Исследование влияния технологии сварки на

образование дефектности сварных соединений

Все существующие способы сварки можно разделить на две основные группы: сварку давлением (контактная, газопрессовая, трением, взрывом, холодная, ультразвуковая) и сварку плавлением (газовая, термитная, электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, лазерная).

Самое широкое распространение получили различные способы электрической сварки плавлением, а ведущее место занимает дуговая сварка, при которой источником теплоты служит электрическая дуга.

При электрической дуговой сварке основная часть теплоты, необходимая для нагрева и плавления металла, получается за счет дугового разряда, возникающего между свариваемым металлом и электродом. Под действием теплоты дуги кромки свариваемых деталей и торец плавящегося электрода расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания дугового разряда, получается от источников питания дуги постоянного или переменного тока. Классификация дуговой сварки производится в зависимости от степени механизации процесса сварки, рода тока и полярности, типа дуги, свойств электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

Сварка плавлением осуществляется нагревом свариваемых кромок до температуры плавления без сдавливания свариваемых деталей.

Во многих случаях на процесс сварки существенно влияют загрязнения поверхности металла: преимущественно окислы и жировые плёнки. Эти загрязнения, попадая в сварное соединение, могут снижать качество сварки. Они, в отличие от адсорбированных газов, могут быть удалены с поверхности металла механически (щётками, абразивами и т.д.) или химически (растворителями, травителями и флюсами).

Специфическим для сварки средством очистки служат флюсы, растворяющие окислы при повышенных температурах. Помимо устранения загрязнений с поверхности металла, должны приниматься меры к уменьшению загрязнения металла в процессе сварки, в первую очередь окислами. Для этой цели используются флюсы, шлаки, защитные газы, вдуваемые в зону сварки.

Сварочное пламя должно иметь достаточную тепловую мощность и температуру, так как теплопроводность металлов высока и быстро образовать ванну может только очень горячее пламя. Опыт показывает, что для сварки стали толщиной несколько миллиметров температура сварочного пламени должна быть не ниже 2700 – 3000°C. Пламя с меньшей температурой или совсем не образует ванны или образует её слишком медленно, что даёт низкую производительность сварки и делает её экономически невыгодной. Источники тепла, развивающие столь высокие температуры, появились относительно недавно.

Сварочное пламя расплавляет как металл, так и загрязнения на его поверхности, образующиеся шлаки всплывают на поверхность ванны. Горячее пламя сильно нагревает металл на поверхности, значительно выше точки плавления, в результате меняется химический состав металла и его структура после затвердевания, изменяются и механические свойства. Затвердевший металл ванны, так называемый металл сварного шва обычно по своим свойствам отличается от основного металла, незатронутого сваркой. Сварка плавлением отличается значительной универсальностью, современными сварочными источниками легко могут быть расплавлены почти все металлы, возможно соединение разнородных металлов.

По степени механизации различают сварку вручную, полуавтоматическую и автоматическую сварку. Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определенной длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.

При ручной сварке указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются сварщиком вручную без применения механизмов.

При полуавтоматической сварке плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.

При автоматической сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1 – 6 мм, при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

По роду тока различают дуги, питаемые постоянным током прямой (минус на электроде) или обратной (плюс на электроде) полярности или переменным током. В зависимости от способов сварки применяют ту или иную полярность. Сварка под флюсом и в среде защитных газов обычно производится на обратной полярности.

По типу дуги различают дугу прямого действия (зависимую дугу) и дугу косвенного действия (независимую дугу). В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах, во втором – дуга горит между двумя электродами. Основной металл не является частью сварочной цепи и расплавляется преимущественно за счёт теплоотдачи от газов столба дуги. В этом случае питание дуги осуществляется обычно переменным током, но она имеет незначительное применение из-за малого коэффициента полезного действия дуги (отношение полезно используемой тепловой мощности дуги к полной тепловой мощности).

По свойствам электрода различают способы сварки плавящимся электродом и неплавящимся (угольным, графитовым и вольфрамовым). Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки, при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше – многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание, тогда сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением коэффициент полезного действия (КПД) дуги достигает 0,7 – 0,9.

По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают открытую, закрытую и полуоткрытую дугу. При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла – светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки, в том числе при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах. Закрытая дуга располагается полностью в расплавленном флюсе – шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима. Полуоткрытая дуга характерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.

По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают следующие способы сварки: без защиты (голым электродом, электродом со стабилизирующим покрытием), со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом), шлакогазовой (толстопокрытыми электродами), газовой защитой (в среде газов) с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс). Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки. Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.

Технология ручной дуговой сварки. Под режимом сварки понимают совокупность контролируемых параметров, определяющих условия сварки. Параметры режима сварки подразделяют на основные и дополнительные. К основным параметрам режима ручной сварки относят диаметр электрода, величину, род и полярность тока, напряжение на дуге, скорость сварки. К дополнительным относят величину вылета электрода, состав и толщину покрытий электрода, положение электрода и положение сварного соединения при сварке [200 – 204, 227].

Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины металла, катета шва, положения шва в пространстве. Примерное соотношение между толщиной металла S и диаметром электрода d _э при сварке в нижнем положении шва представлено в таблице 4.14.

Таблица 4.14 – Рекомендуемые диаметры электродов в зависимости от толщины свариваемого металла

Параметры	Рекомендуемые соотношения
Толщина свариваемого металла, S, мм	1 – 2	3 – 5	4 – 10	12 – 24	> 24
Диаметр электрода, d э, мм	2 – 3	3 – 4	4 – 5	5 – 6	6 – 8

 

Сила тока в основном зависит от диаметра электрода, но также от длины его рабочей части, состава покрытия, положения сварки. Чем больше ток, тем больше производительность и большее количество наплавленного металла: G = k_н * I _св * t, где G – количество наплавленного металла; k_н – коэффициент наплавки, g /(А •ч); I _св – сварочный ток, А; t – время, ч.

Однако при чрезмерном токе для данного диаметра электрода он быстро перегревается выше допустимого предела, что приводит к снижению качества свариваемого шва (поры и их скопления) и повышенному разбрызгиванию. При недостаточном токе дуга неустойчива, часто обрывается, поэтому в шве образуются непровары. Величину тока можно определить по следующим формулам: при сварке конструкционных сталей для электродов диаметром 3 – 6 мм I _д = (20 + 6 d_э) d _э; для электродов диаметром менее 3 мм I _д =30 d _э, где d _э – диаметр электрода, мм. Сварку швов в вертикальном и потолочном положениях выполняют, как правило, электродами диаметром не более 4 мм. При этом сила тока должна быть на 10 – 20 % ниже, чем для сварки в нижнем положении. Напряжение дуги изменяется в сравнительно узких пределах от 16 до 30v.

В процессе сварки необходимо поддерживать определённую длину дуги, которая зависит от марки и диаметра электрода. Ориентировочно нормальная длина дуги должна быть в пределах L _д = (0,5 – 1,1) d _э, где L _д – длина дуги, мм; d _э – диаметр электрода, мм.

Длина дуги оказывает существенное влияние на качество сварного шва и его геометрическую форму. Длинная дуга способствует более интенсивному окислению и азотированию расплавляемого металла, увеличивает разбрызгивание, а при сварке электродами основного типа приводит к пористости металла.

Для обеспечения высокого уровня качества и работоспособности сварных конструкций, уменьшения внутренних напряжений и деформаций большое значение имеет порядок заполнения швов. Под порядком заполнения швов понимается как порядок заполнения разделки шва по поперечному сечению, так и последовательность сварки по длине шва.

По протяжённости все швы условно можно разделить на три группы: короткие – до 300 мм, средние 300 – 1000 мм, длинные – свыше 1000 мм.

В зависимости от протяженности шва, свариваемого материала, требований к точности и качеству сварных соединений сварка таких швов может выполняться различно. Короткие швы выполняют на проход – от начала шва до его конца. Швы средней длины варят от середины к концам или обратно ступенчатым методом. Швы большой длины выполняют двумя способами: от середины к краям (обратноступенчатым способом) и вразброс.

При обратноступенчатом методе весь шов разбивается на небольшие участки длиной по 150 – 200 мм, на каждом участке сварку ведут в направлении, обратном общему направлению сварки. Длина участков обычно равна от 100 до 350 мм. В зависимости от количества проходов (слоёв), необходимых для выполнения проектного сечения шва, различают однопроходный (однослойный) и многопроходный (многослойный) швы.

С точки зрения производительности наиболее целесообразными являются однопроходные швы, которые обычно применяются при сварке металла небольших толщин (до 6 – 8 мм.) с предварительной разделкой кромок.

Сварку соединений ответственных конструкций большой толщины (>20 мм.), когда появляются объёмные напряжения и возрастает опасность образования трещин, выполняют с применением специальных приёмов заполнения швов “горкой” или “каскадным” методом.

При сварке “горкой” сначала в разделку кромок наплавляют первый слой небольшой длины 200 – 300 мм, затем второй слой, перекрывающий первый и имеющий в 2 раза большую длину. Третий слой перекрывает второй и длиннее его на 200 – 300 мм. Так наплавляют слои до тех пор, пока на небольшом участке над первым слоем разделка не будет заполнена. Затем от этой “горки” сварку ведут в разные стороны короткими швами тем же способом. Таким образом, зона сварки всё время находится в горячем состоянии, что позволяет предупредить появление трещин. “Каскадный” метод является разновидностью горки.

Соединения под сварку собирают в приспособлениях, чаще всего с прихватками. Сечение прихваточного шва составляет примерно 1/3 от сечения основного шва, длина его 30 – 50 мм. Угловые швы сваривают “в угол” или “в лодочку”. Обеспечение нормативных требований по технологии и технике сварки – основное условие получения качественных сварных швов. Отклонения размеров и формы сварного шва от проектных чаще всего наблюдаются в угловых швах и связаны с нарушением режимов сварки, неправильной подготовкой кромок под сварку, неравномерной скоростью сварки, а также с несвоевременным контрольным обмером шва.

Выполненными нами исследованиями установлено, что технология сварки является одним из доминирующих в формировании высококачественных сварных соединений факторов, поэтому правильный выбор технологии сварки для изготовления сварных соединений различного назначения и ответственности имеет очень важное значение. С технологией сварки взаимосвязаны все доминирующие факторы – подготовка и сборка под сварку, сварочные материалы, сварочное оборудование и квалификация сварщиков. Вместе с тем, брак, допущенный по этому фактору, также приводит к специфическим дефектам. Эти дефекты генерируются из-за неправильного назначения основных параметров, см. табл. 4.15, которые в данном случае будут причинами брака по исследуемому фактору.

Таблица 4.15 – Основные параметры состояния фактора «Технология сварки»

Наименование фактора	№ параметра	Факторные параметры
Технология сварки	1.1.	Способ сварки
1.2.	Условия сварки
1.3.	Тип соединения
1.4.	Режимы
1.5	Контроль

 

В таблице 4.16 представлены данные результатов исследований дефектности, генерируемой по причинам нарушения технологии сварки.

 

Таблица 4.16 – Дефектность, выявленная по причинам фактора

«Технология сварки»

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

 

Как и в предыдущих разделах, 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 «Технология сварки» выглядит следующим образом:

ПТ₁ = П(0,6) + Ш(0,5) + Н(0,6) + Т(0,6) + Фш(0,4) + Пр(0,2);

ПТ₂ = П(0,6) + Ш(0,6) + Н(0,6) + Т(0,5) + Фш(0,4) + Пр(0,3);

ПТ₃ = П(0,5) + Ш(0,4) + Н(0,5) + Т(0,6) + Фш(0,5) + Пр(0,2);

ПТ₄ = П(0,4) + Ш(0,5) + Н(0,4) + Т(0,6) + Фш(0,4) + Пр(0,2);

ПТ₅ = П(0,5) + Ш(0,4) + Н(0,4) + Т(0,5) + Фш(0,4) + Пр(0,2);

Ф_ТС = П(0,5) + Ш(0,7) + Н(0,5) + Т(0,6) + Фш(0,4) + Пр(0,2),

где ПТ₁ – способ сварки;

ПТ₂ – условия сварки;

ПТ₃ – тип соединения;

ПТ₄ – режимы;

ПТ₅ – контроль;

Ф_ТС – структура дефектности по фактору.

Таким образом, установлено, что каждый отрицательный параметр исследуемого фактора является причиной уникальной, только ему присущей структуры дефектности, см. рис. 4.5.

Из диаграммы, представленной на рисунке 4.5, видно, что в структуре дефектности по причинам фактора «Технология сварки» явного преобладания тех или иных дефектов нет, но появились специфические дефекты типа «трещина» (Т) – 0,6; присутствуют также основные технологические дефекты – поры и их скопления – 0,5; шлаковые включения – 0,7; непровары – 0,5; дефекты формы шва – по 0,4 на участке шва. Результаты исследования причин дефектности сварных соединений по фактору «Технология сварки» представлены в таблице 4.17. Видно, что доминирующими причинами являются нарушение режимов сварки – 35,0%, условия сварки – 30,5%, а также несвоевременный контроль процесса формирования сварного шва – 19,8%.

 

Д_шт/уч

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

0

Рисунок 4.5 – Структура дефектности, образующаяся по причинам