Металлоконструкции, сваренные из металла, востребованы в разных сферах жизнедеятельности. Однако во время выполнения сварочных работ могут возникать разного рода дефекты сварных швов. Они сокращают возможный срок службы соединения и снижают уровень безопасности готового изделия.
Общие принципы классификации дефектов
Дефекты сварных швов подразделяются на внутренние и внешние. К внутренним дефектам относят неблагоприятные отклонения от микротвёрдости и структуры, которые выявлены в сварном шве. К внешним дефектам относятся те, которые выявляются визуальным осмотром. На практике основные дефекты сварного шва рассматривают и оценивают в сравнении с безукоризненно выполненными сварными швами на заготовках из тех же материалов.
Важным принципом классификации является характерные особенности дефектов, которые могут относиться либо к качеству выполнения шва, либо к его недопустимой форме или размерам.
К первой группе дефектов относят:
- Имеющиеся газовые включения (пузыри);
- Включения шлака, флюса или металлических частиц;
- Несплошности шва.
Вторая группа включает в себя:
- Искажения корня шва (подрез);
- Трещины различной пространственной ориентации;
- Прочие поверхностные дефекты, например, пазы от прожога, наплывы, неравномерность поверхности шва и пр.;
- Недопустимое смещение осей свариваемых заготовок.
ГОСТ 30242-97 устанавливает, что указанные дефекты часто бывают следствием несоблюдения технологических режимов сварки и последующей термической/механической обработки готового сварного соединения. При этом дефекты, которые могут быть обусловлены нетехнологичностью сварной конструкции, должны предупреждаться ещё на стадии опытных испытаний такой конструкции.
Рисунки и фото конкретных дефектов обычно приводятся в текстах соответствующих нормативных документов.
Общее определение понятия
Дефектами сварных соединений называют изъяны, возникающие на поверхности или внутри шва.
Они отличаются формами, размерами, степенями выраженности. Любой недостаток ухудшает рабочие качества готовой металлоконструкции.
Появлению изъянов способствуют следующие причины:
- Отсутствие опыта в выполнении работ. Начинающие сварщики нарушают технологию, не подготавливают детали, используют некорректную схему сборки, неправильно выбирают параметры функционирования аппарата.
- Применение самодельного или неисправного агрегата, низкое качество металлических элементов и расходных материалов.
Описание видов дефектов сварных швов
Приводится согласно принятым обозначениям Международного института сварки и требований ИСО 6520-82.
Трещины
Наружные и внутренние трещины могут возникать повсюду: в металле сварного шва, на смежных участках или в любом другом элементе, подверженном воздействию высокой температуры сварки. Трещины имеют усталостный характер и способствуют разрушению сварной конструкции в процессе её эксплуатации.
Данные дефекты подразделяют на четыре группы:
- Горячие трещины. Возникают в процессе выполнения сварки или вскоре после формирования шва;
- Холодные трещины, которые могут появиться спустя несколько часов или дней после сварки;
- Трещины, имеющие форму кратеров. Они характерны для конечных точек зоны сплавления, когда сварщик переходит на новый участок, и собирается использовать оставшуюся часть электрода. Опасны тем, что могут вызвать лавинообразное появление новых трещин;
- Внутренние трещины, характеризующиеся резким изменением макроструктуры зоны затвердевшего расплава. Представляют особую опасность для конструкций, эксплуатация которых будет происходить в условиях динамических и ударных нагрузок.
Следует различать макро- и микротрещины: последние выявляются лишь при обследовании изделия под микроскопом, увеличение которого должно быть от 50х и более. Трещины могут располагаться по оси или в перпендикулярном направлении. Холодные и кратерные трещины часто появляются в виде расходящихся лучей.
Пористость
Наличие пор указывает на пустоты, имеющиеся в металле сварного шва. Они ослабляют механическую прочность соединения. Пористость может быть единичной или групповой, когда наблюдается несколько соседствующих пустот, ориентированных по оси перемещения электрода.
Внутри сварного шва встречаются следующие разновидности пор:
- Поверхностные, вызванные следами от газовых пузырей; такие поры имеют в плане форму, приближающуюся к окружности;
- Рукавовидные (вытянутые), которые образованы перекрытием смежных газовых пузырей;
- Цепочечные, которые образованы неперекрытыми газовыми пузырями;
- Усадочные раковины, возникающие непосредственно на кромках шва в процессе затвердевания расплава.
Разновидностью пор являются свищи. Свищ представляет собой полость (или группу полостей) в форме трубы, которая была образована в процессе выделения сварочных газов из толщи металла. В отличие от лучевидных трещин имеют овалоподобное сечение.
Поры могут быть внешними и внутренними. Последние выявляются только методами инструментального контроля.
Включения
Представляют собой частицы, химический состав, свойства и структура которых отличается от соответствующих показателей основного металла. Различают такие виды включений:
- Твёрдые, различной формы; они могут иметь один или несколько острых углов;
- Шлаковые — групповые или одиночные;
- Флюсовые;
- Оксидные;
- Металлические (чаще всего это частицы металла электрода – вольфрама или меди).
В свою очередь, включения шлака подразделяются на строчечные и линзовые; в последнем случае одна из поверхностей будет выпуклой.
Поверхностные включения легко идентифицируются в результате внешнего осмотра. Опасность таких дефектов заключается в ослаблении прочностных свойств сварного соединения.
Дефекты структуры
К ним относят непровар металлов, образующих сварной шов, и неполное их сплавление после сварки. В результате исходный и присадочный металлы не соединяются должным образом.
Несплавление характеризуется наличием разрывов между участками сварного шва, которые наблюдаются по боковым или торцевым зонам, в последнем случае корень шва ослабляется, а чувствительность соединения к знакопеременным нагрузкам возрастает. Разновидностью несплавления является перекрытие, которое наблюдается на верхней или нижней кромке сварного шва. При непроваре химический состав металла в зоне сварного шва является неоднородным, и не соответствует требуемой макроструктуре и механическим свойствам готового соединения. Глубина сварного шва недостаточна, что легко выявляется внешним осмотром.
Дефекты сечения
Являются следствием нарушения технологии сварки, либо недостаточной квалификацией сварщика, когда размеры сварного шва не соответствуют заданным.
Различают:
- Угловые отклонения в геометрии шва;
- Подрезы — выгорание части металла на внешней или внутренней части валика;
- Неравномерную поверхность шва;
- Утяжины или усадочные канавки;
- Повышенную выпуклость металла в зоне расплава;
- Натёки металла с противоположной стороны сварочного валика;
- Смещение частей сваренной конструкции – линейное или угловое;
- Прожоги с образованием полостей или даже сквозных отверстий;
- Коробление;
- Асимметрию корня шва.
Цифровое обозначение каждого из перечисленных дефектов имеется в ГОСТ 30242-97.
Разбрызгивание
После соединения на поверхности металла часто остаются частицы грата – затвердевшего расплава, капли которого были выброшены наружу. Поскольку разбрызгивание увеличивает температуру отдельных элементов заготовки, то с ростом числа брызг растут и размеры искажений. Разбрызгивание металла не только ухудшает внешний вид сварной конструкции, но также повреждает оснастку, а иногда выводит из строя сварочные кабели.
Виды и причины несплавления
Дефект проявляется в разном виде. Бывает непровар корня сварного шва (первый вид) и кромок (второй вид).
Непровар в сварном соединении первого вида характеризуется несплавлением металлов в корне шва. Нагрузки, особенно ударные, уменьшают сопротивляемость участка деформации. Причины непровара в корне шва:
- маленький зазор;
- мелкий наконечник горелки;
- мягкое пламя;
- отсутствие сварочного ушка;
- высокая скорость сварки;
- ржавая, окисная, грязная поверхность кромок.
Существует такое понятие, как местный непровар кромок. Это попадание расплавленной детали на поверхность нерасплавленной. Между металлами не образуется прочной связи, а шовный валик способен даже отделиться от кромки. Причинами становятся:
- плохое расплавление;
- нахождение горелки в одной стороне;
- мелкий наконечник;
- большой промежуток между ядром пламени и поверхностью металла.
В случае, когда жидкий металл натекает на кромки основного непрогретого материала, образуются наплывы. Чаще всего они встречаются во время сварки горизонтальных швов. Их легко увидеть и ощутить на гладкой поверхности.
Наплывы формируются ввиду того, что:
- металл сплавляемого предмета недостаточно прогрет;
- мастер неправильно ведет пруток;
- допускается промах в расчете угла наклона для мундштука от горелки.
Под наплывами обычно скрываются непровары. Есть и другие дефекты, которые могут испортить конструкцию.
Причины возникновения сварочных дефектов
Причины возникновения сгруппированы в зависимости от вида дефекта (см. таблицу):
| Наименование дефекта | Возможные причины |
| Несплавление и непровар | Недостаточная ширина сварочной канавки, слишком большой зазор между свариваемыми изделиями, диаметр электрода больше рекомендуемого для заданных размеров шва, повышенная (или слишком низкая) скорость перемещения электрода, недостаточная сила тока дуги при высоком напряжении, чрезмерная поверхность корня шва, нарушение полярности при сварке постоянным током, размещение электрода под неверным углом |
| Трещины | Горячие трещины вызваны высокой теплопроводностью свариваемых металлов, а холодные – остаточной деформацией стальных заготовок (при сварке других металлов холодные трещины обычно не наблюдаются). Трещинообразование характерно для плохо очищенных заготовок, отклонениями от технологии, неверно подобранными геометрическими размерами свариваемых изделий |
| Подрез | Избыточная сила дуги (при многопроходной сварке), увеличенные размеры электрода и малая скорость его перемещения на кромках, избыточные показатели тока и напряжения дуги, неверный угол наклона электрода |
| Различные включения | Плохая очистка металла после предыдущего прохода, неправильно выбранный угол наклона электрода, слишком большая (или, наоборот – недостаточная) сила сварочного тока, несоответствие температур плавления флюса и металла шва |
| Пористость | применение для сварки плохо очищенных заготовок, использование электродов с повышенным содержанием водорода, повышенная скорость перемещения электрода, несоответствие фактических вольтамперных характеристик дуги заданным значениям |
| Коробление | Применение завышенных значений сварочного тока и напряжения (особенно для тонкостенных изделий), увеличенная скорость перемещения электрода, использование многопроходной сварки электродами малого диаметра, недостаточный зажим деталей, подвергаемых сварке |
| Разбрызгивание | Предварительная обработка поверхности специальными составами, уменьшение силы тока при одновременном увеличении напряжения, использование электродов повышенной влажности, применение только рекомендованных марок флюсов |
В особо ответственных случаях выполняют пробную сварку с отработкой режимов процесса.
Причины непровара
Распространённые причины образования непровара при ручной дуговой сварке:
- неправильный метод сварки;
- недостаточный профессионализм сварщика;
- неполадки сварочного оборудования;
- плохо подобранные сварочные материалы.
Иные причины:
- высокая скорость ведения электрода или горелки в направлении шва;
- завышенный диаметр электрода;
- низкая сила тока;
- образование водородных пор;
- неочищенная поверхность кромок;
- маленький зазор между кромками;
- изъяны большого угла притупления;
- маленький угол фасок.
Непровар сварного участка — это опасный дефект, возникающий в виде несплавления деталей.
Как выявить дефекты в сварном шве
Внешние дефекты обнаруживаются визуально, а внутренние – методами разрушающего и неразрушающего контроля. К первым относят испытания на изгиб (которые проводят после полного снятия грата) и определение ударной прочности стыка, причём место удара принимают на расстоянии 15…20 мм от сварного стыка. Часто используют также измерение твёрдости на расстоянии 3…5 мм от стыка; она не должна быть выше 285 НВ.
Из методов неразрушающего контроля чаще используют ультразвуковую дефектоскопию.
Внутренний сварочный брак — свищ, непровар шва, поры
Дефекты сварочного соединения внутреннего расположения — это свищи, непровары и поры. Для их выявления может быть недостаточно внешних признаков. Особенно опасно при изготовлении нагруженных конструкций перерождения пор в свищи. Этот вид брака может сочетаться с непроваром, когда специалист имеет дело с деталями большого сечения или отклонением электрода от оси шва. Непровар обычно дает эффект значительного снижения прочности.
Поры и свищи вдоль шва образуются при подадании в зону нагрева частиц шлака и возникновении газовых пузырей. По линии свищей в дальнейшем пойдет трещина. Последствия непровара зависят от глубины дефекта.
ВАЖНО ЗНАТЬ: Технология сварки аргоном в видео-уроках
Устраняют брак зачисткой, перевариванием. В зоне непровара следует тщательно обработать кромки и контактные поверхности.
Сквозной прожог при сварке
Поры и свищи, прошедшие через всю толщину металла относят к сквозным дефектам. Не менее серьезен по последствиям сварочный прожог металла, возникающий при превышении температуры, передержке дуги, неправильной оценке толщины стали. Причиной прожога может быть значительное окисление металла.
Методы устранения дефектов сварных конструкций
Способы устранения проблем сварных швов сводятся к следующим:
- Зачистка грата крацеванием или фрезерованием;
- Плоскостная или объёмная правка конструкции, более эффективная в нагретом до 60…1000С её состоянии;
- Отжиг с целью получения более равновесной структуры металла.
Во многих случаях, однако, исправление дефектов невозможно, поэтому приходится разъединять детали и производить повторную сварку с учётом всех вышерассмотренных факторов.
Способы предупреждения неудач заключаются в тщательном анализе границ применимости всех компонентов техпроцесса: сварочной оснастки, оборудования, режимов сварки, квалификации исполнителей и т.д.
Трещины: разновидности, причины их образования
Трещиной называют несплошность, которая вызывается резким охлаждением или воздействием нагрузок. Разновидность этого дефекта, которую можно обнаружить только оптическими приборами с увеличением, не менее пятидесятикратного, называют микротрещиной.
Продольные трещины располагаются вдоль сварного соединения и могут располагаться:
- в металле шва;
- в основном материале;
- на границе сплавления;
- в области температурного влияния.
Продольная трещина
Трещины в основном металле, причиной которых являются высокие напряжения, называют скрытыми. Внешне они напоминают ступеньки. Этот дефект присущ сварным соединениям значительной толщины. Высокие напряжения вызываются слишком жесткими соединениями или некорректным выбором сварочной технологии. Уменьшение сварочных напряжений снижает вероятность образования скрытых продольных трещин.
Конфигурация продольных трещин определяется линиями сплавления шва и основного металла.
Эти трещины разделяют на:
- горячие, их причиной является высокотемпературная хрупкость сплавов;
- холодные — возникают при медленном разрушении металла.
Поперечные трещины ориентированы перпендикулярно оси сварного шва. Они могут возникать, как в основном материале и металле сварного соединения, так и в зоне температурного влияния.
Радиальные трещины расходятся из одной точки и иначе называются звездообразными. Места их расположения аналогичны локализациям поперечных трещин. Причины образования поперечных и радиальных трещин такие же, как и у продольных.
В месте отрыва дуги на поверхности шва образуется углубление. Дефекты, которые возникают в этом месте, называют трещинами в кратере. Они разделяются на продольные, поперечные, звездоподобные. Конфигурацию этого дефекта определяют: микроструктура зоны сварного соединения, фазовые, термические и механические напряжения.
Если возникает группа не связанных друг с другом трещин, то они называются раздельными. Места и причины их возникновения аналогичны этим характеристикам поперечных и радиальных трещин.
Если из одной трещины образуется группа трещин, то такой брак носит название разветвленных трещин. Места их расположения — основной материал, металл шва, область термического влияния. Причины возникновения такие же, как и у продольных трещин.
