Основные типы сварных соединений и подготовки кромок под сварку

При конструировании сварных соединений исходят из двух принципов: 1) если известны величины нагрузок, которые должно выдерживать сварное соединение при эксплуатации изделия, то соединение проектируют таким образом, чтобы обеспечить прочность с учётом этих нагрузок; 2) если величины эксплуатационных нагрузок неизвестны, то сварное соединение проектируют, исходя из его равнопрочности основному материалу.

Тип сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их кромок под сварку.

По первому признаку различают пять основных типов наиболее распространённых сварных соединений: стыковые, тавровые, нахлёсточные, угловые и прорезные (рис. 5.1).

а)   б)   в)                   г)   д)   е)   Рис. 5.1.Основные типы сварных соединений: а – стыковое; б – тавровое; в – угловое; г – нахлёсточное; д –прорезное; е – замкнутое прорезное

Стыковые соединения (рис. 5.1-а) наиболее распространены, поскольку имеют бόльшие прочность и простоту изготовления по сравнению с другими типами сварных соединений. Стыковые соединения выполняют всеми видами сварки плавлением и многими видами сварки давлением. Но при использовании способов сварки плавлением повышенной тепловой мощности (например, рассматриваемых далее автоматической сварки под флюсом или плазменной) следует учитывать возможность прожога основания (корня) шва. Прожог – это сквозное расплавление основного материала, приводящее к вытеканию или капанию жидкого металла и образованию наплывов в зоне соединения со стороны, противоположной стороне наложения сварного шва, для предотвращения чего нужно использовать удаляемые затем или остающиеся подкладки (рис. 5.2). Другой путь – применение двусторонней сварки, однако при этом необходимы конструкция изделия, обеспечивающая свободный доступ к корню шва, и кантовка изделия. Например, для сварного изделия, показанного на рис. 5.3, двусторонняя сварка шва невозможна. Третьим путём является уменьшение используемой для сварки тепловой мощности.

Рис. 5.2.Предотвращение прожога с помощью подкладки

Рис. 5.3.Изделие (бидон), не допускающее двусторонней сварки шва

Тавровые соединения (рис. 5.1-б) широко применяют при изготовлении пространственных конструкций. Эти соединения отличаются высокой прочностью при любых видах нагрузок.

Нахлёсточные соединения (рис. 5.1-в) часто используют для соединения листовых заготовок. Эти соединения менее прочны по сравнению со стыковыми и неэкономичны вследствие перерасхода основного и присадочного материалов, обусловленного наличием перекрытия свариваемых элементов (обычно равного 3–5 толщинам) и выполнением двух угловых швов. Но зато нахлёсточные соединения более просты при сборке и не требуют точной обработки кромок и пригонки зазоров.

Угловые соединения (рис. 5.1-г) выполняют, как правило, в качестве связующих. Они не предназначены для передачи рабочих сил.

Прорезные соединения (рис. 5.1-д, е) выполняют для усиления соединений внахлёстку. В зависимости от ширины (обычно 2–3 толщины свариваемых элементов) и назначения прорези либо заваривают полностью, либо обваривают по периметру.

Сравнительно тонкие стыки (толщиной до 6 мм) обычно сваривают без разделки кромок (рис. 5.4-а), которые стыкуют друг с другом с зазором от нуля до 2 мм (зазор оставляют с цель улучшения провара по высоте шва). Однако перед свариванием достаточно толстых заготовок с целью повышения качества соединяемые кромки следует разделывать для обеспечения полного провара заготовок по сечению, что является одним из условий равнопрочности сварного соединения с основным металлом. Выбор формы и размеров разделки зависит от толщины металла, его теплофизических свойств и вида сварки (рис. 5.4-б–е). При толщине свариваемых элементов от 6 до 20 мм обычно используют V-образную разделку (рис. 5.4-в) с центральным углом 60° и зазором b порядка 2–4 мм. Притупление h угла разделки кромки необходимо для предупреждения прожога и выполняется величиной порядка 2–3 мм. При толщине основного металла более 20 мм применяют двустороннюю Х-образную разделку (рис. 5.4-г), которая по сравнению с V-образной разделкой (рис. 5.4-в) экономит присадочный металл и уменьшает сварочные деформации изделий (подробно рассматриваемые далее в подразделе 5.19) благодаря симметрии расположения швов. В ряде случаев (например, при затруднении конструкцией изделия доступа ко шву с нижней стороны) с теми же целями вместо Х-образной применяют U-образную разделку (рис. 5.4-д). При сварке элементов различных толщин следует выполнять скос кромки более толстого элемента для выравнивания толщин (рис. 5.4-е), что обеспечивает одинаковый нагрев кромок и уменьшает вероятность прожога более тонкого элемента за время, требующееся для достаточного нагрева и проплавления более толстого элемента. Кроме того, такая форма соединения работоспособнее при дальнейшей эксплуатации вследствие уменьшения концентрации напряжений, обуславливаемой именно резким изменением размеров и формы элементов изделия.

а)       б)                                       д)   е)     Рис. 5.4.Различные виды разделки свариваемых кромок: а – без разделки; б – односторонняя; в – V-образная; г – X-образная; д – U-образная (чашеобразная); е – заготовок разной толщины: h – притупление; b – зазор