При конструировании сварных соединений исходят из двух принципов: 1) если известны величины нагрузок, которые должно выдерживать сварное соединение при эксплуатации изделия, то соединение проектируют таким образом, чтобы обеспечить прочность с учётом этих нагрузок; 2) если величины эксплуатационных нагрузок неизвестны, то сварное соединение проектируют, исходя из его равнопрочности основному материалу.
Тип сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых элементов и формой подготовки (разделки) их кромок под сварку.
По первому признаку различают пять основных типов наиболее распространённых сварных соединений: стыковые, тавровые, нахлёсточные, угловые и прорезные (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Основные типы сварных соединений:а стыковое; б тавровое; в угловое; г нахлёсточное;д прорезное; е замкнутое прорезное
Стыковые соединения (рис. 5.1-а) наиболее распространены, поскольку имеют бльшие прочность и простоту изготовления по сравнению с другими типами сварных соединений. Стыковые соединения выполняют всеми видами сварки плавлением и многими видами сварки давлением. Но при использовании способов сварки плавлением повышенной тепловой мощности (например, рассматриваемых далее автоматической сварки под флюсом или плазменной) следует учитывать возможность прожога основания (корня) шва. Прожог это сквозное расплавление основного материала, приводящее к вытеканию или капанию жидкого металла и образованию наплывов в зоне соединения со стороны, противоположной стороне наложения сварного шва, для предотвращения чего нужно использовать удаляемые затем или остающиеся подкладки (рис. 5.2). Другой путь применение двусторонней сварки, однако при этом необходимы конструкция изделия, обеспечивающая свободный доступ к корню шва, и кантовка изделия. Например, для сварного изделия, показанного на рис. 5.3, двусторонняя сварка шва невозможна. Третьим путём является уменьшение используемой для сварки тепловой мощности.
Рис. 5.2. Предотвращение прожога с помощью подкладкиРис. 5.3. Изделие (бидон), не допускающее двусторонней сварки шва
Тавровые соединения (рис. 5.1-б) широко применяют при изготовлении пространственных конструкций. Эти соединения отличаются высокой прочностью при любых видах нагрузок.
Нахлёсточные соединения (рис. 5.1-в) часто используют для соединения листовых заготовок. Эти соединения менее прочны по сравнению со стыковыми и неэкономичны вследствие перерасхода основного и присадочного материалов, обусловленного наличием перекрытия свариваемых элементов (обычно равного 35 толщинам) и выполнением двух угловых швов. Но зато нахлёсточные соединения более просты при сборке и не требуют точной обработки кромок и пригонки зазоров.
Угловые соединения (рис. 5.1-г) выполняют, как правило, в качестве связующих. Они не предназначены для передачи рабочих сил.
Прорезные соединения (рис. 5.1-д, е) выполняют для усиления соединений внахлёстку. В зависимости от ширины (обычно 23 толщины свариваемых элементов) и назначения прорези либо заваривают полностью, либо обваривают по периметру.
Сравнительно тонкие стыки (толщиной до 6 мм) обычно сваривают без разделки кромок (рис. 5.4-а), которые стыкуют друг с другом с зазором от нуля до 2 мм (зазор оставляют с цель улучшения провара по высоте шва). Однако перед свариванием достаточно толстых заготовок с целью повышения качества соединяемые кромки следует разделывать для обеспечения полного провара заготовок по сечению, что является одним из условий равнопрочности сварного соединения с основным металлом. Выбор формы и размеров разделки зависит от толщины металла, его теплофизических свойств и вида сварки (рис. 5.4-бе). При толщине свариваемых элементов от 6 до 20 мм обычно используют V-образную разделку (рис. 5.4-в) с центральным углом 60 и зазором b порядка 24 мм. Притупление h угла разделки кромки необходимо для предупреждения прожога и выполняется величиной порядка 23 мм. При толщине основного металла более 20 мм применяют двустороннюю Х-образную разделку (рис. 5.4-г), которая по сравнению с V-образной разделкой (рис. 5.4-в) экономит присадочный металл и уменьшает сварочные деформации изделий (подробно рассматриваемые далее в подразделе 5.19) благодаря симметрии расположения швов. В ряде случаев (например, при затруднении конструкцией изделия доступа ко шву с нижней стороны) с теми же целями вместо Х-образной применяют U-образную разделку (рис. 5.4-д). При сварке элементов различных толщин следует выполнять скос кромки более толстого элемента для выравнивания толщин (рис. 5.4-е), что обеспечивает одинаковый нагрев кромок и уменьшает вероятность прожога более тонкого элемента за время, требующееся для достаточного нагрева и проплавления более толстого элемента. Кроме того, такая форма соединения работоспособнее при дальнейшей эксплуатации вследствие уменьшения концентрации напряжений, обуславливаемой именно резким изменением размеров и формы элементов изделия.
Рис. 5.4. Различные виды разделки свариваемых кромок: а без разделки; б односторонняя; в V-образная; г X-образная; д U-образная (чашеобразная); е заготовок разной толщины: h притупление; b зазор