Дефекты и контроль качества сварных соединений МК

1 Цель работы

Цель работы ознакомить студентов с исследованием дефектов и контролем качества сварных соединений.

Формируемые компетенции или их части

Владением технологией проектирования деталей и конструкций в соответствии с техническим заданием (ПК-2), владение методами испытаний строительных конструкций и изделий, методами постановки и проведения экспериментов по заданным методикам (ПК-14)

2 Теоретическая часть

Основой задачей металлографического анализа является исследование структуры и дефектов (пороков) основного и наплавленного металла сварного соединения. Металлографические исследования включают в себя макроструктурный и микроструктурный методы исследования металлов.

При макроструктурном методе изучаются макрошлифы и изломы металла.

Макрошлиф – это зашлифованный образец металла, с плоской поверхностью протравленный 25%-ным водным раствором азотной кислоты или раствором щелочи. Шлифы вырезают из сварного шва или пробных пластин. Макроструктуру рассматривают невооруженным глазом либо с помощью лупы. Исследование излома позволяет выявлять такие дефекты, как: белые пятна − флокены – дефекты внутреннего строения стали в виде серебристо-белых пятен в изломе или волосовин – на протравленных шлифах. Они обусловлены повышенным содержанием водорода в металле. Излом – является одним из лучших методов выявления этого дефекта. По излому можно судить и о том, где произошло разрушение металла – по зерну или по границам зерен.

Изучение макроструктур визуально или с помощью лупы позволяет выявить границы сварного шва, глубину проплавления, ширину зоны термического влияния, строение металла шва, а также внутренние дефекты: непровары, подрезы, прожоги, наплывы, шлаковые включения, трещины, поры и др.

При микроструктурном методе (микроанализ) исследуется структура и пороки металла с помощью микроскопа, т.е. при более чем 100-кратном увеличении. Поверхность шлифа тщательно полируется до зеркального блеска и протравливается. С помощью микроисследования можно установить качество металла, в том числе обнаружить перегрев металла, наличие окислов по границам зерен, засоренность неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами), величину зерен металла, изменение состава металла при сварке, микроскопические трещины, микропоры, непровары и другие дефекты структуры.

Неудовлетворительное формирование шва характеризуется крупной чешуйчатостью, неравномерной шириной и высотой шва, наличием наплавов и прожогов, а также незаверенных кратеров.

Подрезы – это углубления (канавки) в месте перехода основного металла к металлу сварного шва (рисунок 4.1а). Подрезы – опасные дефекты, которые могут привести к выходу из строя сварное изделие.

Подрезы устраняются наплавкой тонких (ниточных) швов электродами малых диаметров.

Прожоги (рисунок 4.1б) образуются в результате большой величины сварочного тока, из-за малого притупления кромок свариваемого изделия, большого зазора между свариваемыми кромками, а также при неравномерной скорости сварки. Прожоги являются недопустимыми дефектами и подлежат исправлению.

Непровары – это несплавление между отдельными валиками, основным и наплавленным металлом и незаполненное металлом расчетного сечения шва (рисунок 4.1в). При V-образной разделке кромок могут быть непровары в корке стыковых швов, а при Х-образной разделке – в центре шва. Непровары могут быть также в стыковых и угловых швах и могут стать причиной разрушения конструкции в результате повышенных концентраций напряжений и уменьшения площадки поперечного сечения металла шва.

Трещины (рисунок 4.1г) являются наиболее опасными дефектами. Возникновение трещин связано с химическим составом основного и наплавленного металла, а также со скоростью охлаждения сварного соединения и с жесткостью свариваемого контура.

Трещины, образовавшиеся в процессе сварки, называются горячими, а после охлаждения металла – холодными.

Трещины снижают статическую, динамическую и вибрационную прочность конструкции. В результате динамических нагрузок трещины быстро развиваются (увеличиваются в размере) и приводят к разрушению конструкции. На образование трещин влияет температура окружающей среды (чем ниже температура окружающей среды, тем больше вероятность образования трещин). При сварке низкоуглеродистых сталей трещины встречаются редко.

Газовые поры (рисунок 4.1д) образуются в шве вследствие перенасыщения расплавленного металла сварочной ванны газами. Поры могут быть внутренними, не выходящими на поверхность сварного шва, и наружными, выходящими на поверхность шва. Они могут быть одиночными либо располагаться цепочкой.

Появление пор в сварном изделии снижает механические свойства наплавленного металла (ударную вязкость, угол загиба, предел прочности) и нарушает герметичность изделия.

Неметаллические включения представляют собой загрязнение металла. Это чаще всего шлаки, не успевшие всплыть на поверхность металла в процессе кристаллизации. Неметаллические включения уменьшают рабочие сечения шва и приводят к понижению прочности сварного соединения.

Рисунок 4.1 – Дефекты сварных соединений (стрелками указан дефект): а – подрезы (большой ток, неправильный наклон электрода); б – прожоги (большой ток, большой зазор, отсутствие кромки притупления); в – непровар (малая величина тока); г – трещины внутренние и поверхностные (несоблюдение технологии сварки); д – поры внутренние и выходящие на поверхность (сырые электроды, недостаточная зачистка места сварки); е – неравномерное перемещение электрода; ж – задержка дуги на одном месте; з – малый зазор, большая кромка притупления; и – невыдержанные размеры шва по ширине и высоте (несоблюдение технологии сварки); к – наплывы и натеки (малый ток, задержка дуги на одном месте, неправильный наклон электрода); л – шлаковые включения наружные и внутренние (неправильное перемешивание сварочной ванны, недостаточная зачистка промежуточных швов); м – незаваренные кратеры (неправильный обрыв дуги); н – крупночашуйчатость (большой ток)

3. Оборудование и материалы

1. Коллекция сварных соединений                      1 комплект

2. Металломикроскопы                               8 шт.

3. Лупа                                                         8 шт.

4 Указания по технике безопасности

К выполнению лабораторных работ допускаются только студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Зона выполнения лабораторных работ должна быть изолирована от учебной зоны аудитории. Нахождение посторонних лиц, в рабочий зоне, запрещается.

Необходимо изучить и соблюдать инструкцию по технике безопасности при работе с металлографическим микроскопом.

При проведении работ должно быть смешанное освещение, то есть естественное и искусственное, что обеспечивает освещенность зоны работ в соответствии с требованиями норм.

5 Задания (указания по порядку выполнения работы)

Рассмотрение сварных соединений производится на подготовленных заранее шлифах.

Для изучения микроструктуры сварных соединений применяются металлографические микроскопы. Оптическая схема хода лучей в микроскопе МИМ – 6 представлена на рисунке 4.2.

Макроструктуры сварных соединений рассматриваются невооруженным глазом или при помощи лупы с 5- или 10- кратным увеличением.

Микроструктуры рассматриваются на микроскопе при увеличениях
100 – 300 раз.

Рисунок 4.2 – Оптическая схема хода лучей в микроскопе МИМ – 6:
1 – микрошлиф; 2 – источник света; 3 – прозрачная пластина; 4 – объектив;
5 – призма; 6 – окуляр; 7 – предметный столик

Исследуемый шлиф помещается на предметный столик подготовленной поверхностью вниз. Грубую наводку на фокус производят подниманием или опусканием предметного столика посредством специального винта, наблюдая при этом в окуляр за четкостью изображения. Точную наводку на фокус осуществляют вращением микрометрического винта. Передвижение предметного столика со шлифом осуществляется при помощи двух винтов.

Работа выполняется в следующем порядке:

1. Ознакомиться с макроструктурой сварного шва стыкового соединения с V-образной разделкой, выполненного другой сваркой (образец №1), и макроструктурами наплавок валика на поверхность листа, выполненных дуговой (образец №2) и газовой (образец №3) сваркой.

Зарисовать сечение шва, определить глубину проплавления и отметить имеющиеся дефекты сварки.

2. На микроскопе рассмотреть микроструктуру образцов 1, 2, 3. Описать и зарисовать структуру наиболее характерных участков сварного соединения: шва, зоны перегрева, зоны нормализации, основного материала.

3. Ознакомиться с макроструктурой сварного шва низкоуглеродистой стали С235 толщиной 85 мм (шлиф №4), выполненного электрошлаковой сваркой. Соединение встык. Видны кристаллизационные слои в литом металле шва. Структура не видна, т.к. соединение было нормализовано. Обратить внимание на качество и чистоту литого металла шва по сравнению с основным металлом (прокат).

4. Ознакомиться с внешним видом стыкового соединения алюминия со сталью, выполненного дуговой сваркой, угольным электродом, с применением флюса (ZnCl+NaCl+CaF+KF).

5. Ознакомиться с внешним видом, структурой и характерными особенностями сварных соединений, выполненных различными видами сварки (контактная, в среде защитных газов, холодная сварка и др.).

6 Содержание отчета

1. В отчете зарисовываются сварные соединения.

2. Производится описание дефектов, видимых на шлифах, причины их образования, возможные способы исправления. Дается заключение о качестве сварки по внешнему виду.

3. Производятся описание и зарисовка зоны термического влияния шлифа №3.

7 Контрольные вопросы и тестовые задания

1. Назовите основную задачу металлографического анализа.

2. Что изучает макроструктурный метод исследования металла?

3. Что называют макрошлифом?

4. Как можно изучить макроструктуру?

5. Что позволяет выявить изучение излома металла и макроструктуры шлифа?

6. Каким прибором пользуются для изучения микроструктуры сварных соединений?

7. Расскажите о последовательности работ при исследовании шлифа под микроскопом.

8. Что можно установить с помощью микроисследования сварного шва?

9. Перечислите дефекты сварных швов и причины их образования.

10. Расскажите о порядке выполнения работы.

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме: основная 1; дополнительная 3,4,5,6.

Список рекомендуемой литературы

Основная

1. Металлические конструкции: учебник для студ. Учреждений высш. проф. образования / [Ю. И. Кудишин, Е.И. Беленя, В.С. Игнатьева и др.]; под ред. Ю. И. Кудишина. − 14-е изд., испр. − М. : Издательский центр «Академия», 2014. − 688 с. − (Сер. Бакалавриат).

Дополнительная

2. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций: Учеб. для строит. вузов / В. В. Горев, Б. Ю. Уваров, В. В. Филиппов и др.; Под ред. В. В. Горев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2001. – 551с.

3. Сварка строительных металлоконструкций. Учебник для вузов /
В. М. Рыбаков, Ю. В. Ширшов, Д. М. Чернавский и др. – М.: Стройиздат. 1993. – 268 с.

4. Симоненков В. В. Сварочные работы при изготовлении строительных конструкций, – М.: Стройиздат, 1990 г.

5. Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций: Учеб. пособие. – М.: Высш. школа, 1982. – 272 с.

6. Технология металлов и сварка. Учеб. для вузов / Полухин П. И., Гринберг Б. Г., Жадан В. Т., Кантеник С. К., Васильев Д. И.; под ред.
Полухина П. И.. – М.: Высш. школа, 1977. – 464 с.

7. Сахновский М. М. Технологичность строительных сварных стальных конструкций /– 3-е изд., перераб. и доп. – Киев: Будiвельник, 1980. – 264с.

8. Николаев Г. А. Расчет. Проектирование и изготовление сварных конструкций. Учеб. пособие для машиностроит. вузов. – М.: Высш. школа, 1971. – 760 с.

9. Белов А. Д. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Металлические конструкции, включая технологию сварки». – Л.:
ЛИСИ, 1976, 1977.

Методические указания

по выполнению лабораторных работ по дисциплине

«Металлические конструкции, включая сварку»

для студентов бакалавров по направлению «Строительство»

08.03.01 «Промышленное и гражданское строительство»

Составитель:                 Гаврилова А. И.

Формат 60´84 1/16 Усл. п. л. 2.6 Уч.− изд.л. 2.3

Бумага газетная.     Печать офсетная.    Заказ № .Тираж 50.

СКФУ, ИИ

355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2

Отпечатано в типографии СКФУ

Издательство Северо-Кавказского Федерального

Университета