Дефекты и контроль качества сварных соединений

Дефекты и контроль качества сварных соединений

Общие сведения и организация  контроля

По ГОСТ 15467-79 качество продукции есть совокупность свойств продукции, обусловливающих  ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с  ее назначением. Качество сварных изделий  зависит от соответствия материала  техническим условиям, состояния  оборудования и оснастки, правильности и уровня отработки технологической  документации, соблюдения технологической  дисциплины, а также квалификации работающих. Обеспечить высокие технические  и эксплуатационные свойства изделий  можно только при условии точного  выполнения технологических процессов  и их стабильности. Особую роль здесь  играют различные способы объективного контроля как производственных процессов, так и готовых изделий. При  правильной организации технологического процесса контроль должен быть его  неотъемлемой частью. Обнаружение дефектов служит сигналом не только к отбраковке продукции, но и оперативной корректировке  технологии.

Сварные конструкции  контролируют на всех этапах их изготовления. Кроме того, систематически проверяют  приспособления и оборудование. При  предварительном контроле подвергаются проверке основные и вспомогательные  материалы, устанавливается их соответствие чертежу и техническим условиям,

После заготовительных  работ детали подвергают чаще всего  наружному осмотру, т.е. проверяют  внешний вид детали, качество поверхности, наличие заусенцев, трещин, забоин и  т.п., а также измеряют универсальными и специальными инструментами, шаблонами, с помощью контрольных приспособлений. Особенно тщательно контролируют участки, подвергающиеся сварке. Профиль кромок, подготовленных под сварку плавлением, проверяют специальными шаблонами, а качество подготовки поверхности - с помощью оптических приборов или специальными микрометрами.

Во время сборки и прихватки проверяют расположение деталей друг относительно друга, величину зазоров, расположение и размер прихваток, отсутствие трещин, прожогов и других дефектов в местах прихваток и  т.д. Качество сборки и прихватки  определяют главным образом наружным осмотром и обмером.

Наиболее ответственным  моментом является текущий контроль выполнения сварки. Организация контроля сварочных работ может производиться  в двух направлениях: контролируют сами процессы сварки либо полученные изделия.

Контроль процессов  позволяет предотвратить появление  систематических дефектов и особенно эффективен при автоматизированной сварке (автоматическая и механизированная дуговая, электрошлаковая и др.). Существуют следующие способы контроля сварочных процессов.

Контроль  по образцам технологических  проб. В этом случае периодически изготовляют образцы соединений из материала той же марки и толщины, что и свариваемое изделие, и подвергают их всесторонней проверке: внешнему осмотру, испытаниям на прочность соединений, просвечиванию рентгеновскими лучами, металлографическому исследованию и т.д. К недостаткам такого способа контроля следует отнести некоторое различие между образцом и изделием, а также возможность изменения сварочных условий с момента изготовления одного образца до момента изготовления следующего.

Контроль  с использованием обобщающих параметров, имеющих прямую связь с качеством сварки, например использование дилатометрического эффекта в условиях точечной контактной сварки. Однако в большинстве случаев сварки плавлением трудно или не всегда удается выявить наличие обобщающего параметра, позволяющего достаточно надежно контролировать качество соединений.

Контроль  параметров режима сварки. Так как в большинстве случаев определенных обобщающих параметров для процессов сварки плавлением нет, то на практике контролируют параметры, непосредственно определяющие режим сварки. При дуговой сварке такими параметрами в первую очередь являются сила тока, дуговое напряжение, скорость сварки, скорость подачи проволоки и др. Недостаток такого подхода заключается в необходимости контролирования многих параметров, каждый из которых в отдельности не может характеризовать непосредственно уровень качества получаемых соединений.

Контроль изделий  производят пооперационно или после  окончания изготовления. Последним  способом обычно контролируют несложные  изделия. Качество выполнения сварки на изделии оценивают по наличию  наружных или внутренних дефектов. Развитие физики открыло большие  возможности для создания высокоэффективных  методов дефектоскопии с высокой  разрешающей способностью, позволяющих  проверять без разрушения качество сварных соединений в ответственных  конструкциях.

В зависимости  от того, нарушается или не нарушается целостность сварного соединения при  контроле, различают неразрушающие  и разрушающие методы контроля.  

Дефекты сварных соединений и причины их возникновения

В процессе образования  сварных соединений в металле  шва и зоне термического влияния  могут возникать различные отклонения от установленных норм и технических  требований, приводящие к ухудшению  работоспособности сварных конструкций, снижению их эксплуатационной надежности, ухудшению внешнего вида изделия. Такие  отклонения называют дефектами. Дефекты  сварных соединений  различают по причинам возникновения  и месту их расположения (наружные и внутренние). В зависимости от причин возникновения их 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 околошовной зоне, поры, шлаковые включения, неблагоприятные изменения свойств металла шва и зоны термического влияния).

Ко второй группе дефектов, которые называют дефектами  формирования швов, относят дефекты, происхождение которых связано  в основном с нарушением режима сварки, неправильной подготовкой и сборкой  элементов конструкции под сварку, неисправностью оборудования, недостаточной  квалификацией сварщика и другими  нарушениями технологического процесса. К дефектам этой группы относятся  несоответствия швов расчетным размерам, непровары, подрезы, прожоги, наплывы, незаваренные кратеры и др. Виды дефектов приведены на рис. 1. Дефектами  формы и размеров сварных швов являются их неполномерность, неравномерные  ширина и высота, бугристость, седловины, перетяжки и т.п.  

Рис. 1. Виды дефектов сварных  швов:

а - ослабление шва. б - неравномерность  ширины, в - наплыв, г - подрез, с - непровар, с - трещины и поры, ж - внутренние трещины  и поры, з - внутренний непровар, и - шлаковые включения

Эти дефекты  снижают прочность и ухудшают внешний вид шва. Причины их возникновения  при механизированных способах сварки - колебания напряжения в сети, проскальзывание  проволоки в подающих роликах, неравномерная  скорость сварки из-за люфтов в механизме  перемещения сварочного автомата, неправильный угол наклона электрода, протекание жидкого металла в зазоры, их неравномерность  по длине стыка и т.п. Дефекты  формы и размеров швов косвенно указывают  на возможность образования внутренних дефектов в шве.

Наплывы образуются в результате натекания жидкого металла на поверхность холодного основного металла без сплавления с ним. Они могут быть местными - в виде отдельных застывших капель, а также иметь значительную протяженность вдоль шва. Чаще всего наплывы образуются при выполнении горизонтальных сварных швов на вертикальной плоскости. Причины образования наплывов - большой сварочный ток, слишком длинная дуга, неправильный наклон электрода, большой угол наклона изделия при сварке на спуск. При выполнении кольцевых швов наплывы образуются при недостаточном или излишнем смещении электрода с зенита. В местах наплывов часто могут выявляться непровары, трещины и др.

Подрезы представляют собой продолговатые углубления (канавки), образовавшиеся в основном металле вдоль края шва. Они возникают в результате большого сварочного тока и длинной дуги. Основной причиной подрезов при выполнении угловых швов является смещение электрода в сторону вертикальной стенки. Это вызывает значительный разогрев металла вертикальной стенки и его стекание при оплавлении на горизонтальную стенку. Подрезы приводят к ослаблению сечения сварного соединения и концентрации в нем напряжений, что может явиться причиной разрушения.

Прожоги - это сквозные отверстия в шве, образованные в результате вытекания части металла ванны. Причинами их образования могут быть большой зазор между свариваемыми кромками, недостаточное притупление кромок, чрезмерный сварочный ток, недостаточная скорость сварки. Наиболее часто прожоги образуются при сварке тонкого металла и выполнении первого прохода многослойного шва. Прожоги могут также образовываться в результате недостаточно плотного поджатая сварочной подкладки или флюсовой подушки.

Непроваром называют местное несплавление кромок основного металла или несплавление между собой отдельных валиков при многослойной сварке. Непровары уменьшают сечение шва и вызывают концентрацию напряжений в соединении, что может резко снизить прочность конструкции. Причины образования непроваров - плохая зачистка металла от окалины, ржавчины и загрязнений, малый зазор при сборке, большое притупление, малый угол скоса кромок, недостаточный сварочный ток, большая скорость сварки, смещение электрода от центра стыка. Непровары выше допустимой величины подлежат удалению и последующей заварке.

Трещины, также как и непровары, являются наиболее опасными дефектами сварных швов. Они могут возникать как в самом шве, так и в околошовной зоне и располагаться вдоль или поперек шва. По своим размерам трещины могут быть макро- и микроскопическими. На образование трещин влияет повышенное содержание углерода, а также примеси серы и фосфора.

Шлаковые  включения , представляющие собой вкрапления шлака в шве, образуются в результате плохой зачистки кромок деталей и поверхности сварочной проволоки от оксидов и загрязнений. Они возникают при сварке длинной дугой, недостаточном сварочном токе и чрезмерно большой скорости сварки, а при многослойной сварке - недостаточной зачистке шлаков с предыдущих слоев. Шлаковые включения ослабляют сечение шва и его прочность.

Газовые поры появляются в сварных швах при недостаточной полноте удаления газов при кристаллизации металла шва. Причины пор - повышенное содержание углерода при сварке сталей, загрязнения на кромках, использование влажных флюсов, защитных газов, высокая скорость сварки, неправильный выбор присадочной проволоки. Поры могут располагаться в шве отдельными группами, в виде цепочек или единичных пустот. Иногда они выходят на поверхность шва в виде воронкообразных углублений, образуя так называемые свищи. Поры также ослабляют сечение шва и его прочность, сквозные поры приводят к нарушению герметичности соединений.

Микроструктура  шва и зоны термического влияния в значительной степени определяет свойства сварных соединений и характеризует их качество.

К дефектам микроструктуры относят следующие: повышенное содержание оксидов и  различных неметаллических включений, микропоры  и   микротрещины,  крупнозернистость, перегрев, пережог металла и др. Перегрев характеризуется чрезмерным укрупнением  зерна и  огрублением структуры металла.  Более опасен пережог - наличие в структуре металла зерен с окисленными границами. Такой металл имеет повышенную хрупкость и не поддается исправлению. Причиной пережога является плохая защита сварочной ванны при сварке, а также сварка на чрезмерно большой силе тока.

Методы  неразрушающего контроля сварных соединений

К неразрушающим  методам контроля качества сварных  соединений относят внешний осмотр, контроль на непроницаемость (или герметичность) конструкций, контроль для обнаружения  дефектов, выходящих на поверхность, контроль скрытых и внутренних дефектов.

Внешний осмотр и обмеры сварных швов - наиболее простые и широко распространенные способы контроля их качества. Они  являются первыми контрольными операциями по приемке готового сварного узла или изделия. Этим видам контроля подвергают все сварные швы независимо от того, как они будут испытаны в дальнейшем.

Внешним осмотром сварных швов выявляют наружные дефекты: непровары, наплывы, подрезы, наружные трещины и поры, смещение свариваемых  кромок деталей и т.п. Визуальный осмотр производят как невооруженным  глазом, так и с применением  лупы с увеличением до 10 раз.

Обмеры сварных  швов позволяют судить о качестве сварного соединения: недостаточное  сечение шва уменьшает его  прочность, слишком большое - увеличивает внутренние напряжения и деформации. Размеры сечения готового шва проверяют по его параметрам в зависимости от типа соединения. У стыкового шва проверяют его ширину, высоту, размер выпуклости со стороны корня шва, в угловом - измеряют катет. Замеренные параметры должны соответствовать ТУ или ГОСТам. Размеры сварных швов контролируют обычно измерительными инструментами или специальными шаблонами.

Внешний осмотр и обмеры сварных швов не дают возможности  окончательно судить о качестве сварки. Они устанавливают только внешние  дефекты шва и позволяют определить их сомнительные участки, которые могут  быть проверены более точными  способами.

Контроль непроницаемости  сварных швов и соединений. Сварные  швы и соединения ряда изделий  и сооружений должны отвечать требованиям  непроницаемости (герметичности) для  различных жидкостей и газов. Учитывая это, во многих сварных конструкциях (емкости, трубопроводы, химическая аппаратура и т.д.) сварные швы подвергают контролю на непроницаемость. Этот вид  контроля производится после окончания  монтажа или изготовления конструкции. Дефекты, выявленные внешним осмотром, устраняются до начала испытаний. Непроницаемость  сварных швов контролируют следующими методами: капиллярным (керосином), химическим (аммиаком), пузырьковым (воздушным  или гидравлическим давлением), вакуумированием  или газоэлектрическими течеискателями.