Дефекты металла сварного шва

У прямошовных и спиральношовных труб появление дефектов в зоне сваренного под слоем флюса шва и геометрия шва тесно связаны с технологией и металлургией процесса сварки. Ниже рассматриваются возможные дефекты: поры, надрезы, шлаковые включения, трещины.

Поры могут появляться в разной форме, с различным распределением и в различном количестве при затвердевании сварного шва. Уже невооруженным глазом хорошо видны появляющиеся на поверхности поры (рис. 5, а), причем речь идет в большинстве случаев о порах удлиненной формы (рис. 5, б). Газовые каналы следуют при этом направлению дендритов. Поры, образующиеся в шве в форме шара (рис. 5, в), а также продолговатой формы в зависимости от их размера можно обнаружить только при рентгеновском или ультразвуковом контроле. Поры появляются по отдельности, в виде цепочек, а также могут образовывать скопления в виде гнезд.

Рис. 5. Поры в наплавленном материале: а - цепочка пор; б - пора удлиненной формы; в - мелкие поры

 

Азот, водород и кислород в соединении в качестве оксида или диоксида углерода являются причиной образования пор. При затвердевании расплавленного металла газовые пузыри могут выходить на поверхность или оставаться в направленном металле. В зависимости от скорости образования газовых пузырей и скорости затвердевания сварочной ванны образуются поры различной формы. При сварке под флюсом решающую роль играет химический состав флюса, проволочного электрода и основного металла в сочетании с параметрами сварки.

Надрезы могут возникать вследствие того, что стык не полностью заполняется. Подобные надрезы, проходящие чаще всего по кромке раздела шва, объясняются несоответствием между наплавляемым в единицу времени количеством металла и объемом стыка. Подобный дефект связан с неправильной настройкой параметров сварки.

Следует особо упомянуть надрезы, возникающие локально на кромках сварного шва (рис. 6). При этом они имеют чаще всего незначительную глубину (< 0,2 мм), но могут быть и глубиной до 1 мм. Недопустимые надрезы удаляются путем шлифования. Склонность к надрезу связана с составом сварочного флюса и параметрами сварки.

Рис. 6. Подрезы, травление HNO3 (увеличение в 3 раза)

 

Возникновение шлаковых включений определяется металлургической реакцией между шлаком и каплей, отделяющейся от конца электрода, а также ванной расплавленного металла. При нормально проходящем процессе шпак оседает на шов и может быть легко удален с охлажденного шва. Только при отклонении от заданных режимов сварки шлаковые включения могут оставаться в шве. Если, например, расстояние между сварочными электродами при многоэлектродной сварке слишком большое, то могут образоваться шлаковые включения между сварочными слоями шва и кромками разделки шва (рис. 7). Эти отложения встречаются только местами.

Рис. 7. Шлаковые включения: а - между слоями шва (увеличение в 3 раза); б - на кромках разделки (увеличение в 4 раза)

 

Трещинами являются разрывы материала, они различаются в зависимости от величины, характера расположения и причин возникновения. В зависимости от их длины различают макро- и микротрещины. Трещины могут быть интеркристаллитными и транскристаллитными. В соответствии с моментом возникновения в процессе затвердевания шва выделяют "горячие" и "холодные" трещины. Горячие трещины относятся к жидкому состоянию, в то время как холодные - образуются в твердом состоянии, в большинстве случаев при температуре окружающей среды.

Горячие трещины объясняются легкоплавкими фазами на границах первичного зерна, которые разрываются при деформации в результате усадки шва. В соответствии с моментом образования различают трещины, возникающие в процессе затвердевания и расплавления. Трещины при затвердевании образуются непосредственно при охлаждении наплавленного металла до температуры, близкой к температуре солидуса. Трещины расплавления образуются в зонах с повторной заваркой.

В нелегированных сварных швах горячие трещины могут образовываться в зависимости от химического состава, а также при неблагоприятной форме шва и, тем самым, при неблагоприятном направлении кристаллизации. Высокое содержание углерода и особенно серы и фосфора при одновременном низком содержании марганца могут приводить к образованию продольных трещин в середине шва (рис. 8). Если отношение ширины шва к его высоте становится < 1, то опасность образования горячих трещин увеличивается. Такое соотношение может иметь место при сварке толстых листов. В этой связи при сварке одного слоя снаружи и подварке второго изнутри необходимо предусмотреть меры для устранения горячих трещин за счет выбора соответствующих присадочных материалов для сварки и настройки оптимальных параметров.

Рис. 8. Горячая трещина в наплавленном материале при увеличении в 3 раза (а) и в 4 раза (б); травление HNO₃

 

 

Рис. 9. Поперечная трещина в наплавленном материале

 

Похожие на горячие трещины дефекты могут быть вызваны также и тем, что в область шва извне попадают легирующие составные части, образующие легкоплавкие пленки на границе зерен. В первую очередь следует иметь в виду медь, вызывающую охрупчивание границ зерен. Омедненные сварочные электроды подаются к месту сварки через сопла из меди. Кроме того, при сварке спиральношовных труб внутренний шов сваривается на медном седле. Однако, как показали лабораторные испытания на модели, требуется значительное истирание меди на еще горячий шов, чтобы медь проникла к границам зерен и под действием продольных напряжений образовались поперечные трещины (рис. 9).

Возникновение холодных трещин зависит от величины внутренних напряжений и содержания водорода. Типичные закалочные трещины или трещины вследствие внутренних напряжений не могут возникнуть в швах труб большого диаметра, структура которых состоит из бейнита и феррита. Сварка одного слоя снаружи и подварка второго изнутри создает наиболее благоприятные условия для исключения с самого начала холодных трещин, возникающих в результате влияния водорода, вследствие высокого тепловложения и связанной с этим медленной скорости охлаждения. При изготовлении многослойных труб в отличие от монолитных следует учитывать нахлесточные швы (рис. 10) и сварные соединения отдельных обечаек. Поскольку сварка выполняется плавлением под флюсом, то возможно образование всей совокупности дефектов, рассмотренных для прямошовных труб. Это поры, неметаллические включения, трещины, непровары. Дефекты могут быть одиночными, в виде скоплений и цепочек. Указанные дефекты возникают при сварке на неоптимальных режимах и подобны дефектам сварных соединений монолитных труб.

Дефекты формы шва

В результате расплавления сварочных проволочных электродов сварной шов получает усиление как на внутреннем, так и на наружном слое. Чтобы избежать неблагоприятного влияния сварного шва особенно при переменных нагрузках в нефтепроводах высокого давления, геометрия шва должна быть выполнена по возможности оптимально. Чтобы выполнить эти требования, необходимо соблюдать незначительное усиление шва, плоский угол скоса усиления шва и небольшое смещение шва и кромок.

Для прямошовных труб на усиление шва и угол скоса усиления оказывает влияние форма разделки, параметры режима сварки и состав флюса

а б

Рис. 10. Нормальная (а) и неблагоприятная (б) форма сварного шва

 

Флюс в зависимости от степени основности может привести к различному формированию скоса усиления. На рис. 10, а показан нормальный контур шва, который образуется при использовании обычного флюса при сварке одного слоя и подварке второго слоя изнутри. На рис. 10, б представлена неблагоприятная форма шва, которая в данном случае связана с применением при многоэлектродной сварке неподходящего флюса с высокой основностью.

С увеличением ширины шва допустимо большее его усиление, чтобы получить плоский угол скоса усиления. Следовательно, влияние параметров сварки и флюса на внешнюю форму шва оказывается многообразным. Слишком большое смещение шва и (или) кромок может оказать отрицательное влияние на усталостную прочность при пульсирующем цикле нагрузки. Кроме того, при слишком больших геометрических отклонениях усложняется проведение неразрушающего контроля сварного шва.

Смещение шва возникает вследствие неточного наведения сварочных головок при наложении внутреннего, наружного или обоих слоев. Надлежащая сварка одного слоя снаружи и подварка второго слоя изнутри требует выполнения достаточного проплавления слоев. Если глубина провара небольшая и налицо смещение шва, то часть притупления может быть не расплавленной (рис. 11, а). Этот дефект проявляется еще яснее, когда глубина провара при сварке под флюсом является недостаточной для провара (рис. 11, б).Непровар объясняется слишком малой степенью теп-ловложения для данной толщины стенки.

Рис. 11. Недостаточный провар; травление HNO₃ (увеличение в 3 раза): а - смещение шва при узкой нахлестке; б - отсутствие нахлестки

 

Для многослойных труб глубина проплавления нахлесточных швов составляет 8 - 12 мм и захватывает 2 - 3 слоя. Специфическим дефектом является отсутствие проплавления второго слоя.

При смещении кромок смещаются обе соединяемые сварным швом кромки листа по высоте по отношению друг к другу, так что создается скачкообразный переход от одной стороны сварного шва к другой. У нрямошовных труб при прихватке создается смещение кромок, если не обеспечивается в машине для сварки технологического шва точность ведения обеих продольных кромок шлицевой трубы. Причиной этого может быть также неправильная форма шлицевой трубы после прессования.

В большинстве случаев несмотря на это смещение кромок удается выполнить сварной шов без дефектов. На рис. 12 дано схематическое изображение смещения кромок. В настоящее время при использовании на трубных заводах мощных О-формующих прессов и роликовых машин для сварки технологического шва смещение кромок почти не возникает.

Рис. 12. Смещение обеих соединяемых кромок листа

 

Для спиральношовных труб смещение кромок возникает тогда, когда полоса имеет серповидность. Вследствие этого изменяется заданный угол ввода полосы при условии сохранения постоянной величины зазора при сварке. Эти условия приводят к тому, что более длинная кромка полосы сваривается с более короткой. В результате возникают различные диаметры и, следовательно, смещение кромок.