Сварные соединения

1 АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ  ДАННЫХ

 

 

1. Сварные соединения

 

Сварное соединение – соединение, выполненное сваркой. Сварка – получение  неразъемного соединения посредством  установления межатомных связей между  соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. [2]

Различают следующие виды сварных соединений:

1. Стыковое соединение – сварное соединение двух элементов, примыкающих друг к другу торцовыми поверхностями. Стыковое соединение представлено на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Стыковое соединение

 

2. Угловое соединение – сварное соединение двух элементов, расположенных под углом и сваренных в месте примыкания их краев. Угловое соединение приведено на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Угловое соединение

 

3. Нахлесточное соединение – сварное соединение, в котором сваренные элементы расположены параллельно и частично перекрывают друг друга. Нахлесточное соединение приведено на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Нахлесточное соединение

 

4. Тавровое соединение – сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и приварен к боковой поверхности другого элемента. Тавровое соединение приведено на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Тавровое соединение

 

5. Торцовое соединение – сварное соединение, в котором боковые поверхности сваренных элементов примыкают друг к другу. Торцовое соединение приведено на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Торцовое соедиение

 

2. Дефекты сварных соединений

 

Различают следующие группы дефектов сварных соединений:

– трещины (микротрещины, продольные, поперечные, радиальные, раздельные, разветвленные  трещины);

– поры, газовые полости: газовые полости, поры, равномерно распределенные пористости, скопления и цепочки пор, свищи, поверхностные поры, усадочные раковины, кратеры;

– твердые включения: шлаковые, флюсовые, оксидные, металлические;

– несплавления и непровары;

– нарушения формы шва: подрезы (непрерывные протяженные, перемежающиеся локальные), усадочные раковины, превышения выпуклости стыковых и угловых швов, превышение проплава, неправильный профиль сварного шва, наплывы, линейное и угловое смещения свариваемых листов, натеки, прожоги, чрезмерная асимметрия сварного шва, неравномерная ширина шва [3].

Рассмотрим подробнее  некоторые дефекты сварных соединений.

Трещина – частичное местное разрушение сварного соединения. Внешний вид трещин приведен на рисунке 1.6. В наплавленном и основном металле трещины появляются вследствие развития собственных напряжений, которые могут возникнуть в металле в результате следующих причин: литейной усадки и структурных превращений или изменения объема при переходе металла из жидкого состояния в твердое; неравномерного распределения температуры при нагреве или охлаждении свариваемого объекта; сварки деталей из конструкционных легированных сталей в жестко заделанных контурах; большой скорости охлаждения при сварке углеродистых сталей, склонных к закалке на воздухе; проведения сварки при низких температурах, понижающих пластические свойства металла; засоренности основного и присадочного металлов вредными примесями серы и фосфора; наличия в сварных соединениях других дефектов, являющихся концентраторами напряжений, обуславливающих образование трещин, и другие.

В зависимости от температурных условий, при которых возникают трещины, их подразделяют на холодные, возникающие при температуре до 300 ^оС, и горячие, возникающие при температуре 1100 – 1300 ^оС.

В зависимости от расположения относительно оси шва сварного соединения трещины подразделяют на продольные и поперечные; по расположению в  сварном соединении – на трещины  в наплавленном металле, трещины  в основном металле или в зоне термического влияния.

Рисунок 1.6 – Трещины

 

В зависимости от размеров трещины подразделяют на макротрещины, имеющие сравнительно большой размер по глубине, протяженности и раскрытию, и микротрещины, обнаруживаемые вооруженным глазом.

В зависимости от характера  напряжения (сжатие или растяжение), трещины могут быть закрытые, труднообнаруживаемые (в сжатых конструкциях), или открытые, хорошо видные (в растянутых элементах).

Трещина – наиболее опасный  и недопустимый дефект сварки.

Непровар – отсутствие сплавления между наплавленным и  основным металлами (в корне шва  или по кромке) или между смежными слоями шва. Непровары представлены на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Непровары

При непроваре отсутствует  структурная связь между прилегающими друг к другу объемами металла  в сварном соединении. Непровар возникает  в тех случаях, когда расплавленный  электродный металл попадает на нерасплавленный  основной металл. На поверхности соприкосновения  расплавленного и основного металла  сохраняется тонкая окисная пленка, снижающая прочность сцепления  между ними.

Непровары часто встречаются  в вершине угла, по скосам свариваемых  кромок, между параллельными валиками и между валиками, наложенными  друг на друга при многослойной сварке.

Характерная особенность  непровара состоит в том, что  он заканчивается в металле шва  ответвлением («усами») в виде трещины. При радиографировании швов сварных  соединений эти «усы», как правило, не выявляются, т.к. их раскрытие (ширина) составляет 0,01 – 0,1 мм. По этой причине  ошибка в определении общей глубины  непровара по рентгеновским и гамма-снимкам может составлять до 10%.

Причины образования непроваров:

– недостаточная тепловая мощность дуги (малый ток, излишне  длинная или излишне короткая дуга); электроды из легкоплавкого  материала, вследствие чего жидкий металл заполняет шов на неоплавленные свариваемые кромки;

– чрезмерная скорость сварки, при которой свариваемые кромки не успевают расплавиться;

– значительное смещение электрода  на одну из свариваемых кромок, когда  расплавленный металл натекает на вторую нерасплавленную кромку, прикрывая  непровар;

– малая величина зазора или малый угол скоса кромок, что  затрудняет расплавление основного  металла;

– неудовлетворительная зачистка кромок под сварку от ржавчины, краски, окалины, масла и других загрязнений;

– низкая квалификация сварщика и др.

Непровар – один из наиболее опасных дефектов сварки, особенно в сварных соединениях, работающих под действием вибрационных и  ударных нагрузок.

Поры (пористость) в наплавленном металле шва – различной величины пузырьки (особенно сферической формы), заполненные газами. Внешний вид  пористостей приведен на рисунке 1.8.

а)     б)

в)     г)

а) газовая пора, б) скопление  пор, в) поверхностная пора, г) свищи.

Рисунок 1.8 – Пористости

 

Газовые пузырьки возникают  вследствие интенсивных реакций  газообразования в объеме металла  и большой скорости его затвердевания, не позволяющий пузырькам газа подняться  на поверхности расплавленного металла  шва. При сварке стали основной источник газообразования в большинстве  случаев – это реакция выгорания  углерода за счет окислов, растворенных в расплавленном металле (ванне), с образованием окиси углерода, нерастворимой  в металле.

Возникшие в жидком металле  пузырьки газа могут быстро расти  за счет диффузии в объем пузырька газов, растворенных в металле, и  в первую очередь водорода. К числу газов, вызывающих пористость, или имеющих определенное значение для образования пор при сварке, также относятся азот, пары воды и в малой степени углекислый газ и метан. При охлаждении растворимость газов в металле уменьшается и часть газов стремится выйти в атмосферу. Газы, встречая сопротивление кристаллизующегося металла, не могут полностью выйти из металла шва и образуют в нем внутренние поры, раковины или выходящие на поверхность свищи (ноздреватость).

В шве сварных соединений распределение пор может быть равномерным по всему объему наплавленного  металла, в виде цепочки вдоль  шва, групповые, в виде отдельных  скоплений и в виде единичных  включений.

По сечению шва поры могут располагаться у основания  шва, по линии сплавления расплавленного металла шва с основным металлом; иногда поры распределяются по всему  сечению шва.

Равномерная пористость обычно возникает при постоянно действующих  факторах: загрязненность основного  металла по свариваемым поверхностям (ржавчина, масло и т.п.), низкокачественные электроды или флюсы и т.д.

Групповые поры в виде отдельных  скоплений образуются при отклонениях  от заданного (установившегося) режима сварки (при обрыве или случайных  удлинениях дуги, при нарушении сплошности обмазки, при сварке в начале шва, в кратерах и т.п.).

Поры, распределенные линейно  в виде цепочки вдоль шва, образуются в условиях, когда газообразные продукты проникают по оси шва на всем его  протяжении (при сварке по подварке корня шва, выполненной некачественными электродами, при сварке по ржавчине, при подсосе воздуха через зазор между кромками).

Единичные поры могут образоваться при случайных отклонениях от установившегося режима и условий  сварки.

Наиболее вероятно возникновение  газовых пор в швах сварных  соединений алюминиевых, титановых  сплавов и в меньшей степени  в сталях.

Основные причины образования  пор в швах сварных соединений: повышенное содержание углерода в основном металле или присадочном материале; повышенная влажность электродного покрытия, флюса или проведение сварочных работ в сырую погоду; наличие в некоторых электродных покрытиях крахмала, декстрина и других органических составляющих, в результате разложения которых может происходить насыщение металла шва окисью углерода или водородом; плохая очистка кромок свариваемого металла от ржавчины, краски, масла и других загрязнений; высокая скорость сварки, приводящая к быстрому затвердеванию сварочной ванны.

 Шлаковые включения в шве сварного соединения – небольшие объемы, заполненные неметаллическими веществами – шлаками, окислами. Помимо пузырьков газа, в металле шва могут застревать включения шлаков и окислов, не успевших всплыть на поверхность металла шва. Шлаковые включения в сварном шве представлены на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – Шлаковые включения

 

Образование шлаковых включений  в значительной степени зависит  от скорости затвердевания жидкой ванны. При высокой скорости затвердевания (при сварке электродами с тонкой обмазкой) количество шлаковых включений  очень велико. При сварке качественными  электродами, дающими мало шлака, расплавленный  металл дольше находится в жидком состоянии и неметаллические включения имеют время всплыть на поверхность металла. При сварке качественными электродами наплавленный металл мало засорен шлаковыми включениями.

Шлаковые включения по величине могут быть различными –  от микроскопических до капель в несколько  миллиметров в поперечнике. По форме  включения разнообразны: сферические, игольчатые, шарообразные, плоские, вытянутые  в виде пленки, разделяющей прилегающие  объемы наплавленного металла. Вследствие этого влияние шлаковых включений на механические свойства сварных соединений может быть сильнее, чем влияние пористости, имеющей сферическую форму.

Шлаковые включения при  определенных условиях могут стать  очагом образования трещин. Это объясняется  тем, что в процессе нагрева или  охлаждения вследствие большой разницы  величины коэффициентов теплового  расширения шлаков и металлов в последнем  могут возникнуть значительные температурные  напряжения, способствующие зарождению трещин в металле шва.

Оксидные включения (пленки) могут возникать при всех видах  сварки. Влияние оксидных пленок на механические свойства сварных соединений может быть сильнее, чем влияние  пор, шлаковых и металлических включений.

Причины возникновения шлаковых и окисных включений: загрязненность поверхностей свариваемых кромок ржавчиной, маслом, краской и т.д.; плохая очистка (или отделимость) шлака от поверхности  шва при многослойной сварке; быстрое  остывание ванны жидкого металла (малый слой шлакового покрытия), что затрудняет всплывание на поверхность  более крупных включений; высокая  плотность или тугоплавкость  шлака; некачественное электродное  покрытие (покрытие дает вязкий густой шлак, или оно нанесено больше положенного); низкая квалификация сварщика и др.

Несоответствие размеров и формы шва – неполное заполнение (неполномерность) швов; чрезмерная высота и ширина шва; неравномерная высота и ширина шва. Данные дефекты представлены на рисунках 1.10 а, б, в.