ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра сварочного производства

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по дисциплине

«Контроль качества сварки»

Составители: Добрынин В.П.

Гончаров А.Н.

Ковган А.Н.

Липецк 2010 г.

ВВЕДЕНИЕ

Появление современных промышленных объектов – атомных электростанций, резервуаров для хранения технологического сырья, больших металлургических и химических комбинатов, крупных авиалайнеров и.т.д. – привело наряду с экономическими выгодами к большим негативным последствиям в случае выхода их из строя. Человечество не может отказаться от использования современных благ цивилизации, но оно способно предотвратить катастрофы или уменьшить их последствия путем эффективного использования методов и средств контроля качества выпускаемой продукции.

Контроль качества выпускаемой продукции начинается с момента поставки материалов на предприятие (входной контроль) необходимых для производства изделий. На различных стадиях производства применяют соответственно и различные методы контроля (пооперационный контроль). После изготовления детали производиться контроль качества готовой продукции (приёмочный контроль).

Качество сварных соединений зависит от качества исходных основных и сварочных материалов, качества сборки под сварку, соблюдения технологии сварки и других факторов. Возникновение дефектов в значительной степени связано не только с технологическими, но и с организационными причинами. Следовательно, специалисты сварочного производства должны знать не только дефекты сварных соединений, присущие различным способам сварки, методы и оборудование для их обнаружения, но и владеть вопросами организации управления качеством сварки.

Современные технологические процессы изготовления продукции машиностроения в большинстве случаев сопровождаются использованием различных способов сварки. Совершенствование их или применение новых способов соединения только частично решает проблему повышения качества изготовляемых конструкций, так как даже при хорошо отработанной технологии сварки возможны различного рода дефекты, приводящие к снижению надежности и долговечности изделий. В связи с этим для повышения качества изготовляемых конструкций приобретают методы неразрушающего контроля.

В ряде отраслей промышленности неразрушающий контроль сварных соединений выделен в самостоятельный технологический процесс, так как в большинстве случаев трудоемкость контроля соизмерима с трудоемкостью процесса сварки. Затраты на контроль при изготовлении ряда конструкций превосходят затраты на сварку, а стоимость контрольных операций может достигать 25 – 35 % общей стоимости конструкции. Это объясняется, прежде всего, тем, что уровень механизации и автоматизации сварочных работ достаточно высок, в то время как доля автоматизированного неразрушающего контроля незначительна. Поэтому в настоящее время особое внимание обращают на ускоренное внедрение автоматизированных методов контроля качества сварных соединений.

Разработана и осуществляется специальная программа по внедрению в сварочное производство современных средств и методов неразрушающего контроля (акустической эмиссии, голографии, томографии и др.). Дальнейшее развитие получат и традиционные методы неразрушающего контроля. К таким методам относят радиационную, ультразвуковую, магнитную и капиллярную дефектоскопию, а также испытание изделий на герметичность.

Следует отметить, что среди перечисленных методов контроля нет такого, который гарантировал бы выявление всех дефектов сварки. Каждый из этих методов обладает своими преимуществами и недостатками. Например, при использовании радиационных методов контроля достаточно уверенно обнаруживаются объемные дефекты и значительно хуже – неславления, трещины и т.д. Ультразвуковой метод, наоборот, более чувствителен к плоскостным дефектам и малоэффективен при контроле конструкций с дефектами в виде пор. Для выявления поверхностных дефектов применяют капиллярный или магнитный методы контроля.

Практика показывает, что правильная организация процессов контроля, а также умелое применение того или иного метода или сочетание методов при контроле позволяют с большой надежностью оценить качество сварных соединений.

Растущие требования к качеству выпускаемой продукции выдвинули задачу подготовки специалистов, владеющих необходимой совокупностью знаний по технологии сварки, аппаратуре контроля и организации контрольных служб.

Типы и виды дефектов

В соответствии с ГОСТ 17102-71 термин «дефект» определяют как каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией.

В сварочном производстве принято выделять следующие типы дефектов:

1. Дефекты подготовки и сборки изделий под сварку.

2. Дефекты формы шва.

3. Наружные и внутренние дефекты.

Дефекты подготовки и сборки. Характерными видами дефектов при сварке плавлением являются неправильный угол скоса кромок в швах с V-, U- и Х- образной разделкой; слишком большое или малое притупление по длине стыкуемых кромок; непостоянство зазора между кромками; несовпадение стыкуемых плоскостей; расслоения и загрязнения на кромках и т.п.

Указанные дефекты могут возникнуть из-за неисправности станочного оборудования, на котором изготавливали заготовки или приспособлений для сборки; недоброкачественный исходный материал; ошибки в чертежах, а также низкая квалификация работников.

Дефекты формы шва. Форма и размеры сварных швов обычно задаются техническими условиями, указываются на чертежах и регламентируются стандартами. Конструктивными элементами стыковых швов (рис.1.) являются их ширина е; высота усиления g и высота обратного валика g₁; угловых швов тавровых и нахлесточных соединений (рис.2.) без скоса кромок - катет шва k и высоту рабочего сечения h. Размеры швов зависят от толщины S свариваемого металла и условий эксплуатации конструкций.

Неравномерная ширина швов образуется при неправильных движениях электрода, зависящих от зрительно-двигательной координации сварщика, а также в результате возникших отклонений от заданного зазора кромок при сборке. При автоматической сварке причиной образования этого дефекта является нарушение скорости подачи проволоки, скорости сварки и т.д.

Неравномерность усиления по длине шва, местные бугры и седловины получаются при ручной сварке из-за недостаточной квалификации сварщика; неправильными приемами заварки прихваток; неудовлетворительным качеством электродов.

При автоматической сварке эти дефекты встречаются редко и являются следствием неполадок в механизме скорости сварки автомата.

Перечисленные дефекты формы шва снижают прочность соединения и косвенно указывают на возможность образования внутренних дефектов.

Наружные дефекты. К ним относятся наплывы, подрезы, незаваренные кратеры, прожоги.

Наплывы образуются в результате стекания расплавленного металла электрода на нерасплавленный основной металл или ранее выполненный валик без сплавления с ним (рис. 3.). Наплывы могут быть местными, в виде отдельных зон, а также значительными по длине. Наплывы возникают из-за чрезмерной силы тока при длинной дуге и большой скорости сварки; неудобного пространственного положения шва (вертикальное, потолочное, горизонтальное); увеличенного наклона плоскости, на которую накладывают сварной шов; неправильного ведения электрода или неправильного смещения электродной про волоки при сварке кольцевых швов под флюсом и т.д.

Подрезы представляют собой углубления (канавки) в основном металла, идущие по краям шва (рис.4.). Глубина подреза может колебаться от десятых долей до нескольких миллиметров. Причинами появления этого дефекта являются значительной силы ток и повышенное напряжение дуги; неудобное пространственное положение при сварке; низкая квалификация сварщика.

Подрезы в шве уменьшают рабочую толщину металла, вызывают местную концентрацию напряжений от рабочих нагрузок и могут быть причиной разрушения швов в процессе эксплуатации. Подрезы в стыковых и угловых швах, расположенных поперек действующих на них усилий, приводят к резкому снижению вибрационной прочности; даже достаточно крупные подрезы, расположенные вдоль действующего усиления, отражаются на прочности в значительно меньшей степени, чем подрезы, расположенные поперек.

Кратер – углубление, образующееся в конце шва при внезапном прекращении сварки. Размеры кратера зависят от величины сварочного тока. Незаваренные кратеры оказывают неблагоприятное воздействие на прочность сварного соединения, так как являются концентраторами напряжений. При вибрационной нагрузке снижение прочности соединения из малоуглеродистой стали достигает 25 %, а из низколегированных – 50 %.

Прожоги – дефекты в виде сквозного отверстия в сварном шве, образующиеся в результате вытекания сварочной ванны; при сварке металла небольшой толщины и первого слоя при многослойных швах. Причинами прожогов являются чрезмерно высокая погонная энергия дуги, неравномерная скорость сварки, увеличенный зазор между кромками свариваемых элементов. Во всех случая отверстие, возникающее при прожогах, хотя и заделывается, однако шов в этом месте получается неудовлетворительный по внешнему виду и качеству.

Поджоги возникают в результате возбуждения дуги («чирканья электродом») на краю кромок. Этот дефект является источником концентрации напряжений, его обязательно следует удалять механическим способом.

Внутренние дефекты. К ним относятся поры, включения, непровары, несплавления и трещины.

П оры (рис. 5.) в виде полости округлой формы, заполняются газом, образуются вследствие загрязненности кромок свариваемого металла, использования влажного флюса или отсыревших электродов, недостаточной защиты сварочной ванны от атмосферы, большой скорости сварки и увеличенной длины дуги. При сварке в углекислом газе, а в некоторых случаях и под флюсом на больших токах образуются сквозные поры – так называемые свищи.

Размеры внутренних пор колеблются от 0,1 мм до нескольких миллиметров в диаметре. Равномерная пористость (рис.5.а.) обычно возникает при постоянно действующих факторах: загрязненности основного металла по свариваемым поверхностям, непостоянной толщине покрытия электродов и т.д. Скопление пор (рис.5.б.) образуется при местных загрязнениях или при отклонениях от установленного режима сварки, а также при нарушении сплошности обмазки электрода, при сварке в начале шва, при обрывах дуги или при случайных изменениях ее длины. Цепочки пор (рис.5.в.) образуются в условиях, когда газообразные продукты проникают в металл по оси шва на всей его протяженности (при сварке по коррозии металла, при подсосе воздуха через зазор между кромками, при подварке корня шва некачественными электродами). Одиночные поры возникают за счет действия случайных факторов (колебания напряжения в сети, увеличение длины дуги и ее обрывы и т.д.).

Включения в металле шва – это небольшие объемы, заполненные веществами (шлаками, окислами, частицами вольфрама и т.п.). Вероятность образования включений в значительной мере определяется маркой и видом сварочных материалов, способом сварки и свариваемым металлом.

Включения чаще всего образуются из-за плохой зачистки свариваемых кромок от окалин, шлака и других загрязнений, а также при плохой зачистке от шлака поверхности первых слоев многослойных швов перед заваркой последующих. Низкое качество электродного покрытия или флюса, низкая квалификация сварщика, также сказывается на образовании включений. Вольфрамовые включения образуются при попадании в сварочную ванну частиц вольфрамового электрода при его разрушении.

Непровары – это дефект (рис.6.) в виде местного несплавления в сварном соединении вследствие неполного расплавления кромок или поверхностей ранее выполненных валиков. Причинами образования непроваров являются плохая зачистка свариваемых кромок; блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных полей, особенно при сварке на постоянном токе; чрезмерная скорость сварки; значительное смещение электрода в сторону одной из свариваемых кромок; излишнее притупление и малый угол скоса кромок; недостаточная величина тока.

Трещины – дефекты сварных швов, представляющие собой макроскопические или микроскопические межкристаллические разрушения, образующие полости с очень малым начальным раскрытием. Под действием остаточных и рабочих напряжений трещины могут распространяться с высокими скоростями. Поэтому вызванные ими хрупкие разрушения происходят почти мгновенно и очень опасны.

В зависимости от температуры, при которой происходит их возникновение, различают горячие и холодные трещины.

Горячие трещины представляют собой разрушения кристаллизующегося металла, происходящие по жидким прослойкам между кристаллами наплавленного металла под действием растягивающих напряжений при температуре 1100 – 1300 ⁰С. Эти напряжения появляются вследствие несвободной усадки металла шва и примыкающих к нему неравномерно нагретых участков основного металла.

Образование горячих трещин связано с совокупным действием двух факторов. По мере кристаллизации сокращается количество жидкой фазы, что приводит к уменьшению деформационной способности сплава. Кроме того, в температурном интервале хрупкости пластические свойства сплава наиболее низки. Кристаллизационные трещины образуются, если пластическая деформация за время пребывания металла в температурном интервале хрупкости превзойдет пластичность сплава в этом интервале температур.

Горячие трещины могут возникать как в наплавленном металле, так и в металле зоны термического влияния. Они могут быть продольными, поперечными, продольными с поперечными ответвлениями, могут выходить на поверхность или оставаться скрытыми. Вероятность образования горячих трещин зависит от химического состава металла шва, скорости нарастания и величины растягивающих напряжений, формы сварочной ванны и шва, размера первичных кристаллов. Она увеличивается с повышением содержания в металле шва углерода, кремния, никеля, вредных примесей серы и фосфора. Повышению стойкости сварных швов, образованию горячих трещин способствует марганец, хром и отчасти кислород, а также снижение величины и скорости нарастания растягивающих напряжений, что достигается уменьшением жесткости узлов, применением способа сварки с оптимальным термическим циклом, использованием специальных технологических приемов и т.п. Влияние коэффициента формы шва на вероятность образования горячих трещин не однозначно (рис. 7). При значениях коэффициента формы шва менее 1,8 и более 10 сопротивляемость возникновению горячих трещин понижается даже при относительно невысоком содержании углерода.

Холодные трещины возникают при температурах 100 – 300 ⁰С, чаще всего они образуются в зоне термического влияния, реже в металле шва сварных соединений среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Появление холодных трещин объясняют действием комплекса причин. Одна из них – влияние высоких внутренних напряжений, возникающих в связи с объемным эффектом, сопутствующим мартенситному превращению, происходящему в условиях снижения пластичности металла. Поэтому холодные трещины наблюдаются как при температурах распада остаточного аустенита, так и при комнатной температуре через несколько минут, часов, а иногда и через более длительное время после окончания сварки. Высокие внутренние напряжения могут также развиваться вследствие адсорбции растворенного в металле водорода на поверхностях внутренних дефектов и накоплении его в микронесплошностях. Возникновение холодных трещин связывают также с замедленным разрушением металла под действием напряжений, которые накапливаются по границам зерен, перпендикулярным направлению действия нормальных напряжений.