Механические, металлографические испытания и испытания на коррозию 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.

В рассмотренных причинах появления пор и кроются меры по их предотвращению. Существуют однако и другие способы, которые могут уменьшить порообразование. На стадии появления газовых зародышей вероятность их возникновения будет снижаться в случае применения обратной полярности при сварке на постоянном токе, снижения температуры металла сварочной ванны, устранения или снижения интенсивности перемешивания металла в сварочной ванне, уменьшения числа газов и их содержания в металле, отсутствия неметаллических включений в металле.

Рост пузырьков газа будет затруднен при уменьшении интенсивности перемешивания металла, повышении внешнего давления, снижении содержания газов в металле. При многослойной сварке скорость роста газовых пузырьков уменьшается при снижении температуры металла сварочной ванны, введении в металл компонентов, повышающих его вязкость. Удалению газовых пузырьков из металла сварочной ванны способствует увеличение ширины сварочной ванны, повышение интенсивности перемешивания металла сварочной ванны, снижение вязкости металла и шлака.

Поры являются причиной усталостных разрушений в угловых, стыковых и в поперечных швах (по отношению к действующей нагрузке) с высокими растягивающими остаточными напряжениями. Поэтому в сварных швах трубопроводов высокого давления не допускаются одиночная пора, сплошная цепочка или сетка пор (независимо от длины и площади) размером более 5 % толщины стенки трубы при ее толщине до 20 мм и свыше 1 мм при большей толщине и наличии двух и более пор на 100 мм сварного шва. В нахлесточных соединениях поры практически не влияют на их выносливость.

Неметаллические включения (рис. 6), представляющие пустоты в металле шва, заполненные неметаллическими веществами (шлаками, окислами), как правило, присутствуют в металле сварных швов. Их состав, количество, размер, форма и распределение в металле шва могут оказать заметное влияние на механические свойства сварных соединений. Неметаллические включения можно разделить на включения, которые образуются в металле сварочной ванны в результате различных физико-химических процессов, и на включения, вносящиеся в сварочную ванну извне. Большинство неметаллических включений относится к первой группе и их образованию способствует обогащение жидкого металла примесями вследствие ликвидационных явлений и понижение совместной растворимости примесей при охлаждении металла сварочной ванны. Извне неметаллические включения могут быть внесены в результате перевода выварочную ванну части расплавленного покрытия в виде отдельных капель или вместе с электродным металлом за счет перехода окислов (соединение металла с кислородом), находящихся на поверхности свариваемых деталей, или неполного удаления шлаковой корки с поверхности предыдущего валика. Размеры неметаллических включений влияют на скорость их удаления из расплавленного металла и в значительной степени на механические характеристики сварного соединения. Зародыши включений могут увеличиваться в результате адсорбции ионов из расплава в связи с перенасыщением или вследствие объединения отдельных мелких включений, находящихся в расплавленном металле, при их столкновении. Процесс образования и укрупнения сульфидных (соединение металла с серой) неметаллических включений происходит в то время, когда объем расплавленного металла и подвижность включения малы, эти включения в основном остаются в металле шва. Удаляются из сварочной ванны в основном окисные включения. Удаление неметаллических включений происходит в несколько этапов: подход включения к границе металл газ или металл шлак, это зависит от применяемого способа защиты; переход включений через указанную границу; отвод частиц в шлак в случае применения флюса.

Рис.6. Шлаковые включения по подрезу кромки в многослойном шве

Наиболее действенным средством, способствующим устранению неметаллических включений в сварном шве, является исключение или сильное снижение содержания в металле шва кислорода, азота и серы. Однако осуществить его на практике нельзя из-за технической сложности и экономической невыгодности. Поэтому применяются различные меры по снижению вредного влияния неметаллических включений: уменьшение их количества, размеров и придания им благоприятной формы и места расположения в шве. Результаты последних исследований свидетельствуют о том, что скорость удаления неметаллических включений связана в первую очередь с процессом перемешивания металла, а размеры включений мало влияют на скорость их удаления. Поэтому необходимо применять меры к торможению роста неметаллических включений. Прежде всего, сокращать время существования сварочной ванны. Это снижает вероятность роста включений за счет диффузии и их объединения. Эффективным средством для уменьшения количества и размеров неметаллических включений, когда металл сварочной ванны не покрыт шлаком, является вакуумирование. При сварке с применением флюсов и флюс-паст снизить количество неметаллических включений можно за счет их перехода в расплавленный шлак. Удалению включений из металла шва способствует перемешивание металла сварочной ванны и шлака. При этом увеличение скорости перемешивания металла, уменьшение ширины сварочной ванны и размеров включений повышают скорость их удаления. Вероятность образования неметаллических включений в значительной мере зависит от марки электрода. При сварке электродами, покрытие которых дает много шлака, расплавленный металл дольше находится в жидком состоянии и неметаллические включения успевают всплыть на его поверхность. В случае использования электродов с тонким покрытием вероятность образования неметаллических включений увеличивается.

Наиболее опасными дефектами в сварном соединении являются трещины (рис. 7). Появлению трещин в металле шва могут способствовать поры и неметаллические включения. Процесс разрушения начинается с образования зародышевой трещины, поэтому наличие в металле трещин является фактором, предрасполагающим к разрушению. Разрушение любого металла состоит из нескольких этапов - зарождение трещины, ее устойчивый рост и достижение критической длины, нестабильное развитие трещины. Существуют трещины двух типов - горячие и холодные. Стенки горячих трещин обычно сильно окислены, а у холодных блестящие, чистые. Горячие трещины имеют межкристаллитное строение, в то время как холодные трещины, в основном, проходят через тело кристаллов. Горячие трещины обычно расположены в металле шва и могут образоваться в процессе кристаллизации металла под действием растягивающих напряжений, возникающих в процессе охлаждения сварного соединения. Холодные трещины чаще всего возникают в околошовной зоне, и реже в металле шва. В основном они образуются при сварке изделий из средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Но они могут появиться и в сварных соединениях из низколегированных сталей перлитно-ферритного класса и высоколегированных сталей аустенитного класса.

Рис.7. Трещины в сварных швах и соединениях

а - в наплавленном металле; б - в зоне термического влияния

Кристаллизационные трещины образуются под действием сварочных напряжений в тот период, когда сварочная ванна представляет собой двухфазную систему: кристаллы - расплав. Поэтому легкоплавкие соединения металла шва могут стать причиной возникновения кристаллизационных трещин. При сварке углеродистых и низколегированных сталей большую роль в появлении кристаллизационных трещин играет сера, образующая легкоплавкие соединения. Однако влияние серы зависит от вида и количества легирующих компонентов в металле Большое число экспериментальных данных свидетельствует о том, что появлению кристаллизационных трещин в значительной мере способствует повышение концентрации углерода в металле. При сварке высоколегированных сталей углерод может стать непосредственной причиной возникновения кристаллизационных трещин. В меньшей мере на процесс образования трещин влияет содержание кремния. Особенно кремний способствует этому при сварке аустенитных хромоникелевых сталей. Возрастает склонность металла шва к появлению кристаллизационных трещин и при наличии в металле фосфора. К наиболее распространенным элементам, которые снижают опасность образования кристаллизационных трещин, относятся кислород, марганец и хром. На появление трещин в металле шва влияет также форма сварочной ванны, обусловливающая скорость кристаллизации металла, а также напряженное состояние металла шва. Если сварочная ванна имеет форму, близкую к форме падающей капли, в ее хвостовой части возникают высокие растягивающие напряжении, облегчающие образование трещин. От формы шва зависит и критическое содержание углерода и кремния в металле, при котором возникают кристаллизационные трещины. Оптимальное значение коэффициента формы шва (отношение ширины шва к глубине проплавления) близко к 6.

Холодные трещины являются довольно распространенным дефектом. Для них характерно замедленное развитие в начальной стадии. Обычно они зарождаются спустя некоторое время после сварки и, достигнув некоторой критической длины, могут расти с огромной скоростью. Скорость роста на заключительном этапе разрушения определяется величиной действующего напряжения, температурой, скоростью нагружения. Наибольшие значения скорости роста трещин достигаются при динамическом нагружении в условиях низких температур и при большом запасе упругой энергии. На процесс возникновения холодных трещин влияет химический состав металла, содержание водорода и величина погонной энергии сварки. Больше всего трещины образуются в сварных соединениях при сварке изделий из средне- и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов электродами аналогичного состава. Реже холодные трещины появляются при сварке аустенитных швов и низколегированных ферритно-перлитных сталей. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что наличие водорода в металле приводит к снижению его механических свойств и уменьшает стойкость против образования холодных трещин. На процесс возникновения холодных трещин могут влиять режимы сварки, так как структурные превращения зависят от перегрева околошовной зоны, скорости охлаждения металла околошовной зоны и шва. Если ограничить перегрев и исключить образование мартенсита или сместить температурный интервал его образования в зону высоких температур, а также заметно снизить скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, можно существенно уменьшить возможность появления холодных трещин в сварном соединении.

В заключение следует отметить, что появлению трещин способствует сварке при низких температурах, сварка конструкционных легированных сталей в жестко закрепленных конструкциях, использование сварочного тока повышенной плотности при наложении первого слоя многослойного шва толстостенных изделий, чрезмерное нагромождение швов (многочисленные накладки, ребра жесткости и т.п.) для усиления конструкции, высокая скорость охлаждения при сварке углеродистых сталей, склонных к закалке на воздухе.

Наряду с трещинами к наиболее опасным дефектами относят непровары (рис. 8), которые представляют собой несплавление основного металла с наплавленным или незаполнение расплавленным металлом разделки шва. Непровары первого вида чаще всего наблюдаются по толщине основного металла и в вершине углового шва. Непровары по толщине основного металла часто образуются из-за неправильного режима сварки и, прежде всего, из-за недостаточной силы сварочного тока, в результате чего не достигается необходимая глубина проплавления. Формирование сварного шва при исходит за небольшой промежуток времени, поэтому на процесс образования непроваров будет влиять и скорость заполнения расплавленным металлом разделки кромок свариваемых деталей. К этому ведет завышенная скорость сварки, при которой свариваемые кромки не успевают расплавиться. Кроме того, причинами непровара являются: смещение электрода в сторону одной из свариваемых кромок, когда расплавленный металл натекает на вторую нерасплавленную кромку, прикрывая непровар; низкая квалификация сварщика; чрезмерно большой сварочный ток, при котором расплавленный металл электрода попадает на непроверенный основной металл; блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных нолей и особенно на постоянном токе; колебания сварочного тока и напряжения дуги в процессе сварки; плохая зачистка спариваемых кромок от окалины, ржавчины и других загрязнений.

Рис.8 Непровары

а - по кромке с основным металлом; б - в корне шва;

в - между отдельными слоями; г -между валиками при многослойной сварке

Разрушение конструкций чаще всего начинается от дефектов, возникающих в сварном соединении или основном металле. Влияние дефектов на свойства сварных соединений определяется величиной и формой дефектов, частотой их повторения, материалом конструкций, условиями эксплуатации и характером нагрузки. Опасность дефектов наряду с влиянием их собственных характеристик зависит от множества конструктивных и эксплуатационных факторов. Так, влияние дефектов, представляющих собой концентраторы напряжений, во многом будет зависеть от распределения остаточных и рабочих напряжений, возникающих в процессе эксплуатации.

Из дефектов сварных соединений наиболее опасными являются трещины. Трещины ослабляют сечение швов или свариваемых элементов и тем самым уменьшают статическую прочность соединений. Являясь концентраторами напряжении, они, кроме того, существенно уменьшают динамическую прочность сварных соединений. Увеличение размеров трещин, образовавшихся при сварке, может привести к разрушению конструкции во время эксплуатации. Трещины опасны еще и тем, что, являясь дефектами плоского типа, трудно обнаруживаются рентгенографическими методами контроля. Поэтому наличие трещин в сварных соединениях не допускается.

По иному на сварные конструкции влияют поры. Многие исследователи считают, что до некоторого предела наличие пор в металле шва практически не снижает его статическую прочность. Для низкоуглеродистых сталей этот предел составляет около 10 % площади поперечного сечения шва, для перлитных сталей 6-8%, для алюминиевых сплавов-3,6%. Однако норы снижают не только статическую прочность сварного соединения, а, являясь концентраторами напряжений, могут вызвать снижение выносливости сварного соединения. В этом случае особенно опасным является наличие нор в зонах растягивающих остаточных напряжений. Растягивающие остаточные напряжения особенно велики в поверхностных слоях металла, поэтому опасность разрушения возрастает, если поры будут расположены близко к поверхности. По сварные соединения могут разрушаться и из-за наличия внутренних нор, если они расположены в зонах высоких растягивающих остаточных напряжений.

Неметаллические включения, содержащиеся в металле шва, также оказывают заметное влияние на механические свойства сварного соединения. Это влияние существенно зависит от величины, формы и места расположения включений, так как они являются концентраторами напряжений. Установлено, что шлаковые включения площадью до 10 % площади поперечного сечения шва предел прочности металла шва почти не изменяют. Однако при работе в агрессивных средах даже при статическом нагружении наличие шлаковых включений в сварном шве снижает долговечность конструкции. Неметаллические включения могут способствовать образованию других дефектов. Так, сульфидные включения, которые часто имеют температуру плавления ниже температуры кристаллизации металла, служат причиной появления горячих трещин, а наличие нитридов (соединение металла с азотом) увеличивает склонность металла шва к старению.

Результаты исследования показывают, что при статической нагрузке для пластичных материалов влияние величины непровара на уменьшение прочности прямо пропорционально относительной глубине непровара пли его площади. Для малопластичных и высокопрочных материалов, а также при динамической или вибрационной нагрузках пропорциональность между потерей работоспособности и величиной дефекта нарушается. Непровар оказывает большое влияние на ударную прочность металла сварных швов. По данным Института электросварки им. Е.О.Патона непровар в 10 % толщины сварного соединения может на 50 % снизить усталостную прочность, а непровар в 40-50 % снижает пределы выносливости стали и 2,5 раза.

Однако наружные дефекты также оказывают серьезное влияние па работоспособность сварных конструкций. Опасным наружным дефектом является подрез. Он не допускается в конструкциях, работающих на выносливость. Подрезы небольшой протяженности, ослабляющие сечение не более чем на 5 % в конструкциях, работающих под действием статических нагрузок, на прочность конструкций не оказывают заметного влияния. Однако суммарное влияние подреза и увеличения растягивающих остаточных напряжений может привести к снижению предела выносливости вдвое. Усиление шва не снижает статическую прочность, но сильно влияет на вибрационную прочность сварного соединения. Чем больше усиление шва, а следовательно, меньше угол перехода от основного металла к наплавленному, тем сильнее снижается предел выносливости. Поэтому чрезмерное усиление сварного шва может привести к ликвидации тех преимуществ, которые получены от оптимизации технологического процесса но улучшению качества наплавляемого металла в сварных соединениях, работающих при динамических, вибрационных нагрузках. Наплывы также снижают выносливость конструкций, являясь концентраторами напряжений. Наплавы большой протяженности нередко сопровождаются непроварами.

У трубопроводов для горючих, токсичных и сжиженных газов сварные швы бракуют, если обнаружены трещины любых размеров и направлений, свищи, сетки или цепочки пор, шлаковые или другие инородные включения, непровар в корне шва, межваликовые несплавления. Кроме того, бракуют сварные швы, имеющие непровар при одностороннем шве без подкладного кольца, глубиной более 10 % толщины стенки трубы, если она не превышает 20 мм, и глубиной более 2 мм при толщине стенки свыше 20 мм, а также бракуют швы, имеющие одиночные поры, включения вольфрама размером свыше 10 % толщины стенки, если толщина не превышает 20 мм, и размером более 2 мм, если толщина стенки свыше 20 мм, в количестве более трех на каждые 100 мм шва. Примерно такими же являются браковочные признаки для трубопроводов высокого давления.

В сварных соединениях стальных конструкций промышленных и гражданских зданий и сооружений до пускаются непровары по сечению швов в соединениях, доступных сварке с двух сторон, глубиной до 5 % толщины металла, но не более 2 мм при длине непровара не более 50 мм и общей длине участков непровара не более 200 мм на 1 м шва. Кроме того, возможны непровары в соединениях, доступных сварке с одной стороны (без подкладок), глубиной до 15% толщины металла, если она не превышает 20 мм. Допускается суммарная величина непровара, шлаковых включений и пор, расположенных отдельно или цепочкой, не превышающая в рассматриваемом сечении при двусторонней сварке 10 % толщины свариваемого металла, но не более 2 мм, и при односторонней сварке без подкладок - 15%, но не более 3 мм.

Контроль сварочных работ

Важнейшими условиями обеспечения качества сварных изделий являются прогрессивная технология и постоянное улучшение системы контроля качества. Анализ разрушения сварных конструкций показывает, что одной из причин выхода их из строя является слабый технический контроль или его отсутствие вообще на некоторых стадиях производства. Однако контроль должен не только фиксировать брак, но и предупреждать его появление. В условиях монтажного производства при значительной разбросанности и удаленности объектов от базы монтажных подразделений с характерной изменчивостью и сложностью работ предварительная подготовка и отладка всех стадий процесса особенно необходимы. Подготовка каждого объекта к качественному выполнению сварочных работ, поддержание стабильности технологического процесса - важнейшая задача предупредительного контроля.

Предупредительный контроль можно разделить на предобъектный и объектный. В задачу первого входит проверка состояния технической документации, возможность организации качественного выполнения сварочных работ и осуществления технического контроля, готовность объекта к производству работ.

При предупредительном объектном контроле проверяют качество всех элементов производства до начала работ. Сюда относится проверка качества основных и сварочных материалов, состояния сварочного и механического сварочного оборудования, подготовки изделий под сварку, квалификации сварщиков и технологии сварки. Основным материалом для изготовления различного вида сварных конструкций является металл. Поступивший металл должен соответствовать сертификату, которым завод-изготовитель снабжает каждую отправляемую партию металла. При отсутствии сертификата металл нельзя запускать в производство. Прокат металла проверяют также на наличие расслоений, окалины, равномерности толщины листа.

Сварочные материалы, прежде всего, должны соответствовать действующим стандартам. Электроды выборочно проверяют на равномерность толщины покрытия, наличие трещин, вздутий, пор, включений неразмешанных компонентов. Для установления характера плавления электродного стержня и покрытия, степени отделения шлака, качества формирования шва, степени влажности покрытия следует заварить несколько образцов. Электроды, не имеющие сертификата, нельзя применять до определения их характеристики. После проверки качества электродов устанавливают режим их хранения на складах. У сварочной проволоки проверяют чистоту поверхности, наличие закатов, расслоений и покрытий, нежелательных для заданного технологического процесса сварки. Затем, как и для электродов, выполняется сварка пробных образцов. Защитные газы проверяют на отсутствие вредных примесей и влаги.

Качество сварки в значительной мере зависит от качества сварочного и механического сварочного оборудования. Задаче" контроля в данном случае является поддержание сварочного оборудования в рабочем состоянии в соответствии с паспортными данными. Источники питания для ручной дуговой сварки должны обеспечивать нормальное зажигание дуги, устойчивое ее горение, необходимую точность и правильную регулировку сварочного тока, показания приборов должны соответствовать действительному сварочному току и напряжению на дуге. Контрольно-измерительные приборы проверяют, сравнивая их показания с показаниями эталонных приборов и средств измерения. При газовой сварке важное значение имеет проверка источников питания газами. Контроль работы ацетиленовых генераторов должен обеспечивать подачу чистого и сухого газа при нормальной температуре и постоянном давлении. Следует постоянно проверять плотность присоединения горелок к вентилям и шлангам. При контроле работы редукторов необходимо особое внимание обращать на постоянство рабочего давления, пропускную способность, стойкость против замерзания и чувствительность регулировки.

Контроль механического сварочного оборудования ставит перед собой задачу обеспечения четкой работы каждого узла этого оборудования. Прежде всего, должно быть обеспечено четкое фиксирование свариваемых изделий в оборудовании, постоянство скорости вращения или передвижения изделия в соответствии с заданной технологией, безотказность работы в течение всего технологического цикла.

Подготовка элементов и сборка их в определенную конструкцию для последующей сварки влияют не только на производительность, но и на качество сварки. С этой целью проверяют качество подготовки кромок и сборки заготовок -чистоту кромок, соответствие угла разделки, зазора, притупления, количества и размеров прихваток допускаемым значениям. Для этого применяют специальные шаблоны или универсальный измерительный инструмент.

Контроль материалов, оборудования, подготовки изделий под сварку не будет эффективным без проверки квалификации сварщиков. Поэтому на всех этапах технологического процесса сварки необходимо знать не только квалификацию сварщика, но и его индивидуальные возможности. Для этого следует проверять как его медико-физиологические данные, так и квалификационные показатели. Квалификацию сварщиков необходимо проверять перед допуском их к работе, а также в процессе производства работ. Такие испытания регламентируются ответственностью свариваемых изделий и марками свариваемых материалов. Знание индивидуальных возможностей и способностей сварщика позволит избежать ошибок при выборе рабочего для сварки того или иного изделия.

Операционный контроль позволяет уже в процессе выполнения работ проверять элементы технологии сварки, сварочные материалы, оборудование, приспособления и состояние сварщика. Внимательное и непрерывное наблюдение за ходом технологического процесса даст возможность обнаружить дефекты, причины их появления и принять меры к недопущению дефектов в дальнейшем. Режимы сварки контролируют для соблюдения сварщиком тока, напряжения, скорости сварки в установленных пределах. Проверяется последовательность выполнения швов и их размеры.

У электродов контролируют условия их хранения, режим прокалки, соответствие применяемой марки электрода предусмотренной в технологии. В источниках сварочного тока проверяют исправность регулирующих механизмов, приборов, соответствие значений тока и напряжения на дуге показаниям специальных приборов. У механического сварочного оборудования контролируют пригодность установочных поверхностей, исправность зажимных устройств, флюсовых подушек.

Качество сварных соединений, а иногда и конструкций в целом проверяют различными методами неразрушающего контроля - Большое распространение на монтаже получила радиационная дефектоскопия, в частности, рентгеновский и гамма-контроль (рис. 9). Рентгеновское и гамма-излучение как световые и радиоволны имеет электромагнитную природу. Отличие состоит только к длинах волн, они обладают гораздо большей энергией, чем видимый свет, по-разному поглощаются различными средами при прохождении через них. Выявление внутренних дефектов при просвечивании основано на способности рентгеновского и гамма-излучения неодинаково проникать через различные материалы и поглощаться ими и зависимости от рода материала, его толщины и энергии излучения.

Рис.9. Схема просвечивания сварного соединения

1 - источник излучения; 2 - контролируемое изделие; 3 - дефектное место; 4 - детектор; I - график интенсивности излучения, прошедшего через контролируемое соединение

Рентгеновское излучение образуется в электронных; оболочках атомов при воздействии на них свободными электронами, имеющими большую скорость. Процесс получения свободных электронов, их ускорение происходят в рентгеновских трубках. Электроны с определенной скоростью, сообщаемой им электрическим полем высокого напряжения, попадают па поверхность анода, где тормозятся и теряют свою скорость, а следовательно, и кинетическую энергию. При этом кинетическая энергия частично превращается в рентгеновское излучение. Для применения рентгеновского излучения с целью контроля качества сварных швов используют рентгеновские аппараты. В общем, виде рентгеновский аппарат состоит из рентгеновской трубки в защитном кожухе, высоковольтного генератора и пульта управления. Существуют рентгеновские аппараты двух классов-с постоянной нагрузкой и импульсные. На монтаже широкое применение нашли импульсные аппараты благодаря небольшой массе и компактности.

Гамма-излучение образуется в результате распада ядер радиоактивных изотопов, содержащих одинаковое число протопоп, по различное число нейтронов. Внутриядерные силы притяжения между ними не обеспечивают достаточной устойчивости ядра. В результате наблюдается самопроизвольная перестройка менее устойчивых ядер в более устойчивые, т. е. происходит радиоактивный распад. Важной характеристикой изотопа является период его полураспада, т. е. время, в течение которого активность изотопа уменьшается в 2 раза. Период полураспада не зависит от количества, формы и геометрических размеров источника излучения и у радиоактивных различных изотопов, используемых для дефектоскопии, колеблется от нескольких дней до десятка лет. Для контроля гамма- лучами применяют гамма-дефектоскопы. Дефектоскоп представляет собой радиационную головку с радиоактивным изотопом, привод источника, ампулопровод и пульт управления. Существуют дефектоскопы общепромышленного назначения (универсальные шланговые) и дефектоскопы специального назначения для фронтального и панорамного просвечивания (затворные). Универсальные гамма-аппараты нашли наиболее широкое распространение при контроле сварных соединений, так как они обеспечивают подачу источника излучения по ампулопроводу в зону контроля на расстояние 5-12 м. Особенно они удобны для применения в труднодоступных местах. Дефектоскопы специального назначения служат для контроля однотипных конструкций, изделий и сооружений, однородных, но форме. Предпочтение следует отдавать рентгеновскому контролю, с помощью которого лучше выявляются дефекты и вредные действия которого на организм человека значительно меньше.

Благодаря высокой производительности и безвредности для организма человека в последние годы для контроля сварных соединений получила большое распространение ультразвуковая дефектоскопия, основанная на применении ультразвуковых волн. Ультразвуковыми колебаниями называют механические колебания упругой среды, частота которых лежит за порогом слышимости человеческого уха Ультразвуковые волны, проходя через две среды с разными акустическими свойствами, частично отражаются от их границы, частично переходят из одной среды в другую. Количество отраженной ультразвуковой энергии зависит от удельных сопротивлений средств. Чем выше разница удельных сопротивлений, тем больше отразится энергии ультразвуковых воли. Это свойство ультразвуковых волн используется для контроля сварных сое чтений. Введенные в металл волны, достигнув дефектами, почти полностью отражаются от него. В качестве излучателей и приемников ультразвуковых воли используют пластинки из пьезоэлектрической керамики, пьезокварца или титаната бария, которые вставляются в искатели-щупы. Такая пластинка начинает колебаться, если приложить к ней переменное электрическое поле, создавая в окружающей среде упругие колебания. В этом случае пластинка работает как излучатель. Если же пьезоэлектрическая пластинка воспринимает отраженные ультразвуковые волны на ее обкладках появляются электрические заряды, величину которых можно измерить, пластинка работает как приемник. Для ввода ультразвуковых волн в контролируемое изделие между ним и искателем должен быть хороший контакт, достигаемых смазкой трансформаторным, турбинным, машинным маслом, наносимым на поверхность, по которой движется искатель. Для ультразвукового контроля применяют специальные дефектоскопы. Дефектоскоп состоит из искателя, содержащего пьезопреобразователи для излучения и приема ультразвуковых колебаний, электронного блока (собственно дефектоскопа) и вспомогательных устройств. Искатели бывают прямые, излучающие в изделие продольную волну перпендикулярно контактной поверхности; наклонные (призматические), которые вводят поперечную волну под углом к поверхности ввода; раздельно-совмещенные (РС - искатели), обеспечивающие ввод продольной волны под углом 5-10° к плоскости, перпендикулярной поверхности ввода. Основным элементом искателя является пьезопреобразователь в виде диска или прямоугольной пластины толщиной, равной половине длины волны излучаемых ультразвуковых колебаний. Электронный блок служит для генерирования зондирующих импульсов высокочастотного напряжения, усиления и преобразования эхо-сигналов, отраженных от дефекта, и наглядного отображения амплитудно-временных характеристик эхо-сигналов на экране электронно-лучевой трубки. К вспомогательным устройствам относятся специальный переключатель, с помощью которого усилитель может быть непосредственно подключен к генератору радиоимпульсов или отключен от пего; автоматический сигнализатор дефектов, предназначенный для звуковой или световой сигнализации от обнаруженных дефектов; координатные линейки и шаблоны, упрощающие определение координат дефектов, планшеты для установления размеров дефектов, ограничители перемещения искателей и дополнительные блоки к дефектоскопам, которые существенно упрощают труд оператора и расширяют возможности ультразвукового контроля.

Для обнаружения нарушения сплошности в поверхностных слоях сварных швов применяют капиллярные методы контроля. Капиллярная дефектоскопия позволяет выявлять трещины, закаты, свищи, микропористость и другие дефекты, выходящие на поверхность изделия, за счет контрастности индикаторного рисунка дефектов на общем фоне изделия. Этого можно достигнуть, заполнив с поверхности дефекты специальными цвето- и светоконтрастными индикаторными жидкостями пенетрантами. Пенетранты изменяют светоотдачу дефектов. Бели в состав пенетранта входят красители, видимые при дневном свете, метод контроля называется цветной дефектоскопией, если люминесцирующие вещества, дающие яркое свечение при облучении их ультрафиолетовыми лучами - люминесцентной дефектоскопией. Контроль этими методами заключается в следующем. На очищенную от всевозможных загрязнений, обезжиренную и просушенную контролируемую поверхность наносят слой пенетранта и выдерживают некоторое время, чтобы жидкость могла проникнуть в открытые полости дефектов. Происходит это под действием капиллярной активности-способности жидкости втягиваться в мельчайшие сквозные отверстия и открытые с одного конца каналы. Затем поверхность очищают от жидкости, часть которой остается в полостях дефектов. После этого для повышения выявляемости дефектов на поверхность наносят специальный проявляющий материал белого цвета, который вытягивает пенетрант из полости дефектов, образуя на проявителе конфигурацию дефекта. Процесс контроля капиллярными методами состоит из подготовки изделия к контролю, обработки его дефектоскопическими материалами, выявления дефектов и окончательной очистки изделия.

Существуют также магнитные методы контроля, сущность которых основана на обнаружении магнитных потоков рассеяния, создаваемых различными дефектами, в намагниченных изделиях из ферромагнитных мате риалов. Встречая на своем пути дефект, магнитный по ток огибает его, так как магнитная проницаемость дефектами значительно ниже магнитной проницаемости основного металла. Поэтому часть магнитного потока вытесняется дефектом на поверхность изделия, образуя местный поток рассеяния. В зависимости от способа его регистрации магнитные методы контроля делят на магнитопорошковый и магнитографический.

Для контроля магнитопорошковым методом на поверхность намагниченной детали наносят ферромагнитный порошок в виде суспензии с керосином, маслом. Мыльным раствором или в виде магнитного аэрозоля. Под действием втягивающей - силы магнитных полей рассеяния частицы порошка перемещаются по поверхности деталей и скапливаются в виде валиков над дефектами, повторяя их очертания.

Принцип магнитографического метода заключается в намагничивании контролируемого участка шва и околошовной зоны с одновременной записью на магнитную пленку и с последующим считыванием полученной информации с магнитной ленты специальными устройствами магнитографических дефектоскопов. Достоинствами этого метода контроля является высокая производительность (в 8-10 раз выше, чем при рентгеновском пли гамма контроле), полная безопасность для обслуживающего персонала и низкая стоимость. Однако с помощью магнитографического метода можно определить внутренние дефекты размером около 10 % толщины металла.

Герметичность изделий проверяют с помощью различных методов течеискания. Контроль течеисканием позволяет обнаруживать в сварных соединениях и основном металле сквозные дефекты типа трещин, газовых нор, свищей, прожогов и производится с помощью вакуумных, компрессионных и капиллярных методов.

Вакуумный метод основан на регистрации падения вакуума в замкнутом объеме контролируемого изделия или на фиксации молекул пробного газа, появившихся в этом объеме. Большое распространение получил вакуумный метод для контроля швов конструкций, имеющих незамкнутую форму объема, а также конструкций, доступ к которым возможен только с одной стороны. Контроль осуществляется следующим образом. Одну сторону участка сварного соединения обильно смачивают раствором пенного индикатора. На это место устанавливают вакуум-камеру, из которой откачивают воздух. Сварное соединение осматривают через прозрачную верхнюю часть камеры, в местах неплотностей наблюдаются пузырьки. Дефектные места отмечаются рядом с камерой, в которую после этого впускают воздух, и камеру снимают. Созданы вакуумные камеры для контроля стыковых, тавровых, трехгранных и кольцевых сварных соединений.

К компрессионным методам относятся жидкостные и газовые методы течеискания. Широков применение из жидкостных методов получил гидравлический метод и качестве обязательного при контроле различных замкнутых систем, работающих под давлением. Контролируемое изделие заполняют водой или другой рабочей жидкостью, герметизируют, а затем с помощью гидравлического насоса создают в нем избыточное давление и выдерживают некоторое время под этим давлением. Более чувствительны газовые методы течеискания, так как газы значительно легче проходят через мелкие сквозные дефекты. Применяются они для контроля замкнутых объемов.    

Механические, металлографические испытания и испытания на коррозию сварных соединений

Механические испытания определяют прочность и надежность сварных соединений. Их разделяют на статические и динамические. К статическим испытаниям, когда усилие плавно возрастает или длительное время остается постоянным, относят испытания стыкового соединения на растяжение, наплавленного металла на растяжение, стыкового соединения на изгиб, на ползучесть, на твердость. К динамическим относят испытания на ударный изгиб, когда определяется ударная вязкость, и испытания на усталость (выносливость) для определения способности металла сопротивляться действию переменных нагрузок при изгибе, растяжении и кручении.

Металлографические исследования позволяют определить структуру металл; сварного соединения, что дает возможность судить о правильности выбора режима сварки, типа электродов и других факторов, характеризующих качество сварного шва, а также выявить дефекты и установить причины их образования. Производят исследования макро- и микроструктуры металла. В первом случае исследуется макроструктура металла сварных соединении невооруженным глазом или при тридцатикратном увеличении. С помощью макроисследования определяют форму и размеры шва, его строение, наличие дефектов. Исследование микроструктуры позволяет изучить структуру наплавленного металла и металла зоны термического влияния, установить приблизительный режим сварки и скорость охлаждения металла шва и зоны термического влияния, определить число слоев, дефекты сварного шва и структуры, примерное содержание углерода в наплавленном и основном металле и в различных участках шва.

Испытания на коррозию выполняют для определения коррозионной стойкости металла сварного соединения или отдельных его зон при работе в различных средах. Существуют испытания на общую и местную (межкристаллитную) коррозию. В результате общей коррозии металл растворяется в агрессивной среде. Существует равномерная и неравномерная коррозия. В первом случае основной металл и металл шва разрушаются с одинаковой скоростью, а во втором - металл шва разрушается быстрее или в некоторых местах быстрее разрушается основной металл и металл по линии сплавления. Межкристаллитная коррозия возникает в зоне термического влияния по линии сплавления основного металла с металлом шва и в металле шва под действием нагрева металла отдельных зон сварного шва до определенных температур. Общая коррозия характерна для углеродистых и низколегированных сталей, а межкристаллитная - для аустенитных и аустенитно-ферритных сталей.    

Источник информации:

Общероссийский общественный фонд

"ЦЕНТР КАЧЕСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА"

г.Санкт-Петербург