом ослабления, угловые — по касательным напряжениям с учётом катета. В расчётах вводят коэффициенты, учитывающие концентрацию напряжений, вид нагрузки и условия работы. На прочность влияют остаточные напряжения, деформации и структурные изменения металла.

¶Интересные факты

• Сварной шов на трубопроводе может испытывать давление в десятки атмосфер и перепады температур.
• Потолочный шов считается наиболее сложным для ручной сварки из-за стекания расплава.
• В космической технике применяется сварка в вакууме, где швы формируются без окисления.

Источники: ГОСТ 5264-80, ГОСТ 2.312-72, ГОСТ 14771-76; учебные пособия по технологии сварки; материалы Института электросварки им. Е. О. Патона.