Главная → Статьи

Различные дефекты сварных соединений

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 по 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 нх 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. 88), 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 ликвационных явлений и понижение совместной растворимости примесей при охлаждении металла сварочной ванны. Извне неметаллические включения могут быть внесены в результате перехода в сварочную 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. 89. Трещины в сварных швах и соединениях
а — в наплавленном металле; б — в зоне термического влияния

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.

Рис. 88. Шлаковые включения по подрезу кромки в многослойном шве

Наиболее опасными дефектами в сварном соединении являются трещины (рис. 89). 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 межкристаллит-ное 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.

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 пособствует этому при сварке аустенитных хромонике-левых 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 напряжен-’.ое состояние металла шва. Если сварочная ванна име-гт форму, близкую к форме падающей капли, в ее хвостовой части возникают высокие растягивающие напряжения, 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 «которой 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-пер-литных сталей. Многочисленные исследования свидетельствуют о том, что наличие водорода в металле приводит к снижению его механических свойств и уменьшает стойкость против образования холодных трещкн. 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 сварка 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 дефектам относят непровары (рис. 90), 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.

Формирование сварного шва происходит за небольшой промежуток времени, поэтомна 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 непроварен-ный основной металл; блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных полей и особенно на постоянном токе; колебания сварочного тока и напряжения дуги в процессе сварки; плохая зачистка свариваемых кромок от окалины, ржавчины и других загрязнений.

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 напряжений, 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 поры снижают не только статическую прочность сварного соединения, а, являясь концентраторами напряжений, могут вызвать снижение выносливости сварного соединения. В этом случае особенно опасным является наличие пор 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. Но сварные соединения могут разрушаться и из-за наличия внутренних пор, 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 или 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 в 2,5 раза.

Однако наружные дефекты также оказывают серьезное влияние на 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 по 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 допускаются 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.

Ваш отзыв