Основы техники сварки
Сварка — это соединение металлов одинакового или сходного состава под воздействием тепла, с добавлением или без добавления такого же или сходного металла. С помощью сварки детали неразъемно связываются между собой так, что образуется единое целое. Хорошая сварка предполагает прочное соединение, которое достигается только тогда, когда в месте сварки расплавляется и основной материал (зона сварного шва).
Электродуговая сварка
Для стальных конструкций прежде всего рассматривается дуговая сварка, при которой необходимое тепло получают электрической дугой. Дуга образуется между основным металлом и так называемым электродом, который при этом плавится и дает присадочный материал. Правильный выбор присадочного материала (электрода) имеет наибольшее влияние на свойства сварного соединения. Электроды выбираются в соответствии с характерными прочностями основного свариваемого материала. Выбор электродов, определение условий сварки предполагают профессиональные знания, поэтому была создана институция специально подготовленных «инженеров-специалистов по сварочной технике», задача которых, помимо прочего, состоит в надзоре за сварочными работами и в регулярном повторении аттестации сварщиков.
Газовая сварка и резка
При газовой сварке необходимая теплота получается за счет сгорания газа, так что основной и присадочный материалы плавятся. Более важна резка. Резак имеет, помимо тепловой трубки, которая работает так же, как и при сварке, еще одну режущую трубку для кислорода. Сталь, нагретая пламенем, прожигается и продувается струей кислорода. Резка дает гладкие и точные поверхности, достаточные для многих целей стальных конструкций без дальнейшей обработки.
Свариваемость
При оценке сварных соединений следует учитывать, что в процессе сварки может значительно изменяться состав присадочного, а также основного материала. Большое значение имеет и изменение структуры — между расплавленным швом и неизменённым основным материалом, в зависимости от степени теплового воздействия, имеется зона различной структуры и, соответственно, различных свойств. Рядом со швом находится область, в которой плавился основной материал (зона провара) и в которой осуществляется соединение между зоной сварки и основным материалом. Окружающая зона материала также ещё сильно нагревается, хотя здесь уже не достигается точка плавления. В этой зоне перегрева происходят значительные изменения структуры, так что она часто является решающей для свойств всего сварного соединения.
Растрескивание шва означает появление трещин в шве, которые возникают непосредственно после сварки еще при высокой температуре или, возможно, лишь при охлаждении в области синего каления (примерно при 300oC). Растрескивание в высокой степени является свойством электродов, оно появляется почти только у покрытых электродов, которые как раз важны для стальных конструкций. Для появления трещин необходимы два условия, а именно высокие напряжения вследствие процесса сварки или других внешних воздействий, а также повышение жесткости материала.
Помимо металлургических изменений в составе и структуре материала важны и физические процессы, связанные с большими количествами теплоты, которые при сварке подводятся к материалу и с достигаемыми при этом высокими температурами. Нагрев происходит неравномерно, а только в узко ограниченных областях. Связанное с нагревом тепловое расширение сдерживается внутренними напряжениями нагретой зоны ненагретым материалом. Кроме того, возникает и внешнее напряжение, поскольку детали при сварке должны быть прочно зажаты, поэтому при нагреве появляются пластические сжатия. При охлаждении шов и его окрестность сокращаются сильнее всего (усадка). При охлаждении из-за препятствования удлинению должны возникать вынужденные напряжения (напряжения усадки). Предварительным нагревом свариваемых деталей до 200 oC до 300 oC можно значительно замедлить охлаждение. Благодаря уменьшению действия закалки получается лучшее формирование структуры, упрочнение остается меньшим.
Испытание материалов и сварочных работ
Общее: Поскольку качество сварочных работ зависит от ряда обстоятельств, а не в последнюю очередь и от мастерства и надежности специалиста, необходимо точное наблюдение и испытание всех сварочных работ. Среди испытаний следует отметить те, которые определяют свариваемость материалов и электродов, сравнение условий сварки и способов сварки для конкретного случая, испытания образцов и т. д.
Рис. 1 - Испытание на изгиб сварного шва
Испытание на изгиб сварного шва: Это испытание на изгиб простой балки прямоугольного сечения (рис. 1), на которой полукругло обработанный продольный паз в растянутом волокне вновь заварен одним слоем и при комнатной температуре. Шов вызывает сильное снижение деформируемости, так что образцы часто ломаются совершенно хрупко и внезапно. Угол изгиба у тонких пластин больше, он уменьшается с увеличением толщины пластины.
Ударная вязкость с надрезом: При испытании шва на изгиб чаще всего трещины возникают сначала в самом шве, так что наступает хрупкое разрушение. Основной материал должен быть в состоянии воспринять нагрузку, которая внезапно возникает при хрупком растрескивании шва. Следует требовать, чтобы трещина в зоне сварного соединения не распространялась быстро и в основной материал, а чтобы трещина могла развиваться лишь медленно. Основной материал должен быть достаточно вязким, чтобы воспринимать эту внезапную нагрузку, и эта способность должна сохраняться в достаточной степени и при низких температурах. Ударная вязкость с надрезом, как и другие механические свойства, в значительной степени зависят от температуры, при которой проводится испытание. При низких температурах, например ниже 0 oC, она может упасть до части значения при 20 oC. Положение этого резкого падения важно для оценки материала. Для сварных стальных конструкций сегодня требуется материал с хорошей стойкостью к старению, то есть высокая ударная вязкость с надрезом при испытании на удар на холодно растянутых образцах.
Рис. 2 - Деформация при напряженных состояниях в зоне надреза
Твердость: Большое значение имеют явления твердости в зоне сварки. Важно знание возрастания твердости, поскольку удлинение при разрушении быстро уменьшается с увеличением твердости (рис. 3), тогда как предел прочности при растяжении σB возрастает почти пропорционально твердости по Бринеллю HB. Для строительных сталей примерно σB = 0,36*HB. Один пример твердости главного углового шва I-образной балки показан на рис. 4. В переходной зоне на очень малых расстояниях существуют большие различия в твердости. Ход твердости зависит от образовавшейся структуры. Кривая σ-ε-l изменяется под воздействием твердости подобно напряженному состоянию надреза (рис. 2).
Рис. 3 — Твердость по Бринеллю и удлинение
Рис. 4 - Твердость в зоне шва в горловине одной сварной двутавровой балки
Неразрушающее испытание готовых сварных соединений
Просвечивание – При просвечивании малой толщины рентгеновское изображение можно сделать видимым на одном экране. Вместо рентгеновских лучей можно использовать гамма-лучи радиоактивных материалов. Рентгеновское изображение позволяет судить о качестве шва. Включения шлака или поры, а также дефекты сплавления и трещины могут таким образом быть выявлены и в соответствующем случае устранены.
Магнитный поток — В испытуемой части стали создается магнитное поле, и тогда нанесенные опилки располагаются по полю. По возможным нарушениям магнитного поля можно обнаружить трещины. Метод особенно эффективен для выявления поверхностных трещин, но сравнительно нечувствителен к шлаковым включениям и порам, а также к трещинам, расположенным внутри более толстых плит.
Ультразвуковое испытание — Ультракороткие звуковые волны отражаются не только на граничных поверхностях, но и на разделительных поверхностях внутри, например на трещинах или расслоениях.