Электродуговая сварка основана на явлении возникновения электрической дуги между стальным стержнем (электродом) и свариваемыми стальными деталями (рис. IV.1), которая расплавляет основной металл и металл электрода, образуя сварной шов, соединяющий отдельные детали в одно целое.
Сварка открытым электродом (проволокой) и незащищенной дугой дает недоброкачественные швы, поскольку в расплавленный металл шва попадают кислород, образующий окислы, и азот, образующий нитриды, вследствие чего шов становится хрупким.
Для образования защитной газовой среды и для лучшей ионизации воздушного пространства на электроды наносят обмазку. Эта же обмазка образует в жидкой ванне металла шлак, раскисляющий и очищающий металл, а также шлаковую корочку, предохраняющую горячую поверхность шва от соприкосновения с воздухом и окисления. Первоначально для обмазки использовали растворенный в жидком стекле мел (меловая или ионизирующая обмазка), который наносился на электроды тонким слоем (тонкообмазанные электроды).
Однако качество сварного шва оставалось невысоким. В настоящее время разработаны специальные обмазки, которые наносятся на электродную проволоку (толстообмазанные электроды). Эти обмазки содержат дополнительно различные легирующие вещества, улучшающие механические показатели швов.
Большое влияние на свариваемость строительных сталей оказывает количество содержащегося в них углерода. Для сварки сталей с содержанием углерода более 0,22% требуется применение электродов со специальными обмазками. Для сварки обычных строительных сталей с содержанием углерода менее 0,22% применяются обычные электроды с толстой обмазкой.
Ввиду большого разнообразия состава высококачественных обмазок электроды различают не по составу обмазок, а по результатам механических испытаний образцов наплавленного металла и сварного соединения, которые должны быть не менее значений.
Основными типами электродов, применяемых в строительстве, являются: для сварки конструкций из стали 3 — электроды типа Э42; для сварки конструкций, работающих в тяжелых условиях, — Э42А; для сварки конструкций из низколегированной стали— электроды типа Э50А и Э55, обеспечивающие необходимое качество сварного шва. Применение электродов типа Э34 в расчетных элементах и деталях исключается из-за хрупкости и малой пластичности получаемого шва.
На прочность сварных соединений существенно влияют структура шва, а также встречающиеся в нем неметаллические включения (шлаковины или мелкие газовые пузыри, появляющиеся при остывании шва). Внутренние микроиоры создают объемную концентрацию напряжений, увеличивая хрупкость шва. Появление трещин внутри шва недопустимо.
Различают горячие и холодные сварочные трещины. Горячие трещины иногда возникают при остывании шва в температурном интернале 1000—1350° С. Холодные трещины большей частью являются результатом растягивающих напряжений в швах от усадки.
Показаны структура сварного шва и распределение температур по сечению шва, Здесь выявляются три зоны: зона основного металла, переходная зона, зона наплавленного металла.
Зоной основного металла считается его часть около шва, нагреваемая не выше критической температуры (/=723°С), в которой металл сохраняет свои механические свойства.
Переходная (околошовная) зона, или зона термического влияния, расположена между основным и наплавленным металлом. В этой зоне во время сварки наблюдается резкое изменение температуры от 1500 (температура плавления) до 723° С. Структура металла в ЭТОЙ зоне неравномерна. На участке с. температурой выше 1000—1100°C происходит рост кристаллов, образуется грубая крупнозернистая структура и ухудшаются механические качества металла. Переходная зона является самым слабым местом шва.
Проникание наплавленного металла в основной называется проваром; чем глубже провар, тем лучше шов. Обычно глубина провара составляет 1,5—2 мм.
Особенно важно, чтобы необходимая глубина провара была в корне угловых швов конструкций, подвергающихся переменным нагрузкам.
Наличие щели при необработанной кромке листа создает резкое изменение формы, вызывающее концентрацию напряжений и образование мельчайших трещин, которые со временем, развиваясь от переменной нагрузки, могут привести в разрыву шва.
Глубокий провар достигается либо с помощью автоматической сварки, либо так называемым способом сварки с глубоким проваром («короткая дуга»), сущность которого ясна.
Проверкой свариваемости и прочности сварного соединения помимо испытаний на растяжение служит технологическая проба на изгиб. Это испытание характеризует квазистатическую вязкость соединения, которая пропорциональна углу загиба. Оно дает надежную и простую возможность выявить прочность и пластичность сварного шва одновременно.
