Наиболее распространенным видом соединений элементов стальных конструкций являются электросварные соединения. Различают ручную, автоматическую и полуавтоматическую электродуговую сварку.
Ручная электросварка
Электродуговая сварка основана на физическом явлении возникновения электрической дуги между стальным стержнем (электродом) и свариваемыми стальными деталями, которая расплавляет основной металл и металл электрода, образуя сварной шов, соединяющий отдельные детали в одно целое.
Схемы электросварки и сварочной дуги
Сварка голым электродом и незащищенной дугой приводит к образованию недоброкачественных швов, главным образом потому, что в шов попадает азот, образующий нитриды, вследствие чего шов становится хрупким, приобретает низкие механические показатели.
Для предохранения электрической дуги от соприкосновения с воздухом (путем образования защитной газовой среды) и для лучшей ионизации воздушного пространства на электроды наносят обмазку. Эта обмазка служит для образования в жидкой ванне металла шлака, способствующего раскислению и очищению металла, и шлаковой корочки, предохраняющей горячую поверхность шва от соприкосновения с воздухом.
Первоначально для обмазки использовали растворенный в жидком стекле мел (меловая, или ионизирующая обмазка), который наносился на электроды тонким слоем (тонко-обмазанные электроды).
Однако качество сварного шва оставалось невысоким. В результате были выработаны специальные качественные обмазки, которые наносятся на электродную проволоку толстым слоем, строго концентрически (толетообмазанные электроды). Эти качественные обмазки содержат дополнительно различные легирующие вещества, улучшающие механические показатели швов1.
В строительных сталях большое влияние на свариваемость оказывает количество углерода в металле. Для сварки сталей с содержанием углерода более 0,2% требуется применение электродов со специальными обмазками. Для сварки обычных строительных сталей с содержанием углерода менее 0,2% применяются обычные электроды с толстой (качественной) и реже с тонкой (меловой) обмазкой.
Ввиду большого разнообразия состава качественных обмазок типы электродов различают не по составу обмазок, а по результатам механических испытаний образцов наплавленного металла и сварного соединения, которые должны быть не менее значений, указанных в таблице.
Таблица Механические свойства образцов сварных соединений и наплавленного металла шва.
Из таблицы видно, как резко различаются механические характеристики швов, выполненных электродами Э34 и Э42, в особенности в отношении пластичности, характеризуемой относительным удлинением. Поэтому применение электродов типа Э34 в ответственных конструкциях и деталях исключается.
На прочность сварных соединений существенно влияет структура шва, а также встречающиеся в нем неметаллические включения (шлаковины или мелкие газовые пузыри, появляющиеся при остывании шва). Наличие внутренних микропор создает объемную концентрацию напряжений, увеличивая хрупкость шва.
Во время остывания расплавленной стали шва происходит кристаллизация. Кристаллы растут, вытягиваясь в одном направлении, причем в местах встречи кристаллов иногда концентрируются неметаллические включения, образуя плоскости слабины. На фигуре, а показан микрошлиф сварного шва, где видны отдельные слои наложения, а также небольшая трещина в корне шва, проходящая по плоскости слабины и соединяющая два небольших шлаковых включения.
Появление трещин внутри шва — недопустимо.
Трещины в швах
Трещины в швах:
а — микрошлиф корня шва (х4) с трещиной между шлаковинами;
б — горячая трещина в металле шва (общий вид);
в — то же, макрошлиф.
Различают горячие и холодные трещины. Считается, что горячие трещины иногда возникают при остывании шва в температурном интервале 1000 — 1350° и связаны с наличием межкристаллических прослоек, содержащих такие химические примеси, которые имеют иную температуру затвердевания, чем сталь. Холодные трещины являются большей частью результатом растягивающих напряжений в швах от усадки.
Если разрезать сварной шов, отшлифовать и подвергнуть его изучению под микроскопом, то можно проследить за изменением его структуры. На фигуре показана структура сварного шва и распределение температур по сечению шва.
Здесь можно выделить три зоны: I — зона основного металла; II — переходная зона; III — зона наплавленного металла.
Структура сварного шва
Зоной основного металла считается та его часть, которая нагревается не выше критической температуры (t = 723°). Металл, нагретый ниже этой температуры, не претерпевает изменений и сохраняет свои механические свойства.
Переходная (околошовная) зона, или зона термического влияния, расположена между основным и наплавленным металлом. В этой зоне во время сварки наблюдается (резкое изменение температуры от 1500° (температура плавления) до 723°. Структура металла в этой зоне неравномерна. На участке с температурой более 1000 — 1100° происходит рост кристаллов, получается грубая крупнозернистая структура, результатом чего является снижение механических качеств. Переходный участок является самым слабым местом шва.
Проникновение наплавленного металла в основной называется проваром: чем глубже провар, тем лучше шов. Обычно глубина провара составляет 1,5 — 2 мм. Особенно существенное значение имеет глубокий провар в корне угловых швов конструкций, подвергающихся переменным нагрузкам.
Наличие щели при обычном проваре корня шва и необработанной кромке создает резкое изменение формы, вследствие чего здесь иногда появляется концентрация напряжений. Такая щель может явиться местом возникновения мельчайших трещин, которые со временем, развиваясь от переменной нагрузки, могут привести к разрыву.
Сварка угловых швов
Сварка угловых швов:
а — наличие щели в соединении при необработанной кромке;
б — глубокий провар при автоматической сварке;
в — сварка способом «глубокого провара».
Глубокий провар достигается либо при помощи автоматической сварки, либо так называемым способом сварки с «глубоким проваром» («короткая дуга»), сущность которого ясна из фигуре, в. Здесь электрод слегка опирается на конец обмазки, получается короткая дуга, закрытая чехольчиком обмазки, в связи с чем обеспечиваются более глубокий провар и лучшее качество шва.
Испытание наплавленного металла на загиб
Проверкой свариваемости и прочности сварного соединения, помимо испытания на растяжение, служит технологическая проба на загиб. Это испытание характеризует статическую вязкость соединения, которая пропорциональна углу загиба. Оно дает надежную и простую возможность выявить одновременно прочность и пластичность сварного шва.
1 В. М. Рыбаков и К. П. Вощанов, Технология ручной дуговой сварки, Машгиз, 1953.
«Проектирование стальных конструкций»,
К.К.Муханов
Принцип автоматической сварки заключается в том, что электрод подается к месту сварки автоматически при непрерывном разматывании бухты специальной электродной проволоки. Электрод подается автоматической (сварочной) головкой, которая выполняет те же функции,…