Выявление дефектов сварных соединений

1. Общая характеристика и виды сварных соединений
Сварным соединением называется неразъемное соединение, выполненное сваркой. При сварке плавлением в сварном соединении (рис. 1) формируются различные участки, нагретые до различных температур, и отличающихся по этой причине физическими, химическими и механическими свойствами.

Расплавившийся и закристаллизовавшийся металл образует сварной шов 1 с литой структурой; частично оплавившийся металл образует зону сплавления 2. Примыкающие к ней участки металла, нагретые до температуры выше

1000°С, в которых протекают структурные превращения и возникают остаточные напряжения, образуют зону термического влияния 3. Далее следует основной металл 4, структура и свойства которого в процессе сварки не изменяются.
Взаимное расположение соединяемых элементов определяет тип сварного соединения. При ручной дуговой сварке наиболее часто применяют следующие сварные соединения (рис. 2): встык (а); внахлестку (б); тавровые (в); угловые (г); боковые (д). Соединение встык предпочтительнее других в силу своей экономичности и лучшей работоспособности. При стыковом соединении свариваемые кромки предварительно обрабатывают. При сварке тонких изделий кромки загибают для усиления шва (рис. 2, е, г). При толщине металла до 8 мм сварку производят без разделки кромок при зазоре до 2 мм (рис. 2, ж). Металл толщиной 8-15 мм сваривают с односторонней V-образной разделкой кромок (рис 2, з); толщиной 15-20 мм – с двусторонней Х-образной разделкой кромок (рис. 2, и); толще 20 мм – с U-образной односторонней или двусторонней разделкой кромок.

На процесс сварки и качество сварного шва сильно влияют загрязнения поверхности металлов оксидами, жировыми пленками и пр. Поэтому перед сваркой производят подготовку свариваемых поверхностей. Помимо устранения загрязнений поверхности металла принимаются меры для уменьшения загрязнений в процессе сварки, в первую очередь окислами. Для этой цели используют флюсы, шлаки, вакуум, защитные газы. Сварное соединение должно быть таким же прочным, как и основной металл, и не уступать ему при всех видах нагрузок (статических, ударных, циклических). Равнопрочность сварного соединения определяется отсутствием внутренних и внешних дефектов, а так же структурой и свойствами металла шва и зоны термического влияния.

2. Дефекты сварных соединений
В процессе сварки в металле шва и в зоне термического влияния могут возникать различные дефекты, которые снижают прочность соединения, приводят к негерметичности швов и снижению эксплуатационной надежности изделия. По расположению в сварном соединении дефекты делятся на наружные и внутренние. К наружным относятся надрезы, наплывы, наружные трещины и газовые поры. Эти дефекты, как правило, могут быть выявлены при наружном осмотре. Классификация основных дефектов сварных соединений:

Подрез представляет собой углубление (канавку) на основном металле вдоль линии сплавления сварного шва с основным металлом (рис. 3, а). Обычно образование подреза связано с формированием большой сварочной ванны за счет большого сварочного тока.

Наплыв – это натекание металла шва на поверхность основного металла или ранее выполненного валика без сплавления с ним (рис. 3, б).

Непровар – местное несплавление вследствие неполного расплавления кромок свариваемых деталей (рис. 3, в, г). Место непровара в большинстве случаев заполнено шлаком, который, благодаря легкоплавкости и жидкотекучести, заполняет образующееся при непроваре полости. При дуговой сварке образование непровара связано с недостаточным сварочным током. Непровар является одним из наиболее опасных дефектов. Это связано с тем, что при нагружении непровар является концентратором напряжений. Напряжения, возникающие в этом месте, могут в несколько раз превышать средние напряжения в изделии. Это приводит к разрушению изделия при нагрузках, значительно меньших, чем расчетные. Кроме того, непровар часто сопровождается появлением трудно-выявляемых трещин в металле шва. Непровары обязательно устраняют подваркой дефектных участков.

Трещины – частичное местное разрушение (разрыв) в сварном шве и/или в околошовной зоне. При сварке трещины могут образовываться в процессе кристаллизации (горячие трещины) и в процессе фазовых и структурных превращений в твердом состоянии (холодные и другие виды трещин). Механизм образования горячих трещин заключается в следующем. Расплавленный металл шва после удаления источника нагрева начинает охлаждаться. При температуре ниже ликвидуса в расплаве начинают появляться кристаллы. По мере дальнейшего охлаждения объем, занимаемый кристаллитами, увеличивается, а сами кристаллиты объединяются в каркас, разделенный жидкими прослойками. В таком состоянии циркуляция жидкости между кристаллитами затруднена. Это приводит к снижению деформационной способности системы и опасности ее хрупкого разрушения за счет усадочных кристаллизационных напряжений. Разрушению способствует образование на границах кристаллитов выделений (сегрегаций) легкоплавких фаз (сульфидов, фосфидов, оксидов), ослабляющих связи между растущими зернами. Склонность к образованию горячих трещин тем выше, чем шире температурный интервал кристаллизации и чем ниже металлургическое качество стали. Углерод расширяет интервал кристаллизации и усиливает склонность стали к образованию горячих трещин. Холодные трещины образуются при охлаждении сварного шва ниже 200-300°С преимущественно в зоне термического влияния. Процесс их образования имеет, как правило, замедленный характер, что делает их особо опасными. Причиной образования холодных трещин являются внутренние напряжения, возникающие при структурных превращениях (особенно мартенситном) в результате местной закалки стали. В низкоуглеродистых сталях, где объемный эффект мартенситного превращения мал, холодные трещины встречаются редко. С ростом содержания углерода фазовые напряжения увеличиваются, что способствует появлению холодных трещин. В углеродистых сталях холодные трещины являются наиболее распространенным дефектом. Склонность к образованию горячих и холодных трещин определяет свариваемость металла – способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом. Углерод и все основные легирующие элементы отрицательно влияют на свариваемость. Низкой склонностью к образованию холодных трещин (высокой свариваемостью) обладают стали, у которых Сэкв Похожие статьи

Дефе́кты сварны́х соедине́ний — любые отклонения от заданных нормативными документами параметров соединений при сварке, образовавшиеся вследствие нарушения требований к сварочным материалам, подготовке, сборке и сварке соединяемых элементов, термической и механической обработке сварных соединений и конструкции в целом.

Содержание

Основные причины [ править | править код ]

По данным американского общества инженеров-механиков (ASME) причины дефектов сварки распределены следующим образом: 45 % — ошибки выбора технологии сварки, 32 % — ошибки сварщика, 12 % — сбои в работе сварочного оборудования, 10 % — неподходящие сварочные материалы, 1 % — прочее [1] .

Классификация по геометрии [ править | править код ]

Классификация дефектов изложена в ГОСТ 30242-97 «Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначение и определения» [2] , а также в ГОСТ Р ИСО 6520-1-2012 «Классификация дефектов геометрии и сплошности в металлических материалах. Часть 1. Сварка плавлением» [3] , которые соответствуют стандарту ISO 6520 [4] .

Дефекты соединений при сварке разделяются на шесть групп:

1. Трещины — несплошности, вызванная местным разрывом шва, который может возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.
2. Полости и поры — несплошность произвольной формы, образованная газами, задержанными в расплавленном металле, которая не имеет углов.
3. Твёрдые включения — твёрдые инородные вещества металлического или неметаллического происхождения в металле сварного шва.
4. Несплавления и непровары — отсутствие соединения между металлом сварного шва и основным металлом или между отдельными валиками сварного шва.
5. Нарушение формы шва — отклонение формы наружных поверхностей сварного шва или геометрии соединения от установленного значения.
6. Прочие дефекты — все дефекты, которые не могут быть включены в перечисленные выше группы.

Трещины [ править | править код ]

Трещины возникающие в соединениях при сварке могут располагаться в металле сварного шва, в зоне термического влияния, в основном металле.

В зависимости от ориентации трещины делятся на:

• продольные (ориентированные параллельно оси сварного шва). Преимущественно обуславливаются высокими усадочными напряжениями[5] .
• поперечные (ориентированные поперек оси сварного шва). Как правило, образуются в результате продольной усадки металла с низкой пластичностью и, обычно, неглубоки.
• радиальные (радиально расходящиеся из одной точки)

Кроме того, отдельно выделяют следующие виды трещин:

• размещённые в кратере сварного шва
• групповые и раздельные
• групповые разветвлённые
• микротрещины, обнаруживаемые физическими методами при не менее чем 50-кратном увеличении.

Методами снижения трещинообразования при сварке являются:

• прокаливание флюсов перед сваркой;
• предварительный подогрев заготовок от 250 до 450 °С;
• сваривание в режиме с оптимальными параметрами;
• медленное охлаждение металла после сварки;
• проведение после сварки мягкого отжига для снятия остаточных напряжений.

Полости и поры [ править | править код ]

Возникновение этих дефектов преимущественно обуславливается газами, задержанными в расплавленном металле. По расположению они подразделяться на:

• равномерно распределённые по сварному шву;
• расположенные скоплением;
• расположенные цепочкой.

К полостям также относятся свищи — продолговатые трубчатые полости, вызванные выделением газа, и усадочные раковины — полости, которые образуются вследствие усадки при затвердевании. Частным случаем усадочной раковины является кратер — не заваренная усадочная раковина в конце валика сварного шва.

Твёрдые включения [ править | править код ]

Выделяют следующие виды твёрдых включений:

• шлаковые включения — линейные, разобщённые, прочие;
• флюсовые включения — линейные, разобщённые, прочие;
• оксидные включения;
• металлические включения — вольфрамовые, медные, из другого металла.

Несплавления и непровары [ править | править код ]

Выделяют следующие типы несплавлений или отсутствий соединения между металлом шва и основным металлом либо между отдельными валиками сварного шва [6] :

• по боковой поверхности;
• между валиками;
• в корне сварного шва.

Термином непровар или неполный провар, называют несплавление основного металла на участке или по всей длине шва, появляющееся из-за неспособности расплавленного металла проникнуть в корень соединения, заполняя зазор между деталями.

Нарушение формы шва [ править | править код ]

К нарушениям формы шва по ГОСТ 30242-97 относятся:

• подрезы — продольные углубления на наружной поверхности валика шва.
• усадочные канавки — подрезы со стороны корня одностороннего шва из-за усадки вдоль его границы.
• превышения выпуклости стыкового и углового швов
• превышение проплава — избыток наплавленного металла на обратной стороне стыкового сварного шва.
• неправильный профиль шва — угол между поверхностью основного металла и плоскостью, касательной к поверхности шва, меньше нормального значения.
• наплав — избыток наплавленного металла шва, натёкший на поверхность основного металла.
• линейное и угловое смещения свариваемых элементов — смещение между свариваемыми элементами при их параллельном расположении на разном уровне (линейное) или расположение кромок элементов под углом (угловое).
• натёк — металл шва, не имеющий сплавления с соединяемой поверхностью и образовавшийся в результате перераспределения наплавленного металла шва под действием силы тяжести. Натёки часто возникают при сварке угловых швов или стыковых швов в горизонтальном положении.
• прожог — вытекание металла сварочной ванны, приводящее к образованию в шве сквозного отверстия.
• не полностью заполненная разделка кромок
• чрезмерная асимметрия углового шва — значительное превышение размеров одного катета над другим.
• неравномерная ширина шва
• неровная поверхность
• вогнутость корня сварного шва — неглубокая канавка со стороны корня шва, возникшая из-за усадки.

Классификация дефектов

Дефектами в сварных соединениях называют отклонения от норм, предусмотренных стандартами и техническими условиями.

В сварных соединениях, выполненных сваркой плавлением, различают дефекты в зависимости от причин возникновения и места их расположения.

В зависимости от причин возникновения дефекты можно разделить на две группы.

К первой группе относятся дефекты, связанные с металлургическими и тепловыми явлениями, происходящими в процессе образования, формирования и кристаллизации сварочной ванны и остывания сварного соединения: горячие и холодные трещины в металле шва и около- шовной зоне, поры, шлаковые включения, неблагоприятные изменения свойств металла шва и зоны термического влияния.

Вторую группу составляют дефекты формирования швов, т.е. дефекты, происхождение которых связано в основном с нарушением режима сварки, неправильной подготовкой и сборкой элементов конструкции под сварку, неисправностью оборудования, небрежностью и низкой квалификацией сварщика и другими нарушениями технологического процесса. К таким дефектам относятся: несоответствие швов расчетным размерам, непровары, подрезы, прожоги, наплывы, незаваренные кратеры и др.

Сварочные дефекты классифицируют по форме, величине, массовости и расположению в шве (рис. 20.1).

В зависимости от места нахождения дефекты условно делят на наружные и внутренние.

Рис. 20.1. Классификация дефектов сварных швов

Наружные (внешние) дефекты – это дефекты формы шва, подрезы, прожоги, наплывы, кратеры, а также трещины и поры, выходящие на поверхность металла (рис. 20.2). В большинстве случаев наружные дефекты можно определить при внешнем осмотре.

Неравномерная форма шва (рис. 20.2, а) появляется вследствие неустойчивого режима сварки, неточного направления электрода относительно разделки, неравномерности зазора и угла скоса кромок, а также в местах

Рис. 20.2. Наружные дефекты сварных швов расположения прихваток. Этот дефект обычно возникает в результате недостаточной квалификации сварщика.

Подрезы образуются на поверхности швов и представляют собой углубления (канавки) в основном металле, идущие вдоль границы шва (рис. 20.2, б). Они возникают в результате большого сварочного тока и длинной дуги, так как при этом возрастает ширина шва и сильнее оплавляются кромки.

Основной причиной образования подрезов при выполнении угловых швов является смещение электрода в сторону вертикальной стенки, которая плавится раньше и стекает на горизонтальную полку. В таких случаях на горизонтальной полке образуются наплывы.

Прожоги – это сквозное проплавление основного или наплавленного металла с образованием в нем отверстия (рис. 20.2, в). Причинами их образования могут быть большая сила сварочного тока при небольшой скорости сварки, превышение зазора между свариваемыми кромками, недостаточное притупление кромок. Наиболее часто прожоги образуются при сварке тонкого металла и выполнении первого прохода многослойного шва. Прожоги могут появляться также в результате плохого поджатия медной подкладки или флюсовой подушки.

Наплывы образуются от натекания расплавленного металла сварочной ванны на кромки нерасплавившегося основного металла (рис. 20.2, г). Чаще всего они возникают при выполнении дуговой сваркой горизонтальных швов на вертикальной плоскости. Причинами образования наплывов являются: большая сила сварочного тока, неправильный наклон электрода, слишком длинная дуга, неудобное пространственное положение соединяемых деталей при сварке.

Кратеры образуются при внезапном прекращении сварки и имеют вид углублений в застывшей сварочной ванне (рис. 20.2, д).

К внутренним дефектам относят поры, шлаковые включения, непровары, трещины, несплавления, перегрев металла, а также неметаллические включения, пережог металл, смещение свариваемых кромок (рис. 20.3). Эти дефекты выявляют методами неразрушающего контроля.

Рис. 20.3. Внутренние дефекты сварных швов

Поры – это газовые пустоты в металле шва (рис. 20.3, а). Газовые поры образуются в результате перенасыщения жидкого металла газами, которые не успевают выйти на поверхность во время его быстрой кристаллизации и остаются в нем в виде пузырьков.

Размер внутренних пор колеблется от нескольких микрометров до 2-3 мм в диаметре. Поры могут быть распределены в шве в виде отдельных включений (одиночные поры), в виде цепочки по продольной оси шва или отдельными группами (скопление пор). При сварке поры могут выходить на поверхность (рис. 20.3, б). Такие поры являются канальными, их называют свищи.

Причины образования газовых пор: загрязненность кромок свариваемого металла (ржавчина, окалина, масло, краска и др.), использование отсыревших электродов, завышенная длина дуги. Поры могут быть вызваны чрезмерно большой скоростью сварки, в результате которой нарушается газовая защита ванны жидкого металла. Образование пор возможно также при повышенном содержании углерода в основном металле и при неправильном выборе электродов.

Шлаковые включения в металле шва – это небольшие объемы (рис. 20.3, в), заполненные неметаллическими веществами (шлаками, оксидами). Они достигают нескольких миллиметров и могут быть различной формы: круглые, продолговатые, плоские или пленки. Встречаются микроскопические включения в виде нитридов, сульфидов, оксида железа. Шлаковые включения располагаются на границе сплавления основного металла с наплавленным, а при многослойной сварке – на поверхности предыдущих слоев.

Шлаковые включения образуются в шве из-за плохой очистки свариваемых кромок от окалины и других загрязнений, а чаще всего от шлака на поверхности первых слоев многослойных швов при заварке последующих слоев. Недостаточный сварочный ток и чрезмерно большая скорость сварки также могут вызывать появление шлаковых включений.

Непровары – дефекты в виде несплавления в сварном соединении вследствие неполного расплавления кромок или поверхностей ранее выполненных валиков сварного шва (рис. 20.3, г). Различают непровары по кромке и непровары по сечению. Первые оказывают большее влияние на прочность шва. При этом виде непровара между металлом шва и основным металлом обычно обнаруживаются тонкие прослойки оксидов, а иногда грубые шлаковые прослойки.

Причинами образования непроваров являются: плохая подготовка кромок свариваемых деталей, малое расстояние между кромками деталей, неточное направление электродной проволоки относительно места сварки, недостаточный сварочный ток или чрезмерно большая скорость сварки, неустойчивый режим сварки и т.п.

Трещины – это частичное местное разрушение сварного соединения (рис. 20.3, д). Они могут возникать в результате надрыва нагретого металла в пластическом состоянии или в результате хрупкого разрушения после остывания металла до низких температур. Чаще всего трещины образуются в жестко закрепленных конструкциях, они могут располагаться вдоль и поперек сварного соединения, а также в основном металле в местах пересечения и сосредоточения швов.

Причинами образования трещин могут быть также неправильно выбранная технология или плохая техника сварки.

Несплавления возникают, когда наплавленный металл сварного шва не сплавляется с основным металлом (рис. 20.3, е) или с ранее наплавленным металлом предыдущего слоя того же шва.

Несплавления образуются вследствие плохой зачистки кромок свариваемых деталей от окалины, ржавчины, краски, при чрезмерной длине дуги, недостаточном токе, большой скорости сварки и др.

Неметаллические включения в металле шва – макро- и микроскопические частицы соединений металла с кислородом (оксидов), азотом (нитридов), серой (сульфидов), фосфором (фосфидов), а также шлака, покрытий и т.п. Неметаллические включения образуются в результате протекающих в металле процессов, например химических реакций, а также в результате попадания инородных частиц извне.

Перегрев металла (рис. 20.3, ж) – рост зерна в зоне термического влияния. Причина дефекта- длительное время пребывания металла при высоких температурах.

Пережог металла (рис. 20.3, ж) – окисление границ зерен металла при высоких температурах.

Перегрев металла – дефект устранимый, пережог – неустранимый.

Смещение сваренных кромок – неправильное положение сваренных кромок друг относительно друга. Причиной дефекта является плохая сборка деталей под сварку.