4 фактора влияния на качество сварочных швов дуговой сварки

Как нужно варить швы в разных положениях

Перед тем как приступать к ручной дуговой сварке покрытыми электродами, стоит рассмотреть ее технологию и способы проведения. Этот процесс может выполняться в разных пространственных положениях, и каждый способ обладает важными отличительными особенностями.

Нижнее положение

РД по сварке в нижнем положении рекомендует проводить полное проплавление сечений. Чтобы это получить, требуется надежно зафиксировать свариваемые элементы. Это сможет поддерживать подходящие параметры сварочной области. Чтобы повысить качество можно подложить съемные подкладки из медной основы.

Вертикальное положение

РД по сварке металлоконструкций в вертикальном положении осложнено тем, что расплавленные металлы под воздействием силы тяжести будут стекать вниз. Это может негативно отразиться на качестве сварного шва.

Именно по этой причине сварочный процесс в вертикальном положении выполняют сверху вниз, чтобы расплавленный металл стекал на уже сформировавшийся сварной шов. Однако данная технология значительно замедляет скорость выполнения сварочных работ. Часто для нее применяют специальные электроды.

Потолочное положение

Создание швов и наплавка валов ручной дуговой сваркой в данном положении достаточно тяжелый процесс. Чтобы расплавленный металл не стекал и не капал вниз, требуется создать силу поверхностного натяжения. Она сможет удерживать жидкий металл, но при условии, если последний будет иметь небольшую массу.

Опытные сварщики советуют при проведении сварочного процесса в потолочном положении максимально уменьшить размеры сварочной ванны. Чтобы это осуществить требуется постоянно прекращать сварочные работы, чтобы расплавленный металл смог нормально кристаллизоваться.

РД на сварные швы является популярным и проверенным способом, который применяется уже на протяжении длительного времени. Сварочный процесс обладает простой и легкой технологией, которая не требует большого опыта. Оборудование и материалы, которые используются для проведения сварочных работ стоят дешево, а их использование не вызовет особых сложностей. А главное этот метод прекрасно подходит для бытовых и производственных работ.

Вертикальный шов

Сварка вертикального шва может осуществляться двумя различными методами: сверху вниз и наоборот. Проще всего вертикальная сварка выполняется в случае работы снизу вверх. В данном варианте сварочная ванна поднимается дугой, формируемой электродами, и не опускается.

Формируя вертикальные швы снизу вверх без отрыва дуги, электроды необходимо перемещать в одном направлении без смещений по горизонтали. При этом должен соблюдаться наклон в 80-90 градусов. В таком случае шов получается почти плоским.

Таблица стыковых соединений.

Чтобы понять, как варить вертикальный шов, следует четко представлять алгоритм последовательности действий:

• в первую очередь в нижней точке зажигается дуга;
• проводится подготовка горизонтальной поверхности, равной сечению шва;
• сварочная ванна удерживается дугой, контролируемой наклоном электрода.

В таком виде работы электроды должны перемещаться достаточно быстро. Важен полный контроль над процессом сваривания. В случае вытекания сварочной ванны с одного края, следует перейти к другому краю с одновременным движением вверх.

Осуществлять данный тип соединения можно и с отрывом дуги. Подобный вариант будет особенно удобен начинающим сварщикам. За время отрыва деталь успевает охладиться. Подобный способ позволяет даже опирать электрод на полочку сварного кратера.

Схема перемещения стержня аналогична движению без отрыва: из стороны в сторону, коротким валиком, петельками.

Стоит обратить внимание на влияние величины силы тока на шов. Чтобы правильно варить вертикальный шов, следует задавать ток на 5-10 ампер меньше рекомендованного значения, соответствующего выбранному электроду для вертикального шва и толщине изделия

Однако это утверждение не всегда справедливо, и в ряде случаев ток необходимо подбирать экспериментально

Чтобы правильно варить вертикальный шов, следует задавать ток на 5-10 ампер меньше рекомендованного значения, соответствующего выбранному электроду для вертикального шва и толщине изделия. Однако это утверждение не всегда справедливо, и в ряде случаев ток необходимо подбирать экспериментально.

Выполнять сварку сверху вниз не очень удобно. Этот вид работы предполагает высокий контроль сварной ванны. Тем не менее при должном профессионализме таким методом можно сформировать отличное соединение.

Зависимость от типа сварочного шва

Существует несколько вариантов сцепления металлических элементов в единую конструкцию. По расположению соединяемых деталей различают следующие виды сварных швов:

1. Стыковой — наиболее рациональный, т. к. концентрация напряжения в шве при таком методе минимальна. Свариваются торцы деталей, в результате одна часть изделия продолжает другую.
2. Угловой — соединяемые элементы располагаются перпендикулярно друг другу. Прочность здесь во многом зависит от верно рассчитанного предельного усилия.
3. Тавровый — похож на угловой с той лишь разницей, что детали свариваются торцами. Такая дорожка прочная, экономичная и простая в выполнении.
4. Нахлесточный — края сцепляемых деталей несколько находят друг на друга. Такой тип позволяет укрепить соединение и применяется там, где нужно сварить металл толщиной не более 5 мм.

Прежде чем начинать вычисление прочности будущего сцепления, нужно рассчитать площадь его поперечного сечения. Для этого длину сварного соединения умножают на его толщину.

Соединение листов внахлест

Для расчета напряжения среза используют формулу:

где:

• P — нагрузка на шов, Н;
• ’ср — допускаемое напряжение на срез, Па;
• 0,7k — толщина шва в наиболее опасном сечении, см;
• l — длина сварной дорожки, мм.

При соединении внахлест разделка кромок не требуется.

Значение нагрузки P таково:

При расчете учитывают минимальную площадь сечения сварной дорожки в поперечнике. Это связано с тем, что сварочные материалы по прочности могут превышать основной металл.

Угловые конструкции

Такие соединения рассчитываются на основании их поперечного сечения, причем наименьшего, т. е. в наиболее опасном месте дорожки. Показатель устойчивости простого углового шва на изгиб, когда он нагружен лишь моментом M, вычисляется так:

где:

• Wc — момент сопротивления опасного сечения дорожки (шва);
• M — изгибающий момент.

Угловые конструкции рассчитываются на основании их поперечного сечения.

А напряжение простого углового соединения на срез запишется таким образом:

где:

• M — нагружающий момент на срез;
• Fc = 0,7kl — площадь сечения дорожки в опасном месте, мм²;
• P — допустимая нагрузка на дорожку.

При расчете угловых сварных швов на срез применяется общепринятое выражение:

где:

• N — максимальная нагрузка, давящая на линию сцепления;
• с — коэффициент условий рабочей среды, значение указано в стандартизированных таблицах;
• ßf, ßz — постоянные величины, не зависящие от марки металла, ßz = 1, ßf = 0,7;
• Rwf — сопротивление срезу, табличная величина для разных материалов;
• Rwz — сопротивление на линии стыка; стандартные, постоянные табличные величины;
• kf — толщина дорожки, измеряется по линии сплавления;
• Ywf — для стыка материала с сопротивлением 4200 кгс/см² составляет 0,85;
• Ywz — 0,85 для всех марок стали;
• lw — общая длина стыка, уменьшенная на 10 мм.

В определении длины сварочного сцепления на отрыв обязательно учитывают силу, направленную к центру тяжести. При этом площадь сечения выбирают в самом опасном месте дорожки, т. е. наименьшую.

Тавровые швы

Условие прочности сцепления втавр, выполненного встык и работающего на растяжение Р и момент M, выглядит так:

Формула для такого же, но не стыкового, а углового шва:

Тавровые швы могут быть односторонними и двусторонними.

Если тавровое соединение будет нагружено изгибом и крутящим моментом, то применяется уравнение:

Крутящая и изгибающая сила соответственно определяются следующими формулами:

и

Сварка на стыке

Расчет шва встык, который будет работать на сжатие либо на растяжение, выполняется по уравнению:

где:

• l — длина сварочной дорожки, мм;
• P — нагрузка, действующая на стык, Н;
• s — толщина соединяемых деталей, мм;
• ’ р1сж1 — допускаемое для сцепления напряжение на растяжение либо сжатие, Па.

Допустимая действующая нагрузка P составит:

Стыковое сцепление, работающее на изгиб, рассчитывается по формуле:

где:

• М — это изгибающий момент, Н/мм;
• Wc — момент сопротивления расчетного сечения.

Если напряжение шва возникает и от изгиба М, и от сжатия либо растяжения Р, то оно определяется уравнением:

Механический класс сварки

Эти виды сварки выполняют за счет энергии трения, взрыва, давления, ультразвука. При их воздействии выделяется тепло, достаточное для плавления материала.

Трением

Технология входит в список перспективных разработок. Одну из соединяемых заготовок крепят неподвижно, другая, прижатая к ней, вращается. Подробная классификация сварки трением включает следующие подвиды:

1. С перемешиванием выполняется на оборудовании, оснащенном инструментом вращения с двумя элементами ― основанием (бурт) и наконечником (пин). Соединение создается методом выдавливания с последующим перемешиванием.
2. Радиальной стыкуют трубы, помещая вращающееся кольцо между торцами.
3. Штифтовой заделывают небольшие сквозные повреждения. На месте дырки просверливают круглое отверстие, в которое вставляют вращающийся штифт из такого же металла что и основной.
4. Линейная выполняется без вращения. Заготовки трут одна о другую пока не начнут плавиться стыкуемые поверхности, затем повышают усилие сдавливания.
5. При инерционном виде сварки заготовки двигают за счет энергии предварительно раскрученного маховика.

Метод сварки трением с перемешиванием

Холодная

В основу технологии заложен принцип сжатия деталей пуансонами с усилием 1 — 3 ГПа. Точечную сварку проводят стержнями, шовную роликами. Пуансон вдавливают в заготовку до образования пластической деформации, что способствует появлению межатомных связей и созданию соединения между деталями. Сварку выполняют простым сжатием или со сдвигом деталей после сдавливания. Прочность соединения зависит от качества подготовки места стыка, степени сжатия, характера воздействия (вибрационное либо статичное).

Разновидности холодной сварки металлов

При соединении встык величину деформации ограничивают размером выступающих из зажимов частей заготовок. Чтобы предотвратить коробление листов при соединении внахлест, их закрепляют прижимами. После пластической деформации металл становится тверже, поэтому прочность шва выше, чем у заготовок.

Холодный вид соединения применяют для работы с алюминием, медью, цинком, серебром и другими металлами с низкой температурой плавления.

Взрывом

Для сварки этим способом над стационарной заготовкой под углом 3 — 10⁰ или параллельно с зазором 2 — 10 мм устанавливают подвижную (метаемую) деталь. На верхнюю пластину помещают равномерный слой взрывчатки с детонатором. Чтобы предотвратить боковой разлет металла, площадь подвижной заготовки делают больше чем у нижней.

После подрыва подвижная деталь под действием ударной волны с большой скоростью ударяется о нижнюю пластину. В месте соприкосновения образуется давление, значительно превышающее прочность металлов, при котором материал начинает течь как жидкость. В результате поверхности одновременно деформируются, создавая соединение. Длительность процесса не превышает миллионных долей секунды, поэтому диффузия происходит только в поверхностных слоях.

Несмотря на то, что до сих пор не разработана детальная методика этого вида, сварка взрывом получила широкое применение в промышленности для стыковки разнородных материалов. Таким способом получают биметаллические соединения, детали и заготовки больших размеров, наносят плакирующие слои толщиной до 45 мм.

Ультразвуковая

Такой вид сварки проводится преобразователем ультразвуковых волн в механические колебания в сочетании с небольшим давлением. При воздействии на поверхность сначала за счет сухого трения разрушается оксидная пленка, затем плавится материал. Поэтому нет необходимости в тщательной подготовке стыка. Для повышения прочности шва детали предварительно подогревают.

Помимо металлов, в том числе тугоплавких, этим видом соединяют пластик, кожу, ткани. Также доступно сваривание стекла и керамики с металлом, фольги толщиной 0,001 мм. При необходимости детали можно сваривать с металлической или пластмассовой прослойкой между ними.

В сварочном деле постоянно что-то меняется, улучшается, дорабатывается. Поэтому для повышения мастерства полезно знакомиться с новинками и тестировать на практике. Какие-то из них пригодятся профессиональным сварщикам, другие для домашних работ.

Вертикальный шов полуавтоматом

От качества сварочного шва зависит то, насколько прочной будет получаема конструкция и на какую нагрузку она будет рассчитана

Кроме этого, в некоторых случаях важно сохранить привлекательный эстетический вид. Больше всего проблем возникает с созданием вертикального сварочного шва, так как металл вытекает из ванны

Довольно распространенным вопросом можно назвать то, как варить вертикальный шов. Среди особенностей отметим нижеприведенные моменты:

1. Проводится подготовка материала в зависимости от того, какие именно работы будут проводится. Учитывается толщина материала и степень обрабатываемости.
2. Выбирается короткая дуга со средним показателем рабочего тока.
3. Стержень со специальной обмазкой располагается под углом 80 градусов относительно обрабатываемой поверхности.
4. Создавая вертикальный шов рекомендуется манипулировать стержнем по всей ширине формируемого валика.

Сварка полуавтоматом

Качественный вертикальный шов можно получить при сварке с отрывом дуги от поверхности. Для начинающих сварщиков подобный метод подходит в большей степени, так как проще в исполнении. Это связано с тем, что на момент отрыва дуги металл может остыть. Однако, есть и существенный недостаток – снижается показатель производительности.Среди особенностей применения этого метода, связанного с отрывом стержня от поверхности, назовем нижеприведенные моменты:

1. При сварке наконечник можно опирать на полочку сварного кратера.
2. Схема движения рабочей части из сторону в сторону, за счет чего охватывается весь вертикальный шов. Кроме этого, можно применять схему петель или короткого валика при движении рабочей части сверху вниз.
3. Устанавливаемая сила тока во многом определяет форму шва и его основные параметры. В общем случае рекомендуется снизить показатель на 5 А от обычного значения для конкретной толщины сплава

Стоит учитывать, что основные параметры проводимой работы практически во всех случаях выбираются экспериментально. Именно поэтому умения сварщика во многом определяют качество соединения и его надежность.

Порядок сварки труб

Сварка трубопроводов относится к самым сложным сварочным работам. Как правило труба находится в поворотном положении и сварку приходится везти и в потолке и на подъем. Что требует высокой квалификации сварщика. Сварку не поворотных стыков труб диаметром до 219 мм начинают снизу в потолочном потолочном положении, отступив от нижней точки 10-15 мм. Сваривают половину стыка до верхней точки трубы. Зачищают начало и конец сваренного участка механическим способом с обеспечением плавного перехода высоты валика шва к притуплению кромок. Выполняют сварку второго участка шва, начиная сварку с потолочного положения, со смешением начала его сварки на 10-10 мм на первый участок и перекрывают окончание первого участка на 10-10 мм.

Последовательность сварки стыка трубы диаметром более 219 мм

Последовательность сварки труб диаметром более 219 мм. Сварку выполняют обратноступенчатым способом, при этом длина каждого участка должна быть в пределах 200-250 мм. Порядок сварки показан на рисунке. Длина участков последующих слоев может составлять половину окружности стыка. Сварку труб большого диаметра желательно производить одновременно двумя сварщиками. Каждый варит половину стыка, с противоположенных сторон трубы. Сварка также выполняться снизу в вверх.

Способы нанесения

К методам нанесения относятся:

Горизонтальный тип. По правилам можно наносить шов как с права на лево, так и в обратную сторону

Тут важно соблюдать приемлемый угол наклона, поскольку излишки расплавленного металла будут вытекать наружу. Если у человека мало навыков, то всю процедуру можно выполнить за 2-3 прохода.
Вертикальный тип

Рабочая поверхность может располагаться в потолочной или настенной зонах. Сварочные соединения также можно делать двумя методиками: сверху вниз, и снизу вверх. Однако выбирать лучше первый вариант, поскольку тепло от дуги способствует высокому прогреванию сплава.
Потолочный тип. Выполнять весь процесс нужно очень быстро, сохраняя стабильный темп ведения стержня. Также для сохранения сплава в шве потребуется делать вращательные движения. Следует отметить, что текущая разновидность является самой сложной, и приступать к работе следует после получения необходимого опыта.

Типизация сварочных швов по способу нанесения

С первого раза тяжело понять, какие бывают разновидности, и изучить все технологии. Но регулярная практика сделает из любого новичка настоящего профессионала.

Сварки протяженных швов

Последовательность выполнения швов зависит от их длины. По протяжённости сварные швы делят на три основные группы группы :

• короткие швы до 250 мм спариваемые за один проход;,
• средние швы от 250 до 1000 мм рекомендуется варить от середины к концам или обратно ступенчатым методом;
• длинные швы свыше 1 метра рекомендуется варить от середины к краям, обратно ступенчатым способом или комбинируя двумя сварщиками.

Последовательность наложения сварных швов разной протяженностиНаправление сварки указана стрелками.1-5 – последовательность сварки в каждом слое. а) на проход; б) от середины к концам; в) обратно ступенчатым методом; г) от середины к концам обратно ступенчатым способом, двумя сварщиками

При обратно ступенчатом способе сварки сварной шов делят на участки длиной по 150-200 мм, каждый участок варят в направлении, обратном общему направлению сварки. В зависимости от количества проходов (слоёв), необходимых для выполнения проектного сечения шва, различают однопроходный (однослойный) и многопроходный (многослойный) швы.

Коэффициент прочности шва

Это показатель φ, являющийся отношением между собой прочностей сварной дорожки и основного материала. Его значение нормировано и определяется способом сварки и конструкцией стыка. Он принимается на основании Правил Госгортехнадзора и отражается в приложениях ГОСТов Р52857.1-2007, 14249-89 и 34233.1-2017.

Таблица 1. Коэффициенты прочности сварочных швов

Тип сварного соединения	Значение φ
Контролируемый участок от общей протяженности шва:
100%	10-50 %
Стыковое одностороннее, выполненное ручной сваркой	0,9	0,65
Тавровое, с конструктивно предусмотренным зазором между деталями	0,8	0,65
Встык одностороннее, производимое с подкладкой из флюса или керамики, автоматической или полуавтоматической сваркой	0,9	0,8
Втавр или встык со сплошным двусторонним проваром, выполняемый автоматикой или полуавтоматикой	1,0	0,9
Стыковое с подвариванием корня шва или тавровый со сплошным проваром с 2 сторон, выполненные ручной сваркой	1,0	0,9
Одностороннее встык, во время сварки имеет со стороны корня шва металлическую подкладку, прилегающую к основному материалу по всей длине шва	0,9	0,8

Коэффициент прочности для дорожек, паянных мягкими и твердыми припоями с использованием аппаратов из цветных металлов, составляет 0,7 для композиционной пайки, 1 — для однородной.

Виды сварных соединений

В зависимости от того как расположены заготовки между собой к основным видам сварочных соединений относят:

• стыковые;
• угловые;
• нахлесточные;
• тавровые;
• торцевые.

Типы сварных соединений: а) стыковое; б) угловое; в) тавровое; г) нахлесточное; д) торцевое

Стыковые

Самые простые по выполнению швы даже для начинающих сварщиков. Ими соединяют заготовки, примыкающие друг к другу торцами, размещенные в одной плоскости или на ровной поверхности. При сварке деталей с разной толщиной допускается смещение поверхностей. Стыковым способом сваривают конструкции из листового проката, резервуары, трубы. Сравнительно с другими сварными соединениями сокращаются сроки выполнения работы и расход материалов, но нужно тщательно подготавливать кромки.

Способы выполнения стыковых соединений

Угловые

Это сварные соединения двух металлических деталей под любым углом. Если заготовки разной толщины, толстостенную размещают снизу, чтобы на тонкой не появились прожиги и подрезы, сварочную ванну создают за счет плавления металла толстой заготовки. Для повышения прочности соединения швы накладывают с обеих сторон. Внутренний угол сваривают малым током, чтобы снаружи не образовалось закругление.

Угловые сварные соединения удобно выполнять способом «в лодочку». Заготовки прихватывают под нужным углом, затем устанавливают так, как будто это плывущий кораблик. После расплавления металл будет равномерно растекаться по обеим сторонам без образования дефектов.

Угловым способом сваривают каркасы небольших строений, емкости, навесы, кузова грузовиков. Кроме этого устанавливают детали конструкций в труднодоступных местах.

Способы выполнения угловых соединений

Нахлесточные

Такими сварными швами соединяют параллельно расположенные металлические пластины, которые наложены одна на другую с небольшим перекрытием. Для повышения прочности на разрыв и предотвращения проникновения влаги внутрь сварку выполняют с обеих сторон. Этим способом можно соединять листы толщиной до 12 мм. Для выполнения нахлесточных соединений от сварщика не требуется высокая квалификация, так как нет опасности прожога и не нужно подготавливать кромки. Недостатком считают повышенный расход металла.

Способы выполнения соединений внахлест

Тавровые

Это сварное соединение торца одной детали с боковой поверхностью другой под прямым или небольшим углом. Если толщина заготовки больше 4 мм сварка проводится с обеих сторон с тщательной подготовкой кромок вертикальной пластины. Тавровые соединения применяют преимущественно при сборке несущих конструкций. Поэтому, если есть возможность изменения положения, сварку ответственных узлов лучше выполнять «в лодочку».

Способы выполнения тавровых соединений

Торцевые

При выполнении таких соединений сваривают торцы заготовок, которые плотно примыкают одна к другой или расходятся от места стыка под углом не больше 30⁰. Способ применяют при производстве кожухов, вентиляционных коробов, контейнеров, металлических шкафов и пр. К достоинствам торцевого типа сварочных соединений относят низкую вероятность образования прожогов и внутренних напряжений, вызывающих деформацию. Недостатками считают завышенный расход материала и появление коррозии при проникновении воды между листами через дефекты шва.

Подготовительные работы

Прежде чем варить трубу необходимо подготовить металл в зоне стыка. Торцы должны быть отрезаны ровно, иначе наложить надежный шов будет затруднительно. С кромок снимаются фаски, чтобы угол между ними был 65 — 70˚. Поверхности на расстоянии не менее 3 см от торцов зачищаются шлифовальной машинкой или металлической щеткой до блеска снаружи и изнутри. Участки, изменившие цвет после обработки шлифмашинкой удаляются. Заусенцы убираются напильником. Острые края кромок притупляются до 2 мм, иначе они быстро расплавятся. Затем поверхности обезжириваются ацетоном.

Не менее важна и подготовка электродов. Их, перед началом работы, прокаливают в печи при температуре 380 — 400˚C в течение двух часов. Для продолжительного хранения электроды кладут в специальный пенал, в котором поддерживается температура на уровне 80˚С. Контейнер для этой цели можно изготовить самостоятельно из трубы ППУ. Когда нет возможности длительного прокаливания, электроды сушат горелкой в течение полутора минут слабым пламенем. Такой метод запрещен правилами, но в аварийной ситуации выбирать не приходится. Поскольку покрытие электродов быстро высыхает и опять набирает влагу, сушить более двух штук одновременно не следует.

Итог

Катет сварного шва является важной характеристикой, определяющей важнейшие параметры полученного изделия. Долговечность, качество и надежность сварки напрямую зависит от данного критерия

Изготовить соединение в соответствии со всеми нормами можно с помощью готовых шаблонов. Они значительно упростят сварку, исключив необходимость в дополнительных расчетах.

Во многих случаях достаточно ориентироваться на правило, согласно которому катет соединения должен равняться толщине свариваемых материалов. Однако это относится к конструкциям, не требующим высокой надежности.