Теория сварочных напряжений и деформаций

Изменение механических характеристик металла при нагреве

Наряду с резкой неравномерностью прогрева при сварке необходимо учитывать и значительное изменение физических свойств нагреваемого металла. Эти изменения касаются как теплофизических характеристик (плотности, коэффициента линейного расширения), так и характеристик прочности. Вначале холодный свариваемый металл обладает значительной упругостью и твердостью, а в конце процесса он пластичен и способен деформироваться при возникновении самых незначительных усилий. Естественно, что такое непостоянство механических свойств нагреваемого металла осложняет рассмотрение процесса его деформирования и заставляет прибегать к тем или иным упрощениям при выводе соответствующих расчетных формул. Проследим изменение основных прочностных характеристик стали в зависимости от температуры. Показатели, характеризующие пластическую деформацию стали, значительно изменяются с увеличением температуры нагрева. Так, относительное сужение поперечного сечения образца с момента начала нагрева заметно уменьшается. При температуре 250-300° С деформационная способность металла ниже, чем при комнатной температуре (этот температурный интервал называют участком «синеломкости»). Поэтому в остывающих сварных швах в интервале температур 100-300° С при некоторых обстоятельствах могут образовываться холодные трещины. С дальнейшим повышением температуры деформационная способность начинает резко увеличиваться. При температурах 900° С и выше, используя большую пластичность металла, производят его обработку давлением: прокатку, ковку, штамповку и т. д. Примерно аналогично изменению ф изменяется с повышением температуры и величина относительного удлинения. Основные характеристики прочности стали - предел текучести и предел прочности также претерпевают при нагреве сильные изменения. У низкоуглеродистой судостроительной стали предел текучести равномерно падает с повышением температуры и при 700° С составляет около 10% своей первоначальной величины. При дальнейшем нагревании падение продолжается, но более плавно. Предел прочности большинства сталей в интервале температур до 300° С сохраняется довольно постоянным, а у судостроительной низкоуглеродистой стали даже имеет некоторую тенденцию к повышению. Это повышение характеризует интервал синеломкости. При нагревании стали выше 300° С предел прочности ее монотонно падает, снижаясь при 700° С до 10-15%.

Напряжения, возникающие при нагреве пятна

При равномерном нагреве и охлаждении стержня имеет место линейное напряженное состояние, т. е. напряжения возникают только в одном направлении - по оси стержня. При местном неравномерном нагреве листов и тем более массивных элементов большой толщины возникают два или три компонента напряжений, т. е. имеется плоское или объемное напряженное состояние. Характерным случаем, при котором возникает плоское напряженное состояние, является прогрев и охлаждение пятна в центре жесткой пластины. Представим себе достаточно толстую пластину, не теряющую устойчивости при развитии в ней внутренних напряжений. Сосредоточенным источником нагрева будем нагревать в центре пластины круглое пятно. Условно предположим, что теплопередача от нагретой зоны к холодной отсутствует, а вся площадь пятна нагрета равномерно до Т°. При нагревании в пятне будут возникать напряжения сжатия. С возникновением радиальных сжимающих напряжений пятно начнет увеличиваться по толщине. Когда радиальные напряжения достигнут предела текучести, дальнейшее утолщение будет иметь упругопластический характер. При охлаждении пятна напряжения сжатия будут уменьшаться. Если рассматривать зону пластины за границами нагревавшегося пятна, легко увидеть, что и в ней имеются растягивающие радиальные напряжения. По мере удаления от пятна эти напряжения угасают. Наряду с радиальными нормальными напряжениями как в пятне, так и вокруг него действуют еще нормальные напряжения, направленные тангенциально, т. е. действующие перпендикулярно радиусу. О наличии высоких растягивающих радиальных напряжений вокруг нагревавшегося пятна пластины после его охлаждения можно судить по следующим наблюдениям. К плоскости нагревавшейся и остывшей пластины приложим «на ребро» стальную линейку. Линейка плотно прижмется к зоне пятна, так как пластина имеет здесь утолщение, а вокруг пятна будет заметен небольшой зазор, убывающий к периферии. Возникновение этого зазора свидетельствует о том, что металл подвергается растяжению. Величина растягивающих напряжений убывает по мере удаления от нагревавшейся зоны. Сжимающие тангенциальные напряжения действуют по всему кольцу вокруг активного пятна и также убывают по мере удаления от его границ. В пределах нагревавшегося пятна тангенциальные напряжения будут растягивающими и равными пределу текучести. За пределами активного пятна тангенциальные напряжения изменят свой знак. Известно, что наибольшие напряжения, направленные по главной нормали, вдвое превышают наибольшие действующие там же касательные напряжения. Проявление тангенциальных сжимающих напряжений вокруг нагретого пятна может быть иллюстрировано на примере приварки фланца или патрубка к тонкому листу. При охлаждении кольцевого шва вокруг патрубка лист стягивается и под влиянием сжимающих тангенциальных напряжений теряет устойчивость; на нем появляются волны. Следовательно, внешнего формоизменения нагреваемой пластины происходить не будет, если она имеет достаточно большие размеры и такую толщину, при которой исключается потеря устойчивости. Однако, если нагревавшийся лист имел выпуклость или вогнутость, то они под влиянием радиальных растягивающих усилий при охлаждении будут уменьшаться. Этот прием часто используют для устранения выпучивания и неровностей на тонколистовых конструкциях, нагревая их местными пятнами при помощи газовой горелки. Для усиления стягивающего действия пятна при правке этим методом иногда одновременно с нагревом применяют охлаждение водой зон, окружающих пятно. Вследствие концентрации тепла и более резкого температурного перепада стягивающее действие усиливается за счет более значительного утолщения листа, т. е. «подсадки» (пластической деформации сжатия) в зоне пятна. Следует, однако, иметь в виду, что при плоском напряженном состоянии, которое имеет место в зоне пятна, пластические деформации металла затруднены. Металл становится более хрупким, предел текучести повышается; в результате иногда в нагретом пятне могут появиться трещины. Они особенно вероятны, если правке подвергается материал с повышенным содержанием углерода или если при правке имеет место перегрев, сопровождающийся ростом зерна и соответствующим дополнительным снижением пластических свойств металла. От рассмотрения единичного пятна легко перейти к случаю наплавки валика. Процесс наложения валика на пластину представляет собой последовательное прогревание серии пятен, расположенных одно за другим. В каждом пятне при его охлаждении, (если нагрев был достаточно высоким) постепенно возникают значительные растягивающие поперечные остаточные напряжения. Несколько иначе образуются продольные напряжения, т. е. действующие по линии перемещения пятен, на которой находится следующее очередное нагреваемое пятно. Материал очередного пятна расширяется и таким образом сокращение одного из них компенсируется расширением другого. В результате продольные напряжения возникают позднее, чем поперечные. Только когда на линии прогрева будет уже несколько рядом расположенных остывающих пятен, в них начнут проявляться продольные напряжения, стягивающие полосу и постепенно возрастающие до величины, близкой к пределу текучести. В результате действия продольных и поперечных стягивающих усилий полоса после окончания нагрева получит некоторое формоизменение: она станет несколько короче и уже; кромки ее, строго говоря, не будут вполне прямолинейными. Величины продольного и поперечного сокращений зависят от ряда факторов - размеров полосы, степени и скорости прогрева и т. д. При наложении сварного шва на элемент или конструкцию всегда имеет место такое же стягивание, которое и вызывает изменение формы и возникновение сварочных напряжений после охлаждения.

Дефекты при сварке

Надежность какого-либо изделия, например, судна, в условиях эксплуатации определяется прочностью и водонепроницаемостью его корпуса, которые в свою очередь в значительной степени зависят от доброкачественности сварных соединений. Большое значение имеет наличие простых и удобных способов определения качества сварных соединений, а также возможность быстрым и надежным выборочным контролем выявить их дефекты. Такой выборочный контроль воспитывает у сварщиков чувство ответственности и соблюдение определенной технической культуры в работе; объем выборочного контроля бывает небольшим. Выработать единый универсальный способ контроля невозможно, поэтому приходится создавать систему контроля, совмещая несколько различных способов. В практике применяются различные комбинации из следующих видов контроля. На образцах: химический анализ состава металла шва; металлографическое исследование структуры соединения; механические испытания металла шва. На готовом изделии: обмер и осмотр швов и соединений; определение внутренних дефектов просвечиванием рентгеновскими лучами и гамма-лучами радиоактивных изотопов, ультразвуком, магнитным способом и засверливанием. Непроницаемость сварных соединений определяется специальными испытаниями. Все дефекты сварных швов и соединений принято делить на две группы: внешние и внутренние.

Внешние дефекты при сварке

Внешние дефекты сварных швов и соединений связаны с нарушением заданных размеров и формы швов и соединений и бывают следующих видов. Искажение размеров и формы швов; швы имеют завышенные или заниженные размеры. Завышение размеров швов приводит к увеличению расхода сварочных материалов и повышению сварочных деформаций; при заниженных размерах швов прочность их может быть недостаточной. Искажения размеров шва вызываются разными причинами (так, например, неправильные колебательные движения электрода при ручной сварке или чрезмерная скорость автоматической сварки приводят к неодинаковой ширине шва по его длине). При недостаточной силе тока и малой скорости сварки швы получаются утолщенными; при чрезмерно большой силе тока (при автоматической сварке) шов приобретает резко выпуклую форму. Большая сила тока и длинная дуга при большом угле раскрытия шва обусловливают получение швов с уменьшенным сечением. Частым дефектом формы швов является их неравномерная чешуйчатость и наличие кратеров. Неравномерная чешуйчатость - дефект преимущественно ручной сварки, вызываемый неравномерностью перемещения электрода вдоль шва. Незаваренные кратеры имеют форму углублений в шве и образуются, когда дугу резко обрывают, не отводя ее на предыдущий участок шва. Нарушения формы швов нежелательны, так как они создают в сварном соединении ослабленные сечения и места концентрации напряжений. Внешние дефекты часто возникают не только на самом шве, но и в сварном соединении как целом элементе. К таким дефектам относятся наплывы (натеки), подрезы, прожоги, наружные трещины и поры. Наплывы образуются в результате стекания жидкого металла шва на холодный основной металл, с которым он не сплавляется. Это обычно происходит при чрезмерной силе тока и смещении конца электрода (особенно часто при вертикальном положении шва). Наплывы приводят к неверной оценке размеров швов и создают в сварном соединении места концентрации напряжений. Подрезы образуются в виде выемок в основном металле, в месте его перехода в металл шва; они ослабляют рабочее сечение соединения и создают места концентрации напряжений. Подрезы вызываются повышенной силой тока, при которой часть металла (шва и основного) выдувается дугой (стыковые швы) или стекает под действием силы тяжести (угловые швы). Прожоги образуются обычно на тонком металле в виде сквозных отверстий в шве. Причины их возникновения - чрезмерная сила тока и малая скорость сварки, или длинная дуга. Наружные трещины и поры образуются при нарушениях технологии сварки или попадании влаги, ржавчины и грязи в зону сварки. Внешние дефекты выявляются наиболее простыми средствами - внешним осмотром и обмером швов.

Внутренние дефекты при сварке

К внутренним дефектам обычно относят непровары, неметаллические включения, пористость металла шва, трещины в шве и основном металле. Непровары - это местные нарушения сплошности металла шва, образующиеся в результате отсутствия сплавления с основным металлом или отдельных слоев шва между собой. Особую опасность представляет скрытый характер этих дефектов. Непровары уменьшают рабочее сечение соединения и создают места концентрации напряжений. Причинами возникновения непроваров могут быть малая сила тока, чрезмерный диаметр электрода при сварке первого прохода, недостаточный зазор или малый угол разделки, наличие загрязнений в шве, неправильные наклон и движение электродов. Неметаллические включения в виде шлаковых включений нарушают сплошность и однородность металла шва, вызывая этим снижение его прочности и пластичности. Они возникают вследствие загрязнения свариваемых кромок окалиной, из-за недостаточной очистки слоев шва от шлака, применения неподходящих марок электрода или флюсов, а также нарушений технологии и режима сварки. Газовые поры могут быть либо внутренними, либо наружными (в виде ноздреватости). Поры нарушают сплошность и однородность металла шва, что ухудшает его механические качества, а также создают места концентрации напряжений. Кроме того, наличие пор в шве может нарушить непроницаемость соединения. Пористость металла шва появляется вследствие загрязнения кромок ржавчиной, маслом или красками; из-за влажности кромок, покрытия электродов или флюса; при неправильно выбранном составе покрытия и флюса, когда из-за недостаточной раскисленности металла шва происходит значительное газовыделение (обычно окиси углерода и водорода), в результате которого при высоких скоростях сварки металл шва быстро затвердевает и не все газы успевают выйти из сварочной ванны. Трещины могут возникнуть в шве и в основном металле; они могут быть сквозными (наружными) и внутренними. Трещины - особенно опасный и часто скрытый дефект. Трещины значительно ослабляют прочность соединения и могут вызвать серьезные аварии, а также служат причиной нарушения непроницаемости соединения.

Возникновение трещин в сварных соединениях

В ряде случаев (в процессе сварки, либо уже при эксплуатации конструкций) в сварных соединениях возникают микро- или макроскопические трещины. Наличие таких трещин чрезвычайно опасно, особенно при закрытом их расположении, так как в процессе эксплуатации сооружения это может неожиданно вызвать его разрушение. Трещины принято делить на две группы - горячие и холодные. К горячим относятся трещины, возникающие при температурах, близких к температуре кристаллизации металла, если межкристаллические прослойки обладают низкой деформационной способностью. Холодные трещины возникают при температурах ниже 300-350° С. Такое деление условно, однако оно позволяет легко разграничить трещины по причинам их возникновения. Характерной особенностью горячих трещин, резко отличающей их от холодных, является то, что они обычно зарождаются и проходят только по межкристаллическим прослойкам, тогда как холодные трещины могут идти как по межкристаллическим прослойкам, так и по зернам металла. Это различие объясняется природой образования трещин. Горячие трещины возникают в металле шва в процессе кристаллизации (поэтому иногда их называют кристаллизационными). В настоящее время можно считать, что горячие трещины возникают в интервале температур около 1350-1400° С - солидус, когда металл шва находится в двухфазном состоянии и обладает весьма ограниченной пластичностью и прочностью. Низкой его прочности способствует также возможное наличие жидких или полужидких прослоек между зернами уже закристаллизовавшейся части металла. В этот период в шве могут возникнуть заметные деформации растяжения, обусловленные с одной стороны литейной усадкой металла шва, а с другой - упруго-пластическими деформациями всего сварного соединения. Опытные данные показывают, что для различных сталей интервал хрупкости при высоких температурах, т. е. интервал температур, в котором может произойти разрушение металла шва под воздействием деформаций растяжения, бывает различным. При этом, чем меньше нижняя температурная граница интервала хрупкости, тем более вероятно возникновение трещин, так как с уменьшением температуры величина и скорость нарастания деформаций растяжения увеличиваются. Возникновение горячих трещин в шве зависит от химического состава металла шва, определяющего свойства металла в температурном интервале хрупкости и размеры этого температурного интервала; кроме того, возникновение этих трещин зависит от величины и скорости нарастания деформаций растяжения. Образование горячих трещин более вероятно, если в металле шва больше элементов, способствующих образованию легкоплавких эвтектик и химических соединений, располагающихся при кристаллизации по границам зерен, затвердевающих в последнюю очередь и могущих заметно понизить нижнюю границу интервала хрупкости. Различными исследованиями установлено, что образование горячих трещин может быть связано с повышенным содержанием таких элементов как сера, углерод, кремний никель. При повышении содержания серы в металле шва по границам зерен выделяется прослойка, состоящая из сульфидов железа, имеющих температуру плавления 1193° С, что способствует образованию горячих трещин при сварке. Однако такое положение будет справедливо только при небольшом объеме легкоплавких эвтектик. С увеличением объема эвтектик склонность металла к горячим трещинам в стальном слитке уменьшается. Применительно к условиям сварки эти положения были экспериментально проверены Н. Н. Прохоровым и В. И. Медоваром. Такое двойственное поведение эвтектик объясняется тем, что при малом их объеме (5-10%) эти эвтектики разрушаются и по ним образуются горячие трещины. При увеличении объема эвтектик (до 15-20%) они заполняют все пространство между кристаллами, что повышает стойкость металла шва против образования горячих трещин, так как повышается его пластичность в температурном интервале хрупкости. Повышенное содержание эвтектик (более 15%) препятствует возникновению горячих трещин при сварке аустенитных и других высоколегированных сталей благодаря их столбчатой почти однофазной структуре, но не предотвращает образования трещин при сварке сталей углеродистых и низколегированных, имеющих двухфазную структуру. По этой причине в обычных судостроительных сталях необходимо ограничивать количество вредных примесей, способствующих образованию легкоплавких эвтектик. Процессу образования холодных трещин способствуют повышенное содержание углерода и легирующих элементов, концентрация в металле шва водорода, различные дефекты в металле шва, значительный перегрев металла и образование объемного напряженного состояния. При повышенном содержании углерода или легирующих элементов, а также при одновременном увеличении содержания этих элементов металл шва и околошовной зоны становится чувствительным к нагреву и особенно к скорости последующего охлаждения. Высокие скорости охлаждения, свойственные процессу сварки, вызывают в этих зонах образование закалочных структур вплоть до мартенсита. Этот процесс сопровождается возникновением структурных напряжений, что повышает общее напряженное состояние в сварном соединении. Вследствие малой пластичности металла происходит образование трещин в шве или околошовной зоне (в зависимости от соотношения прочности металла шва и основного металла). Опасность образования холодных трещин в указанных условиях усиливается неизбежным насыщением металла шва водородом, откуда он диффундирует в ЗТВ, что еще больше усиливает напряженное состояние и хрупкость металла в ЗТВ. Выраженная склонность некоторых материалов к образованию при сварке трещин того или иного вида привела к тому, что в ряде случаев стали говорить о сталях «свариваемых» и «несвариваемых» и о «свариваемости» - как о некотором изолированном свойстве металла. В действительности, когда говорят о свариваемости, имеют в виду не отдельное свойство, а совокупность ряда свойств металла и условий сварки. Практически можно считать, что несваривающихся сталей нет и любая сталь может быть сварена со всякой другой сталью. Разница состоит только в том, что одни стали свариваются многими способами, не требующими сложных технических приемов, а сварка других сталей возможна только при усложненной технологии - специальных способах сварки, предварительном подогреве, последующей термообработке применении специальных сварочных материалов и т. д. На разных этапах производства и обработки металла под свариваемостью могут пониматься самые различные качества: возможность достижения физической связи между свариваемым металлом, получение необходимых механических качеств сварного соединения, технологическая возможность осуществления процесса сварки, обеспечивающего заданные свойства, отсутствие трещин и т. п. Различие в содержании термина «свариваемость» не является противоречием, если учитывать, что это понятие включает не только ряд различных свойств металла, но и условий сварки. Существует мнение, что термин «свариваемость» вообще не должен применяться. Однако формальное удобство возможности определять целый комплекс свойств металла и условий сварки одним термином привело к тому, что это понятие все еще применяется. Понятие свариваемости обычно охватывает два основных вопроса: 1) физическую возможность достижения связи между атомами свариваемых металлов; 2) возможность получения сварного соединения, обладающего определенными качествами и удовлетворяющего ряду требований. Физическая возможность достижения атомной связи свариваемых металлов определяется их способностью вступать в определенные физико-химические отношения в месте соприкосновения (образование химических соединений, твердых растворов, эвтектик - диффузия, совместная кристаллизация). Физическая возможность сварки каких-либо материалов является необходимым, но недостаточным условием, так как процесс сварки характеризуется целым рядом особенностей, способных вызвать такие изменения качеств сварного соединения, которые сделают его непригодным для эксплуатации. Как уже отмечалось, при сварке углеродистых и низколегированных сталей обычно не стремятся получить химический состав шва, точно соответствующий химическому составу основного металла. Считается достаточным, чтобы металл шва обладал сколько большей или той же прочностью, что и основной, только в особых случаях сварки высоколегированных сталей добиваются соответствия химического состава, применяя для этого высоколегированную проволоку и защитное покрытие или флюс. Правильная технология сварки всегда может обеспечить получение металла требуемого химического состава. Поэтому определение свариваемости тех или иных марок стали по существу сводится к исследованию структурных изменений и изменений механических качеств, которые эти стали могут претерпеть при сварке, и склонности сварных соединений к образованию горячих и холодных трещин, т. е. к проверке либо отдельных свойств, либо целого комплекса свойств стали в зависимости от условий сварки. Склонность металла шва к образованию горячих трещин выявляется специальными методами (методика Н. Н. Прохорова, методика ЛПИ, методика Института металлургии АН СССР и др. ) путем деформирования металла шва в процессе его наплавки либо изменением размеров образца (т. е. изменением жесткости образца); в обоих случаях это всегда ведет к изменению действующих в металле шва напряжений и деформаций в момент его кристаллизации. Мерой стойкости металла шва против образования горячих трещин условно считается либо та наибольшая скорость деформации при заданном температурном цикле [T = f(t)], при которой еще не образуются горячие трещины, либо наибольшие размеры образца (наибольшая жесткость изделия), при которых еще не образуются горячие трещины, и т. п. Существует также значительное количество условных способов определения склонности сварного соединения к образованию холодных трещин. В основе этих способов лежит имитация процесса сварки в условиях различной скорости охлаждения металла в зоне термического влияния и изменение размеров (жесткости) образцов. Так, например, валиковая проба МВТУ позволяет исследовать изменение структуры и механических свойств металла при его сварке. Следует, наконец, сказать о комплексной пробе, в которой металл шва наплавляется на пластину размером 2000 X 1000 X 20-25 мм; жесткость пластины повышена установкой поперечных и продольных ребер жесткости. Условия охлаждения варьируются изменением режима сварки и предварительным охлаждением всей пластины до температуры минус 40-60° С. Считается, что если в металле шва, наплавленном в таких жестких условиях, не возникают ни горячие, ни холодные трещины, они не возникнут в шве и при сварке реальных конструкций. Все пробы, по существу, весьма условны и количество различных вариантов проб может быть очень большим; однако применение даже таких условных способов проверки позволяет получить сравнительные характеристики склонности металла шва к образованию трещин для различных типов электродов, проволоки, флюса, а также для различных режимов и условий сварки.

Организация общего контроля за сварочными работами на судостроительных заводах

Правильная организация общего контроля за сварочными работами на судостроительных заводах является важнейшим мероприятием, обеспечивающим высокое качество этих работ. Организация контроля сварки должна базироваться на соответствующих правилах и технических условиях, принятых отдельными ведомствами. В судостроении действуют правила Регистра. Система контроля должна предусматривать не только выявление дефектов сварки, но и мероприятия, которыми можно предотвратить их возникновение и обеспечить высокое качество сварных соединений в готовых изделиях. В связи с этим на судостроительных заводах обязательными являются: 1) контроль технической документации - чертежей, технических условий, сертификатов на сталь и сварочные материалы и технологических карт; 2) контроль основного металла с точки зрения его пригодности для сварки; 3) контроль сварочных материалов - электродов, электродной проволоки и флюсов. Эти материалы прибывают с документами завода-изготовителя, однако при длительном хранении требуется их повторная проверка. Сварочные материалы необходимо предохранять от влаги; 4) контроль квалификации сварщиков, производимый в соответствии со специальными правилами (например, правилами Регистра СССР). К производству ответственных сварочных работ допускаются только дипломированные сварщики. Такой контроль, включающий теоретические и практические испытания, производится специальными комиссиями. Теоретическими испытаниями проверяется наличие знаний у сварщиков по определенному техминимуму в области сварки, а практическими - умение выполнять доброкачественные сварные швы. Практические испытания заключаются в изготовлении опытных образцов. Образцы сварных соединений подвергаются механическим испытаниям в соответствии с ГОСТ 6996-54. Сварка контрольных образцов производится в различных пространственных положениях в зависимости от степени квалификации сварщика; 5) контроль сварочного оборудования, приборов, технологической оснастки и инструментов; 6) контроль качества сборки под сварку включает в себя: проверку точности заготовок; проверку точности сборки с контролем правильности подготовки кромок, зазоров, смещения кромок и т. п. ; проверку чистоты и сухости кромок. По результатам этого контроля дается разрешение на сварку; 7) контроль выполнения технологии сварки включает проверку: параметров режима, правильности применения сварочных материалов и соблюдения последовательности сварки; 8) контроль готовых сварных швов и соединений, который производится после очистки швов и прилегающих участков основного металла от шлака, брызг металла и загрязнений. Объем, методы и нормы контроля устанавливаются различными правилами и техническими условиями. Например, для судов морского флота все сварные соединения разделяют на четыре категории в зависимости от роли этих соединений в обеспечении общей и местной прочности, водонепроницаемости и от условий выполнения швов (удобное и неудобное положение). Так, к первой категории относятся все монтажные стыковые соединения, расположенные в средней части корпуса; ко второй категории - секционные стыковые соединения средней части корпуса, тавровые соединения верхней палубы с ширстреком, тавровые соединения непроницаемых элементов междудонного набора с наружной обшивкой и настилом второго дна, тавровые соединения по контуру главных продольных и поперечных переборок, стыковые и тавровые соединения главных фундаментов; к третьей категории - сварные соединения корпусных конструкций, в которых величины расчетных напряжений значительно меньше допускаемых напряжений; к четвертой категории - швы сварных соединений корпусных конструкций, не предназначенные для обеспечения общей или местной прочности корпуса. Контроль качества сварки производится в объеме, установленном в соответствии с указанной разбивкой. Контроль внешним осмотром и обмером охватывает все 100% протяженности швов всех четырех категорий. Контроль непроницаемости производится для соединений, указанных в ГОСТ 3285-55. Контроль просвечиванием рентгеновскими лучами или гамма-лучами радиоактивных изотопов производится выборочно в объеме, составляющем от всей протяженности швов данной категории: для соединений первой категории - 20%; для соединений второй категории - 5%; для соединений третьей категории - 2%. Контроль просвечиванием соединений четвертой категории не производится. Строгое соблюдение правил контроля на всех этапах производства обеспечивает высокое качество сварки, которое является характерным для судостроительных заводов.

Способы выявления дефектов сварных швов и соединений

Дефекты сварных швов и соединений выявляются следующими способами: 1) внешним осмотром и обмером швов; 2) испытанием непроницаемости; 3) специальными приборами; 4) лабораторными испытаниями образцов или испытанием опытных конструкций на прочность. Внешний осмотр готового сварного соединения производится только после очистки шва и прилегающего к нему основного металла от шлака, брызг металла и других загрязнений. Проверяются правильность формы и размеры швов, отсутствие кратеров, натеков, подрезов, прожогов, свищей и трещин. Размеры швов проверяют различными универсальными шаблонами, которые обычно служат также для контроля правильности подготовки кромок. Испытание непроницаемости соединений позволяет выявить такие дефекты, как сквозные непровары, трещины, поры и свищи. Непроницаемость сварных соединений судовых корпусных конструкций в настоящее время испытывается: 1) давлением воды при заполнении отсека или поливом швов струей воды; 2) заполнением отсека воздухом под давлением или обдуванием швов струей сжатого воздуха; 3) смазыванием швов керосином. Порядок и нормы этих испытаний для транспортных судов регламентируются ГОСТ. При испытании наливом воды (гидравлическое испытание) заполняют ею отдельные отсеки корпуса, создавая дополнительный напор благодаря подъему мерительных трубок. Время выдержки и величины давления устанавливаются для каждого судна (серии) техническими условиями составленными с учетом ГОСТ 3285-55. Этому виду испытания могут быть подвергнуты сварные соединения, находящиеся при эксплуатации в постоянном соприкосновении с жидкостью или периодически подвергающиеся внешнему давлению воды. В случае обнаружения дефектов воду из отсека выпускают и дефектные участки швов вырубают и заваривают снова. В ряде случаев после такой заварки может потребоваться вторичное испытание отсека. Этот способ испытания является громоздким и длительным, не позволяя до момента окончания испытаний производить монтаж оборудования в отсеках; поэтому во многих случаях наблюдается стремление заменить его другими, более удобными испытаниями: например, воздухом, аммиачной пробой, гелиевым течеискателем (для машиностроительных конструкций). Испытание поливом струей воды применяется для сварных соединений, которые соприкасаются с жидкостью непостоянно (случайно). Эти конструкции не подвергаются постоянному внешнему давлению воды (соединения на некоторых легких переборках, палубах, надстройках и т. п. ). Испытание производится струей воды при диаметре выходного отверстия не более 15 мм и давлении на выходе не менее 1 ати. Шов поливают с расстояния не более 3 м при угле наклона струи не менее 70°; для вертикальных швов поливание производится снизу вверх. Испытание заполнением воздухом применяется для контроля качества сварных соединений, наиболее часто - в газонепроницаемых отсеках судна. Испытываемый отсек наполняют воздухом, повышая его давление до требуемого (равного половине установленного ГОСТ водяного давления); с обратной стороны швы смачивают мыльным раствором. Дефектные места в шве обнаруживаются по мыльным пузырям. Для отсеков, осмотр которых со стороны смежных отсеков затруднен (из-за часто расставленного высокого набора, стесненности и т. п. ), данный вид испытаний не разрешается ГОСТ. Изменение испытательного давления по манометру не должно превышать 5% от заданного в течение 0,5-1 часа, либо времени, необходимого для осмотра всех контролируемых швов. Испытание воздушной струей - менее громоздкий способ, чем предыдущий. Испытываемый шов покрывают мыльным раствором, а с обратной стороны обдувают струей сжатого воздуха. Дефектные места также обнаруживаются по мыльным пузырям. Этот вид испытания производится при условии, что давление воздуха на выходе составляет не менее 4 ати; струя направляется перпендикулярно шву с расстояния не более 100 мм. Испытание воздушной струей разрешается только на коротких, прямых участках шва. Испытание керосином - простой и широко применяемый способ, особенно для контроля сварных швов в секциях. До начала испытания обе стороны шва тщательно очищают и осушают. Швы с одной стороны покрывают водным раствором мела, после чего дают ему высохнуть. Затем обратную сторону шва тщательно промазывают керосином, который благодаря малой вязкости и небольшому поверхностному натяжению свободно проходит через мельчайшие поры и трещины и выступает на меловой поверхности в виде жирных пятен, по которым и выявляются дефектные места. Осмотр швов начинают не сразу после смазывания их керосином, а после некоторой выдержки в течение определенного времени (по ГОСТ 3285-55 это время зависит от толщины шва и его положения в пространстве и изменяется от 40 мин. до 2 час. ). Контроль специальными приборами. Контроль качества сварных соединений с применением специальных приборов позволяет обнаруживать внутренние дефекты сварных швов, т. е. непровары, шлаковые и газовые включения, а также трещины. Контроль может производиться одним из следующих способов. 1) просвечиванием рентгеновскими лучами или гамма-лучами радиоактивных изотопов; 2) «прозвучиванием» - т. е. нахождением внутренних дефектов шва при помощи ультразвуковых колебаний; 3) намагничиванием - т. е. нахождением внутренних дефектов шва с использованием магнитного поля; 4) засверливанием (с частичным разрушением шва в месте контроля). Первые три способа позволяют выявить внутренние дефекты без разрушения шва или конструкции. Просвечивание рентгеновскими лучами или гамма-лучами радиоактивных изотопов позволяет обнаружить внутренние дефекты без вскрытия шва. Рентгеновские лучи по своей природе относятся к электромагнитным колебаниям и подобны радиоволнам, лучам видимого света или гамма-лучам радиоактивных изотопов; разница заключается только в длине волны. Рентгеновские лучи обладают рядом важных свойств, они могут: 1) проникать сквозь непрозрачные тела, в том числе и металл; 2) вызывать свечение некоторых химических соединений; 3) действовать на фотопленку; 4) ионизировать газы; действовать на живые организмы. Первое и третье из перечисленных свойств и позволяют использовать рентгеновские лучи для контроля сварных соединений. Источником получения рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, устроенная следующим образом. В стеклянную трубку (специальной формы), из которой удален воздух, вделан катод в виде спирали из вольфрамовой проволоки и анод в виде вольфрамовой пластинки, укрепленной под углом 45° к катоду. Чтобы получить рентгеновские лучи, спираль катода накаливают и к трубке подключают высокое напряжение в 25-50 кв (или даже до 400 кв при жестком излучении). Раскаленный катод благодаря термоэлектронной эмиссии, излучает электроны, которые под действием высокого напряжения устремляются к аноду. Рентгеновское излучение возникает в момент столкновения движущегося с большой скоростью электрона с атомами металлического анода; образуются лучи с различной длиной волны, которые и используются для просвечивания металлов. Рентгеновские лучи, проходя через испытываемый металл, частично поглощаются и рассеиваются: их интенсивность несколько уменьшается в зависимости от толщины металла, его плотности, порядкового номера в таблице Менделеева и длины волны применяемых лучей. Если под швом, вплотную к нему, поместить фотопленку в специальной кассете и пропустить через шов рентгеновские лучи, на пленке получится рентгеновский снимок шва. Так как шов толще основного металла, то интенсивность лучей, прошедших через шов, меньше, чем интенсивность лучей, прошедших только через основной металл; поэтому шов получается на снимке в виде светлой полосы на фоне более темного поля основного металла. Трещины, поры, шлаковые включения и непровары в меньшей степени задерживают рентгеновские лучи, чем плотный металл шва, и на снимке выделяются на светлом фоне шва в виде темных точек, полос и линий. Качество швов по рентгеновским снимкам определяют, сравнивая снимки с эталонами. В качестве эталонов служат типовые рентгеновские снимки швов с различными количеством к размерами дефектов. На судостроительных заводах рентгеновский контроль осуществляется переносными аппаратами с напряжением в пределах 75-200 кв для просвечивания металла толщиной до 50-60 мм. Громоздкость этой аппаратуры затрудняет использование метода контроля рентгенографированием; поэтому его часто заменяют контролем гамма-лучами радиоактивных изотопов: кобальта-60 (Со60) - для сталей толщиной 20-200 мм; цезия (Cs137) и европия-154 (Еu154)- для, сталей толщиной 10-100 мм; иридия-192 (Ir192) - для сталей толщиной 5-60 мм и тулия-170 (Тu170) - для сталей толщиной до 15 мм. Применение различных радиоактивных изотопов обусловлено различной «жесткостью» их излучения; так например, более «жесткие» лучи Со60 обладают меньшей чувствительностью к наличию дефектов, чем сравнительно мягкие лучи Тu170, применяемого поэтому для просвечивания наиболее тонкого металла. Контроль просвечиванием гамма-лучами (гамма-графированием) применяется в тех случаях, когда из-за неудобства размещения нельзя применить просвечивание рентгеновскими лучами (труднодоступность швов, сложность подачи рентгеновской аппаратуры и т. п. ). Как уже отмечалось, гамма-лучи по своей природе родственны рентгеновским, но имеют более короткую длину волны. Благодаря этому они обладают большей жесткостью, т. е. большей проникающей способностью, чем рентгеновские. Гамма-лучами можно просвечивать сталь толщиной до 200 мм, однако при малой толщине эти лучи менее чувствительны к дефектам, чем рентгеновские. Так, например, по данным С. Т. Назарова и Ю. П. Панова, при использовании изотопа кобальта-60 на шве толщиной 10 мм можно выявить дефекты размером 0,3-0,5 мм, а при просвечивании рентгеновскими лучами 0,1-0,2 мм. При увеличении толщины до 30 мм и выше чувствительность гамма-лучей в обнаружении дефектов примерно такая же, как и при просвечивании рентгеновскими лучами. Схема просвечивания гамма-лучами принципиально не отличается от схемы просвечивания рентгеновскими лучами. Радиоактивные изотопы помещают в защитные контейнеры, заполненные свинцом толщиной не менее 50-60 мм,- которые обеспечивают защиту персонала от гамма-излучения и удобны для переноски. Оценка качества швов, так же как и при рентгенографировании, производится путем сравнения гамма-снимков с эталонными снимками. В обоих случаях оценка качества швов по снимкам производится по трехбалльной системе. Балл 3 - в сварном шве отсутствуют внутренние дефекты или имеются дефекты в виде отдельных газовых включений размером до 0,1 толщины шва, но не более 2 мм; отдельных шлаковых включений протяженностью до 0,3 толщины шва, но не более 3 мм и площадью каждое не более 5 мм2. Балл 2 - в сварном шве отсутствуют трещины, непровары и свищи, но имеются отдельные газовые включения размером до 0,1 толщины шва, но не более 2 мм; отдельные шлаковые включения, каждое протяженностью до 0,3 толщины шва, но не более 5 мм и площадью до 15 мм2. Количество отдельных газовых и шлаковых включений на 100 мм длины шва не более двух при предельных размерах дефектов и не больше грех, если дефекты меньше предельно допустимых. Суммарная протяженность всех дефектов не должна превышать 10% длины участка шва, проконтролированного снимком. Балл 1 - имеется хотя бы один из следующих дефектов: трещины, непровары, свищи любых размеров либо газовые и шлаковые включения в виде сплошных цепочек, количество и суммарная протяженность которых выше норм для балла 2. Участки швов при оценке баллом 3 и 2 считаются годными. Участки же, оцененные баллом 1, необходимо вырубить, заварить снова и повторно просветить. Основные достоинства способа контроля просвечиванием - высокая чувствительность и надежность, но он имеет и значительные недостатки: громоздкость (рентгенографирования); трудность определения глубины залегания дефектов; значительная трудоемкость и стоимость; вредность для окружающих, требующая весьма строгого соблюдения правил техники безопасности, что в условиях судостроительного производства вызывает известные трудности. Контроль ультразвуком (прозвучивание швов) позволяет, не разрушая металла шва, выявлять такие внутренние дефекты, как трещины, газовые и шлаковые включения, непровары и т. п. Для контроля используются ультразвуковые колебания с частотой 1,8-3,0 мггц, создаваемые специальным щупом - кварцевой пластинкой или чаще всего пластинкой титаната бария под действием импульсов тока (пьезоэлектрический эффект). Импульсы тока создаются подводом к кварцевой пластинке переменного напряжения от лампового генератора высокой частоты. Образующийся ультразвуковой импульсный луч свободно проходит через плотный металл, но отражается от дефекта. Отраженный луч возвращается по той же траектории обратно, улавливается кварцевой пластинкой и преобразуется в импульс тока. Этот импульс тока поступает в усилитель и через него на визуальный индикатор (электронно-лучевая трубка), давая на нем сигнализирующий о дефекте «выплеск» на прямой нормальных импульсов. Последние типы ультразвуковых дефектоскопов имеют электронный глубиномер, показывающий глубину залегания дефекта. На судостроительных заводах нашли некоторое применение ультразвуковые дефектоскопы УЗД-7. До ультразвукового контроля сварное соединение подвергают внешнему осмотру и тщательно очищают от грата, краски и грязи. Поверхность, по которой будет перемещаться щуп, смазывают жидким минеральным маслом, что улучшает акустический контакт между щупом и металлом. Можно отметить следующие достоинства этого способа контроля качества сварных швов: 1) дефекты сварных швов выявляются при любом пространственном положении шва; 2) трудоемкость выявления дефектов значительно (в 2-3 раза) меньше, чем трудоемкость контроля просвечиванием; 3) ультразвуковые дефектоскопы имеют малые габариты и вес; 4) работа с дефектоскопом безопасна для обслуживающего персонала. Наряду с этим способ имеет и ряд недостатков: поверхность металла вблизи шва необходимо тщательно очищать и смазывать минеральным маслом; не всегда возможно определить место залегания дефекта. Скорость контроля сравнительно невелика (0,2-0,3 м/мин). Магнитный контроль основан на намагничивании испытываемого металла. Дефекты, нарушающие однородность металла, изменяют магнитную проницаемость среды и вызывают местное магнитное рассеивание, которое улавливается тем или иным способом. Магнитное рассеивание над дефектами может улавливаться сухим магнитным порошком или магнитной суспензией, т. е. порошком, находящимся в масляной эмульсии. Однако магнитное рассеивание может вызываться и изменением структуры, что затрудняет расшифровку результатов испытания при подобном методе магнитной дефектоскопии сварных швов. Такой метод позволяет обнаруживать только горизонтальные дефекты, расположенные на глубине до 15 мм под поверхностью. Кроме того, в условиях судостроительного производства изделия имеют крупные габариты, швы расположены в различном пространственном положении и выявление дефектов с обязательным нанесением по всему шву слоя порошка или суспензии не осуществимо. Однако можно обнаружить месторасположение дефекта и другим способом. Разработан специальный магнитный дефектоскоп МД-138, основанный на принципе перераспределения составляющих магнитного потока или нарушения его симметричности при изменении магнитной проницаемости испытываемого участка. Если вести намагничивание участка шва с помощью П-образного электромагнита, то создаваемый специальной катушкой намагничивания магнитный поток будет проходить частично в основном металле и частично в междуполюсном пространстве. Если же на этом участке шва встретится дефект, произойдет перераспределение магнитных потоков. Такое перераспределение вызывает также нарушение симметричности магнитного потока относительно нейтральной оси системы. Если в междуполюсное пространство поместить индукционную катушку, то изменение потока индуктирует в ней э д. с. , которая через усилитель поступает на индикатор (стрелочный либо в виде сигнальной лампы или звукового сигнала). Дефектоскоп комплектуется из стабилизатора напряжения, усилителя и магнитной головки-искателя, которая и перемещается по изделию вдоль шва на небольших колесах. Магнитный дефектоскоп позволяет выявлять дефекты размером от 1,0 мм и выше с вероятностью 75-90% (просвечивание рентгеновскими лучами принято за 100%). В то же время этот способ обладает большой производительностью (скорость контроля 2-3 м/мин) и не требует специальной подготовки поверхности сварных соединений; контроль возможен в любом пространственном положении и абсолютно безопасен для обслуживающего персонала. Отрицательным моментом является еще невысокая стабильность результатов, объяснимая отсутствием достаточного опыта применения метода в производственных условиях. После всесторонней производственной проверки этот способ как самый простой и производительный может стать основным способом выявления внутренних дефектов сварных швов на судостроительных заводах и просвечивание будет применяться только в отдельных случаях. Контроль засверливанием. Контроль засверливанием иногда применяют для уточнения характера дефектов, обнаруженных при внешнем осмотре (например, для уточнения протяженности и характера трещин). Сверление производится сверлом, диаметр которого на 2-3 мм больше ширины шва, с углом заточки 90-115°. При сверлении должны быть вскрыты линия сплавления металла шва и основного металла, а также вершина шва. Стенки засверленного углубления должны иметь гладкую поверхность; поэтому их зачищают шкуркой и затем протравливают 10-15%-ным раствором азотной кислоты. Поверхность стенок осматривают при помощи лупы, при этом выявляют внутренние дефекты (непровар, трещины, газовые и шлаковые включения). Этот вид контроля следует признать малоэффективным, а иногда и вредным, так как часто сверление производится в случайных местах, а после производства контроля приходится вновь заваривать вскрытые участки шва, что может сопровождаться образованием новых и даже более серьезных дефектов в месте заварки. В связи с отмеченными недостатками метод контроля засверливанием в последнее время почти не применяется. Лабораторные испытания сварных соединений осуществляются на специальных образцах и включают: 1) химический анализ и испытание на коррозию; 2) металлографические исследования; 3) механические испытания. Техника этих исследований достаточно подробно излагается в специальных курсах и широко известна. Поэтому коротко остановимся только на целях этих испытаний применительно к сварным соединениям. Химическому анализу подвергают обычно основной металл, металл шва, а также исходные сварочные материалы. В качестве пробы для химического анализа берут стружку толщиной до 1,5 мм; исследование ведут обычно на содержание углерода, кремния, марганца, серы, фосфора и других элементов. Металлографическое исследование производится для выявления макро- или микроструктуры шва и прилегающей зоны. Макроструктура исследуется по шлифам и изломам сварного шва. После шлифовки и травления макрошлифа макроструктура выявляется через лупу и при необходимости фотографируется. По макроструктуре устанавливаются: 1) характер кристаллизации и макроскопические дефекты; 2) характер сплавления металла шва с основным и дефекты в месте сплавления; 3) очертания и глубина зоны термического влияния и наличие трещин в ней. По излому сварного шва выявляются пластичность металла шва и его дефекты: раковины, непровары, трещины, неметаллические включения. Для более глубокого изучения структуры металла шва и основного металла в прилегающей зоне производится исследование микроструктуры по микрошлифам. Это дает возможность установить характер структуры металла шва и отдельных участков зоны термического влияния, величину зерна, микродефекты сварки, наличие нитридных и кислородных включений и т. п. В процессе металлографических исследований по макрошлифам часто измеряют твердость в различных частях шва и зоны термического влияния с построением кривых твердости. Такой контроль позволяет более точно установить характер структур в различных зонах сварного соединения в тех случаях, когда исследуется только макроструктура. Механические испытания проводятся, как правило, на образцах, вырезанных из металла шва или из сварного соединения. В редких случаях испытываются целые конструкции. Механическими испытаниями образцов выявляются механические качества металла шва и всего сварного соединения при комнатных или низких температурах. Эти испытания обычно производятся в соответствии с ГОСТ. В отдельных случаях приходится изготовлять опытную конструкцию (или отдельную ее часть) и испытывать ее под нагрузкой. В этом случае испытание обычно доводят до разрушения опытной конструкции. Результаты таких испытаний представляют значительный интерес и ценность, но проведение их связано с большими затратами.