Сварной шов — основное соединение в металлоконструкциях, выполняемых в заводских условиях. Именно через сварные швы передаются усилия между поясами и стенками балок, между фасонками и поясами ферм, между опорными пластинами и колоннами. От качества сварных швов зависит работоспособность каркаса, и любая ошибка проектирования или выполнения шва выявляется только при поверочном расчёте или при разрушении узла. Этот материал собирает то, что должен знать конструктор и инспектор: типы сварных швов, нормы расчёта, технологические ограничения и принципы контроля.
Материал носит справочный и образовательный характер. Расчёт несущих конструкций должен выполняться квалифицированным проектировщиком с учётом конкретных грунтовых условий, климатических нагрузок и эксплуатационных требований. Применение приведённых принципов для самостоятельного проектирования без поверки специалистом не рекомендуется.
Классификация сварных швов
Сварные швы металлоконструкций классифицируются по нескольким признакам:
- по геометрии — стыковые (в плоскости соединяемых элементов), угловые (под прямым углом), тавровые (торец одного элемента к плоскости другого), нахлёсточные (с перекрытием);
- по протяжённости — непрерывные (по всей длине соединения), прерывистые (отдельными участками), точечные (короткие швы для крепления вспомогательных элементов);
- по способу выполнения — ручная дуговая, полуавтоматическая в защитном газе, автоматическая под флюсом, контактная;
- по положению при сварке — нижнее, горизонтальное, вертикальное, потолочное;
- по характеру нагружения — рабочие (передающие расчётное усилие), нерабочие (конструктивные, фиксирующие геометрию).
Стыковые швы
Стыковой шов соединяет два элемента, расположенных в одной плоскости. Выполняется с полным проваром толщины (для нагруженных швов) или с частичным проваром (для конструктивных).
Геометрия стыковых швов зависит от толщины свариваемых элементов:
| Толщина t, мм | Разделка кромок | Способ сварки |
|---|---|---|
| до 4 | без разделки | ручная дуговая, полуавтомат |
| 4–8 | V-образная односторонняя, 30°–45° | ручная дуговая, полуавтомат |
| 8–20 | V-образная или X-образная | полуавтомат, автомат под флюсом |
| 20–40 | X-образная двусторонняя | автомат под флюсом |
| свыше 40 | X- или K-образная многослойная | автомат под флюсом, многопроходная |
Стыковой шов с полным проваром при качественном выполнении имеет прочность не ниже основного металла. Поэтому в расчёте такой шов рассматривается как равнопрочный соединяемому элементу. Это основа практики стыков балок и листов: шов работает как продолжение металла.
Угловые швы
Угловой шов — самый распространённый тип в металлоконструкциях. Соединяет два элемента, расположенных под прямым углом друг к другу (полка к стенке, фасонка к поясу, ребро к стенке балки).
Расчётный катет k углового шва — наименьшее расстояние от корня шва до его границы. Расчётная высота шва β · k (где β = 0,7 для ручной дуговой сварки, β = 0,9 для автоматической под флюсом). Стандартные катеты — от 3 до 12 мм с шагом 1 мм.
Минимальные катеты угловых швов
| Толщина наиболее тонкого элемента, мм | Минимальный катет kmin, мм |
|---|---|
| 4–10 | 4 |
| 11–16 | 5 |
| 17–22 | 6 |
| 23–32 | 7 |
| 33–40 | 8 |
| свыше 40 | 10 |
Максимальный катет ограничен толщиной наиболее тонкого свариваемого элемента минус 1 мм. Превышение максимального катета — пустая трата сварочных материалов и риск перегрева тонкого элемента.
Расчёт сварных швов
Расчёт сварных швов ведётся по двум сечениям:
- сечение по металлу шва — напряжение в сварном металле от расчётного усилия;
- сечение по металлу границы сплавления — напряжение в зоне термического влияния, где основной металл сваренного элемента может иметь сниженные свойства.
Расчётные сопротивления сварного шва зависят от марки стали свариваемого металла и от типа электрода или сварочной проволоки. Стандартное правило: материалы для сварки выбираются так, чтобы расчётное сопротивление шва было не ниже расчётного сопротивления свариваемого металла. Тогда соединение становится равнопрочным основному металлу.
Расчётные длины швов
Длина сварного шва, на которой передаётся расчётное усилие, имеет ограничения:
- минимальная расчётная длина — не менее 4 катетов шва (чтобы исключить концентрацию напряжений в коротких швах);
- максимальная расчётная длина — не более 85 · β · k (для углового шва) или 60 катетов (общее правило). Превышение даёт неравномерное распределение напряжений по длине шва, и крайние участки перегружаются;
- в коротких швах длиной менее 4 катетов условие работы шва не выполняется, расчёт ведётся по специальной методике или шов заменяется на длинный.
В уголках, привариваемых одной полкой к фасонке, длина шва на обушке и пёрышке распределяется неравномерно: обушок несёт 65–70 % усилия, пёрышко — 30–35 %. Длина шва назначается соответственно: обушковый шов длиннее.
Технологические ограничения сварки
Сварка в металлоконструкциях имеет ряд технологических ограничений, которые должны учитываться при проектировании:
- минимальный доступ к шву для сварщика и сварочного оборудования — не менее 80–100 мм по обе стороны от шва;
- минимальный зазор между свариваемыми элементами — 0–2 мм для угловых швов, 1–3 мм для стыковых;
- предварительный подогрев металла при сварке элементов толщиной свыше 30 мм или при температуре окружающего воздуха ниже +5 °C;
- послесварочный отжиг для снятия остаточных напряжений в нагруженных узлах (опционально, для ответственных конструкций);
- сварка в защитной среде (газ, флюс) или специальными электродами для нержавеющих и легированных сталей.
Сварочные материалы
Выбор сварочных материалов зависит от марки стали свариваемого металла:
| Марка стали | Электроды (ручная сварка) | Сварочная проволока |
|---|---|---|
| С245, С255 | Э42А, Э46А по ГОСТ 9467 | Св-08А, Св-08ГА по ГОСТ 2246 |
| С345, С355 | Э50А, Э55 по ГОСТ 9467 | Св-10НМА, Св-08ГА |
| С390, С440 | Э60, Э70 | Св-10НМА, Св-08ХМ |
| 09Г2С, 10ХСНД | Э50А (Уони-13/55), Э55 | Св-08Г2С |
Цифра в обозначении электрода (Э42, Э46, Э50) — гарантированное временное сопротивление металла шва в МПа × 10. Электрод Э50А обеспечивает σв = 500 МПа с гарантированной ударной вязкостью при пониженных температурах (категория А).
Дефекты сварных швов
Сварные швы могут иметь следующие типичные дефекты:
- трещины — продольные, поперечные, в шве или в зоне термического влияния. Самый опасный дефект, не допускается ни в каком виде в нагруженных швах;
- непровар — отсутствие плавления между свариваемыми элементами в корне шва. Снижает сечение шва и работает как концентратор напряжений;
- поры — газовые включения в металле шва, от единичных до групповых. Допустимы в небольшом количестве в неответственных швах;
- шлаковые включения — частицы шлака в металле шва. Аналогично порам по влиянию;
- подрезы — углубления в основном металле по границе шва. Концентраторы напряжений, особенно опасны в швах под усталостной нагрузкой;
- наплывы — натёки металла шва за границу плавления, без сплавления с основным металлом;
- кратеры — углубления в конце участка шва, образующиеся при отрыве дуги.
Контроль качества сварных швов
Сварные швы подлежат контролю по нормам ТКП 45-1.03-26. Стандартные методы:
- визуальный и измерительный (ВИК) — 100 % длины всех швов. Выявляет поверхностные дефекты: подрезы, наплывы, кратеры, видимые трещины;
- ультразвуковой (УЗК) — внутренние дефекты швов толщиной свыше 8 мм. Применяется выборочно (10–25 % длины) или сплошным контролем 100 % для ответственных конструкций;
- магнитопорошковый (МПК) — поверхностные и приповерхностные трещины. Применяется для нагруженных швов и в зонах концентрации напряжений;
- радиографический (рентгеновский) — внутренние дефекты с документальной фиксацией. Применяется для подкрановых балок, мостовых конструкций;
- капиллярный (цветная дефектоскопия) — поверхностные дефекты, в том числе на полированных и окрашенных поверхностях.
Объём контроля зависит от группы ответственности конструкции:
- I группа (подкрановые балки, мостовые конструкции, элементы с динамическими нагрузками) — 100 % швов УЗК или РК;
- II группа (фермы, ригели рам, основные несущие балки) — 100 % ВИК + 25 % УЗК;
- III группа (вспомогательные несущие элементы) — 100 % ВИК + 10 % УЗК;
- IV группа (нерасчётные элементы) — 100 % ВИК.
Типовые ошибки
- Катет шва меньше расчётного. Шов с катетом меньше проектного — критическое уменьшение прочности узла. Контроль катета обязателен по нормам ТКП 45-1.03-26.
- Превышение максимальной расчётной длины шва. Шов длиной свыше 85 · β · k имеет неравномерное распределение напряжений: крайние участки перегружены, центральные — недогружены. Расчёт по полной длине неверен.
- Применение электродов несоответствующей марки. Электроды Э42 в шве по стали С345 дают шов с прочностью ниже основного металла. Соединение становится слабым звеном узла.
- Сварка без предварительного подогрева в холодную погоду. При температуре ниже +5 °C сварка без подогрева до 100–150 °C даёт ускоренное охлаждение и риск холодных трещин.
- Прерывистые швы в нагруженных балках. Прерывистые швы экономят сварочные материалы, но дают концентраторы напряжений в торцах участков. В нагруженных балках с переменной нагрузкой недопустимо.
- Сварка стенки с полкой односторонним швом. Продольный шов между полкой и стенкой балки должен быть двусторонним. Односторонний шов даёт несимметричное распределение напряжений и риск отслоения.
- Отсутствие документации на контроль швов. Журнал сварочных работ и акты контроля швов — обязательные документы при сдаче конструкции. Без них приёмка невозможна.
Чек-лист приёмки
- марка стали свариваемых элементов соответствует проекту;
- сварочные материалы соответствуют марке стали;
- квалификация сварщика подтверждена удостоверением, специализация на данный тип швов;
- геометрия швов (катет, длина, прямолинейность) соответствует чертежу КМД;
- швы без подрезов, наплывов, кратеров, пор, шлаковых включений;
- отсутствие трещин (визуальный + капиллярный или магнитопорошковый контроль);
- результаты ультразвукового контроля швов оформлены актом по форме ТКП 45-1.03-26;
- журнал сварочных работ ведётся с указанием сварщика, материалов, режимов, дат;
- предварительный подогрев выполнен в соответствии с технологической картой;
- послесварочный отжиг проведён для конструкций с нормативными требованиями;
- защитное покрытие швов нанесено после остывания и зачистки от окалины.
Часто задаваемые вопросы
Какой катет шва нужен для приварки опорной пластины к колонне 30К1? Стандартное решение — двусторонний угловой шов с катетом 8–10 мм по всему периметру колонны. Окончательный катет проверяется расчётом базы под действующее усилие.
Можно ли применять ручную дуговую сварку для подкрановых балок? Можно, но не предпочтительно. Полуавтоматическая в защитном газе или автоматическая под флюсом дают более стабильное качество шва. Ручная сварка допустима в опорных узлах и в местах с ограниченным доступом.
Сколько швов в типовом узле фермы? Узел спаренных уголков с фасонкой имеет 4 шва между уголками пояса и фасонкой плюс по 2 шва от каждого раскоса (обушковый + пёрышковый). Для узла с 4 раскосами — около 12 швов общей длиной 600–1000 мм в зависимости от размеров узла.
Допустимо ли заваривать дефекты швов на объекте? Допустимо при соблюдении технологии: разделка дефектного участка, очистка кромок, заваривание соответствующим электродом, контроль после заваривания. Без надлежащей разделки заваривание превращается в наплывку и не устраняет дефект.
Когда применять X-образную разделку вместо V-образной? X-образная разделка применяется для элементов толщиной свыше 16–20 мм и при двустороннем доступе к шву. Даёт симметричную деформацию и снижает сварочные деформации в 2–3 раза по сравнению с V-образной.
Сокращения и обозначения
ТКП — технический кодекс установившейся практики. ТНПА — технический нормативный правовой акт. ТКП 45-1.03-26 — контроль соединений в строительстве (РБ). ТКП 45-5.04-167 — расчёт стальных конструкций (РБ). ГОСТ 9467 — электроды металлические покрытые для ручной дуговой сварки. ГОСТ 2246 — проволока стальная сварочная. ГОСТ 27772-2015 — прокат для строительных стальных конструкций. k — катет углового шва. β — коэффициент, зависящий от вида сварки. σв — временное сопротивление. Ry — расчётное сопротивление стали. ВИК — визуальный и измерительный контроль. УЗК — ультразвуковой контроль. МПК — магнитопорошковый контроль. РК — радиографический контроль.
Материал подготовлен по действующим на дату публикации редакциям ТНПА. Применение рекомендаций должно учитывать актуальность нормативной базы и конкретные условия объекта.