Исследование влияния доминирующих

ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ФАКТОРОВ НА УРОВЕНЬ

КАЧЕСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

 

 

4.1 Исследование влияния подготовки и сборки под сварку на образование дефектности сварных соединений

 

В настоящее время большое внимание при исследовании и оптимизации технологий уделяется математическому моделированию характерных процессов и явлений, от которых в значительной степени зависит качество изделия. Развитие компьютерной техники создает хорошие перспективы для применения достаточно сложных моделей, отражающих многофакторность и взаимосвязь явлений, протекающих в различных технологиях. Кроме того, компьютеризация математического моделирования делает его доступным для широкого круга пользователей, связанных не только с исследованием, но и с разработкой и оптимизацией инженерных решений.

В предыдущих разделах мы установили, что на уровень качества сварных соединений влияет множество различных факторов, и прежде всего доминирующие в формировании качества факторы. Однако степень влияния каждого фактора на уровень качества различна как из-за разнородности сварных соединений, так и технологии их изготовления. Другими словами, разная степень влияния организационных и производственных факторов на уровень качества сварных соединений обусловлена большим количеством типоразмеров (диаметр, толщина), марок свариваемых и видов сварочных материалов, способов сварки и условий выполнения сварочных работ. Поэтому определение главных причин брака сварки возможно не вообще, а в конкретных производственных условиях для конкретных базовых совокупностей сварных соединений.

Известно, что строительство трубопроводов различного назначения и ответственности в общем объеме сварочно-монтажных работ составляет более 80%. С другой стороны, экологический и социальный ущерб от аварий и катастроф на трубопроводном транспорте, по данным Госпромнадзора МЧС Республики Беларусь, во многих случаях невосполним. Исходя из этого, логично продолжить наши исследования на практике изготовления трубопроводов в полевых условиях единичнми и мелкими сериями.

Выполненными в предыдущих главах исследованиями нами установлены доминирующие в образовании дефектности факторы: подготовка и сборка под сварку, квалификация исполнителей, сварочные материалы, сварочное оборудование и технология сварки. Определение степени влияния этих факторов на качество сварных соединений конкретных типоразмеров позволит оптимизировать сварочное производство за счет укрепления и модернизации его слабых звеньев. Установлено, что выходной уровень качества сварного соединения складывается из уровней качества доминирующих в его изготовлении производственных факторов. Уровень качества каждого фактора в свою очередь определяется его основными параметрами, см. табл. 4.1, которые могут быть как положительными, так и отрицательными.

 

Таблица 4.1 – Основные параметры доминирующих в формировании

качества сварных соединений производственных факторов

Фактор	Подготовка и сборка	Квалификация исполнителей	Сварочные материалы	Сварочное оборудование	Технология сварки
Параметры фактора	Подготовка кромок	Разряд	Технологические свойства	Оснастка	Способ сварки
Зазор, соосность	Тренированность	Внешний вид	Измерительные приборы	Условия сварки
Зачистка	Стаж	Условия хранения	Состояние контактов	Тип соединения
Прихватка	Возраст	Состояние покрытия	Стабильность напряжения	Режимы
	Состояние здоровья		Стабильность тока	Контроль

 

Отрицательные факторные параметры есть не что иное, как причины образования дефектности (брака) сварки. Критерием оптимальности является уровень дефектности (брака), причиной которого послужил конкретный фактор и параметры фактора. Таким образом, реализуется важный принцип управления качеством сварки по обратной связи алгоритма «структура дефектов – причина – фактор».

Экспериментальные исследования проводили как в стационарных условиях, так и на предобъектных тренировках сварщиков при изготовлении сварных соединений технологических трубопроводов различных типоразмеров ручной дуговой сваркой (РДС), механизированной в среде СО₂, в смеси СО₂ + Ar и аргонодуговой сваркой (РАДС). Определение дефектности производили по данным неразрушающих методов контроля (НМК) – визуального (ВК), рентгенографического (РГГ) и ультразвукового (УЗК).

Цель – исследовать вероятностные связи в цепочке фактор – причина – дефект и установить закономерности образования дефектности по доминирующим причинам. Статистическая связь подтверждается на большом объеме данных, полученных по результатам неразрушающих методов контроля качества сварных соединений и рассмотренная в предыдущих главах работы. Для практических условий важно определить, что данная дефектность представляет данную доминирующую причину и, как следствие, конкретный производственный фактор технологического процесса сварки.

Исследования вероятностных связей причин с количеством, видом и структурой образования дефектности проводили по следующему алгоритму:

– экспертно последовательно устанавливали эталонными (образцово-показательными) доминирующие факторы – «Подготовку и сборку под сварку», «Сварочные материалы», «Сварочное оборудование», «Технологию выполнения сварки»;

– сварку выполняли высококвалифицированные (тренированные) сварщики;

– типоразмеры сварных соединений, марки свариваемых материалов способы и условия сварки идентичны (постоянны);

– экспериментально по одному из доминирующих факторов устанавливали отрицательные параметры (при положительных параметрах других факторов) с целью выявления связей в цепочке «причина – дефектность»;

– целенаправленно и последовательно (при специально разлаженном процессе) исследовали связи между образующейся дефектностью и конкретными отрицательными параметрами каждого из доминирующих факторов;

– выполняли контроль качества сварного соединения неразрушающими методами;

– исследовали и анализировали с использованием компьютерных технологий, статистических и вероятностных методов образовавшуюся дефектность по видам, размерам, количеству и структуре на конкретных БС стыков.

Подготовка и сборка под сварку является одним из доминирующих факторов, определяющим уровень качества сварных соединений. Брак, допущенный по этому фактору, приводит к специфическим дефектам. Эти дефекты генерируются основными причинами (отрицательными параметрами) брака по данному фактору – это плохая подготовка кромок (угол притупления, радиус скругления), нарушение размеров зазора (соосность) между свариваемыми элементами, некачественная зачистка (наличие ржавчины, вмятин, сколов, масел), прихватка, см. таблицу 4.2. Установление закономерностей и связей дефектности с причинами ее образования представляется важной задачей, решение которой позволит принимать превентивные меры по их предупреждению до начала процесса, совершенствовать технологические процессы и осуществлять управление качеством сварки в режиме реального времени.

Таблица 4.2 – Основные факторные параметры состояния подготовки и сборки под сварку

Наименование фактора	№ параметра	Факторные параметры
Подготовка и сборка под сварку	1.1.	Подготовка кромок (угол притупления, радиус скругления)
1.2.	Зазор (расстояние между свариваемыми элементами), соосность
1.3.	Зачистка (наличие ржавчины, трещин, вмятин, сколов, масел и т.п.)
1.4.	Прихватка

 

Экспериментальные исследования, проводимые, как правило, на предобъектных тренировках сварщиков, функциональной связи причин с количеством дефектности не выявили, см. таблицу 4.3.

Однако установлена важная статистическая связь структуры образуемой дефектности с ее причиной.

Так, согласно формулы дефектности базовой совокупности (2.9), структура дефектности по причинам определяется следующим образом:

 

 

, (4.1)

 

где Д_о – общее количество дефектов;

n – количество проконтролированных участков;

П – поры и их скопления;

Ш – шлаковые включения;

Н – непровары;

Фш – дефекты формы шва;

Пр – прочие дефекты.

По фактору «Подготовка и сборка под сварку» структура дефектности по причинам выглядит следующим образом:

ПС₁ = П(0,8) + Ш(1,3) + Н(1,4) + Фш(0,25) + Пр(0,2);

ПС₂ = П(0,6) + Ш(0,9) + Н(1,7) + Фш(0,4) + Пр(0,3);

ПС₃ = П(1,1) + Ш(1,4) + Н(1,3) + Фш(0,3) + Пр(0,25);

ПС₄ = П(0,8) + Ш(1,0) + Н(1,5) + Фш(0,5) + Пр(0,2);

Ф_ПС = П(0,8) + Ш(1,1) + Н(1,5) + Фш(0,4) + Пр(0,25),

где ПС₁ – подготовка кромок;

ПС₂ – зазор, соосность;

ПС₃ – зачистка;

ПС₄ – прихватка;

Ф_ПС – структура дефектности по фактору.

 

Таблица 4.3 – Дефектность, выявленная по причинам фактора «Подготовка и сборка под сварку»

Способ сварки	Сварено стыков, шт.	Проконтролировано участков L =300мм, шт.	Выявлено дефектов, шт.
Поры и их скопления	Шлаковые включения	Непровары	Дефекты формы шва	Прочие
РДС
РДС+СО2
РДС+СО2+Аr
РАДС
Итого

 

Таким образом, экспериментальными методами и экспертно нами установлено, что каждый отрицательный параметр исследуемого фактора является причиной уникальной, только ему присущей структуры дефектности, см. рис. 4.1.

Установлено, что в структуре дефектности по причинам фактора «Подготовка и сборка» преобладают дефекты типа «непровар» – 1,5 на участок контроля, шлаковые включения, поры и их скопления, а также различные дефекты формы шва.

В таблице 4.4 представлены результаты исследования причин образования дефектности сварных соединений технологических трубопроводов при подготовке и сборке под сварку. Согласно назначению и ответственности данных объектов принят объем контроля – 100%. В случае, когда стык бракуется, он подлежит повторному контролю неразрушающими методами. Видно, что причины, указанные в таблице 4.4, генерируют от 82,1 до 94% образующихся дефектов. Так, если при сварке труб малых диаметров дефектность образуется главным образом из-за плохой зачистки и подготовки кромок, то на больших диаметрах возрастает значение соблюдения необходимого расстояния (зазора, соосности) между свариваемыми элементами и прихватки. Следует отметить, что в настоящее время, как правило, подготовка кромок стыков средних и больших диаметров труб осуществляется в заводских условиях, тем самым практически исключив образование дефектности по этой причине.

Д_шт/уч

1,6						Н
1,4
1,2				Ш
1,0
		П
0,8
0,6
					Фш
0,4
						Пр
0,2							Дефекты

Рисунок 4.1 – Структура дефектности, образующаяся по причинам

Фактора «Подготовка и сборка» при сварке трубопроводов

 

Таким образом, установлены причины образования дефектности сварных соединений технологических трубопроводов по фактору «Подготовка и сборка под сварку», позволяющие принимать обоснованные управляющие решения по совершенствованию его параметров, снижении удельного веса брака и повышении уровня качества конечного продукта – сварных соединений. Полученные данные также дают возможность определить общий удельный вес влияния фактора на уровень качества сварных соединений конкретных типоразмеров в разрезе способов сварки, марок свариваемых материалов и условий сварочного процесса. Результаты исследования влияния подготовки и сборки под сварку на уровень качества (дефектности) сварных соединений технологических трубопроводов представлены в таблице 4.5.

Из таблицы 4.5 видно, что уровень качества сварных соединений разных типоразмеров существенно колеблется от 95,1% до 90,7%. Установлено, что при механизированных и автоматизированных способах изготовления сварных соединений брак значительно меньше, чем при ручной дуговой сварке.

В то же время видно, что с увеличением диаметров трубопроводов удельный вес влияния на уровень качества сварных соединений подготовки и сборки возрастает независимо от способов сварки. Так, при ручной дуговой сварке трубопроводов диаметром 57мм из 1250 стыков всего забракован 61, а по причине исследуемого фактора – 11 или 18%. В то же время при сварке трубопроводов диаметром 500мм из 1790 стыков всего забраковано 167, а по причинам исследуемого фактора – 57 или 34,1%. Другими словами, сварка стыков больших диаметров сопряжена с усложнением технологии изготовления сварных соединений. Причин может быть несколько. Основная, на наш взгляд, заключается в том, что с увеличением диаметров трубопроводов усложняется сам процесс подготовки и сборки под сварку. Даже незначительные отклонения зазора или соосности свариваемых элементов приводят к образованию недопустимых дефектов. С другой стороны, сварка в данном случае выполняется, как правило, за несколько проходов. После каждого прохода необходима зачистка наложенного слоя от окалины и шлаков, контроль и другие мероприятия.

 

Таблица 4.4 – Причины дефектности сварных соединений технологических

трубопроводов по фактору «Подготовка и сборка под сварку»

Способ сварки	Диаметр, мм	Толщина, мм	Марка стали	Сварено стыков, шт.	Забраковано всего(шт.) / процент брака	Забраковано (шт.) / удельный вес причины брака в процентах
Всего по фактору	Подготовка кромок	Зазор, соосность	Зачистка	Прихватка	Прочие
РДС		2,5	09Г2		61/4,9	11/18,0	2/18,2	2/18,2	4/36,4	2/18,2	1/9,1
РДС+СО2++Аr		4,0	20Х		73/5,8	18/24,6	6/33,3	5/27,8	3/16,7	2/11,1	2/11,1
РАДС		4,0	14ХГС		360/6,3	84/23,3	18/21,4	17/20,2	24/28,6	13/15,5	12/14,3
РДС+СО2++Аr		6,0	20Х		290/6,7	73/25,3	18/24,7	19/26,0	16/21,9	10/13,7	10/13,7
РДС		6,0	14ХГС		215/7,7	64/29,7	16/25,0	13/20,3	18/28,1	9/14,1	8/12,5
РАДС		10,0	14ХГС		235/8,1	74/31,5	22/29,7	17/23,0	22/29,7	8/10,8	5/6,8
РДС		10,0	20Х		132/8,8	44/33,2	10/22,7	9/20,5	11/25,0	8/18,2	6/13,6
РДС		14,0	14ХГС		167/9,3	57/34,1	–	18/31,6	21/36,8	9/15,8	9/15,8
Итого		1533/7,2	425/ 27,7	82/21,9	100/23,5	119/27,9	61/14,7	53/12,1

 

 

Таблица 4.5 – Влияние подготовки и сборки под сварку на уровень качества (дефектности) сварных соединений технологических трубопроводов

Способ сварки	Диаметр трубопровода, мм	Толщина стали, мм	Марка стали	Сварено стыков, шт.	Забраковано стыков, всего, шт.	Уровень качества, %	Забраковано стыков по фактору, всего, шт.	Удельный вес фактора, %
РДС		2,5	09Г2			95,1		18,0
РДС+СО2+Аr		4,0	20Х			94,3		24,6
РАДС		4,0	14ХГС			93,7		23,3
РДС+СО2+Аr		6,0	20Х			93,3		25,3
РДС		6,0	14ХГС			92,3		29,7
РАДС		10,0	14ХГС			91,9		31,5
РДС		10,0	20Х			91,2		33,2
РДС		14,0	14ХГС			90,7		34,1
Итого			92,7		27,7

 

4.2 Исследование влияния сварочных материалов на образование дефектности сварных соединений

Сварочные материалы также являются одним из доминирующих факторов, влияющих на уровень качества сварных соединений. От правильного выбора и качественного состояния сварочных материалов напрямую зависит и качество сварного соединения. Однако исследования удельного веса и количественная оценка этого влияния на качество сварки конкретных типоразмеров сварных соединений (базовых совокупностей), как показал выполненный нами информационный поиск, практически отсутствуют.

Известно, что расход сварочных материалов напрямую зависит от объемов производства горячекатаного проката, составляющего около 90% всего объема производства стали. Сварные конструкции (косвенная оценка) составляют около 65-75% от объема производства стального проката. По данным известной шведской фирмы ЭСАБ, в 2006 году мировое потребление стали составило 1 222 млн. т., в том числе в Китае – 356 млн. т., Индии – 43 млн. т., России – 36 млн. т., в Беларуси – около 2 млн. т.

Масса наплавленного металла в судостроении составляет в среднем 20 - 25 кг на 1т строительных конструкций (СК), в строительстве – в среднем 8 -12 кг на 1 т СК. Расход сварочных материалов на 1кг наплавленного металла при различных способах дуговой сварки и применяемых сварочных материалах составляет при РДС около 1,7 кг электродов, механизированной сварке в СО2 и АСФ – 1,15 кг и 1,03 кг сплошной проволоки соотвественно.

Структура потребления сварочных материалов в мире представлена на рисунке 4.2.

Из диаграммы видно, что в странах Юго-Восточной Азии и Китая преобладает использование электродов, а в Японии, Южной Корее, США и Западной Европе – сплошная и порошковая проволока. Отсюда следует вывод, что в первом случае преобладает применение ручной дуговой сварки, а во втором – механизированные и автоматизированные способы сварки.

 

Рисунок 4.2 – Структура потребления сварочных материалов
(по наплавленному металлу)

Сварочные материалы должны выпускаться в соответствии с действующими стандартами (или международными стандартами) и специальными Техническими условиями (ТУ) на каждую марку сварочного материала.

Для сварки стыков металлоконструкций и трубопроводов используются следующие сварочные материалы:

- электроды с основным и целлюлозным видами покрытия для ручной дуговой сварки;

- защитные газы – двуокись углерода газообразная и смеси газов двуокиси углерода и аргона для автоматической и механизированной сварки;

- самозащитные порошковые проволоки для механизированной сварки;

- сварочные проволоки сплошного сечения для автоматической и механизированной сварки в среде защитных газов и автоматической сварки под флюсом;

- порошковые проволоки для автоматической сварки в среде защитных газов;

- флюсы агломерированные для автоматической сварки поворотных стыков.

Выполненными нами исследованиями установлено, что некачественные сварочные материалы генерируют специфические дефекты сварных соединений [194 – 199, 216 – 221]. Какие это дефекты, их структура и какие причины их образования? Установление закономерностей причин (причинно-следственных связей) образования дефектов по фактору «Сварочные материалы» представляется сложной, но очень важной задачей, решение которой позволит создать историю качества сварных соединений конкретных типоразмеров (БС) в зависимости от применяемых сварочных материалов. На этой основе формируется система превентивных мер по предупреждению брака сварочных материалов и в конечном итоге – управлению качеством сварных соединений. Выше было показано, что каждый доминирующий фактор имеет свои параметры состояния, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Отрицательные параметры есть не что иное как причины брака сварки. Так, основные параметры состояния фактора «Сварочные материалы» – это сварочно-технологические свойства, условия хранения, состояние покрытия электродов и проволок, внешний вид и некоторые другие менее значимые, см. таблицу 4.6.

Все партии сварочных материалов должны проходить входной контроль, включающий:

- проверку наличия сертификатов качества или сертификатов соответствия фирмы (завода-изготовителя);

- проверку сохранности упаковки;

- определение диаметра электродов и проволок и проверку их соответствия данным сертификата;

- проверку внешнего вида покрытия электродов и проволок - прочности (адгезии) покрытия электродов, отсутствия поверхностных дефектов электродных покрытий и проволок, разнотолщинности электродного покрытия;

- проверку сварочно-технологических свойств электродов и порошковых проволок при сварке катушек труб и металлоконструкций во всех пространственных положениях.

Таблица 4.6 – Основные параметры состояния фактора «Сварочные материалы»

Наименование фактора	№ параметра	Факторные параметры
Сварочные материалы	1.1.	Сварочно-технологические свойства (соответствие сертификату качества)
1.2.	Условия хранения (упаковка, герметичность, срок хранения)
1.3.	Состояние покрытия (прочность – адгезия покрытия электродов и проволок, разнотолщинность электродного покрытия)
1.4.	Внешний вид (наличие трещин, вмятин, сколов, ржавчины и т.п.)

 

Электроды, порошковые проволоки, проволоки сплошного сечения и флюсы при условии сохранности герметичности упаковки и централизованного складирования в специально оборудованном помещении могут храниться без дополнительной проверки перед использованием в течение одного года. При хранении сварочных материалов более одного года они должны пройти повторную проверку состояния качества.

Если в результате обследования внешнего вида на поверхности проволоки или на электродном стержне обнаружены следы ржавчины и/или в результате проверки сварочно-технологических свойств сварочных материалов установлено, что они не обеспечивают качество выполнения сварных швов, то такие сварочные материалы использованию не подлежат.

В таблице 4.7 представлены данные о дефектности, генерируемой по причинам некачественных сварочных материалов. Как и в предыдущем разделе, связи причин с количеством дефектов не выявлено. Однако и в этом случае легко просматривается важная статистическая связь структуры образуемой дефектности с ее причиной.

Так, согласно формулы дефектности базовой совокупности (2.9) и формулы (4.3) структура дефектности по причинам фактора «Сварочные материалы» выглядит следующим образом:

ПМ₁ = П(1,8) + Ш(1,3) + Н(0,2) + Фш(0,3) + Пр(0,3);

ПМ₂ = П(1,6) + Ш(1,5) + Н(0,1) + Фш(0,3) + Пр(0,2);

ПМ₃ = П(1,5) + Ш(1,4) + Н(0,2) + Фш(0,2) + Пр(0,3);

ПМ₄ = П(1,7) + Ш(1,3) + Н(0,2) + Фш(0,2) + Пр(0,2);

Ф_СМ = П(1,6) + Ш(1,4) + Н(0,2) + Фш(0,3) + Пр(0,3),

где ПМ₁ – сварочно-технологические свойства электродов и проволоки;

ПМ₂ – условия хранения;

ПМ₃ – адгезия покрытия электродов и проволок, разнотолщинность электродного покрытия;

ПМ₄ – внешний вид (сколы, трещины, ржавчина, загрязнения);

Ф_СМ – структура дефектности по фактору.

Таблица 4.7 – Дефектность, выявленная по причинам фактора «Сварочные материалы»

Способ сварки	Сварено стыков, шт.	Проконтролировано участков L =300мм, шт.	Выявлено дефектов, шт.
Поры и их скопления	Шлаковые включения	Непровары	Дефекты формы шва	Прочие
РДС
РДС+СО2
РДС+СО2+Аr
РАДС
Итого

Таким образом, установлено, что каждый отрицательный параметр исследуемого фактора является причиной уникальной, только ему присущей структуры дефектности, представленной на рисунке 4.3.

Д_шт/уч

		П
1,6
			Ш
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4						Фш		Пр
				Н
0,2							Дефекты

Рисунок 4.3 – Структура дефектности, образующаяся по причинам