Предисловие
Глава 1. Сварка металлов Термины и определения основных понятий Классификация сварки
1.2 Классификация сварки
Глава 2 Свариваемость и тепловые процессы при сварке
2.1.2 Классификация испытаний для оценки свариваемости
2.1.3 Термический цикл при сварке
2.1.4 Классификация методов оценки технологической прочности
2.1.5 Предварительная оценка свариваемости
2.1.6 Холодные трещины
2.1.7 Методы испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке
2.1.8 Горячие трещины
2.1.9 Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке
2.1.10 Способы повышения технологической прочности
2.1.11 Определение допускаемых режимов дуговой сварки и наплавки
2.1.12 Испытание сварного соединения на коррозию
2.2 Тепловые процессы при сварке
2.2.2 Расчет тепловых процессов
Глава 3. Сварные соединения и швы
3.2 Основные типы швов и сварных соединений, конструктивные элементы
3.3 Обозначения основных положений сварки плавлением
3.4 Условные изображения и обозначения сварных швов
Глава 4. Основы расчета сварных конструкций, сварочные напряжения и деформации
4.2 Основы расчета сварных соединений на прочность
4.3 Особенности расчета сварных трубопроводов, резервуаров и сосудов, работающих под давлением
4.4 Механические свойства, расчетные сопротивления
4.5 Особенности распределения остаточных напряжений в элементах сварных конструкций
4.6 Остаточные деформации сварных конструкций и инженерные методы их расчета
4.7 Методы уменьшения сварочных напряжений и деформаций
4.7.2 Методы уменьшения остаточных сварочных деформаций
Глава 5. Материалы для сварки и резки, применяемые в промышленном строительстве
5.2 Легированные стали
5.3 Чугун
5.4 Медь и ее сплавы
5.5 Алюминий и его сплавы
5.6 Проволока стальная сварочная
5.7 Проволока для сварки алюминия и его сплавов
5.8 Проволока для сварки мели и ее сплавов
5.9 Прутки чугунные для сварки и наплавки
5.10 Проволока порошковая для дуговой сварки
5.12 Флюсы сварочные
5.13 Газы для сварки и резки
Глава 6. Источники электропитания
6.2 Источники переменного тока
6.3 Источники постоянного тока
6.4 Источники питания для дуговой сварки в защитных газах, электрошлаковой сварки и плазменной резки
6.5 Эксплуатация источников питания
Глава 7 Оборудование для сварки и резки
7.1.2 Стабилизаторы горения дуги «
7.1.3 Ограничители напряжения холостого хода
7.1.4 Регуляторы сварочного тока
7.1.5 Модулятор сварочного тока
7.6 Установки для ручной дуговой сварки неплавящимся электродом
7.2 Оборудование для механизированной дуговой сварки
7.2.2 Полуавтоматы для дуговой сварки в защитных газах плавящимся электродом
7.2.3 Полуавтоматы для сварки под флюсом
7.2.4 Полуавтоматы универсальные и для сварки открытой дугой
7.3 Оборудование для автоматической дуговой сварки
7.3.2 Автоматы для дуговой сварки плавящимся электродом в защитных газах
7.3.3 Автоматы для дуговой сварки под флюсом
7.3.4 Универсальные сварочные автоматы
7.3.5 Специализированные автоматы для дуговой сварки плавящимся электродом
7.4 Аппараты для электрошлаковой сварки
7.4.2 Технические характеристики
7.5 Машины для контактной сварки
7.5.2 Машины для точечной сварки
7.5.3 Машины для рельефной сварки
7.5.4 Машины для шовной сварки
7.5.5 Машины для стыковой сварки
7.5.6 Трансформаторы
7.6 Оборудование для управления контактными машинами
7.6.2 Контакторы и прерыватели
7.7 Оборудование для газовой сварки и резки
7.7.2 Ацетиленовые станции, установки и генераторы
7.7.3 Установки для газовой сварки, наплавки и резки
7.8 Оборудование для плазменной обработки
7.8.2 Установки для плазменной сварки и наплавки
7.9 Механическое оборудование для сварки
Глава 8 Сварочный инструмент
8.2 Горелки и держатели для сварки в защитном газе
8.2.2 Горелки и держатели для сварки неплавящимся электродом
8.3 Сварочные кабели, муфты и клеммы
8.4 Наборы инструмента для сварщика
8.5 Щитки защитные для электросварщика
8.6 Горелки для газовой сварки, пайки, наплавки и нагрева металлов и других материалов
8.7 Резаки
Глава 9 Ручная дуговая сварка
9.1.2 Особенности сварочной дуги постоянного и переменного тока
9.2 Подготовка металла под сварку
9.3 Техника и общая технология выполнения швов
9.3.2 Сварка швов в различных положениях
9.3.3 Сварка стыковых швов
9.3.4 Сварка угловых швов
9.3.5 Сварка тонколистового металла
9.3.6 Сварка швов различной протяженности
9.3.7 Сварка металла большой толщины
9.4 Способы повышения производительности при ручной дуговой сварке
Глава 10 Электродуговая механизированная и автоматическая сварка под флюсом
10.2 Преимущества и недостатки сварки под флюсом
10.З Влияние основных параметров режима сварки на размеры и форму шва
10.4 Подготовка кромок деталей й сборка конструкций под сварку
10.5 Техника сварки стыковых швов
10.6 Техника сварки угловых швов
10.7 Техника сварки электрозаклепок, прорезных швов и приварки шпилек
Глава 11 Сварка открытой дугой. Плазменная сварка и резка
11.2 Сварка порошковой проволокой и проволокой сплошного сечения без дополнительной защиты дуги
11.3 Сущность и техника сварки и резки плазменной дуги
Глава 12 Электрошлаковая сварка
12.2 Технология сборки и сварки
12.2.2 Подготовка деталей к сборке и сварке
12.2.3 Возбуждение электрошлакового процесса
12.2.4 Сварочные материалы и оборудование
12.2.5 Технология основных способов ЭШС
12.2.6 Особенности сварного соединения, выполненного ЭШС
12.2.7 Технологические приемы выполнения электрошлаковой сварки
12.2.7.2 Сварка проволокой диаметром 5 мм
12.2.7.3 Сварка на повышенном вылете электрода
12.2.7.4 Сварка с дозированной подачей мощности в зону сварки
Глава 13 Контактная сварка
13.2 Области применения контактной сварки в промышленном строительстве
13.3 Подготовка элементов к контактной сварке
13.4 Стыковая контактная сварка
13.4.2 Режимы стыковой сварки сопротивлением
13.4.3 Режимы стыковой сварки оплавлением
13.5 Точечная контактная сварка
13.5.2 Режимы точечной сварки
13.6 Шовная контактная сварка
13.6.2 Режимы сварки
Глава 14 Газовая сварка и термическая резка
14.2 Особенности процесса газовой сварки
14.3 Подготовка металла к сварке
14.4 Виды сварных соединений
14.5 Техника и технология газовой сварки
14.6 Термическая резка
14.6.2 Дуговые способы резки
Глава 15 Сварка низкоуглеродистых и низколегированных сталей
15.2 Сварка низкоуглеродистых сталей
15.3 Сварка низколегированных сталей
15.4 Специфика сварки конструкций из сталей высокой прочности
15.5 Специфика сварки оцинкованных низкоуглеродистых сталей
Глава 16 Сварка высоколегированных сталей и сплавов
16.2 Газовая сварка
16.3 Ручная дуговая сварка покрытыми электродами
16.4 Сварка под флюсом
16.5 Электрошлаковая сварка
16.6 Дуговая сварка в защитных газах
16.7 Другие способы сварки
Глава 17 Сварка конструкций я трубопроводов из цветных металлов и сплавов
17.2 Сварка меди и ее сплавов «
17.3 Сварка титана и его сплавов
17.4 Сварка свинца
Глава 18 Сварка конструкций и трубопроводов из пластмасс
18.2 Механизм образования сварного соединения
18.3 Способы сварки пластмасс
Оглавление 1 тома
Глава 19 Сварка стальных строительных конструкций
19.2 Сварочные работы в условиях цеха
19.2.2 Технология сборки и сварки решетчатых конструкций
19.2.3 Технология сборки и сварки балок и колонн сплошного сечения
19.3 Сварочные работы на монтажной площадке
19.3.2 Сварка конструкций доменных цехов
19.3.3 Сварка конструкций различных сооружений и зданий
19.3.4 Сварка конструкций резервуаров
19.4 Сварка при низких температурах
Глава 20 Сварка стальных технологических трубопроводов
20.2 Подготовка труб под сварку. Применяемые виды и способы сварки
20.3 Изготовление и монтаж технологических трубопроводов из низкоуглеродистых сталей
20.4 Изготовление секций стальных трубопроводов
20.5 Специфика сварки трубопроводов из легированных и разнородных сталей
Глава 21 Сварка магистральных трубопроводов
21.2 Подготовка кромок под сборку и сварку
21.3 Технология автоматической сварки стыков труб под флюсом
21.4 Технология ручной сварки неповоротных стыков
21.5 Сварка стыков труб в условиях отрицательных температур
21.6 Сварка стыков труб из дисперсионно-твердеющих сталей
21.7 Сварка стыков в защитном газе и порошковой проволокой
21.8 Контактная сварка трубопроводов
21.9 Оборудование для механизации сварки магистральных трубопроводов
21.10 Оборудование для сварки труб в нитку трубопроводов
21.11 Энергоснабжение сварочных постов при сварке магистральных трубопроводов
Глава 22 Сварка арматуры железобетона
22.2 Сварочное оборудование и приспособления
22.3 Подготовка к сварке
22.4 Режимы сварки
22.5 Контроль качества сварных соединений
Глава 23 Сварка и пайка при электромонтажных, сантехнических и вентиляционных работах
23.2 Особенности методов контроля качества сварных соединений при выполнении электромонтажных работ
23.3 Пайка при электромонтажных работах
23.4 Сварка при санитарно-технических работах
Глава 24 Наплавка и ремонтная сварка
24.2 Способы наплавки, материалы и оборудование
24.3 Технология наплавки
24.4 Контроль качества наплавки
24.5 Ремонтная сварка стальных изделий
24.6 Сварка чугунных изделий
Глава 25 Термическая обработка сварных соединений
25.2 Способы нагрева сварных соединений
25.3 Нагревательные устройства для термической обработки
25.4 Материалы для термической обработки
25.5 Оборудование для термической обработки
25.5.2 Посты и установки для электронагрева
25.5.3 Оборудование для газопламенного нагрева
25.6 Технология термической обработки
25.6.1.1 Термическая обработка электрическими устройствами сопротивления
25.6.1.2 Термическая обработка электронагревателями комбинированного действия
25.6.1.3 Термическая обработка с использованием индукционного нагрева
25.7 Организация работ по термической обработке
25.8 Требования техники безопасности
Глава 26 Контроль качества сварных соединений
26.2 Предварительный и операционный контроль
26.3 Неразрушающие методы контроля качества сварных соединений
26.3.2 Ультразвуковой метод контроля
26.3.3 Магнитографический метод контроля
26.3.4 Контроль непроницаемости сварных соединений
26.3.5 Цветная дефектоскопия
26.3.6 Передвижные лаборатории для неразрушающего контроля качества сварных соединений
26.4 Методы контроля с разрушением сварного соединения
26.4.2 Металлографические исследования сварных соединений
Глава 27 Организация сварочного производства
27.2 Аттестация сварщиков
27.3 Материально-техническое обеспечение
27.4 Управление сварочным производством
27.5 Определение экономической эффективности и эффекта
Глава 28 Техническое нормирование сварочных работ
28.2 Методы технического нормирования
28.3 Нормирование ручной электродуговой сварки
28.4 Нормирование механизированной и автоматической сварки под флюсом
28.5 Нормирование электрошлаковой сварки
28.6 Нормирование газовой сварки
28.7 Нормирование контактной сварки
28.8 Нормирование газовой резки металла
28.9 Нормы времени на условно принятые величины в строительно-монтажном производстве
Глава 29 Техника безопасности при сварке и термической резке
29.2 Меры обеспечения электробезопасности
29.3 Защита от световой радиации
29.4 Защита от вредных выделений газов и аэрозолей
29.5 Предупреждение возможных взрывов
29.6 Меры безопасности от тепловых ожогов
29.7 Общие нормативные требования безопасности при сварке и газопламенной обработке металлов
29.8 Особенности обеспечения безопасности труда на строительно-монтажных площадках
29.9 Противопожарные мероприятия
29.10 Основные меры по охране труда сварщиков и резчиков
Список литературы
Предметный указатель
Оглавление 2 тома
Text
                    Сварка и резка в промышленном строительстве
 Там I
 Справочник строителя
 Москва
 Строинздат


Справочник строителя Серия основана в 1976 году Сварка и резка в промышленном строительстве В двух томах Под редакцией профессора Б.Д. Малышева Третье издание, переработанное и дополненное Том I Москва Стройиздат 1989
ББК 38.635 С 24 УДК 693.814.25:621.791(035.5) Авторы: Б. Д. Малышев, А. И. Акулов, Е, К* "Алексеев, |А. Н. Блинор[ , К. И. Зайцев, В. А. Книгель, В. И. Мельник, А. В. Муравьев, Ю. П. Пелевин, Б. А. Смирнов, В. М. Сагалевич, В. В. Шип, Н. А. Юхин Рецензенты: академик Г. А. Николаев — председатель секции «Сварка в строительстве» координационного совета по сварке; Б. Ф. Лебедев — д-р техн. наук, начальник отдела сварки в строительстве ИЭС им. Е. О. Патона Редактор: А. Ф. Тарасова Сварка и резка в промышленном строительстве. С 24 В 2 т. Т. 1/Б. Д. Малышев, А. И. Акулов, Е. К. Алексеев и др.; Под ред. Б. Д. Малышева. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1989. — 590 с.: ил.—• (Справочник строителя). ISBN 5-274-00854-2 Даны сведения по классификации сварки, терминологии, типам и основам расчета сварных соединений и швов. Приведены справочные данные по материалам, источникам тока, оборудованию и сварочному инструменту, а также по различным видам сварки, используемым в строительстве. Изд. 2-е вышло в 1980 г. в серии «Справочник монтажника». Для инженерно-технических работников строительно-монтажных организаций. 3308000000-480 С 154-89 ББК 38.635 047(01)—89 ISBN 5-274-00854-2 (Т. 1) ISBN 5-274-00581-0 © Стройиздат, 1977 © Стройиздат, 1989, с изменениями
ПРЕДИСЛОВИЕ В Политическом докладе ЦК КПСС XXVII съезду Коммунистической партии Советского Союза Генеральный секретарь ЦК КПСС товарищ М. С. Горбачев, в частности, отметил: «Техническую реконструкцию мы не сможем осуществить без коренного улучшения капитального строительства». «Нельзя более мириться с низкими темпами строительства, из-за чего замораживаются огромные средства, тормозится научно-технический прогресс в народном хозяйстве»* В этих словах — стратегия развития капитального (в первую очередь промышленного) строительства в нашей стране на ближайшие десятилетия. Современное промышленное строительство немыслимо без широкого использования металлопроката, металлических конструкций и трубопроводов. Основным видом неразъемного соединения элементов металлоконструкций и труб в трубопроводы остается сварка во все возрастающем наборе применяемых видов и способов, причем нарастание их количества будет происходить с каждым годом все интенсивнее. И если основная доля сварных соединений в строительстве выполняется электродуговой сваркой (ручной, механизированной с газовой защитой дуги или порошковой проволокой, автоматической под флюсом и с газовой защитой), то уже сейчас все шире используется электрошлаковая сварка, незаменимая при больших толщинах свариваемых конструкций; постепенно начинают применяться контактная сварка труб, плазменная резка металла, все более распространяются физические методы контроля качества сварных соединений, причем сами методы непрестанно совершенствуются на основе последних достижений науки. Такой же процесс совершенствования характерен и для источников питания сварочной дуги, сварочного оборудования и материалов. Все возрастающие по величинам рабочие параметры (температура, давление) монтируемого технологического оборудования и трубопроводов вынуждают проектировщиков применять сложные по химическому составу стали, а это значительно усложняет их сварку, заставляет чаще прибегать к термической обработке сварных соединений — процессу, еще недавно нехарактерному для строительно-монтажной площадки. Требования XXVII съезда КПСС к ускорению научно-технического прогресса вынуждают изыскивать новые формы организации сварочного производства в строительстве, совершенствовать основы рационального технического нормирования сварочных работ. В двух предыдущих изданиях (1977 и 1980 гг.) затрагивались упомянутые проблемы. Однако за прошедшие годы многое измени¬ 1* 3
лось, усовершенствовалось и появилось новое в сварке в промышленном. строительстве. В связи с этим материал Справочника коренным образом переработан, в него внесены все необходимые дополнения, делающие книгу современной и полезной на ближайшую перспективу. Справочник рассчитан на инженерно-технических работников, занятых в промышленном (а отчасти и в гражданском) строительстве* Однако его содержание позволяет рекомендовать его для использования широким кругом лиц, занятых в сварочном производстве вообще, а также работникам проектных, проектно-технологических и конструкторских организаций. Авторский коллектив Справочника: канд. техн. наук, проф, Б. Д. Малышев и канд. техн. наук Н. А. Юхин (гл. I, III, VII, VIII, XXV); канд. техн. наук Б. А. Смирнов (гл. II) и инж. Ю. П. Пелевин (гл. II, XII); д-р техн. наук, проф. В. М. Сагалевич и канд. техн. наук, доц. В. В. Шип (гл. IV); инженеры В. И. Мельник (гл. V, XIX) и А. В. Муравьев (гл. V); инж. В. А. Книгель (главы VI, XVII, XXIII, кроме п. XXIII.4); инж. Е. К. Алексеев (гл. IX, XIII, XIV, XXIX); д-р техн. наук, проф. А. И. Акулов (гл. X, XI, XVI); канд. техн. наук, проф. А. Н. Блинов (гл. XV, XX, XVII и п. XXIII.4); канд. техн. наук, доц. К. И. Зайцев (гл. XVIII, XXI); канд. техн. наук И. Е. Евгеньев (гл. XXII); д-р техн. наук Н. А. Гринберг (гл. XXIV); канд. техн. наук Ю. В. Попов (гл. XXVI) и канд. техн, наук, доц. К. А. Грачева (гл. XXVIII).
Глава I. СВАРКА МЕТАЛЛОВ. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ. КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРКИ 1.1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОНЯТИЙ В ОБЛАСТИ СВАРКИ Эти термины и определения регламентированы ГОСТ 2601—84 «Сварка металлов. Термины и определения основных понятий», который содержит также их синонимы на английском, немецком и французском языках. В технической литературе еще встречаются недопустимые ГОСТ 2601—84 термины, приведенные в табл. 1.1. 1.1. Недопустимые к применению термины и их стандаргизированные синонимы Недопустимый термин Стандартизированный термин Определение, эскиз Боковое соединение Торцовое динение сое- Сварное соединение, в котором боковые поверхности сваренных элементов примыкают друг к дру< гу Газовое включение Газоэлектрическая сварка Горелка низкого давления Пора в сварном шве или пора Дуговая сварка в защитном газе Инжекторная горелка Дефект сварного шва в виде полости округлой формы, заполненной газом Дуговая сварка, при которой дуга и расплавленный металл, а в некоторых случаях и остывающий шов, находятся в защитном газе, подаваемом в зону сварки с помощью специальных устройств Горелка для газовой сварки со встроенным инжектором для подсоса горючего газа струей кислорода 5
Продолжение табл. 1.1 Недопустимый термин Стандартизированный термин Определение, эскиз Горелка высокого давления Гравитационная сварка Дуговая свар* ка под водой Обмазка электрода Ослабление шва Переходная зо> на Полуавтоматическая дуговая сварка Роликовая сварка Безынжекторная горелка Сварка наклонным электродом Подводная дуговая сварка Покрытие электрода или покрытие Вогнутость лового шва уг- Зона термического влияния при сварке или зона термического влияния Механизированная дуговая сварка Шовная контактная сварка или шовная сварка Горелка для газовой сварки, в. которой горючий газ и кислород поступают в смеситель под одинаковым давлением Дуговая сварка, при которой покрытый электрод располагается наклонно вдоль свариваемых кромок, опираясь на них, и по мере расплавления движется под действием силы тяжести или пружины, а дуга перемещается вдоль шва Смесь веществ, нанесенная на электрод для усиления ионизации, защиты от вредного воздействия среды, металлургической обработки сварочной ванны Вогнутость, определяемая расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы углового шва с основным металлом и поверхностью шва, измеренным в месте наибольшей вогнутости Участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке Дуговая сварка, при которой подача плавящегося электрода или присадочного металла или относительное перемещение дуги и изделия выполняются с помощью механизмов Контактная сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит между вращающимися дисковыми электродами, подводящими ток и передающими усилие сжатия б
Продолжение табл. 1.1 Недопустимый термин Стандартизированный термин Определение, эскиз Сварка в твердой фазе или сварка в твердом состоянии Сварка плазменной дугой или плазменнодуговая сварка Сварка расщепленным электродом Соединение впритык Сплошной шов Усиление шва Сварка давлением Плазменная сварка Двухэлектродная сварка Тавровое соединение Непрерывный шов Выпуклость сварного шва Сварка с применением давления, осуществляемая за счет пластической деформации свариваемых частей при температуре ниже температуры плавления Сварка плавлением, при которой нагрев проводится сжатой дугой Дуговая сварка, при которой нагрев происходит одновременно двумя электродами с общим подводом сварочного тока Сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и приварен к боковой поверхности другого элемента Сварной шов без промежутков по длине Выпуклость шва, определяемая расстоянием между плоскостью, проходящей через видимые линии границы сварного шва с основным металлом и поверхностью сварного шва, измеренным в месте наибольшей выпуклости 1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СВАРКИ Сварку классифицируют по следующим признакам: физическим (табл. 1.2): форма энергии, используемой для образования сварного соединения, определяет класс сварки; вид источника энергии, непосредственно применяемого для образования сварного соединения, определяет вид сварки; дальнейшая 7
классификация подразумевает способы и методы ведения процесса сварки; техническим.\ способу защиты металла в зоне сварки; непрерывности процесса сварки; степени механизации процесса сварки; технологическим, устанавливаемым для каждого вида сварки особо. 1.2. Классификация сварки по физическим признакам Класс сварки Вид сварки Термический Дуговая, электрошлаковая, электроннолучевая, плазменно-лучевая, ионно-лучевая, тлеющим разрядом, световая, индукционная, газовая, термитная, литейная Т ермомехани4еский Контактная, диффузионная, индукционно-прессовая, газопрессовая, термокомпрессионная, печная Механический Холодная, взрывом, ультразвуковая, трением, магнитно-импульсная Примечания: 1. Диффузионная сварка может осуществляться с применением большинства источников энергии, используемых при сварке металлов, но выделяется как самостоятельный вид сварки по относительно длительному воздействию повышенной температуры и незначительной пластической деформации. 2. В комбинированных технологических процессах могут одновременно осуществляться разные виды сварки. Таким образом, виды сварки по классам распределяются по следующим признакам: термический класс — виды сварки, осуществляемые плавлением, с использованием тепловой энергии; термомеханический класс — виды сварки, выполняемые с применением тепловой энергии и давления; механический класс — виды сварки, производимые с использованием механической энергии и давления. Подразделение современных видов сварки по техническим признакам показано на рис. 1.1. Классификация сварки по технологическим признакам приведена на рис. 1.2—1.6. 8
ВИДЫ СВАРКИ ПО СПОСОБУ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛА В ЗОНЕ СВАРКИ ±±±1,1 ПО НЕПРЕРЫВНОСТИ ПО СТЕПЕНИ МЕХАНИЗАЦИИ Т ГОЦЕСС/ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ 1 ПО ТИПУ ЗАЩИТНОГО ГАЗА ПО ХАРАКТЕРУ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛА В ЗОНЕ СВАРКИ В АКТИВНЫХ ГАЗАХ В ИНЕРТНЫХ ГАЗАХ т В СМЕСИ ИНЕРТНЫХ И АКТИВНЫХ ГАЗОВ СО СТРУЙНОЙ ЗАЩИТОЙ ПО ВИДУ АКТИВНОГО ГАЗА ПО ВИДУ ИНЕРТНОГО ГАЗА В УГЛЕКИСЛОМ ГАЗЕ В АЗОТЕ В ВОДОРОДЕ В ВОДЯНОМ ПАРЕ В СМЕСИ АКТИВНЫХ ГАЗОВ В АРГОНЕ В ГЕЛИИ I СМЕСИ АРГОНА С ГЕЛИЕМ ПО НАЛИЧИЮ ЗАЩИТЫ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ В КОНТРОЛИРУЕ МОЙ АТМОСФЕРЕ С ЗАЩИТНОЙ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ БЕЗ ЗАЩИТЫ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ 1.1. Классификация современных видов сварки по техническим признакам КОНТАКТНАЯ СВАРКА НО ФОРМЕ СВАРНОГО ПО РОДУ СВАРОЧНОГО ПО ЧИСЛУ ОДНОВРЕМЕННО СВАРИВАЕМЫХ ТОЧЕК ПО ХАРАКТЕРУ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССА ±= [одноточечная п. Г Т_ ДНОТОЧЕЧНАя ДВУХТОЧЕЧНАЯ МНОГОТОЧЕЧНАЯ ОПЛАВЛЕНИЕМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ 1 ПО ХАРАКТЕРУ ОПЛАВЛЕНИЯ С ПРЕРЫВИСТЫМ С НЕПРЕРЫВНЫМ ОПЛАВЛЕНИЕМ ОПЛАВЛЕНИЕМ 1.2. Классификация контактной сварки по технологическим признакам 9
ДУГОВАЯ ПО ВИДУ ЭЛЕКТРОДА -JCZZL * 5 li И s§ §§ ss ПО ВИДУ ДУГИ rZTZL ПО ХАРАКТЕРУ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДУГИ НА ОСНОВНОЙ МЕТАЛЛ Её ПОРОДУ СВАРОЧНОГО ТОКА т X I S § г as g Z в л X X s 3 X I i t ОС g 1 §1 8 £ Ш С 1 g ПО НАЛИЧИЮ ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ШВА L i I i и A ui 5 5 i< if Ш x li s s О E 82 о* £ С о о ПО ВИДУ ПЛАВЯЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРОДА ПО ВИДУ НЕПЛАВЯЩЕГОСЯ ЭЛЕКТРОДА 2 S 2 S ¥ о * 1 1 s s о С; S I 2 § г 5 ь 2 о 2 iff S 8 ПО ПРИМЕНЕНИЮ ПРИСАДОЧНОГО МЕТАЛЛА 1 □_ ПО ВИДУ ЛЕНТОЧНОГО ЭЛЕКТРОДА ПО ВИДУ ПРОВОЛОЧНОГО I ЭЛЕКТРОДА ЛЕНТОЙ СПЛОШНОГО СЕЧЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ЛЕНТОЙ ПРОВОЛОКОЙ СПЛОШНОГО СЕЧЕНИЯ ПОРОШКОВОЙ ПРОВОЛОКОЙ 1.3. Классификация дуговой сварки по технологическим признакам 1.4. Классификация электрощ лаковой сварки по технологическим признакам 10
CSAPKA ПО ПОЛЯРНОСТИ СВАРОЧНОГО ТОКА ПО ЧИСЛУ ДУГ с РАЗДЕЛЬНЫМ ПИТАНИЕМ ТОКОМ ПО ЧИСЛУ ЭЛЕКТРОДОВ С ОБЩИМ подводом СВАРОЧНОГО ТОКА _L ос < X Ct о о. h ш с; о О L. О X S 1 ПО НАЛИЧИИ) И НАПРАВЛЕНИЮ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕКТРОДА ОТНОСИТЕЛЬНО ОСИ ШВА L. Л 2S с о О t X * Г) UJ ui С 10 о X £3 Sg IB Is ii Ш ос Si о 1Д Ш If II о 1 Ct к о s 2: х 4 о ш I 4 UI |ё * s о ОС 51 82 ПО СТЕПЕНИ ПОГРУЖЕНИЯ ПО ЧАСТОТЕ ТОКА ПО ХАРАКТЕРУ ВНЕШНЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ ШВА X 11 §55 2 *“ s £ S2 * 1| 5 I с < О £ о m о с в а "L ii, X I Ш х JO s 255 ess о ct а. X £ S И§2 ПРОВОЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ПЛАСТИНЧАТЫМ ЭЛЕКТРОДОМ ПЛАВЯЩИМСЯ МУНДШТУКОМ БЕЗ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕКТРОДА С КОЛЕБАНИЯМИ ЭЛЕКТРОДА ЭЛЕКТРОШЛАКОВАЯ СВАРКА ПО ВИД/ ЭЛЕКТРОДА ПО НАЛИЧИЮ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕКТРОДА ПО ЧИСЛУ ЭЛЕКТРОДОВ С ОБЩИМ ПОДВОДОМ СВАРОЧНОГО ТОКА ОДНОЭЛЕКТРОДНАЯ ДВУХЭЛЕКТРОДНАЯ 1— МНОГОЭЛЕКТРОДНАЯ 11
ГАЗОВАЯ СВАРКА т 1.5. Классификация газовой сварки по технологическим признакам УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА ПО ФОРМЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТОЧЕЧНАЯ ШОВНАЯ СТЫКОВАЯ 1.6. Классификация ультразвуковой сварки по технологическим признакам 12
Глава II. СВАРИВАЕМОСТЬ И ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ II.1. СВАРИВАЕМОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ II.1.1. Общие понятия Свариваемость — комплексная технологическая характеристика металлов и сплавов, выражающая реакцию свариваемых материалов на процесс сварки и определяющая техническую пригодность материалов для выполнения заданных сварных соединений, удовлетворяющих условиям эксплуатации* На свариваемость оказывают влияние различные взаимосвязанные факторы. Их можно разбить на три группы. Фактор материала — влияние на свариваемость металлов, определяемое их химическим составом, способом выплавки, наличием вредных примесей, степенью раскисления и последующими операциями прокатки, ковки, термообработки. Конструктивный фактор — влияние на свариваемость конструкции сварного соединения, характеризующееся сложностью формы и жесткостью. Сложность формы и жесткость конструкции оцениваются концентрацией сварных соединений, последовательностью их выполнения, состоянием напряженности элементов сварной конструкции перед монтажом, массой и толщиной свариваемых элементов. Технологический фактор — определяет свариваемость металлов в зависимости от вида сварки, сварочных материалов, параметров режима сварки, достижения определенной степени однородности сварного соединения, раскисления металла шва и термического воздействия на основной металл. В результате местного нагрева или расплавления в металле сварного соединения протекают физико-химические процессы, которые обусловливают степень неоднородности свойств сварного соединения по сравнению с основным металлом или влекут за собой появление дефектов в виде пор, неметаллических включений, трещин. Степень свариваемости представляет собой количественную или качественную .характеристику, которая показывает, насколько изменяются свойства металла при сварке и выполнимо ли сварное соединение при определенных условиях. Например, на основе механических испытаний можно установить, насколько изменились прочность, пластичность, ударная вязкость и другие свойства металла под воздействием процесса сварки. Одной из наиболее существенных характеристик свариваемости является отсутствие горячих или холодных трещин в металле шва и околошовном участке. 13
При практической оценке свариваемости следует учитывать следующее: металл, неспособный к образованию сварного соединения одним видом сварки, мржно сваривать другим видом; конструкция сварного соединения и расположение его на изделии выбраны таким образом, что образование сварного соединения исключено, в результате чего данный металл, или вид сварки может быть признан непригодным; сварное соединение, полученное одним и тем же видом сварки, в одном случае может быть признано пригодным, а в другом случае — непригодным для эксплуатации. II.1.2. Классификация испытаний для оценки свариваемости В зависимости от требований, предъявляемых к конструкции, и условий ее эксплуатации, а также от свойств металла, из которого она изготовляется, свариваемость оценивают по совокупности характеристик. Чем сложнее условия эксплуатации конструкций, тем больше число характеристик, по которым оценивают свариваемость. Комплекс испытаний на свариваемость определяют в соответствии с конкретными требованиями, предъявляемыми к сварной конструкции. В указанный комплекс входят следующие испытания сварного соединения: на технологическую прочность (сопротивляемость образованию горячих и холодных трещин); на статическое растяжение сварного соединения или металла шва; на стойкость против искусственного старения; на ударный изгиб металла шва или околошовного участка; на выносливость при циклических нагрузках; на твердость; на стойкость против коррозии; на длительную прочность при рабочих температурах. Кроме того, в комплекс испытаний включают исследования макро- и микроструктуры сварного соединения и химический анализ металлов основного и шва. II.1.3. Термический цикл при сварке Теория тепловых процессов при сварке, разработанная Н. Н. Рыкалиным, позволяет с достаточной степенью точности рассчитывать термические циклы для разных сечений сварного соединения в зависимости от метода и режима сварки, толщины свариваемого металла, формы сварного соединения. Термический цикл (рис. II. 1) характеризуется максимальной температурой Гтах, длительностью нагрева tH при температуре Т и ско- 14
11.1. Схема термического цикла при однопроходной сварке или на• плавке ростыо охлаждения W0. В зависимости от мощности источника тепла, степени его концентрированности и скорости движения, длительность нагрева и охлаждения зоны термического влияния изменяются от долей секунды до нескольких минут. Таким же образом меняется ее ширина — от 1—3 мм при ручной дуговой и до 10—20 мм при электрошлаковой сварке. Зона термического влияния ЗТВ характеризуется неравномерным распределением максимальных температур нагрева. В этой зоне можно различать участки (°С): старения 200—300; отпуска 250—650; неполной перекристаллизации примерно 700—870; нормализации 840— 1000; перегрева 1000—1250 и околошовный участок — несколько рядов зерен, непосредственно примыкающих к линии сплавления, от 1250 до температуры плавления. На этом участке наиболее резко изменяется структура металла, понижающая качество сварного соединения. В период нагрева стали в интервале от 700 до 900 °С феррит и перлит превращаются в аустенит. При температуре около 1000 °С начинаются интенсивный рост зерна аустенита и его гомогенизация. Размер зерна аустенита (средний диаметр) на околошовном участке составляет: при ручной дуговой сварке 0,1—0,15 мм; при однопроходной сварке под флюсом сталей толщиной 15—20 мм — 0,2— 0,3 мм; при электрошлаковой сварке сталей больших толщин (100— 200 мм) — 0,4—0,8 мм. На других участках зоны термического влияния размер зерна постепенно уменьшается, приближаясь к минимальному в зоне температур, близких к 900 °С. В зависимости от вида сварки и погонной энергии возможны два предельных случая: резкая закалка при быстром охлаждении околошовного участка или перегрев при медленном охлаждении. Скорость охлаждения оценивается в интервале наименьшей устойчивости аустенита (600—500 °С). При малых скоростях охлаждения (электрошлаковая сварка) превращение начинается с возникновения феррита и заканчивается возникновением перлита. При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом) образуются перлит и бейнит. При большой скорости охлаж¬ 15
дения образуются бейнит и мартенсит. В случае полного мартенситного превращения происходит резкое повышение внутренних напряжений. При этом могут возникнуть зародыши трещин на границах зерен. Трещины постепенно раскрываются под влиянием остаточных сварочных напряжений в течение минут, часов и даже суток после сварки (замедленное разрушение). II. 1.4. Классификация методов оценки технологической прочности При оценке качества сварного соединения исходят из условия двух основных требований: сварное соединение должно быть сплошным без макро- и микротрещин, непроваров, пор, шлаковых включений; совокупность полезных свойств должна удовлетворять требованиям эксплуатации. Дефекты в виде макро- и микротрещин и непроваров относятся к плоскостным дефектам. Дефекты в виде пор, шлаковых включений относятся к пространственным дефектам, которые легче поддаются обнаружению и считаются менее опасными. Однако любой дефект сварного соединения, нарушающий его сплошность, повышает склонность к хрупкому и усталостному разрушению. Дефекты в виде макро- и микротрещин возникают в сварном соединении в определенном температурном интервале. Трещины, которые образуются при высоких температурах выше 800—900 °С, называются горячими трещинами. Холодные трещины возникают при температурах ниже 200—300 °С. Способность металла сварного соединения сопротивляться образованию горячих и холодных трещин называется технологической прочностью. Для определения технологической прочности разработаны методы оценки сопротивляемости сталей образованию трещин, которые классифицируют по методам оценки (косвенные и прямые); по характеру показателя (качественные, полукачественные и количественные); по показателям оценки (сравнительные и абсолютные). Косвенные методы позволяют получать оценку сопротивляемости возникновению трещин расчетным путем без непосредственного испытания металла. Прямые методы предусматривают испытание сварных соединений или составляющих его металлов в условиях, имитирующих сварочные. Показатель сопротивляемости образованию трещин выражается через характеристики одного или совокупности изменяющихся факторов, обусловливающих возникновение трещин. Качественные показатели не имеют количественного выражения и оценивают металлы 16
как склонные или не склонные к трещинам. Количественный показатель имеет числовое выражение фактора, влияющего на образование трещин, и однозначно оценивает склонность к трещинам. Если при определении показателей сопротивляемости возникновению трещин одновременно является несколько факторов, один из которых имеет числовую характеристику, то его считают полуколичественным. Методы, показатели которых пригодны для использования в сопоставлении с аналогичными показателями эталонным металлам, относят к сравнительным. Методы, количественные показатели которых применяют для непосредственного прогнозирования стойкости сварных соединений против трещин, считают абсолютными. II.1.5. Предварительная оценка свариваемости Свариваемость металлов можно оценить предварительно расчетным путем, используя сведения о химическом составе, характеристики подлежащих сварке соединений и параметры технологических условий сварки. Чувствительность сварного соединения к образованию холодных трещин оценивают эквивалентным содержанием углерода свариваемого металла. Эквивалент углерода С*экв» %» определяют по эмпирическим формулам, одна из которых имеет следующий вид: c3KB = c + J + *±v±£L° + _NH1СИ. экв 6 5 15 Стали, у которых Сэкв0,45 %, считаются не склонными к образованию холодных трещин при сварке. При СЭКв>0,45 % стали становятся склонными к трещинам. Показателем, указывающим на охрупчивание стали из-за структурных превращений, является твердость зоны термического влияния. Для обычных нелегированных и низколегированных сталей твердость зоны термического влияния должна быть не выше HV350. Возможную максимальную величину твердости определяют расчетным путем на основе химического состава стали HVmax = 90 + 1050С -f 47si + 75Mn + 30Ni -J- 31Сг. (II.2) Если предварительная оценка свариваемости указывает на склонность стали к образованию холодных трещин, чаще всего применяют предварительный подогрев свариваемого изделия. Температуру Т, °С, предварительного подогрева рассчитывают по формуле т = 350 угСоб — 0,25 , (И.3) где С О0—общий эквивалент углерода, который является суммой эквивалентов углерода Сэкв и Cs ; последний зависит от толщины свариваемой кон¬ струкции мм: С0б = СЭКВ+СГ <"-4> С экв — определяется по 1раъненикг~Щ7|Л < = 0.0055СЭКВ (II.5) 2—194 17
Таким образом, Соб = сэквО+°’0055>- (IL6) Чувствительность сварного соединения HCS к образованию горячих трещин можно определить по формуле нсс_ C[S + P-f Si/25+ Ni/100] 10» 3Mn +Cr-f-Mo + V Если HCS <4, горячие трещины в сварном соединении не образуются. Для высокопрочных сталей большой толщины необходимо, чтобы HCS<1,6—2. II. 1.6. Холодные трещины Обычно после полного охлаждения сварного соединения визуально наблюдаются холодные трещины. Такие трещины имеют блестящий кристаллически излом без следов высокотемпературного окисления. Холодные трещины могут возникать в металле сварного шва, в зоне термического влияния и, как правило, ориентированы параллельно оси шва или перпендикулярно к ней, а их конфигурация определяется очертанием линии сплавления. Холодные трещины не всегда выходят на поверхность. Они могут быть закрытыми и иметь небольшую протяженность. На образование холодных трещин в сварном соединениии оказывают влияние три фактора: закалочные явления, присутствие водорода, остаточные растягивающие напряжения. Закалочные явления чаще всего происходят в зоне термического влияния ближе к границе сплавления. Закалка характеризуется повышением твердости и значительным снижением пластичности в этой зоне. Действие высоких сварочных напряжений в период после сварки в скоростных условиях нагружения приводит к появлению холодных трещин. Холодные трещины могут возникать и при невысокой степени закалки металла зоны термического влияния в тех , случаях, когда неметаллические включения, вытянутые по направлению прокатки, в результате высокотемпературного нагрева изменяют форму с увеличением размеров, что приводит к уменьшению сцепления включений с металлической основой. Этот вид трещин, имеющий ступенчатую траекторию, ориентированную по слоям прокатки, возникает при развитии в зоне термического влияния изгибной сварочной деформации. Вторым фактором, способствующим образованию холодных трещин в сталях, является водород, поглощаемый из атмосферы сварочной дуги или из основного металла в результате термодиффузии. Водород растворяется в жидком металле в атомарном состоянии. Водород, который зафиксирован в зоне сварного соединения, 18
при падении температуры ниже 200 °С переходит из атомарного состояния в молекулярное, что сопровождается высоким давлением газа, которое активно проявляется в области перегрева зоны термического влияния в основном, тогда, когда в ней образуется мартенсит. Третьим фактором является воздействие растягивающих остаточных напряжений после окончания сварки. Величина этих напряжений зависит от толщины сварного соединения, типа соединения и жесткости свариваемой конструкции. II.1.7. Методы испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке ГОСТ 26388—84 регламентирует машинные и технологические методы испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке плавлением. Машинные методы испытаний основаны на доведении металла зоны термического влияния или шва до образования холодных трещин под действием растягивающих напряжений от внешней постоянной нагрузки. Для испытаний применяют машины с устройством для длительного поддержания нагрузки по ГОСТ 15533—80 и ГОСТ 7855—84. Средняя скорость нагружения до заданной нагрузки не более 10 МПа/с, нагружение плавное. В течение испытаний (20 ч) нагрузка должна быть постоянной. Образцы после сварки нагружают постоянным усилием в процессе охлаждения в интервале температур 150—100 °С. Испытывают 30 образцов одного типа в такой последовательности: первые три образца нагружают до напряжений, равных 0,5а0>2 основного металла, следующие группы образцов испытывают с увеличением или уменьшением напряжений последовательно на 0,25; 0,15; 0,10<Jo,2 в соответствии с наличием или отсутствием трещин в образцах. За показатель сопротивляемости к образованию холодных трещин при сварке принимают минимальные растягивающие напряжения apmin от внешней нагрузки Р, при которой возникают трещины. К испытаниям допускаются образцы без видимых дефектов. Машинные методы испытаний приведены в табл. II.1. Технологические методы (табл. II.2) испытаний основаны на доведении металла зоны термического влияния или шва до образования холодных трещин под действием остаточных сварочных напряжений. После сварки образцы выдерживают при нормальной температуре в течение 20 ч. Испытывают 3—5 образцов одного типа. Образование холодных трещин выявляют путем периодического визуального осмотра сварного соединения. В образцах, не разрушившихся при испытаниях и не имеющих визуально наблюдаемых трещин, выявляют их с помощью неразрушающих методов контроля или металлографического исследования. 2* 19
II. 1. Машинные методы испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке плавлением по ГОСТ 26388—84 Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема нагружения, показатель сопротивляемости Образец — плоский, круглый или восьмигранный для оценки сопротивляемости стыковых соединений толщиной 1—6 мм образованию продольных и поперечных трещин в шве и зоне термического влияния. Ось шва располагают вдоль или поперек направления прокатки. Сьарку образцов выполняют в зажимном приспособлении а — стыковое соединение без разделки; б — то же, с разделкой. Образец без разделки выполняется из стали s—1— 3 мм, Д)=148 мм, £i = 135 мм, Du = = 100 мм Образец с разделкой кромок имеет следующие размеры, мм: -0,12 (-Ь-)' Р+0,0044 а — максимальные продольные и поперечные напряжения, МПа; Du — диаметр зоны образца, подвергнутой испытанию, мм; s — толщина образца, мм; Р — интенсивность распределенной нагрузки, МПа; Е — модуль упругости низкоуглеродистой стали 21,8*104 МПа.
s ' s> Ct 2 3 4 5 6 148 148 168 198 228 135 135 155 182 210 100 100 120 150 180 90 90 60 60 60 1 2 2,5 3 4 Образец — тавровый для оценки сопротивляемости угловых соединений толщиной 8—20 мм образованию продольных трещин в зоне термического влияния вдоль плоскости проката и в корне шва. Сварку образцов выполняют в зажимном приспособлении в положении «в лодочку». Допускается изготовление полки из сталей с меньшим содержанием углерода, марганца, хрома т В, U-А А-А 1 vV) Т- м Л 1 — стенка из испытываемой стали; 2 — полка из низкоуглеродистой стали; 3 входные и выходные планки из низкоуглеродистой стали Независимо от толщины испытываемой стали постоянную величину имеют следующие параметры, мм: L—100, Я—100, 1=100, Lj—150 V777777777777777Z ср * ° — максимальные порастягивающие напряжения, изгибающий мо- а=6-МИзг/1< перечные МПа; Мизг — номинальный мент, МН*м; L — длина образца, м; /Сер — средняя высота катета углового шва, полученная по пяти измерениям, м; МИзг=0,75Н.Р; Р — усилие, МН.
Продолжение табл. 11.1 Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема нагружения, показатель сопротивляемости Значения остальных параметров, мм: S 8 10 12 16 20 S1 8 10 12 16 20 Ъ 1,0 1,5 1,5 2,0 2 К 6 8 8 10 10 III Образец — плоский прямоугольный для оценки сопротивляемости стыковых соединений толщиной 8—20 мм образованию продольных трещин в зоне термического влияния поперек плоскости проката в шве. Сварку образцов выполняют в зажимном приспособлении без полного заполнения сечения разделки. Перед нагружением образцов удаляют выводные планки наждачным кругом 1 -н / , ?r t л J<— if j i.i 'сФ fc S V (-У) RzbO— а — б — 1 — образец под стыковое соединение; общий вид сварного соединения; образец из испытываемой стали; 2 £1. L< о=/ 12 Es (fm-f0) 2L\ + 2LXL3-Il - максималь¬ ные растягивающие напряжения при испытании изгибом, МПа; /—.коэффициент, учитывающий нерав¬ номерность распределения напряжений по сечению, равный 0,65;
IV Образец — плоский прямоугольный для оценки сопротивляемости стыковых соединений толщиной 8— 20 мм образованию поперечных трещин в зоне термического влияния поперек плоскости проката и шве. Сварку образцов выполняют в зажимном приспособлении без полного заполнения сечения разделки входные и выходные планки из низкоуглеродистой стали. Для всех толщин ширина образца В =100 мм. Образцы, испытываемые растяжением, имеют постоянные значения параметров L=250 и L2=50mm. Значения L, Lb при испытании изгибом ' и остальных параметров следующие, мм: S 8 10 12 16 20 L 200 250 250 350 350 к 160 200 200 280 280 Ц 40 40 40 60 60 Ьо 1 2 2 3 3 Ci 5 6 6 8 8 е\ 10—20 40—60 40—60 50—80 50-*-J f 15—40 30—60 30—60 40—80 40—I h 5 6 6 8 8 I - A"*l Ip 1/2(L-lp) A -J L> 2 L1 L F|T/~p s — толщина образца, м; L\ — расстояние между опорами на основании, м; L3 — расстояние между опорами на пуансоне, м; fm — прогиб в центре образца на базе Lu м; fo — остаточный прогиб в центре образца на базе L\ после снятия нагрузки, м; Е — модуль упругости низкоуглеродистой стали 21,8* 104 МПа; a=P/F, а — среднее растягивающее напряжение при испытании растяжением, МПа; Р — усилие, МН; F — поперечное сечение образца, м2 Определение показателя сопротивляемости см. для образца типа III
Продолжение табл. 11.1 I1 н о. Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема нагружения, показатель сопротивляемости Ширина образца В =100 мм постоянна для всех толщин. Образцы, испытываемые растяжением, имеют постоянные значения параметров L = 250, L2 = 50 мм Значения L, Lx при испытании изгибом и остальных параметров следующие, мм: s 8 10 12 16 20 200 250 250 350 350 160 200 200 280 280 80— 100— 120 140 100— 100— 100— 140 160 160 Сх 5-6 6—8 8—10 11— 15— 13 17 h 5 6 6 8 8
Образец — цилиндрический диаметром 8 мм для оценки сопротивляемости* стыковых соединений из сталей прочностью до 1000 МПа образованию продольных трещин в зоне термического влияния поперек плоскости проката при наличии острого концентратора напряжений (40*2)° ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ ВСТАВКА / 7\ 1 . 1*50 •Т > ' *62. т fm / ПЛАСТИНА a==p/Ft а — среднее растягивающее напряжение, МПа; Р — усилие, МН; F — поперечное сечение образца в месте надреза, м2
11.2. Технологические методы испытаний на сопротивляемость образованию холодных трещин при сварке плавлением по ГОСТ 26388—84 Тип об¬ Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема зажимного устройства, показатель склонности к образованию холодных трещин разца VI Образец — плоский квадратный с дискообразным вварышем в центре с переменным диаметром Di(Du D2, D3) для оценки склонности стыковых соединений толщиной 1—6 мм к образованию продольных и поперечных трещин в зоне термического влияния и шве. Сварку образцов выполняют в зажимном приспособлении. После охлаждения до 150 °С образцы освобождают из зажимного приспособления а — образец без разделки кромок; б — то же, с разделкой кромок. Размеры образцов, мм: -Г'/’ а ((ф % 4 ж За показатель склонности к образованию холодных трещин принимают диаметр кругового шва £Кр, при котором образуются трещины
S 1 2 3 4 5 6 В 150 150 150 200 200 200 40 50 50 50 50 50 50 60 60 70 70 70 ol 70 80 80 90 90 90 J 90 90 60 60 60 С 1 1,5 2 2 2 b 0,5 0,5 1 1 1 Образцы без разделки кромок собирают зазором 6=0,5 мм Образец — крестообразный для оценки склонности угловых соединений толщиной 8— 10 мм к образованию продольных трещин в зоне термического влияния и шве. Сварку образцов выполняют в свободном состоянии в положении «в лодочку». Каждый шов сваривают при одной заданной начальной температуре За показатель склонности к образованию холодных трещин принимают наличие или отсутствие трещин СВЯЗУЮЩИЙ шов 1—4 — последовательность швов на образце. выполнения
Продолжение табл. 11.2 Тип об¬ разца Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема зажимного устройства, показатель склонности к образованию холодных трещин Размеры образцов, мм: s К L Вс И 10 12 8 16 20 30 40 10 10 10 10 150 150 150 150 300 300 300 150 150 150 150 300 300 300 75 150 150 150 50 150 150 150 75 50 75 50 75 50 VIII пря- об- Три плоских моугольных разца разной длины Li (Li, L2, L3) для оценки склонности стыковых соединений толщиной 12—40 мм к образованию продольных трещин в зоне термического влияния и шве. Сварку образцов выполняют в зажимном приспособлении. Одновременно сваривают за один проход набор из трех образцов ожн
различной длины. После сварки образцы оставляют в зажимном приспособлении на весь период испытаний Сварку выполняют, заполняя сечение разделки неполностью Образец — плоский прямоугольный с продольной прорезью в центре для оценки склонности сварных соединений толщиной 12— 40 мм к образованию продольных трещин в зоне термического влияния и шве. Образцы сваривают в свободном состоянии, заполняя сечение разделки неполностью змёры образцов, мм: S 12 16 20 30 40 и 124 132 140 160 180 и 174 182 190 210 230 Ls 324 332 340 360 380 Н 60 60 60 100 100 ei 40-60 40—60 40—60 50—80 50—80 f 50-60 50—60 50—60 60—80 60—80 К 6 6 6 8 8 h 6 6 6 8 8 Переменное расстояние Е\ между пластинами-концевиками не зависит от толщины образцов и имеет следующие значения: Ех~ = 100, Е2—150, £3=300 мм Rz40_ * J 2-3 i ч 1ш \ 2-3 В Г ъ-ш 1 з 60 Ьг 80 60 h=6 мм для образцов толщиной s—12, 16, 20 мм, Л=8 мм для образцов s=30, 40 мм За показатель склонности к образованию холодных трещин принимается максимальная длина LKр свариваемых образцов, в которых образуются трещины За показатель склонности к образованию холодных трещин принимают наличие или отсутствие трещин. За дополнительный показатель принимают процентное отношение длины трещины LTp к длине шва Lm или минимальную температуру подогрева Ттш> при которой не образуются трещины
II.1.8. Горячие трещины При высоких температурах в металле шва и зоне термического влияния возникают горячие трещины. Поверхность излома горячих трещин имеет матово-желтоватый цвет, а в случае попадания воздуха в трещину поверхность покрывается окислами коричневато-синеватого цвета. Главной причиной образования горячих трещин является потеря способности металла к деформации. В процессе сварки кристаллизующийся металл шва находится под воздействием растягивающих напряжений, возникающих и развивающихся в сварном соединении вследствие несвободной усадки шва и охлаждаемых участков неравномерно нагретого основного металла. Под действием этих напряжений металл шва деформируется, а при недостаточной деформационной способности — разрушается. Хрупкое межкристаллическое разрушение (образование горячих трещин) происходит, если напряжения при охлаждении нарастают интенсивнее, чем межкристаллическая прочность металла шва. При менее интенсивном росте напряжений сварные швы не разрушаются. При кристаллизации металлы проходят стадию твердожидкого состояния. При объеме жидкой фазы, достаточном для свободного ее перемещения в промежутках между растущими кристаллами, пластичность двухфазного металла высока, так как полностью определяется свойствами жидкости. С увеличением объема твердой фазы циркуляция жидкости постепенно затрудняется и после образования каркаса кристаллитов полностью прекращается. Деформация металла в этом состоянии приводит к хрупкому разрушению по межкристаллическим прослойкам, в которых еще не закончен процесс кристаллизации. Пластичность металла падает до малых значений (десятые доли процента), и сопротивление разрушению становится ничтожным. В процессе дальнейшего охлаждения вязкость и поверхностное натяжение прослоек повышаются, а их прочность возрастает до таких значений, которые оказываются выше критического значения скалывающих напряжений металла кристаллитов. При этом металл деформируется за счет внутрикристаллических сдвигов, вследствие чего пластичность резко возрастает, а характер разрушения вместо межкристаллического становится внутрикристаллическим. Изменение прочности и пластичности металла при кристаллизации и последующем охлаждении происходит в определенном температурном интервале. Минимальные значения этих показателей соответствуют температурному интервалу хрупкости ТИХ. Наименьшая пластичность металла 6тш в этом интервале температур обычно приходится на завершающую стадию процесса кристаллизации. Разность между наименьшей пластичностью 6mm и линейной усадкой сплава 30
в температурном интервале хрупкостр характеризует запас пластичности А = 6min—8 или запас его деформационной способности. При сварке деформация А металла шва в процессе кристаллизации определяется не только его усадкой е, но и усадкой прилегающих к нему участков основного металла. В зависимости от формы, размеров, жесткости сварного соединения, режимов и технологии сварки, деформация А металла шва к концу процесса кристаллизации может оказаться меньше, равной либо больше 6min. В последних двух случаях образование горячих трещин будет неизбежным. Таким образом, чувствительность сварного соединения к обра* зованию горячих трещин зависит от трех факторов: температурного интервала хрупкости, пластичности в этом интервале, темпа нарастания деформации. Чем меньше температурный интервал хрупкости, чем больше ми* нимальная пластичность в этом интервале, чем меньше скорость деформации, тем выше запас деформационной способности сварного соединения и вероятность образования горячих трещин меньше. II. 1.9. Методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке ГОСТ 26389—84 регламентирует машинные и технологические методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при- сварке плавлением. При машинных методах испытаний испытываемый материал шва и зоны сплавления деформируют приложением внешней нагрузки для определения сравнительно-количественных показателей: критического темпа и критической скорости растяжения, при которых образуются трещины. Для испытаний применяют машины по ГОСТ 15533—80* и ГОСТ 7855—84, обеспечивающие совмещение сварочных процессов с деформированием образцов со скоростью не менее 1*10~2 м/с, податливостью не более Ы0~4 м на каждые 10 кН растягивающего усилия, быстродействие 1 с, скорость перемещения с плавным или ступенчатым регулированием с шагом 5—10% в диапазоне от 1 • 10~5 до 2*10“3 м/с. Необходимо иметь приспособление для нагрева образцов с имитацией термических циклов, прибор класса точности 0,5 для их регистрации с быстродействием 1 с, деформометр для тарировки и контроля скорости деформации и измерения температурного удлинения. Образцы типов 1—7 закрепляют в захватах испытательной машины и проводят сварку на следующих режимах (табл. II.3). Испытания проводят сериями. При испытании первого образца задается скорость деформации 2*10“5—4*10~5 м/с. При отсутствии трещин скорость растяжения увеличивают на 40—50 %. Режим свар¬ 31
ки сохраняют постоянным. В результате испытаний 10—15 образцов находят две скорости, отличающиеся на 5—10 %. При большей из них образуются трещины, при меньшей — не образуются. В диапазоне между этими скоростями выбирают три минимальных значения, при которых возникали трещины, и определяют среднее арифметическое. Это значение считается критической скоростью растяжения А, его принимают за сравнительный показатель сопротивляемости металла образованию горячих трещин. Машинные методы испытаний приведены в табл. II.4. II.3. Рекомендуемые режимы сварки образцов Параметры испытания Низколегированные стали Высоколегированные стали Вид сварки* ЙН, ИНп УП, ип А РЭ ИН, ИНп УП, ИП А РЭ Скорость сварки, 1 • 10“3 м/с 3,3 6,6 6,6 2,08 3,3 6,6 6,6 2,08 Время деформирования, с 10 10 15 10 15 15 20 15 Температура солидуса, °С 1450— •1350 Напряжение при определении Ттгц} МПа 1,5 * Обозначения сварки: А — автоматическая сварка под флюсом, ИН — сварка неплавящимся электродом в инертных газах, ИНп — сварка неплавящимся электродом с присадкой, ИП — сварка плавящимся электродом в инертных газах, УП — сварка плавящимся электродом в углекислом газе, РЭ — ручная дуговая сварка. Технологические методы (табл. II.5) испытаний предусматривают изготовление из испытываемого материала типовых сварных узлов, конструкция и технология сварки которых обусловливает повышенные значения темпа высокотемпературных деформаций, приводящих к образованию трещин. Сравнительно-количественную оценку сопротивляемости металла шва и зоны сплавления образованию трещин производят условными показателями: критической скоростью сварки и коэффициентами ширины образца, периодичности трещин, площади трещин и длины трещин. 32
II.4. Машинные методы испытаний на сопротивляемость образованию горячих трещин при сварке плавлением по ГОСТ 26389—84 Тип об¬ разца Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема нагружения» показатель сопротивляемости Образец типа 1а толщиной 1,5—5 мм с прорезью или типа 16 с отверстиями для оценки сопротивляемости металла однослойных швов, выполненных следующими видами сварки: ИН, ИНп, ИП, ЭЛС*, ЛС*. Ось сварного шва должна совпадать с направлением прокатки. Сварку образцов типа 1а начинают и заканчивают за пределами зоны, определенной надрезом, а образцов типа 16 — на технологических планках. Механизм деформирования при сварке образцов типа 1а включают в момент совмещения оси электрода с плоскостью, перпендикулярной оси шва и проходящей через вершину надреза, а типа 16 — после прохождения оси электрода через стык образца с технологической планкой на 20 мм. Сварку выполняют на режиме, a) Rz20/t л 50 ±1 ( Д2 50*1 VW) а) - а, б — захваты с горизонтальным и вертикальным перемещением; в — захват для образцов малых толщин; 1 — образец; 2,3 — пассивный и активный захваты; 4 — платформа;
Продолжение табл. 11.4 Тип об¬ разца Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема нагружения, показатель сопротив¬ ляемости характерном для данного вида сварки из условия полного проплавления, получения шва и обратного валика Образец толщиной 1,5—5 мм для оценки сопротивляемости металла однослойных швов и зоны сплавления, выполненных следующими видами сварки: ИН, ИНп, ИП, УП, ЛС, ЭЛС. Ось сварного шва перпендикулярна направлению прокатки. Сварку начинают и заканчивают за пределами зоны, определенной надрезом. Механизм деформирования включают в момент совмещения оси электрода с плоскостью, перпендикулярной оси шва и проходящей через вершину надреза. Сварку выполняют из условия полного проплавления, получения шва и обратного валика / — пластина с прорезью; 2 — пластина; 3 — пластина с отверстием; 4 — технологическая планка 7 ОН RiZ0 г*, * 100 П П 40'[Щ 0(6тЩШщ>1б0 (р/ _ж/ i 2отв. 140 6-6 5 — рычаг; 6 — основание; 7 — губки; 8 — формирующая подкладка При испытании растяжением определяют B—A/W тих, где В — критический темп растяжения, м/°С; А — критическая скорость растяжения, м/с; WTWZ — средняя скорость охлаждения в зоне образования трещины, °С/с. Значение А определяют в результате испытаний и принимают среднее арифметическое из трех минимальных значений, при которых возникали трещины Wmx — определяют с помощью записи сварочного цикла Термопару вводят в среднюю часть сварочной ванны на глубину 2—3 мм, а среднюю скорость охлаждения определяют в интервале 100°С, прилегающем снизу к температуре солидуса Температура солидуса 1450—1350 °С
Образец толщиной 6—20 мм для оценки сопротивляемости металла корневых швов, выполненных следующими видами сварки: А, ИНп, УП, РЭ. Ось шва располагают вдоль или поперек прокатки. Сварку начинают и заканчивают на технологических планках. Механизм деформирования включают после перемещения оси электрода от стыка образца с технологической планкой на 20 мм. Сварку осуществляют из условия полного проплавления, получения шва и обратного валика
Продолжение табл. II.4 Тип об¬ разца Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема нагружения, показатель сопротив¬ ляемости Образец толщиной 10—20 мм для оценки сопротивляемости металла однослойных швов с конструктивным непроваром, выполненных следующими видами сварки: А, ИП, УП, ИНп, РЭ. Ось шва располагают вдоль или поперек прокатки. Сварку образцов начинают и заканчивают на технологических планках. Механизм деформирования включают после перемещения оси электрода от стыка образца с технологической планкой на 20 мм. Мощность сварочной дуги выбирают из условия получения заданной ширины и высоты шва 1 — пластина; 2 — технологическая планка а, б — захваты с горизонтальным и вертикальным перемещением; 1 — образец; 2 — опора; 3— корпус; 4 — пуансон; 5 — клин; 6 — рычаг \ При испытании изгибом критическую скорость растяжения вычисляют по формуле A=4VZ h/Li
Образец толщиной 10—20 мм для оценки сопротивляемости металла однослойных швов с конструктивным непроваром, выполненных следующими видами сварки: А, ИП, УП, ИНп, РЭ. Ось шва располагают вдоль или поперек направления прокатки. Сварку начинают и заканчивают на технологических планках. Механизм деформирования включают после перемещения оси электрода от стыка образца с технологической планкой на 20 мм. Мощность сварочной дуги выбирают из условия получения заданной ширины и высоты шва RzWy Ум - уголок сварной; 2 — пластина; • технологическая планка где V*— критическая скорость перемещения средней опоры по отношению к крайним, м/с; h — расстояние от рабочей кромки средней опоры до вершины трещины, определяемой на поверхности излома, м; L — расстояние между крайними опорами, м Критический темп растяжения вычисляют по формуле B~A/WrUT Образец типа 7а толщиной 10—20 мм для оценки сопротивляемости металла однослойных швов, выполненных следующими видами сварки: А, УП, ИП. Образец типа 76 для оценки сопротивляемости металла многослойных швов, выполненных следующими видами сварки: А, УП, ИП, РЭ.
Продолжение табл. II.4 Тип об¬ разца Пояснения к испытаниям Эскиз образца Схема нагружения, показатель сопротив¬ ляемости Ось шва располагают вдоль или поперек направления прокатки. Механизм деформирования включают в момент совмещения оси электрода с плоскостью, перпендикулярной оси шва и проходящей через вершину надреза. Мощность сварочной дуги выбирают из условия получения заданной ширины и высоты шва. При испытании образца типа 76 его сварной шов проплавляют неплавящимся электродом на Vs часть его высоты и деформируют изгибом. Скорость переплава 12 м/ч, время деформации 15 с. о) Rz20. \/Ы) mu шп П % 1, ШЛИФОВАТЬ ЛП н 80 \ === Ё а Б-Б L*_ ПЛАСТИНА 1-й шов 2-й ИЮВ 6 • С МОНТАЖНЫЙ * ЭЛС — электронно-лучевая сварка; ЛС — лазерная сварка; ЭШС — электрошлаковая сварка.
11.1.10. Способы повышения технологической прочности Существует большое разнообразие способов повышения стойкости сварных соединений к образованию трещин. Но ни один способ не является универсальным. Эффективность каждого способа определяется химическим составом стали, толщиной металла, типом сварного соединения, формой и размерами сварной конструкции, применяемой технологией сварки и т. д. Химический состав металла шва и состояние поверхности сварочной проволоки оказывают заметное влияние на сопротивляемость образованию трещин. Сварочная проволока, покрытая ржавчиной или другими видами загрязнений, является источником насыщения металла сварного шва водородом. Поэтому перед сваркой электродную проволоку необходимо очистить, флюс и электроды прокалить, защитные газы применять только сварочные, свариваемые кромки очистить и удалить конденсированную влагу прогревом газовым пламенем. Все сварочные работы рекомендуется проводить в производственных помещениях. На монтажной площадке место сварки необходимо оградить от атмосферных воздействий. Концентрация водорода в металле шва зависит от вида сварки (табл. II.6). 11.6. Содержание водорода в металле шва для некоторых видов сварки Содержать * ние водо- Lud сварки podQt мл/ /00 г Сварка под флюсом: очищенная проволока и прокаленный флюс . . 5—10 неочищенная проволока и непрокаленный флюс . 10—25 Сварка порошковой проволокой в С02 10—30 Сварка ft смеси С02 и Аг: очищенная проволока 2—7 неочищенная проволока * * • 6—12 Ручная дуговая сварка: электроды, прокаленные при 400—500 °С . . . , 3—7 электроды основного типа непрокаленные . . . 6—12 электроды основного типа, прокаленные при 100— 150 °С 12—20 электроды с рутиловым покрытием 20—35 Известно, что сопротивляемость образованию трещин резко снижается при содержании углерода более 0,3 %. Марганец и хром снижают сопротивляемость при их содержании более 1%, никель — более 1,5 %. Повышают сопротивляемость карбидообразующие и модификаторы: ванадий, молибден, титан. Для низколегированных сталей предъявляется следующее требование по ограничению содержания газов: кислорода<0,005, азота<0,005, водорода<0,0005 %. 39
11.5. Технологические методы испытаний на сопротивляемость образо Тип образца Пояснения к испытаниям 9 Образец типа 9а толщиной 1,5—5 мм для оценки сопротивляемости металла однопроходных стыковых швов и зоны сплавления соединений, выполненных следующими видами сварки: ИН, ЛС, ЭЛС, ИП, ИНп, УП. Образец изготовляют в виде квадратной пластины с центральным отверстием и вставленным в него диском. Сварку начинают над прихваткой и ведут до замыкания кругового шва. Сварку ведут на скорости, характерной для данного вида сварки, на мощности дуги, обеспечивающей полный провар кромок и формирование обратного валика. Образец типа 96 толщиной 10—12 мм для оценки сопротивляемости металла многослойных швов и зоны сплавления соединений, выполненных следующими видами сварки: РЭ, ИНп, УП. Образец изготовляют с кольцевой проточкой. Сварку ведут заполнением кольцевой проточки в два слоя, при ручной дуговой сварке — в три слоя. Место начала и окончания сварки должно быть неизменным для всех слоев. Каждый слой накладывают после охлаждения предыдущего до комнатной температуры. Образец типа 9в толщиной более 25 мм для оценки сопротивляемости металла многослойных швов, выполненных следующими видами сварки: РЭ, ИНп, УП. Образец изготовляют в виде квадратной пластины, составленной из четырех пластин с кольцевой проточкой. Сварку ведут заполнением разделки в один слой. Сварку начинают в позиции 60° и заканчивают в позиции 240°. После охлаждения образца ниже 50 °С сваривают замыкающий шов. Образцы вырезают независимо от направления прокатки И Образец толщиной 15—30 мм для оценки сопротивляемости металла однопроходных тавровых швов с конструктивным непроваром, выполненных следующими видами сварки: А, РЭ, ИП, УП. Образцы вырезают независимо от направления прокатки. Косынки можно изготовлять из металла, отличающегося по составу от испытываемого. Сварку ведут в два прохода без использования технологических планов на режимах, характерных для данного вида сварки. После сварки удаляют косынки и образец разрушают изгибом с растяжением в корне шва. При отсутствии трещин в первом образце при сварке следующего образца увеличивают скорость сварки и мощность дуги при условии сохранения катета шва до выявления критической скорости сварки, приводящей к образованию трещин 40
ванию горячих трещин при сварке плавлением по ГОСТ 26389—84 Зскиз образца Показатель сопротивляемости RziO, VW) 1 — пластина; 2 —диск; 3 — пластина с кольцевой канавкой; 4 — пластина со шлифованными торцами < / * .50 J15 250 -300 *15' МОНТАЖНЫЕ Определяют следующие показатели: Кц—Ljji / п , где Ка — коэффициент периодичности трещин; м; Lm — длина шва, м; п — число поперечных трещин; Kf 100%, где Kf — коэффициент площади трещин; FTp — площадь трещин в изломе шва, м2; Fm — площадь поперечного сечения шва, м2; Кг- (■-£) 100%, где Ki — коэффициент длины трещин; LTP — сумхмарная длина продольных трещин, м. За критическую скорость сварки принимают скорость, при которой появляюгся трещины при условии сохранения постоянной высоты шва / — косынка; 2 —стенка; 3— полка 41
Тип образца 12 Пояснения к испытаниям Образец толщиной 30—100 мм для оценки сопротивляемости металла многослойных швов, выполненных следующими видами сварки: А, РЭ, ИП, УП, ЭЛС. Образцы вырезают независимо от направления прокатки. Плиту можно изготовлять из металла, отличающегося по составу от испытываемого. Сварку ведут путем наплавки валиков в корень каждой разделки до полного заполнения. Первоначально выполняют первый шов на режиме, характерном для данного вида сварки. Каждый следующий шов осуществляют после остывания предыдущего до комнатной температуры, на режиме, отличающемся от предыдущего по скорости сварки на 20 % и мощности дуги для сохранения высоты шва. Сварку начинают и оканчивают на расстоянии 30 мм от края образца Образец типа 10а толщиной 1,5—3 мм для оценки сопротивляемости металла первого слоя стыковых швов и зоны сплавления соединений, выполненных следующими видами сварки: ИП, ИНп, ЭЛС, ЛС. Образец типа 106 толщиной 10—15 мм для оценки сопротивляемости металла первого слоя стыковых швов, выполненных следующими видами сварки: РЭ, А, ИП, УП. Образец типа Юв толщиной 10 мм и более для оценки сопротивляемости металла стыковых швов, выполненных ЭЛС. Образцы вырезают независимо от направления прокатки. Перед сваркой образец крепят к столу через центральное отверстие. В первую очередь испытывают образец максимальной ширины. Дугу возбуждают на технологической планке и ведут от края к центру с полным проплавлением образца. После охлаждения образца до 20 °С сваривают второй участок образца от края к центру. При отсутствии трещин на тех же режимах испытывают другие образцы до определения критической ширины образца 42
Продолжение табл. П.5 Эскиз образца Показатель сопротивляемости / — пластина с канавками; 2— жесткая плита / — пластина; 2 — технологическая планка Коэффициент критической ширины образца Kd вычисляют по формуле где DKp — критическая ширина образца, т. е. максимальная ширина образца, вызывающая образование трещин, м; Da — наибольшая ширина образца, м
Ограничено содержание серы в стали. Между марганцем и серой должно быть соотношение: ( 22 при С=0,06-0, И %; Mn/S> I 30 при С=0,11—0,13 %; [ 60 при С=0,15—0,16 %. Перспективным технологическим способом повышения сопротивляемости образованию трещин является разработка и применение видов сварки, обладающих определенной гибкостью в регулировании термического цикла сварки. Такими видами сварки являются: ручная дуговая сварка «горкой», двух-, многодуговая сварка, сварка с применением порошкового присадочного материала, сварка методом СК. В целях повышения стойкости сварных соединений против образования горячих трещин для стыковых соединений в наиболее опасных зонах появления трещин в начале и конце шва рекомендуется накладывать связи путем приварки технологических планок, жесткого закрепления или заварки концевых участков шва в направлении от центра к краю свариваемых листов. Существенно снижается вероятность появления трещин при сопутствующем подогреве участков металла, параллельных оси шва. Сварку целесообразно выполнять видами с максимальной проплавляющей способностью при наименьшей погонной энергии. Повышается стойкость сварных соединений при устранении концентраторов, вызванных формой шва и подготовкой под сварку. Благоприятная схема кристаллизации шва способствует повышению сопротивляемости образованию трещин. Внешним признаком является округлое очертание изотерм. Прерывистая кристаллизация в случае вибрации и импульсной сварки способствует повышению технологической прочности сварных соединений. II.1.11. Определение допускаемых режимов дуговой сварки и наплавки Для выбора технологии и определения режимов сварки существует метод валиковой пробы. Методика испытаний по валиковой пробе регламентирована ГОСТ 13585—68. Сущность метода заключается в наплавке валиков на сплошные и составные пластины исследуемой стали при различной погонной энергии, т. е. при соответствующей скорости охлаждения W0, и последующем определении ударной вязкости, критической температуры хрупкости, угла изгиба, твердости, микротвердости, микроструктуры и других показателей, присущих околошовной зоне. Практическая ценность валиковой пробы заключается в том, что она позволяет установить для данной стали оптимальный интервал значений скорости охлаждения Аопт околошовной зоны и опреде¬ 44
лить по ним расчетным путем допускаемые режимы сварки и наплавки в зависимости ог типа соединения и толщины стали. Подготовка к испытаниям, проведение испытаний и критерии оценки приведены в табл. II.7. II.7. Метод валиковой пробы по ГОСТ 13585-68 Подготовка и проведение испытаний Эскиз Составные пластины применяют: при испытаниях сталей, в околошовной зоне которых преобладает ферритно-перлитное превращение; когда значения ударной вязкости околошовной зоны требуется сопоставлять со значениями ударной вязкости основного металла; при иепытаниях стали толщиной >5 мм 1 — валик; 2 — брусок; 3 планка приставная Длина брусков L, предназначенных для оценки свойств приграничного участка околошовной зоны, принимается равной 220— 250 мм. При определении свойств околошовной зоны длина брусков L принимается в зависимости от скорости охлаждения W0 в интервале наименьшей устойчивости аустенита 500—600 °С: при №о>Ю°С/с —L—250 мм » 1F0=5—10 » —350 » » №0<5 » — L=450 » II С s — толщина исследуемого листа, мм; Si — толщина составной пластины, мм Толщина 51 составной пластины определяется расчетом. Бруски из листов вырезают поперек направления прокатки. Зазор между брусками не более 0,05 мм для листов толщиной s<12 мм и не более 0,1 мм для листов толщиной s> 12 мм 1 образец для испытаний на ударный изгиб; 2 — составная пластина = (/t+A—b)-1- +а-Ьс, где h — глубина проплавления, мм; b — глубина надреза, мм; а — размер грани образца, мм; с — припуск на механическую обработку с обратной стороны надреза 1 мм; А — расстояние между дном надреза и границей проплавления, равное 0—0,5 мм 45
Продолжение табл. II.7 Подготовка и проведение испытаний Эскиз Сплошные пластины применяют: при испытаниях сталей, в околошовной зоне которых преобладает бейнитное или мартенситное превращение; когда значения ударной вязкости околошовной зоны не требуется сопоставлять со значениями ударной вязкости основного металла; при испытаниях литой стали толщиной >12 мм Валики наплавляют при конкретной температуре, соответствующей работе сварной конструкции, без колебательных движений электрода с постоянной скоростью. Составную пластину разбивают на отдельные бруски без снятия усиления, если погонная энергия при наплавке <2,09 МДж/м, и со снятием усиления, если погонная энергия >2,09 МДж/м 400-600 1 — неиспользуемый участок; 2 — участок для изготовления образцов; 3 — валик Испытания на ударный изгиб Образцы вырезают методом, не вызывающим нагрев металла. Размеры образцов по ГОСТ 6996—66*. Для определения ударной вязкости околошовной зоны дно надреза располагается по оси валика ниже линии сплавления на расстоянии не более 0,5 мм в сторону основного металла. Местоположение надреза намечается при изготовлении образцов на протравленных гранях, перпендикулярных продольной оси валика. Испытания проводят при различных температурах, как правило, при 20, —20, —40, —60, —80, —100°С. Для определения ударной вязкости на различном удалении от линии сплавления образцы вырезают, как показано на 1 — образец; 2 — наплавленный валик; 3 — брусок; / — расстояние между смежными надрезами 46
Продолжение табл. 11.7 Подготовка и проведение испытаний Эскиз эскизе. Расстояние устанавливается градиентом температур в процессе наплавки. Разница температур в местах надрезов не должна превышать 50 °С по кривой максимальных температур. Температура определяется термопарами или расчетом Испытание на статический изгиб Образцы вырезают из сплошных пластин поперек валика. Окончательную механическую обработку производят в поперечном по отношению к валику направлении. Длину образца L устанавливают по ГОСТ 6996—66. Кромки образцов в пределах рабочей части L/3 необходимо закруглить радиусом 1,5 мм. Околошовная зона должна находиться в растянутой зоне. Испытание проводят до образования трещины а) а — образец для испытаний; б — схема нагружения образца Определение твердости Твердость околошовной зоны устанавливают по Виккерсу (ГОСТ 2999—75*). Нагрузку выбирают с таким расчетом, чтобы размер диагонали отпечатка не превышал 0,7 мм. При этом края отпечатка должны располагаться в пределах 0—0,7 мм от линии сплавления. Твердость за пределами околошовной зоны определяют по Виккерсу, Роквеллу (ГОСТ 9013— 59*), Бринеллю (ГОСТ 9012— 59*). Трассу отпечатков выполняют в соответствии с целями исследований а) б) \ 1 в) ♦чччч а — Q — трасса соответственно прямолинейная, сдвоенная, строенная 47
Результаты испытаний обрабатывают в такой последовательности: по окончании механических испытаний определяют интервал режимов сварки, которые обеспечивают получение свойств не ниже основного металла или установленных нормативными документами. Оптимальный интервал скоростей охлаждения при сварке угле* родистых и низколегироваьных сталей, полученный по методу валиковой пробы, приведен в табл. II.8. II.8. Оптимальный интервал скоростей охлаждения при сварке сталей (валиковая проба) Тип стали Марка стали, исходное состояние допт. °С/с Критерий для оценки свойств Твердость НВ, МН/м* Углеродистая об¬ Ст2 6—18 Ян>0,5 МДж/м2 1550— щего назначения (ГОСТ 380—71*) Прокат 1,2—12 при —60 °С, 6 = = 20 мм 1700 СтЗкп Прокат ян>0,2 МДж/м2 при —50 °С, 6 = = 12 мм БСтЗ Прокат 1,4-15 ян>0,5 МДж/м2 при —50 °С, 6 = = 12 мм 1550— 1650 Углеродистая ка¬ 40 2,4—5 ян 0,6 МДж/м2 2650— чественная конструкционная (ГОСТ 1050—74**) Нормали¬ зация 45 при +20 °С 6 = = 16 мм 2800 Нормализация 850 °С 2-4 ян0,35 МДж/м2 при +20° С, 6 = = 16 мм 2300— 2500 Низколегирован¬ 09Г2 1—15 Ян 0,3 МДж/м2 1850— ная толстолистовая и широкопо¬ Прокат 1-12 при —60 °С, б = = 12 мм 2150 лосная универсаль¬ 14Г2 яп0,2 МДж/м2 2250— ная (ГОСТ 19282—73*) Прокат при —70 °С, 6 = =20 мм 2700 16ГС Прокат 1—12 ян0,2 МДж/м2 при — 60 °С, 6 = = 20 мм 1900— 2250 16ГС Нормали¬ зация 1—6 ян 0,6 МДж/м2 при +20 °С, 6 = = 20 мм 2350— 2600 16ГС Нормали¬ зация 1—8,5 ян 0,2 МДж/м2 при —60 °С, 6 = = 12 мм 1700— 2100 17ГС Нормали¬ зация 10—30 ян 0,4 МДж/м2 при —60 °С, 6 = = 11 мм 2250— 2350 10Г2С1Д Прокат 1—15 ян>0,2 МДж/м2 при —60 °С, 6 = = 12 мм 1850— 2500 48
Методика испытаний, регламентированная ГОСТ 23870—79, позволяет оценить влияние сварки плавлением на свойства основного металла в околошовной зоне без выполнения сварки (табл. 11.9). В результате испытаний устанавливают зависимости временного сопротивления, относительного удлинения и сужения, предела длительной прочности, ударной вязкости, твердости, величины зерна и содержания структурных составляющих от скорости охлаждения. II.9. Метод оценки влияния сварки плавлением на основной металл по ГОСТ 23870—79 Подготовка и проведение Эскиз образца, показатель механических испытаний свойств Для испытаний изготовляют образцы 1 и 2 с чистотой поверхности 1,25 мкм. При толщине 3 мм и менее изготовляют образцы толщиной равной толщине проката с сохранением шероховатости, соответствующей состоянию проката 60±0,6 ОБРАЗЕЦ 1 60tff.6 3*0.1 ОБРАЗЕЦ 2 Образцы 1, 2 подвергают тепловому воздействию в установке для имитации теплового воздействия сварки по следующим термическим циклам околошовной зоны: наибольшая температура нагрева должна быть равна 0,9 ±0,02 температуры солидуса, средняя скорость нагрева 250± ±12,5°С/с в интервале 700— 900 °С, средняя скорость охлаждения 0,1 ±0,01; 1±0,1; 10± 1; 100± 10 и 600 ± ±60°С/с в интервале 600— 500 °С. Из образцов, подвергнутых тепловому воздействию, изготовляют образцы для механических испытаний. Для определения временного сопротивления, относительного удлинения и сужения из образца 1 изготов- ОБРАЗЕЦ 3 15 7>Г i 1в JO±r ОБРАЗЕЦ ТИПА П ПО ГОСТ 6994-61 8 ±0,1 О ОБРАЗЕЦ ТИПА ШЛО ГОСТ 6696-66 4 194 49
Продолжение табл. II.9 Подготовка и проведение испытаний Эскиз образца, показатель механических свойств ляют образец 3 и из образца 2 — образец типа II по ГОСТ 6996—66. Для определения предела длительной прочности используют образец 3. Испытание проводят в соответствии с ГОСТ 10145—81. Для определения ударной вязкости используют образцы типов VIII и XI по ГОСТ 6996—66*, которые изготовляют из образца 1. Твердость, величину зерна и содержание структурных. составляющих определяют на среднем участке образца 1 ' ,1 ( WL ) ,2zm Е 8*6110 Ж f?0,25* QMS' Фв — Р max/ Р о> где (Ув — временное сопротивление, Па; Ртах — наибольшая нагрузка, предшествующая разрушению образца, Н; F0 — начальная площадь поперечного сечения образца, м2. 6= 100%, где б — относительное удлинение; 1о, 1к — расчетная длина до и после испытаний, м. (f°~FK,). 100%> Fo где Y — относительное сужение; F0, Fк — площадь поперечного сечения до и после испытаний, м2. Предел длительной прочности определяют по зависимости для временного сопротивления. В обозначение вводят верхний индекс — температура испытания в °С, нижний индекс — продолжительность испытания до разрушения в часах. Например, Oiooo— предел прочности за 1000 ч испытания при температуре 700 °С. KC=K/S0r где КС — ударная вязкость, Дж/м2; К — работа удара, Дж; S0 — площадь поперечного сечения образца в месте концентратора до испытания, м2. Ударную вязкость обозначают сочетанием букв и цифр. Например, KCV-40 50/2/7,5 — ударная вязкость с концентратором вида V при температуре —40°С, максимальная энергия 50 Дж, глубина концентратора 2 мм, ширина образца 7,5 мм 50
II.1.12. Испытание сварного соединения на коррозию Межкристаллитная коррозия. Испытанию на межкристаллитную коррозию подвергают сварные соединения по методике, изложенной в ГОСТ 6032—84. В зависимости от химического состава стали и технических условий эксплуатации сварной конструкции применяют следующие методы: AM, АМУ, В, ВУ, ДУ, Б. Наиболее распространенным является метод AM. Он применяется для сварных соединений сталей: 20Х13Н4Г9, 08Х18Г8Н2Т, 12Х18Н9, 06Х18НИ, 08Х18Н12Б и др. Образцы непрерывно кипят в растворе: 0,16 кг сернокислой меди CuS04*5H20+100 см3 серной кислоты H2S04+ + 1000 см3 воды дистиллированной в присутствии медной стружки в зависимости от марки стали в течение 24 или 15 ч. После окончания кипячения образцы промывают, просушивают и изгибают по центру шва или по линии сплавления, или в зоне термического влияния под углом 90°. Изгибают образец со стороны, не подвергавшейся обработке режущим инструментом. Если обе стороны образца обрабатывались, то образец изгибают с обеих сторон. Место изгиба осматривают с 8—12-кратным увеличением. Наличие трещин служит браковочным признаком. Остальные методы отличаются по составу травителя и длительности травления. Схема вырезания образцов из сварной пластины дана на рис. II.2. Коррозионное растрескивание. Методы испытаний на коррозионное растрескивание по ГОСТ 26294—84 распространяются на сварные соединения из стали, медных и титановых сплавов. Сущность методов заключается в задании конкретного значения напряжения под действием внешней силы или остаточных напряжений, вызванных наложением сварных швов на испытываемые образцы, и выдержке образцов в коррозионной среде до появления трещин. За показатель сопротивляемости коррозионному растрескива- 11.2. Схема вырезания образцов и образцы для определения стойкости против межкристаллитной коррозии 1 — сварной шов; 2 — неиспользуемый участок шва; 3—5 — образцы соответственно типов 1, 2 и 3 51
нию принимают время до появления первой коррозионной трещины при определенном уровне напряжений и уровень максимальных напряжений, при котором не появляются трещины за установленный срок испытаний (табл. II.10). 11.10. Методы испытаний на коррозионное растрескивание по ГОСТ 26294—84 Методы испытаний Тип образца и схема нагружения Метод испытаний при постоянной нагрузке Для испытаний используют образец на статическое растяжение сварного соединения по ГОСТ 6996—66 (гл. XXVI). Начальное значение напряжения должно составлять не менее 0,8 а0,2 основного металла образца, а для сплавов с повышенной чувствительностью к тепловому воздействию сварки — не менее 0,8 Оь сварного соединения. Продолжительность испытаний, температуру и коррозионную среду назначают из условия эксплуатации конструкции Метод испытаний при постоянной деформации Для испытаний используют образец на статический изгиб сварного соединения по ГОСТ 6996—66 (гл. XXVI). Растягивающие напряжения создают со стороны контролируемой поверхности сварного соединения При трехточечной схеме изгиба fi = a/2/6£*5, где f 1 — стрела прогиба, м; <т — заданные напряжения, МПа; /—расстояние между опорами, м; Е — модуль упругости, МПа; 5 — толщина образца, м. При четырехточечной схеме изгиба /2=23a/2/108£s, где /2 —стрела прогиба, м 52
Продолжение табл. 11.10 Методы испытаний Тип образца и схема нагружения Метод испытаний образцов с остаточными сварочными напряжениями Для испытаний используют сварные образцы, которые выдерживают в коррозионной среде Напряженное состояние в сварных узлах, содержащих вварки вставок, штуцеров, проплавление по замкнутому контуру и т. д. имитируется на образце-диске. Напряженное состояние в сварных соединениях, содержащих швы значительной протяженности (листовые конструкции, крупногабаритные сосуды), имитируется на образце-пластине. Напряженное состояние, возникающее в трубных соединениях, имитируется на образце-патрубке. Допускается выполнение как обоих, так и одного типа шва (кольцевого или продольного) ОБРАЗЕЦ-ДИСК 3 мм; Do и Да из условия устойчивости образца; 5=3—6 мм; А)=130 мм; £>ш=40 мм; s>6 мм; D0= = 52у/'s мм; Dm=0,35 D0 мм ОШМЗЕЦ—ПЛАСТИНА s<25 мм; Li = 250 мм; 12= = 150 мм; s>25 мм; Li = = 10 s мм; L2=Q s мм ОБРАЗЕЦ-ПАТРУБОК s=2—3 мм; D = 55 мм; I— = 110 мм; s>3 мм; D = =20 s мм; /=2 D мм Метод испытаний при сложнонапряженном состоянии Сварному узлу, конструкции или их макету задают напряжения, соответствующие напряженному состоянию контролируемой конструкции, при одновременном подведении к ним коррозионной среды, условия контакта с которой соответствуют условиям эксплуатации За образцы принимают сварные узлы, конструкции или их макеты 53
11.2. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ СВАРКЕ 11.2.1. Схемы нагреваемых тел и сварочных источников теплоты Распространение теплоты существенно зависит от формы и раз* меров тела. Однако точный учет конфигурации тела чрезвычайно усложняет расчет тепловых процессов. Поэтому при расчетах целесо* образно упрощать формы рассматриваемых тел. За основные рас* четные принимают следующие схемы: полубесконечное тело — массивное тело, размеры которого зна« чительно развиты в трех направлениях. Листы толщиной более 30 мм относятся к данной схеме; плоский слой — тело, ограниченное двумя параллельными плос* костями. Листы толщиной менее 30 мм соответствуют данной схеме; пластина — плоский слой малой толщины; стержень — тело с поперечным сечением малых размеров и с прямолинейной осью или с осью малой кривизны. Сварочную дугу чаще представляют как сосредоточенный источник теплоты. Схему источника выбирают в зависимости от теплопроводящего тела (рис. II.3). При наплавке валиков на массивное тело или плоский слой при относительно небольшой мощности источник считают сосредоточенным в точке (точечный источник). При однопроходной сварке листов встык принято считать, что теплота дуги приложена к линейному элементу (линейный источник). При сварке встык стержней считают, что теплота дуги приложена к плоскому элементу (плоский источник), 6) 11.8. Схемы непрерывнодействующих источников а — точечного на поверхности полубесконечного тела; б—линейного в пластине; в — плоского в стержне 54
При электрошлаковой сварке источник теплоты можно принять объемным, однако чаще всего его заменяют совокупностью линейных или плоских источников теплоты. Газовое пламя обычно считают круговым, нормально распределенным источником теплоты. В зависимости от длительности действия дуги источники теплоты подразделяют на мгновенные и непрерывно действующие. Непрерывно действующие источники могут быть неподвижными или перемещаться с определенной скоростью. При расчетах применяют следующие схемы: подвижный и быстродвижущийся источник теплоты. Подвижной источник теплоты. При расчетах предполагают, что источник перемещается прямолинейно и равномерно. Схема описывает процесс распространения тепла при сварке прямолинейных швов или наплавке валиков. Быстродвижущийся источник теплоты. Предполагают, что источник перемещается с большой скоростью. Схема описывает процесс распространения тепла при автоматической дуговой сварке. 11.2.2. Расчет тепловых процессов Расчет тепловых процессов и основных параметров термического цикла при однопроходной сварке или наплавке для некоторых схем распространения тепла приведен в табл. 11.11. 11.11. Расчет тепловых процессов при сварке Название схемы источника тепла и нагреваемого тела Температура предельного состояния процесса в заданной точке 7\ °С Максимальная температура термического иикла rm. «с Наплавка валика на массивное тело при действии быст* родвижущегося источника теплоты Г<>- 2яЫ Х у'+г' Xe 4а< (II. 8) T'm(r) =ql(nl2evc\r*) (11.9) Дуговая однопроходная сварка листов встык при действии линейного быстродвижущегося источника теплоты Пу.п- ,/ х vdV 4nXcyt -JL —ы Xe ы (11.12) 0,484q TmW~ vcyhty X x (•-■*£) Ш. i3) 55
Продолжение табл. 11.11 Название схемы источника тепла и нагреваемого тела Мгновенная скорость охлаждения при данной температуре W0, °С/с Длительность нагрева выше данной температуры Г*н.с Наплавка валика на массивное тело при действии быстродвижущегося источника теплоты (11.10) qlv 1 О 1 II Дуговая однопроходная сварка листов встык при действии линейного бысгродвижущегося источника теплоты Г 2л(Г~Го)3 Г0-2яХс7Х (11.14) н /гХ Лсу(Гт-Г0)? (11.15) х, у> z — координаты рассчитываемой точки; г= V у2+г2 — расстояние от источника теплоты до точки с координатами у, г, м; t=x/v— время, прошедшее после пересечения дугой плоскости, в которой расположена рассматриваемая точка, с; v — скорость сварки, м/с; е — основание натурального логарифма; А, — коэффициент теплопроводности, Вт/(м*°С); а — коэффициент температуропроводности, м2/с; с — удельная теплоемкость, Дж/(кг*°С); у— плотность тела, кг/м3; су — удельная объемная теплоемкость, Дж/(м3*°С); а — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-°С) [для углеродистой стали а= = 60 Вт/(м2*°С) при 7'Ср=500—600°С]; q=IUa — эффективная тепловая мощность источника теплоты, Вт; Т0 — начальная температура изделия или температура подогрева, °С; Т — температура в рассматриваемой точке, °С; /2, f% — коэффициенты, которые выбирают в зависимости от в=(Т—Тс)/(Тт—Т0), изменяющейся от 0 до 1 по 2а номограмме (рис. II.4); Ь= ■ -—коэффициент температуроотда- чи, с-1. Значения теплофизических коэффициентов для некоторых металлов приведены в табл. 11.12. При многослойной сварке длинными участками сталей, склонных к закалке и образованию холодных трещин, проверяют условия охлаждения первого слоя. Последующие слои при одинаковом поперечном сечении, как правило, остывают медленнее первого слоя, поэтому условия их охлаждения можно не проверять. 56
11.12. Теплофизические коэффициенты для некоторых металлов Материал о о а о СЮ 2°. si bU CQ° О Cl s Q Низкоугле¬ 500— 5— 37,7— 750— родистые и низколегированные стали 600 5,24 41,9 900 Аустенит- 600 4,73— 25— 530— ные стали 4,8 33,5 700 Медь 400 3,85— 4 368— 377 9500— 9600 Латунь 350— 400 3,47 117 3400 Алюминий 300 2,72 272 10 000 Технический титан 700 2,85 16,8 600 oJftSrO цю- 0,15 0,201 IЩ В>-\ *№■ i 9» 1«*Н I от у 010• н offi 1,00- 1,50- 1,70- 0,9 Ofii А -0,05 Ц5 Д4 43- ■ 0,10 0,15 -0,20 0,25 0,30 -0,40 0,50 0,60 070 i f,00 i 1,501 * I 3 e b ze 114. Номограмма для расчета длительности нагрева выше заданной температуры Т при наплавке валика на массивное тело (а) и однопроходной сварке листов встык (б) Скорость охлаждения первого слоя многослойного шва рассчитывают по соотношению (11.10). Различные условия теплоотвода учитывают, вводя в расчет вместо истинных значений толщины б свариваемых листов и погонной энергии дуги qn их приведенные значения бР и qnр, которые получают умножением действительных их значений на следующие коэффициенты приведения: приводимая величина б <7П наплавка, однопроходная сварка стыкового соединения без скоса кромок 1 1 первый слЛ шва стыкового соединения (угол разделки 60°) 3/2 3/2 первый слой второго шва таврового или нахлесточ- ного соединения 1 2/3 первый слой четвертого шва крестового соединения 1 1/2 57
При многослойной сварке короткими участками режим характеризуется погонной энергией qn и длиной / участка. Длину участка выбирают из условия, чтобы температура Тв околошовной зоны первого слоя к моменту наложения тепловой волны следующего слоя не падала ниже температуры начала мартенситного превращения (200—350 °С) или температуры образования холодных трещин (60— 200 °С), и вычисляют по формуле где Кг — коэффициент чистого горения дуги, равный 1 при автоматической многодуговой сварке и 0,6—0,8 при ручной сварке; Кз — поправочный коэффициент, равный 1,5 для стыкового соединения; 0,9 для таврового и 0,8 для крестового соединения. Глава III. СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ И ШВЫ III.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ Определения основных терминов, относящихся к сварным соединениям и швам, регламентированы ГОСТ 2601—84 (табл. III.1). II 1.1. Термины и определения сварных соединений и швов / = 0,7 К,*, q*/b*v(TB-T0)2, (11.16) Термин Определение Сварное соединение Неразъемное соединение, выполненное сваркой Стыковое соединение Сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями Угловое соединение Сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев 58
Продолжение табл. II 1.1 Термин Определение Нахлесточное соединение Сварное соединение, в котором сваренные элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга Сварная конструкция Металлическая конструкция, изготовленная сваркой отдельных деталей Сварной узел Часть конструкции, в которой сварены примыкающие друг к другу элементы Сварной шов Участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации, пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации Стыковой шов Сварной шов стыкового соединения Угловой шов Сварной шов углового, нахлесточного или таврового соединений Точечный шов Сварной шов, в котором связь между сваренными частями осуществляется сварными точками Сварная точка Элемент точечного шва, представляющий собой в плане круг или эллипс Прерывистый шов Сварной шов с промежутками по длине Цепной прерывистый шов. Цепной шов Двусторонний прерывистый шов, у которого промежутки расположены по обеим сторонам стенки один против другого 1 1 59
Продолжение табл. IIIЛ Термин Определение Шахматный прерывистый шов. Шахматный Двусторонний прерывистый шов, у которого промежутки на одной стороне стенки расположены против сваренных участков шва с другой ее стороны Подварочный шов ЛШПП- Меньшая часть двустороннего шва, выполняемая предварительно для предотвращения прожогов при последующей сварке или накладываемая в последнюю очередь в корень шва Прихватка Короткий сварной шов для фиксации взаимного расположения подлежащих сварке деталей Монтажный шов Сварной шов, выполняемый при монтаже конструкции Валик Металл сварного шва, наплавленный или переплавленный за один проход Слой сварного шва Часть металла сварного шва, которая состоит из одного или нескольких валиков, располагающихся на одном уровне поперечного сечения шва Корень шва Часть сварного шва, наиболее удаленная от его лицевой поверхности КОРЕНЬ ШВА 60
Продолжение табл. 111.1 Термин Определение Толщина углового шва Наибольшее расстояние от поверхности углового шва до точки максимального проплавления основного металла Расчетная высота углового шва. Расчетная высота шва Длина перпендикуляра, опущенного из точки максимального проплавления в месте сопряжения свариваемых частей на гипотенузу наибольшего вписанного во внешнюю часть углового шва прямоугольного треугольника Катет углового шва. Катет шва Кратчайшее расстояние от поверхности одной из свариваемых частей до границы углового шва на поверхности второй свариваемой части Ширина сварного шва. Ширина шва Расстояние4 между видимыми линиями сплавления на лицевой стороне сварного шва при сварке плавлением Коэффициент формы сварного шва. Коэффициент формы шва Коэффициент, выражаемый отношением ширины стыкового или углового шва к его толщине Мягкая прослойка сварного соединения. Мягкая прослойка Участок сварного соединения, в котором металл имеет пониженные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков Твердая прослойка сварного соединения. Твердая прослойка Участок сварного соединения, в котором металл имеет повышенные показатели твердости и (или) прочности по сравнению с металлом соседних участков 61
IIL2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ШВОВ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Перечень стандартов, устанавливающих в зависимости от способа сварки (пайки), вида свариваемого изделия или металла изделия основные типы сварных соединений, конструктивные элементы и размеры, представлен в табл. II 1.2. II 1.2. Область применения государственных стандартов на основные типы швов и сварных соединений, конструктивные элементы ГОСТ Наименование Область распространения 5264—80 8713-79 11533-75 11534—75 14098—85 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры Сварка под флюсом. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка под флюсом. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры Ручная дуговая сварка. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры Соединения сварные арматуры и закладных изделий железобетонных конструкций. Типы, конструкция и размеры На соединения из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах. Стандарт не распространяется на сварные соединения стальных трубопроводов по ГОСТ 16037— 80 На соединения из сталей, а также сплавов на железоникелевой и никелевой основах. Стандарт не распространяется на сварные соединения стальных трубопроводов по ГОСТ 16037—80 На соединения из углеродистых и низколегированных сталей На соединения из углеродистых и низколегированных сталей, выполняемые ручной дуговой сваркой плавящимся электродом во всех пространственных положениях при толщине свариваемого металла до 60 мм включительно На соединения арматуры и закладные изделия, выполняемые контактной и дуговой сваркой из стержневой и проволочной арматурной стали диаметром от 3 до 40 мм, а также листового и фасонного проката при изготовлении железобетонных 62
Продолжение табл. II 1.2 гост Наименование Область распространения 14771—76* Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры изделий и возведении монолитных и сборных железобетонных конструкций На соединения из сталей. Стандарт не распространяется на сварные соединения труб 14776—79 Дуговая сварка. Соединения точечные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры Точечные соединения из сталей, медных, алюминиевых и никелевых сплавов 14806—80 Дуговая сварка алюминия и алюминиевых сплавов в инертных газах. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры На соединения из алюминия и алюминиевых деформируемых термически не упрочняемых сплавов при толщине кромок свариваемых деталей от 0,8 до 60 мм включительно 15164—78 Электрошлаковая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры На соединения из сталей. Стандарт не устанавливает размер зазора между свариваемыми деталями перед сваркой 15878—79 Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры На соединения из сталей, сплавов на железоникелевой и никелевой основах, титановых, алюминиевых, магниевых и медных сплавов, выполняемых контактной точечной, рельефной и шовной сваркой. Стандарт не *» распространяется на сварные соединения, осуществляемые контактной сваркой без расплавления металла. 16037—80 Соединения сварные стальных трубопроводов. Основные типы, конструктивные элементы и размеры На соединения трубопроводов из сталей. Стандарт устанавливает основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных сое- 63
Продолжение табл. III.3 гост Наименование Область распространения 16038—80 16098—80 19249—73* 23518—79 Сварка дуговая. Соединения сварные трубопроводов из меди и медно-никелевого сплава. Основные типы, конструктивные элементы и размеры Соединения сварные из двухслойной коррозионно-стойкой стали. Основные типы, конструктивные элементы и размеры Соединения паяные. Основные типы и параметры Дуговая сварка в защитных газах. Соединения сварные под острыми и тупыми углами. Основные типы, конструктивные элементы и размеры динений труб с трубами fir арматурой. Стандарт не распространяется на сварные соединения, применяемые для изготовления труб из листового и полосового металла На соединения труб с трубами из меди марок М1р, М2р, МЗр по ГОСТ 859— 78* и медно-никелевого сплава марки МНЖ 5-1, с фланцами из латуни марки Л90 и со штуцерами и ниппелями из бронзы марок БрАМц9-2 или БрАЖНМц 9-4-4-1. Стандарт не распространяется на сварные соединения, применяемые для изготовления труб из листового или полосового металла На соединения из двухслойной коррозионно-стойкой стали На соединения паяные, конструктивные элементы паяных швов, их обозначения и параметры На соединения из сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основах Указанными стандартами регламентированы для различных толщин металла: тип соединения, форма и размеры подготовленных кромок, характер сварного шва, форма и конструктивные элементы поперечного сечения сварного шва, условное обозначение сварного соединения. Примеры из различных стандартов представлены в табл. 1II.3. 64
at i 111.3. Некоторые основные типы швов сварных соединений Форма подготовленных кромок Характер сварного шва Форма поперечного сечения о. 33 0Q и сз (V з* * S §32 <V S К Я к X (D В 2 з* (У Тип соединения подготовленных кромок сварного соединения VO О о и * Толщи риваем талей, I 1 Г СЗ X in По ГОСТ 5264—80 Стыковое С двумя симметричными скосами кромок Двусторонний тт в — 8—120 С 25 Угловое Со скосом кромок Односторонний 1 1 — 3—60 У9 Двусторонний 1 — У10
Продолжение табл. III.3 Тип соединения Форма подготовленных кромок Характер сварного шва Форма поперечного сечения подготовленны х кромок сварного соединения о s si* Я со <U 3 2 4 О Я со Н О.Н 1в III 1 s s 2 « к Т» О 4* £*3 о Тавровое Со скосом одной кромки Односторонний Двусторонний 3—60 По ГОСТ 8713—79 Тб Т7 Стыковое То же Двусторонний шл Ig» АФ 14—20 С12 Нахлесточное Без скоса Односторонний АФ 1—20 Н1
Стыковое кромок Двусторонний Ш По ГОСТ 14771-76* Со скосом одной кромки Односторонний замковый ПФ 1—20 Н2 ИНп 3—10 ИП 3—10 СП УП 3—40 ИНп ИП 0,8—40 Т1 УП АФ 14—20 АФ С4 Р 8—20 Р Тавровое Стыковое Без скоса кромок Односторонний По ГОСТ 16098—80 Со скосом одной кромки Двусторонний
Продолжение табл. 1П.З Тип соединения Форма подготовленных кромок Характер сварного шва Форма поперечного сечения Способ сварки Толщина свариваемых деталей, мм Условное обозначение соединения подготовленных кромок сварного соединения Тавровое Со СКОСОМ одной кромки Двусторонний АФ 12—26 тз АФ Р Р 8—26 ШШ/Л ШМ W/) По ГОСТ 15164—78 Стыковое Без скоса кромок — * щш шэ 16-450 С1 Угловое Со скосом двух кромок — шэ 16—300 У2 Ч 1 1
Стандарты определяют не только конструктивные элементы подготовленных кромок и возможные отклонения их основных размеров, но и регламентируют размеры швов и предельные отклонения их параметров. Например, ГОСТ 5264—80 определяет для каждого типа сварного шва условное обозначение, предельные толщины свариваемых изделий s, величины и предельные отклонения зазора b, ширину шва е, выпуклость шва g, ее предельные отклонения и др. Такие же параметры определяют ГОСТ 8713—79, 14771—76*, 14776—79, 14806—80, 16037—80, 16038—80, 16098-80, а ГОСТ 16037—80 и 16038—80, кроме того, регламентируют предельные отклонения по толщине стенки свариваемых труб. Стыковая сварка соединений деталей неодинаковой толщины при разнице, не превышающей значений, указанных в табл. II 1.4, производится так же, как для деталей одинаковой толщины. Конструктивные элементы подготовленных кромок и размеры шва следует выбирать по большей толщине. II 1.4. Допустимая наибольшая разность толщин стыкуемых деталей, свариваемых без скоса кромок гост Толщина тонкой детали, нм Разность толщин деталей, мм 5264—80 1—4 1 5—20 2 21—30 3 Св. 30 4 8713—79 2—4 1 5—30 2 31—40 4 Св. 40 6 14771—76* 2—3 1 4-30 2 31—40 4 Св. 40 6 16098—80 4—7 1 8—20 2 21—36 3 Св. 40 л
///./. Допускаемое расположен ие поверхности шва при разной тол* щине свариваемых деталей Для плавного перехода от одной детали к другой допускается располагать поверхность шва (рис. 111.1) наклонно. При разности в толщине свариваемых деталей свыше значений, указанных в табл. 111.4 на детали, имеющей большую толщину S|, должен быть сделан скос с одной стороны или с двух сторон до тол« щины тонкой детали s, как показано в табл. III.5. При этом конструктивные элементы подготовленных кромок и размеры сварного шва следует выбирать по меньшей толщине. 111.5. Величина скоса детали, имеющей большую толщину, при стыковом соединении ее с тонкостенной деталью гост Односторонний скос Лвухсторонний скос 5264—80, 8713-79, 14771—76* 16098—80 15±2° При сварке стыковых соединений деталей (за исключением труб) ГОСТ 5264—80, 8713—79, 14771—76 допускают перед сваркой следующие смещения свариваемых кромок относительно друг друга: Толщина детали Смещение, мм До 4 ........... 0.5 4—10 1 10—100 , 0,1s, но не более 3 мм Св. 100 . «•••••• O.Ols+2, но не более 4 мм
ГОСТ 16098—80 допускает перед сваркой смещение кромок относительно друг друга на г*аличину до 10 % толщины листа, но не более половины толщины плакирующего слоя и не более 3 мм при толщине плакирующего слоя более 6 мм. На сварке угловых швов ГОСТ регламентирует допустимые значения выпуклости и вогнутости швов (табл. И 1.6). По ГОСТ 5264—80 при сварке в положениях, отличных от нижнего, допускается увеличение выпуклости не более чем на 1 мм для деталей толщиной до 60 мм и не более чем на 2 мм для деталей толщиной более 60 мм. II 1.6. Допустимые значения выпуклости и вогнутости сварных угловых швов гост Выпуклость шва Вогнутость шва 5264-80, 8713—79, 14771—76* До 30 % размера катета, но не более 3 мм До 30 % размера катета, но не более 3 мм. При этом вогнутость не должна приводить к уменьшению расчетного размера катета 16098—80 При сварке в нижнем положении выпуклость шва не должна превышать, мм: 1.5 при К<Ъ мм 2.5 » 5 мм</<<10 мм 3.5 » /<”>10 мм При сварке в других пространственных положениях допускается увеличение выпуклости на 1 мм Вогнутость шва не более 3 мм Размеры катетов углового шва К я К\ по ГОСТ 5264—80 и 8713—79 должны быть установлены при проектировании сварного соединения, но не более 3 мм для деталей толщиной до 3 мм включительно и 1,2 толщины более тонкой детали при сварке деталей толщиной более 3 мм. Предельные отклонения размеров катетов углового шва /С и /Ci от номинального значения должны соответствовать, мм: 1 при К и /Ci5 мм 2 .... . » К и Кх>6 » 71
Минимальные размеры катетов угловых швов по ГОСТ 5264—80 и 8713—79 приведены в табл. II 1.7. II 1.7. Минимальные размеры, мм, катетов угловых швов для толщины более толстого из свариваемых элементов Толщина более толстого из свариваемы* элементов, мм Предел текучести свариваемой стели, МПа 8 со 4 до 5 О Ю 2чО *8 яя £ СО о 3 а *=( а § 8 До 400 3 4 5 6 7 8 9 10 Ох 400 до 450 4 5 6 7 8 9 10 12 Примечание. Минимальный размер катета не должен превышать 1,2 толщины более тонкого элемента. 111.3. ОБОЗНАЧЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ ГОСТ 11969—79 устанавливает основные положения сварки и их обозначения для сварных швов, выполняемых сваркой плавлением как в один, так и в несколько слоев (табл. Ш.8). Положение сварки определяется углом наклона продольной оси шва а и углом поворота поперечной оси шва Р относительно их нулевых положений. При накладывании многослойных швов в разных положениях обозначения основных положений сварки следует относить к каждому слою в отдельности. Направление сварки обозначается стрелкой после букв, обозначлющих положение сварки. Например, при сварке на спуск острие стрелки направлено вниз, а при сварке на подъем — вверх. 111.8. Обозначения основных положений сварки плавлением Наименование основных положений | <и х Тип сварного uibi Предельное отклонит » ±10° угловой стыковой а0 3° Л1 «В лодочку» л Ф 0 0 72
Продолжение табл. И Я Наименование основных положений Тип сварного шва угловой стыковой Пред ель нос отклонение ±10° Нижнее Н А 45 Полугоризон- тальное Горизонталь¬ ное Пг 45 90 Полуиерти- калыюе Пв 45 Вертикальное 90 73
Продолжение табл. II 1.8 II 1.4. УСЛОВНЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ СВАРНЫХ ШВОВ ГОСТ 2.312—72 регламентирует условные изображения и обозначения сварных соединений в технической документации. Независимо от способа сварки видимый шов на чертеже изображают сплошной линией, а невидимый — штриховой. Видимую сварную точку обозначают знаком « + », невидимую — не обозначают. От изображения шва или гочки проводят линию-выноску, заканчивающуюся односторонней стрелкой. Условное обозначение шва наносят над полкой линии-выноски, если изображен видимый шов, и под полкой, если шов невидимый ГОСТ 2.312—72 регламентирует отдельные случаи применения различных обозначений, их упрощения и т. п. Стандартом определены вспомогательные знаки для обозначения сварных швов, наиболее часто используемые из них приведены 74
8 табл. III.9. В табл. ШЛО даны примеры условных обозначений стандартных швов сварных соединений. III.9. Вспомогательные знаки для обозначения сварных швов Вспомогательный знак Значение вспомогательного знака Расположение вспомогательного знака относительно полки линиивыноски, проведенной от изображения шва с лицевой стороны с оборотноР стороны XL Выпуклость шва снять -Q. / г ■1А2. Наплывы и неровности шва обработать с плавным переходом к основному металлу JJJL / 1 Шов выполнить при монтаже изделия, т. е. при установке его по монтажному чертежу на месте применения ? ~ / Шов прерывистый или точечный с цепным расположением. Угол наклона линии ~60° / / 7 Шов прерывистый или точечный с шахматным расположением • Z L / /2 О Шов по замкнутой линии. Диаметр знака от 3 до 5 мм а 1=3 Шов по незамкнутой линии. Знак применяют, если расположение шва ясно из чертежа /— Примечание. За лицевую сторону одностороннего шва сварочного соединения принимают сторону, с которой ведут сварку; соответственно двустороннего шва с несимметрично подготовленными кромками — сторону, с которой накладывают основной шов, и двустороннего шва с симметричной подготовкой кромок — любую сторону. 75
ШЛО. Примеры условных обозначений швов Характеристика шва Форма поперечного сечения шва Условное обозначение шва, изображенного на чертеже с лицевой стороны с оборотной стороны Шов стыкового соединения с криволинейным скосом одной кромки, двусторонний, выполняемый дуговой ручной сваркой при монтаже изделия. Выпуклость снята с обеих сторон. Параметр шероховатости поверхности шва со стороны: лицевой Rz 20 мкм оборотной Rz 80 » Шов углового соединения без скоса кромок, двусторонний, осуществляемый автоматической сваркой под флюсом с ручной подваркой по замкнутой линии ига ГОСТ /1533-75-У11-Ар -fOCl526Ь-8Ш£ X % 1 Г0СТ11533-75-У11-Ар
Шов углового соединения со скосом кромок, накладываемый электрошлаковой сваркой проволочным электродом. Катет шва 22 мм Шов таврового соединения без скоса кромок, двусторонний, прерывистый с шахматным расположением, выполняемый дуговой ручной сваркой в защитных газах неплавящимся металлическим электродом по замкнутой линии. Катет шва 6 мм. Длина провариваемого участка 50 мм. Шаг 100 мм
Глава IV. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИИ, СВАРОЧНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ДЕФОРМАЦИИ IV.1. КОНЦЕНТРАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Стыковые швы. Концентрация нормальных напряжений возникает от искажений формы поперечного сечения, вызванных сваркой (рис. IV.1). Чем больше смешение сварного сечения относительно нейтральной оси, по которой действует усилие, чем резче переход от усиления шва к основному металлу (радиус R), тем выше теоретический коэффициент концентрации напряжений. Концентрацию напряжений в стыковых швах снижают до устраняя изменения формы и размеров поперечного сечения в зоне сварных швов. *=/,6-2,2 /VI. Распределение напряжений в стыковом шве. Пунктиром показано очертание сварного шва, соответствующее большему значению теоретического коэффициента концентрации напряжений 78
Лобовые швы. Концентрация напряжений возникает от смещения линии действия усилия при переходе с одной детали на другую. На рис. IV.2 приведены эпюры нормальных аг, ст0 и касательных Тшах напряжений. Напряжение ттах определяется по формуле ттах = "f V(°r -Ч)> + • (IV-D где при 0=45° т = oh/0f7h — 1,4<т, здесь о — среднее напряжение в листе; h — катет шва. VvtyL —т- //ж —► — —► / VIl —► / —► / Sir Тге б IV.2. Распределение напряжений в лобовом шве при 3*45° а —шов и элемент dF\ б—г — эпюры соответственно оГ, cfq, *тах. Наибольший теоретический коэффициент концентрации напряжений К при Р=45° равен 3,32. Величина К зависит от очертания шва (рис. IV.3). Особенно благоприятным является профиль шва Е (рис. IV.3). а) 1,11т 0,66Т 0,75 0,19т IV.3 Коэффициенты концентрации напряжений х в зависимости от очертаний лобовых швов а — вид соединения; б — очертания швоь, коэффициенты концентрации напряжений
IV.4. Сварные нахлесточные соединения с двумя лобовыми швами а, б — схемы приложения усилий В нахлесточных соединениях распределение усилий одинаково только в швах одного и того же очертания при равной толщине деталей (рис. IV.4). При увеличении толщины 5 хотя бы одной из деталей коэффициент концентрации напряжений снижается в обоих сварных швах. Отношение усилий в деталях (см. рис. IV.4, а) Ру и Рч связано с толщиной деталей Sj и S2 и длиной нахлестки / следующим соотношением: * -1 . (н.л; Р2 5, 0,66/ + 2 S2 Отношение Рх 1Р% в безразмерных параметрах приведено в табл. IV. 1. IV.1. Отношение усилий Р\/Р2 (см. рис. IV.4, а) St/S2 St/l 0,05 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 i 2 3 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,9 1,09 1,08 1,05 1,04 1,03 1,03 1,01 1,01 1,01 1,01 0,8 1,17 1,15 1,1 1,08 1,06 1,05 1,05 1,03 1,02 1,01 0,7 1,26 1,23 1,16 1,12 1,1 1,08 1,07 1,04 1,03 1,02 0,6 1,35 1,31 1,21 1,16 1,13 1,11 1,1 1,06 1,04 1,03 0,5 1,43 1,38 1,26 1,2 1,16 1,13 1,12 1,07 1,05 1,03 0,4 1,52 1,46 1,31 1,24 1,19 1,16 1,15 1,08 1,06 1,04 0,3 1,61 1,54 1,37 1,28 1,22 1,19 1,17 М 1,07 1,04 0,2 1,7 1,61 1,42 1,32 1,26 1,21 1,2 1,11 1,08 1,05 0,1 1,78 1,69 1,47 1,36 1,29 1,24, 1,22 1,13 1,09 1,06 0,05 1,82 1,73 1,5 1,38 1,3 1,25 1,23 1,13 1,09 1,06 80
В случае приложения усилий по схеме, показанной на рис. IV,4, б, 1,32/ (IV.3) Р, 0,66/ + 2S, St 'Фланговые швы. Максимальное усилие qx во фланговом шве на единицу длины при равных сечениях деталей определяется соотношением (рис. IV.5). qx — аР/4 cih а/. (IV.4) а) Ft 6) О IV.5. Распределение усилий в соединении с фланговыми швами а — общий вид соединения: б, в — распределение qx по длине шва соответственно при и Fi<F% 6-194 81
При условии [т] = 0,6 [<T]pt а —У4G/EF; о = 0,38Е теоретический коэффициент концентрации напряжений во фланговом шве где I — длина шва. К — 0,57 у 1/0,7Н (IV .5) В табл. IV.2 приведены наибольшие усилия, действующие во фланговых швах. IV.2. Максимальные усилия, МПа, во фланговых швах ’ в зависимости от длины шва / и параметра а от действующего условного усилия Р± 1 1 /, ММ а, мм 10 30 | 50 80 100 150 6,001 0,25 0,083 0,05 0,031 0,025 0ДИ7 0,003 0,25 0,083 0,05 0,031 0,026 0,018 0,005 0,25 0,083 0,05 0,033 0,027 0,02, 0,007 0,25 0,083 0,051 0,034 0,029 0,022 0,01 0,253 0,086 0,054 0,038 0,033 0,028 При неравновеликих площадях Fx и F2 свариваемых элементов (см. рис. IV.5) _ аР (Ft -f F2) ch а/ 2 (Ft + Р2) sh а/ UV.6) а = / 20 (F, + Fz)/EFt F, ; здесь G и Е — соответственно модули сдвига и нормальной упругости. Теоретический коэффициент концентрации напряжений К зави« сит от отношения ширины более узкой детали b к длине нахлестки/, Например (см. рис. IV.5), при отношении 6//=0,2 /С=1,45; при Ь/1=* = 1 /(=2,01; при 6//=2 3,37 и при Ь/ЫА /С=6,6Ь Шовныесоединения. Концентрация напряжений возникает вслед*, ствие неравномерного распределения напряжений в зоне шва по тол-» щине деталей и изгиба деталей при растяжении. Приближенно К рас-» считывают по следующей формуле: к = 2,3— cth (2,3 —\ Н , * b> 1 + где S — толщина детали; b — ширина шовного соединения. С увеличением напряжения растяжения <т0 теоретический коэф* фициент концентрации цапряжений уменьшается (табл. IV.3). 82
IV.3. Коэффициент концентрации напряжений К в шовных сварных соединениях S/b OJE КГ* 5-10“3 ю—? | 5 • 10 2 0,7 4,53 4,3 4,16 3,68 0,5 4.11 3,82 3,64 3,1 0,3 3,69 3,28 0,05 2,46 0,1 2,94 2,35 2,1 1,62 0,05 2,2 1,64 1,64 1,11 Точечные соединения. Концентрация напряжений возникает в результате сгущения силовых линий в зоне точки (рис. IV.6, а) и в результате изгиба (см, рис. IV,6, б, в, г), Приближенно К находят по формуле /С = 0,38 -{- 0,62(/d + 3 Дч-J-/ 3<т0/£), ( IV.7) где { — шаг сварки (см. рис. IV.6, 5); rf —ширина сварной зоны при ролико* вой сварке. В многорядных соединениях усилия между точками распределены неравномерно. В табл. IV.4 приведены значения усилий, приходящихся на каждую точку в трех-, четырех- и пятирядном швах (см. рис. IV.6,д—ж), подсчитанные при условиях t=b=3d. Коэффициент концентрации напряжений в многорядном шве можно снизить на 25—30 %, располагая точки в разных рядах в шахматном порядке. IV.4. Усилия в многоточечных сварных соединениях № точки Число точек в продольному ряду 3 4 1 5 1 0,444Р 0.436Р 0,435Р 2 0,112Р 0.064Р 0.058Р 3 0,444Р 0.064Р 0.014Р 4 — 0.436Р 0.058Р 5 — — 0.435Р 6* 83
IV.С. Точечное соединение а — общий вид соединения; б, в — распределение усилий соответственно в про* дольном сечении и по толщине элемента у точки; г — изгиб соединения; о— ж — многорядные соединения Концентрация напряжений в соединениях на подкладке и двухрядных. Соединения на подкладке могут быть одно- и двухсторонними (рис. IV.7). Такие соединения выполняют с помощью сварки плавлением с присадочным материалом (см. рис. IV.7, а, б) или точечной электросваркой (см. рис. IV.7, в> г). Для случаев, показанных на рис. IV.7, а, б, концентрация напряжений определяется, как в лобовых швах. 84
а/ В точечных соединениях коэффициент концентрации напряжений зависит от взаимного расположения точек в рядах. При несмещенных точках коэффициент концентрации напряжений /Сб.с в опасных местах 1 и 2 подкладки рассчитывают по формуле «в* - 1+ (“ - *) *-*„/* + (' -1) р - *Я1> )' (IV 8) где f —шаг между точками; / — длина свободной части детали; диаметр ядра точки; /2— расчетный коэффициент, взятый в середине ядра точки; А *— расчетный коэффициент, взятый со сменными точками. Коэффициент концентрации напряжений' в соединениях со смещенными точками Кс.с (т. е. поставленными на противоположных сторонах накладки в шахматном порядке): *с.с = 1 + (--1) Л‘-“ЯГ- - Л‘-( tp - 0Я1Ч < IV 9> За счет смещения точек снижаются максимальные напряжения в местах концентрации на величину /ch(ta)shU(ft+ --)1 "-г „„.ч*1,,;*»)/1 ■ где К — коэффициент концентрации или Ксс)\ h — количество точек; Ор—среднее растягивающее напряжение вне зоны концентрации; — диаметр ядра сварной точки. 85
При большой ширине подкладки смещение точек будет.мало сказываться на изменении коэффициента Кс.с по; сравнению е/(о с. Для частных случаев коэффициенты концентрации напряжений Кс.с, Кб.с и Кл (для лобовых соединений) приведены в табл, IV.5, IV.5. Коэффициенты концентрации напряжений Кб.с и Кс.с Длина подкладки л» мм / , мм т *с.с 15 1,32 1,26 1,22 20 1,79 1,6 1,42 6 30 2,91 2,37 2,2 40 4,21 3,28 3,08 15 1,31 1,25 1,21 20 1,77 1,58 1,48 8 30 2,85 2,32 2,14 40 4,02 3,15 2*97 15 1,3 1,24 1,2 10 20 1,75 1,58 1*45 30 2,67 2,17 2,01 40 3,95 3,03 2,85 15 1,28 1,23 1,19 20 1,73 1,53 1,41 12 30 2,55 2,12 1,93 40 3,77 2,91 2,72 86
В случае двурядных точечных швов (рис. IV.8) коэффициент концентрации напряжений в то время как в однорядном шве дном шве (iv.ll) (IV.12) т. е. снижение рабочих напряжений в двурядном точечном шве (с нахлесточными точками) по сравнению с однорядным составляет всего 26 %. .ofo — Р г t 1 I V.8. Двухрядные соединения IV.2. ОСНОВЫ РАСЧЕТОВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ Статическая прочность. При расчете по предельному состоянию условие прочности имеет вид ашах<а где а max — напряжение в опасном сечении элемента: R — расчетное сопротивление, которое принимается в зависимости от временного сопротивления и групп элементов конструкций; а — коэффициент, учитывающий число циклов нагружения; v — коэффициент, определяемый в зависимости от вида напряженного состояния и коэффициента асимметрии цикла. Условие прочности сварных швов в их основном сечении определяется расчетным сопротивлением на срез, а условие прочности в сечении по основному металлу — расчетным сопротивлением на растяжение. Условие прочности в сечении по шву выражается следующим образом: р = 1,4/сб [т], (IV.13) где Р — усилие, воспринимаемое сварным соединением; К и b — катет шва и ширина элемента; [т] — расчетное сопротивление на срез. Принимается 1т1 «О JR. 87
При условии равнопрочности соединения по отрыву и срезу должно существовать соотношение * = 6 —= б. (IV.14) 1.4 [т] При расчете нахлесточных соединений условие прочности записывается в виде Р =0,7/Ш [Т], (IV.15) где 2/ —суммарная длина швов. Основные расчетные формулы для проверки прочности сварйых стыковых соединений при работе на изгиб те же, что и для проверки прочности основных элементов, т. е- о = м/w <R, (IV.16) где М — изгибающий момент в сечении; W — момент сопротивления соединяемого элемента в месте сопряжения. Тавровые соединения, выполненные угловыми швами без полного провара, рассчитывают по допускаемым напряжениям на срез х = М/W' < [т], (IV.17) где W' — момент сопротивления сечения по швам. При действии на соединение кроме момента и поперечной силы касательные напряжения определяют от этой силы и момента, и прочность соединения проверяют на главные и суммарные напряжения. Например, в случае приварки ребра высотой h угловыми швами напряжения: от изгибающего момента Tj = 6Af/l,4*ft*; от поперечной силы та = Q/l ,4kh2; суммарные х = У т] + < [т]. (IV.18) В поясных (связующих) швах изгибаемых элементов при наличии поперечных сил появляются касательные напряжения т = QSJIk*, (IV.19) где Q — поперечная сила в сечении; S — статический момент полки относительно оси, проходящей через центр тяжести всего сечения; / — момент инерции сечения; k' — суммарная расчетная толщина швов (для двух поясных швов k'—\,4k). При расчленении соединений на составляющие (рис. IV.9, а) ~ верт.шва гор.шва* (IV.20) Из формулы (IV.20) определяются требуемая длина и катет шва 0,7 <[т]. (IV.21) Здесь k — катет шва. 0,7ka (h + k) + 88
б) IV.9. Схемы расчета прочности соединений по принципам расчленения на составляющие (а) и полярного момента инерции (б) г) IV. 10. Соединения (а—г), сваренные угловыми швами по периметру При расчете по способу полярного момента инерции (см. рис, IV.9, б). М = (* тdFr. F Полярный момент инерции 7р = 7г + V (IV.22) (IV. 23) (IV .24) Наибольшее напряжение тшах “ ,Mrmaac//p* Для сечений, приваренных по периметру (рис. IV. 10) и работающих на изгиб, касательные напряжения определяют по формуле т =M/WC < [т], (IV.25) где с= Ус/|/тах — момент сопротивления; /с —расчетный момент инерции периметра швов, составляющий 0,7 момента инерции сечения швов. Для круглого поперечного сечения /Л = 0,7 [л (d + 2/5)</64 - (ж/764)]; j J(j 0,7 [n (d + 2*)</64 - (JW764)]; max “ (dft) + k. (IV.26) 89
<0 X » ~т~ Q* \ 5§- i) TQ *Л Гм < г- || i i р IV. ft. Точечные соединения, работающие на момент (а) и поперечную силу (б, в) Среднее напряжение в швах от поперечной силы Q: т0 = Q/FB = Q/2-0,7khB, (IV.27) где F в—расчетная площадь вертикальных швов. При расчете точечных соединений на основании общего расчета конструкции определяют растягивающее усилие Q, по которому в зависимости от расчета [6] устанавливают площадь сечения F: F — Q/R. (IV.28) Число односрезных сварных точек получается из условия равнопрочности соединения, т. е. n = 4Q/nd25i [т], (IV.29) •расчетное сопротивление срезу в сварной где диаметр ядра точки; [т] < точке. При расчете сварной точки на отрыв расчетные нормальные напряжения <7р не должны превышать 0,7 допускаемых R сварного соединения: 0р = 4Q/nd* «6 0,7 [Д]. (IV.30) При совместном действии отрыва и среза определяется допускаемое усилие на точку, которое должно быть не более 0,5 [РСр]: ■=К; .2 31а я >2 отр pi— + p% <0-5lpcph (IV.31) где {Р Ср] [т] — допускаемое усилие при чистом срезе; Р0Тр» РСр усилия отрыва и среза. Соединение, сваренное в двух точках, работающее на изгиб (рис. IV.11,а), рассчитывают, определяя усилие по формуле T—M/h с последующим вычислением напряжений среза. 90
Напряжения в точке ттах, наиболее удаленной от нейтральной оси, находят по формуле . т W*. <IV32> Напряжения тп, вызванные поперечной силой (см. рис. IV.11,0, в), вычисляют из уравнения т. =J AP/nnd1 i (IV.33) о * я где п — число точек в вертикальном ряду. Стыковые сварные швы, работающие на изгиб и срез одновременно, рассчитывают из неравенства (‘“Г-Йт)*1*1- (IV,34) где а —напряжение в шве от изгиба; т — то же, от среза. При расчете сварных балок на изгиб нормальные и касательные напряжения находят из следующих выражений: а = Л*/ПГ«й1Я]; <IV.35) т = QS/I6 < [т]. где <? — нагрузка; 5 — статический момент сдвигающейся части сечения относительно нейтральной оси; / — момент инерция; б —толщина стенки балки. При расчете стенок балок должно выполняться следующее условие: Y± о‘+3x*(i--L -£)•«]. шт Где о — наибольшее краевое напряжение в стенке, вычисленное в предположении упругой работы материала. Напряжения о и т определяют для одного и того же загруженного сечения. Угловые поясные швы в сварных балках рассчитывают по следующим формулам: при неподвижной нагрузке (распределенной и сосредоточенной) x==QSJ2(m /«[т]; (IV.37) при подвижной сосредоточенной нагрузке т - —у + (— )2 <8 [т], (IV.38) 2(pft) Г , \ . / / \ г ) где — для однопроходной полуавтоматической и автоматической сварки; 3*0,7 г- Для ручной сварки и многопроходной автоматической и полуавтома¬ тической сварки; k — катет шва; S ц—статический момент пояса балки относительно нейтральной оси; я-1,5 — для подкрановых балок в зданиях и сооружениях с тяжелым режимом работы при кранах с жестким подвесом: для тех же условий, но при кранах с гибким подвесом л**1,3, для прочих подкра¬ новых балок п—1,1; Р —расчетный сосредоточенный груз, равный для подкрановых балок расчетному давлению колеса крана без учета коэффициента динамичности; г—условная длина распределения давления сосредоточенного груза. 9
При подвижной нагрузке г= С’ У je> . (IV.391 где С — коэффициент распределения давления (С—3,2 для сварных и прокатных балок); /п — сумма моментов инерции пояса балки и кранового рельса (при приварке рельса швами, обеспечивающими совместную работу рельса и пояса); б— толщина полки верхнего пояса. При непосредственном опирании на верхний пояс поперечной прокатной балки или другой неподвижной конструкции zsft.f2ft, (IV.40) где b — ширина полки поперечной балки; h — толщина верхнего пояса балки. Ниже приведены предельные прогибы изгибаемых балочных конструкций в зависимости от длины пролета балок L. Подкрановые балки и фермы при кранах: ручных 1/500 электрических грузоподъемностью, т: до 50 1/600 60 и более • ««•««««• 1/750 Пути: кран-балок • 1/500 монорельсовые 1/400 Балки рабочих площадок промышленных зданий при отсутствии рельсовых путей: главные . . * 1/400 прочие 1/250 То же, при наличии путей колеи: широкой ......... 1/600 узкой 1/400 Балки междуэтажных перекрытий: главные ........ 1/400 прочие 1/250 Балки покрытий и чердачных перекрытий: главные . 1/250 прогоны . 1/200 Элементы фахверка: стойки, ригели 1/300 прогоны, остекления (в вертикальной и горизонтальной плоскостях) 1/200 Устойчивость элементов конструкций. Устойчивость стенок балок симметричного сечения, укрепленных поперечными ребрами жесткости, проверяют по формуле V (0/сг„)+(Т/Т,)« -0 1. (IV.41) где <г„ =К (W6//1); (IV.42) здесь N=10e — при размерности, Па; |Л — отношение большей стороны участка к меньшей; (1Я — меньшая сторона выделенного ребрами жесткости участка стенки. 92
Коэффициент К для сварных балок принимается* по табл. IV.6 в зависимости от у: V = с—— I —(IV.44) где Ь пи б п—ширина и толщина сжатого пояса балки; Ло —высота, 6 — толщина стенки балки; С — величина, принимаемая равной соответственно 0,8 и 2,0 при приложении сосредоточенной нагрузки к растянутому и сжатому поясам балки. IV.6. Коэффициент К для сварных балок <0,8 10 30 К 6,3 6,62 7,27 7,32 7,37 7,46 Устойчивость центрально-сжатых элементов проверяется по фор¬ муле (IV.45) где ф — коэффициент продольного изгиба, принимаемый по табл. IV.7, явля* ющийся функцией наибольшей гибкости К; F —площадь сечения элемента. IV.7. Коэффициент <р продольного изгиба центрально-сжатых элементов Гибкость элементов К Материал элемента СтЗ, Ст4 Ст5 14Г2, 15ГС, 09Г2С, 15ХСНД, 10Г2С1 ЮХСНД 0 1 1 1 1 10 0,99 0,98 0,98 0,98 20 0,97 0,96 0,95 0,95 30 0,95 0,93 0,92 0,92 40 0,92 0,89 0,89 0,88 50 0,89 0,85 0,84 0,82 60 0,86 0,8 0,78 0,77 70 0,81 0,74 0,71 0,68 80 0,75 0,67 0,63 0,59 90 0,69 0,59 0,54 0,5 100 0,6 0,5 0,46 0,43 110 0,52 0,43 0,39 0,36 120 0,45 0,37 0,33 0,31 130 0,4 0,32 0,29 0,27 140 0,36 0,28 0,25 0,23 150 0,32 0,25 0,23 0,2 160 0,29 0,23 0,21 0,18 170 0,26 0,21 0,19 0,16 180 0,23 0,19 0,17 0,14 93
Продолжение табл. IV.7 Гибкость элементов К Материал элемента СтЗ, Ст4 СтЗ 14Г2, 15ГС, 09Г2С* 15ХСНД, 10Г2С1 10ХСНД 190 0,21 0,17 0,15 0,12 200 0,19 0,15 0,12 0,11 210 0,17 0,14 0,12 0,1 220 0,16 0,13 0,11 0,09 Пр имечание. Гибкость элементов %—Цг, где I — расчетная длина элемента, г — радиус инерции сечения. Для балок двоякосимметричного двутаврового сечения коэффициент фб для проверки общей устойчивости фб=(р~" (-7),io>' (,v45) где h — высота сечения. Значения <р принимаются по табл. IV.8 как функция от параметра а. Для прокатных двутавров а = 1,54 (—V(IV.47) fy\h ) где / к— момент инерции при кручении; I — расчетная длина балки. Для сварных двутавров, составленных из трех листов, а также клепаных двутавровых балок где б»6 — толщина и ширина пояса балки; h — полная высота сечения балки; rf=0,5ft; б — толщина стенки балки. IV.8. Коэффициенты ср для двутавровых балок а Балки без закреплений в пролете, имеющие нагрузку Балки, имеющие не менее двух промежуточных закреплений верхнего пояса, делящих пролет на равные части, независимо от места приложения нагрузки сосредоточенную, приложенную к поясу равномерно распределенную, приложенную к поясу верхнему нижнему верхнему нижнему 0,1 1,73 5 1,57 3,81 2,17 0,4 1,77 5,03 1,6 3,85 2,2 1 1,85 5,11 1,67 3,9 2,27 94
Продолжение табл. IV.8 а Балки без закреплений в пролете, имеющие нагрузку Балки, имеющие не менее двух промежуточных закреплений верхнего пояса, делящих пролет на равные части, независимо от места приложения нагрузки сосредоточенную, приложенную к поясу равномерно распределенную, приложенную к поясу верхнему | | нижнему верхнему нижнему 4 2,21 5,47 1,98 4,23 2,56' 8 2,63 5,91 2,35 4,59 2,9 16 3,37 6,65 2,99 5,24 3,5 24 4,03 7,31 3,55 5,79 4 '32 4,59 7,92 4,04 6,25 4,45 48 5,6 8,88 4,9 7,13 5,23 64 6,52 9,8 5,65 7,92 5,91 ао 7,31 10,59 6,3 8,58 6,51 96 8,05 11,29 6,93 9,21 7,07 128 9,4 12,67 8,05 10,29 8,07 169 10,59 13,83 9,04 11,3 8,95 240 13,21 16,36 11,21 13,48 10,86 320 15,31 18,55 13,04 15,29 12,48 400 17,24 20,48 14,57 16,8 13,81 Примечание. При одном закреплении балки в середине пролета различают следующие случаи: сосредоточенная сила приложена в середине пролета, тогда независимо от уровня приложения ф=1,75ф*; сосредоточенная сила в четверти пролета или равномерно распределенная нагрузка, приложенные к верхнему поясу, тогда <р= = 1,14<р*; , сосредоточенная сила приложена к четверти пролета к нижнему поясу, при этом <р=1,6<р*; равномерно распределенная по нижнему поясу нагрузка, тогда ф=1,3ф*; здесь ф*— это значения ф, взятые из последней 1рафы табл. IV.8. Составные элементы из уголков, швеллеров и т.д., соединенные через прокладки, рассчитывают как сплошностенчатые. Расстояние I между прокладками не должно превышать для сжатых элементов 40г, для растянутых 80г; г — радиус инерции уголка или швеллера относительно оси, параллельной плоскости расположения прокладок. В пределах сжатого элемента должно быть не менее двух прокладок. Прочность при переменных нагрузках определяется в том случае, если характер нагрузок повторяется более 1000 раз. При расчете по методу допускаемых напряжений 0 = p/F « yR. (IV.49) При расчете по методу предельных состояний Q/F < (IV.50) 95
где r K/as ~ коэФФициент снижения допускаемых напряжений при переменной нагрузке; аг к — предел выносливости элементов конструкции, определяемый экспериментально при характеристике цикла г и концентраторе К. Связь между пределами выносливости при различных циклах выражается следующим образом: О - Г) +1М1 +r), (IV.51) где предел выносливости основного металла при г——1; г — характеристика цикла; 1, к эффективный коэффициент концентрации; <7—1, к — предел выносливости при характеристике цикла г=—1 и концентраторе К; Ф—O-.j/tffj — коэффициент свойств материала; ад—предел прочности. Для сталей t|)=0,27—0,34. Коэффициент y определяется по формуле V = 1/(0,60 + 0,2) — (0,60 - 0,2) г <1. (IV.52) При р=1 V = 1/(0,8 — 0,4г). (IV.53) Для угловых швов и для основного металла у лобовых угловых швов (без механической обработки) (5=3: V — 1/(2 — 1,6r). (IV.54) Для основного металла без концентраторов напряжений V = 1/(1 — 0,5r). (IV.55) Для сварных стыковых соединений с механической обработкой поверхности V = 1/(1 — 0,6г). (IV.56) Для сварных стыковых соединений, выполненных косым швом без обработки поверхности, V — 1/(1 *3 — 0,8г). (IV.57) IV.3. ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СВАРНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ, РЕЗЕРВУАРОВ И СОСУДОВ, РАБОТАЮЩИХ ПОД ДАВЛЕНИЕМ При расчете труб, штуцеров и коллекторов с отношением толщины стенки к наружному диаметру не более 0,2 номинальная толщина 6 стенки должна быть в> -шт-р+с' (IV58» где р — внутреннее давление; DH —наружный диаметр трубы; п — минималь-* ный коэффициент прочности элемента, ослабленного сварным швом; С=0,26 — увеличение толщины, компенсирующее коррозию и возможное уменьшение толщины по технологическим, монтажным и другим соображениям проектирующих организаций и изготовителей, а также увеличение толщины в местах швов труб и трубопроводов. При расчете конических переходных участков сварных труб 1-с, (IV.59) 2nR cos a — р где D — внутренний диаметр большой трубы; a — угол конуса, 96
•Допускаемое давление в коническом переходном участке [р] = 2л6 [a] cos a/(D + 6). (IV 60) Толщина стенки б сварных цилиндрических сосудов, изготовляемых из вальцованных или штампованных листов, определяется по формуле 6=—— Ь С. (IV.61) 2nR — р Для шаровых сосудов б — +с. (IV.62) AnR — p Допускаемое давление [р] в изготовленном сосуде вычисляют по формулам: для цилиндрических сосудов [р] = 2бДл/ф + 6). (IV.63) для сферических сосудов [р] « 46Rn/(D 4- б). (IV.64) При расчете выпуклых днищ сосудов номинальная толщина стенки б: б = -iff8-. + С* (IV.65) 8nhR где ft —высота выпуклой части днищ по внутренней поверхности. Допускаемое давление [р] в изготовленном выпуклом днище [р] = 8tih6R/D (D + 6). (IV.66) Толщина стенки б плоского днища (крышки) глухого или имеющего центральное неукрепленное отверстие должна быть е > (К/Ко) D У'р/Л, (IV.67) где К — коэффициент, учитывающий особенности конструкции днища; для днищ с отбортованными краями, привариваемыми к сосуду кольцевым швом, /С«0,35; для кованых днищ с цилиндрическим участком /С=0,35—0,45; для плоских днищ, привариваемых к обечайке по всей толщине: с обеих сторон /(=0,5, с одной стороны /С*=0,6; Ко — коэффициент: для днищ и крышек без ослаблений (штуцеров, отверстий) /Со“1; для днищ или крышек с отверстием диаметром d: при a/D<0,35 Ко=0,43; при 0,35<rf/Z) 0,75 Ко=0,85. Допускаемое давление [/?] для плоского днища с известными размерами определяют в случае необходимости по формуле [Р] = (6/СоДЖ)2 Я (IV.68) Гладкие цилиндрические элементы, находящиеся под действием бокового или гидравлического давления, рассчитывают из следующих условий: 0,005 «С (б — C)/Dc О 0,2; DQfL 2; а 8% по формулам: lkp = i,2d0}/'dc<6-0 г (IV.69) 7—194 97
[pj = — |p; (IV.70) 2 ркр = 2°кр(-1)' <1V-7,) где DQ —средний диаметр; L, LKp —длина расчетная и критическая; в — овальность сечения оболочки; | — поправочный коэффициент, определяемый как наименьшее из двух значений: | = 0,7 и Ъ = Х (1 + А,), где А.= <Уо,2/акр» Здесь сгКр критическое напряжение: для Lкр для Z)c/2<L<LKp где Е — модуль упругости; Оо* — предел текучести. При расчете вертикальных цилиндрических резервуаров толщину листа б вычисляют по формуле 6 = р£>/(2Я + Л), (IV.72) где p=*yh — давление, которое определяется на расстоянии 300 мм от нэкней кромки рассчитываемого пояса (п — расстояние от расчетного уровня залива до низа рассматриваемого пояса; у — плотность жидкости); Л — запас на кор'* розию и неравномерность толщины прокатного металла. Чем меньше давление р, тем тоньше листы пояса. Наименьшую толщину пояса в резервуарах задают равной 4 мм. Поперечные швы в резервуарах напряжены значительно меньше. При определении толщины стенок по методу предельных состояний допускаемое напряжение в сварном шве [<тСв]? [*сВ] e Rn/m' (IV 73) где R — расчетное сопротивление; да — коэффициент условий работы, равный обычно 0,8; т — коэффициент перегрузки; для гидростатического давления жидкости т—1,1; для избыточного давления газов и вакуума т*1,2; для сне¬ говой нагрузки т*= 1,4. Сферические и эллиптические оболочки, находящиеся под дейст* вием наружного давления, для которых /д>77 <в-С) +1,63]/ D0 (6-С), 0,005 «в (в-С)/Ос «0,1, рассчитываются по формулам: W = “7 £ркР; (IV.74) РКр = 4,84 g j2 —, для сферических оболочек; . .98
л _ = 1.21Б f -A15—— 1 '—для эллиптических оболочек; «Р [ a* J где /д—длина дуги по меридиану средней поверхности; а, 6 — соответственно большая и малая полуоси эллипса; [р], р ир — допускаемые наружное и критическое давления. Поправочный коэффициент £ определяется как наименьшее из значений 1 = 0,15 И 1 = V(1 +*,). где Х=а0>2/акр. Критическое напряжение для оболочек: сферических °кр =* 1»2Е (б-С)/О0, эллиптических акр «= 0.6Е6 (б - С)/а*. IV.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, РАСЧЕТНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ Характеристиками механических свойств сварных швов и соединений являются: предел прочности ав, предел текучести <гт, относительное удлинение б, коэффициент поперечного сужения ф, угол изгиба а, пределы выносливости а_ь ст0 при различных циклах нагружения. За расчетное сопротивление о при условии достижения металлом конструкции и сварного предела текучести ат принимается о = ат Ктт (IV.75) где /С—0,8—0,85 — коэффициент однородности металла; mi, т2 — коэффициенты условий работы соответственно материала и элементов конструкции. Элементы стальных конструкций тг 1. Сплошные балки и сжатые элементы ферм перекрытий над залами театров, клубов и кинотеатров, под трибунами и т. п. при массе перекрытий, равной или большей нагрузки 0,9 2. Сжатые основные элементы (кроме опорных) решетки ферм покрытий и перекрытий (например, стропильных и аналогичных им ферм) при гибкости их к> 60 0,8 3. Сжатые раскосы пространственных решетчатых конструкций из одиночных уголков, прикрепленных к поясам одной полкой с помощью сварных швов: при перекрестной решетке с совмещенными в смежных гранях узлами 09 при елочной и перекрестной решетках с несовмещен¬ ными в смежных гранях узлами 0,8 4. Подкрановые балки для кранов грузоподъемностью более 5 т с режимами работы тяжелым, весьма тяжелым и тяжелым непрерывным 0,9 5. Колонны гражданских зданий и опор водонапорных башен 0,9 6. Сжатые элементы из одиночных уголков, прикрепляе¬ мых одной полкой (для неравнополочных уголков только узкой полкой), за исключением элементов конструкций, указанных в п 3, и плоских ферм из одиночных уголков • »•••••»•»•••*•• 0,75 7» 99
В табл. IV.9—IV.15 приведены справочные данные по механическим свойствам сварных соединений из различных материалов. IV.9. Расчетные сопротивления сварных швов в конструкциях при механизированной и ручной сварке, МПа Сварной шов Вид напряженного состояния Условное обозначение Сталь СтЗ, Ст4, электроды Э42, Э42А Сталь 14Г2,. 15ГС, электроды 350А при толщине проката, мм Сталь 09Г2С, 10Г2С1 Сталь юхснд до 20 21—32 электроды 355 Стыковой Сжатие Растяжение при сварке: автоматической, полуавтоматической и ручной с применением для контроля качества швов способов: повышенного (гамма-просвечивание, ультразвук и др.) обычного (наружный осмотр, измерение швов И др.) Срез С R? ПСВ *Чр ПСВ *Чр 210 210 210 180 130 290 290 290 250 170 280 280 280 240 170 290 290 290 250 170 340 340 340 290 200 Угловой Сжатие, растяжение и срез 150 200 200 200 240 IV.10. Свойства металла швов в стыковых сварных соединениях Металл или сварное соединение °Т 1 ав 6 1 ' Ф МПа % МСтЗ без термической обработки, образцы диаметром 6 мм 293 455 367 65,9 Сварное соединение на стали МСтЗ под керамическим флюсом, сварка в три слоя, 6=13 мм, образцы диаметром 6 мм вырезаны поперек шва 324 470 221 62,1 Сталь 15ХСНД без термической обработки 350 500 210 Металл шва, полученный при автоматической сварке в углекислом газе пластин из стали 15ХСНД, 6 = 14 мм 460 650 222 100
IV.И. Механические свойства металла наплавленного, и стыковых сварных соединений Тип Металл шва или наплавленный при Va>2.5 мм Сварное соединение при d9<2,5 мм электрода МПа /Сс, Ю-5 Дж/м* б, % ав, МПа а, град 1 2 3 4 5 6 Э34 340 340 30 Э42 420 8 18 420 120 Э42А 420 14 22 420 180 Э46 460 8 18 460 120 Э46А 460 14,6 22 460 150 Э50 500 6 16 500 90 Э50А 500 13 20 500 150 Э55 550 12 20 550 140 Э60 600 6 16 — Э60А 600 10 18 — — Э70 700 6 12 — Э85 850* 5* 12* — Э100 1000* 5* 10* — — Э125 1250* 4* 6* — — Э145 И50* 4* 5* — — Примечание. Звездочкой обозначены механические свойства металла после термической обработки. IV.12. Пределы выносливости сварных соединений низколегированных сталей, МПа Марка стали —1 Марка стали 14Г2 97 15ГС 108 14ХГС 91 19Р 89 10Г2СД 70 09Г2С 78 10Г2С1 10Г2СД 10ХСНД 150 150 (терми-" чески обработанная сталь) 15ХСИД (горячекатаная) 15ХГ2СМФ М16С 68 68 80 70 72 70 Примечание. Толщина испытываемых материалов равна 20 мм, 101
IV. 13. Расчетные сопротивления деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой, МПа Листы толщиной, мм Плиты толщиной, мм Профили толщиной, мм Марка сплава Трубы Поковки о 1 ю о О 7 1 ю 10,1—25 О 3 1 СО (М 10,1—20 х в АД31 70 70 70 70 70 70 70 70 70 АД31-Т1 120 120 120 120 120 120 120 120 120 АДЗЗ-1 95 85 95 95 95 95 95 95 95 АДЗЗ-Т1 160 160 160 160 160 160 160 160 160 АД351-Т 100 100 100 100 100 100 100 100 106 АД35-Т1 190 170 170 170 170 170 190 190 190 АВ-Т 115 100 110 100 100 90 100 100 100 АВ-Т1 175 160 170 170 170 160 170 170 170 В92-Т 1 240 — 190 190 190 190 240 250 260 Д1-Т 185 160 160* 160* 190 180* 185 195 21Q Д16-Т 230 — 240* 240* 240* 240 150 260 270 В95-Т1 300 300 290 300* 290 290* 300 320 340 АВ-М (без термообработки) 70 70 70 70 70 70 70 70 70 Примечание. Звездочкой отмечены расчетные сопротивления для плакированных листов и плит. IV.14. Расчетные сопротивления деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой, МПа Сплав Листы толщиной, мм Плиты Трубы Покоъха 0,5—4 5—10 АД 1-М 25 25 25 25 25 АМц-М 40 40 40 40 40 АМц-П 100 100 100 100 100 АМг-М 70 70 70 70 60 АМгЗ-М 80 80 70 70 60 АМг-П 140 140 120 120 110 АМгЗ-П 140 140 120 120 НО АМг5-М 130 110 100 130 100 АМгб-М 140 140 140 140 140 АМг61-М 160 160 160 180 160 102
IV. 15. Расчетное сопротивление металла сварных соединений и швов, выполненных аргонодуговой сваркой, МПа Марка Сварной шов стыковой угловой присадочного свариваемого сплава материала Сжатие, растя¬ жение, изгиб Срез АД1 АД1 25 15 АМц АМц 40 25 АМг.АМгЗ АМгЗ, АМг5 70 45 АМг5 АМг5, АМгб 110 65 АМгб АМгб, АМг7 140 85 АМгб АМг7, АМг61 160 100 70 40 АД31-Т 70 Св-АК5, Св-АКЗ, 80 50 АД31-Т1 Св-АКЮ, ЯЛ — Св-АК12 Ov АДЗЗ-Т, АД35-Т» АВ-Т 100 60 100 АДЗЗ-Т I, АД35-Т1 АВТ1 при толщи¬ не, мм: Св-АК5, Св-АКЮ, 3 Св-АК12 по 65 по 4—W 60 90 В92-Т при толщи¬ не, мм: 4 С-В92 170 100 160 Св-АК5 90 170 5-12 Св-В92 150 150 150 Св-АК5 150 90 Примечание. В числителе и знаменателе приведены соответственно расчетные сопротивления металла при сварке плавящимся и неплавящимся электродами. 103
IV.5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИИ В ЭЛЕМЕНТАХ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Напряжения и деформации в сварной конструкции после ее остывания называются остаточными; Поле остаточных Напряжений может быть одно-, двух- и трехосным. Продольные напряжения ох действуют вдоль шва. Перпендикулярно оси шва в плоскости свариваемых пластин действуют поперечные остаточные напряжения ау. Напряжения, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости цластин, обозначают а*. Значительные по величине напряжения Gz возникают, как правило, при толщине металла брлее 40— 50 мм, поэтому для большинства строительных конструкций характерны поля одно- и двухосных остаточных напряжений. Максимальные растягивающие напряжения ох в иизкоуглеррдистых сталях обычно достигают в шве и околошовной зоне значений предела текучести. Далее в зоне термического влияния они уменьшаются, падают до нуля и затем переходят в сжимающие напряжения в основном металле. На рис. IV.12, а и IV.13 показано распределение остаточных напряжений ах и оу в средней части сварной пластины толщиной 8 мм из стали марки СтЗ в направлении, перпендикулярном шву (распределение сг*), и по длине шва (распределение ау). Поперечные напряжения оу по величине меньше напряжений Ох. В начале и конце шва напряжения ау сжимающие, в средней части шва — растягивающие. Характер распределения остаточных напряжений в конструктивных элементах подобен их распределению в пластинах. На рис. IV.12, б показано распределение напряжений ох по ширине полки от продольного двустороннего шва в тавровой балке (размеры полки и стенки 12X200X200 мм, материал — сталь СтЗ), а на рис. IV. 12,в — распределение этих же напряжений по высоте стенки. В перлитных, аустенитных сталях, титановых и алюминиевых сплавах распределения остаточных напряжений имеют, как правило, одинаковый характер. Однако в титановых сплавах максимальные напряжения ох в шве достигают (0,5—0,8) <гт, а в алюминиевых сплавах — (0,6—0,8) ат. В случае сварки среднелегированных сталей, испытывающих при используемых режимах структурные превращения в низкотемпературной области, знак остаточных напряжений Ох в шве и зоне термического влияния может быть различным. Когда химический состав присадочного и основного металлов совпадает, в шве образуются сжимающие, а в околошовной зоне — растягивающие напряжения ох, переходящие в основном металле в небольшие по величине сжимающие напряжения. В случае сварки этих сталей аустенитным присадочным материалом, позволяющим избежать образования холодных трещин, в шве появляются растягивающие напряжения ох, 104
IV. 12. Распределение напряжений ох а — в пластине; б — в полке балки; в — в стенке балки (ty, МПа IV. 13. Распределение напряжений а у в пластине IV.6. ОСТАТОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА Продольная и поперечная усадка швов, неравномерно распределенная по сечению свариваемых элементов, сжимающие остаточные напряжения, действующие в нежестких конструктивных элементах, 105
IV, 14. Виды (а—е) сварочных деформаций приводят к возникновению остаточных деформаций сварных конструкций. На рис. IV. 14 показаны некоторые наиболее распространенные виды сварочных деформаций. Продольный шов или газовый рез на кромке полосы приводят к искривлению ее продольной оси (см, рис. IV. 14,а). Неравномерная по толщине свариваемых листов и по сечению шва поперечная усадка вызывает деформации грибовидности (см. рис. IV. 14, б) и углового поворота (см. рис. IV. 14, в). Усадка продольных и поперечных швов в конструкциях типа балочных приводит к значительным изгибным деформациям балок (см. рис. IV. 14,г). От кольцевых и продольных швов в оболочковых и трубчатых конструкциях возникают деформации, показанные на рис. IV. 14, д, е. Кроме указанных видов возможны потеря устойчивости, коробление листовых элементов конструкции под действием сжимающих остаточных напряжений, скручивание балок относительно продольной оси и т. д. Е большинстве случаев, особенно при сварке сложных конструкций, возникает несколько видов остаточных сварочных деформаций. Определение тепловых параметров процесса сварки. Эффективная тепловая мощность сварочной дуги, если известны параметры режима сварки, определяется по формуле q = n IU, (IV.76) где я — эффективный КПД процесса нагрева; / — сварочный ток; U — напряжение дуги. Погонная энергия сварки в этом случае qn =<7/wc. (IV.77) где ос — скорость сварки. Если режим сварки не известен, но задано поперечное сечение наплавляемого за один проход металла шва (стыкового или угло¬ вого), погонная энергия да равна: = <lV*78> где Q 0 *— коэффициент, определяемый по табл. IV. 16; Рщ—площадь поперечного сечения наплавленного металла шва. 106
1V.16. Значения фг.для различных способов сварки Способ сварки Строчные материалы Дж/мм* Ручная электродуговая Электроды: 65 УОНИ 13/45 ЭА395/9, ЭА606/10, ЭА400/10 42 ЭА606/11, 48Н-1 46 ' ЭА981/15 48 Полуавтоматическая Проволока Св-08ГС 38 в С02 Автоматическая и полу¬ Проволока Св-08А, флюс ОСЦ- 65 автоматическая под флю¬ 45 сом Проволока Св-ЮГСМТ, флюс АН-42 71 При сварке угловых соединений (тавровых, нахлесточных) часть погонной энергии, вводимая в свариваемые элементы, определяется в зависимости от соотношения их толщин. Так, в случае приварки стенки толщиной бс к полке толщиной бп, в результате чего образуется тавровое соединение, погонная энергия, вводимая в полку <7п.п и стенку <7п8с, может быть приближенно вычислена по формулам: *MeV®V(*n+ec). <IV79> *п.с = V6c/(26n + 6c)' <IV*80> Формулы (IV.79) и (IV.80) дают наиболее точные результатыйри бп/6с<1,7. Они справедливы для низкоуглеродистых, низколегйрЪванных и аустенитных сталей, а также для титановых и алюмйнйёвых сплавов толщиной примерно до 16 мм. Расчет продольной усадочной силы и деформаций от продольный Швов. Действие продольной усадки от продольных швов в балочных конструкциях заменяется действием фиктивной продольной усадочной силы Рус. Усадочная сила пропорциональна площади зоны пластической деформации и прикладывается к центру тяжести этой площади. Величина Рус в общем случае определяется в зависимости Ьт погонной энергии, удельной погонной энергии сварки, жесткости свариваемого конструктивного элемента. Вследствие довольно высокой жесткости балок, применяемых в строительстве, и относительно умеренных удельных погонных энергий, используемых при их сварке, влияние этих двух факторов на Рус в данном случае не очень велико, и Рус может быть вычислена по формуле рус = QB/vc. (IV.81) Ниже приведены значения коэффициента В для погонной энергии, выраженной в Дж/мм, при, этом усадочная сила, определяемая по формуле (IV.81), исчисляется .в, ньютонах. 107
Для однопроходных стыковых, нахлесточных и тавровых сварных соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей В~ 170, для однопроходных соединений листов из сплава АМгб толщиной 5—12 мм £=140—150 — стыковые швы и В = 160—170 — тавровые соединения с одним угловым швом. Усадочная сила при однопроходной сварке двусторонних продольных швов с одинаковой погонной энергией в тавровых балках определяется по следующей формуле: <1.3- 1.44) Рув> где РуС — значение усадочной силы для одностороннего шва, определенное по формуле (IV.81). Для упрощения инженерных расчетов можно считать, что при многопроходных сварных соединениях, если зона пластических деформаций от последующего прохода частично перекрывает зону пластических деформаций от предыдущих проходов, добавочная Рус от каждого прохода составляет ~15% Рус, вычисленной по формуле (IV.81). Аналогичная схема расчета принимается и для швов, расположенных рядом. Расчетная сила в этих случаях будет равна сумме Рус от всех проходов или швов. Для прерывистого шва рус.пр = рус V'- <IV 82> где t т— длина участка шва; / — шаг прерывистого шва. При ручной дуговой сварке продольных швов в балках в случаях сварки «на проход» или «вразброс» Рус практически одинакова и может быть получена по формуле (IV.81). Когда сварка выполнена «от середины», Рус на 15—20 % меньше, чем в первых двух случаях. Продольное укорочение балки от сварки продольных швов Апр вычисляется по формуле дпр = Рус L/EF. (IV.83) где L — длина балки; Е — модуль упругости; F — площадь поперечного сечения балки. Сварка продольных швов вызывает угловой поворот <р концов балки и ее прогиб f, которые определяются по следующим формулам: Ф = Рус eL/EI, (IV.84) f = Яус eL/SEI, (IV.85) где / — момент инерции балки; е — расстояние между точкой приложения усадочной силы и центром тяжести поперечного сечения балки. В тавровых, двутавровых и коробчатых балках можно считать, что усадочная сила приложена на линии контакта свариваемых элементов, например на линии стыка полки со стенкой. 108
Формулы (IV.81J, (1У.83)—(IV.85) можно использовать для расчета деформаций полос при их газовой вырезке (см. рис. IV. 14,а). При этом в формулу (IV.81) в качестве погонной энергии q следует подставлять энергию, определенную режимом газовой резки. В случае одновременной вырезки полосы с двух сторон (двумя резаками) суммарный остаточный изгиб полосы на кромку =0. При сварке продольных швов в тавровых и нахлесточных соединениях возникают угловые деформации (рис. IV. 15), которые складываются из деформаций изгиба полки р вследствие неравномерного поперечного сокращения металла по толщине полки и поворота полки тавра w как жесткого целого в результате усадки шва в направлении гипотенузы. При однопроходной односторонней сварке деформация изгиба полки Pi (см. рис. IV. 15) может быть определена по номограмме, представленной на рис. IV. 16, в зависимости от отношения qa.п/б. В случае однопроходной двусторонней сварки тавровых соединений деформация изгиба полки Ра+2) вычисляется по следующей формуле: Р<1+2) = 20 + РК' где Зк~ деформация изгиба от усадки катета шва, определяемая по формуле 0К — ет D, где е т— относительная деформация, соответствующая пределу текучести металла шва; D — коэффициент (рис. IV.17), зависящий от величины катета /С, толщины полки бд и стенки б с. Деформация изгиба полки р при однопроходной односторонней и однопроходной двусторонней сварке продольных швов практически постоянна по длине для случаев сварки в С02, под флюсом и ручной дуговой сварки. Угол поворота полки тавра ш зависит от предварительного закрепления полки со стенкой. Если они предварительно сварены ниточным швом, угол w мал и им можно пренебречь. Если элементы балки собраны на прихватках, угол поворота полки от однопроходного одностороннего шва вычисляется по формуле w =— 2аТх m — 0.0008Х, где а — коэффициент линейного расширения; Тх — характерная температура, равная для низкоуглеродистых и низколегированных сталей 750—800 °С; =0,7 — коэффициент, учитывающий сопротивляемость изгибу сборочных швов? X — расстояние от начала шва до сечения, где определяется угловая деформация. Угол поворота принимается отрицательным, когда соответствующая половина полки пригибается к стенке. Суммарная угловая деформация полки, вызванная ее изгибом 109
IV. 15. Угловая деформация полки тавра Арад vcb312мм/с t 2 j * S IV. 16. Номограмма для определения угловой деформации при сварке встык и втавр IV. 17. Номограмма для определен ния коэффициента D и поворотом, выражается через углы поворота Yu и Y21 левой и правой половин полки относительно их исходных положений. Из рис. IV.15 видно, что: Vn = 1- 0i/2, Vtt = Щ — PiA Если элементы балки предварительно сварены ниточными швами, углы Yu и Y21 практически постоянны по длине балки при однопроходной односторонней сварке. Если балка собрана на прихватках, эти углы по длине балки непостоянны, что приводит к винтообразности полки. При однопроходной двусторонней сварке тавровых и двутавровых балок для уменьшения винтообразности полки, вызванной укладкой первого шва, второй продольный шов следует сваривать в том же направлении, что и первый. В противном случае винтообразность полки возрастет. Расчет поперечной усадки и деформаций от поперечных швов. Поперечные швы в балках, приваривающие различные конструктивные элементы и ребра жесткости на полках и стенках, сваривающие стыки полок, смещены относительно центра тяжести сечения балок. Поперечная усадка таких швов вызывает продольное укорочение сварной балки в направлении ее длины и деформации изгиба балки. При сварке поперечных швов на полках балок основное влияние на поперечную усадку АПОп и прогибы f балок оказывает глубина проплавления полки. Поперечные по отношению к сварному шву элементы жесткости (стенка, ребра) несколько уменьшают АПОп и f. Остаточные напряжения от продольных швов, выполненных до сварки поперечных швов, увеличивают деформацию балок открытого про¬ 110
филя от поперечных швов. В ийженерных расчетах деформаций балочных: строительных конструкций можно ограничиться учетом влияния глубины проплавления на ДПоп и f. При однослойной сварке соединений на пластинах щш на конструктивных элементах балок поперечная усадка Дпоп определяется по формуле а су (IV.86) где А — безразмерный коэффициент, учитывающий влияние глубины проплав¬ ления на Дг су — объем зая теплгемкость; б — толщина пластины. При расчете по формуле (IV.86) поперечной усадки от таврового или нахлесточного сварного соединения необходимо учитывать только ту часть погонной энергии qt которая вводится в рассчитЫва-. емый элемент, т. е. погонную энергию, определяемую по формулам (IV.79) и (IV.80). Коэффициент А (табл. IV. 17) зависит от способа сварки, погонной энергии <7п, удельной погонной энергии q0. •- IV. 17. Формулы для определения коэффициента А Способ сварки <7Д» Дж/мм <7о=<?п/б, Дж/мм2 А Под флюсом (переменный ток) 5460—5880 <464 >464 0,06+2,02-10-8 <70 1050—2230 <314 >314 0,15+2,72-10—3д9 1400—1460 <84 84—193 >193 0,15+2,72-10— —0,12+5,83- 10-з щ В СОг и под флюсом (постоянный ток) 1100—1140 <38 38—168 >168 0,15+2,72- 10-» а, 0,02+5,83-10—80о 860—900 и менее <12,5 12,5—150 >150 0,15+2,72-10—8 о. 0,12+5,83-10—3 Если погонная энергия, вводимая в рассчитываемый конструк* тивный элемент, находится между указанными в табл. IV. 17 диапа* зонами <7Ш коэффициент А определяется интерполяцией его величия, 111
вычисленных по формулам для соседних диапазонов погонных энергий в зависимости от конкретной величины удельной погонной энергии <7п/6. При сварке многослойных поперечных угловых швов в балках слои, смещенные на привариваемый конструктивный .элемент, практически не дают приращения поперечной усадки. Приращение поперечной усадки Лп от каждого слоя, смещенного на полку цли стенку, вычисляется по формуле ДП=(0.5-0.7)ДПОП1. (IV.87) где Д П0П£ поперечная усадка от первого слоя. Коэффициент 0,7 относится к стенкам и полкам балок, собранных на прихватках или предварительно сваренных односторонними продольными швами с малым катетом. Коэффициент 0,5 относится к полкам балок, предварительно сваренных двусторонними продольными швами с большим катетом. Суммарная поперечная усадка от многослойного углового поцеречного шва лпоп в дпоп1 дп*’ (IV.88) где k — число слоев, смещенных на полку или стенку; А — приращение усадки от очередного слоя; i — порядковый номер слоя. При сварке коротких многослойных поперечных швов на узких пластинах или полках балок с увеличением числа слоев значительно возрастает неравномерность распределения поперечной усадки по длине шва. Усадка в начале шва намного больше, чем в конце. Эта неравномерность усадки вызывает изгиб пластины или балки в плоскости свариваемого элемента (пластины или полки) и прогиб при этом может достигать большой величины. Для уменьшения неравномерности поперечной усадки и вызванных ею прогибов в плоско¬ сти свариваемого элемента следует изменять направление сварки последующего слоя по сравнению с предыдущим. При наличии нескольких поперечных швов на полке балки или на узкой пластине целесообразно сваривать рядом расположенные швы в противоположном направлении. Общая кривизна балки при этом уменьшается. Зная поперечную усадку, можно определить угол излома и прогиб балки от поперечного шва. Так, например, от сварки поперечного шва на полке угол излома балки ср: ф = ДПОП s//’ <IV*89> где S — статический момент части сечения, где расположен поперечный шов, т. е. статический момент полки, относительно центра тяжести сечения балки? / — момент инерции поперечного сечения балки. 112
Прогиб балки от поперечного шва f : / = <pL(L6-t)/tg. (IV.90> где L — расстояние от конца балки до поперечного шва; Lq — длина балки. Если поперечный шов расположен посередине длины балки, f = <pL6/4. (IV.91) Прогиб балки f от двух одинаковых поперечных швов, симметрично расположенных относительно середины длины балки и находящихся на расстоянии Lt от ее концов; определится формулой / = Ф, (IV.92) где ф — угол поворота балки от одного шва. Если таких пар швов несколько, то суммарный прогиб от них / = 2 <f>4 Lv (IV.93) 1 * * где я—*число пар симметрично расположенных швов. Помимо прогиба балки, по известной величине Апоп можно вычислить продольное укорочение балки Апр от поперечной усадки полки по формуле пр ~ поп FJFV (IV.94) где площади поперечных сечений полки и балки. Суммарные остаточные деформации балки от продольных швов и от различно расположенных поперечных швов определяются методом суперпозиции. При этом продольное укорочение балки находится арифметическим сложением укоррчений от отдельных швов, полученных по формулам (IV.88) и (IV.94), Суммарный прогиб балки находится геометрическим суммированием прогибов от отдельных швов, вычисленных по формулам (IV.85), (IV.90)—(IV.93). Примеры расчета. 1. Требуется определить прогиб тавровой балки из стали СтЗ от сварки одностороннего двухслойного продольного шва катетом 10 мм, соединяющего полку со стенкой. Сварка ведется в СОг, погонная энергия сварки одного слоя 1050 Дж/мм. Размеры поперечных сечений полки и стенки 12x200 мм, длина балки 10 м. Площадь поперечного сечения тавра F=4,8X103 мм2, статический момент поперечного сечения полки относительно центра сечения балки S= 1,27 XI О5 мм8, момент инерции сечения балки /= =2,153ХЮ7 мм4. Расстояние между линией стыка полки со стенкой и центром тяжести поперечного сечения балки е=47мм. Определяем по формуле (IV.81) фиктивную усадочную силу от первого слоя рус = 170.1050 = 178500 Н. 8—194 ИЗ
Усадочная сила от двухслойного шва Русг: /> = 1,15Р „ = 1,15* 178600 5=* 205000 Н. УСл УО По формуле (IV.85) находим прогиб балки от одностороннего двух* слойного продольного шва катетом 10 мм 205000*47.100008 / 28 мм. 8-2.105.2,153.107 2. Требуется определить прогиб тавровой балки из стали СтЗ от однопроходной сварки продольного двустороннего шва катетом 9 мм, соединяющего полку со стенкой, а также от сварки двух однопро* ходных поперечных швов катетом 9 мм, приваривающих к полке по-* перечное ребро толщиной 9 мм, расположенное посередине балки. Сварка ведется в С02, погонная энергия сварки </п=1500 Дж/мм, Геометрические характеристики балки такие же, как и в примере 1. Определяем по формуле (IV.81) усадочную силу от одного однослойного продольного шва РуС: рус = 170-1500 = 255000 Н. Усадочная сила от двустороннего продольного шва Рус*: РУС2 “ 1,35Рус в 1 *35.255000 = 345000 Н. По формуле (IV.85) вычисляем прогиб балки /пр от двустороннего продольного шва: 345000 ♦ 47.100002 fnn = 47 мм. пр 8-2.105.2,153* 107 Определяем по формуле (IV.79) часть погонной энергии, qn.п, приходящуюся на полку при сварке одного поперечного шва катетом 9 мм, приваривающего к полке толщиной 12 мм поперечное ребро толщиной 9 мм q — 1500 = 1100 Дж/мм. п,п 2-12 + 9 Удельная погонная энергия qQ t= 1100 *, 12 = 91,5 Дж/мм*. По формуле из табл. IV, 17, соответствующей случаю сварки в С02 в диапазоне погонных энергий 1100—1140 Дж/мм, находим коэффициент А: А = 0,02 -f 5,83.10—?.91,5 = 0,56. По формуле (1V.86) определяем поперечную усадку полки от одного поперечного шва катетом 9 мм Апощ: 19.10—в Дмлтт1 = 0,56 91,5 = 0,13 мм. 1ЮП1 4,83.10-8 114
Поперечная усадка полки Апоо от двух поперечных швов кэтетом 9 мм, приваривающих к неб поперечное ребро, будет равна: Апоп" onl2'0,13*0,26 «■ Угол излома балки от приварки к полке поперечного ребра определяем по формуле (IV.89) Ф = 0,26 —= 0,00154 рад. 2,153» 107 Прогиб балки от приварки к полке поперечного ребра f0оп, расположенного посередине балки, находим по формуле (IV.91) 0,00154.10000 /поп = J = 3*9 мм Суммарный прогиб балки от продольных и поперечных швов Ь = 'пр + 'шш ~ 47 + 3‘9 - 50'9 мм- IV.7. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ Методы уменьшения и устранения остаточных сварочных напряжений и деформаций основаны на трех принципах, которые используют при построении различных технологических приемов: уменьшение пластических деформаций укорочения на стадии нагрева; искусственное создание пластических деформаций удлинения на стадии охлаждения или после сварки; компенсация возникающих .остаточных деформаций за счет создания предварительных обратных деформаций, симметричного расположения швов, рациональной последовательности сборки и сварки. IV.7.1. Методы снижения остаточных напряжений при сварке Остаточные напряжения могут быть снижены на 85—90 % применением высокого отпуска сварных конструкций. Операция отпуска состоит из четырех стадий: нагрева, выравнивания температуры по объему детали, выдержки и охлаждения. Продолжительность нагрева выбирают в зависимости от мощности печи и допускаемой скорости возрастания температуры. Для пластичных металлов скорость нагрева может достигать нескольких сотен градусов в 1 ч. Продолжительность выравнивания температуры зависит от размеров детали. Наиболее распространенная температура выдержки 550—680 °С. 8* 115
Продолжительность выдержки выбирают в соответствии с необходимой степенью снижения остаточных напряжений. При высоких температурах отпуска остаточные напряжения эффективно снижаются в процессе нагрева. Для конструкционных сталей снижение одноосных напряжений в процессе нагрева ан может быть описано уравнением он = w<V <IV-95> где <J fJ—напряжение после окончания стадии нагрева в момент начала выдержки; N — коэффициент, зависящий от достигнутой температуры нагрева и марки стали (табл. IV.18); (То — исходное напряжение. IV. 18. Значения коэффициента N Марка стали Температура, °С 500 550 600 650 15Г2СМФ 0,58 0,38 0,27 15ГН4М — 0,33 0,19 0,13 30Х2ГМТ — 0,5 0,36 — МСтЗ (закалка) 0,32 — — — МСтЗ (нормализация) 0,21 —- _ В процессе выдержки остаточные напряжения снимаются менее интенсивно. Этот процесс можно описать зависимостью °t= ан('"о)В- (IV .96) где —напряжение через время t после начала выдержки; / — время выдержки, мин; to—10 мин; В — показатель степени, значения которого приведе* ны в табл. IV.19. IV.19. Значения показателя степени В Марка стали Температура отпуска, °С 500 550 | 600 650 15Г2СМФ 15ГН4МТ 30Х2ГМТ МСтЗ (закалка) МСтЗ (нормализация) —0,176 —0,16 —0,073 -0,16 —0,062 —0,08 —0,185 —0,081 —0,12 —0,082 Для большей эффективности и экономичности снижения остаточных напряжений при отпуске целесообразно повышать температуру отпуска, а не увеличивать время выдержки. Независимо от толщины металла достаточно после выравнивания температуры дать выдержку около 3 ч, после чего можно начинать охлаждение. В табл. IV.20 приведены менее эффективные методы снижения остаточных напряжений. 116
IV.20. Методы снижения остаточных напряжений Метод Характеристика метода Дополнительные сведения Местный отпуск Нагревается часть конструкции в зоне сварного соединения. Необходимо добиваться плавного изменения температуры в зоне перехода от ненагретой к нагретой части детали После остывания снова возникают остаточные напряжения, меньшие по величине Поэлементный отпуск Отпускаются отдельные узлы конструкции, включающие зоны, где необходим отпуск. Отпущенные узлы сваривают между собой швами без резких концентраторов Необходимо высокое качество технологии сварки Предварительный и сопутствующий подогревы при сварке С увеличением температуры подогрева остаточные напряжения снимаются эффективнее. Низкотемпературный подогрев до 200— 250 °С снижает остаточные напряжения в стали не более чем на 30—40 % Улучшается структура металла Термомеханиче¬ ский По обе стороны от шва индукторами или движущимися газовыми горелками создают два пятна нагрева до температур 150—200 °С. Вслед за пятнами нагрева движутся душевые охладители Снижаются максимальные остаточные напряжения Проковка металла Выполняется непосредственно после сварки по горячему металлу или после полного остывания конструкции В малопластичных металлах возмо* жен наклеп 117
Продолжение табл. IV.20 Метод Характеристика метода Допол нител ьные сведения Прокатка сварного соединения Зона сварного соединения прокатывается цилиндрическими роликами шириной 5—15 мм. Усилия на ролики передаются приводом от гидравлических и пневматических цилиндров давления Необходимо сложное специализированное оборудование Приложение нагрузок к сварным соединениям Нагрузки прикладываются во время сварки или после полного остывания. Свариваемый элемент растягивается или изгибается с образованием растягивающих напряжений в зонах максимальных остаточных напряжений Полное снятие ос«* таточных напряжений возможно, если нагрузка вызывает текучесть всего сечения Вибрация сварной конструкции Осуществляется на спецн альных ввбростеидах Применяется для тонколистовых конструкций IV.7.2. Методы уменьшения остаточных сварочных деформаций Все мероприятия по уменьшению сварочных деформаций можно разделить на три группы в зависимости от того, применяются ли они до сварки, в процессе ее или после сварки. Мероприятия, применяемые до сварки. Рациональное конструирование сварного изделия. Необходимо назначать минимально допускаемые по расчету сечения швов, использовать сварные соединения и виды сварки, осуществляемые с малыми погонными энергиями. Целесообразно избегать одностороннего расположения поперечных швов в балках. Предпочтительны нахлесточные соединения, допускающие компенсацию возникающих сокращений за счет беспрепятственного перемещения свариваемых элементов. При сварке конструкций, включающих тонколистовые элементы, для уменьшения вероятности потери устойчивости необходимо располагать швы на жестких каркасах, чтобы разгрузить тонкие листы от напряжений сжатия. Назначение размеров и сборка заготовок с учетом величины и характера ожидаемых деформаций. Возможны использование углового 118
3) ?) ЗОНА НАГРЕВА ZZZP - IV. 18. Способы (a—e) уменьшения сварочных деформаций излома, обратного сварочному (рис. IV. 18, а), сборка листов с переменным зазором по длине для компенсации угловых деформаций в плоскости свариваемых элементов (см. рис. IV. 18, б), раскрой стенки тавра с начальной кривизной (см. рис. IV. 18,в) и т.п. Назначаются увеличенные размеры конструктивных элементов для компенсации их укорочений от продольной и поперечной усадки. Сюда же относятся подогрев листов с целью их удлинения перед сборкой на прихватках, а также натяжение листов перед сваркой, если они могут потерять устойчивость вследствие деформаций укорочения, вызываемых усадкой. Деформации конструктивных элементов, обратные сварочным, могут создаваться и путем пластического деформирования заготовок. Методы расчета величин ожидаемых деформаций были рассмотрены выше. Создание напряжений растяжения в зоне шва изгибом или растяжением детали в приспособлении. При сварке по растянутому металлу (см. рис. IV.18, г) возникает меньшая усадочная сила. Если прикладываемые начальные напряжения в зоне сварки близки к пределу текучести металла, усадочная сила, а следовательно, и вызываемые ею деформации будут незначительны. При сварке тонкого металла ограничиваются растяжением лишь в зоне шва, упруго изгибая лист в" двух направлениях. Мероприятия, применяемые в процессе сварки и после нее, представлены в табл. IV.21 и IV.22. 119
IV.21. Методы уменьшения сварочных деформаций во время сварки Метод Характеристика метода Допол нител ьные сведения Рациональная технология сборки и сварки 1. При сборке — максимальное использование клиновых и центровочных приспособлений, по возможности исключение скрепления деталей прихватками, создающими жесткое закрепление 2. При сварке — выбор последовательности выполнения швов, обеспечивающей минимальные суммарные деформации. Например, в двутавровой несимметричной балке (рис. IV.18, д) сначала собирают и сваривают швы /, 2, а затем швы 5, 4. При сварке листовых конструкций, сначала выполняют поперечные швы отдельных поясов, а затем сваривают пояса между собой Рациональная по-* следовательность сварки швов устанавливается расчетом ожидаемых деформаций (см. п. IV.6) Регулирование погонной энергии сварки 1. Уменьшение погонной энергии сварки за счет использования более экономичных режимов и способов сварки 2. Увеличение погонной энергии сварки с целью компенсации деформаций. Например, в балке (см. рис. IV. 18, д) швы 1 и 2 целесообразно сваривать на больших погонных энергиях, чем швы 3 и 4 Предпочтительно применять автоматическую и полуавтоматическую сварку вместо ручной Использование жестких приспособлений Изделие во время сварки закреплено в приспособлении. Эффективно уменьшаются временные и частично остаточные деформации Остаточный прогиб уменьшается незначительно Проковка сварного соединения Металл проковывается непосредственно за сваркой. При электродуговой сварке проковка производится молотком, при точечной сварке прикладывается ковочное усилие Метод эффективен для пластичных металлов 120
IV.22. Методы уменьшения сварочных деформаций после сварки Метод Характеристика метода Дополнительные сведения Термическая правка Осуществляют местный нагрев зон, усадка которых уменьшает или устраняет остаточные деформации (см. рис. IV.18, е). Углеродистые стали нагревают газовым пламенем до 600—800 °С. Зоны нагрева имеют форму кругов, полос, клиньев Нагрев по возможности должен быть локальным и концентрированным Высокий отпуск в жестких зажимных приспособлениях После сварки конструктивный элемент упруго деформируется, приобретает правильную форму и зажимается в приспособлении. После отпуска при 550—650 °С конструкция сохраняет форму, которая была ей придана в приспособлении Необходимо использовать достаточно жесткие зажимные приспособления Создание пластических деформаций удлинения в зоне сварного соединения В зоне шва путем изгиба детали, ее растяжения, проковки, прокатки, осадки создают деформации, противоположные по знаку сварочным Для тонколистовых конструкций наиболее эффективно применять прокатку сварных соединений Глава V. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СВАРКИ И РЕЗКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОМЫШЛЕННОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ V.I. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ Сталь углеродистая обыкновенного качества (ГОСТ 380—71*). В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь подразделяется на три группы: по механическим свойствам — А (табл. V.1); по химическому составу — Б (табл. V.2); по механическим свойствам и химическому составу — В. В табл. V.3 приведены нормируемые показатели для этих групп с I алей. 121
УЛ. Механические свойства стали группы А (ГОСТ 380—7*) Марка стали Временное сопротивление разрыву <тв, МПа Предел текучести 0"т• МПа, для толщины» мм Относительное удлинение 6в, %. для толщины, мм Изгиб на 180° ДЛЯ ТОЛЩШ1 до 20 мм до 20 21—40 41—100 св. 100 до 20 9 х ся св. 40 не менее СтО Не менее _ _ 23 22 20 d=2 а 300 Ст1кп 300—390 — — — — 35 34 32 1 | d—Oa Ст1пс, Ст1сп 310—410 — — — — 34 33 31 J Ст2кп 320—410 215 205 195 185 33 32 30 Ст2пс, Ст2сп 330—430 225 215 205 195 32 31 29 СтЗкп 360—460 235 225 215 195 27 26 24 ■ d—a СтЗпс, СтЗсп 370—480 245 235 225 205 26 25 23 СтЗГ пс 370—490 245 235 225 205 26 25 23 СтЗГсп 390—570 — 245 — — —• 24 — Ст4кп 400—510 255 245 235 225 25 24 22 1 j" d— 2 а Ст4пс, Ст4сп 410—530 265 255 245 235 24 23 21 J Ст5пс, Стбсп 490—630 285 275 265 255 20 19 17 ] [ d=3a Ст5Г пс 450—590 285 275 265 255 20 19 17 J Стбпс, Стбсп Не менее 315 305 295 295 15 14 12 — 590 Примечания: 1. Допускается превышение верхнего предела временного сопротивления на 50 МПа по сравнению с указанным при условии выполнения остальных норм, а при согласии заказчика — без ограничения верхнего предела. 2. Для листовой и универсальной стали всех толщин и фасонной стали толщиной св. 20 мм значение пре