Контроль качества сварных соединений

     
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
  

Дефекты сварных соединений

Работоспособность сварных соединений и сварных конструкций в целом во многом определяется качеством сварных швов. Вопросы надежности работы сварных конструкций в настоящее время приобретают все большее значение из-за их эксплуатации при высоких и низких температурах, в агрессивных средах, при больших рабочих напряжениях. При обработке материалов, в том числе и при сварке, практически всегда образуются различные дефекты. Вид дефектов и механизм их появления зависят от особенностей технологического процесса. При сварке плавлением образование дефектов определяется характером взаимодействия жидкого и твердого металлов, а также металлов с газами и шлаком. Жидкий металл растворяет определенное количество газов из воздуха и газообразных продуктов разложения электродного покрытия. Основными газами, влияющими на свойства металла и чаще всего присутствующими в металле, являются кислород, водород и азот. Водород физически растворяется в расплавленном металле, а кислород и азот с большим количеством металлов вступают в химическое взаимодействие. В процессе охлаждения вследствие снижения растворимости газов в металле происходит их выделение.

В сварных соединениях встречается несколько групп дефектов. В зависимости от места нахождения и вида дефекты делятся на наружные и внутренние. К наружным дефектам относятся дефекты формы шва (неравномерные ширина и высота шва, бугры, седловины, разная высота катетов) и подрезы, прожоги, поджоги, наплывы, незаваренный кратер и вышедшие на поверхность газовые поры, трещины. К внутренним дефектам относятся трещины, непровары, поры, шлаковые включения, слипания.

Процесс формирования шва и образования дефектов формы шва, прежде всего связан с режимом сварки и пространственным положением сварного соединения. Основными элементами режима, влияющими на процесс формирования шва, являются величина, род и полярность тока, напряжение дуги и скорость сварки.

Подрезы (рис. 1) представляют собой углубления в основном металле, идущие по краям сварного шва. Глубина подреза может достигать нескольких миллиметров. Причиной образования подрезов может быть большая сила тока и повышенное напряжение, смещение электрода относительно оси шва, неудобное пространственное положение шва при сварке, небрежность или недостаточная квалификация сварщика. Незаполнение углубления металлом и появление подреза определяются соотношением скорости кристаллизации металла шва и заполнения углубления жидким металлом. Поэтому устранить подрезы можно, уменьшив скорость кристаллизации или увеличив скорость заполнения углубления металлом. Обычно снижают скорость кристаллизации за счет уменьшения скорости сварки, предварительного подогрева деталей или применения многоэлектродной сварки, однако влияние предварительного подогрева очевидно, связано не только со снижением скорости кристаллизации металла, но и с улучшением смачиваемости твёрдого металла расплавленным  металлом вследствие меньшей разности температур между ними. Уменьшая рабочую толщину металла, подрезы являются местными концентраторами напряжений от рабочих нагрузок и могут привести к разрушению сварных швов в процессе эксплуатации конструкций. Причем более опасными являются подрезы, расположенные поперек действующих на них усилий в угловых и стыковых швах. При сварке на больших токах и высоких скоростях иногда отмечается отсутствие зоны сплавления между основным и наплавленным металлами. При сравнении этого дефекта с подрезами выясняется, что несплавления являются подрезами очень большой величины, а следовательно, и механизм их образования должен быть аналогичен механизму образования подрезов.

     
Рис.1. Подрезы

А - в стыковом соединении; б - в горизонтальном шве, расположенном на вертикальной плоскости;
в - в угловом шве таврового соединения

Влияние подрезов на усталостную прочность зависит от глубины подреза, величины остаточных напряжений и вида сварного соединения. Так, у трубопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов не допускаются подрезы в местах переход; сварного шва к основному металлу глубиной более 0,1 толщины стенки трубы, но не более 1 мм. На одном стыке допускается подрез общей протяженностью не более 30 % длины шва. Сварные стыки трубопроводов, работающих при условном давлении от 10 до 100 МПа и температуре от - 50 до 510 °С, бракуют при наличии подрезов в местах перехода от шва к основному металлу длиной более 20 % протяженности шва при наружном диаметре до 159 мм и длиной более 100 мм при наружном диаметре свыше 159 мм. Кроме того, сварные стыки трубопроводов бракуют при подрезах глубиной более 5 % при толщине стенки до 10 мм и глубиной более 1 мм при толщине стенки более 10 мм. Суммарное влияние подреза и увеличения растягивающих остаточных напряжений может привести к снижению предела выносливости вдвое.

При повышении погонной энергии сварочной дуги увеличивается объем расплавленного металла. Если увеличение погонной энергии произошло за счет повышения силы сварочного тока, заметно возрастет и давление дуги. Поэтому при повышении погонной энергии, возможно, что силы давления дуги и гидростатического давления станут больше сил поверхностного натяжения, что приведет к вытеканию металла и образованию прожогов (рис. 2). Причинами прожогов являются также неравномерная скорость сварки, увеличенный зазор. Прожоги появляются при сварке металла небольшой толщины, первого слоя в многослойных швах и при сварке вертикальных швов снизу вверх. Особенно часто прожоги возникают при сварке металла небольшой толщины, когда ширина сварочной ванны достигает значительных размеров и иногда превышает толщину металла. При сварке на весу можно избежать прожогов за счет уменьшения давления дуги и объема сварочной ванны, используя для этого импульсно-дуговую сварку. Существуют дефекты, называемые поджогами металла. Они возникают в процессе возбуждения дуги рядом с разделкой кромок. Этот дефект обязательно надо уда пять, так как он является источником концентрации напряжений.

     
Рис.2. Прожоги

В конце сварки при внезапном обрыве дуги образуется углубление, называемое кратером. Размеры кратера зависят от силы сварочного тока. Если сварку ведут без выводных планок, кратер следует тщательно заваривать и обрывать дугу на уже заваренном участке шва. Незаделанные кратеры оказывают неблагоприятное влияние на прочность сварного соединения, так как являются концентраторами напряжений. Не следует выводить кратер на основной металл, так как это приводит к образованию подрезов. При наличии в металле шва кратера в случае приложения вибрационной нагрузки снижение прочности сварных соединений из малоуглеродистой стали достигает 25%, а из низколегированной - 50 %.

Чрезмерная сила тока при длинной дуге и большой скорости сварки, увеличенный наклон сварного шва, неправильное манипулирование электродом, неудобное пространственное положение шва, выполнение вертикальных швов снизу вверх и недостаточный опыт сварщика могут привести к наплывам (рис. 3) расплавленного металла на нерасплавленный основной металл. Наплывы могут быть местными или иметь значительную длину.

     
Рис. 3. Наплывы в швах

А - горизонтальном; б - нахлесточного соединения; в - таврового соединения; г - стыковом или при наплавке валиков

Неравномерная ширина швов, неравномерность усиления по длине шва, местные бугры и седловины (рис. 4) образуются из-за недостаточной квалификации сварщика, неправильных движений электрода, зависящих от зрительно-двигательной координации сварщика, а также в результате отклонений от заданных размеров зазора кромок при сборке. Рассмотренные дефекты формы шва снижают прочность сварных соединений и косвенно указывают на возможность возникновения внутренних дефектов.

     
     
Рис. 4. Дефекты формы шва

а - неравномерная ширина шва при ручной сварке; б -то же, при автоматической сварке;
в - неравномерное усиление - бугры и седло вины

Образование пор (рис. 5) в металле сварных швов во многом определяется содержанием газов в металле, поэтому изучение вопросов распределения газов между металлом и газовой средой позволяет проектировать научно обоснованные технологические процессы и разрабатывать мероприятия по снижению пористости сварных швов. Металл сварочной ванны всегда содержит некоторое количество газа, которое попадает в него в процессе изготовления конструкции, вследствие нарушения защиты сварки или может образоваться в металле сварочной ванны в результате химической реакции. Интенсивность взаимодействия газов с металлами зависит от их химического сходства, температуры, давления, величины контактной поверхности. При сварке имеются условия, способствующие усилению взаимодействия газов с металлами - высокая температура, значительная контактная поверхность металл газ при сравнительно небольшом объеме металла, интенсивное перемешивание металла, наличие электрических и магнитных полей. Поэтому содержание газов в металле шва бывает выше, чем в основном металле.

 Рис.5 Пористость в наплавленном металле шва

а - равномерная; б - в виде скоплений; а - в виде цепочки

При некоторых условиях может произойти перенасыщение расплавленного металла газами, т. е. металл сварочной ванны будет находиться в нестабильном состоянии. Переход в стабильное состояние произойдет только в том случае, если находящийся в металле газ выделится из него в атмосферу или образует в нем газообразные пузыри. В сварочной ванне всегда имеются поверхности раздела между различными фазами расплавленного металла со шлаком, неметаллическими включениями к твёрдым металлом. Однако известно, что наличие межфазных границ способствует образованию новой фазы Пузырьки газа, появившиеся в сварочной ванне, вследствие разности плотностей металла и газа будут стремиться выйти на поверхность. Процесс удаления газового пузырька из сварочной ванны можно разделить на два этапа перемещение пузырька к границе металл-газ или металл-шлак и переход газового пузырька через межфазную границу. На поднимающийся пузырек помимо сил поверхностного натяжения, которые стремятся придать ему сферическую форму, действует также силы трения и давление жидкости стремящиеся деформировать пузырек. В итоге форма пузырька будет определяться соотношением действующих на него сил, величина которых, очевидно, зависит от размера всплывающего пузырька. Газовые пузырьки могут быть удалены из металла, пока он находится в расплавленном состоянии. Однако если они образуются в период кристаллизации металла сварочной ванны, то такие пузырьки останутся в металле в виде пор. Опасность возникновения пор увеличивается и вследствие скачкообразного уменьшения растворимости водорода и азота в металле при его затвердевании.

Газовые поры образуются в случае применения отсыревших электродов, большой скорости сварки и длинной дуги, загрязненных кромок разделки, недостаточной защиты шва при сварке в защитных газах. Равномерная пористость обычно возникает при постоянно действующих факторах - загрязненность свариваемых кромок (ржавчина, масло, влага), непостоянная толщина покрытия электродов, влажные электроды. Поры могут быть одиночными, в виде цепочки по продольной оси шва или отдельных групп, равномерно распределенных но шву. Одиночные поры образуются за счет действия случайных факторов - колебания напряжения в сети, местного дефекта в покрытии электрода, случайном удлинении дуги. Цепочки пор образуются, когда газообразные продукты проникают в металл по оси шва на всем его протяжении - подварка корня шва произведена некачественными электродами, подсос воздуха через зазор между кромками, сварка ржавого металла. Скопления пор возникают при местных загрязнениях или при отклонениях от установленного режима сварки; при сварке в начале шва, случайных изменениях длины дуги или ее обрыва, при сварке электродами с нарушенным покрытием. Равномерная пористость обычно появляется при постоянно действующих факторах ржавчина, масло, краска на свариваемых кромках, непостоянная толщина покрытия электродов.