Строение сварочного шва

Строение и прочность сварного соединения металлических деталей

Строение сварочного шва

Строение соединений металлических деталей, образуемое сваркой, состоит из сварного шва и прилегающих к нему зон, подвергающихся плавлению и термическому воздействию. Непосредственно сварной шов – это участок, который во время сварки находится в расплавленном состоянии. При остывании металла он кристаллизуется.

Схема сварного соединения: а — при сварке плавлением, б — при сварке давлением, 1 – сварной шов, 2 – зона сплавления, 3 – зона термического влияния, 4 – основной металл.

Прочность соединения зависит от предварительной обработки свариваемых поверхностей, свойств полученного шва и других участков соединения, подвергающихся структурным изменениям в процессе сварки и влияющих на распределение усилий при последующих нагрузках. В одном соединении может быть несколько швов.

Разделка швов сварных соединений

Подготовка кромок соединений осуществляется с помощью болгарки с отрезным и шлифовальным кругами. Используется и сварочный аппарат в режиме резки.

Существует 4 основных конструктивных типа соединения свариваемых деталей:

  • стыковой;
  • нахлесточный;
  • угловой;
  • тавровый.

Виды сварных швов.

При сварке встык поверхности соединяют предварительно обработанными торцами. Нахлесточное соединение получают накладыванием одной из пластин на другую с образованием угловых швов. Величина нахлеста должна быть больше суммарной толщины свариваемых поверхностей в 3-5 раз. Угловые и тавровые соединения образуются при сваривании элементов конструкций под прямым углом.

Стыковое соединение может выполняться без обработки кромок, если зазор между кромками не превышает 2 мм. В этом случае срезаются лишь зазубрины и неровности. При возможности производится обработка только одной стыкуемой кромки.

Для деталей с толщиной в 4-25 мм производятся соединение с ровным или овальным скосом торцов и двусторонняя разделка с V-образным или U-образным скосом. Зазор выдерживается в 1-2 мм.

При тавровом соединении для формирования стыка обрабатывается только торец детали, стыкуемой с плоской поверхностью. Для деталей с толщиной более 10 мм производится односторонняя или двухсторонняя разделка с обрезанием кромки по 45°. При этом сварка при большой толщине металла и требуемой высокой прочности выполняется в несколько слоев с заполнением всего разделочного пространства.

Размеры конструктивных элементов кромок при газовой сварке стыковых соединений листового проката.

В нахлестном соединении разделка кромок не предусматривается технологией. Осуществляется лишь обработка прилегающей к плоскости части кромки. Швы накладываются по кромкам обеих деталей. Из соображений герметизации выполняется двойной шов. Для придания соединению необходимой прочности и при большой толщине металла производится усиление нахлеста прорезным швом, пробковой сваркой или проплавкой.

При угловом соединении обрабатывается кромка одной из стыкуемых деталей. Вторая лишь ровно отрезается и шлифуется для удаления заусениц и зазубрин. Шов может накладываться как с наружной стороны, так и с обеих для большей прочности. Как и при тавровом соединении, разделка производится односторонняя или V-образная двусторонняя. В первом варианте при толщине металла в 8-25 мм сварка выполняется в несколько слоев.

Процессы, происходящие в структуре соединения при сварке

Процесс кристаллизации шва начинается сразу после отвода дуги от свариваемого участка. Застывание металла происходит в направлении, обратном отводу тепла в структуру основной поверхности, начиная от краев сварочной ванны к ее центру. Средняя скорость кристаллизации и скорость сварки равны. По границам шва формируются кристаллиты наплавляемого и основного металла, обеспечивающие монолитность строения слоев и прочность соединения.

Образование шва и околошовной зоны.

Остановка начального процесса кристаллизации происходит достаточно быстро, при остывании шва на 20-30° С, то есть до температуры 1450-1500° С. После его завершения в структуре металла не происходит никаких изменений до его остывания до 850° С, когда металл начинает выходить из аустенитной формы.

Затем происходит процесс вторичной кристаллизации в структуре строения шва и прилегающем к нему основном металле. Он также протекает в коротком температурном диапазоне. Структура сварного шва становится стабильной по достижении им температуры в 720° С.

Кристаллиты сварочного шва имеют столбчатое строение структуры, характерное для процесса литья металла. Этот вид кристаллизации способствует вытеснению газовых и шлаковых фракций.

Зоны сварного соединения

Допускаемые отклонений на сборку сварных соединений листов.

При сварке металлических деталей плавлением соединение образует несколько зон:

  • наплавленный металл шва;
  • зона сплавления;
  • зона термического влияния;
  • основной металл.

Зона наплавленного металла формируется за счет плавления электродного или присадочного металла и частичного соединения его с основным материалом. При электродуговой сварке в наплавляемый металл добавляется до 10% базового металла. При сварке проволокой под флюсом внедрение основного металла составляет около 50%.

Характеристики строения наплавленного металла отличаются как от основного материала, так и от присадочного.

К зоне сплавления относится слой толщиной в 0,1-0,4 мм с образовавшимися частично оплавленными зернами. На этом участке происходит соединение металла ванны и базовой поверхности, и от его качества зависит прочность свариваемых деталей.

Зоной термического влияния называют участок, не подвергшийся плавлению, в структуре которого при сварке происходит изменение свойств в результате пластической деформации. Эта часть соединения состоит из нескольких участков с особой структурой и свойствами.

Основные и сопутствующие процессы при образовании контактного соединения.

Читайте также  Как варить вертикальный шов инвертором?

Основной металл – зона, структура которой не подвержена изменениям в результате сварки. Условной границей нагрева участка считается температура 450° С. Но при сварке поверхностей из низкоуглеродистых сталей с содержанием азота и кислорода более 0,005% и водорода более 0,0005% в области этого участка происходит снижение вязкости и пластичности металла.

Эта зона называется участком синеломкости и при нагреве до 200-400° С имеет склонность к образованию трещин. Изменение механических свойств участка происходит в результате выпадения по его границам зерен нитридов и оксидов. При сварке некоторых металлов участок способствует увеличению прочности шва, но снижает вязкость и пластичность металла.

Контроль качества сварных соединений

Сварное соединение подвергается проверке для обнаружения отклонений от установленных допустимых норм в зависимости от условий эксплуатации изделия. Контроль свариваемых соединений может быть предварительным, текущим и окончательным.

Предварительно проверяют подготовку свариваемых деталей, состояние оборудования и оснастки. Производятся сварка опытных образцов и испытание их в соответствии с условиями эксплуатации. Проверка выполняется неразрушающими и разрушающими методами. В сложных конструкциях проводится металлографическое исследование.

Макроскопические дефекты сварных соединений.

При текущем контроле проверяются стабильность режима сварки, качество накладываемых швов и их зачистки. Окончательные испытания проводятся на соответствие изделия нагрузкам при эксплуатации. Визуальный осмотр можно произвести с помощью лупы с 10-кратным увеличением.

По завершении сварки выполняется обмер швов и соединений в целом. В условиях массового производства свариваемых изделий используются специальные контрольные шаблоны. При единичном изготовлении конструкций используется универсальный измерительный инструмент. Герметичность сваренных емкостей и сосудов проверяется гидравлическими и пневматическими испытаниями с избыточным давлением.

В частных условиях герметичность швов проверяется с использованием керосина. Одна сторона изделия на участке шва окрашивается мелом с помощью пульверизатора, шов с другой стороны смачивается керосином. Керосин имеет высокую проникающую способность, и при неплотных швах на закрашенной стороне образуются пятна.

Используется также магнитный контроль шва. К изделию подсоединяют сердечник электромагнита. На поверхность проверяемого соединения высыпают металлические опилки или окалину. При постукивании по изделию в местах дефектов образуются скопления металлического порошка. При окончательном контроле проводятся механические испытания соединений на различные виды напряжений, изгибов и соответствие изделия необходимой твердости в условиях эксплуатации.

Основные дефекты сварочных соединений

Схема контроля сварного соединения: а — просвечиванием рентгеновскими лучами, б — рентгенограмма шва, в — намагничиванием.

https://www.youtube.com/watch?v=ZbnEIr5ITFc

Дефекты в структуре сварочного шва и околошовной зоне могут возникнуть по следующим причинам:

  • некачественная подготовка свариваемых поверхностей;
  • несоблюдение технологии процесса;
  • неисправность оборудования;
  • влияние условий окружающей среды;
  • несоответствие нормам сварочных материалов;
  • непрофессионализм исполнителя работ.

Дефекты в строении сварного шва подразделяются на 3 основные группы:

  1. Внешние: наплывы, кратеры, подрезы, превышения выпуклости, смещения.
  2. Внутренние: поры, несплавления, непровары, инородные включения.
  3. Сквозные: трещины, прожоги, свищи.

Трещины относятся к наиболее опасным дефектам, влияющим на статическую и циклическую прочность конструкций. Трещины, появившиеся в процессе сварки деталей, называют горячими, образовавшиеся после охлаждения соединения – холодными.

Подрезы представляют собой углубления в поверхности основного металла по краю сварного шва. Они могут возникнуть из-за большой силы тока, смещения положения электрода от правильного. Исключить подобные дефекты можно, уменьшив скорость сварки и, соответственно, скорость кристаллизации.

Пористость сварного шва образовывается в результате перенасыщения структуры соединения газами из воздуха и выделяющимися в процессе разложения электродного покрытия. Непроваром называют отсутствие сцепления между наплавленным и основным металлом или между валиками. Возникает дефект из-за некачественной обработки кромок, несоблюдения технологии сварки и т. д.

Прожоги – сквозные отверстия, возникающие в процессе сваривания элементов с небольшой толщиной. Они могут возникнуть по причине недостаточного притупления кромок, превышения силы сварочного тока, при недостаточно высокой скорости сваривания. При автоматической сварке дефект может образоваться при слабом поджатии флюсовой подушки или подкладки, наличии загрязнений на поверхностях.

Качество структуры соединения, получаемой в результате сварки, зависит от многих факторов. К ним относятся режим сварки, подготовка и пространственное положение свариваемых деталей, профессионализм сварщика. Работоспособность свариваемой конструкции определяет комплексная совокупность учета свойств материала, условий последующей эксплуатации изделия и соблюдения технологии сварки.

Источник: https://moyasvarka.ru/izdeliya/stroenie-svarnogo-soedineniya.html

Сварочные швы

Строение сварочного шва

Сварочные швы — участки сварного соединения, образующие в результате кристаллизации (затвердевания) расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации.

Разделение понятий сварочное соединение и сварочный шов необходимо потому, что последний, как связующая часть соединяемых элементов, определяет геометрическую форму, сплошность, прочность и другие свойства металла непосредственно в месте сварки.

Свойства сварного соединения определяются свойствами металла самого шва и зоны основного металла, прилегающего к шву, с измененной структурой и во многих случаях с измененными свойствами зоны термического влияния.

Необходимо учитывать и некоторую часть основного металла, прилегающую к зоне термического влияния и определяющую концентрацию напряжений в месте перехода от металла шва к основному металлу и пластических деформаций в зоне термического влияния, что отражается на характере и распределении усилий, действующих в сварном соединении.

Критерии для классификации

Сварочные швы подразделяются в зависимости:

Читайте также  Защита сварного шва от коррозии после сварки

— от формы сечения;

— от характера сопряжения свариваемых деталей;

— по внешнему виду;

— по выполнению;

— по количеству слоёв;

— по числу проходов;

-от протяжённости;

— по направлению действующего усилия;

— по положению в пространстве;

— по назначению;

— от условий работы сварного изделия;

— по способу удержания расплавленного металла;

— по виду сварки;

— по применяемому для сварки материалу.

Классификация

В зависимости от формы сечения сварочные швы могут быть:

стыковыми;                                                       угловыми;                                  прорезными (электрозаклепочными).

В зависимости от характера сопряжения свариваемых деталей различают следующие виды сварных соединений:

— стыковые соединения;

— угловые соединения;

— тавровые соединения;

— нахлесточные соединения;

— торцовые соединения.

Сварочные швы по внешнему виду подразделяются на:

— нормальные (плоские)

— выпуклые (усиленные)

— вогнутые (ослабленные).

Выпуклый сварной шов                          Нормальный сварной шов                       Вогнутый сварной шов

Выпуклые сварные швы лучше работают при статических (постоянных) нагрузках, однако они неэкономичны. Нормальные и вогнутые швы лучше подходят при динамических и знакопеременных нагрузках, поскольку за счет более плавного перехода от основного металла к сварному шву снижается вероятность возникновения концентрации напряжений, приводящих к разрушению шва.

По выполнению сварочные швы могут быть односторонними и двусторонними.

Односторонний шов                                                                      Двухсторонний шов

По количеству слоев сварка бывает однослойной и многослойной, по числу проходов сварные швы бывают  однопроходные и многопроходные.

Однослойный, однопроходный                  Многослойный                             Многопроходный

Многослойный шов используется при сварке толстого металла, а также чтобы уменьшить зону термического влияния.

Проход – однократное перемещение источника тепла в одном направлении при сварке или наплавке. Валиком называется часть металла сварного шва, которая была наплавлена за один проход.

Слой сварного шва – металл шва, состоящий из одного, двух или нескольких валиков, которые размещены на одном уровне поперечного сечения шва. При сварке каждый слой многослойного стыкового шва, кроме усиления и подварочного шва, отжигается при наложении следующего слоя. В результате такого теплового воздействия улучшается структура и механические свойства металла шва.

В зависимости от протяженности сварные швы бывают непрерывными и прерывистыми. Стыковые швы обычно делают непрерывными. Угловые швы могут быть выполнены:

— непрерывными;

— односторонними прерывистыми;

— двусторонними цепными;

— двусторонними шахматными;

— точечными.

По направлению действующего усилия

Согласно этому критерию сварные швы делятся на:

— продольные (фланговые) – направление действующего усилия параллельно оси сварного шва;

— поперечные (лобовые) – направление действующего усилия перпендикулярно оси сварного шва;

— комбинированные – сочетание продольного и поперечного швов;

— косые – направление действующего усилия размещено под углом к оси сварного шва.

По положению в пространстве швы подразделяются на:

По назначению сварочные швы бывают

— прочные;

— плотные (герметичные);

— прочно-плотные.

В зависимости от условий работы сварного изделия швы делятся на:

— рабочие, предназначенные непосредственно для нагрузок;

— нерабочие (связующие или соединительные), используемые только для соединения частей сварного изделия.

 По ширине сварные швы подразделяются на

— ниточные с шириной шва равной или незначительно превышающей диаметр электрода, выполняются без поперечных колебательных движений сварочного электрода;

— нормальные с шириной

— уширенные, которые выполняют с поперечными колебательными движениями электрода.

По способу удержания расплавленного металла швы сварных соединений делятся:

на швы выполненные без подкладок и подушек;

на съемных и остающихся стальных подкладках;

на медных, флюсо-медных, керамических и асбестовых подкладках;

— на флюсовых и газовых подушках.

По конфигурации сварного шва:

 — прямолинейные;

кольцевые;

вертикальные;

горизонтальные;

 По виду сварки швы сварных соединений разделяют на:

— швы дуговой сварки (ГОСТ5264—80);

— швы автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом (ГОСТ 8713-79);

— швы дуговой сварки в защитных газах (ГОСТ14771—76);

— швы электрошлаковой сварки (ГОСТ15164 — 78);

— швы электрозаклепочные (ГОСТ14776 — 79);

— швы контактной электросварки (ГОСТ15878 — 79);

— швы газовой сварки;

— швы паяных соединений.

По применяемому для сварки материалу швы сварных соединений подразделяются на сварочные швы:

углеродистых и легированных сталей (ГОСТ 5264-80; 14771-76; 15164-78; 8713 — 79 и др.);

 соединения цветных металлов (ГОСТ 16038 — 70; 14806 — 69);

 соединения биметалла (ГОСТ 16098 — 70);

 соединения винипласта и полиэтилена (ГОСТ 16310-70).

Источник: https://blog.svarcom.net/technologia-svarki/svarnye-shvy.html

Структура сварного шва

Строение сварочного шва

Цельработы: ознакомитьсяс металлографическими методамиисследования структуры сварныхсоединений.

Читайте также  Как класть сварочный шов?

Оснащение рабочего места

  1. Комплекты макро- и микрошлифов сварных швов ———3…5 шт.

  2. Металлографические микроскопы——————————3…5 шт.

  3. Образцы сварных соединений для измерения твердости —3…4 шт.

  4. Твердомеры ТК2 —————————————————— 2шт.

  5. Плакаты: «Металлургические процессы дуговой сварки»,

«Кристаллизацияи строение сварного соединения»,

«Швы сварныхсоединений»,

«Металлографиясварных соединений»,

«Структура сварногошва низкоуглеродистой стали».

Основные положения

Сварнойшов при сварке плавлением образуетсяв месте соединения металлическихзаготовок в результате сплавленияприсадочного материала со свариваемым.

В получаемых сварных соединениях можновыделить три зоны, отличающиеся другот друга структурным строением: зонанаплавленного металла (шов) — I,зона термического влияния (околошовная)- II,зона основного металла — III.Структура и свойства металла последнейзоны в процессе сварки не изменяются.

Металл же шва и околошовной зоныпретерпевает фазовые превращениявследствие нагрева и последующегоохлаждения. Следовательно, качествосварного соединения в основномопределяется свойствами металла этихдвух зон.

Строение металласварных соединений можно выяснить прирассмотрении макро- и микроструктуры.

Макроструктурныйанализ — распространенный методпредварительной оценки качества сварныхсоединений, выполненных различнымивидами сварки. Макроструктура изучаетсяна поверхности макрошлифа визуально(глазами)или при небольших увеличениях(до 30 раз). Темплеты (образцы) макрошлифоввырезают т.о., чтобы на них вместилисьвсе основные зоны (I,II,III).Макроанализ сварных соединений позволяетвыявить:

  • форму и размеры шва;

  • направленность, рост и размеры кристаллитов шва;

  • площадь и форму провара основного металла;

  • размеры и форму околошовной зоны;

  • наличие дефектов (поры, непровар, шлаковые включения, трещины).

Приисследовании сварных швов первыеусредненные значения твердости обычнополучают на приборе Роквелла, одно издостоинств которого — экспрессность.Выбор шкалы метода зависит от химсоставаи термообработки свариваемых металлов.Более точные значения твердости позонам сварного соединения можно получитьметодом Виккерса. Данные макроанализаи результаты измерения твердостихарактерных участков сварного соединениясоставляют предварительную оценку егокачества.

Изучениемикроструктуры начинают с рассмотрениямикрошлифа под микроскопом до травления.Это позволяет выявить микродефекты:поры, трещины, неметаллические включения.

Рассмотриммикроструктуру на примере сварногосоединения малоуглеродистой стали –(рис.1).

Зонанаплавленногометалла (I)представляет собой перемешанный вжидком состоянии материал электродаили присадочной проволоки с основнымметаллом (на долю основного металлаприходится до 10% при ручной дуговойсварке и до 50% при автоматической сваркепод флюсом). Наплавленный металл имеетярко выраженную столбчатую (дендритную)структуру литой стали.

Кнаплавленному металлу прилегает IIзона — околошовная или зонатермического влияния (з.т.в.).При сварке металл этой зоны подвергалсябыстрому нагреву и последующему быстромуохлаждению. Температура нагревамаксимальна непосредственно около шваи постепенно убывает по мере удаленияот него. Охлаждение происходит в основномза счет отвода тепла в массу холодногоосновного металла.

В результате изменяетсяструктура и, соответственно, свойстваметалла данной зоны, и в ней можновыделить несколькоучастков,отличающихся между собой формой истроением зерна, что вызвано температуройнагрева в пределах 1500- 450С. Непосредственно к шву прилегаетучастокнеполного расплавления (1)небольшой ширины 0,1…0,4 мм, являющийсяпереходным от наплавленного металла косновному.

При сварке металл этогоучастка нагревался до температур,лежащих между линиями солидуса иликвидуса и находился в твердо -жидкомсостоянии. Именно на этом участке ипроисходит собственно сварка, т.е.формирование кристаллитов шва начастично оплавленных зернах основногометалла. По своему составу и структуреон отличается от соседнего участкаосновного металла, т.к.

за время контактажидкой и твердой фаз в нем протекаютдиффузионные процессы и развиваетсяхимическая неоднородность (отмечаетсяскопление примесей), наблюдаетсяинтенсивный рост зерна, поэтому этотучасток является наиболее слабым местомсварного соединения с пониженнойпрочностью и пластичностью.

Заучастком неполного расплавлениярасполагается участокперегрева (2),металл которого нагревался до температурзначительно выше т. Ас3(1400-1100С), и поэтому имеет крупнозернистоестроение (видманштеттова структура),что ведет к снижению механическихсвойств, и особенно, ударной вязкостии пластичности. Ширина участка 3…4 мм.По мере удаления от шва степень перегреваснижается и зерно стали становитсяменее крупным.

Кучастку перегрева примыкает участокнормализации (3),в котором температура нагрева металла(900…1000С)и скорость его охлаждения соответствуютрежиму нормализации, сопровождающейсяизмельчением зерна.

Рис.1. Распределение температур по сечениюсварного соединения и участки зонытермического влияния:I- зона наплавленного металла;II– зона термического влияния;III– зона основного металла; 1 – участокнеполного расплавления; 2 – участокперегрева; 3 – участок нормализации; 4– участок неполной перекристаллизации;5 – участок рекристаллизации.

Ширинаучастка 1…4 мм. Сталь на этом участкеимеет повышенные механические свойства.

Следующийучасток (4) -неполной перекристаллизации.Здесь металл нагревался до температур,между т. Ас1и т. Ас3(725-900С),поэтому и имеет неоднородную структуру,состоящую из мелких перекристаллизовавшихсязерен перлита и феррита и крупных зеренферрита, не прошедших перекристаллизациюиз-за недостаточной теплоты, полученнойметаллом при нагреве. Неравномерноекристаллическое строение вызываетпонижение механических свойств.

Последнимучастком з.т.в. считается участокрекристаллизации (5),металл которого нагревался вышетемпературы рекристаллизации, по нижет. Ас1(450…725С).Ширина участка 0,5…1,5 мм.

На этом участкепроисходит восстановление формы иразмеров деформированных зерен металла,ранее подвергнутого холодной обработкедавлением. При сварке горячекатаногометалла на данном участке отличий поструктуре и свойствам с основным металломнет. Т.е. размеры з.т.в.

зависят не толькоот температуры нагрева, но и отпредшествующей обработки свариваемыхметаллов.

З.т.в. свойственнасварным соединениям любых металлов исплавов. Величина з.т.в. и структуразависят от скорости сварки, величинысварочного тока и способа сварки.Например, при ручной сварке качественнымиэлектродами с толстым покрытием з.т.в.- 5…7 мм, при автоматической сварке подфлюсом сталей большой толщины — 8…10 мм,а малой — 0,5…1 мм; при газовой сварке до20…25 мм.

Сварные соединенияиз сталей, склонных к закалке(среднеуглеродистые, легированные),имеют з.т.в. с участками полной и неполнойзакалки, отпуска. На участках полной инеполной закалки возникают высокиенапряжения, которые могут привести кобразованию трещин, поэтому соединенияиз таких сталей перед сваркой необходимоподогревать, а после сварки — подвергатьтермообработке.

IIIзона — основнойметалл — припонижении температуры ниже 450Сизменений в структуре основного металлане наблюдается.

Нопри сварке низкоуглеродистых сталей сповышенным содержанием кислорода,водорода, азота (более 0,005 %) на участке,нагретом до 400С(участок синеломкости), отмечаетсяснижение пластичности и вязкости,вызываемое старением металла, ивышеназванные стали на этом участкеимеют повышенную склонность к образованиютрещин.

Источник: https://StudFiles.net/preview/2788111/