Дефекты сварных швов

Рис. 24. Прожог (обратная сторона шва)

Рис. 25. Провисание шва

Кратер. Кратером называют углубление, образующееся после обрыва дуги в конце шва. На участке кратера шов имеет уменьшенное сечение. В кратере, как правило, обнаруживаются усадочные рыхлости, часто переходящие в трещину (рис. 26). Длина кратера в зависимости от режима сварки составляет 20--200 мм. При механизированных видах сварки кратер образуется только в конце данного шва, который, как правило, выводят на выводную планку. При сварке вручную кратер возникает в конце участка шва, сваренного каждым отдельным электродом.

Рис. 26. Трещина в кратере шва

В особо ответственных конструкциях металл шва на участке кратера следует удалять механическим путем или выплавлять. Если сварку вручную ведут без выводных планок, то кратер в конце шва необходимо тщательно заваривать и обрывать дугу на заваренном участке шва. Не следует выводить кратер на основной металл, так как это приводит к образованию подрезов и ожогов.

Шлаковые включения. Шлаковыми включениями называют видимые невооруженным глазом округлые или вытянутые включения шлака, расположенные в металле шва как у границы сплавления, так и между отдельными слоями или в вершине провара. Они обычно образуются в результате заполнения сварочным шлаком несплошностей, возникающих при непроварах или подрезах.

Шлаковые включения относятся к внутренним дефектам шва. Участки шва, где их величина превышает допускаемую техническими условиями на данный вид продукции, вырубают и заваривают заново.

Ожоги. Ожогами называют небольшие участки подвергавшегося расплавлению металла на основном металле вне сварного шва. Эти участки обладают пониженной пластичностью. Возникают ожоги в результате возбуждения дуги с целью освобождения конца электрода от обмазки, при контакте поверхности находящегося под напряжением держателя с изделием и при выводе кратера за пределы шва на основной металл. Ожоги относятся к внешним дефектам.

Неравномерность ширины шва. Ширина шва обычно изменяется в результате резких колебаний напряжения дуги или скорости сварки. Значительные изменения ширины шва сопровождаются изменением глубины проплавления, что может привести к непровару.

6. Дефекты наплавки

Основные дефекты наплавки: трещины в наплавленном слое и в зоне сплавления с основным металлом детали, поры и раковины, шлаковые включения, несплавления слоя с основным металлом детали, подрезы и др.

Дефекты могут быть внешними, выходящими на поверхность наплавок, и внутренними, располагающимися внутри наплавленного слоя. Внешние дефекты обнаружить сравнительно легко путем осмотра наплавок, с помощью магнитной дефектоскопии и пр. Обнаружение внутренних дефектов представляет сложную и не всегда надежно разрешимую задачу. В этом случае пользуются методом контроля: просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами, методом магнитной и ультразвуковой дефектоскопии, металлографическими исследованиями макро- и микрошлифов и др.

Трещины являются наиболее опасным дефектом наплавок, так как под воздействием быстроизменяющихся нагрузок или тепловых колебаний они могут развиваться, т.е. увеличиваться в размерах, что может привести к преждевременному выходу детали из строя. Поэтому контролю на обнаружение трещин необходимо уделять весьма серьезное внимание.

Возникновение трещин зависит от содержания углерода и серы в наплавленном металле, от недостаточного предварительного подогрева детали при наплавке, жесткости изделия и пр. Холодные трещины могут возникать при отсутствии замедленного охлаждения детали после наплавки.

Поры могут образовываться при использовании влажного или отсыревшего флюса, при наличии ржавчины на наплавляемых поверхностях, при недостаточном слое флюса и пр. Поры появляются при наплавке по металлу, ранее наплавленному электродами с меловой обмазкой, который содержит повышенное количество азота.

Поры являются менее опасным дефектом, чем трещины, но их наличие снижает износостойкость и прочность наплавленного металла.

Шлаковые включения чаще наблюдаются при многослойной наплавке. Они являются результатом наплавки по неудаленной или плохо удаленной шлаковой корке с предыдущих слоев. При этом шлак не успевает расплавиться и всплыть на поверхность металла, вследствие чего остается в металле в виде шлаковых включений.

Несплавления наплавленного металла с основным металлом детали могут образоваться при несоответствии выбранной скорости наплавки, неправильной установке электрода, загрязнениях наплавляемых поверхностей, нарушении режима наплавки и пр. Наличие этих дефектов может привести к отколу наплавленного слоя в процессе работы восстановленной детали.

Часто наплавленные детали устанавливают на машины без последующей механической обработки (ножи бульдозеров, опорные катки тракторов и др.). В этом случае важным требованием является гладкая поверхность наплавленного слоя. Причиной наплывов и углублений в наплавленном слое является нарушение режима наплавки -- силы тока, напряжения дуги, скорости наплавки, смещения электрода с зенита при наплавке цилиндрических деталей, величины вылета электрода и пр.

Причиной поверхностных дефектов наплавленного слоя может явиться и плохая устойчивость дуги.

7. Холодные трещины при дуговой сварке сталей

Определение. Первоначально признаком, по которому трещины относились к холодным, было их расположение в зоне термического влияния. В литературе их называют «трещины в основном металле», «подваликовые трещины», «трещины в закаленной зоне», «холодные трещины в зоне термического влияния» и т.п.

Холодные трещины (XT) образуются в сварных соединениях при охлаждении их до относительно невысоких температур, как правило, ниже 200 °С. К этому времени металл шва и околошовной зоны приобретает высокие упругие свойства, присущие ему при нормальных температурах. XT являются типичным дефектом сварных соединений из среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Значительно реже они возникают в соединениях из низколегированных ферритно-перлитных сталей и высоколегированных сталей аустенитного класса. Ввиду преимущественного возникновения XT в соединениях из восприимчивых к закалке мартенситных и перлитных сталей трещины этого типа иногда называли закалочными. Холодные трещины наиболее часто поражают околошовную зону и реже -- металл шва (рис. 27 и 28).

Наиболее простым способом идентификации XT является разрушение образцов, содержащих трещину, таким образом, чтобы поверхность дефекта обнажилась. Поверхности холодных трещин почти всегда имеют металлический блеск. Изредка на поверхности излома холодных трещин наблюдается тонкая оксидная пленка, которая придает ей голубой оттенок.

Морфология горячих и холодных трещин обычно одинаковая. Но, если горячие трещины, как правило, разветвленные, то XT более плоские и прямолинейные. Кроме того, они раскрыты шире и четко ориентированы в одном направлении, потому что в момент образования трещины усадочные напряжения в температурной зоне XT значительно выше.

При определении характера трещин могут быть использованы такие наблюдения:

а) количество XT уменьшается с увеличением температуры предварительного подогрева образца;

б) количество XT уменьшается с увеличением погонной энергии сварки.

При фрактографическом анализе поверхности холодной трещины часто наблюдаются кроме плоских участков ее поверхности микрозоны со ступенчатым изломом.

Морфология холодных трещин. В зависимости от расположения в сварном соединении различают продольные и поперечные трещины, залегающие в металле шва и околошовной зоне (рис. 29). Особо выделяют продольные трещины, залегающие в зоне сплавления шва с основным металлом, которые называют отрывами. Продольные трещины, расположенные в околошовной зоне, называют отколами. Часто встречаются также поперечные и продольные трещины, переходящие из околошовной зоны в шов. Переход трещин из шва в околошовную зону встречается значительно реже. Поперечные трещины, зародившиеся в околошовной зоне и перешедшие в шов, показаны на рис. 30. Трещины отмеченных видов могут выходить и не выходить на поверхность свариваемого металла. В зависимости от этого их называют наружными или внутренними трещинами.

Рис. 27. Зона термического влияния низколегированной С--Мn стали, водородная трещина в корне однопроходного углового шва

Рис. 28. Трещины, вызванные водородом, в зоне термического влияния многопроходного сварного шва стыкового соединения стали класса DH-36 толщиной 44 мм, выполненного порошковой проволокой типа Е71Т-1МН8 с тепловложением 1,6 кДж/мм при температуре свариваемого металла 16 °С и относительной влажности воздуха в зоне сварки 80%

Отколы являются наиболее общим и частым дефектом сварных соединений. Отрывы встречаются, как правило, в сварных соединениях из закаливающихся сталей, в которых металл шва имеет аустенитную структуру. Поперечные трещины в околошовной зоне встречаются редко и, как правило, только при сварке многослойных швов.

Рис. 29. Типы холодных трещин по месту их расположения: 1 -- продольные; 2 -- поперечные; 3 -- в зоне термического влияния

XT в шве образуются главным образом при повышенном содержании в металле шва углерода и легирующих элементов. Наиболее часто в сварных соединениях встречаются околошовные трещины.

Кроме температуры возникновения, внешнего вида и расположения в соединении важнейшей отличительной чертой холодных трещин является их задержанное зарождение и замедленное развитие. Они возникают по истечении некоторого времени после окончания сварки, и затем медленно, на протяжении нескольких часов и даже суток, распространяются в металле.

Рис. 30. Индуцированные водородом трещины в зоне термического влияния угловых (а) и стыковых (б) швов: 1 -- внешняя продольная трещина на границе сварного шва; 2 -- подваликовая трещина; 3 -- трещина в корне шва; 4 -- поперечная трещина

Известны примеры, когда трещины возникали даже по истечении нескольких десятков суток.

Холодные трещины чаще всего развиваются прерывисто (скачкообразно), причем одновременно может развиваться несколько микротрещин. Если же в соединении при сварке накопилась большая энергия упругой деформации, то после начального периода замедленного развития холодная трещина растет мгновенно (взрывообразно) и со значительным звуковым и механическим эффектом распространяется на все сечение соединения.

Итак, XT являются типичным дефектом сварных соединений среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Значительно реже они возникают в соединениях из низколегированных ферритно-перлитных сталей и высоколегированных сталей аустенитного класса. XT образуются в сварных соединениях при охлаждении их до относительно невысоких температур, как правило, ниже 200 °С.

8. Устранение сварочных дефектов

Крупные трещины в швах ликвидируют путем их заварки. Предварительно сверлят сквозные отверстия на расстоянии 40--50 мм от каждого конца трещины, чтобы предупредить ее дальнейшее распространение. Затем пневматическим зубилом, газовым резаком для поверхностной резки или воздушно-дуговым резаком производят V- или Х-образную разделку трещины, зачищают ее кромки от шлака и заваривают обратно-ступенчатым способом (рис. 31). Иногда перед сваркой металл в конце трещины нагревают газовой горелкой до температуры 150--200 °С с тем, чтобы шов и нагретые участки остывали одновременно. Это позволяет избежать появления остаточных напряжений на концах шва.

Швы с внутренними мелкими трещинами, непроварами, газовыми и шлаковыми включениями полностью вырубают или выплавляют и заваривают вновь. Аналогичным образом поступают с пережженными участками.

В сварных конструкциях, изготовленных из углеродистых сталей, применяют как выплавку, так и вырубку швов; в конструкциях же из легированных сталей швы можно только вырубать, так как при выплавке происходит изменение структуры и свойств основного металла.

Рис. 31. Схема исправления сварного соединения с трещиной 1 -- места подогрева; 2 -- засверленные отверстия; 3 -- разделка кромок трещины; 4 -- трещина; I, II, III, IV -- последовательность заварки

Неполномерность шва устраняют наплавкой дополнительных слоев, а подрезы заваривают тонкими валиковыми швами.

Наплавы, натеки, а также чрезмерное усиление шва (лишний металл в сечении шва) удаляют пневматическим зубилом или абразивным инструментом.

При перегреве металла выполняют соответствующую термическую обработку.

Исправление деформированных элементов сварных конструкций.

В том случае, когда величина деформаций выходит за пределы допустимой, необходимо выправлять элементы или изделия механическим, термическим или термомеханическим способом.

Для механической правки применяют домкраты, винтовые прессы, молоты и другие устройства, создающие ударную или статическую нагрузку, которая прилагается со стороны наибольшего выгиба изделия (рис. 32). Данный способ правки довольно трудоемкий. Неправильное его выполнение может привести к образованию трещин и разрывов в сварных швах, а иногда и в основном металле.

Деформированные изделия из тонколистового металла выправляют прокатыванием их между валками (рис. 33), предварительно установив накладки на сварные швы. В процессе прокатки сварной шов растягивается, в нем возникают пластические деформации, снимающие напряжения и вызванные ими коробления.

Для выправления деформированных изделий из толстолистовой стали применяют послойную проковку сварных швов.

Термическая правка заключается в нагреве небольших участков металла деформированной конструкции при помощи сварочных горелок. Нагрев ведут до перехода металла на выпуклой стороне деформированного изделия в пластическое состояние. В процессе охлаждения нагретых участков возникают напряжения, выправляющие изделия.

При правке сварной тавровой балки выпуклую ее часть нагревают полосами шириной 20--30 мм, сходящимися под углом примерно 30° (рис. 34, а). Таким же образом для выправления швеллерной балки нагревают обе полки и, кроме того, полосами шириной около 30--40 мм -- ее стенку (рис. 34, б). При общем выпучивании рамы, сваренной из швеллеров, полосы нагрева располагают в середине пролетов так, как показано на рис. 34, в.

Рис. 32. Схема исправления сварной тавровой балки путем приложения статической нагрузки

Рис. 33. Схема исправления деформированных изделий из тонколистового металла

а - листы после сварки до прокатки, б - схема процесса прокатки, 1 - сварной шов, 2 - накладка, 3 - прокатные валки

Рис. 34. Расположение участков нагрева при термической правке

а - тавровой балки, б - балки швеллерного сечения, в - рамы из швеллеров

Температура нагрева поверхности стальных изделий составляет в °С:

При толщине металла до 6 мм: 300-500

То же, 7-12 мм: 500-650

13-20: 650-800Б

Свыше 20: 800-850

Чтобы определить время окончания нагрева, пользуются таблицами температур, соответствующих различным цветам при нагреве (табл. 1) и цветам побежалости (табл. 2).

Таблица 1. Цвета стали при различных температурах нагрева

Таблица 2. Цвета побежалости стали при различных температурах нагрева

Более точно температуру нагрева контролируют оптическими или радиационными пирометрами.

Термомеханическая правка сочетает местный нагрев с приложением статической нагрузки, изгибающей деформированный элемент (в нужном направлении. Данный способ применяется для исправления сравнительно жестких узлов (рис. 35).

Рис. 35. Термомеханическая правка сварного фундамента с применением домкрата (цифрами показана последовательность мест нагрева)

1 - опоры, 2 - места нагрева, 3 - домкрат

Все способы правки следует вести в приспособлениях, позволяющих контролировать размеры выпрямляемых элементов и их прогибы.

В большинстве случаев дефекты сварки, а также деформации сварных конструкций можно исправить описанными выше способами. В противном случае изделие бракуют и составляют акт по форме, принятой в данной организации.

Уменьшение величины напряжений.

Внутренние напряжения в сварных швах снижают послойной шроковкой швов, предварительным или сопутствующим подогревом изделий, термической обработкой после сварки.

Послойную проковку швов обычно выполняют пневматическим зубилом с закругленным бойком. Проковка рекомендуется при многослойной сварке деталей большой толщины, причем во избежание появления трещин и надрывов первый и последний слои шва не проковывают. Швы, склонные к закалке, проковывать не следует.

Предварительный или сопутствующий подогрев применяют при сварке сталей, склонных к закалке и образованию трещин. Температуру подогрева (100--600 °С) выбирают в зависимости от марки стали и жесткости конструкции. Подогревают изделия индукторами, многопламенными горелками, в печах.

Термическая обработка после сварки, необходимая для выравнивания структуры шва и зоны термического влияния, также снимает внутренние напряжения. Для этого применяют низкотемпературный отпуск изделия из расчета 2--3 мин на 1 мм толщины металла и медленное охлаждение его вместе с печью.