Сварные соединения металлоконструкций: виды и контроль качества

Сварка — один из самых технологичных, надежных и дешевых способов создавать неразъемные стальные конструкции. В процессе изготовления устанавливаются межатомные связи между составными частями, что делает металлоконструкции по-настоящему прочными. Сварные соединения также способствуют газо-, пыле- и водонепроницаемости изделий.

Но главное — сооружения из металлических комплектующих в течение всего срока эксплуатации остаются прочными и соответствуют нормам безопасности. Вот почему действующие ГОСТы предписывают соединять металлические элементы качественно, надежно и только такими способами, которые требуются для конкретного сооружения. Рассмотрим, какие методы скрепления деталей существуют и как убедиться, что готовые соединения соответствуют нормативам.

Виды сварных соединений

Сварка считается самым прочным из всех видов скрепления металлоизделий. Именно на сварные узлы ложится вся несущая нагрузка, а потому важно выбрать такой тип соединения, при котором металлоконструкция будет ее выдерживать.

По типу расположения двух деталей относительно друг друга различают швы встык, внахлест, тавровые, угловые и торцовые. Соответственно, сварные соединения тоже делятся на пять основных видов:

1. Стыковое соединение. Элементы в одной из плоскостей размещены вплотную друг к другу. Один из самых простых и надежных способов скрепления металлических заготовок. Подходит как для производственных целей, так и для бытовых нужд. Из плюсов можно отметить экономию присадочного металла, из минусов — сложность подгонки, выравнивания соединяемых элементов, получение одинакового по всей длине зазора.
2. Нахлесточное соединение. Подразумевает наложение краев деталей друг на друга. Таким образом получают конструкцию, в которой часть приваренных элементов полностью совпадают в плоскости, другая часть независимо выступает за пределы общего отрезка. Толщина нахлеста должна быть больше толщины каждого из элементов, а шов — полностью закрывать внутреннее пространство между ними, защищая от попадания влаги и пыли. 
3. Тавровое соединение. Характеризуется плотным креплением торца одной детали и плоскости другой. Существует две разновидности таврового скрепления: Т-образное и Н-образное (по форме сечения). Такой тип соединения возможно применять, когда заготовки имеют разную толщину (а значит, готовое изделие будет выдерживать два типа напряжения). 
4. Угловое соединение. Получается при сопряжении двух деталей под уклоном относительно друг друга. Наплавляемый металл образует пространственный угол. Полученные таким способом конструкции применяют в машиностроительной и строительной отраслях.
5. Торцевое соединение. К плоскости одного элемента прикрепляют торец другого. Из плюсов отметим отсутствие необходимости выравнивать торцевой срез, возможность скрепления тонких и толстых элементов, высокая несущая способность. К минусам полученных блоков относится меньшая жесткость, чем при применении других типов сварных соединений. 

Качество сварных соединений

Разные типы соединений определяют различия в эксплуатационных характеристиках и потребительских свойствах металлоконструкций. Выбранный способ скрепления деталей влияет на прочность, устойчивость к растяжению, сдавливанию и изгибу. В зависимости от этих параметров различают три категории качества сварных соединений.

• К первой (и наиболее прочной) относятся соединения, работающие в условиях сильной растягивающей нагрузки: поперечные стыковые соединения, нахлесточные, тавровые и угловые.
• Ко второй категории (среднего качества) относятся соединения, устойчивые к сдвигу — продольные стыковые, связующие угловые, а также угловые и стыковые соединения, работающие на отрыв, изгиб или сдвиг.
• Третью категорию (низкого качества) составляют сварные соединения, устойчивые к сжатию (поперечные и продольные стыковые, связующие угловые), а также вспомогательные швы металлоизделий.

Дефекты сварных швов

Кроме выбора типа соединения металлических деталей, на качество конструкций влияет наличие или отсутствие дефектов сварки. Основными из них являются:

• Непровары — места, где непрерывность шва нарушена. Чаще всего возникают, если сварщик плохо видит линию стыковки через маску, быстро ведет дугу, или когда используется ток недостаточной силы.
• Наплывы — выступающие за ровную линию шва бугры, капли, застывшие потеки металла. Дефект может быть вызван неправильно выбранной техникой исполнения работ при сварке потолочных или вертикальных швов, изменением скорости ведения шва при работе внизу.
• Подрезы — бороздки вдоль сварного шва. Такой дефект приводит к уменьшению толщины элемента и, соответственно, к снижению прочности соединения. Возникают подрезы из-за ошибок сварщика: слишком длинной дуги, избыточного сварочного тока или смещения электрода в сторону стенки.
• Поры — возникают в результате газовых реакций при горении инородных частиц в процессе сварки. Такой дефект может стать причиной усталостного разрушения швов при поперечном и продольном соединении. Эта опасность в первую очередь грозит конструкциям, на которые воздействуют высокие растягивающие нагрузки.
• Кратеры — раковина, отверстие в конце сварного шва. Они образуются в момент усадки расплавленного металла из-за резкого обрыва аргоновой дуги. Эти углубления нарушают герметичность соединения и могут стать причиной образования трещин.
• Трещина — разрыв металла в сварном шве или примыкающих зонах сварного соединения. Такие пороки возникают при резком охлаждении зоны сварки водой в целях скорейшего продолжения сборочных работ. Это самый опасный дефект сварного соединения, концентратор напряжений. Он нередко становится причиной разрушения всей конструкции.

Все перечисленные дефекты могут иметь критическое значение для прочности и долговечности металлоконструкции в целом, безопасности людей и имущества. Вот почему важно следить за правильностью сварных работ.

Контроль качества сварных соединений

Для того, чтобы убедиться в качестве сварки, необходимы проверки на разных ее этапах. Предварительный контроль включает оценку качества используемых материалов и самого металла, исправность оборудования, качество подготовки элементов. Текущий (промежуточный) контроль заключается в наблюдении за самим процессом сварочных работ, соблюдением технологии и режимов. Окончательный контроль заключается в проверке сварных соединений готовых изделий на предмет соответствия проекту и заявленным требованиям.

Существует два типа контроля качества сварных соединений металлических элементов — неразрушающий и разрушающий.

К неразрушающим методам относятся:

1. Визуальный контроль. Проверяют качество шва снаружи (ширину, высоту, отсутствие дефектов). Этот способ не позволяет оценить внутреннее состояние сварных соединений замкнутых конструкций, трубопроводов и т.п.
2. Капиллярный контроль. Используют специализированные жидкости, способные проникнуть в поры (капилляры) и трещины шва. Попадая внутрь дефекта, эти пенетранты (от англ. penetrant — проникающая жидкость) делают их видимыми глазу.
3. Проверка герметичности. Целый набор методов, позволяющих выявить нарушение герметичности соединений — используют проявляющие дефект газы, жидкости, вакуум, обдув.
4. Магнитный контроль. Оценивают качество сварного соединения путем создания магнитного поля вокруг шва. Если есть искажения поля, значит, соединение имеет дефект.
5. Ультразвук. Края трещин и сколов обладают различными акустическими характеристиками, а отражение звуковых волн от их поверхности позволяет их уловить. Отличия в качестве возвращают искаженный звук и таким образом указывают на наличие дефекта.
6. Радиационный контроль. Метод представляет собой дорогостоящее рентгенографическое исследование: гамма-излучение проявляет на пленке имеющиеся пороки.

Разрушающие способы контроля качества сварных соединений — это:

• металлографические исследования со специальным засверливанием и протравливанием поверхности металла для обнаружения дефектов;
•  химический анализ сварного шва;
• механические испытания аналогичных контролируемому изделий (из той же партии, материала, того же времени изготовления) или вырезанного фрагмента самого соединения.

Если в ходе проведенных проверок удается выявить пороки сварного соединения, приемку готовой металлоконструкции необходимо прекратить, отправив ее (целиком или отдельный блок) на переваривание.