Дефекты и способы их устранения

 

Сварные швы по прочности почти не уступают основному металлу. Однако по целому ряду причин в сварных швах встречаются дефекты, ухудшающие механические свойства, герметичность и портящие внешний вид сварных швов и соединений.

Дефекты сварных швов можно разделить на следующие группы: наружные, внутренние и дефекты подготовки и сборки изделий под сварку.

Первой причиной снижения качества сварных швов и конструкций в целом являются дефекты подготовки и сборки изделий под сварку.

Характерные дефекты заготовок и сборки изделий под сварку плавлением:

а) неправильный угол скоса кромок в стыковых швах с У-, Х- и К-образной разделкой кромок;

б) непостоянство угла скоса кромок в стыковых и угловых швах по длине свариваемых элементов;

в) слишком большое или малое притупление по длине соединяемых кромок;

г) слишком большой зазор между кромками для данной толщины металла;

д) непостоянство зазора между кромками по длине соединяемых элементов;

е) несовпадение стыкуемых плоскостей кромок (смещение кромок).

Причинами появления указанных дефектов могут быть неисправности станков, на которых обрабатывали заготовки и приспособления для сборки; низкая квалификация резчика; недоброкачественность материала, ошибки в чертежах и низкая квалификация сборщиков.

Наружные дефекты

К ним относятся неравномерность размеров и формы сварного шва, подрезы, незаплавленные кратеры, трещины, поры, наплывы, прожоги.

Неравномерность размеров и формы сварного шва Уменьшение основных размеров шва по сравнению с нормальными или запроектированными может вызвать разрушение сварного соединения, увеличение расхода электродов и веса конструкций. Характерными дефектами являются: ослабление стыкового соединения, чрезмерное усиление шва, неравномерность высоты и ширины шва по его длине.

Причины указанных дефектов следующие: неравномерное передвижение электрода, неправильная подгонка кромок, несоблюдение режима сварки, низкая квалификация сварщика. Устраняют дефекты дополнительным наложением швов или вырубкой с последующей заваркой.

Подрезы представляют собой углубление (канавки) в основном металле, идущие по краям шва. Подрезы получаются при сварке на повышенном токе, а также от неправильного угла наклона электрода, горелки. Они уменьшают рабочую толщину металла, вызывают концентрацию напряжений и могут быть причиной разрушения швов. Подрезы устраняют заваркой с предварительной расчисткой завариваемого места.

Незаплавленные кратеры. Они образуются при обрыве дуги, остаются на шве в виде углублений. Кратер уменьшает рабочее сечение шва и является очагом концентрации усадочных и температурных напряжений из-за вогнутой поверхности, малого объема расплавленного металла, повышенной скорости охлаждения, обилия пор и раковинных включений. Вследствие этого в кратерах чаще, чем в других местах, возникают трещины, разрушающие сварное соединение. Устраняют дефекты тщательным заплавлением кратеров швов.

Трещины – наиболее опасный вид брака, ведущий к разрушению сварного соединения. Они бывают продольные и поперечные. Продольные трещины в большинстве случаев располагаются около шва, в зоне термического влияния.

Причины образования трещин – закалка и изменение структуры основного металла в зоне термического влияния. Чем выше в свариваемом изделии содержание углерода и легирующих элементов, тем больше возможность образования трещин. Приводят к ним и неравномерный нагрев и охлаждение, усадка металла шва, неправильный выбор способа сварки, сварка при низкой температуре, разница химического и электродного

составов основного металла, повышенное содержание фосфора и серы в стали; наличие дефектов сварки (поры, шлаковые включения, непровары, подрезы); сосредоточение нескольких швов на небольшом участке сварного соединения (конструктивный недостаток).

Меры борьбы с трещинообразованием:

а) применение электродов, дающих пластичный металл шва;

б) сборка в приспособлениях;

в) обратноступенчатый метод сварки (при сварке многослойных швов применять метод сварки «горкой» или «каскадный»);

г) применение прерывистых швов вместо сплошных;

д) предварительный подогрев до 200–300 °С;

е) низкотемпературный отжиг.

При исправлении трещин концы их засверливают, дефект вырубают, разделывают как кромки стыкового шва и заваривают.

Поры образуются вследствие перенасыщения ванны расплавленного металла газами, которые при охлаждении металла шва не успевают выделиться в шлак и атмосферу. Причины появления пор: загрязненность свариваемых кромок, ржавчина, влага на свариваемых кромках, влажность обмазки электродов и флюса, большая длина дуги, неправильная регулировка пламени и чрезмерное остывание сварочной ванны в результате неправильной техники сварки, загрязненная присадочная проволока. Поры нарушают плотность и прочность швов. В шве поры могут располагаться группами, равномерно по всей длине или в виде цепочки. Устраняют поры вырубкой с последующей заваркой.

Наплывы или натеки образуются в результате стекания расплавленного электродного металла на основной металл. Наплывы могут быть местными или по всей длине шва.

Причиной их образования являются нарушения в режиме сварки, чрезмерная сила тока и большая скорость сварки шва. В местах наплывов часто бывает непровар. Наплывы удаляют механическим путем или газовым резаком. Места среза по необходимости проваривают вновь.

Прожоги образуются при сварке металла небольшой толщины и при заварке первого слоя в многослойных швах. Причины: очень большая сила тока и недостаточная скорость перемещения электрода, большой зазор, малая величина притупления, тонкий основной металл. Места прожогов вырубают и заваривают вновь.

Внутренние дефекты

К ним относятся непровары, внутренние трещины, поры, шлаковые включения, перегрев, прожог.

Непровар – недостаточное сплавление или отсутствие сплавления кромок основного металла с металлом шва или между швами. Уменьшая рабочее сечение шва и вызывая концентрацию напряжений в нем, непровар является очень опасным дефектом. Причинами непровара могут быть:

а) неправильная разделка кромок (малый угол скоса и большое притупление кромок, недостаточный или совсем отсутствует зазор между свариваемыми кромками);

б) значительная загрязненность кромок окислами;

в) недостаточная мощность горелки, малая сила сварочного тока и быстрое движение электрода;

г) большая длина сварочной дуги;

д) смещение и перекосы свариваемых элементов;

е) малая величина зазора и большой диаметр электрода для данной разделки шва;

ж) затекание шлака в зазоры между свариваемыми кромками;

з) магнитное дутье;

и) неполное удаление шлака с отдельных валиков при наложении многослойной сварки;

к) низкая квалификация сварщика и др.

Непровар устраняется вырубкой и последующей заваркой шва. Причины возникновения внутренних трещин и пор в металле шва такие же, как и при наружных дефектах.

Шлаковые включения – полости в металле шва, заполненные неметаллическими веществами. Шлаковые включения уменьшают рабочее сечение шва и приводят к ослаблению сварного соединения. Обычно шлаковые включения наблюдаются в местах непровара. Причина появления шлаковых включений – кратковременность остывания малого объема расплавленного металла, что затрудняет полное выделение шлака на поверхность сварочной ванны; тугоплавкость; затекание шлака в зазоры; растрескивание и неравномерность плавления электродного покрытия, частицы которого механически засоряют металл шва; длинная дуга; неправильная техника ведения сварки; окалина и ржавчина на свариваемых кромках.

Перегрев – образование хрупкой крупнокристаллической структуры в зоне термического влияния шва или наплавленного металла, которая вызывает снижение механических свойств и пластичности сварного соединения. Перегрев металла происходит при его длительном нагреве на малой скорости сварки и относительно большой мощности газовой горелки, а также применения горючего с низкой температурой пламени, что замедляет процесс сварки. Последствия перегрева можно исправить только соответствующей термообработкой (отжиг или нормализация) сварного соединения или изделия в целом.

Пережог характеризуется окисленной поверхностью шва. Шов при этом приобретает серый оттенок, рыхлое строение и пониженные механические свойства. Пережженные участки шва следует полностью вырубать до здорового металла и вновь заварить.

При электродуговой сварке этот дефект встречается очень редко, чаще – при газовой сварке.

Деформации, предупреждения и способы их устранения.

Деформацией называется изменение формы и размеров твердого тела под действием какого-либо усилия. Размеры деформации определяются величиной приложенного усилия. Чем больше усилие, тем больше деформация. О величине усилия судят по напряжению. Напряжением называется внутренняя сила, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения тела. Следовательно, между напряжением и деформацией существует неразрывная связь.

Внутренние напряжения возникают только в том случае, когда свободному расширению и сокращению детали (узлу) что-либо препятствует. Таким препятствием при сварке являются соседние холодные участки металла вследствие неравномерного его нагрева. Основные причины возникновения напряжений и деформаций при сварке: неравномерный нагрев основного металла, литейная усадка и структурные изменения металла.

Неравномерный нагрев металла. Электродуговая сварка характеризуется высоким и быстрым разогревом небольшого объема металла, который при расширении оказывает давление на прилегающий к нему нагретый металл. После прекращения действия источника нагрева нагретые и наплавленные объемы металла начнут охлаждаться в объеме, т.е. будут стягивать прилегающие слои металла, вызывая деформацию изделия или коробление.

Усадка наплавленного металла – это уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. При затвердевании металл становится более плотным, объем его сокращается. При сварке происходит продольная и поперечная усадка.

Продольная усадка вызывает сокращение длины листов при сварке продольных швов. Поперечная усадка приводит к короблению листов в сторону большего объема наплавленного металла. Величина деформации зависит от величины зоны нагрева. Вот почему газовая сварка дает большую деформацию, чем ручная дуговая металлическим электродом.

Размеры и положение швов также влияют на величину деформации. Наибольшие деформации вызывают длинные швы, расположенные несимметрично относительно сечения свариваемого профиля. Чем больше швов на узле, тем больше деформация при сварке.

Структурные изменения наплавленного металла. При изменении структуры металла меняются размеры и взаиморасположение его зерен (кристаллов), причем меняется и плотность металла. Эти изменения вызывают возникновение внутренних напряжений. При сварке легированных сталей структурное изменение оказывает более сильное влияние, чем при сварке низкоуглеродистой стали, где эти изменения незначительны и почти не принимаются в расчет.

Мероприятия по уменьшению напряжений и деформаций при сварке. Сварочные напряжения и деформации доставляют немало трудностей при изготовлении и эксплуатации сварных конструкций, так как могут вызывать:

1. изменение запроектированных размеров свариваемых деталей и узлов;

2. искажение и изменение формы отдельных сварных узлов и конструкций;

3. появление трещин и разрывов в процессе изготовления сварных конструкций;

4. разрушение сварных конструкций в процессе эксплуатации, особенно при пониженных температурах.

Мероприятия для уменьшения напряжений по сварке можно разделить на конструктивные и технологические.

Для осуществления конструктивных мероприятий необходимо при выборе основного металла и электродов руководствоваться тем, что основной металл не должен иметь склонности к образованию закалочных структур при остывании на воздухе; учитывать, что электроды должны давать наплавленный металл и иметь пластические свойства не ниже свойств основного металла.

Нельзя допускать скопления швов в конструкции, следует избегать их пересечений. Не допускать короткозамкнутых швов, а также ограничить применение косынок и накладок.

При расстановке ребер жесткости располагать их следует так, чтобы при сварке нагреву подвергались одни и те же места основного металла, так как это уменьшает поперечную усадку стенки, а, следовательно, и всей конструкции.

Применять необходимо преимущественно стыковые швы, которые являются менее жесткими, чем узловые.

Проектируя сложные конструкции, надо предусматривать их изготовление в виде отдельных узлов, которые после соединятся в целую конструкцию.

В сложных сварных конструкциях целесообразнее применять штампованные и литые узлы. Расположение швов не должно затруднять механизацию сварочных работ. Предусматривать сборку и сварку необходимо в приспособлениях, обеспечивающих точную сборку и правильную последовательность сварочных работ.

Технологические мероприятия. Они, прежде всего, предусматривают выбор правильного теплового режима сварки в части нагрева основного металла, а также выбор правильной последовательности наложения швов. Порядок должен быть таким, чтобы свариваемые детали находились в свободном состоянии, особенно это относится к стыковым швам. В первую очередь свариваются стыковые швы балок, а затем угловые.

При сварке цилиндрических резервуаров или полотнищ вначале сваривают стыки каждого пояса, а затем – пояса между собой. Сварку следует производить напроход от середины изделия к краям, но ни в коем случае не варить от краев к его середине. Нельзя ставить прихватки на пересечении швов.

Важное условие в работе – уменьшение зазоров во избежание поперечных усадок и выполнение швов больших сечений в несколько слоев с применением «горки» или «каскадного» метода.

Чем выше температура окружающей среды, тем равномернее и медленнее происходит остывание шва. Сварка на морозе, сильном ветре, сквозняке часто приводит к трещинам. Место сварки должно быть защищено от атмосферных осадков, холода и сквозняков.

Применение обратных деформаций. Перед сваркой изделие подвергается выгибу.

Обратноступенчатая сварка. Проковка уплотняет шов, в результате чего уменьшает действие усадки шва. Последний слой его проковывать не рекомендуется, чтобы не вызвать трещину на поверхности шва.