Дефекты сварных швов

 

Надежность эксплуатации сварных соединений зависит от их соответствия нормативной документации, которая регламентирует конструктивные размеры и форму готовых сварных швов, прочность, пластичность, коррозионную стойкость и свойства сварных соединений. Все встречающиеся типы дефектов сварных соединений можно подразделить на четыре группы: по расположению, форме, размерам и количеству.

По расположению различают дефекты наружные, внутренние и сквозные. По форме компактные и протяженные, плоские и объемные, острые (с надрезом) и округлые (без надреза). По размерам – мелкие, средние и крупные. По количеству – единичные и групповые (цепочки, скопления).

К наружным дефектам относятся нарушения формы, размеров и внешнего вида швов: неравномерная ширина шва по его длине, неравномерная высота шва, неравномерные катеты угловых швов, подрезы, наплывы, прожоги, не заваренные кратеры, свищи.

Образование внутренних дефектов при сварке связано с металлургическими, термическими и гидродинамическими явлениями, происходящими при формировании сварного шва.

К внутренним дефектам относятся трещины (горячие и холодные), непровары, поры, шлаковые вольфрамовые и окисные включения.

При макроанализе сварных швов выявляются следующие поверхностные дефекты:

а) неравномерность ширины и высоты наплавленного металла, наличие углов, наплывов, седловин у стыковых швов и неравная величина катетов у угловых швов.

Наплыв на сварном соединении – дефект в виде натекания металла шва на поверхность основного металла или ранее выполненного валика без сплавления с ним;

б) подрезы, представляющие собой углубления у кромки шва в основном металле, возникают при завышенном режиме дуги и уменьшают расчетное поперечное сечение материала, выступая одновременно в качестве концентраторов напряжений. Подрезы опасны и недопустимы, как очаги преждевременного разрушения (рис.2.4);

 

 

Рис.2.4. Подрез

 

в) кратеры возникают при обрывах дуги. Они снижают стойкость шва против коррозии и локально уменьшают расчетное поперечное сечение. Поэтому часто являются очагами появления трещин и преждевременного разрушения;

г) прижоги – дефекты в виде окалины, пленки окислов или цветов побежалости на поверхности сварного соединения, появляются от чрезмерного завышения теплового режима сварочной дуги или в результате неравномерного перемещения электрода. При прижогах металл из-за укрупнения зерна становится недопустимо хрупким.

Все названные выше дефекты сварных швов могут быть устранены подваркой, если таковая допускается техническими условиями. Однако факт наличия этих поверхностных дефектов служит обычно основанием для предположения о наличии в металле шва опасных внутренних дефектов схематически представленных на рис. 2.6.

Наиболее крупные из них можно выявить, не разрушая сварного соединения, например, с помощью рентгено – и гамма дефектоскопии, магнитным и ультразвуковым контролем.

Также важными дефектами являются следующие:

Прожог – дефект в виде сквозного отверстия в сварном шве, образовавшийся в результате вытекания сварочной ванны (рис.2.5).

Рис.2.5. Прожог

 

Брызги металла – дефект в виде затвердевших капель металла на поверхности сварного соединения.

Смещение сваренных кромок – дефект в виде несовпадения сваренных кромок по высоте из-за некачественной сборки сварного соединения.

Занижение размеров сечения сварного шва – отклонение размеров сварного шва от минимально допустимых значений.

Вогнутость корня – дефект в виде углубления на поверхности обратной стороны сварного одностороннего шва.

Утяжина сварного соединения – дефект в виде углубления на поверхности обратной стороны сварного соединения в не полностью проплавленном основном металле детали или на остающейся подкладке вследствие усадки металла одностороннего шва.

а

б в г

 

Рис. 2.6. Типичные внутренние дефекты: поры и газовые раковины – (а), шлаковые включения – (б), непровары – (в), трещины – (г).

 

Значительно сложнее – задача выявления мелких внутренних изъянов и особенно дефектов структуры.

К таким типичным недостаткам у сварных соединений относятся:

а) газовые раковины и поры (рис. 2.6, а). Пора – дефект сварного шва в виде полости округлой формы, заполненной газом возникающие вследствие насыщения газами металла сварочной ванны. Они могут быть и в результате загрязнения свариваемых кромок основного металла, сварки длинной дугой, наличия влаги в электродном покрытии и т.п.;

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

в) Непровар – это участок сварного соединения, где отсутствует сплавление между свариваемыми деталями, например, в корне шва, между основным и наплавленным металлом (по кромке) или между смежными слоями наплавленного металла (рис 2.7). Непровары уменьшают рабочее сечение сварного шва, что может привести к снижению работоспособности сварного соединения. Являясь концентраторами напряжений, непровары могут вызвать появление трещин, уменьшить коррозионную стойкость сварного соединения, привести к коррозионному растрескиванию;

 

Рис.2.7. Непровары

а – в корне одностороннего стыкового шва;

б – по кромке между основным и наплавленным металлом;

в – в корне двустороннего шва;

г – между слоями.

г) трещины – наиболее опасные внутренние дефекты сварки. Они могут быть макроскопическими и микроскопическими, а по происхождению горячими и холодными. Первые из них возникают в процессе кристаллизации наплавленного металла под действием растягивающих напряжений. Холодные трещины появляются по тем же причинам в уже остывшем металле и до эксплуатации, и в процессе таковой (рис.2.8).

Причины трещин:

1) Усадочные напряжения, превышающие предел прочности металла;

2) Жесткое закрепление свариваемых элементов;

3) Структурные напряжения, например, образование мартенсита;

4) Повышенное содержание углерода, серы и фосфора в металле;

5) Сварка при низкой температуре;

6) Дефекты шва (поры, шлаковые включения и т.д.), вызывающие местную концентрацию напряжений в металле шва;

7) Сосредоточение нескольких швов на небольшом участке изделия, вызывающее повышенные местные напряжения (концентрация напряжений).

 

 

Рис.2.8. Продольная горячая трещина и холодная трещина в около шовной зоне

 

В табл. 2.1 приводятся термины различных видов трещин сварных соединений по ГОСТ 19232-73.

Таблица 2.1

 

Термин	Определение
Трещина сварного соединения	Дефект сварного соединения в виде разрыва в сварном шве и (или) прилегающих к нему зонах
Продольная трещина	Трещина, ориентированная параллельно продольной оси сварного шва
Поперечная трещина	Трещина, ориентированная перпендикулярно продольной оси сварного шва
Разветвления	Трещина сварного соединения, имеющая ответвления в различных направлениях
Микротрещины	Трещина сварного соединения, обнаруживаемая при увеличении не менее 50
Усадочная трещина	Дефект в виде полости, образовавшийся в результате усадки металла сварного шва при затвердевании

 

Сварные соединения с выявленными в них трещинами обычно отбраковываются и реже подлежат исправлению. Трещины – дефект недопустимый, а обнаружить их не всегда удается.

Для выяснения причин поломки сварного соединения или детали машины из них вырезают макрошлифы таким образом, чтобы анализируемая поверхность гарантировала достоверность и однозначность заключения. Исследуемая поверхность, например, макрошлифа сварного шва должна пересечь его поперек. Она тщательно шлифуется и полируется, травится соответствующим реактивом. Травление поверхности позволяет выявить макроструктуру (зерна, зоны перегрева, волокна) и установить характер дефектов. Так по макроструктуре можно вполне достоверно судить о качестве анализируемого сварного соединения.

 

Микроскопическое исследование

 

Метод основан на применении оптических микроскопов, работающих по принципу отраженного света, с полезным увеличением «60^х-2000^х». Основные элементы мезоструктуры: зерно, фрагмент зерна, блоки, микровключения (их форма, размеры, количество и взаимное расположение), границы зерен, линии сдвига, полосы скольжения, микротрещины и микропоры.

Анализ мезоструктуры производится с помощью микрошлифов, рабочие поверхности которых в форме ровной площадки после тщательной шлифовки полируются до зеркального блеска. Затем они подлежат промывке чаще спиртом, и сушке обычной фильтровальной бумагой.

При анализе такой отполированной поверхности под микроскопом выявляются присутствующие в металле неметаллические включения (сульфиды, шлак, окислы, силикаты, графит и др.), рыхлоты и микротрещины. Все они легко выявляются потому, что взаимодействуют со световым потоком иначе, чем зеркально гладкая металлическая поверхность.

Действительную мезоструктуру анализируемого металла можно увидеть лишь после травления поверхности микрошлифа соответствующим реактивом. Реактив растворяет металл, прежде всего, по границам зерен. Дело в том, что здесь в тонком слое, не более 2-3 межатомных расстояний, атомы занимают компромиссное положение относительно кристаллических решеток контактирующих зерен. Меньший порядок взаимного расположения в совокупности с присутствием чужеродных примесных атомов и обусловливает обычно большую скорость растворения границ зерен химическими реактивами. При этом они, естественно, углубляются, как схематически показано на рис. 2.9, а, и световые лучи, попав на них, рассеиваются. Поэтому в поле зрения окуляра границы зерен выглядят в виде ажурного темного контура, окаймляющего сравнительно светлые зерна (рис. 2.9, б).

а б

 

Рис. 2.9. Схема отражения световых лучей от поверхности шлифа (а) и видимой при этом зернистой структуры (б).

 

Сами зерна, если они совершенно однородны и по химическому составу и по структуре, например, в чистом металле, кристаллографически относительно поверхности микрошлифа ориентируется, случайно. Благодаря анизотропии свойств, поверхности двух рядов расположенных зерен будут растравливаться реактивом с разной скоростью. Соответственно на каждом из них образуется тончайший микрорельеф с разной рассеивающей способностью лучей света. Это придает каждому зерну индивидуальность тона освещенности.

У чистых металлов и однофазных сплавов разница в тоне освещенности между зернами сравнительно мала, но может быть достаточно велика в сплавах с двухфазным или многофазным строением. Нередко травление производят специальными реактивами, которые окрашивают разные фазовые составляющие структуры в соответствующие цвета.

Возможны случаи, когда оба структурные составляющие одного зерна одинаково хорошо сопротивляются действию реактива и растворяется лишь граница между ними. Примером тому служат в стали зерна перлита, в которых тонкие пластинки феррита и цементита чередуются между собой. Применяющийся обычно для травления стальных микрошлифов 3-5%-ный раствор азотной кислоты в спирте растравливает только границу между ними (рис. 2.6, а). Поэтому под микроскопом их пластинки в перлитном зерне выглядят светлыми, а тончайшая граница между ними темной. Если толщина пластинок феррита и цементита в плоскости шлифа около 0, 6 ммк и более, то под микроскопом хорошо видна пластинчатая структура перлитных зерен (рис. 2.6, б). Когда указанные пластинки по размеру меньше 0, 6 ммк, т.е. за пределами разрешающей способности оптического микроскопа перлитные зерна выглядят темными с относительно однородной тональностью фона в пределах границ отдельно взятого зерна.

 

а б

 

Рис. 2.9. Схема, иллюстрирующая травление перлитного зерна (а) и зернистую структуру доэвтектоидной стали (6).