Дефекты сварных соединений

7 minutes read

Сварка — это процесс соединения металлических деталей путём их расплавления и последующего затвердевания. Однако даже при соблюдении всех технологических требований в сварных соединениях могут возникать дефекты. Они могут привести к снижению прочности и надёжности конструкции, а в некоторых случаях — к авариям и травмам.

Виды дефектов

Существует несколько классификаций дефектов сварных соединений. Одна из них основана на их расположении относительно сварного шва:

Внутренние дефекты — это дефекты, которые находятся внутри сварного шва и не видны невооружённым глазом. К ним относятся поры, трещины, шлаковые включения, непровары и другие.
Наружные дефекты — это дефекты, которые видны на поверхности сварного соединения. К ним относятся трещины, наплывы, подрезы, кратеры и другие.

Также дефекты можно классифицировать по их происхождению:

Технологические дефекты— это дефекты, вызванные нарушением технологии сварки. К ним относятся непровары, поры, шлаковые включения и другие. Конструкционные дефекты — это дефекты, возникающие из-за особенностей конструкции или материала. К ним относятся трещины, усталостные разрушения и другие.

Причины возникновения дефектов

Дефекты сварных соединений могут возникать по разным причинам. Вот некоторые из них:

продается место под размещение рекламы

Нарушение технологии сварки. Это может быть неправильный выбор режима сварки, неправильный угол наклона электрода, неправильное движение электрода и другие. Низкое качество материалов. Это может быть использование некачественных электродов, проволоки, флюсов и других материалов.
Неисправность оборудования. Это может быть износ электродов, неисправность источника питания и другие. Нарушение правил эксплуатации. Это может быть перегрев, перегрузка, неправильное хранение и другие.

Способы выявления дефектов

Для выявления дефектов сварных соединений используются различные методы контроля. Вот некоторые из них:

Визуальный осмотр. Это самый простой и доступный способ выявления дефектов. Он позволяет обнаружить трещины, наплывы, подрезы и другие дефекты, которые видны на поверхности.
Радиографический контроль. Это метод, основанный на использовании рентгеновских лучей или гамма-излучения. Он позволяет обнаружить внутренние дефекты, такие как поры, трещины, непровары и другие.
Ультразвуковой контроль. Это метод, основанный на использовании ультразвуковых волн. Он позволяет обнаружить внутренние дефекты, такие как поры, трещины, шлаковые включения и другие.
Магнитный контроль. Это метод, основанный на использовании магнитных полей. Он позволяет обнаружить дефекты, связанные с нарушением магнитной проницаемости, такие как трещины, непровары и другие.
Контроль проникающими веществами. Это метод, основанный на использовании жидкостей или газов, проникающих в дефекты. Он позволяет обнаружить дефекты, такие как трещины, поры, непровары и другие.

Меры предотвращения дефектов

Для предотвращения дефектов сварных соединений необходимо соблюдать следующие меры:

Соблюдать технологию сварки. Использовать качественные материалы.
Регулярно проверять и обслуживать оборудование. Соблюдать правила эксплуатации.

Проводить контроль качества сварных соединений.

Важно помнить, что дефекты сварных соединений могут привести к снижению прочности и надёжности конструкции, а в некоторых случаях — к авариям и травмам. Поэтому необходимо уделять внимание контролю качества сварных соединений и принимать меры по предотвращению дефектов.

Начинающие сварщики, самостоятельно ремонтирующие металлоконструкции и детали, нередко допускают дефекты сварки, снижающие прочность швов. Они растрескиваются, пропускают воду, разрушаются под нагрузкой. Существуют способы выявления и устранения дефектов сварных швов и соединений, снижающих прочность смонтированных конструкций, заваренных деталей.

Сварщик несет индивидуальную ответственность за качество работы. Недопустимые дефекты – такие, при которых изделие или конструкцию нельзя эксплуатировать. Поврежденный сварочный шов может лопнуть под воздействием окружающей среды, силовой нагрузки. Контролеру необходимо выявить тип дефекта, место его расположения, размер. В зависимости от предполагаемых условий эксплуатации выбирает методы контроля.

Изъяны при сварке возникают по объективным и субъективным причинам. Каждый вид металлопроката характеризуется свариваемостью. Этот показатель зависит от компонентного состава сплава, способа производства проката. Для плохо свариваемых деталей в технологические карты сразу закладывается большой процент брака.

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 < 0,45%, т.е. содержащие до ~ 0,25% С.

В эту группу входят углеродистые стали Ст1 — Ст4, 05, 08, 10, 15, 20, 25, а так же низколегированные стали 09Г2(Д), 14Г2, 17ГС и др., применяемые для изготовления различных металлоконструкций.

Внешние дефекты не так опасны, как внутренние, невидимые. Они выявляются неразрушающими методами контроля.

Основные причины нарушения целостности сварных шовных валиков и зоны термовлияния:

некачественная обработка стыков: плохо зачищенная окалина, ржавчина, остатки оксидной пленки, жирные пятна, загрязнения;
применение наплавочной проволоки или электродов, не соответствующих основному металлу;
неисправность сварочного аппарата;
неправильная установка рабочих параметров: силы тока, напряжения на регуляторах сварочника;
неправильная укладка деталей, не учитывается коэффициент линейного расширения;
несоблюдение интервала между электродом и деталью, не поддерживается определенная длина дуги.

Методика исправления недостатков сварки зависит от вида дефектных нарушений:

Пористость, выявленную визуально или методом неразрушающего контроля, вырубают. Швы проваривают заново с соблюдением технологии, снижающей риск образования газовых полостей на поверхности и внутри металла.
Свищи по природе схожи с глубокой пористостью, отличаются образованием воронок различной глубины. Неустранимые подваркой нарушения шва вырубают. Делают обрубку и зачистку дефектного участка, если массивный валик позволяет такую корректировку.
Подрезы по линии диффузного слоя обычно бывают на сверхнормативно направленных валиках. Их убирают зачисткой или дополнительной наплавкой металла.
Непровары случаются, когда кромки плохо разогреваются при образовании ванны расплава. Дефект, обнаруженный во время приемки изделия, корректируют новой проходкой. Участок шва с дефектом удаляют болгаркой или механически вырубают, после этого заполняют расплавом.
Наплывы или подтеки снимают шкуркой, как регламентировано в стандарте. Объемные дефекты предварительно срубают, затем проводят зачистку шкуркой допустимого размера или напильником. После подготовки кромок снова наплавляют валик.
Шлаковые вкрапления, снижающие прочность на разрыв, видимые или выявленные аппаратурой, удаляют механически, образовавшийся зазор тщательно проваривают, после этого доводят валик до нужных параметров.
Отклонения валика от допустимых геометрических размеров:

в сторону увеличения устраняют зачисткой, срубанием излишков металла; в меньшую – подваркой шва.