Катет сварного шва — что это и как его рассчитать

Прочность сварных швов определяется не только правильно выбранным режимом сваривания двух металлических заготовок или правильно подобранными расходными материалами, но и точными размерами самого сварочного шва. И если при стыковом виде сварки за основу берется ширина валика, то при угловом катет сварного шва. В статье мастер сантехник расскажет, что это такое, и почему именно этот параметр влияет на прочностные характеристики соединительного участка.

Сварные соединения

На сегодняшний день разработано и освоено более 150 способов соединения деталей с помощью электросварки. Но на этом технология не останавливается, и постоянно внедряются различные инновационные методы. Практически все внимание акцентировано на сварочном шве, как области стыка двух металлов, образованной при их кристаллизации. В зависимости от взаимной ориентации элементов конструкции друг относительно друга различают несколько видов сварных швов. В самой тривиальной классификации их разделяют на угловые и стыковые.

Угловые стыки образуются при тавровых соединениях, крестовых или непосредственно угловых. Подобные швы формируются после односторонней или двусторонней разделки кромок. Метод разделки зависит от габаритов конструкции. Такие стыки могут подразделяться на непрерывные и прерывистые, в зависимости от вида продольного сечения.

Стыковое соединение подразумевает сварку двух изделий, прилегающих друг к другу торцами. Шов внахлест является частным случаем стыкового соединения. Кромки деталей могут иметь скос или оставаться прямыми. Чаще всего встречаются горизонтальные швы. При толщине деталей, не превышающей 8 мм, разделку кромок не производят.

Геометрические характеристики

К основным геометрическим характеристикам сварки относятся:

• Ширина – поперечный размер всей наваренной линии между свариваемыми деталями;
• Толщина – расстояние от низшей точки провара до верхней;
• Корень шва – часть сварки, максимально удаленная от поверхностей заготовок;
• Выпуклость (вогнутость) – размер берется от поверхности детали до самой высокой (низкой) наваренной точки;
• Глубина провара – выводится исходя из заполнения зазора металлом, образованным после сварки (не считая выпуклости);
• Катет – эта величина, определяющаяся в условиях угловой сварки и подобна катету равнобедренного треугольника, входящего в поперечное сечение заготовки.

К геометрическим параметрам, необходимым для расчета прочности сварного стыка, можно отнести также толщину металла и величину зазора между соединяемыми деталями.

Что такое катет сварочного шва

Катет шва — это две стороны треугольника, расходящиеся от прямого угла. По сути, катет здесь имеет такое же определение, что и в школьной геометрии. В идеале, чтобы такой треугольник был равнобедренным, тогда одинаковая часть наплавленного металла ложится на каждую сторону. Это обеспечивает наилучшее удержание деталей и прочность соединения.

Выбор катета

Сама поверхность сварочного шва на угловых соединениях бывает:

• Выпуклой — валик выступает наружу, иногда превышая длину самого катета. Внешне такой шов выглядит мощно, но увеличенное количество наплавленного металла ведет к образованию внутренних напряжений. Из-за этого изделие склонно к деформациям, особенно, если его стенки 2-3 мм.
• Вогнутой — поверхность шва изогнута внутрь и расположена ниже высоты катета. Чтобы получить такую форму, требуется увеличить силу тока и быстрее вести электрод или горелку. На полуавтомате стоит повысить индуктивность, чтобы процесс отделения капли стал более плавным. Это увеличивает глубину проплавления и содействует вогнутой поверхности шва.
• Ровной — между сторонами углового соединения почти ровная, косая плоскость поверхности шва. Такое получается реже, но все же возможно. Этот вариант более удобен для механической обработки стыков — мало счищать наплавленного металла и оснастка шлифовальной машины захватывает сразу всю поверхность.

Под катетом в каждом случае подразумевается длина (на горизонтальной части заготовки) и высота (на вертикальной части заготовки) стороны треугольника, начинающаяся от корня шва. По-другому, это расстояние от кромки (наружной границы) шва до поверхности другой детали.

Кажется, чем больше катет, тем лучше, но это не так. Большой катет сварного шва создает напряжения в соединении и ведет к выворачиванию конструкции. Увеличивается площадь нагрева детали. Изделие может сильно повести. Большой катет — это всегда перерасход материала (электродов, сварочной или присадочной проволоки), задержка по времени. Создание шва большой высоты требует длительного удержания дуги на одном месте, что ведет к выгоранию легирующих элементов и более скорой коррозии. Поэтому катет следует рассчитывать правильно для каждой конструкции.

Расчет катета шва

Поскольку угловой сварочный шов похож в сечении на треугольник, узнать высоту и длину его сторон можно при помощи геометрической формулы, задействовав математические способности. Расчет производится по формуле:

T=S*cos45°

Приведенные составляющие расшифровываются так:

• T — величина катета шва, которую мы пытаемся вычислить;
• S — ширина валика (в геометрии — гипотенуза треугольника);
• cos45° — это стандартное значение с коэффициентом 0.7.

Произведем расчет катета сварного шва на практике. Например, у нас угловое соединение с шириной валика 5 мм. Подставляем это значение в формулу и получаем 5*0.7=3.5 мм. Значит катет шва составляет 3.5 мм. Эта формула применима, когда наплавленный металл равномерно лежит на каждой стороне углового соединения.

Опытным путем были установлены оптимальные параметры сварочного шва для каждой толщины металла. Если их придерживаться, то получится прочное соединение без перерасхода присадочного материала. Представляем характеристики сварочного шва в таблице:

Как видно, размер катета составляет от 30 до 100% от толщины детали — чем тоньше заготовка, тем ближе величина катета к показателю ее сечения. При сварке деталей с разной толщиной катет выбирается по большему показателю. Например, если вы свариваете заготовки сечением 5 и 10 мм с проваром только с одной стороны, катет шва должен быть 6 мм (берется из расчета, как будто две стороны имеют толщину 10 мм). Если ориентироваться на тонкую сторону, то получится слабое усиление на толстом металле и соединение будет ненадежным. Но в таком случае важно правильно выбрать силу тока и варить с определенной техникой ведения дуги.

Последствия неправильного вычисления катета

Негативные последствия большого катета мы уже рассмотрели. Второй распространенной ошибкой является слишком маленький катет шва. Тогда на сторонах оказывается мало наплавленного металла, что уменьшает силу соединения. При изломе или вибрации конструкция может не выдержать нагрузки и шов треснет. Хотя малый катет экономит расходные материалы, он допустим только на неответственных соединениях (мангал, стол и пр.).

Еще одна ошибка сварщиков — несимметричный катет. Чаще всего бывает нижняя полка шва слишком широкая, а верхняя — чрезмерно короткая. Получается это при неправильной технике или выборе режима сварки, ведь расплавленный металл под действием силы тяжести стекает вниз. Шов выглядит широким, но лишь немного находит на вертикальную сторону, поэтому она держит слабо и не рассчитан на серьезные нагрузки.

Что влияет на катет сварного шва

На формирование катета шва угловых и тавровых соединения влияет ряд факторов:

• Направленность горелки или электрода. Если варить угловые швы с удержанием электрода или горелки под углом 45°, то жидкий металл под действием силы тяжести стечет на нижнюю полку, занизив вертикальный катет. Опытные сварщики в таком случае изменяют угол на 20-30°, направляя конец электрода на вертикальную поверхность. Так получается изменить высоту катета, добиться равностороннего треугольника в сечении шва.
• Положение изделия в пространстве. Получить равномерный шов на угловом соединении легче, разместив изделие "в лодочку". Тогда поверхность сварочной ванны получается ровной, металл никуда не стекает и одинаково покрывает обе соединяемые стороны.
• Скорость ведения дуги. При быстром проведении шов получается узким, а катет нередко малым. Сварка с задержкой ведет к увеличению высоты шва и росту катета. Скорость сварки нужно подбирать на черновой заготовке, попробовав разные варианты, и только потом переходить на сварку ответственного изделия.
• Сила тока. Малая сила тока содействует наложению присадочного металла сверху, без глубокого проплавления. Катет получается большой, но качество соединения при этом плохое. Слишком высокий сварочный ток ведет к глубокому проплавлению, но увеличивает текучесть металла, содействует подрезам на вертикальной стороне, что тоже является дефектом.
• Индуктивность. Определяет скорость переноса капли расплавленного металла при полуавтоматической сварке. Правильные настройки помогают хорошо прогреть деталь, наложить аккуратный шов, снизить разбрызгивание.
• Характеристики присадочного металла. Если стержень плавящегося электрода или проволока полуавтомата имеют высокотемпературные добавки, то сварочная ванна получается более густая, что ведет к росту катета. Низкотемпературные сплавы растекаются быстрее, снижая высоту катета шва.

Способы контроля

Контроль сварочных швов – неотъемлемая часть технологического процесса. Прежде всего, соединение необходимо исследовать на устойчивость к разрушающим нагрузкам. Формы контроля могут быть разными. Они зависят от принципов, на которых основываются. К передовым методам относится радиография, рентгенография, облучение гамма-лучами, ультразвуковой и вихретоковый контроль. Сюда же следует добавить магнитное зондирование, а также капиллярный способ исследования швов. Представленные виды контроля требуют наличия дорогостоящей аппаратуры и не всегда могут быть реализованы, особенно в условиях мелкого производства.

В качестве подручного прибора для измерения катетов может служить готовый шаблон. Если быть точным, то практическое значение имеет не один шаблон, а целый набор.

В самой простой конструкции шаблон представляет собой набор пластин, скрепленных одним концом. На другом конце выполнены прорези, соответствующие форме поперечного среза шва. Мастер поочередно прикладывает шаблоны к заготовке и определяет максимально соответствующий из них. На каждом шаблоне нанесен размер соответствующего катета.

Существует еще несколько приборов, которые по своему принципу действия представляют шаблоны, только способ измерения катетов у них несколько отличается. Шаблон Красовского предназначен для определения зазоров между заготовками. Универсальный шаблон сварщика (УНС-2) – набор пластин с вырезами. По форме выпуклой гипотенузе можно определить длину катетов. Шаблон Маршака-Ушерова позволяет измерить не только катет, но и определить корень шва. Этот прибор считается самым универсальным из всех описанных выше.

Видео

В сюжете - Что такое катет сварного шва и как его выбрать

В сюжете - Как варить ровный сплошной катет 10 мм

Выводы

Давая определение катету сварного шва, необходимо понимать, что данный показатель относится к категории качественных. От него во многом зависит прочность и надежность свариваемой конструкции, поэтому при создании схемы сварки на больших производствах обязательно данный параметр оговаривается. И если в неответственных конструкциях к нему отношение «прохладное», то для тех соединений, которые будут подвергаться большим нагрузкам, данному значению отводится важная роль.

В сложных сварочных технологиях катет выбирается индивидуально для каждого стыка. Но, в сущности, для него используют стандартные общие принципы выбора. А это, как уже было сказано выше, толщина соединяемых металлов, их химический состав, режим сварки, тип электрода или присадочной проволоки.

В продолжение темы посмотрите также наш обзор Как приварить фланец к трубе