Дефекты сварных швов

1. Контроль качества сварки

Качество - это совокупность свойств продукции, обусловливающих ее пригодность удовлетворять потребности в соответствии с ее назначением. Это категория относительная и комплексная. Требования, предъявляемые к изделиям различного назначения, не могут быть одинаковыми. Качество сварных соединений оценивается совокупностью показателей: прочностью, пластичностью, коррозионной стойкостью, структурой металла шва и околошовной зоны, числом дефектов, числом и характером исправлений, вероятностью безотказной работы за заданное время и т.д.

Для получения качественных сварных конструкций на всех этапах их изготовления применяются различные методы контроля, обеспечивающие обнаружение дефектов и их предупреждение.

Классификация методов контроля

Обычно по воздействию на материал или изделие все методы контроля разделяются на две большие группы - разрушающие и неразрушающие.

К разрушающим относят механические, металлографические и коррозионные испытания. Механические испытания сварных соединений и металла шва включают растяжение, изгиб, сплющивание и другие виды разрушения, которые количественно характеризуют прочность, качество и надежность соединений. По характеру нагрузки предусматривают статические, динамические и усталостные испытания. Разрушающие испытания проводят обычно на образцах-свидетелях и реже - на самих изделиях. Образцы-свидетели сваривают из того материала и по той же технологии, что и сварные соединения изделий.

Неразрушающие методы используют для проверки качества швов без их разрушения. При неразрушающих испытаниях, осуществляемых обычно на самих изделиях, оценивают те или иные физические свойства, косвенно характеризующие прочность или надежность соединений. Эти свойства, а точнее их изменение, обычно связаны с наличием дефектов. В связи с этим с помощью данных методов можно узнать местоположение дефектов, их размер и характер, что объясняет их обобщенное название - дефектоскопия. Все неразрушающие методы дефектоскопии различаются физическими явлениями, положенными в их основу.

Общая схема неразрушающего контроля (рис. 1) включает:

· объект контроля О;

· излучающий И и приемный П преобразователи;

· излучатель СИ и приемник СП сигналов;

· индикаторное устройство ИУ.

Рис. 1. Общая схема неразрушающего контроля

Сигналы от излучателя и приемника поступают на индикаторное устройство и служат для принятия решения Р о дефектности или качестве объекта. В настоящее время при контроле сварных соединений и изделий применяются в той или иной мере все перечисленные методы оценки качества, так как универсального не существует. Поэтому важен не только правильный выбор метода контроля, но и их комбинация, сочетание неразрушающих и разрушающих испытаний. Главными критериями при этом должны быть выявляемость наиболее опасных дефектов данным методом, стоимость и производительность контроля. Оптимальным будет такое их сочетание, которое обеспечивает достаточно высокое качество соединений при минимальных затратах и необходимой производительности контроля.

Методы НРК подразделяются на следующие виды: акустические, вихретоковые, магнитные, оптические проникающими веществами (капиллярные и течеисканием), радиационные, радиоволновые, тепловые, электрические. При контроле сварных соединений чаще применяются четыре метода: радиационные, акустические, магнитные и испытания проникающими веществами.

К неразрушающим методам близки так называемые безобразцовые испытания, сопровождающиеся небольшими нарушениями целостности материала, но не изделия в целом (например, измерение твердости), внешний осмотр, а также контроль параметров процесса сварки.

2. Дефекты сварных соединений. Классификация. Причины образования

К дефектам сварных соединений относятся различные отклонения от установленных норм и технических требований, которые уменьшают прочность и эксплуатационную надежность сварных соединений и могут привести к разрушению всей конструкции.

Наиболее часто встречающиеся дефекты можно разделить на следующие основные группы: дефекты формы и размеров сварных; швов; дефекты макро- и микроструктуры; деформации и коробление; сварных конструкций.

Дефекты формы и размеров сварных швов.

Обычно форма и размеры швов устанавливаются стандартами, правилами и нормами, техническими условиями и указываются на; рабочих чертежах. Так, основные типы швов сварных соединений: и их конструктивные элементы при ручной электродуговой сварке регламентированы ГОСТ 5264-69; при автоматической и полуавтоматической сварке под флюсом - ГОСТ 8713-58; для сварных швов, выполненных теми же способами под острым и тупым углом, руководствуются соответственно ГОСТ 11534-65 и ГОСТ 11533-65.

При сварке плавлением наиболее частыми дефектами сварных соединений являются неполномерность шва, неравномерная его ширина и высота (рис. 2), крупная чешуйчатость, бугристость, наличие седловин. При автоматической сварке дефекты возникают вследствие колебания напряжения в сети, проскальзывания проволоки в подающих роликах, неравномерной скорости сварки из-за люфтов в механизме передвижения, неправильного угла наклона электрода, протекания жидкого металла в зазор. При ручной и полуавтоматической сварках дефекты могут быть вызваны недостаточной квалификацией сварщика, нарушением технологических приемов, плохим качеством электродов и других сварочных материалов.

Рис. 2. Дефекты формы и размеров шва.

а - неполномерность шва; б - неравномерность ширины стыкового шва; в - неравномерность по длине катета углового шва; h - требуемая высота усиления шва

Для сварки давлением (например, точечной) характерными дефектами являются неравномерный шаг точек, глубокие вмятины, смещение осей стыкуемых деталей.

Нарушение формы и размеров шва зачастую свидетельствует о наличии таких дефектов, как наплывы (натеки), подрезы, прожоги и незаверенные кратеры.

Наплывы (натеки) (рис. 3) образуются чаще всего при сварке горизонтальными швами вертикальных поверхностей в результате натекания жидкого металла на кромки холодного основного металла. Они могут быть местными, в виде отдельных застывших капель, или же иметь значительную протяженность вдоль шва. Причинами возникновения наплывов являются: большая величина сварочного тока, длинная дуга, неправильное положение электрода, большой угол наклона изделия при сварке на подъем и спуск. В кольцевых швах наплывы образуются при недостаточном или излишнем смещении электрода с зенита. В местах наплывов часто выявляются непровары, трещины и другие дефекты.

Подрезы представляют собой углубления (канавки), образующиеся в основном металле вдоль края шва при завышенном сварочном токе и длинной дуге, так как в этом случае увеличивается ширина шва и сильнее оплавляются кромки. При сварке угловыми швами подрезы возникают в основном из-за смещения электрода в сторону вертикальной стенки, что вызывает значительный разогрев, плавление и стекание ее металла на горизонтальную полку. В результате на вертикальной стенке появляются подрезы, а на горизонтальной полке - наплывы. При газовой сварке подрезы образуются из-за повышенной мощности сварочной горелки, а при электрошлаковой - из-за неправильной установки формующих ползунов.

Подрезы приводят к ослаблению сечения основного металла и могут явиться причиной разрушения сварного соединения.

Рис. 3. Наружные дефекты в швах

а - стыковых; б - угловых; 1 - наплыв; 2 - подрез.

Прожоги - это проплавление основного или наплавленного металла с возможным образованием сквозных отверстий. Они возникают вследствие недостаточного притупления кромок, большого зазора между ними, завышенного сварочного тока или мощности горелки при невысоких скоростях сварки. Особенно часто прожоги наблюдаются в процессе сварки тонкого металла и при выполнении первого прохода многослойного шва. Кроме того, прожоги могут иметь место в результате плохого поджатия флюсовой подушки или медной подкладки (автоматическая сварка), а также при увеличении продолжительности сварки, малом усилии сжатия и наличии загрязнений на поверхностях свариваемых деталей или электродах (точечная и шовная контактные сварки).

Незаваренные кратеры образуются в случае резкого обрыва дуги в конце сварки. Они уменьшают сечение шва и могут явиться очагами образования трещин.

Дефекты макроструктуры.

К дефектам макроструктуры, выявляемым при увеличении не более чем в 10 раз, относятся газовые поры, шлаковые включения, непровары, трещины (рис. 4).

Рис. 4. Дефекты макроструктуры в швах

а - стыковых; б - угловых; в - нахлесточных; 1 - непровар; 2 - трещины; 3 - поры; 4 -- шлаковые включения

К дефектам макроструктуры, выявляемым при увеличении не более чем в 10 раз, относятся газовые поры, шлаковые включения, непровары, трещины (рис. 4).

Газовые поры образуются в сварных швах вследствие быстрого затвердевания газонасыщенного расплавленного металла, при котором выделяющиеся газы не успевают выйти в атмосферу.

Как правило, такой дефект встречается при повышенном содержании углерода в основном металле, наличии ржавчины, масла и краски на кромках основного металла и поверхности сварочной проволоки, использовании влажного или отсыревшего флюса, присутствии вредных примесей в защитных газах, неправильной регулировке пламени сварочной горелки, чрезмерной скорости сварки, нарушающей газовую защиту ванны жидкого металла, неправильном выборе марки сварочной проволоки, в особенности при сварке в среде углекислого газа. Газовые поры могут быть распределены в шве отдельными группами, в виде цепочки вдоль шва или в виде отдельных включений. Иногда образуются сквозные поры, так называемые свищи. Степень пористости шва и размер отдельных пор во многом зависят от того, как долго сварочная ванна находится в жидком состоянии, которое позволяет образующимся газам выйти из шва.

Шлаковые включения являются результатом небрежной очистки кромок деталей и сварочной проволоки от окалины, ржавчины и грязи, а также (при многослойной сварке) неполного удаления шлака с предыдущих слоев. Кроме того, они возникают при сварке длинной дугой, неправильном наклоне электрода, недостаточной величине сварочного тока или мощности горелки, завышенной скорости сварки.

Шлаковые включения различны по форме (от сферической до игольчатой) и размерам (от микроскопических до нескольких миллиметров). Они могут быть расположены в корне шва между отдельными слоями, а также внутри наплавленного металла.

Шлаковые включения, так же как и газовые поры, ослабляют сечение шва, уменьшают его прочность и являются зонами концентрации напряжений.

Непроваром называют местное несплавление основного металла с наплавленным, а также несплавление между собой отдельных слоев шва при многослойной сварке из-за наличия тонкой прослойки: окислов, а иногда и грубой шлаковой прослойки внутри швов. Причинами непроваров являются: плохая очистка металла от окалины, ржавчины и грязи, малый зазор в стыке, излишнее притупление и малый угол скоса кромок, недостаточная величина тока или мощности горелки, большая скорость сварки, смещение электрода в сторону от оси шва.

При автоматической сварке под флюсом и электрошлаковой сварке непровары обычно образуются в начале процесса, когда основной металл еще недостаточно прогрет. Поэтому сварку начинают на входных технологических планках, отрезаемых в дальнейшем. Иногда непровары по сечению шва возникают из-за вынужденных перерывов в процессе сварки.

При точечной и шовной контактных сварках причинами непроваров являются недостаточная величина тока, продолжительность сварки и давления, большая рабочая поверхность электродов. При стыковой контактной сварке непровары наиболее часто образуются в результате несвоевременного выключения сварочного тока.

Трещины и непровары являются наиболее опасным дефектом сварных швов. Они возникают в самом шве и в околошовной зоне, располагаясь вдоль и поперек шва в виде несплошностей микро- и макроскопических размеров.

Трещины разделяют на горячие и холодные в зависимости от температуры их образования.

Горячие трещины появляются в процессе кристаллизации металла шва при температуре 1100-13000 С. Их образование вызывается наличием полужидких прослоек между кристаллами наплавленного металла шва в конце его затвердевания и действием в нем растягивающих усадочных напряжений. Повышенное содержание в металле шва углерода, кремния, водорода и никеля также способствует образованию горячих трещин. Они обычно расположены внутри шва и их трудно выявить.

Холодные трещины возникают при температурах 100-3000 С в легированных сталях и при нормальных температурах - в углеродистых сталях сразу после остывания шва или через длительный промежуток времени. Основная причина их образования -- значительные напряжения, возникающие в зоне сварки при распаде твердого раствора, и скопление под большим давлением молекулярного водорода в пустотах, имеющихся в металле шва. Холодные трещины выходят на поверхность шва и хорошо заметны.

Дефекты микроструктуры.

Микроструктура шва и околошовной зоны (рис. 5) в значительной мере определяет свойства сварных соединений и характеризует их качество.

Дефектами микроструктуры сварного соединения являются: микропоры и микротрещины, нитридные, кислородные и другие неметаллические включения, крупно-зернистость, участки перегрева и пережога.

На участке перегрева рис. 5) металл имеет крупнозернистое строение. Чем крупнее зерна, тем меньше поверхность их сцепления и выше хрупкость металла (перегретый металл плохо сопротивляется ударным нагрузкам).

Наиболее опасным дефектом является пережог, при котором в структуре металла шва много окисленных зерен с малым взаимным сцеплением. Такой металл хрупок и не поддается исправлению. Пережог возникает при высокой температуре сварки, плохой изоляции сварочной ванны от воздуха или избытке кислорода в пламени горелки.



Рис. 5. Схема распределения структур в сварном шве и околошовной зоне (цифрами I, II, III и т.д. обозначены одни и те же участки на разрезе шва, кривой распределения температур и шкале температур на диаграмме железо-углерод)

I - неполное расплавление; II - перегрев; III - нормализация; IV - неполная перекристаллизация; V - рекристаллизация; VI - синеломкость

3. Поры в сварных швах

Порами называют заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложную форму. Они возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. Поры располагаются по оси шва или по его сечению, а также вблизи от границы сплавления. При дуговой сварке поры выходят или не выходят на поверхность шва (рис. 6, а, б), располагаются цепочкой по оси шва (рис. 6, а) или отдельными группами (рис. 6, в). Поры, выходящие на поверхность шва, иногда называют свищами. При электрошлаковой сварке и дуговой сварке с принудительным формированием поры не выходят на поверхность шва (рис. 6, г), что обусловлено более ранним затвердеванием примыкающей к формирующим устройствам части металла сварочной ванны. Поры могут быть микроскопическими (несколько микрометров) и крупными (4--6 мм в поперечнике).

Выходящие на поверхность поры выявляются при внешнем осмотре. Поры, не выходящие на поверхность, выявляются теми же методами, что и не выходящие на поверхность трещины. Поры -- недопустимый дефект сварных швов для аппаратуры, работающей под давлением и под вакуумом или предназначенной для хранения и транспортировки жидких и газообразных продуктов. Для других конструкций поры не являются столь серьезным дефектом, как трещины. Однако наличие пор при всех условиях нежелательно. Вопрос о допустимости пор решается в зависимости от условий эксплуатации конструкции.

Рис. 6. Поры в металле шва:

а -- выходящие на поверхность шва;

б -- не выходящие на поверхность шва;

в -- групповое расположение пор;

г -- расположение пор при электрошлаковой сварке

Если образование и выделение газов при сварке происходит в период, когда металлическая ванна находится в жидком состоянии, и протекает интенсивно, то пузырьки газов успевают полностью выделиться. Их выделение не только не приводит к образованию пор, но оказывает рафинирующее действие на сварочную ванну, снижая ее газонасыщенность. Если же образование и выделение газов происходит в период затвердевания ванны и проходит вяло, пузырьки газа не успевают всплыть и остаются в металле в виде пор.

Образование пор в швах на стали от выделения водорода и азота обусловлено резким снижением их растворимости в процессе затвердевания металла сварочной ванны. Находящиеся в жидком состоянии железо и его сплавы могут растворять значительные количества водорода и азота. По мере остывания металла растворимость этих газов снижается. При уменьшении температуры вплоть до температуры плавления растворимость снижается постепенно и образовавшиеся пузырьки свободно всплывают на поверхность жидкой ванны. При затвердевании металла снижение растворимости водорода и азота происходит скачкообразно. Например, при затвердевании низкоуглеродистой стали растворимость азота снижается в 4 раза, а водорода в 1,7 раза.

Более низкая растворимость водорода и азота в твердом металле по сравнению с растворимостью их в жидком металле ведет к обогащению расплава этими газами, что способствует зарождению газовых пузырьков на поверхности раздела жидкого и твердого металлов. При резком увеличении количества выделившегося газа не все пузырьки успевают всплыть на поверхность сварочной ванны, часть их остается в шве.

Поры от окиси углерода возникают при недостаточной раскисленности металла сварочной ванны. Растворенные в жидкой стали углерод и кислород реагируют между собой по реакции [С] + [О] = СО.

Образующаяся при этом окись углерода может давать начало зародышам газовой фазы или же выделяться в уже существующие пузырьки других газов. Для возникновения зародышей окиси углерода необходимы определенный избыток содержаний углерода и кислорода над равновесным и благоприятные условия для зарождения газовой фазы.

В реальных условиях сварки пористость швов обычно вызывается совместным действием нескольких газов. Если в процессе затвердевания металла сварочной ванны сила внутреннего давления в газовом зародыше или пузырьке заметно превышает барометрическое давление, металл будет кипеть и в шве появятся поры. Сила внутреннего давления в газовом зародыше или пузырьке состоит из парциальных давлений отдельных газов.

Водород поступает в атмосферу дуги, а из нее в сварочную ванну из ржавчины, влаги и других загрязнений, находящихся на поверхности свариваемых кромок и присадочного металла, из защитного газа или из материалов, входящих в состав покрытия или флюса.

Уменьшить растворение водорода в металле сварочной ванны можно ограничением доступа водорода и водяного пара в зону сварки; снижением парциального давления водорода и водяного пара в атмосфере дуги за счет связывания водорода в HF и разбавления его другими газами; снижением растворимости водорода в жидком металле вследствие окисления или легирования последнего; уменьшением растворения водорода в металлической ванне технологическими способами (применением постоянного тока, изменениями режима сварки, применением соответствующих сварочных материалов и т.п.); удалением водорода из металлической ванны при ее кипении; увеличением времени удаления водорода из металлической ванны.

Основным способом ограничения поступления водорода и водяного пара в зону сварки является очистка свариваемых кромок от ржавчины, влаги, масла, краски и других водородсодержащих веществ. При низкой температуре кромки следует также очищать от инея и влаги и просушивать. Чтобы избежать концентрации влаги на свариваемых кромках, рекомендуется их нагревать до температуры 100 °С и выше. Ржавчину, масло или краску можно выжигать кислородно-ацетиленовой горелкой или резаком. Сварочную проволоку следует очищать от следов волочильной смазки и других загрязнений, избегать операции травления проволоки при ее волочении (лучше производить светлый отпуск). Сварочные электроды необходимо надежно упаковывать и хранить в сухом помещении. Защитный газ следует применять с минимальной влажностью. Флюс должен быть хорошо прокален.

Азот поступает в зону сварки, а из нее в сварочную ванну из окружающей атмосферы, а также из расплавляемых основного и дополнительного металлов. Избежать пористости от азота можно путем ограничения растворения азота в жидком электродном металле и металлической ванне до величин, меньших растворимости азота в твердом металле; повышения растворимости азота в твердом металле; связывания азота в металле шва в стойкие нитриды.

Растворение азота в металле ограничивают применением газовой или шлаковой защиты зоны сварки от доступа воздуха. Кроме того, нужно исключить все другие возможности поступления азота в зону сварки. Содержание азота в основном металле и сварочной проволоке не должно превышать допустимого. Нельзя выполнять прихватки, монтажные и подварочные швы электродами со стабилизирующим покрытием или покрытыми электродами с отбитой обмазкой. Содержание азота в защитных газах должно быть минимальным.

Повышение растворимости азота в твердом металле и связывание его в стойкие нитриды требуют дополнительного легирования металла шва элементами, обладающими большим химическим сродством к азоту. К таким элементам принадлежат титан, алюминий, церий, цирконий и др. Вводить в металлическую ванну нитридообразующие элементы целесообразно лишь тогда, когда нет возможности ограничить доступ азота в зону сварки.

К металлургическим способам предупреждения пористости от азота принадлежит также дегазация жидкого металла при его кипении. В частности, этот способ применяют при сварке и наплавке под флюсом металла с повышенным содержанием азота. Для этого иногда используют сварочную проволоку с повышенным содержанием углерода.

Среди кислородных соединений окись углерода и водяной пар отличаются тем, что при температурах существования жидкой стали они находятся в газообразном состоянии. В связи с этим одной из важнейших задач раскисления сварочной ванны является предупреждение образования этих газов во время затвердевания металла. Чтобы избежать пористости от выделения газообразных кислородных соединений, в зону сварки вводят элементы с высоким химическим сродством к кислороду, образующие твердые или жидкие окислы. Соединяясь с кислородом, эти элементы тормозят реакции образования окиси углерода и водяного пара. Эффективность действия элементов-раскислителей характеризуется их раскислительной способностью, т.е. их способностью снижать концентрацию кислорода в стали. О раскислительной способности элементов можно судить по рис. 7, на котором показано количество кислорода, находящегося в равновесии с данным количеством элемента. Количество растворенного в жидком металле кислорода будет тем меньше, чем выше химическое сродство к кислороду данного элемента и больше его концентрация в расплаве. Небольшие присадки титана и алюминия могут подавлять реакцию образования окиси углерода в жидкой стали.

Кремний при достаточной его концентрации в расплаве также способен подавить образование окиси углерода. Раскисляющая сила углерода практически не изменяется с изменением температуры, тогда как раскисляющая сила кремния при снижении температуры возрастает. В равновесных условиях при температуре затвердевания стали кремний является лучшим раскислителем, чем углерод. Поэтому кремний способен остановить реакцию образования окиси углерода и успокоить кипение твердеющей стали. Связанный с титаном, алюминием, кремнием и другими сильными раскислителями кислород уже не может взаимодействовать с углеродом.



Рис. 7. Раскислительная способность элементов при температуре 1600 °С.

При сварке плавлением раскисление осуществляется путем введения элементов-раскислителей в сварочную ванну из основного металла, сварочной проволоки, электродного покрытия, керамического флюса и т.п. При наличии достаточного количества сварочного шлака раскисление может осуществляться за счет восстановления кремния и марганца из шлаковой фазы.

На пористость швов существенно влияет скорость кристаллизации сварочной ванны. При большой скорости кристаллизации металла рост кристаллитов обгоняет рост и всплывание пузырька газа, и пузырек запутывается в металле, в результате чего образуется пора. Снижение скорости сварки, увеличение объема сварочной ванны, уменьшение теплоотвода в основной металл и увеличение его начальной температуры снижают скорость кристаллизации металла и уменьшают пористость швов. Некоторое влияние оказывает и форма сварочной ванны. Повышение значения коэффициента формы шва приводит к уменьшению вероятности возникновения пор, так как при этом улучшаются условия для всплывания пузырьков в результате выдавливающего действия растущих дендритов.

4. Неметаллические включения в сварных швах

Неметаллические включения не относятся к числу дефектов сварных швов, но оказывают заметное влияние на их качество и свойства. Рассмотрим различные типы неметаллических включений, встречающихся в сварных швах на стали.

Оксидные включения. В металле шва может содержаться до 0,1% кислорода, находящегося в виде неметаллических оксидных или смешанных включений. Химический и минералогический составы этих включений зависят от химического состава металла шва. При низком содержании кремния и марганца в металле шва и отсутствии других легирующих элементов оксидные включения содержат в основном FeO, остальное -- SiO2 и МnО.

При повышении содержания кремния и марганца в металле шва заметно увеличиваются концентрации окислов этих элементов в составе оксидных включений, соответственно уменьшается содержание в них окислов железа. Общее количество оксидных включений в шве при этом также уменьшается. С увеличением соотношения [% Si) : [% Мn] в металле глва содержание SiO2 во включениях растет, а МnО уменьшается.

Введение алюминия в металл шва уменьшает общее количество оксидных включений и ведет к появлению в их составе герцинита FeO-Al2О3. Дальнейшее повышение содержания алюминия сопровождается образованием включений глинозема Аl2О3. При наличии хрома в шве образуются включения хромита FeO-Cr2О3; продуктом раскисления сварочной ванны ванадием является окись ванадия V2О3. Низкая концентрация титана в металле шва ведет к образованию включений титаната железа FeO-Ti2О3, при высоком его содержании образуется оксид титана Ti2O3.

Выявленные в швах ручной дуговой сварки оксидные включения по минералогическому составу можно разделить на следующие главные типы: 1) смешанные железо-марганцевые оксиды, представляющие собой непрозрачные включения преимущественно шарообразной формы. Их образованию способствует высокая окисленность металла шва при низком содержании кремния и отсутствии других активных раскислителей; 2) железо-марганцевые силикаты, имеющие вид полупрозрачных округлых включений с вкраплениями темных частиц; 3) стекловидный кремнезем (прозрачные частицы шарообразной или неправильной формы), встречается преимущественно в хорошо раскисленных кремнием швах.

При сварке под флюсом вид и состав оксидных включений зависят от состава флюса. В швах, сваренных под высококремнистыми марганцевыми флюсами, включения преимущественно представлены высококремнистыми и железо-марганцевыми силикатами. Это округлые, прозрачные и сравнительно крупные (0,002--0,02 мм) оксидные включения. Кроме того, в таких швах много межкристаллитных силикатных пленок. На рис. 8 показаны межкристаллитные силикатные пленки, выявленные в низкоуглеродистом шве при исследовании под электронным микроскопом. Пленки расположены на границах между кристаллитами металла шва и иногда сливаются с круглыми оксидными включениями.

Рис. 8. Межкристаллитные силикатные пленки в шве, сваренном под высококремнистым марганцевым флюсом на низкоуглеродистой стали; X 9000.

При высококремнистых безмарганцевых флюсах во включениях преобладают округлые бесцветные выделения стекловидного кремнезема, наблюдаются и межкристаллитные силикатные пленки. В швах, сваренных под низкокремнистыми и бескремнистыми флюсами, основную массу включений составляют алюмосиликаты и шпинели. При сварке в защитных газах вид и состав оксидных включений определяются химическим составом металла шва и содержанием в нем кислорода. Кроме перечисленных видов включений встречаются и другие. Оксидные включения часто имеют неоднородный минералогический состав, они также могут образовывать сложные кислородсодержащие включения, например, оксисульфиды.

Оксидные включения и силикатные пленки снижают ударную вязкость и хладостойкость металла шва на углеродистых и низколегированных сталях. В аустенитных швах силикатные пленки уменьшают пластичность металла шва при испытаниях на растяжение и изгиб, не влияя, однако, на величину ударной вязкости.

Сульфидные включения. В сварных швах на стали обычно содержится 0,02--0,04% S, образующей сульфидные включения. На нетравленых шлифах эти включения имеют вид темных пятен, чаще всего неправильной формы. Размер включений сильно возрастает в направлении от границы сплавления металла шва с основным металлом к середине шва. Наиболее крупные включения наблюдаются в середине верхней части шва. При специальном травлении шлифов выявляются сульфидные пленки и цепочки мелких сульфидных включений, расположенные по границам кристаллитов металла шва.

Состав, форма и размеры сульфидных включений зависят от химического состава металла шва. В сульфидных включениях сера в основном находится в виде соединений с железом и марганцем. Повышение содержания в шве марганца способствует преимущественному связыванию серы в сульфид марганца MnS. Окисление сварочной ванны окалиной уменьшает содержание MnS во включениях и увеличивает содержание сульфида железа FeS. При высоком содержании марганца в шве повышение количества углерода уменьшает содержание MnS в сульфидных включениях. При малом количестве марганца изменение концентрации углерода мало влияет на связывание серы в форме MnS.

Кремний сильно уменьшает содержание сульфида марганца во включениях. Наличие хрома в металле шва способствует связыванию серы в виде сульфида хрома или смешанных хромомарганцевых сульфидов. Повышение содержания углерода в металле шва заметно увеличивает размер сульфидных включений.

В зависимости от степени раскисленности металла сварочной ванны образуются сульфидные включения трех типов. При окисленном металле, а также в присутствии марганца, хрома и кремния преимущественно образуются шаровидные оксисульфидные включения. Под влиянием небольших добавок сильных раскислителей (алюминия, титана, циркония и др.) сульфидные включения приобретают вид пленок и цепочек, расположенных по границам кристаллитов металла шва. Введение алюминия и циркония в количествах, больших необходимого для полного раскисления стали, может вызвать превращение пленок и цепочек во включения угловатой неправильной формы.

Наиболее опасными в отношении образования кристаллизационных трещин в сварных швах являются сульфидные пленки и цепочки. На рис. 8 показаны расположенные по границам кристаллитов низкоуглеродистого шва сульфидная пленка и цепочка сульфидных включений. Сульфидная пленка дала начало кристаллизационной трещине.

Рис. 8. Цепочка сульфидных включений и сульфидная пленка, послужившая причиной возникновения кристаллизационной трещины; X 1500.

В связи с большей растворимостью серы в жидкой стали по сравнению с кислородом в процессе охлаждения и затвердевания металла сварочной ванны сульфидные включения образуются при более низких температурах, чем оксидные. Поэтому сера может выделяться на уже существующих оксидных включениях с образованием оксисульфидов. Аналогично образуются карбосульфидные и другие сложные сульфидные включения.

Фосфорсодержащие включения. Содержание фосфора в сварных швах на стали, как правило, невысокое -- не больше 0,04--0,06%. В швах на углеродистых и низколегированных сталях фосфор преимущественно находится в твердом растворе, а не в виде неметаллических включений. Это обусловлено низкой концентрацией фосфора в металле швов и относительно высокой его растворимостью в феррите. В связи с низкой растворимостью фосфора в аустените фосфорсодержащие включения значительно чаще встречаются в швах с аустенитной структурой. В этих включениях фосфор может находиться в виде фосфидов, фосфидных эвтектик и фосфатов.

Фосфидные включения имеют червевидную форму и располагаются по границам кристаллитов металла шва. В зависимости от направления сечения на шлифах они имеют вид межкристаллитных прослоек или включений округлой формы. Фосфидные эвтектики находятся в виде прослоек по границам кристаллитов металла шва или зерен основного металла в околошовной зоне. Фосфидная эвтектика в зоне термического влияния марганцевой аустенитной стали Г13, показанная на рис. 9, расположена на границе двух зерен, между которыми проходит горячая трещина.

Рис. 9. Фосфидная эвтектика и горячая трещина на границе зерен основного металла; X 800.

Вредное влияние фосфора на свойства сварных соединений заключается в снижении высокотемпературных характеристик металла шва вследствие ослабления межкристаллитных границ (при выделении легкоплавких включений) и в ухудшении механических свойств швов при нормальной и низких температурах. Последнее обусловлено снижением пластичности металла в результате растворения фосфора и наличием на границах кристаллитов хрупких неметаллических прослоек. Так как растворимость фосфора в аустените ниже, чем в феррите, опасность образования кристаллизационных трещин и снижения механических свойств металла шва значительно больше для швов с аустенитной структурой.

Для среднелегированных сталей вредное влияние фосфора и серы в отношении образования кристаллизационных трещин усиливается тем, что места ликвации этих элементов в металле шва совпадают. Обогащенные фосфором участки феррита лежат по границам первичных кристаллитов, где скапливаются и сульфидные включения.

Нитридные включения. В зависимости от надежности защиты зоны сварки от воздуха содержание азота в металле шва составляет 0,01--0,1%. Нитридные включения в сварных швах встречаются значительно реже, чем оксидные или сульфидные. Это обусловлено низким содержанием азота в швах и меньшей стойкостью нитридов при высоких температурах. Образование отдельной нитридной фазы в жидкой стали возможно лишь в присутствии сильных нитридообразующих элементов (титана, циркония). В основном нитридные включения выделяются в процессе охлаждения или термообработки сварных соединений. Для их образования необходимо наличие в металле шва сравнительно высокой концентрации азота, что возможно, например, при сварке открытой дугой без защиты или же при повышенном содержании азота в основном металле.

Обычно в связи с быстрым охлаждением и низкой концентрацией азот в металле швов фиксируется в виде твердого раствора. Если этот твердый раствор перенасыщен азотом, то при работе сварных соединений в нормальных условиях или при нагреве из него выделяются включения нитридов. Этим обусловлено так называемое старение металла шва. Ввиду малой скорости диффузии азота в твердом металле этот процесс проходит медленно.

В швах низкоуглеродистой стали с повышенным содержанием азота иногда обнаруживаются иголки нитрида железа Fe4N и железонитридный эвтектоид, так называемый браунит. Нитридные иголки наблюдаются лишь в швах, сваренных на воздухе голым электродом или электродом с тонким покрытием.

5. Прочие дефекты сварных соединений

Шлаковые каналы. Дефект представляет собой заполненную шлаком несплошность (рис. 10, а, б). Канал, как правило, не выходит на поверхность шва. Ширина канала совпадает с шириной зазора между свариваемыми кромками (рис. 10, а). Расстояние между дефектами во многих случаях равно или кратно длине сварочной ванны. Образуются шлаковые каналы главным образом при сварке под флюсом в первом проходе двусторонних стыковых швов, выполняемых на флюсовой или флюсомедной подкладках. Иногда наблюдаются при сварке односторонних швов с полным проваром кромок, значительно реже -- при сварке угловых швов.

Вероятность образования дефектов возрастает с увеличением зазора. При зазоре до 3 мм дефекты подобного типа наблюдаются весьма редко. После наложения шва со второй стороны канал при малом его проникновении в толщу первого прохода полностью заваривается, а при более глубоком залегании частично остается в металле шва в виде округлого (рис. 10, в) или вытянутого по высоте слоя шлакового включения.

Механизм образования шлаковых каналов еще недостаточно ясен, что затрудняет изыскание рациональных путей их устранения. На практике для снижения вероятности появления шлаковых каналов обычно прибегают к тем же средствам, что и для предупреждения образования пор. Очень похожие по конфигурации, но не заполненные шлаком дефекты наблюдаются и при сварке в защитных газах и покрытыми электродами.

Рис. 10. Шлаковые каналы:

а -- после сварки с одной стороны -- разрез поперек шва;

б -- то же -- разрез вдоль шва;

в -- после сварки с двух сторон

Флокены. После разрушения образцов, вырезанных из металла шва и испытанных на растяжение или изгиб, в изломе иногда обнаруживают серебристые пятна круглой или овальной формы, называемые флокенами и имеющие более крупнокристаллическое строение, чем остальная часть излома. В большинстве случаев по середине флокена находится пора или шлаковое включение, являющееся центром зарождения дефекта (рис. 11). Такой дефект получил название «рыбий глаз». Образование флокенов связано со снижением пластичности металла шва под влиянием водорода. Швы на низколегированных хромоникелевых и хромоникеле-молибденовых сталях менее стойки против образования флокенов, чем швы, сваренные на углеродистых конструкционных сталях. В швах, сваренных на высоколегированных хромоникелевых и марганцовистых сталях, образование подобных дефектов не наблюдается. Наличие рассматриваемых дефектов приводит к некоторому снижению пластических свойств металла образцов при статических испытаниях. Флокены могут быть устранены путем нагрева образца перед испытанием до температуры 150--250 °С, что способствует более полному удалению водорода из металла. Тот же эффект достигается при длительном вылеживании образцов перед испытанием.

Рис. 11. Флокен

Флокены образуются только в процессе разрушения образцов, испытываемых непосредственно после сварки при статической нагрузке, при напряжениях, в большинстве случаев близких к временному сопротивлению металла, и при всех условиях (даже при повышенном содержании водорода в металле шва), превосходящих его предел текучести. Следовательно, нет основания предполагать, что при статическом нагружении в реальной конструкции могут создаваться условия для образования в металле шва флокенов.

Зона несплавления. При дуговой и электрошлаковой сварке в некоторых условиях образуется дефект, именуемый зоной несплавления; он характерен отсутствием сплавления между основным металлом и металлом сварочной ванны по части периметра, а иногда и по всему периметру шва (рис. 12, а и б). Несплавление наблюдается при оплавлении кромок основного металла и достаточном объеме металла сварочной ванны. Дефект образуется при дуговой сварке на повышенных скоростях и силах тока более 1500 А, а при электрошлаковой сварке даже в нормальном диапазоне режимов. Начальной стадией дефекта являются глубокие подрезы по границе шва с одновременным увеличением утолщения, конечной его стадией -- отсутствие сплавления практически по всему периметру шва.



Рис. 12. Зона несплавления при дуговой сварке

Образование зоны несплавления тесно связано с формированием сварочной ванны. Последнее может быть условно разделено на две стадии -- образование канавки в основном металле и последующее заполнение ее металлом сварочной ванны. Если пленка расплавленного металла, покрывающая поверхность канавки, к моменту ее заполнения жидким металлом успела затвердеть, а запас теплоты, накопленный в сварочной ванне, недостаточен для повторного расплавления основного металла, смачивание металлом сварочной ванны основного металла не происходит и образуется зона несплавления.

Для предотвращения появления подобных дефектов прибегают к мерам, обеспечивающим уменьшение разрыва по времени между образованием и заполнением канавки (сварка на спуск, сварка наклонным электродом углом вперед, сварка двумя и тремя дугами, сварка с подогревом и др.), а также получение благоприятной формы провара. Обычно коэффициент формы шва, при котором не наблюдается образование зоны несплавления, увеличивается с возрастанием скорости сварки.

В большинстве случаев зазор, образовавшийся между основным металлом и металлом шва, заполнен затекшим туда шлаком. Зону несплавления следует отличать от непровара и подреза, имеющих другие причины появления.

Утяжины. При сварке под флюсом на больших скоростях двумя и более дугами наблюдается образование своеобразных дефектов, получивших название утяжин. Утяжины представляют собой расположенные друг от друга на расстояниях, примерно равных длине сварочной ванны, усадочные рыхлости (трещины), распространяющиеся на 2--3 мм в глубь шва и на 5--8 мм вдоль его оси. Строение утяжин совпадает со строением усадочных рыхлостей, образующихся в кратере шва. Можно предположить, что появление утяжин связано с нарушением волнообразного поступления металла в хвостовую часть ванны.

Непровары. Непроваром называют местное отсутствие сплавления между свариваемыми элементами, между металлом шва и основным металлом или отдельными слоями при многослойном 1 шве. В зависимости от расположения и характера различают непровар по толщине основного металла (рис. 13, а--в, сварка стыковых швов). При сварке стыковых швов с разделкой кромок и угловых швов с разделкой и без разделки кромок наблюдается непровар вершины угла (рис. 13, а, б) и непровар по кромке (рис. 13, в). При многослойной сварке швов всех типов изредка встречается непровар между отдельными слоями. Место непровара в большинстве случаев заполнено шлаком, который благодаря жидкотекучести и более низкой температуре плавления заполняет образовавшуюся при непроваре несплошность (рис. 14 и 15).

Рис. 13. Непровар по толщине металла при сварке стыковых швов:

а -- однослойный односторонний шов;

б -- многослойный односторонний шов;

в -- однослойный двусторонний шов.



Рис. 14. Непровары вершины угла (а, б) и по кромке (в)

Рис. 15. Непровар при сварке стыкового шва с обязательным зазором

Непровар уменьшает сечение шва и вызывает значительную концентрацию напряжений, что иногда может привести к образованию трещины (см. рис. 16). Непровар по толщине свариваемого металла может быть вызван неправильным выбором режима сварки, не предусматривающим достаточный запас глубины проплавления, или нарушением режима сварки в процессе выполнения данного шва (главным образом уменьшением силы тока). Причиной непровара может также служить недостаточно точное направление конца электрода по месту сопряжения кромок (рис. 17). Довольно часто непровары наблюдаются в начале и в конце шва. Это связано с тем, что глубина провара на этом участке вследствие неустановившегося теплового процесса падает (рис. 18).



Рис. 16. Трещина, берущая начало от непровара

Рис. 17. Непровар, возникший из-за неточного направления дуги по оси соединения

Рис. 18. Уменьшение провара в начале (а) и конце (б) шва

Неправильное возобновление процесса после его перерыва, вызванного сменой электродов и сварочной проволоки или другими причинами, приводит к непровару (рис. 19, а). При правильном возобновлении процесса сварки, обеспечивающем достаточное перекрытие прерванного шва последующим, непровар в большинстве случаев не наблюдается (рис.19, б). Для того чтобы предотвратить непровар в начале и в конце шва, сварку следует начинать и заканчивать на специальных выводных (концевых) планках или применять особые приемы.



Рис. 19. Конфигурация провара при неправильном (а) и правильном (б) возобновлении процесса сварки

К непровару корня шва приводят все перечисленные выше причины, а также нарушения режима сварки, обусловливающие изменение положения первого слоя шва в разделке. Наклон изделия или резкое изменение скорости при сварке с разделкой кромок может также вызвать непровар корня шва. В этом случае жидкий металл затекает перед дугой, что препятствует сплавлению его с холодным основным металлом.

Непровар по кромке обычно является следствием изменения формы шва из-за уменьшения напряжения дуги или увеличения скорости сварки. Это приводит к несовпадению формы шва или слоя с формой разделки или пространства, образовавшегося между слоями. К тому же ведет недостаточно точное направление электрода по отношению к свариваемым кромкам или слою (при этом шов смещается на одну сторону, вторая кромка или слой не оплавляются дугой), а также неправильная последовательность наложения слоев при многослойной сварке. Во всех случаях основной металл не расплавляется, в результате чего образуется непровар.

При электрошлаковой сварке наблюдаются непровары по двум кромкам (рис. 20, а), по одной кромке (рис. 20, б) и местные непровары у поверхности соединяемых элементов (рис. 20, в) или по середине шва. Непровар по двум кромкам вызван малой шириной шва, что связано с низким напряжением или высокой скоростью сварки. Непровар по одной кромке вызван неточным ведением электрода по оси соединения, из-за чего шов смещается на одну из кромок, а вторая кромка не оплавляется.



Рис. 20. Непровары по кромке при электрошлаковой сварке

Непровар у поверхности свариваемых деталей возникает при увеличении расстояния от конечного положения электрода до ползуна и при малой продолжительности остановки электрода в конечном положении. Непровар по середине деталей по их толщине при сварке двумя подвижными электродами является следствием излишне большого расстояния между последними или «виляния» конца электрода из-за его перегрева. Участок шва с непроваром, превосходящим регламентируемую соответствующими техническими документами величину, должен быть удален и заварен заново.

Подрезы. Подрезом называют местное уменьшение толщины основного металла у границы шва. Подрез приводит к резкой концентрации напряжений в тех случаях, когда он расположен перпендикулярно к направлению главных напряжений, действующих на сварное соединение. Для конструкций, работающих при вибрационных нагрузках, подрез существенно снижает прочность сварного соединения. Наиболее часто подрезы возникают при сварке угловых швов и первых слоев многослойных стыковых швов (рис. 21).

Значительно реже подрезы образуются при сварке однослойных стыковых швов с разделкой и без разделки кромок. Подрезы могут быть двусторонними, т. е. располагаться с двух сторон шва, или односторонними, т. е. располагаться с одной стороны шва. Типичными являются двусторонние подрезы. При сварке угловых швов наклонным электродом или с оплавлением кромки иногда наблюдается односторонний подрез с наплывом металла на горизонтально расположенную деталь (рис. 21, в).

Рис. 21. Подрезы:

а -- двусторонний при сварке углового шва;

б -- двусторонний при сварке первого слоя многослойного стыкового шва;

в -- односторонний с наплывом на вторую кромку при сварке углового шва

В большинстве случаев подрез является следствием излишне высокого напряжения дуги или недостаточно точного ведения электрода по оси соединения. В первом случае часть канавки, выплавленной дугой в основном металле, не заполняется металлом сварочной ванны. Если же ширина канавки меньше, чем ширина шва, который может сформироваться при данном количестве дополнительного металла, образуется выпуклый шов (рис. 22). При неточном ведении электрода происходит более глубокое проплавление одной из кромок и металла сварочной ванны не хватает для полного заполнения образовавшейся канавки. При сварке наклонным электродом или вертикальным электродом с оплавлением кромки образование подреза облегчается стеканием металла на горизонтально расположенную деталь. Образование подрезов при сварке стыковых швов без разделки кромок связано также с плохим растеканием металла.



Рис. 22. Выпуклый шов: а -- угловой; б -- стыковой

При электрошлаковой сварке подрезы возникают на поверхности свариваемых деталей, соприкасающихся с ползунами, при повышении напряжения процесса, увеличении продолжительности остановки электрода в конечном положении и плохом охлаждении ползунов.

Если размеры подреза превосходят допускаемые, острую грань его следует сглаживать механическим путем для создания плавного перехода от основного металла к металлу шва. Если глубина подреза превосходит 1--2 мм (в зависимости от толщины основного металла), то дефектный участок заваривают. Заваривать следует швом достаточного сечения. Подрезы, образовавшиеся в глубинных слоях многослойного шва, если они не были заварены при наложении последующих слоев, являются внутренним дефектом. Такие подрезы, как правило, заполнены шлаком, затекшим в образовавшуюся при подрезе полость.

Наплывы. Наплывом называют натекание металла шва на поверхность основного металла без сплавления с ним. Наплывы наблюдаются преимущественно при сварке однослойных стыковых швов без разделки кромок и при сварке угловых швов наклонным электродом или с оплавлением кромки и при наплавке (рис. 23). Наплыв, изображенный на рис. 23, с, иногда называют грибовидностью. Возникают наплывы при неправильном выборе режима сварки или наличии на свариваемых кромках толстого слоя окалины.



Рис. 23. Наплыв при сварке шва:

а - стыкового; б - углового

Для предупреждения образования наплыва следует увеличить ширину шва, повысив напряжение дуги, или уменьшить количество металла, образующего усиление. Это достигается путем размещения металла в зазоре между свариваемыми кромками или в разделке. Наплывы -- это внешний дефект, но из-за натекания металла на кромку выявление их при осмотре шва затруднено. При электрошлаковой сварке наплывы образуются при неплотном поджатии ползунов и тогда, когда выемка в ползуне значительно превосходит ширину шва. В этом случае металл, заполняющий выемку, не сплавляется с холодным основным металлом. Устраняют наплывы механическим удалением избыточного металла.

Прожоги. Прожогами называют полости в шве, образовавшиеся в результате вытекания сварочной ванны. Прожоги возникают при избыточной силе тока, увеличении зазора между свариваемыми кромками, изменении положения (наклона) электрода или изделия и неплотном прилегании флюсовой, флюсомедной или стальной подкладки к свариваемым листам. Прожоги обнаруживаются при внешнем осмотре. Это недопустимый дефект сварного соединения. Места прожогов должны быть зачищены и заварены заново. На рис. 24 показан прожог, образовавшийся при выполнении однослойного шва на флюсовой подушке. Начальной стадией прожога является провисание шва, наблюдаемое при односторонней сварке (рис. 25). При сварке тонкого металла иногда образуются специфические дефекты, внешне похожие на прожоги, но не связанные с вытеканием сварочной ванны. Природа их образования пока не выяснена.