Соединениями внахлестку называются такие, в которых поверхности свариваемых элементов частично находят друг на друга (см. рис. 5.1,6). Эти соединения широко применяют при сварке листовых конструкций из стали небольшой толшины (2-5 мм), в решетчатых и некоторых других видах конструкций. Разновидностью соединений внахлестку являются соединения с накладками, которые применяют для соединения элемен тов из профильного металла и для усиления стыков.

Иногда стыковое соединение профильного металла усиливают накладками, и тогда оно называется комбинированным (см. рис. 5.1, е).

Соединения внахлестку и с накладками отличаются простотой обработки элементов под сварку, но по расходу металла они менее экономичны, чем стыковые. Кроме того, эти соединения вызывают резкую концентрацию напряжений, из-за чего они нежелательны в конструкциях, подвергающихся действию переменных или динамических нагрузок и работающих при низкой температуре.

Угловыми называют соединения, в которых свариваемые элементы расположены под углом (см. рис. 5.1,г).

Тавровые соединения (соединения впритык) отличаются от угловых тем, что в них торец одного элемента приваривается к поверхности другого элемента (см. рис. ЪЛ,д). Угловые и тавровые соединения выполняются угловыми швами, широко применяются в конструкциях и отличаются простотой исполнения, высокой прочностью и экономичностью.

в ответственных конструкциях, в тавровых соединениях (например, в швах присоединения верхнего пояса подкрановой балки к стенке) желательно полное проплавление соединяемых элементов.

2. Сварные швы

Сварные швы классифицируют по конструктивпому признаку, назначению, положению, протяженности и внешней форме.

По конструктивному признаку швы разделяют на стыковые и угловые (валиковые). В табл. 5.2 показаны виды швов и необходимая форма разделки кромок соединяемых элементов различной толшины для обеспечения качественного соединения при автоматизированной и ручной сварке.

Стыковые швы наиболее рациональны, так как имеют наименьшую концентрацию напряжений, но они требуют дополнительной разделки кромок. При сварке элементов толщиной больше 8 мм для проплавления металла по всей толщине сечения необходимы зазоры и обработка кромок изделия (табл. 5.2). В соответствии с формой разделки кромок швы бывают V, и, X и К-образные. Для V- и U-образных швов, свариваемых с одной стороны, обязательна подварка корня шва с другой стороны для устранения возможных непроваров (рис. 5.2, сг), являющихся источником концентрации напряжений.

Начало и конец шва имеют непровар и кратер, являются дефектными и их желательно выводить на технологические планки за пределы рабочего сечения шва, а затем отрезать (рис. 5.2,6).

При автоматической сварке принимаются меньшие размеры разделки кромок швов вследствие большего проплавления соединяемых элементов (табл. 5.2). Чтобы обеспечить полный провар шва, односторонняя автоматическая сварка часто выполняется на флюсовой подушке, на медной подкладке или на стальной остающейся подкладке.

При электрошлаковой сварке разделка кромок листов не требуется, но зазор в стыке принимают не менее 14 мм.

Угловые (валиковые) швы наваривают в угол, образованный элементами, расположенными в разных плоскостях. Применяющаяся при этом разделка кромок изделия показана в табл. 5.2.

Угловые швы, расположенные параллельно действующему осевому усилию, называют фланговыми, а перпендикулярно усилию - лобовыми.

Швы могут быть рабочими или связующими (конструктивными),

Тетлагшеские N:----\ планш

Подбарка корня шВа

Рис. 5.2. Стыковые швы

а - шов с подваркой корня шва; б - вывод шва за пределы рабочего сечения (планки по окончании сварки срубаются)

Рис. 5.3. Положение швов в пространстве

/ - нижнее; - вертикальное; / - полоточиое; /V - горизонтальное на вертикальной плоскости

сплошными или прерывистыми (шпоночными). По положению в пространстве во время их выполнения они бывают нижними, вертикальными, горизонтальными и потолочными (рис. 5.3). Сварка нижних швов

Стыковой

Без разделки кромок

V-образный

2-20

14-34

3-12

8-60

10-50

Х-образный

20-60

12-120

12-60

Тавровый

Без разделки кромок

3-40

Со сплошным про-плавлением

16-40

2-40

12-80

2-30

12-60

наиболее удобна, легко поддается механизации, дает лучшее качество шва, а потому при проектировании следует предусматривать возможность выполнения большинства швов в нижнем положении. Вертикальные, горизонтальные и потолочные швы в большинстве своем выполняются при монтаже. Они плохо поддаются механизации, выполнить их вручную трудно, качество шва получается хуже, а потому применение их в конструкциях следует по возможности ограничивать.

§ 3. термическое влияние сварки на соединения

Процесс сварки сопровождается структурными и химическими изменениями металла в зоне сварного соединения и возникновением остаточных напряжений и деформаций.

-94.

1. Структурные и химические изменения металла в зоне соединения

Во время сварки малоуглеродистой стали металл шва и околошовной зоны нагревается и претерпевает различные изменения; в соответствии с этим различают три зоны соединения (рис. 5.4).

В зоне расплавления металл нагревается выше температуры расплавления (-1535°С). Расплавленный металл издели. и электрода перемешиваются, и после прекращения нагрева начинается первичная кристаллизация металла. Во время кристаллизации остывающий металл сварного соединения подвергается воздействию растягивающих напряжений, вызванных его остыванием. Эти растягивающие напряжения, действуя на горячий металл, еще не получивший достаточной прочности, способны вызвать «горячие» трещины. Эти вначале незаметные трещины могут привести в дальнейшем к разрушению конструкции при действии на нее внешних нагрузок, особенно это опасно при действии динамических нагрузок. Появлению трещин способствуют повышенное содержание углерода, серы и других примесей в металле, крупнозернистая структура его и большая толщина свариваемых изделий. Стали кипящие, имеющие внутренние концентраторы напряжений (газовые поры и шлаковые включения), также склонны к «горячим» трещинам. Появление «горячих» трещин в кипящих сталях-основная причина, требующая применения в ответственных сварных конструкциях спокойной стали.

Для зоны расплавленного металла характерна столбчатая структура литого металла. В процессе охлаждения расплавленный металл претерпевает структурные и фазовые изменения и приобретает окончательную вторичную структуру. Качество металла этой зоны улучшают легированием и правильным выбором скорости охлаждения. Легируют марганцем (нейтрализует вредное действие серы и некоторых других примесей), титаном, кремнием и другими компонентами, вводя их в расплавленный металл через электродную проволоку, флюсы и обмазки.

Скорость остывания шва регулируют теплоизолирующей зашитой шва шлаками, флюсом, а иногда и искусственным подогревом. Уменьшение скорости охлаждения расплавленного металла способствует его лучшему рафинированию (удалению из расплавленного металла шлаковых и газовых включений, способных в последующем стать концентраторами напряжений).

Зоной термического влияния называют прилегающий к шву участок основного металла, нагревавшийся выше температуры (Асз-723 °С) и ниже температуры расплавления (~ 1535°С) (участки /, 2, 3, 4 на рис. 5.4). Глубина этой зоны при ручной сварке составляет приблизительно 3-6 мм, а при автоматической -2-4 мм. Структура металла в этой зоне неравномерна. Для малоуглеродистых сталей на участках /, 2, подвергавшихся нагреву выше 1000-1100 °С, расположен перегретый металл с сильно выросшим зерном. Металл здесь имеет пониженные механические свойства по сравнению с основным металлом элемента. На участке 3, подвергавшемся действию температур 900-1100°С, металл претерпел полную перекристаллизацию, имеет мелкое зерно и повышенные по сравнению с основным металлом механические свойства. На участке 4 нагрева 720-900 °С металл испытал лишь частичную перекристаллизацию, и его качество не сильно отличается от качества основного металла.

Для низколегированных строительных сталей температурные интервалы смещаются, но структурные преобразования будут аналогичны.

В зоне термического влияния при ее усиленном охлаждении возможно также образование закалочных структур, например мартенсита, имеющего сильно пониженные вязкость и пластичность. В этом случае растягивающие сварочные напряжения, возникающие при охлаждении соединения, часто разрывают хрупкий металл и образуют трещины, называемые «холодными», располагающиеся чаще всего параллельно шву.