Дефекты сварных соединений и контроль качества сварки
Контрольные вопросы.
1. Порядок выбора технологического процесса сварки изделия?
2. Типы сварных соединений.
3. Как выбрать режимы РДС?
4. Технология и режимы механизированной сварки под флюсом.
5. Технология сварки меди и её сплавов.
6. Как сваривают изделия из латуни и бронзы?
7. Технология сварки алюминия и её сплавов.
8. Трудности при сварке изделий из титановых сплавов?
9. Способы сварки титановых сплавов?
10. Как сваривают разнородные материалы?
11. Сварка пластмасс.
12. Техника безопасности при проведении сварочных работ.
Дефекты шва и сварных соединений.Качество сварных соединений в значительной мере определяет эксплуатационную надёжность и экономичность конструкций. Наличие в сварных швах дефектов может привести к нарушению герметичности, прочности судовых сварных конструкций, а в отдельных случаях и к разрушению корпуса судна.
Дефекты сварных соединений условно разделяют на 2 группы:
1-ая группа – дефекты физико-химического происхождения (поры, неметаллические включения, горячие и холодные трещины);
2-ая группа - дефекты технологического происхождения или их называют дефектами формирования шва (непровары, несплавления, неравномерность размеров сечений швов по их длине, наплывы металла швов, подрезы, кратеры, трещины наружные и пр.).
Поры. Этозаполненные газом полости в металле шва, имеющие округлую, вытянутую и более сложную форму. Они возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов.
Поры могут быть микроскопическими и крупными (диаметром 4-6 мм). Выходящие на поверхность поры (свищи) выявляются при внешнем осмотре, а внутренние – рентгенографированием или ультразвуковым методом. Основной причиной образования пор при сварке стали являются водород, азот, окись углерода. Остальные газы (Н2О, СО2 и др.) не оказывают существенного влияния на порообразования.
При сварке алюминия, меди и их сплавов пористость в основном вызывается водородом и парами воды. Для предупреждения пор в этом случае металл сварного шва должен содержать не менее 0,15% кремния.
Образование пор в швах из стали от выделения водорода и азота обусловлено резким снижением их растворимости в процессе затвердевания металла сварочной ванны. На пористость швов существенное влияние оказывает скорость кристаллизации сварочной ванны. При большой скорости кристаллизации металла
Рост кристаллитов обгоняет рост и всплытие пузырька газа, пузырёк захватывается металлом, в результате чего образуется пора. Снижение скорости сварки, увеличение объёма сварочной ванны, уменьшение теплоотвода в основной металл и увеличение его начальной температуры снижают скорость кристаллизации металла и уменьшают пористость швов.
Неметаллические включения. К ним относятся оксидные, сульфидные, фосфоросодержащие и нитридные включения. Источником их служит осаждающее раскисление и сварочные шлаки. Основную роль при этом играют процессы раскисления. Наличие в металле шва неметаллических включений приводит к снижению пластичности и хладостойкости. Загрязнение металла шва неметаллическими включениями ослабляется при комплексном раскислении. В этом случае продукты раскисления образуют легкоплавкие эвтектики, которые в значительной мере вытесняются фронтом растущих дендритов на поверхность шва.
Горячие трещины. Это макроскопические или микроскопические, имеющие характер надреза, несплошности. Горячие трещины возникают при температурах, близких температуре кристаллизации металла (900 – 14000С – для сталей) и зависят от химического состава металла. Они подразделяются на кристаллизационные и подсолидусные. Кристаллизационные трещины зарождаются в процессе первичной кристаллизации металла шва и могут затем развиваться при остывании металла в твёрдом состоянии. По расположению они могут быть продольные и поперечные.
Подсолидусные трещины образуются уже в твёрдом металле, при температурах несколько ниже температуры солидуса (на 50-1000С). Природа образования трещин двух видов различна.
Процесс образования кристаллизационных трещин может быть описан следующей схемой. При кристаллизации на металл шва воздействуют растягивающие напряжения, возникающие в результате неравномерного нагрева и охлаждения свариваемого металла, жёсткого закрепления деталей и затруднённого сокращения металла шва. Наличие растягивающих напряжений вызывает пластическую деформацию металла шва, причём интенсивность её нарастания увеличивается со снижением температуры. Если деформация металла, вызванная усадкой ε1, превысит деформационную способность металла, характеризующуюся относительной деформацией δ,то произойдёт разделение кристаллитов, т. е. образование трещин (ε1 > δ ). Эти механические условия были положены в основу схемы образования горячих трещин, разработанной доктором технических наук Н.Н. Прохоровым [1,4]. На рис.8.1. представлена зависимость деформационной способности сплава δ от температуры Т, которая, как правило, определяется экспериментально.
Эта схема (Рис.8.1) иллюстрирует механические условия образования горячих трещин (по Н.Н. Прохорову). Здесь:
ТИХ - температурный интервал хрупкости;
δ- относительное удлинение металла при растяжении;
ε - фактическая деформация металла;
S - линия солидуса;
L - линия ликвидуса.
При снижении температуры деформационная способность металла резко падает, при этом минимальное значение наблюдается при образовании двухфазного состояния, в котором кристаллиты разобщены небольшим количеством эвтектики, располагающейся по их границам в виде плёнки. Этот температурный интервал называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). В первом приближении от величины (ТИХ) зависит фактическая деформация
ε = α · (ТИХ)
Где α - коэффициент линейного расширения металла.
Минимальная деформационная способность металла зависит от количества эвтектики. С появлением эвтектики δmin вначале снижается, а затем повышается, а склонность к кристаллизационным трещинам уменьшается. Это приводит к залечиванию трещин, т. е. заполнению образующихся в металле трещин эвтектикой, имеющейся в избытке.
Кристаллизационные трещины проходят по ликвационным прослойкам, разъединяющим кристаллиты. В сварных швах они располагаются вдоль границы кристаллитов ( при наличии междендритной ликвации) либо посередине шва (при наличии зональной ликвации).
В отличие от кристаллизационных трещин, имеющих межкристаллитный характер, подсолидусные трещины проходят внутри кристаллов. Их образование связывают со снижением пластичности металла шва вблизи линии солидуса. Это объясняется влиянием диффузионных процессов, приводящих к укрупнению зерна, уменьшению протяжённости их границ, появлению на границах различных дефектов и ослаблению прочности связей между зёрнами.
Подсолидусные трещины возникают преимущественно на границах зёрен и характерны для однофазных сплавов.
Стойкость металла шва и ЗТВ против образования горячих трещин зависит от δmin , ТИХ и темпа нарастания деформаций во времени dε/dt.
Для уменьшения склонности сварных швов к образованию горячих трещин следует принимать следующие меры:
1. использовать сварочные материалы , обеспечивающие минимальное содержание в шве серы, фосфора и углерода;
2. легировать металл шва марганцем, связывающим серу в тугоплавкое соединение МnS;
3. применять сварные соединения, имеющие малую склонность к образованию трещин (широкие швы с большим значением Ψ );
4. измельчение первичной структуры и предотвращение образования крупностолбчатой структуры путём введения в шов модифицирующих элементов ( титан, алюминий и др.);
5. уменьшения темпа нарастания деформации путём применения предварительного и сопутствующего сварке подогрева, а также выбором режимов сварки и параметров шва. Кристаллизационные трещины могут возникать не только в металле шва, но и на участке перегрева ЗТВ.
Холодные трещины. Это типичный дефект среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного класса. В отличие от кристаллизационных и подсолидусных трещин холодные трещины образуются в сварных соединениях при невысоких температурах, ниже 2000С. Они могут иметь водородное происхождение, закалочное или смешанное и носят замедленный характер образования в отличие от горячих трещин.
Трещины водородного происхождения образуются в результате появления на границах зёрен флокенов (пузырьков), заполненных молекулярным водородом, диффундирующим в атамарном виде из металла.
Трещины закалочного происхождения наблюдаются при образовании в металле шва и околошовной зоны хрупкой структуры мартенсита.
Борьба с холодными трещинами – это способы борьбы с водородом и применение сопутствующего подогрева при сварке.
Величины допустимых погрешностей в размерах сварных швов оговорены для ручной сварки в отраслевой судостроительной нормали, а для сварки под флюсом – в ГОСТ РФ 8713 – 70, а также в Правилах Регистра РФ [ 7 ]. Правилами Регистра РФ установлено, что в стыковых швах ответственных листовых корпусных конструкций недопустимы несплавления, непровары, трещины. Однако в швах допускаются незначительные дефекты ( поры, включения, поверхностные дефекты).
Контроль качества сварки.Повышение качества, а следовательно и конкурентоспособности выпускаемой продукции – одна из важнейших экономических и политических задач на современном этапе развития рыночных отношений и проведения модернизации экономики в РФ.
От качества выполнения сварных соединений корпусных конструкций зависит эксплуатационная долговечность судна и безопасность плавания.
Обнаружение дефектов сварных швов и выявление их причин с целью предупреждения их появления вновь, применение действенных методов контроля и испытаний являются важным и необходимым этапом постройки и ремонта судов. Как уже было сказано выше, все дефекты подразделяются на внутренние и наружные и дали краткую оценку некоторых из них. Одни из дефектов при определённых размерах могут быть допустимыми, другие – нет. Так Правила Морского Регистра РФ допускают поры размером менее 0,1 толщины листов, но не более 2 мм; подрезы основного металла глубиной не более 0,5 мм и длиной не более 15 мм при суммарной протяжённости подрезов не более 10% длины шва. Наружные дефекты в сварных швах, которые снижают прочностные свойства и могут привести при эксплуатации к появлению трещин и даже к разрушению конструкции недопустимы и их необходимо при обнаружении сразу, исправлять.
Внутренние дефекты сварных швов не обнаруживаются при визуальном осмотре и испытаниях на непроницаемость. Для выявления внутренних дефектов применяются различные физические методы контроля: рентгено- и гаммаграфирование, ультразвуковой контроль и др.