Сварочные швы: от простого к сложному

Процесс современной сварки относится к высоким технологиям с классификацией и критериями качества. Поскольку главным финальным продуктом являются сварочные швы, они также хорошо описаны, классифицированы и имеют свои критерии качества и способы выполнения.

Стандарты сварки в виде ГОСТов содержат исчерпывающие сведения и условные обозначения вариантов самого разного назначения.

Что такое сварочный шов

Для начала определимся с понятиями «сварочный шов» и «сварочное соединение», потому что некоторые источники рассматривают их как одно и то же, другие разводят формулировки.

Самое короткое определение: сварочный шов – это неразъемное соединение сваркой.

Второй вариант раскрывает физику процесса сварки как таковой: сварочный шов – это участок, в котором соединены две или несколько деталей в результате кристаллизации или деформации вещества, или одного и другого вместе. Так или иначе, сварочные швы и соединения логичнее принимать за один и тот же процесс.

Один из самых старых и известных среди специалистов стандартов – «ГОСТ 5264 – 80 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные». Этот ГОСТ был введен в действие еще в 1981 году, он до сих пор прекрасно справляется со своими задачами: четко и ясно перечислены основные виды сварных швов, их размеры, конструктивные элементы и инструкции, как правильно класть сварочный шов. Отличный пример документа, который не нуждается в корректировках в течение долгого времени.

Виды сварочных швов

Как и методы сварки, виды сварочных швов подпадают под стройную классификацию по разным критериями:

• Способу соединения деталей;
• Положению во время сварки;
• Протяженности шва;
• Расположению к силе, действующей на шов.

Самые популярные и важные виды швов объединены в группу по способу соединения деталей:

1. Стыковые.
2. Угловые.
3. Тавровые.
4. Внахлест.

Важно! Какой бы вид шва от сварки вы не выбрали, нужно помнить и соблюдать одно простое правило: никакой ржавчины на металле! Предварительная обработка напильником или наждачной бумагой обязательна, вопрос больше не обсуждается.

Швы встык

Виды сварных соединений включают как очень популярные способы, так и редкие. Стыковые способы можно отнести к высокой популярности: они используются при сварке листового металла или торцов труб. Принципиальное требование для стыкового способа – жесткая фиксация соединяемых деталей с зазором 1 – 2 мм, который заполняется металлом по ходу процесса сварки.

Важнейший «стыковой» вопрос – края деталей, которые будут плавиться и соединяться. Вернее, способ обработки этих краев. Стыковое соединение считается одним из самых надежных и экономичных с точки зрения прочности. Особенно это касается случаев, когда варят с обеих сторон. Предварительная подготовка краев – серьезная составляющая высокого качества шва. Все 32 типа стыковых соединений с вариантами обработки краев изложены в стандарте ГОСТ 5264-80.

Вот некоторые примеры:

1. Если лист металла тонкий – меньше 4 мм, предварительная обработка не требуется, это семейство с условными обозначениями С1, С2, С3.
2. Если толщина листа в пределах 4 – 12 мм, шов можно варить как с одной, так и с двух сторон. Но в этом случае необходима обработка края зачисткой. Здесь все зависит от требований к качеству сварки. Если вы решили варить с одной стороны, вам придется делать несколько проходов для заполнения шва. Если требуется высокое качество – зачищать и варить нужно с двух сторон. Зачистки бывают в виде V или U. Вариантов множество, все перечислены в ГОСТе, например, условные обозначения С28, С42.
3. Если металлический лист толще 12 мм, применяются только двойные швы с обработкой краев с обеих сторон в виде буквы Х. V или U формы зачистки кромок при большой толщине невыгодны: потребуется слишком много металла для их заполнения. А это снижает скорость процесса и повышает расход электродов. Условные обозначения С27, С39, С40.

Нет нужды излагать в данном обзоре все возможные способы сварки металлов дуговым методом в зависимости от толщины листов и способов обработки краев, лучше ГОСТа 5264-80 никто этого не сделает. Поэтому самым правильным решением будет сослаться на него и рекомендовать этот прекрасный образец технической инструкции для тщательного изучения.

Если коротко по ГОСТу, стыковое семейство делится на:

• Односторонние и двусторонние без обработки кромок;
• С обработкой одной из кромок;
• С обработкой обеих кромок;
• Распилкой в виде V или X;
• С двусторонней обработкой обеих кромок.

Тавровые соединения

Тавровый способ в разрезе представляет собой букву «Т»: торец одной детали приварен к боковой поверхности другой детали. Чаще всего элементы расположены перпендикулярно друг к другу. В ГОСТе 5264-80 описаны 9 тавровых видов: с Т1 по Т9. Для качественного таврового соединения необходимо глубокое плавление, которое выполняется с помощью автоматической сварки. Если сварка ручная, тщательная обработка кромок обязательна.

Интересная особенность тавровых швов глубокого плавления: они прочнее основного металла. Прочность угловых швов (о них см. ниже), напротив, меньше основного металла. Такого рода различия нужно не просто учитывать, а заранее производить расчеты. Понятие «расчет сварных соединений» входит в особый раздел технической механики, который изучается на инженерных факультетах.

Эти задачи сопромата учитывают главные особенности и недостатки сварочных соединений: неравномерную прочность, неровные процессы нагрева и охлаждения, как результат, возможное коробление, остаточное напряжение или скрытые дефекты.

Угловые соединения

В некоторых источниках угловые швы при сварке описываются как часть тавровых. Их описать так же легко, как тавровые: угловой профиль напоминает букву «Г», а в ГОСТе 5264-80 они обозначаются с начальной буквой «У»: от У1 до У10.

При кажущейся простоте в сварке углового соединения иногда возникают трудности: металл стекает с угла или вертикальной поверхности на горизонтальную. Решение такой проблемы – контроль движения электрода, чтобы соблюдать правильные углы его наклона, и чтобы это движение было ровным. В этом случае вы получите качественный ровно заполненный шов.

Отличным способом качественной угловой варки является метод, получивший название «сварка в лодочку»: детали расположены друг к другу под прямым углом, длина швов 8 мм и больше.

Если сварка угловых соединений включает листы металла разной толщины – тонкий и толстый – электрод должен быть расположен к более толстой детали под углом 60 градусов, чтобы больше прогрева пришлось на нее. Тогда тонкий металл не прогорит.

Сварка угловых швов предусматривает выполнение правил геометрии сварочных соединений.

Главные геометрические критерии следующие:

• Ширина – зазор между краями сплавления металлов;
• Изогнутость – зазор в точке максимальной вогнутости;
• Выпуклость – зазор в точке максимальной выпуклости;
• Корень стыка – самая далекая от профиля грань (фактическая изнанка)

Сварка углового шва будет самой оптимальной при вогнутой форме уровня. Это объясняется риском неполной проварки угловых швов корня на всю толщину. Если говорить о самом прочном варианте из всех возможных, нужно помнить о множестве разнообразных факторов.

Основные нормы электросварки на величину шва:

• Напряжение тока дуги;
• Темп работы;
• Величина сечения проволоки;
• Величина, плотность, полярность напряжения.

Например, при увеличении силы тока увеличивается глубина провара (размер не меняется). Но в то время, когда дуга усиливается, шов расширяется и, как следствие, падает глубина провара.

Если уменьшается размер сечения сварной проволоки, ток в проводе усиливается, глубина провара увеличивается, а сам шов уменьшается в размерах. Примеров оптимального сочетания факторов сварки много. Все виды сварных соединений содержат главное требование – не нарушать технологии выполнения, заранее планировать и рассчитывать величины всех вводимых параметров.

Швы внахлест

Соединения внахлест: поверхности параллельны друг другу, частично перекрывают друг друга, сварены угловым способом. Это самые простые для исполнения швы – отличный старт для обучения новичков.

Все типы сварных швов внахлест имеют строгое ограничение по толщине листового металла – он должен быть не больше 8 мм. Здесь важно найти правильный угол наклона электрода – диапазон от 15 до 45 градусов. В ГОСТе соединения внахлест условно обозначены как H1 и H2.

При работе с двумя заготовками часто используется односторонняя точеная сварка, у которой отмечается серьезный недостаток: между деталями формируются зазоры. Влага, коррозия становятся главными врагами при таком способе. Результат такого рода дефектов описывается одним словом – недолговечность.

Тем не менее, соединения внахлест имеют очень широкое применение, вот несколько таких примеров:

• Установка легких конструкций типа павильонов или ларьков;
• Установка рекламных щитов и других конструкций;
• Сборка тентов, навесов.

Сравниваем, оцениваем

Из вышеперечисленных вариантов самыми надежным и экономичным считается стыковой способ сварки. По действующим нагрузкам они практически равны целым элементам, которые не подвергались сварке, иными словами – основному материалу. Естественно, такая прочность достигается только при адекватном качестве работ.

Вместе с тем нужно помнить, что надежность и экономичность способа не означает простоту его исполнения. Требования к обработке краев, подгонка множества факторов под условия конкретной сварки, определенные ограничения в применении из-за формы – все это требует жесткой профессиональной дисциплины.

Тавровые соединения (включая угловые) тоже довольно популярны. Особенно часто их используют при сварке массивных конструкций.

Самые простые для исполнения – соединения внахлест. В них не требуется обработка кромок, общая подготовка тоже намного проще. Очень популярны в сварке листов небольшой толщины (допускается толщина до 60 мм). Простота не означает экономичности: перерасход наплавленного и основного металлов – обычная для таких вариантов ситуация.

Швы по положению в пространстве

Следующий критерий классификации – положение поверхностей в пространстве. Таких положений четыре:

1. Нижние швы
2. Горизонтальные
3. Вертикальные
4. Потолочные

Если бы можно было выбирать, опытные мастера выбрали бы сварку в нижнем положении. Это самый удобный способ, к тому же лучше контролируется сварочная ванна. Подходящий способ для дебютных работ новичков – здесь практически не встречаются сложности. Зато три остальных пространственных варианта сопряжены с техническими нюансами и специальными требованиями к исполнению.

В сварке в горизонтальном положении главной проблемой выступает сила тяжести – из-за нее металл попросту сползает вниз. Такие соединения можно варить как справа налево, так и слева направо, кому как удобно. Но правило использования электрода одно на всех: угол его наклона должен быть достаточно большим. Конечно, при подборе угла нужно учитывать параметры тока и скорость движения, все взаимосвязано.

Подбирайте, пробуйте, главное – чтобы ванна не стремилась вниз. Если металл все-таки стекает, нужно уменьшить его прогрев – это можно сделать, увеличив скорость движения. Второй вариант – отрывать периодически дугу, чтобы металл хоть чуть-чуть остывал. Метод с отрывом дуги больше подходит новичкам

В вертикальных соединениях та же проблема – сила тяжести, но здесь вниз стремится не вся ванна, а капли металла. Обычно в таких случаях берут дугу покороче. Шов варить можно в любом направлении. В Регламенте аттестации сварщиков РД 03-495-02 эти варианты обозначаются как «положение при сварке В1» – вертикальное снизу-вверх (этот способ удобнее). «Положение при сварке В2» – вертикальное сверху вниз, его используют реже, так как здесь необходим жесткий контроль сварной ванны.

Потолочное соединение – самое сложное в подгруппе, для которого понадобится настоящее мастерство. В положении электрода нет никаких других вариантов – держать только под прямым углом к потолку. Дугу взять покороче, скорость круговых движения должна быть постоянной. Выделение газов и шлаков в данном случае затруднено, расплав трудно удержать от стекания. Даже если мастерство на должном уровне, и все технологические требования выполнены верно, потолочный способ уступает по прочности и общему качеству сварочным швам во всех других положениях.

Сварные соединения по очертанию

Как классифицируются сварные швы по очертанию:

• Продольные: требуют самой тщательной подготовки металла в виде доскональной зачистки от заусениц, кромок и любых неровностей, помимо всего необходимо обезжиривание поверхностей участка сварки.
• Кольцевые: это работы по окружностям со своими специальными требованиями – чрезвычайно высокими аккуратностью и точностью.

Варим трубопроводы, особые требования

К работе с промышленными трубопроводами допускают лишь опытных сертифицированных мастеров с высокой квалификацией. Трубные соединения относятся к вертикальному способу со всеми «вертикальными» нюансами. Особенность заключается в угле, под которым держится электрод, это угол в 45 градусов.

Ширина трубного шва может достигать 4 см, это зависит от толщины самой трубы. Для этого вида сварки предусмотрены отдельные стандарты, например, в ГОСТе 16037-80 описаны размеры швов для различных соединений конструкций трубопроводов.

Зачистка сварных швов

По своему виду вновь сваренные швы иногда напоминают келоидные рубцы на коже человека: они выпуклые и выступают над поверхностью. Шлак, окалина, капли металла часто остаются на поверхности. Убрать все это можно и нужно, процесс называется зачисткой швов.

Его этапы:

• Сбить окалину молотком или зубилом;
• Выровнять участок болгаркой;
• Иногда нужно нанести тонкий слой расплавленного олова (лужение).

Брак и швейные дефекты

Самый частый дефект в работе новичка – кривой шов с неровным заполнением. Такая картина – результат неравномерного ведения электрода, он буквально пляшет в руках юного мастера. Здесь вам понадобятся упорство и труд: с опытом все это проходит без следа. Вторая по частоте ошибка – неверный выбор силы тока или длины дуги, после чего остаются «подрезы» или неровное заполнение. При одних дефектах больше страдает эстетика, при других – прочность.

Непровар – недостаточное заполнение металлом стыка деталей. Его нужно исправлять, так как речь идет о прочности соединения.

В каких случаях появляется непровар:

• Некачественная обработка (или отсутствие таковой) кромок поверхностей;
• Слишком слабая сила тока;
• Слишком быстрое движение электрода.

Подрез – ненужная канавка вдоль шва. Диагноз простой, это выбор слишком длинной дуги. Лечение тоже понятное: либо дугу покороче, либо силу тока побольше.

Прожог – банальная дырка в шве по следующим причинам:

• Широкий зазор между краями;
• Слишком большая сила тока;
• Низкая скорость движения электрода

И здесь ищем оптимальное соотношение трех составляющих: тока, ширины зазора, движения электрода.

Поры и наплывы – множественные отверстия малого размера. Это критический дефект, влияющий на прочность соединения.

Причины:

• Грязь и ржавчина на металле;
• Попадание кислорода к расплавленному металлу (при сквозняке);
• Некачественная обработка кромок;
• Электроды низкого качества;
• Использование присадочных проволок;

Трещины – серьезные нарушения целостности швов. Появляются после остывания металла и по своей сути являются предвестниками разрушения самого шва. В данном случае спасет только новая сварка или полное удаление старого шва и повторное накладывание нового.

Некоторые советы по сварке различных соединений

Можно ли новичку самостоятельно научиться накладывать качественные швы? Да, без сомнений. В некоторых источниках присутствует слово «с легкостью». Легкости лучше не обещать, потому что сварка никогда не была легким и безопасным процессом. Но определить последовательные и выполнимые шаги вполне возможно самостоятельно. Принцип – от простого к сложному. Безусловно, все основные типы сварочных соединений имеют свои секреты и тонкости, которые нужно освоить.

Для дебютантов лучше всего подойдет электрическая дуговая сварка. Самый оптимальный вариант – начинать учиться под присмотром опытного наставника. Но если такой возможности нет, в сети огромное количество видеороликов с показом всех действий и подробнейшими разъяснениями к ним.

Главный начальный этап – это грамотная подготовка нужного оборудования.

Вот что нужно подготовить для электрической дуговой сварки:

1. Сварное оборудование (разные типы);
2. Электроды с правильно подобранным диаметром (чрезвычайно важно!)
3. Молоток для зачистки остывшего шва;
4. Металлическая щетка для той же зачистки сварного участка
5. Маска, специальный световой фильтр.

Требования к одежде простые: она должна быть плотной, с длинными рукавами и перчатками. Пригодятся выпрямитель с трансформатором (особенно если оборудование старое).

https://www.youtube.com/watch?v=AoRkP_DqEKs

Итог

Основные типы сварных соединений уложены в рамки точной и ясной классификации с условными обозначениями и детальным описанием технологических особенностей и советов. Один из самых популярных стандартов – ГОСТ 5264-80 с описанием практически всех видов сварочных швов.

Научиться сварке можно самостоятельно по принципу «от простого к сложному». «Простым» началом для исполнения можно взять швы внахлест. Закончить можно работой высшего пилотажа – сваркой при потолочном расположении поверхностей. Желаем чистого металла, хороших заказов и рабочего настроения.