Svařovací švy – typy a způsoby aplikace

Svary jsou oblast spojovaných obrobků, která je vystavena plameni, elektrickému oblouku/plazmě nebo laserovému paprsku.

Svařovací švy jsou oblast spojovaných obrobků, která je přímo vystavena teplu plamene, elektrického oblouku/plazmy nebo laserového paprsku. Vzhled svarového spoje je ukazatelem kvalifikace svářeče, technologického účelu konstrukce a dokonce i metody svařování.

• 1 Struktura švu
• 2 Klasifikace typů svarových švů
• 3 Základní charakteristiky svaru

Struktura švu

Typický svar zahrnuje:

1. Plocha naneseného kovu (ze svařovací elektrody nebo ze základního kovu vzájemně spojených obrobků).
2. Zóna mechanického spojování.
3. Zóna ovlivněná teplem.
4. Přechodová zóna k základnímu kovu.

Při zkoumání svarového švu v jakémkoli metalografickém mikroskopu je vymezení výše uvedených zón určeno velmi jasně. Výjimkou jsou laserové technologie pro spojování tenkostěnných a malých dílů, kdy v důsledku přesné lokalizace světelného toku mohou některé zóny chybět.

Zóna svarového kovu je pevná litá struktura, k jejímuž vzniku dochází od okamžiku, kdy se elektroda nebo obrobek začne tavit. Na běžných mikroskopických řezech není tato zóna viditelná kvůli obzvláště jemnému rozptýlení částic, které ji tvoří. Zóna se vyznačuje největší tvrdostí, ale často má povrchové vady způsobené kombinovaným působením svařovacích strusek, atmosférického kyslíku, zbytků svařovacího tavidla atd.

Délka zóny mechanického tavení souvisí s tepelnou difúzní aktivitou kovů spojovaných dílů. Při intenzivním pronikání jednoho kovu do druhého může hloubka tavné zóny dosáhnout 40-50% objemu lité zóny. Složení zóny je heterogenní: spolu se strukturami základního kovu zde mohou být přítomny intermetalické sloučeniny uhlíku a dusíku s legujícími prvky, které jsou přítomny v základním kovu. Nejčastěji se v této zóně vyskytují hrubé karbidy wolframu, chrómu, železa a také menší dusitany stejných kovů.

Tepelně ovlivněná zóna svou strukturou připomíná povrchové zóny tepelně zpracovaného kovu za podmínek vysokorychlostního a povrchového kalení nebo kalení. Přímo sousedí s objemy mechanické fúze tzv. „bílá vrstva“ – neleptající část kovu v této zóně. Tvrdost bílé vrstvy je maximální a často převyšuje tvrdost zóny mechanického tavení. Důvodem jsou tepelné procesy, jejichž energie již nestačí k roztavení, ale stačí k ultravysokorychlostnímu kalení (zejména pokud se svařování provádí pod vrstvou inertního plynu). Dále v hloubce jsou zóny strukturálních přeměn, jejichž složení závisí na jakosti oceli. Například po svařování nerezových ocelí je hlavní složkou uvažované zóny austenit, u nástrojových ocelí martenzit atd.

V přechodové zóně k obecnému kovu jsou struktury troostitu, zbytkového austenitu, perlitu a dalších složek, které vznikají za podmínek relativně malých teplotních rozdílů.

Kvalita svařování je určena skoky v tvrdosti a strukturální homogenitě: čím menší jsou, tím odolnější a pevnější bude svar.

Struktura svaru je tedy heterogenní a srovnávací analýza jeho hlavních fyzikálních a mechanických vlastností (tvrdost, pevnost, stejnoměrnost atd.) určuje kvalitu svarového spoje.

Klasifikace typů svarů

Klasifikace typů svarových spojů může být založena na různých faktorech: geometrických, strukturálních, technologických a pevnostních.

Z hlediska umístění svarových spojů se dělí na:

1. Horizontální.
2. Vertikální.
3. Nakloněný.
4. Ty nižší.

Ze všech typů svarů je spodní typ, u kterého jsou hrany původního obrobku připraveny ze strany svářeče, považován nejen za nejdostupnější pro zvládnutí, ale také za nejpevnější. To se vysvětluje pohodlností formování taveniny (jak v ručním, tak v automatickém procesu), kdy gravitační síly kovu přispívají k lepšímu vyplnění mezer mezi spojovanými povrchy. Spodní typ je také nejúspornější. Používají se dvě hlavní metody jeho formování – od sebe a směrem k sobě.

Horizontální šev se vytvoří za podmínek, kdy jsou připravené povrchy umístěny kolmo k rovině svařovací elektrody. Metody pro jeho získání jsou podobné těm, které jsou popsány výše, ale spotřeba svařovacích elektrod a tavidel se zvyšuje, protože část taveniny je ze svařovací zóny odnášena gravitací.

Podmínky pro vytváření svislých švů jsou ještě obtížnější. Zde se kromě rostoucích ztrát kovu zvyšuje i nerovnoměrnost geometrických charakteristik: v posledních úsecích se šev ukáže být silnější a zvyšuje se pravděpodobnost zhoršení mechanických parametrů ve srovnání s horizontálními a nižšími typy.

Nejhorší kvalitu mají svisle umístěné svary. I při automatickém svařování jsou ztráty kovu vysoké. Navíc jsou v tomto případě nutná speciální bezpečnostní opatření, která by vyloučila vznícení povrchu, tavení sousedních oblastí spojovaných obrobků atd. Počet svisle nanesených svarů by měl být při navrhování svařovaných konstrukcí minimální.

Typy svarových spojů lze také klasifikovat podle konstrukčního principu jejich vytvoření. Svary lze tedy rozdělit na:

1. Zadek.
2. Překrývající se.
3. Roh.
4. Býk.
5. Pro elektrické nýty.

Spoj na tupo je považován za optimální z hlediska poměru „cenová efektivnost-pevnost“. Rozměry švu při správné přípravě oblasti spoje (typ řezání, příprava hran, mezery) prakticky nezkreslují tvar povrchu. Kvalita tupého spoje závisí na tloušťce obrobků. Při tloušťce do 4 mm (všechny dále uvedené rozměry jsou uvedeny ve vztahu k nízkouhlíkovým a středouhlíkovým ocelím) se častěji provádí jednostranné ořezávání ostří, do tloušťky 8-10 mm, oboustranný boční ve tvaru U/V a pro silnější díly ve tvaru X. V souladu s tím se také mění mezera mezi sousedními částmi: zejména u tenkých obrobků by její hodnota neměla přesáhnout 1-2 mm.

Překrývací spoj se používá v situacích, kdy není dostatek volného prostoru pro svařování obvyklým způsobem. Tloušťka obrobků by neměla překročit 8-10 mm a pro zajištění stejné pevnosti je nutné provést přípravu na obou stranách. Pokud není možná příprava hran, je nutné zvětšit průřez. Variantou překrývacího spoje je drážkovaný, kdy se konce jedné z částí uměle zvětší, aby se dosáhlo požadované pevnosti.

Rohový spoj může být zase čelní a „lodičkový“ (používá se, když je konec jedné části přivařen k povrchu druhé). Aby se rohovým svarům dodala pevnost, jsou pokud možno svařovány z obou stran. Technologie rohového svařování vyžaduje vyšší kvalifikaci prováděcího pracovníka. Zejména kvůli riziku protavení přes jeden ze sousedních povrchů by měla být elektroda umístěna pod úhlem 45-60° k delší straně rohu. Při svařování „lodičkovým“ způsobem se zvyšuje spotřeba svařovacího drátu, zvětšuje se délka tepelně ovlivněné zóny a naopak se snižuje její tvrdost. To je způsobeno zhoršením podmínek odvodu tepla.

T-spoj je považován za složitější verzi rohového spoje, kdy jsou obě police takového kompozitního profilu vytvořeny svařováním. V tomto případě není nutná příprava hran, ale existují určitá omezení ve směru držené elektrody, která by měla být umístěna v úhlu maximálně 60° ke svislé stěně T-spoju. U metody T-spoju je pravděpodobnost vad vyšší (stejně jako spotřeba svařovacího drátu, protože svařování musí být prováděno v několika průchodech hořáku).

Pokud neexistují žádné zvláštní požadavky na těsnost hotového spoje, používá se šev pro elektrické nýty. Výrobky připravené ke spojení se pevně přitlačí k sobě plochými plochami, načež se v horní části jakýmkoli způsobem vytvoří otvor. Do něj se vloží hořák a kov se roztaví, který poté pronikne dovnitř a svaří výrobky dohromady. Tato metoda je mimořádně ekonomická a po následném broušení poskytuje požadovaný vzhled povrchu.

Klasifikace svarových švů pomáhá zvolit optimální sekvenci pro jejich výrobu.

Hlavní charakteristiky svarového švu

Rozlišují se geometrické a technologické parametry svaru. Geometrické parametry zahrnují rozměry v průřezu – šířku, tloušťku a výšku nad hlavní rovinou. Typy svarových spojů jsou také ovlivněny technologickými parametry: ramenem a kořenem ve spoji, jeho konvexností/konkávností, jakož i poměrem objemu svarového kovu k celkové ploše svarového spoje.

Typy svarů, zejména šířka, výška a tloušťka, závisí na požadovaných pevnostních ukazatelích spoje. Tato závislost není jednoznačná: nadměrně masivní svar naopak snižuje kvalitu spoje, protože adheze svarových a mechanických svařovacích zón je oslabena a kvalita povrchu se může zhoršit v důsledku přítomnosti otřepů ze svařování, stejně jako v důsledku zesílení oxidačních procesů a oduhličení materiálu součástí.

Klasifikace svarů a tvar jejich povrchů jsou také důležité z hlediska trvanlivosti hotových konstrukcí. Konkávní svary, navržené podle parabolické závislosti výšky svaru na jeho tloušťce, snižují úroveň vnitřních napětí a minimalizují zbytkové deformace. Naopak hladké svary, kdy jsou při přechodu z jednoho povrchu na sousední zachovány ostré úhly, zvyšují úroveň zbytkových napětí a deformací.

Optimalizaci tvaru průřezu svařovaného spoje lze provést pomocí následujících praktických koeficientů:

• Pro nejlepší poměr šířky k výšce – 1,2-1,5;
• Pro nejlepší poměr šířky k konvexnosti – ne více než 8;
• Pro nejlepší poměr plochy svaru k ploše kovu ve spojovací zóně – 0,85-1,0.

Typy svarů a technologie jejich výroby určují kvalitu procesu. Pro hodnocení se používají parametry, jako je hloubka průvaru kovu a počet průchodů.

Hloubka průvaru určuje homogenitu struktury ve svarové zóně. Je akceptována v rozmezí 0,5-0,8 (při nižších hodnotách se pevnost svarového spoje zhoršuje a při vyšších hodnotách se zvyšuje riziko tavení).

Počet průchodů závisí na způsobu přípravy hran a tloušťce spojovaných prvků. Při zvětšených mezerách a normálním profilu hrany (se zkosením) je nutné měnit počet průchodů a amplitudu kmitů hořáku, což zvyšuje úroveň vnitřních svařovacích napětí. Problém (pro svařování silných plechů) se řeší optimalizací formy přípravy hran. Počet průchodů pro hluboké švy může dosáhnout 6-8, přičemž se snaží nejprve vyplnit hlavní mezeru (mezi hranami) a poté svařit spoj z obou stran.

Kvalitu svarů a spojů ovlivňují i ​​relativní rozměry kořene ve vztahu k noze a výšce. Pokud je kořen svaru menší než stanovené parametry, pak bude kvalita hotového spoje horší kvůli snížené hloubce průniku kovu. Při statickém zatížení spoje tato okolnost není kritická, ale při dynamickém zatížení může způsobit destrukci svařované konstrukce.

Klasifikace svarových švů je založena na technologii jejich tvorby, poměru geometrických rozměrů a posloupnosti svařování.

Na základě konstrukčních charakteristik (relativní poloha spojovaných prvků) se svarové spoje dělí na:

• natupo – svařované prvky přiléhají ke koncovým plochám a jsou vzájemným pokračováním, rozsah použití takových spojení se rozšiřuje;
• překrytí – boční plochy spojovaných prvků se vzájemně částečně překrývají;
• ve tvaru T – konec jednoho prvku sousedí pod úhlem (obvykle 90°) a je přivařen k boční ploše jiného prvku;
• roh – prvky, které mají být spojeny, jsou svařeny podél okrajů k sobě. V nosných konstrukcích se koutové svary téměř nepoužívají a pevnost se nepočítá.
• konec – spojované prvky jsou spojeny svými bočními plochami a svařeny od konce. Tento typ spojení se obvykle nepočítá na pevnost.

Obrázek 1 ukazuje příklady výše uvedených typů svarů.

V závislosti na typu svaru se rozlišují svarové spoje:

• s tupými švy (na tupo a T-spoje);
• s koutovými svary (v přeplátovaných, T-kus, rohových a koncových spojích).

Výchozí podmínkou pro návrh svarového spoje je zajištění stejné pevnosti svaru a spojovaných prvků.
Podmínka stejné pevnosti, například pro svařovaný přeplátovaný spoj, se scvrkává na skutečnost, že výpočet parametrů svaru by měl být proveden pomocí síly [F], určené pevností prvku s nejmenším křížem sekce:

kde: δ – tloušťka svařovaného dílu; b je šířka svařovaného dílu; [σ]_р – dovolené napětí v tahu.

Svary se dělí na dělníci и pojiva. Pro pevnost se počítají pouze pracovní švy, které přímo přenášejí pracovní zatížení mezi spojovanými prvky.
Spojovací švy jsou namáhány pouze deformací spoje se základním kovem. Jsou málo zatížené a nejsou určeny na pevnost.

Svařované tupé spoje

Tupý spoj je svařovaný spoj dvou prvků sousedících k sobě koncovými plochami a umístěných na stejném povrchu nebo ve stejné rovině.

Norma GOST 5264-80 předvídané 32 typ tupého spoje, konvenčně označovaný C1, C2,. S28 atd., s různou přípravou hran v závislosti na tloušťce, umístění svařovaných prvků, technologii svařování a dostupnosti zařízení pro zpracování hran.

Tupé spoje jsou nejjednodušší a nejspolehlivější ze všech svařovaných spojů. Doporučují se v konstrukcích vystavených střídavému namáhání.
Můžete svařovat natupo plechy, pásy, trubky, kanály, úhelníky a jiné tvarové profily.
Pokud je tupý spoj tvořen dvěma plechy, pak se spojí k sobě, dokud se na koncích nedotknou a svaří.

Výstupek tupého svaru nad základním kovem je koncentrátorem napětí. Proto se v kritických spojích odstraňuje mechanicky.

Při automatickém svařování se v závislosti na tloušťce δ dílů provádí svařování jednostrannými (obr. 1, b, c, d) nebo oboustrannými (obr. 1, a) švy.
Při tloušťkách δ až 15mm svařování se provádí bez speciální přípravy hran. U silnějších plechů se nejprve provádí speciální příprava hran.

Při ručním svařování bez přípravy hran svařujte plechy až 8mm. Steh se aplikuje na jednu stranu (s δ ≤ 3 mm) nebo na obě strany (3 < δ ≤ 8 mm).

V oblasti svaru může vlivem vysoké lokální teploty dojít ke změně fyzikálních, chemických, strukturních vlastností základního kovu a v důsledku toho ke snížení jeho mechanických vlastností – tzv. tepelně ovlivněná zóna. K destrukci svarového spoje proto obvykle dochází v zóně vlivu, tzn. v blízkosti svaru.

Výpočet tupého spoje se provádí na základě rozměrů průřezu dílu v tepelně ovlivněné zóně.
Pevnostní stav při zatížení tahovou silou F spoje ve formě pásu:

Dovolená napětí pro výpočet svarových spojů se berou podle mechanických vlastností materiálu v zóně vlivu svaru a jsou označena tahem [σ]‘_р na rozdíl od dovoleného napětí základního kovu [σ]_р .

V tupém spoji zatíženém ohybovým momentem M se počítají napětí σ_и ohyb:

Jak již bylo uvedeno výše, spojení natupo může být provedeno nejen z plechů nebo pásů, ale také z trubek, úhelníků, kanálů a jiných tvarových profilů. Ve všech případech je svařovaná konstrukce téměř neporušená.

Svařované přeplátované spoje

Přeplátovaný spoj je svarový spoj, ve kterém jsou prvky svařované koutovými svary umístěny rovnoběžně a částečně se vzájemně překrývají.
Norma poskytuje dvě taková připojení: N1 и N2, které se liší pouze tím, že ve spojení H1 dva konce jsou přivařeny k povrchu prvků a ve spojení H2 – jen jeden konec.
Někdy se používají typy přeplátovaných spojů: s překrytím a s bodovými svary spojujícími části konstrukčních prvků.

Svařované přeplátované spoje se vyrábějí pomocí bočních (obr. 2, a) nebo čelních (obr. 3) švů. V tomto případě šev vyplňuje úhel mezi bočním povrchem jednoho prvku a okrajem druhého. Takové švy se nazývají rohové švy.
Koutové svary se provádějí jednoprůchodové i víceprůchodové, bez zkosených hran a se zkosenými hranami.

Hlavní charakteristiky koutového svaru jsou (obr. 2, b): k – noha (analogicky se stranou pravoúhlého trojúhelníku), a – pracovní výška (určuje nejmenší řez v rovině procházející osou pravé strany úhel, podél kterého dochází k destrukci – smyk).
Typicky pro šev při ručním svařování a = 0,7k (výška pravoúhlého trojúhelníku s nohami k).
Automatické svařování se vyznačuje hlubším průvarem: a = k. Provozní podmínky pro takový šev jsou příznivější.
Nedoporučuje se používat nohu méně než 3mm.

Boční šev je šev umístěný rovnoběžně se švem a přední šev je kolmý k linii působení vnější síly. Velikost přesahu l musí být alespoň 4δ, kde δ je tloušťka plechu.

V důsledku různé tuhosti spojovaných prvků jsou tangenciální napětí τ (smyková napětí) po délce bočního švu rozložena nerovnoměrně (obr. 2,a). Čím delší šev, tím větší nerovnost. Proto je délka švu omezena:

kde: k – svarové rameno, mm, l – délka svaru.

Ve švech méně než 30 mm Tepelný režim se nestihne usadit a výsledkem je nekvalitní šev. A u dlouhých švů je vysoká nerovnoměrnost v rozložení napětí.

Při zatížení zažívá koutový svar složitý stav napětí. Pro jednoduchost je však takový šev konvenčně navržen pro smyk pod vlivem průměrných tečných napětí τ.

Podmínka pro pevnost bočního švu (obr. 2):

τ = F/(a×2l) ≤ [τ]‘ (zde 2 – počet švů)

Aby se zabránilo zvýšenému namáhání v ohybu, měly by být přední švy aplikovány na obou stranách (obr. 3).
Jak ukazuje praxe, ke zničení čelních švů dochází v důsledku jejich řezání podél roviny půlky. Výpočet čelních svarů se proto běžně provádí pomocí smykových napětí τ.
Lomová plocha je určena rozměry aab:

Používají se také kombinované švy skládající se z bočních a předních švů.
Pro jednoduchost se předpokládá, že tahová síla F zatěžuje švy rovnoměrně:

kde: L – obvod kombinovaného švu: L = 2l +b

Svařované rohové spoje

Rohový spoj je svařovaný spoj dvou prvků umístěných pod úhlem a svařených v místě styku jejich hran (viz obr. 1, e, f, g).
Norma poskytuje deset typů rohových spojů: od U1 na U10.

Někdy se při svařování používá rohové spojení s ocelovou podložkou, která zajišťuje spolehlivý průnik prvků po celém profilu. S tloušťkou kovu 8. 100 mm použijte oboustranné řezání sousedního prvku pod úhlem přibližně 45°.

Výpočty pevnosti koutových svarových spojů se provádějí zřídka, protože se téměř nikdy nepoužívají v nosných konstrukcích. Metody pro výpočet pevnosti takového spojení jsou podobné metodám výpočtu pro T-spoj a závisí na typu švu.
Metodika těchto výpočtů je podrobněji popsána níže.

Svařované T-spoje

T-spoj je svařovaný spoj, ve kterém konec jednoho prvku přiléhá pod úhlem a je připevněn k boční ploše jiného prvku. Nejčastěji je T-spoj tvořen prvky umístěnými ve vzájemně kolmých rovinách (obr. 1, h, i, j).
Takový spoj lze provést hlubokými penetračními svary získanými automatickým svařováním a svařováním s předběžnou přípravou hran (tupý svar), nebo koutovými svary ručním svařováním.
Norma poskytuje několik typů takových spojení: s T1 na T9.

Metoda výpočtu rohových a T spojů závisí na typu švu.

Hluboké penetrační svary jsou pevnější než základní kov. Při zatížení spoje silou F dochází podél průřezu součásti v tepelně ovlivněné zóně k destrukci. Výpočet se provádí pomocí normálových tahových napětí σ_р :

Účtování svařování se projevuje tím, že se berou povolená napětí pro svar, i když se výpočet provádí na základním kovu.

Koutový svar je méně pevný než základní kov. Lomová plocha je umístěna v půlící rovině svaru, stejně jako u předních a bočních svarů přeplátovaných spojů.

Pokud je spoj zatížen tlakovou silou, pak se část síly přenese na základní kov a přípustná napětí se mohou zvýšit přibližně o 60%.

Typické typy vad svarů a spojů

Obrázek 4 ukazuje nejčastější typy vad při svařování výrobků, které mohou výrazně snížit pevnost švu a konstrukce jako celku.

Srovnávací charakteristiky svarů

Z uvedených svarových spojů jsou nejspolehlivější a nejhospodárnější spoje tupé, u kterých jsou působící zatížení a síly vnímány stejně jako u celých prvků, které nebyly svařeny, tedy jsou prakticky ekvivalentní základnímu kovu, samozřejmě , s odpovídající kvalitou svářečských prací. Je však třeba mít na paměti, že opracování okrajů tupých spojů a jejich úprava pro svařování je poměrně složitá, navíc jejich použití může být omezeno zvláštnostmi tvaru konstrukcí.
Rohové a T-spoje jsou také běžné v konstrukcích. Jejich pozitivní vlastnosti se projevují při výrobě trojrozměrných struktur.

Práce s přeplátovanými spoji je nejjednodušší, protože nevyžadují předběžné řezání hran a jejich příprava pro svařování je jednodušší než tupé a rohové spoje. V důsledku toho a také kvůli konstrukčnímu tvaru některých konstrukcí se rozšířily pro spojování prvků o malé tloušťce, ale jsou povoleny pro prvky do tl. 60 mm.
Nevýhodou přeplátovaných spojů je jejich nehospodárnost způsobená nadměrnou spotřebou základního a usazeného kovu. Navíc vlivem posunu čáry působení sil při pohybu z jedné části do druhé a výskytu koncentrace napětí se snižuje únosnost takových spojů.

Můžete se dozvědět více o vlastnostech svarových spojů a švů zde.

Kromě uvedených svarových spojů a švů používá ruční obloukové svařování spoje v ostrých a tupých úhlech podél GOST 11534-75, ale jsou mnohem méně časté.
Pro svařování v ochranném plynu, svařování hliníku, mědi, jiných neželezných kovů a jejich slitin se používají svarové spoje a švy, stanovené jednotlivými normami. Například je zajištěna forma přípravy okrajů a švů potrubních konstrukcí GOST 16037-80, která definuje základní rozměry švů pro různé druhy svařování.