Сегодня сварка используется повсеместно для соединения различных металлических деталей. Она успешно используется как в промышленности, так и в частных бытовых условиях. называется неразъемное соединение деталей посредством сварки. В результате этого формируются различные участки, которые характеризуются определенным набором свойств. Все зависит от степени нагрева. Они могут различаться по физическим, химическим и механическим свойствам. Основные дефекты сварных соединений известны достаточно давно. Их следует избегать в процессе выполнения работы.

Сварка используется для соединения металлических деталей в промышленности и бытовых условиях.

Характеристика и виды сварных соединений

Перед тем как начать разговор о дефектах сварных соединений, стоит подробнее поговорить об их основных видах и характеристиках. Принцип сварки достаточно прост. Расплавленный металл образует шов, который кристаллизуется. Тот материал, который частично оплавляется, составляет зону сплавления. Рядом с этой зоной образуется та, в которой нагретый металл испытывает дополнительные напряжения. Ее называют зоной термического влияния. После этого идет основной металл. Его структура и свойства в процессе проведения работ никак не изменяются.

Классификация сварных швов по положению в пространстве.

Существует несколько основных видов сварных соединений. Наиболее распространенными среди них являются встык, внахлест, тавровые и угловые. Все они различаются между собой установкой основных материалов, расположением шва. На качества шва напрямую влияет множество самых разнообразных факторов. Могут образовываться и внутренние дефекты, и наружные. На качество швов напрямую влияет степень загрязненности металлов, которые подлежат соединению.

Здесь могут присутствовать самые разнообразные окислы, жировые пленки и так далее. Именно поэтому свариваемые поверхности обязательно нужно очищать перед проведением работ. Кстати, в процессе их проведения нужно бороться с окислами, образующимися на поверхности. В любом случае прочность конечного соединения напрямую зависит от отсутствия дефектов. Шов иногда может иметь точно такую же прочность, что и основной материал, но этого достаточно сложно достичь.

О дефектах сварных соединений

Как уже отмечалось ранее, дефекты сварных соединений могут носить самый разнообразный характер. О них обязательно нужно помнить в процессе проведения работ. Если человек имеет багаж знаний по ним, то он сможет сваривать детали, у которых будут идеальные швы. Именно к этому и нужно стремиться.

Таблица основных видов сварных соединений.

1. Подрез. Это один из видов дефектов сварных соединений. Представляет собой канавку, которая образуется в месте сплавления основного металла и шва. Чаще всего такие дефекты появляются тогда, когда есть большие сварочные ванны. Имеется в виду, что расплавляется большое количество металла вследствие использования больших показателей тока.
2. Наплав. Этот дефект характеризуется тем, что происходит натекание материала шва на основной металл. Очень неприятный недостаток.
3. Непровар. Такой дефект сварных соединений может иметь место в тех случаях, когда образуется недостаточная расплавленность основного металла в местах соединений конструктивных элементов. Это место чаще всего заполняется шлаком, который, ввиду своей структуры, образует пористости и пустоты во швах. Это недопустимо. Конструкция сразу теряет свои свойства. Когда используется дуговая сварка, то непровар может образоваться из-за использования недостаточной силы тока. Это один из самых опасных дефектов. Связано это прежде всего с тем что в этом месте начинают образовываться дополнительные напряжения в ходе последующей эксплуатации конструкции. Это очень часто приводит к скорому ее разрушению. От этого дефекта можно избавиться. Для этого непровар выявляют, а затем производят наплавку в сложных участках.
4. Трещины. Это частичное разрушение материала на шве или в зоне, которая расположена около него. Они могут образовываться по нескольким причинам. Если говорить о процессе, когда металл еще горячий, то трещины появляются в результате кристаллизации металла. В твердом состоянии с ним могут также происходить самые разнообразные структурные превращения. Это вторая причина появления подобных дефектов.

Дефекты сварных швов: несплавления, неравномерная форма, наплыв, трещины, свищи, перегрев.

Механизм образования горячих трещин достаточно прост. В ходе выполнения сварочных работ происходит нагрев металла. После того как источник тепла устраняется, он начинает постепенно охлаждаться. Разумеется, начинают образовываться и зоны кристаллизации. Они начинают плавать среди еще расплавленного металла. Если бы не было микрозон, которые позволяют осуществлять взаимодействие горячего и холодного материала, то все сварные соединения содержали бы дефекты. Однако этого не происходит. Таким образом, можно считать, что чем выше интервал кристаллизации, тем более возможно появление горячих трещин. Углерод напрямую влияет на этот показатель. Здесь прямая зависимость. Чем больше в стали углерода, тем шире становится интервал кристаллизации.

Холодные трещины могут образовываться в месте шва. Они появляются при охлаждении материала до температуры приблизительно в 200-300 градусов по Цельсию. Они могут появляться не сразу, что делает их более опасными. Связано появление холодных трещин с тем, что в материале начинают возникать различные структурные превращения вследствие тех или иных химических превращений. Здесь существует прямая зависимость от количества в материале углерода. Чем его больше, тем больше вероятность того, что появятся холодные трещины. Эта склонность к образованию холодных и горячих трещин определяет такой параметр, как свариваемость металлов. Этот параметр характеризует способность получения свариваемого соединения, ничем не отличающегося от основных материалов.

Поры и неметаллические включения

Дефекты сварных швов: кратеры, подрезы, поры, непровар, шлак, прожог.

Поры. Эти дефекты сварных соединений встречаются достаточно часто. Поры представляют собой пустоты, которые заполняются газом. Они могут иметь микроскопические размеры, а могут образовывать в структуре дефекты размером в несколько миллиметров. При этом образуются они чаще всего в местах соединения шва с основным материалом. На этот дефект оказывает влияние множество самых разнообразных параметров.

Самым главным из них является концентрация газа в варочной ванне. Газ выделяется из металла в процессе его плавления. Этот процесс никак нельзя предотвратить. Угарный газ не способен растворяться в железе, соответственно, он выделяется в виде пузырьков.

Неметаллические включения. Эти дефекты самих сварных соединений связаны с попаданием инородных включений в структуру шва в результате проведения работ.

Трещины в сварном соединении.

Существует огромное разнообразие таких включений. Шлаковые, к примеру, могут образовываться в результате недостаточной очистки материалов, которые подлежат соединению.

Их причиной может стать недостаточно полное удаление шлака при многослойной сварке. При работе, которая производится за счет плавления, образуется во шве материал, который по физическим и химическим свойствам отличается от основного металла. В связи с этим также могут образовываться подобные дефекты. Инородные включения могут носить самый разнообразный характер.

Изучение дефектов

Дефект сварки – поры, это заполнение пустот газами.

Разумеется, если есть дефекты различных сварных соединений, то их обязательно нужно изучать. Для этого достаточно часто используется макроанализ. Он заключается в том, что структура металла изучается с помощью невооруженного глаза или лупы. В отличие от микроскопического анализа, макроанализ не позволяет в должной мере изучить структуру материала. Его основная задача – это контроль качества соединяемых деталей в процессе сварки. Он позволяет определить тип излома, волокнистое строение, нарушения сплошной структуры и так далее. Для того чтобы провести такой анализ, необходимо изучаемую часть подвергнуть травлению специальными элементами и обработке на шлифовальных машинах. Этот образец носит название макрошлифа. На его поверхности не должно быть никаких неровностей или инородных включений, в том числе и масляных.

Все те дефекты, которые были описаны выше, вполне могут изучаться и выявляться с помощью макроанализа.

Чтобы выявить структуру материала, чаще всего используются методы поверхностного травления.

Виды наплывов в швах.

Такой подход самым лучшим образом подходит для низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей. Макрошлиф, который подготовлен заранее, нужно погрузить в реактив той частью, которая подвергается анализу. При этом его поверхность обязательно должна быть зачищена с помощью спирта. В результате взаимодействия элементов происходит химическая реакция. Она позволяет вытеснять медь из раствора. Происходит замещение материалов. Медь в результате осаждается на поверхности пробника. Те места, где на основной материал медь легла не полностью, подвергаются травлению. Эти места и содержат какие-либо дефекты. После этого образец изымается из водного раствора, сушится и очищается. Все эти действия нужно проделывать максимально быстро, чтобы не произошло реакции окисления. В результате этого можно выявить те участки, где присутствует большое количество углерода, серы и других материалов.

Травление участков, которые содержат эти материалы происходит не одинаково. Там, где присутствует большая концентрация углерода и фосфора, медь на поверхности выделяется неинтенсивно. Здесь минимальная степень защиты металла. Вследствие этого данные места подвергаются самому большому травлению. В результате проведения реакции эти участки окрашиваются в более темный цвет. Лучше использовать этот метод для сталей, которые содержат минимальное количество углерода. Если его будет очень много, то медь с поверхности образца будет весьма проблематично удалить.

Виды подрезов в швах.

Есть и другие методы макроанализа структуры материалов при сварном соединении. К примеру, часто для определения количества серы используется метод фотоотпечатков. Фотобумагу при этом смачивают и держат на свету какое-то время. После этого она просушивается между листами фольгированной бумаги. Раствор, в который она изначально помещается, содержит определенное количество серной кислоты. Затем, разумеется, эта бумага ровным слоем укладывается на макрошлиф.

Она должна разглаживаться с помощью валика, чтобы полностью были исключены все ее деформации. Все пузырьки воздуха, которые могут оставаться между фотобумагой и металлом, должны быть полностью удалены. Только в этом случае исследование будет носить объективный характер. Ее нужно удерживать в таком положении приблизительно 3-10 минут. Время зависит от того, какова изначальная толщина пробника, а также от других факторов.

Виды непроваров.

Включения серы, которые располагаются в наплавленном металле, обязательно вступят в реакцию с кислотой, которая была нанесена на поверхность фотобумаги. В очагах выделения сероводорода будет образовываться такое вещество, которое носит название фотоэмульсия. Участки сернистого серебра, которые будут образовываться в результате реакции, наглядно показывают распределение серы в металле.

Разумеется, эти участки будут наблюдаться на бумаге. Фотобумага, которая была использована для проведения опыта, подлежит мытью, а затем выдерживанию в растворе гипосульфита. После этого ее еще раз промывают в жидкости и сушат. В том случае если в сварном шве будут присутствовать фтористые включения, они обязательно выделятся наружу в виде участков темного цвета.

Подведение итогов

Таким образом, в настоящее время существует множество методов выявления дефектов сварных соединений. Все они имеют определенную цель. Каждый способ позволяет выяснить, сколько в структуре шва содержится того или иного материала, который может пагубно влиять на его структуру.

Помимо методов макроанализа, в последнее время достаточно часто внедряются методы микроанализа. Они имеют то же самое предназначение, что и предыдущие. Однако дополнительно позволяют изучить структуру материала. Здесь работа ведется на молекулярном уровне строения кристаллической решетки.

Ниже приведены основные определения дефектов сварных швов при сварке плавлением.

Непровар – это участок сварного соединения, где отсутствует сплавление между свариваемыми деталями, например, в корне шва, между основным и наплавленным металлом (по кромке) или между смежными слоями наплавленного металла. Непровары уменьшают рабочее сечение сварного шва, что может привести к снижению работоспособности сварного соединения. Являясь концентраторами напряжений, непровары могут вызвать появление трещин, уменьшить коррозионную стойкость сварного соединения, привести к коррозионному растрескиванию. Непровар является очень опасным дефектом сварки.

А, б, в – в корне одностороннего и двустороннего стыкового шва;
г – по кромке между основным и наплавленным металлом;
Рис.1. Непровары

Причина непровара:
1) Малая величина сварочного тока;
2) Большая скорость перемещения электрода;
3) Слишком большая длина дуги;
4) Малый угол скоса кромок или большая величина притупления;
5) Смещение и перекосы свариваемых кромок;
6) Малая величина зазора между кромками;
7) Несоответственно большой диаметр электрода;
8) Затекание шлака в зазоры между свариваемыми кромками;
9) Неправильный выбор полярности для данной марки электродов
Непровар является очень опасным дефектом сварки.

Пористость – газовые пузырьки в металле. Обычно они имеют сферическую или близкую к ней форму. В сварных швах углеродистых сталей поры зачастую имеют трубчатую форму. Первоначально, возникнув в жидком металле шва за счет интенсивного газообразования, не все пузырьки газа успевают подняться на поверхность и выйти в атмосферу. Часть из них остается в металле шва. Размеры таких пор колеблются от микроскопических, до 2…3 мм в диаметре, и за счет диффузии газов могут расти. Кроме одиночных пор, вызванных действием случайных факторов, в сварных швах могут появляться поры, равномерно распределенному по всему сечению шва, расположенные в виде цепочек или отдельных скоплений.

а – выходящие на поверхность шва;
б – не выходящие на поверхность шва;
в – групповое расположение пор;
г – расположение пор при электрошлаковой сварке;
Рис.2. Поры

Причины пористости:
1) Наличие газов в металле, которые не успевают полностью выделиться в процессе кристаллизации металла;
2) Взаимодействие закиси железа с углеродом, в результате чего выделяется окись углерода и углекислый газ;
3) Наличие влаги в покрытии или во флюсе (при автоматической сварке);
4) Наличие ржавчины на свариваемых кромках или проволоке.

Трещины – дефекты сварных швов, представляющие собой макроскопические и макроскопические межкристаллические разрушения, образующие полости с очень малым начальным раскрытием. Под действием остаточных и рабочих напряжений трещины могут распространяться с высокими скоростями. Поэтому вызванные ими хрупкие разрушения происходят почти мгновенно и очень опасны.

Рис.3. Продольная горячая трещина.

а – продольная трещина по шву;
б – поперечная трещина по шву;
в – продольные и поперечные трещины;
Рис.4. Холодные трещины.

Причины трещин:
1) Усадочные напряжения, превышающие предел прочности металла;
2) Жесткое закрепление свариваемых элементов;
3) Структурные напряжения, например, образование мартенсита;
4) Повышенное содержание углерода, серы и фосфора в металле;
5) Сварка при низкой температуре;
6) Дефекты шва (поры, шлаковые включения и т.д.), вызывающие местную концентрацию напряжений в металле шва;
7) Сосредоточение нескольких швов на небольшом участке изделия, вызывающее повышенные местные напряжения (концентрация напряжений).

Шлаковые включения – это полости в металле сварного шва, заполненные шлаками, не успевающими всплыть на поверхность шва. Шлаковые включения образуются при больших скоростях сварки, при сильном загрязнении кромок и при многослойной сварке в случаях плохой очистки от шлака поверхности швов между слоями. Форма шлаковых включений может быть самой разнообразной, вследствие чего они являются более опасными дефектами, чем округлые поры.

а – в корне одностороннего шва;
б – в корне двустороннего шва.
Рис.5. Шлаковые включения

Причины шлаковых включений:
1) Тугоплавкость и повышенная вязкость шлаков электродных покрытий;
2) Высокий удельный вес шлака;
3) Недостаточное раскисление металла шва;
4) Большое поверхностное натяжение шлака;
5) Плохая очистка поверхности валиков от шлака при многослойной сварке;
6) Затекание шлака в зазоры между свариваемыми кромками и в месте подрезов;
7) Неравномерность плавления электродного покрытия.

Пережог – окисление по границам зерен.
Причины пережога:
1) Замедленное движение источников нагрева;
2) Большая сила тока (большой номер наконечника горелки).

Прожог – дефект сварки, заключающийся в вытекании металла сварочной ванны через отверстие в шве с образованием в нем полости.
Причины прожога:
1) Чрезмерная сила тока;
2) Слишком медленное перемещение источника нагрева;
3) Малая толщина металла;
4) Большой зазор между свариваемыми кромками;
5) Малая величина притупления кромок.

Подрез – дефекты сварного соединения, представляющие собой местные уменьшения толщины основного металла в виде канавок, располагающихся вдоль границ сварного шва. Подрезы относятся к наиболее часто встречающимся наружным дефектам, образующимися, как правило, при сварке угловых швов с излишне высоким напряжением дуги и в случае неточного ведения электрода. Одна из кромок проплавляется более глубоко, металл стекает на горизонтально расположенную деталь и его не хватает для заполнения канавки. В стыковых швах подрезы образуются реже. Обычно при повышенном напряжении дуги и большой скорости сварки образуются двусторонние подрезы. Такие же подрезы образуются и в случае увеличения угла разделки при автоматической сварке.

Рис.7. Подрезы

Причины подреза:
1) Большая сила тока;
2) Неправильное положение электрода и направление дуги.

Несплавления – Отсутствие сплавления между основным металлом и металлом сварочной ванны по периметру шва. Дефект образуется при повышенных скоростях и силах тока более 1500А. Для предотвращения появления несплавлений прибегают к уменьшению разрыва по времени между образованием и заполнением канавки, а так же получение благоприятной формы провара и уменьшения скорости сварки. Зона сварки должна быть чательно очищена от грязи а масел.

Рис.8. Несплавления.

При точечной сварке
Непровар – отсутствие или малый диаметр литого ядра.
Причины:
1) Падение напряжения в сети;
2) Ввод в контур машины больших магнитных масс;
3) Шунтирование тока через соседние точки или случайные контакты;
4) Большой диаметр контакта электрода;
5) Большое давление;
6) Увеличение толщины свариваемых деталей;
7) Уменьшение времени сварки.
Выплеск металла.
Причины:
1) Плохая очистка деталей или электродов;
2) Малое давление;
3) Большая сила тока;
4) Большое время сварки.
Прожог.
Причины:
1) Значительное загрязнение поверхности;
2) Загрязнение поверхности электродов;
3) Снижение давления.
Трещины.
Причины:
1) Жесткий режим сварки;
2) Несвободное деформирование деталей в приспособлении;
3) Малое ковочное давление.
Раковины и пористость.
Причины:
1) Малое давление;
2) Загрязнение поверхности металла;
3) Выплеск при перегреве ядра.
Вмятины более 10-20% толщины листа.
Причины:
1) Недостаточные диаметры контактной поверхности электрода;
2) Перегрев точки;
3) Значительный выплеск металла;
4) Плохое охлаждение электродов.

При роликовой сварке
Негерметичность шва вызывается теми же причинам, что и при непроваре точечной сваркой.
Подплавление.
Причина – плохая очистка деталей и роликов.
Прожог.
Причины:
1) Плохая очистка деталей и загрязнение роликов;
2) Большие зазоры между деталями;
3) Снижение давления.

При стыковой сварке
Смещение свариваемых деталей.
Непровар.
Перегрев и пережог.
Подгар поверхности деталей в зажимах.
Черезмерно большое количество выдавленного металла.
Трещины.
Остатки в шве литого металла, шлаков, окислов.

Допустимые и недопустимые дефекты
При сварке плавлением дефекты обычно исправляются подваркой дефектного места. Перед подваркой дефектное место должно быть разделано так, чтобы можно было удобно производить сварку. Одно и то же место исправлять сваркой более двух раз обычно не разрешается во избежание получения перегрева или пережога металла. При точечной сварке исправление дефектов производится постановкой новой точки. В некоторых случаях, например, в случае прожога в дефектном месте ставят заклепки. Характер и количество дефектов, допускаемых без исправления, должны указываться в технических условиях на сварку или узел.

Исходят, главным образом, из того, что металл сварного шва должен быть сплошным. И все образования, которые делают сварной шов неоднородным, принято считать дефектами. Различают следующие виды дефектов сварного шва : микро- и макротрещины (горячие и холодные), непровары, поры, различные включения.

Внутренние и наружные дефекты сварных швов

Самый распространённый метод классификации дефектов сварки - по их месту расположения. Согласно этой классификации, различают внутренние и наружные сварные дефекты. Наружные выходят на поверхность шва и околошовной зоны, а внутренние располагаются внутри соединения, не выходя на поверхность. Из этого следует, что один и тот же вид дефектов (например, трещины или поры) может быть как внутренним (если располагается внутри), так и наружным (если выходит на поверхность).

Наружные сварные дефекты

К наружным дефектам сварных соединений относят неравномерность формы сварного шва из-за неправильного его формирования, подрезы шва, прожоги свариваемого металла, наплывы, трещины, поры и другие дефекты, которые располагаются на поверхности металла. Все они выявляются при внешнем визуальном осмотре сварного соединения. Ниже по тексту перечислены и показаны распространённые виды наружных дефектов.

Внутренние сварные дефекты

К внутренним дефектам сварных соединений, согласно ГОСТ23055, относятся неметаллические, шлаковые и оксидные включения, непровары и несплавления металла, а также поры и трещины, не выходящие на поверхность металла. Для того, чтобы выявить подобные дефекты, на практике применяются методы неразрушающего контроля сварки. Ниже по тексту рассказывается о часто встречающихся видах внутренних дефектов.

Дефекты формирования шва

Дефекты формирования сварных швов проявляются в неравномерности их формы (см. рисунок справа). Формируются они из-за непостоянных режимов сварки, непостоянного зазора между свариваемыми кромками и неравномерного угла скоса кромок. Несоответствие фактической формы шва требуемой может проявится вследствие неверной , из-за неправильного расположения электрода относительно сварных кромок.

Подобный дефект может проявиться и при других . Например, при автоматической сварке причиной появления такого дефекта могут стать проскальзывание сварочной проволоки в подающем механизме, перепад напряжения в сети, попадание расплавленного металла в зазоры и др.

Непровар сварного шва

Чаще всего, непровары в сварных швах происходят в тех случаях, когда между сварными кромками небольшие зазоры, при большом притуплении кромок, а также при наличии на них загрязнений, при неправильном положении электрода или сварочной проволоки относительно свариваемых кромок, при недостаточной силе сварочного тока и при завышенной скорости сварки.

Очень часто непровары образуются в корне шва (схема а) и б) ни рисунке слева и схемы в) и г) на рисунке). При автоматической сварке под флюсом непровары, в большинстве случаев, формируются в начале сварного шва. Чтобы предотвратить их появление, сварку рекомендуется производить на специальных подкладках. Непровары - одни из самых опасных дефектов для сварного соединения.

Подрезы сварных швов

Подрезы сварных швов формируются на поверхности соединения. Подрезы - это углубления в основном металле, расположенные по краям сварного шва. Они появляются из-за излишне большой силы сварочного тока и из-за большой длины электрической дуги, т.к. в этом случае ширина сварного увеличивается и края сварных кромок оплавляются сильнее.

Различают несколько видов сварных трещин:

Вид сварного дефекта. А также его величина и место его возникновения.

Механические свойства сварного соединения. Это предел прочности, текучесть, ударная вязкость, пластичность, сопротивляемость коррозии, сопротивление усталостному разрушению и т.д.

Условия, при которых изделие эксплуатируется. В основном, это характер окружающей среды.

Функции, которые должно выполнять изделие. Существует даже такой термин: "пригодность для данной цели". Т.е. один и тот же дефект в сварном шве может быть допустим для выполнения одной задачи, и недопустим для выполнения другой.

Для принятия решения о допустимости дефектов того, или иного типа и величины, необходимо, чтобы измерительная способность прибора для контроля дефектов была выше, чем допустимая величина дефекта. Т.е., если в сварном шве допускаются дефекты, величиной не более 2мм, то нельзя использовать для контроля этого шва прибор, с измерительной способностью 5мм.

Для того, чтобы определить максимальную величину допустимого дефекта, необходимо иметь ввиду, что дефекты сварных швов увеличивают, главным образом, способность стали к усталостному и хрупкому разрушению.

Для разрушений такого вида, наибольшую опасность представляют плоскостные дефекты (микротрещины, макротрещины, непровары). В случае их выявления, нужно обратить внимание не только на максимальные размеры отдельно взятых дефектов, но и на их взаимное расположение и на их количество.

Опасность плоскостных дефектов заключается в том, что они являются концентраторами высоких напряжений из-за отсутствия радиуса закругления у трещин. Пространственные дефекты, такие, как поры, газовые пузыри или какие-либо включения имеют какой-либо радиус закругления, поэтому, представляют собой меньшую опасность, даже при большем количестве.

При маленьком закруглении у основания трещины, для того, чтобы оценить действующие в ней напряжения, применяют коэффициент интенсивности напряжений К1, позволяющий оценить механику разрушения. Коэффициент интенсивности напряжений возможно определить в том случае, если напряжение, необходимое для разрушения, меньше предела текучести материала. Определяется он по формуле:

где а - величина (высота) наружного дефекта, или половина величины внутреннего дефекта;
бm - напряжение при растяжении;
бв - напряжение при изгибе;
Мm и Мв - коэффициенты, величина которых определяется отношением величины дефекта к толщине детали и расположением дефекта;
Q - коэффициент, зависящий от формы дефекта.

Для сварных соединений, не подвергаемых отжигу после сварки, с целью уменьшения внутренних напряжений, для оценки допустимости сварных дефектов необходимо использовать расчёт критического раскрытия трещины (COD). Вычисление коэффициента К1, или нахождение величины критического раскрытия, даёт возможность с высокой точностью определить величину возможного допустимого дефекта сварного шва.

В ходе сварных работ, как и при любых других способах обработки металлов не исключены дефекты сварочных швов, образующихся по целому ряду причин.

Перечень факторов, влияющих на качество сварного соединения очень обширен, однако основной причиной дефектов являются неуправляемые химические процессы, происходящие в пограничных областях зоны сварки.

Причиной деффектов может быть кристаллизация металла, его химическая неоднородность, а также взаимодействие расплавленной массы с твердым материалом заготовок или с окружающими газами и шлаками. Ещё одной нуждающейся в учёте причиной появления дефектов (трещин, в частности) являются нежелательные напряжения в зоне сварки.

Характер отклонений сварных соединений от нормы (дефектов) зависит от . Это объясняется технологическими особенностями того или иного процесса.

Различие достаточно отчётливо проявляется во всех основных её видах, а именно – при электродуговой обработке металлов, контактном сваривании листовых заготовок и, наконец, в газовой сварке.

Электродуговой метод

К основным причинам образования дефектов при можно отнести два основных фактора. Это химические реакции, приводящие к нарушению структуры швов, а также серьёзные отклонения от существующих технологий.

Сварочные дефекты, возникающие во втором случае, чаще всего проявляются в виде прожогов, непроваров и нарушений геометрических размеров шва или трещин, возникающих после остывания материала.

Процесс образования холодных трещин при сварке объясняется недопустимыми механическими нагрузками на шовное соединение. Такие отклонения от нормальной структуры шва чаще всего наблюдаются при сваривании углеродистых (легированных) сталей, а также большинства чугунных изделий.

Вообще же в теории электродуговой сварки рассматриваются самые различные нарушения структуры сварного соединения. Помимо так называемого «холодного» растрескивания к таким дефектам причисляют «горячие», макроскопические и микротрещины.

Все перечисленные отклонения от нормы со временем приводят к расширению зоны действия дефекта и аварийным разрушениям некачественно проваренной конструкции. По этой причине исследованию качества образующихся при дуговой сварке швов уделяется повышенное внимание.

Газосварка

Основные причины дефектов, проявляющихся при газовой сварке, чаще всего те же, что и в перечисленных ранее случаях, касающихся других категорий сварочных работ.

Это те же нарушения в технологии подготовки заготовок перед сплавлением и ошибки, допущенные во время формирования шва (по причине использования нестандартных расходных материалов, например).

Вот почему с целью предупреждения дефектов газосварки особое внимание уделяется грамотному выбору правильного режима сваривания, а также уровню квалификации самого исполнителя работ.

По доступности выявления нарушений при газосварке все известные дефекты делятся на поверхностные и скрытые. К первой категории относятся типовые непровары, значительные по размеру наплывы, а также вогнутости, прорезы, кратеры, образующиеся на основании (в корне шва).

Сюда же следует отнести недопустимое смещение линии стыка (неправильная их разделка), резкие перепады по толщине и поверхностные трещины.

К скрытым и, как правило, трудно выявляемым дефектам газовой сварки относятся внутренние пористые образования, микроскопические газовые каналы, а также шлаковые и оксидные вкрапления.

Этот список может быть продолжен такими нередко возникающими нарушениями структуры свариваемых заготовок, как малозаметные непровары между слоями и внутренние микротрещины.

Точечный контактный метод

К дефектам контактного сваривания принято относить следующие визуально различимые (наружные) нарушения в структуре соединений:

• наблюдаемые невооружённым глазом трещины;
• точечные прожоги;
• наружные выплески;
• разрывы металла с поверхностным проявлением структуры;
• нарушения формы контакта и многие другие.

Основными причинами появления таких отклонений в структуре контакта являются неправильное выставление параметров (амплитуды или длительности) импульсного тока, недостаточное усилие при сжатии электродов.

К дефектам приводит некачественная подготовка обрабатываемых поверхностей перед сваркой, близкое расположение контактной точки к краю точечного соединения.

Среди других причин – недостаточная величина нахлеста заготовок, недопустимый перекос сочленяемых деталей, износ электродов и многое другое.

Основным скрытым дефектом при сварке контактными методами является «слипание» листовых заготовок, при котором между ними образуется лишь кажущийся, чисто внешний контакт. Данный дефект может проявляться не только при сварке под давлением, но и при других известных видах точечного сваривания.

Обнаружить визуально этот вид дефектного образования обычными методами физического контроля практически невозможно . Предупредить его удаётся только путём строгого соблюдения технологии и поддержания в норме основных параметров сварочного процесса (амплитуды и длительности импульсного тока, а также необходимого усилия сжатия).

Исправление и предотвращение

Наличие дефектов при любом типе сварки не всегда приводит к непоправимому результату и выбраковке заготовки. Существует определённый набор нарушений техпроцесса или отклонений от нормы, которые могут быть исправлены сразу же по завершении процесса.

Простейшим и кардинальным способом исправления любого огреха при сварке является вырубка забракованного участка и повторное его заваривание (с учётом обнаруженной неисправности, конечно). Для исключения или исправления ряда дефектов вполне достаточно скорректировать положение рабочего инструмента с электродом.

При использовании этого приёма следует помнить о том, что сварка методом «на подъём» способствует перераспределению расплавленного металла в зоне ванны, а работа по способу «углом вперед» позволяет снизить глубину проплавления.

Поскольку на исправление брака потребуются дополнительные расходы – желательно так организовать сварочный процесс, чтобы исключить необходимость повторных работ.

Один из наиболее эффективных способов предотвращения дефектов – это добавление одного из компонентов при сварке в защитной среде, что позволяет увеличить коэффициент заполняемости шва и предотвращает возможные подрезы.

Для повышения текучести жидкого металла, обеспечивающей заполнение корневой части шва, достаточно нагреть предварительно место сварки до определённой температуры посредством специальных добавок (флюсов).

Достичь требуемого эффекта нередко удаётся и за счёт увеличением силы тока. При этом тщательная зачистка сварных кромок и удаление с их поверхности окисных плёнок также снижают вероятность нарушения режима сварки.

Разделка трещин

Для устранения холодных трещин применяется способ их повторной сварки с ограничением расширения области дефекта по обе стороны (подготовку специальных «уловителей»).

Такие уловители выполняются в виде небольших отверстий, просверленных на удалении порядка 1,5 см от краёв образования, способных замедлить или полностью прекратить его рост.

Ремонт трещин предполагает определенный порядок операций, учитывающий необходимость тщательной подготовки к повторному свариванию. На этом этапе подготавливаемые к восстановлению кромки сначала разделываются под углом 60 °.

Для проведения этой операции используется либо обычное зубило, либо специальный разделочный электрод, посредством которого края реза полностью очищают от всех мешающих сплавлению образований и неровностей.

Просверленные ранее ограничивающие отверстия-ловушки удалять совсем необязательно.

Наличие дефектов сварки, как правило, приводит к снижению прочностных показателей подготавливаемого соединения, и, как следствие – к нарушению работоспособности конструкции (её повышенной аварийности). Именно поэтому вопросу обнаружения и исправления дефектов всегда уделяется особое внимание.

При производстве сварных деталей и конструкций образуются дефекты различного вида, которые условно можно классифицировать на:

• – дефекты подготовки и сборки;
• – дефекты формы шва;
• – наружные и внутренние дефекты.

Дефекты подготовки и сборки. Характерными видами дефектов при сварке плавлением являются:

• неправильный угол скоса кромок шва с V-, X- и U-образной разделкой;
• слишком большое или малое притупление по длине стыкуемых кромок;
• непостоянство зазора между кромками по длине стыкуемых элементов;
• несовпадение стыкуемых плоскостей;
• слишком большой зазор между кромками свариваемых деталей;
• расслоения и загрязнения кромок.

Указанные дефекты могут возникнуть из-за:

• неисправности станочного оборудования, на котором обрабатывали заготовки;
• недоброкачественности исходных материалов;
• ошибок в чертежах;
• низкой квалификации слесарей и сборщиков.

Дефекты формы шва. Форма и размеры сварных швов обычно задаются техническими условиями, указываются на чертежах и регламентируются стандартами. Конструктивными элементами стыковых швов (рис. 1) являются их ширина e , высота выпуклости q и подварки q 1 , угловых швов тавровых и нахлесточных соединений без скоса кромок (рис. 2)– катет К и толщина а . Размеры швов зависят от толщины s свариваемого металла и условий эксплуатации конструкций.

Рис. 1. Основные конструктивные элементы сварных швов: а - без подготовки кромок малых толщин (b - ширина зазора); б - с V-образной разделкой

Рис. 2. Основные конструктивные элементы валиков: а – нормального; б – выпуклого; в – вогнутог о

При выполнении сварных соединений любыми методами сварки плавлением швы могут иметь неравномерную ширину и высоту, бугры, седловины, неравномерную высоту катетов в угловых швах рис. 3 .

Рис. 3. Дефекты формы швов: а – неравномерная ширина шва при ручной сварке; б – то же, при автоматической сварке; в – неравномерная выпуклость – бугры и седловины

Неравномерная ширина швов образуется при неправильном движении электрода, зависящем от зрительно-двигательной координации (ЗДК) сварщика, а также в результате возникших отклонений от заданного зазора кромок при сборке. При автоматической сварке причиной образования этого дефекта является нарушение скорости подачи проволоки, скорости сварки и т. д.

Неравномерность выпуклости по длине шва, местные бугры и седловины получаются при ручной сварке из-за недостаточной квалификации сварщика и в первую очередь объясняются особенностью ЗДК сварщика; неправильными приемами заварки прихваток; неудовлетворительным качеством электродов.

При автоматической сварке эти дефекты встречаются редко и являются следствием неполадок в механизме автомата, регулирующем скорость сварки.

Перечисленные дефекты формы шва снижают прочность соединения и косвенно сказывают на возможность образования внутренних дефектов.

Наружные дефекты. К ним относят

• наплывы,
• подрезы,
• незаделанные кратеры,
• прожоги.

Наплывы образуются в результате стекания расплавленного металла электрода на нерасплавленный основной металл или ранее выполненный валик без сплавления с ним (рис. 4). Наплывы могут быть местными, в виде отдельных зон, а также значительными по длине.

Наплывы возникают из-за:

• чрезмерной силы тока при длинной дуге и большой скорости сварки;
• неудобного пространственного положения (вертикальное, потолочное);
• увеличенного наклона плоскости, на которую накладывают сварной шов;
• неправильного ведения электрода или неверного смещения электродной проволоки при сварке кольцевых швов под флюсом;
• выполнения вертикальных швов вверх и недостаточного опыта сварщика.

Рис. 4. Наплывы в швах: а – горизонтальном; б – нахлесточного соединения; в – таврового соединения; г – стыкового соединения или при наплавке валиков

Подрезы представляют собой углубления (канавки) в основном металле, идущие по краям шва (рис. 5). Глубина подреза может колебаться от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Причинами образования этого дефекта являются:

• значительно силы ток и повышенное напряжение дуги;
• не удобное пространственное положение при сварке;
• небрежность сварщика.

Рис. 5. Подрезы: а – в стыковом шве; б – в горизонтальном шве, расположенном на вертикальной плоскости; в – в угловом шве таврового соединения

Подрезы в шве уменьшают рабочую толщину металла, вызывают местную концентрацию напряжений от рабочих нагрузок и могут быть причиной разрушения швов в процесс эксплуатации. Подрезы в стыковых и угловых швах, расположенные поперек действующи на них сил, приводят к резкому снижению вибрационной прочности; даже достаточно крупные подрезы, проходящие вдоль действующе силы, отражаются на прочности в значительно меньшей степени, чем подрезы, расположенные поперек.

Кратер – углубление, образующееся конце шва при внезапном прекращении сварки Особенно часто кратеры возникают при выполнении коротких швов. Размеры кратер зависят от величины сварочного тока. При ручной сварке его диаметр колеблется от 3 до 20 мм, при автоматической он имеет удлиненную форму в виде канавки. Незаделанные кратеры снижают прочность сварного соединения так как концентрируют напряжения. При вибрационной нагрузке снижение прочности соединения из малоуглеродистой стали достигает 25 %, а из низколегированных – 50 % при наличии в шве кратера.

– дефекты в виде сквозного отверстия в сварном шве, образующиеся при вытекании сварочной ванны; сварке металл небольшой толщины и корня шва в многослойных швах, а также при сварке снизу вверх вертикальных швов (рис. 6). Причинами прожогов являются: чрезмерно высокая погонная энергия дуги, неравномерная скорость сварки, остановка источника питания, увеличенный зазор между кромками свариваемых элементов. Во всех случаях отверстие, возникающее при прожогах, хотя и заделывается, однако шов в том месте получается неудовлетворительный по внешнему виду и качеству.

Рис. 6. Прожоги

Поджоги возникают в результате возбуждения дуги («чирканья электродом») на краю кромки. Этот дефект служит источником концентрации напряжений, его обязательно удаляют механическим способом.

Внутренние дефекты. К ним относят поры, шлаковые включения, непровары, несплавения и трещины.

Поры (рис. 7) в виде полости округлой формы, заполненной газом, образуются вследствие: загрязненности кромок свариваемого металла, использования влажного флюса или отсыревших электродов, недостаточной зашиты шва при сварке в углекислом газе, увеличенной скорости и завышенной длины дуги. При сварке в углекислом газе, а в некоторых случаях и под флюсом на больших токах, образуются сквозные поры – так называемые с вищи .

Рис. 7. Характер пористости в наплавленном металле шва: а – равномерная пористость; б – скопления пор; в – цепочки пор

Размеры внутренних пор колеблются от 0,1 до 2...3 мм в диаметре, а иногда и более. Поры, выходящие на поверхность шва, могут быть и больше. Свищи при сварке под флюсом и в углекислом газе на больших токах могу иметь диаметр до 6...8 мм. Длина так называемых «червеобразных» пор – до нескольких сантиметров.

Равномерная пористость (рис. , а) обычно возникает при постоянно действующих факторах: загрязненности основного металла по свариваемым поверхностям (ржавчина, масло и т.п.), непостоянной толщине покрытия электродов и т.д. Скопление пор (рис. 7, б) наблюдается при местных загрязнениях или отклонениях от установленного режима сварки, также при нарушении сплошности покрытия электрода, сварке в начале шва, обрыве дуги или случайных изменениях ее длины.

Цепочки пор (рис. 7, в) образуются в условиях, когда газообразные продукты проникают в металл по оси шва на всем его протяжении (при сварке по ржавчине, подсос воздуха через зазор между кромками, подварке корня шва некачественными электродами). Одиночные поры возникают за счет действия случайных факторов (колебания напряжения сети и т.д.). Наиболее вероятно возникновения пор при сварке алюминиевых и титановых сплавов, в меньшей степени – при сварке сталей.

Шлаковые вк л ючения в металле сварного шва – это небольшие объемы, заполненные неметаллическими веществами (шлаками, оксидами). Вероятность образования шлаковы включений в значительной мере определяется маркой сварочного электрода. При сварке электродами с тонким покрытием вероятность образования шлаковых включений очень велика. При сварке высококачественными электродами, дающими много шлака, расплавленный металл дольше находится в жидком состоянии и неметаллические включения успеваю всплыть на его поверхность, в результате чего шов засоряется шлаковыми включениями не значительно.

Шлаковые включения можно разделит на макро- и микроскопические. Макроскопические включения имеют сферическую и продолговатую формы в виде вытянутых «хвостов» Эти включения образуются в шве из-за плохой очистки свариваемых кромок от окалины и других загрязнений и чаще всего вследствие внутренних подрезов и плохой зачистки от шлак поверхности первых слоев многослойных швов перед заваркой последующих (рис. 8).

Микроскопические шлаковые включения появляются в результате образования в процессе плавления некоторых химических соединений, остающихся в шве при кристаллизации.

Рис. 8. Шлаковые включения по подрезу кромки в многослойном шве

Оксидные пленки могут возникать при всех видах сварки. Причины их образования такие же, как и шлаковых включений: загрязненность поверхностей свариваемых элементов; плохая зачистка от шлака поверхности слоев шва при многослойной сварке; низкое качество электродного покрытия или флюса; недостаточно хорошая квалификация сварщика и т.п.

Н епровары – это дефект в виде местного несплавления в сварном соединении вследствие неполного расплавления кромок или поверхностей ранее выполненных валиков. Непровары (рис. 9, а) в виде несплавления основного металла с наплавленным представляют собой тонкую прослойку оксидов, а в некоторых случаях – грубую шлаковую прослойку между основным и наплавленным металлом. Причинами образования таких непроваров являются:

• – плохая зачистка кромок свариваемых деталей от окалины, ржавчины, краски, шлака, масла и других загрязнений;
• – блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных полей, особенно при варке на постоянном токе;
• – электроды из легкоплавкого материала (при выполнении шва такими электродами жидкий металл натекает на неоплавленные свариваемые кромки);
• – чрезмерная скорость сварки, при которой свариваемые кромки не успевают расплавиться;
• – значительное смещение электрода в сторону одной из свариваемых кромок, при том расплавленный металл натекает на вторую нерасплавленную кромку, прикрывая непровар;
• – неудовлетворительное качество основного металла, сварочной проволоки, электродов, флюсов и т.д.;
• – плохая работа сварочного оборудования – колебания силы сварочного тока и напряжения дуги в процессе сварки;
• – низкая квалификация сварщика.

Рис. 9. Непровары: а – по кромке с основным металлом; б – в корне шва; в – между отдельными слоями; г – между валиками

Причинами образования непроваров в корне шва (рис. 9, б) кроме указанны выше могут быть: недостаточный угол скоса кромок; большая величина их притупления; маленький зазор между кромками свариваемых деталей; большое сечение электрода или присадочной проволоки, укладываемой в разделку шва, что значительно затрудняет расплавление основного металла. Непровары между отдельными слоями (рис. 9, в, г) возникают по следующим причинам: из-за не полностью удаленного шлака, образовавшегося при наложении предыдущего валика, что возможно из-за трудности его удаления или небрежности сварщика; недостаточной тепловой мощности (малый ток, излишне длинная или коротка дуга).

Трещины – частичное местное разрушение сварного соединения в виде разрыв (рис. 10). Образованию трещин способствуют следующие факторы:

• – сварка легированных сталей в жестко закрепленных конструкциях;
• – высокая скорость охлаждения при сварке углеродистых сталей, склонных к закалке на воздухе;
• – применение высокоуглеродистой электродной проволоки при автоматической сварки конструкционной легированной стали;
• – использование повышенных плотностей сварочного тока при наложении первого слоя многослойного шва толстостенных сосудов и изделий;
• – недостаточный зазор между кромками деталей при электрошлаковой сварке;
• – слишком глубокие и узкие швы при автоматической сварке под флюсом;
• – выполнение сварочных работ при низкой температуре;
• – чрезмерное нагромождение швов для усиления конструкции (применение накладок и т.п.), в результате чего возрастают сварочные напряжения, способствующие образованию трещин в сварном соединении;
• – наличие в сварных соединениях других дефектов, являющихся концентраторами напряжений, под действием которых в области дефектов начинают развиваться трещины.

Рис. 10. Трещины в сварных швах и соединениях: а – в наплавленном металле; б – в зонах оплавления и термического влияния

Существенным фактором, влияющим на образование горячих трещин (ГТ), является засоренность основного и присадочного металлов вредными примесями серы и фосфора. Х олодные трещины (ХТ) образуются при наличии составляющих мартенситного и бейнитного типов, концентрации диффузного водорода в зоне зарождения трещин и растягивающих напряжений 1 рода. Трещины относятся к наиболее опасным дефектам и по всем действующим нормативно-техническим документам (НТД) недопустимы.

Для электронно-лучевой (ЭЛС) и лазерной сварки (ЛС) наиболее характерны: не с плавления за счет смещения луча вследствие намагничивания (ЭЛС) или непостоянства зазора по длине (ЛС); газовые полости, возникающие из-за неполного закрытия газодинамического канала; дефекты формирования шва из-за выброса металла; пористость.

Металлические включения. В практик наиболее распространены вольфрамовы включения при сварке алюминиевых сплавов. Они обычно возникают при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом При этом могут наблюдаться мгновенная нестабильность дуги и появление одновременно вольфрамовыми включениями оксидных включений. Вольфрамовые включения могут располагаться внутри шва и на поверхности соединений в виде брызг. При попадании вольфрама жидкую ванну он обычно погружается на дно ванны. Вольфрам в алюминии нерастворим обладает большой плотностью. На рентгеновском снимке он дает характерные ясные изображения произвольной формы. Вольфрамовые включения, как правило образуются в местах обрыва дуги, при этом вольфрам скапливается в вершине кратеров, где часто образуются трещины.

Вольфрамовые включения подразделяю на две основные группы: изолированные и групповые. Размер диаметра изолированны включений 0,4...3.2 мм. Групповые включения описываются (по рентгенограмме) размером группы, количеством и размером отдельных (изолированных) включений в группе, при этом размер группы характеризуется размером минимальной окружности, в которую вписывается группа включений. Если изображение нескольких включений сливается, то их принимают за одно включение.