Главная
—
Блог
—
Дефекты сварных соединений

Дефекты сварных соединений

1 / 1

Содержание:

Качественное сварное соединение – это соединение, выполненное без отклонений от заданных свойств, формы и сплошности шва, свойств и сплошности околошовной зоны т.е. без дефектов. В реальных условиях производства дефекты возникают достаточно часто. Количество их – объективный показатель рациональности принятого технологического процесса, пригодности и кондиции используемых сварочных материалов и основного металла, квалификации кадров, оптимальности и технического состояния оборудования и оснастки. ГОСТ 30242-97 «Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначение и определения» даёт классификацию, обозначение и названия дефектов сварных соединений, выполненных сваркой плавлением. В отмеченном документе понятие дефект определяется как отклонение от норм, предусмотренных ГОСТами, техническими условиями и чертежами проектов. Дефекты при сварке плавлением образуются вследствие нарушения требований нормативных документов к сварочным материалам, подготовке, сборке и сварке соединяемых элементов, термической и механической обработке сварных соединений и конструкции в целом.

Какие бывают?

Дефекты сварных соединений делятся на две категории:

Допустимый дефект – дефект, присутствие которого не ухудшает механических и эксплуатационных свойств сварного шва и разрешено НД.
Недопустимый дефект – дефект, наличие которого категорически запрещено НД.

По ГОСТ 30242-97 дефекты делятся на шесть групп:

трещины;
полости, поры;
твёрдые включения;
несплавления и непровары;
нарушение формы шва;
прочие дефекты, не включённые в вышеперечисленные группы.

Рассмотрим каждую группу отдельно.

Виды дефектов сварных швов

Трещины

Трещины – дефект сварного соединения в виде разрыва в сварном шве и (или) прилегающих к нему зонах или несплошность вызванная местным разрывом шва, который может возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.

Трещины являются недопустимыми дефектами, так как являются концентраторами напряжений и очагами разрушения. В момент образования трещины имеют очень малое раскрытие, но под действием напряжений они раскрываются и могут распространяться со скоростями, соизмеримыми со скоростью звука. Чаще всего трещины проявляются при сварке высокоуглеродистых и легированных сталей в результате быстрого охлаждения сварочной ванны. Вероятность появления трещин увеличивается при жёстком закреплении свариваемых деталей.

Образованию трещин способствует повышенное содержание в шве и основном металле углерода, кремния, никеля, серы, фосфора и водорода. Причинами образования трещин чаще всего является несоблюдение технологии и режимов сварки. Это проявляется, например, в неправильном расположении швов в сварной конструкции, что может привести к высокой концентрации напряжений. Высокий уровень напряжений в сварных конструкциях может возникнуть при несоблюдении заданного порядка наложения сварных швов.

По размерам трещины подразделяются на:

Макроскопические – видные невооружённым глазом или через лупу 2-4х кратного увеличения при визуальном контроле.

Микроскопические – трещины микроскопических размеров, которые обнаруживают физическими методами не менее, чем при пятидесятикратном увеличении.

По ориентации относительно шва трещины подразделяются на:

продольные – ориентированные вдоль сварного шва;
поперечные − ориентированные поперёк сварного шва.

По происхождению трещины подразделяются на:

холодные трещины;
горячие трещины.

Холодные трещины образуются в сварных соединениях при остывании их до относительно низких температур, как правило, ниже 200 0С. К этому времени металл шва и околошовной зоны приобретает высокие упругие свойства, присущие ему при нормальных температурах. Холодные трещины являются распространённым дефектом при сварке среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Значительно реже они возникают в соединениях из низколегированных перлитных сталей и высоколегированных сталей аустенитного класса. Ввиду преимущественного возникновения холодных трещин в соединениях из восприимчивых к закалке мартенситных и перлитных сталей холодные трещины иногда называют закалочными. Холодные трещины наиболее часто поражают околошовную зону и реже металл шва.

Основным видом холодных трещин в сварных соединениях являются околошовные трещины.

Кроме температуры возникновения, внешнего вида и расположения в соединении важнейшей отличительной чертой холодных трещин является их задержанное зарождение и замедленное развитие. Они возникают по истечении некоторого времени после сварки и затем медленно распространяются на протяжении нескольких часов и даже суток в металл.

Холодные трещины чаще всего развиваются прерывисто (скачкообразно), при этом одновременно могут развиваться несколько микротрещин. Если же при сварке в соединении накопилась большая энергия упругой деформации, то после начального периода замедленного развития холодная трещина растёт мгновенно (взрывообразно) и со значительным звуковым и механическим эффектом распространяется на всё сечение соединения. При этом отдельные детали могут разлетаться на значительные расстояния.

Специальными исследованиями установлено, что основными факторами, определяющими развитие в сварных соединениях холодных трещин, являются:

закалочные явления;
суммарные напряжения (сварочные и от внешних нагрузок);
водород.

Поры

Порами называют заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложную форму. Поры возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры располагаются по оси шва или по его сечению, а также вблизи от границы сплавления. Поры выходят или не выходят на поверхность шва, располагаются цепочкой по оси шва или отдельными группами. Поры, выходящие на поверхность шва, иногда называют свищами. Поры могут быть микроскопическими (несколько микрон) и крупными (4-6 мм) в поперечнике. Выходящие на поверхность поры выявляются при внешнем осмотре, не выходящие на поверхность – рентгенографией и ультразвуком. Поры недопустимый дефект сварных швов для аппаратуры, работающей под давлением и вакуумом или предназначенной для хранения и транспортировки жидких и газообразных продуктов. Для других конструкций поры не являются столь серьёзным дефектом. Однако наличие пор при всех условиях нежелательно. Вопрос о допустимости пор зависит от условий эксплуатации конструкций.

Основной причиной образования пор при сварке стали являются водород, азот и окись углерода. Роль остальных газов (Н2О, СО2и др.) менее значительна. Если образование и выделение газов при сварке происходит в период, когда сварочная ванна находится в жидком состоянии и протекает интенсивно, то пузырьки газов успевают полностью выделиться из металла шва. Если образование и выделение газов при сварке происходит в период затвердевания металла ванны и происходит вяло, то пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в металле шва в виде пор.

Неметаллические включения

Оксидные включения при низком содержании кремния, марганца и других легирующих элементов входят в металл шва в виде FeO, Sio2 и MnO. При повышенном содержании кремния и марганца в металле шва заметно повышается концентрация окислов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно уменьшается в них содержание окислов железа. Общее количество оксидных включений в шве при этом также уменьшается. С увеличением соотношения [Si/Mn]% в металле шва содержание SiО2 во включениях растёт, а содержание MnO уменьшается. Оксидные включения и силикатные плёнки снижают ударную вязкость и хладостойкость металла шва на углеродистых и низколегированных сталях. В аустенитных швах силикатные плёнки снижают пластичность металла шва при испытаниях на растяжение и изгиб, не влияя, однако, на величину ударной вязкости.
Сульфидные включения. В сварных швах на стали обычно содержится 0,02-0,04% серы, образующей сульфидные включения. Количество включений значительно возрастает в направлении от границы сплавления к середине шва. Наиболее крупные включения наблюдаются в середине верхней части шва. Состав, форма и размеры сульфидных включений зависят от химического состав металла шва. В сульфидных включениях сера находится в основном в виде соединений с железом и марганцем. Окисление сварочной ванны уменьшает содержание MnS во включениях и увеличивает содержание FeS. При высоком содержании марганца в шве повышение количества углерода уменьшает содержание MnS в сульфидных включениях. При малом количестве марганца изменение концентрации углерода мало влияет на связывание серы в форме MnS. Кремний уменьшает содержание MnS во включениях серы. Наличие хрома способствует связыванию серы в виде сульфида хрома или смешанных хромомарганцевых сульфидов.
Фосфорсодержащие включения. Содержание фосфора в сварных швах на стали, как правило, не более 0,04-0,06%. В швах на углеродистых и низколегированных сталях фосфор преимущественно находится в твёрдом растворе, а не в виде неметаллических включений. Это обусловлено низкой концентрацией фосфора в металле швов и относительно высокой его растворимостью в феррите. В связи с низкой растворимостью фосфора в аустените фосфорсодержащие включения значительно чаще встречаются в швах с аустенитной структурой. В этих включениях фосфор может находиться в виде фосфидов, фосфидных эвтектик и фосфатов. Фосфидные включения имеют червеобразную форму и располагаются по границам кристаллитов металла шва. Фосфидные эвтектики находятся в виде прослоек по границам кристаллитов металла шва или зёрен основного металла в околошовной зоне. Вредное влияние фосфора на свойства сварных соединений заключается в снижении высокотемпературных характеристик металла шва вследствие ослабления межкристаллитных границ (при выделении легкоплавких включений) и в ухудшении механических свойств швов при нормальной и низких температурах. Так как растворимость фосфора в аустените ниже, чем в феррите, опасность образования кристаллизационных трещин и снижения механических свойств металла шва значительно больше для швов с аустенитной структурой.
Нитридные включения. В зависимости от защиты зоны сварки от воздуха содержание азота в металле шва составляет 0,01-0,1%. Нитридные включения в сварных швах встречаются гораздо реже, чем оксидные или сульфидные. Это объясняется малой стойкостью нитридов при высоких температурах. Образование отдельной нитридной фазы в жидкой стали возможно лишь в присутствии сильных нитридообразующих элементов (титана, циркония). В основном нитридные включения выделяются в процессе охлаждения или термообработки сварных соединений. Для их образования необходимо наличие в металле шва сравнительно высокой концентрации азота, что возможно, например, при сварке открытой дугой без защиты или же при повышенном содержании азота в основном металле. Обычно в связи с быстрым охлаждением и низкой концентрацией азот в металле швов фиксируется в виде твёрдого раствора. Если этот твёрдый раствор перенасыщен азотом, то при работе сварных соединений в нормальных условиях или при нагреве из него выделяются включения нитридов. В виду малой скорости диффузии азота в твёрдом металле этот процесс протекает медленно. В швах на низкоуглеродистой стали с повышенным содержанием азота иногда обнаруживаются иголки нитрида железа Fe4N и железонитридный эвтэктоид, так называемыйбраунит. Нитридные иголки наблюдаются лишь в швах, выполненных на воздухе голым электродом или электродом с тонким покрытием.

Несплавления

Несплавления – дефект, характеризуемый отсутствием сплавления между основным металлом и металлом сварочной ванны по части периметра, а иногда и по всему периметру шва. Несплавления образуются при сварке на больших скоростях и силах тока. Начальной стадией несплавления являются глубокие подрезы по границе. Образование зоны несплавления тесно связано с формированием сварочной ванны. Последнее может быть условно разделено на две стадии – образование канавки в основном металле и последующее её заполнение металлом сварочной ванны.

Если плёнка расплавленного металла, покрывающая поверхность канавки, к моменту её заполнения жидким металлом успела затвердеть, а запас теплоты, накопленный в сварочной ванне, недостаточен для повторного расплавления основного металла под канавкой, то смачивание металлом сварочной ванны основного металла не происходит и образуется зона несплавления. Для предотвращения появления подобных дефектов прибегают к мерам, обеспечивающим уменьшение разрыва во времени между образованием и заполнением канавки (сварка на спуск, сварка наклонным электродом углом вперёд, сварка несколькими дугами, сварка с подогревом и др.) и обеспечение благоприятной формы провара. Обычно коэффициент формы шва, при котором не наблюдается образование несплавлений, увеличивается с возрастанием скорости сварки.В большинстве случаев зазор, образовавшийся между основным металлом и металлом шва, заполняется затекшим туда шлаком. Несплавления следует отличать от непроваров и подрезов, имеющих другие причины появления.

Непровар

Непровар – местное отсутствие сплавления между свариваемыми элементами, между металлом шва и основным металлом или отдельными слоями при многослойной сварке. В зависимости от расположения и характера различают непровар по толщине основного металла, непровар вершины угла разделки стыкового соединения,непровар вершины углового шва и непровары по кромке.При многослойной сварке швов всех типов иногда встречаются непровары между отдельными слоями.

Непровар в большинстве случаев заполнен шлаком, который благодаря жидкотекучести и более низкой температуре плавления заполняет образовавшуюся несплошность. Непровар уменьшает сечение шва и вызывает значительную концентрацию напряжений и поэтому в большинстве случаев является недопустимым дефектом. Хотя имеются, так называемые, конструктивные непровары. Непровар по толщине свариваемого металла может быть вызван неправильным выбором режима сварки, не обеспечивающим достаточную глубину провара, или нарушением режима сварки в процессе выполнения данного шва (главным образом снижением по какой-то причине силы сварочного тока). Причиной непровара может стать неточное направление конца электрода по месту сопряжения кромок. Часто непровары наблюдаются в начале и конце шва. Это связано с тем, что глубина провара на этих участках вследствие неустановившегося процесса сварки падает.

Подрезы

Подрезы – местные уменьшения толщины основного металла у границы шва. Наиболее часто подрезы возникают при сварке угловых швов и первых слоёв многослойных стыковых швов. Подрезы могут быть двусторонними, т.е. располагаться с двух сторон шва и односторонними, т.е. располагаться с одной стороны шва. Более распространены двусторонние подрезы. При сварке угловых швов наклонным электродом или с оплавлением кромки наблюдаются односторонние подрезы с наплывом металла на горизонтально расположенную деталь. При неточном ведении электрода происходит более глубокое проплавление одной из кромок и металла ванны не хватает для полного заполнения образовавшейся канавки. При сварке наклонным или вертикальным электродом с образованием кромки образование подре-за облегчается стеканием металла на горизонтально расположенную деталь. Образование подрезов при сварке стыковых швов без разделки кромок также связано с плохим растеканием металла. Подрез приводит к резкой концентрации напряжений в тех случаях, когда он расположен перпендикулярно к направлению напряжений, действующих на сварное соединение. Для конструкций, работающих при знакопеременных (вибрационных) нагрузках, подрез существенно снижает работоспособность сварного соединения. По этой причине подрезы, как правило, являются недопустимыми дефектами.

Наплывы

Наплывы (натёки) – натекания расплавленного металла шва на поверхность основного металла без сплавления с ним. Преимущественно наблюдаются при сварке однослойных стыковых швов без разделки кромок и при сварке угловых швов наклонным электродом или с оплавлением кромки и при наплавке. Причина образования наплывов – неправильно выбранный режим сварки или наличие на свариваемых кромках толстого слоя окалины. Для предупреждения образования наплыва следует увеличивать ширину шва, за счёт увеличения напряжения дуги, или уменьшать количество металла, образующего усиление. Последнее можно осуществить созданием зазора определённой ширины. Наплыв, как правило, недопустимый дефект. Хотя наплыв является внешним дефектом, выявление его внешним осмотром затруднено.

Прожоги

Прожоги – это проплавление основного или наплавленного металла с возможным образованием сквозных отверстий с вытеканием сварочной ванны. Прожоги возникают при избыточной силе сварочного тока, увеличенном зазоре между свариваемыми кромками, изменении наклона электрода или изделия и неплотном прилегании флюсовой, флюсомедной или стальной подкладки к свариваемым деталям при невысоких скоростях сварки. Особенно часто прожоги наблюдаются при сварке тонкого металла и выполнении первого прохода многослойного шва. Прожог – недопустимый дефект. Обнаруживается внешним осмотром. Начальной стадией прожога является провисание шва, наблюдаемое при односторонней сварке.

Незаваренный кратер

Незаваренный кратер – углубление, образующееся после обрыва дуги в конце шва. Выглядит он в виде воронки в середине сварного шва при его окончании. На участке кратера шов имеет уменьшенное сечение. В кратере, как правило, обнаруживаются усадочные рыхлоты, иногда переходящие в трещину. Длина кратера в зависимости от режима может составлять 20-200 мм. При механизированной сварке кратер образуется только в конце шва, при ручной – в конце участка шва, сваренного каждым электродом. Кратеры необходимо заваривать и обрывать дугу на заваренном участке шва. Не следует выводить кратер на основной металл. Современное сварочное оборудование имеет специальные программы для заварки кратера. Они позволяют проводить окончание сварки на пониженных токах, в результате чего кратер заполняется электродным металлом.

Свищи

Свищи – дефекты швов в виде полости. Как и кратеры они уменьшают прочность шва и способствуют развитию трещин. Способ исправления обычный – вырезка дефекта и последующая заварка.

Нарушение формы шва

Неравномерность ширины шва. Ширина шва обычно изменяется в результате резких колебаний напряжения дуги или скорости сварки. Значительные изменения ширины шва сопровождаются изменением глубины проплавления, что может привести к появлению непровара.
Превышение проплава – избыток наплавленного металла на обратной стороне стыкового шва. Под действием собственного веса расплавленный металл сварочной ванны провисает, и шов формируется с избыточной выпуклостью в нижней части. Причина возникновения – чрезмерная текучесть расплавленного металла, увеличенный зазор в стыке, неодинаковая толщина металла по длине шва.
Брызги металла шва – капли расплавленного электродного или присадочного металла, образовавшиеся во время сварки и прилипшие к поверхности затвердевшего металла шва или околошовной зоны.

Технологические дефекты могут снижать работоспособность конструкций при статических и динамических нагрузках, действующих на конструкцию. Поэтому размеры дефектов нормируются. В большинстве случаев они являются недопустимыми дефектами и при обнаружении должны быть устранены путём проведения ремонта.