Дефекты сварных соединений и контроль качества сварки

Контрольные вопросы.

1. Порядок выбора технологического процесса сварки изделия?

2. Типы сварных соединений.

3. Как выбрать режимы РДС?

4. Технология и режимы механизированной сварки под флюсом.

5. Технология сварки меди и её сплавов.

6. Как сваривают изделия из латуни и бронзы?

7. Технология сварки алюминия и её сплавов.

8. Трудности при сварке изделий из титановых сплавов?

9. Способы сварки титановых сплавов?

10. Как сваривают разнородные материалы?

11. Сварка пластмасс.

12. Техника безопасности при проведении сварочных работ.

Дефекты шва и сварных соединений. Качество сварных соединений в значительной мере определяет эксплуатационную надёжность и экономичность конструкций. Наличие в сварных швах дефектов может привести к нарушению герметичности, прочности судовых сварных конструкций, а в отдельных случаях и к разрушению корпуса судна.

Дефекты сварных соединений условно разделяют на 2 группы:

1-ая группа – дефекты физико-химического происхождения (поры, неметаллические включения, горячие и холодные трещины);

2-ая группа - дефекты технологического происхождения или их называют дефектами формирования шва (непровары, несплавления, неравномерность размеров сечений швов по их длине, наплывы металла швов, подрезы, кратеры, трещины наружные и пр.).

Поры. Этозаполненные газом полости в металле шва, имеющие округлую, вытянутую и более сложную форму. Они возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов.

Поры могут быть микроскопическими и крупными (диаметром 4-6 мм). Выходящие на поверхность поры (свищи) выявляются при внешнем осмотре, а внутренние – рентгенографированием или ультразвуковым методом. Основной причиной образования пор при сварке стали являются водород, азот, окись углерода. Остальные газы (Н₂О, СО₂ и др.) не оказывают существенного влияния на порообразования.

При сварке алюминия, меди и их сплавов пористость в основном вызывается водородом и парами воды. Для предупреждения пор в этом случае металл сварного шва должен содержать не менее 0,15% кремния.

Образование пор в швах из стали от выделения водорода и азота обусловлено резким снижением их растворимости в процессе затвердевания металла сварочной ванны. На пористость швов существенное влияние оказывает скорость кристаллизации сварочной ванны. При большой скорости кристаллизации металла

Рост кристаллитов обгоняет рост и всплытие пузырька газа, пузырёк захватывается металлом, в результате чего образуется пора. Снижение скорости сварки, увеличение объёма сварочной ванны, уменьшение теплоотвода в основной металл и увеличение его начальной температуры снижают скорость кристаллизации металла и уменьшают пористость швов.

Неметаллические включения. К ним относятся оксидные, сульфидные, фосфоросодержащие и нитридные включения. Источником их служит осаждающее раскисление и сварочные шлаки. Основную роль при этом играют процессы раскисления. Наличие в металле шва неметаллических включений приводит к снижению пластичности и хладостойкости. Загрязнение металла шва неметаллическими включениями ослабляется при комплексном раскислении. В этом случае продукты раскисления образуют легкоплавкие эвтектики, которые в значительной мере вытесняются фронтом растущих дендритов на поверхность шва.

Горячие трещины. Это макроскопические или микроскопические, имеющие характер надреза, несплошности. Горячие трещины возникают при температурах, близких температуре кристаллизации металла (900 – 1400⁰С – для сталей) и зависят от химического состава металла. Они подразделяются на кристаллизационные и подсолидусные. Кристаллизационные трещины зарождаются в процессе первичной кристаллизации металла шва и могут затем развиваться при остывании металла в твёрдом состоянии. По расположению они могут быть продольные и поперечные.

Подсолидусные трещины образуются уже в твёрдом металле, при температурах несколько ниже температуры солидуса (на 50-100⁰С). Природа образования трещин двух видов различна.

Процесс образования кристаллизационных трещин может быть описан следующей схемой. При кристаллизации на металл шва воздействуют растягивающие напряжения, возникающие в результате неравномерного нагрева и охлаждения свариваемого металла, жёсткого закрепления деталей и затруднённого сокращения металла шва. Наличие растягивающих напряжений вызывает пластическую деформацию металла шва, причём интенсивность её нарастания увеличивается со снижением температуры. Если деформация металла, вызванная усадкой ε_1, превысит деформационную способность металла, характеризующуюся относительной деформацией δ, то произойдёт разделение кристаллитов, т. е. образование трещин (ε₁ > δ). Эти механические условия были положены в основу схемы образования горячих трещин, разработанной доктором технических наук Н.Н. Прохоровым [1,4]. На рис.8.1. представлена зависимость деформационной способности сплава δ от температуры Т, которая, как правило, определяется экспериментально.

Эта схема (Рис.8.1) иллюстрирует механические условия образования горячих трещин (по Н.Н. Прохорову). Здесь:

ТИХ - температурный интервал хрупкости;

δ - относительное удлинение металла при растяжении;

ε - фактическая деформация металла;

S - линия солидуса;

L - линия ликвидуса.

При снижении температуры деформационная способность металла резко падает, при этом минимальное значение наблюдается при образовании двухфазного состояния, в котором кристаллиты разобщены небольшим количеством эвтектики, располагающейся по их границам в виде плёнки. Этот температурный интервал называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). В первом приближении от величины (ТИХ) зависит фактическая деформация

ε = α · (ТИХ)

Где α - коэффициент линейного расширения металла.

Минимальная деформационная способность металла зависит от количества эвтектики. С появлением эвтектики δ_min вначале снижается, а затем повышается, а склонность к кристаллизационным трещинам уменьшается. Это приводит к залечиванию трещин, т. е. заполнению образующихся в металле трещин эвтектикой, имеющейся в избытке.

Кристаллизационные трещины проходят по ликвационным прослойкам, разъединяющим кристаллиты. В сварных швах они располагаются вдоль границы кристаллитов (при наличии междендритной ликвации) либо посередине шва (при наличии зональной ликвации).

В отличие от кристаллизационных трещин, имеющих межкристаллитный характер, подсолидусные трещины проходят внутри кристаллов. Их образование связывают со снижением пластичности металла шва вблизи линии солидуса. Это объясняется влиянием диффузионных процессов, приводящих к укрупнению зерна, уменьшению протяжённости их границ, появлению на границах различных дефектов и ослаблению прочности связей между зёрнами.

Подсолидусные трещины возникают преимущественно на границах зёрен и характерны для однофазных сплавов.

Стойкость металла шва и ЗТВ против образования горячих трещин зависит от δ_min, ТИХ и темпа нарастания деформаций во времени dε/dt.

Для уменьшения склонности сварных швов к образованию горячих трещин следует принимать следующие меры:

1. использовать сварочные материалы, обеспечивающие минимальное содержание в шве серы, фосфора и углерода;

2. легировать металл шва марганцем, связывающим серу в тугоплавкое соединение МnS;

3. применять сварные соединения, имеющие малую склонность к образованию трещин (широкие швы с большим значением Ψ);

4. измельчение первичной структуры и предотвращение образования крупностолбчатой структуры путём введения в шов модифицирующих элементов (титан, алюминий и др.);

5. уменьшения темпа нарастания деформации путём применения предварительного и сопутствующего сварке подогрева, а также выбором режимов сварки и параметров шва. Кристаллизационные трещины могут возникать не только в металле шва, но и на участке перегрева ЗТВ.

Холодные трещины. Это типичный дефект среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного класса. В отличие от кристаллизационных и подсолидусных трещин холодные трещины образуются в сварных соединениях при невысоких температурах, ниже 200⁰С. Они могут иметь водородное происхождение, закалочное или смешанное и носят замедленный характер образования в отличие от горячих трещин.

Трещины водородного происхождения образуются в результате появления на границах зёрен флокенов (пузырьков), заполненных молекулярным водородом, диффундирующим в атамарном виде из металла.

Трещины закалочного происхождения наблюдаются при образовании в металле шва и околошовной зоны хрупкой структуры мартенсита.

Борьба с холодными трещинами – это способы борьбы с водородом и применение сопутствующего подогрева при сварке.

Величины допустимых погрешностей в размерах сварных швов оговорены для ручной сварки в отраслевой судостроительной нормали, а для сварки под флюсом – в ГОСТ РФ 8713 – 70, а также в Правилах Регистра РФ [ 7 ]. Правилами Регистра РФ установлено, что в стыковых швах ответственных листовых корпусных конструкций недопустимы несплавления, непровары, трещины. Однако в швах допускаются незначительные дефекты (поры, включения, поверхностные дефекты).

Контроль качества сварки. Повышение качества, а следовательно и конкурентоспособности выпускаемой продукции – одна из важнейших экономических и политических задач на современном этапе развития рыночных отношений и проведения модернизации экономики в РФ.

От качества выполнения сварных соединений корпусных конструкций зависит эксплуатационная долговечность судна и безопасность плавания.

Обнаружение дефектов сварных швов и выявление их причин с целью предупреждения их появления вновь, применение действенных методов контроля и испытаний являются важным и необходимым этапом постройки и ремонта судов. Как уже было сказано выше, все дефекты подразделяются на внутренние и наружные и дали краткую оценку некоторых из них. Одни из дефектов при определённых размерах могут быть допустимыми, другие – нет. Так Правила Морского Регистра РФ допускают поры размером менее 0,1 толщины листов, но не более 2 мм; подрезы основного металла глубиной не более 0,5 мм и длиной не более 15 мм при суммарной протяжённости подрезов не более 10% длины шва. Наружные дефекты в сварных швах, которые снижают прочностные свойства и могут привести при эксплуатации к появлению трещин и даже к разрушению конструкции недопустимы и их необходимо при обнаружении сразу, исправлять.

Внутренние дефекты сварных швов не обнаруживаются при визуальном осмотре и испытаниях на непроницаемость. Для выявления внутренних дефектов применяются различные физические методы контроля: рентгено- и гаммаграфирование, ультразвуковой контроль и др.