Дефекты сварных соединений
Дефе́кты сварны́х соедине́ний — любые отклонения от заданных нормативными документами параметров соединений при сварке, образовавшиеся вследствие нарушения требований к сварочным материалам, подготовке, сборке и сварке соединяемых элементов, термической и механической обработке сварных соединений и конструкции в целом.
Основные причины
По данным американского общества инженеров-механиков (ASME) причины дефектов сварки распределены следующим образом: 45 % — ошибки выбора технологии сварки, 32 % — ошибки сварщика, 12 % — сбои в работе сварочного оборудования, 10 % — неподходящие сварочные материалы, 1 % — прочее[1].
Классификация по геометрии
Классификация дефектов изложена в ГОСТ 30242-97 «Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначение и определения»[2], а также в ГОСТ Р ИСО 6520-1-2012 «Классификация дефектов геометрии и сплошности в металлических материалах. Часть 1. Сварка плавлением»[3], которые соответствуют стандарту ISO 6520[4].
Дефекты соединений при сварке разделяются на шесть групп:
- Трещины — несплошности, вызванная местным разрывом шва, который может возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.
- Полости и поры — несплошность произвольной формы, образованная газами, задержанными в расплавленном металле, которая не имеет углов.
- Твёрдые включения — твёрдые инородные вещества металлического или неметаллического происхождения в металле сварного шва.
- Несплавления и непровары — отсутствие соединения между металлом сварного шва и основным металлом или между отдельными валиками сварного шва.
- Нарушение формы шва — отклонение формы наружных поверхностей сварного шва или геометрии соединения от установленного значения.
- Прочие дефекты — все дефекты, которые не могут быть включены в перечисленные выше группы.
Трещины
Основной металл — светло серый
Зона термического влияния — серый
Металл сварного шва — тёмно серый
Трещины возникающие в соединениях при сварке могут располагаться в металле сварного шва, в зоне термического влияния, в основном металле.
В зависимости от ориентации трещины делятся на:
- продольные (ориентированные параллельно оси сварного шва). Преимущественно обуславливаются высокими усадочными напряжениями[5].
- поперечные (ориентированные поперек оси сварного шва). Как правило, образуются в результате продольной усадки металла с низкой пластичностью и, обычно, неглубоки.
- радиальные (радиально расходящиеся из одной точки)
Кроме того, отдельно выделяют следующие виды трещин:
- размещённые в кратере сварного шва
- групповые и раздельные
- групповые разветвлённые
- микротрещины, обнаруживаемые физическими методами при не менее чем 50-кратном увеличении.
Методами снижения трещинообразования при сварке являются:
- прокаливание флюсов перед сваркой;
- предварительный подогрев заготовок от 250 до 450 °С;
- сваривание в режиме с оптимальными параметрами;
- медленное охлаждение металла после сварки;
- проведение после сварки мягкого отжига для снятия остаточных напряжений.
Полости и поры
Возникновение этих дефектов преимущественно обуславливается газами, задержанными в расплавленном металле. По расположению они подразделяться на:
- равномерно распределённые по сварному шву;
- расположенные скоплением;
- расположенные цепочкой.
К полостям также относятся свищи — продолговатые трубчатые полости, вызванные выделением газа, и усадочные раковины — полости, которые образуются вследствие усадки при затвердевании. Частным случаем усадочной раковины является кратер — не заваренная усадочная раковина в конце валика сварного шва.
Твёрдые включения
Выделяют следующие виды твёрдых включений:
- шлаковые включения — линейные, разобщённые, прочие;
- флюсовые включения — линейные, разобщённые, прочие;
- оксидные включения;
- металлические включения — вольфрамовые, медные, из другого металла.
Несплавления и непровары
Выделяют следующие типы несплавлений или отсутствий соединения между металлом шва и основным металлом либо между отдельными валиками сварного шва[6]:
- по боковой поверхности;
- между валиками;
- в корне сварного шва.
Термином непровар или неполный провар, называют несплавление основного металла на участке или по всей длине шва, появляющееся из-за неспособности расплавленного металла проникнуть в корень соединения, заполняя зазор между деталями.
Нарушение формы шва
К нарушениям формы шва по ГОСТ 30242-97 относятся:
- подрезы — продольные углубления на наружной поверхности валика шва.
- усадочные канавки — подрезы со стороны корня одностороннего шва из-за усадки вдоль его границы.
- превышения выпуклости стыкового и углового швов.
- превышение проплава — избыток наплавленного металла на обратной стороне стыкового сварного шва.
- неправильный профиль шва — угол между поверхностью основного металла и плоскостью, касательной к поверхности шва, меньше нормального значения.
- наплав — избыток наплавленного металла шва, натёкший на поверхность основного металла.
- линейное и угловое смещения свариваемых элементов — смещение между свариваемыми элементами при их параллельном расположении на разном уровне (линейное) или расположение кромок элементов под углом (угловое).
- натёк — металл шва, не имеющий сплавления с соединяемой поверхностью и образовавшийся в результате перераспределения наплавленного металла шва под действием силы тяжести. Натёки часто возникают при сварке угловых швов или стыковых швов в горизонтальном положении.
- прожог — вытекание металла сварочной ванны, приводящее к образованию в шве сквозного отверстия.
- не полностью заполненная разделка кромок.
- чрезмерная асимметрия углового шва — значительное превышение размеров одного катета над другим.
- неравномерная ширина шва.
- неровная поверхность.
- вогнутость корня сварного шва — неглубокая канавка со стороны корня шва, возникшая из-за усадки.
-
Поперечная усадка
-
Продольная усадка
-
Угловое смещение
-
Угловое смещение
-
Искажение формы
Прочие дефекты
К прочим, в соответствии с ГОСТ 30242-97, относятся все дефекты, не включенные в вышеперечисленные группы. Например:
- местное повреждение металла из-за случайного зажигания дуги
- брызги металла
- поверхностные задиры — повреждения поверхности из-за удаления временно приваренного приспособления
- утонение металла
Классификация по механизму образования
Холодные трещины
Остаточные напряжения могут уменьшить прочность основного металла и привести к его разрыву с образованием холодных трещин. Для снижения появления подобных дефектов используют различные технологические приёмы, например, сварка прерывистым швом, многопроходная сварка[7].
К основным причинам склонности к холодным трещинам относят следующее:
- естественная склонность структуры металла, например, мартенситной
- присутствие в структуре металла водорода (водородное охрупчивание)
- значительный (−100 до +100 °С) диапазон рабочих температур
- высокая жёсткость конструкции соединений
- ошибки в выборе технологии сварки
Горячие трещины
Горячие трещины представляют собой хрупкие межкристаллические разрушения металла шва и околошовной зоны. Они возникают в твердо-жидком состоянии в процессе кристаллизации и при высоких температурах в твёрдом состоянии. Располагаются по границам зёрен.
Горячие трещины в основном обусловлены действием двух факторов: наличием жидких прослоек между зёрнами металла в процессе кристаллизации и усадочными деформациями. В процессе затвердевания происходит перемещение примесей и шлаков в межзёренные пространства, что снижает деформационную способность шва и околошовной зоны. Неравномерность усадки шва и основного металла при охлаждении вызывает внутренние напряжения и, как следствие, появление микро- и макроскопических трещин.
К снижению образования горячих трещин приводят следующие технологические приёмы:
- снижение объёма провоцирующих примесей (сера, фосфор и др.) в металле свариваемых заготовок.
- снижение в металле шва элементов, образующих химические соединения с низкой температурой затвердевания (хром, молибден, ванадий, вольфрам, титан), нарушающих связь между зёрнами.
- снижение жёсткости закрепления свариваемых заготовок и конструктивной жёсткости сварного узла, препятствующих деформации элементов при остывании[7][8].
См. также
Примечания
- ↑ Matthews, Clifford (2001), ASME engineer's data book, ASME Press, с. 211, ISBN 978-0-7918-0155-0, <https://books.google.com/books?id=7nIqrfROowQC&pg=PA211> Архивная копия от 23 января 2022 на Wayback Machine
- ↑ ГОСТ 30242-97 «Дефекты соединений при сварке металлов плавлением. Классификация, обозначение и определения» . Дата обращения: 8 июля 2017. Архивировано 29 апреля 2017 года.
- ↑ ГОСТ Р ИСО 6520-1-2012 Сварка и родственные процессы. Классификация дефектов геометрии и сплошности в металлических материалах. Часть 1. Сварка плавлением . Дата обращения: 9 июля 2017. Архивировано 5 августа 2017 года.
- ↑ BS EN ISO 6520-1: «Welding and allied processes — Classification of geometric imperfections in metallic materials — Part 1: Fusion welding»(2007)
- ↑ Raj, Jayakumar & Thavasimuthu, 2002, p. 128.
- ↑ Rampaul, 2003, p. 216.
- ↑ 7,0 7,1 Cary & Helzer, 2005, pp. 404–405
- ↑ Bull, Steve (2000-03-16), Factors promoting hot cracking, University of Newcastle upon Tyne, <http://www.staff.ncl.ac.uk/s.j.bull/mmm373/WFAULT/sld013.htm>. Проверено 6 декабря 2009. Архивная копия от 16 апреля 2009 на Wayback Machine
Библиография
- Cary, Howard B. & Helzer, Scott C. (2005), Modern Welding Technology, Upper Saddle River, New Jersey: Pearson Education, ISBN 0-13-113029-3
- Raj, Baldev; Jayakumar, T. & Thavasimuthu, M. (2002), Practical non-destructive testing (2nd ed.), Woodhead Publishing, ISBN 978-1-85573-600-9, <https://books.google.com/books?id=qXcCKsL2IMUC>
- Rampaul, Hoobasar (2003), Pipe welding procedures (2nd ed.), Industrial Press, ISBN 978-0-8311-3141-8, <https://books.google.com/books?id=cie00sSLFqoC>
- Moreno, Preto (2013), Welding Defects (1st ed.), Aracne, ISBN 978-88-548-5854-1
- Weman, Klas (2003), Welding processes handbook, New York, NY: CRC Press, ISBN 0-8493-1773-8