Сварные соединения

Причинами отклонения геометрических размеров швов от заданных могут быть чрезмерные зазоры между кромками свариваемых  заготовок (элементов конструкции) и повышенные углы разделки между  свариваемыми кромками; завышенные сварочный ток и напряжение на дуге, малая скорость сварки; неправильное перемещение электрода в процессе сварки или неправильный угол наклона сварочной проволоки при автоматической сварке; недостаточная квалификация сварщика; неисправность сварочного оборудования, измерительных приборов и др.

Прожог – сквозное проплавление свариваемых элементов конструкции. Прожоги представлены на рисунке 1.10, г. Этот дефект может быть вызван следующими причинами: чрезмерными зазорами между  стыкуемыми кромками свариваемых элементов; неплотным прилеганием металлической  подкладки или флюсовой подушки  при автоматической сварке под флюсом; завышенной тепловой мощностью; низкой скоростью сварки и т.д. На практике прожоги чаще встречаются при сварке тонкостенных конструкций и сварке стыковых швов, выполняемых с глубоким проваром, а также при сварке снизу вверх вертикальных угловых швов. Прожоги без исправления – недопустимые дефекты.

а)      б)

в)      г)

 

а) чрезмерная асимметрия сварного шва, б) неполное заполнение разделки кромок, в) прожоги, г) неравномерная ширина шва.

Рисунок 1.10 – Несоответствия размеров и формы шва

Подрез – углубление в  основном металле, расположенное вдоль  границы шва сварного соединения. Подрез представлен на рисунке 1.11. Причины образования подрезов: чрезмерная тепловая мощность дуги; неправильное положение электрода и низкое напряжение на дуге при автоматической сварке под флюсом; слишком тугоплавкий флюс при электрошлаковой сварке, способствующий отжиманию ползунов; низкая квалификация сварщика и др. Подрезы без исправления – недопустимые дефекты, особенно в тех случаях, когда сварные соединения предназначены для работы в условиях вибрационных и динамических нагрузок.

Рисунок 1.11 – Подрез

 

Наплыв – излишне наплавленный металл около кромок шва, наплывший  или натекший в процессе сварки на непрогретый основной металл и не сплавившийся с ним. Наплыв представлен  на рисунке 1.12. Причины образования наплывов: неправильное пространственное положение шва; недостаточно точное направление электрода по оси шва – смещение его на одну из свариваемых кромок; неправильно выбранный электрический режим сварки (сила тока, длина дуги и т.п.); малая скорость сварки при чрезмерной скорости плавления электродной (присадочной) проволоки; недостаточная квалификация сварщика и др. Наплывы часто сопровождаются непроварами. Участки шва, имеющие наплывы, необходимо тщательно контролировать [4, с. 23 – 32].

 

Рисунок 1.12 – Наплывы

 

1.3 Методы контроля качества сварных соединений

 

Контроль качества соединений и готовых изделий включает в  себя осмотр и обмеры сварных швов и изделий; металлографические исследования; физико-химические исследования металла  шва соединения; механические испытания; комплексное применение методов  НК.

Методы НК сварных соединений группируют по видам, исходя главным  образом из общности физических явлений, используемых для обнаружения дефектов и других отклонений в ОК, недопустимых по ТУ на их изготовление и эксплуатацию.

В НК используют:

– проникающие ИИ – в  РК;

– упругие колебания в  ультразвуковом диапазоне длин волн – в УЗК;

– явление капиллярности  – в КК;

– проникновение жидкостей  и газов через сквозные дефекты  – методы контроля течеисканием;

– тепловые поля – в тепловых методах НК и др.

Эти методы приобретают особую важность в связи с повышением требований к качеству и надежности сварных изделий. Особенно важными  ОК становятся цельносварные конструкции кораблей, глубоководных аппаратов, сварные соединения трубопроводов и др.

Основная задача технического контроля качества выпускаемой сварной  продукции состоит в том, чтобы  правильно используя эффективные  методы и средства контроля, своевременно выявить дефекты сварки, определить причины, порождающие эти дефекты, и пути, обеспечивающие бездефектную сдачу готовой продукции. При этом, особое внимание должно быть обращено на обеспечение надежности и снижение трудоемкости контроля [4, c. 8 – 9].

В качестве наиболее целесообразных методов контроля качества сварных  соединений используют РК и УЗК для  выявления внутренних дефектов, а  также магнитопорошковый и капиллярные методы контроля для выявления поверхностных дефектов.

УЗК является безопасным с  точки зрения охраны труда и техники  безопасности, в то время, как РК требует соблюдения определенных норм радиационной безопасности. В свою очередь, РК дает более точное представление о размерах и расположении дефектов.

Рассмотрим подробнее  наиболее целесообразные методы контроля.

 

1.3.1 Акустические методы НК

 

Акустические методы НК основаны на применении колебаний звукового  и ультразвукового диапазонов от 50 Гц до 50 МГц.

В ГОСТ 238229 приводится подробная  классификация акустических методов  и приборов НК материалов и изделий. Наиболее широкое применение в настоящее  время получила ультразвуковая дефектоскопия  и в частности такие методы, как метод прошедшего излучения (теневой метод), резонансного и отраженного  излучений (эхо-метод).

Схема проведения контроля с помощью теневого метода приведена  на рисунке 1.13. Теневой метод заключается в том, что с одной стороны объекта контроля (ОК) 8 при помощи излучателя 6 вводят ультразвуковые колебания, а с другой стороны при помощи приемника 7 регистрируют интенсивность прошедших колебаний. При постоянной толщине и однородном материале ОК уровень интенсивности ультразвуковых колебаний, падающих на приемник, почти постоянен, а показания индикатора будут незначительно колебаться около некоторого определенного значения, которое принимают за исходное.

Если на пути ультразвуковых колебаний встречается дефект, то часть ультразвуковой энергии отразится от него и интенсивность колебаний, падающих на приемник, резко уменьшится, т.е. на головку приемника падает тень от дефекта, вследствие чего метод называется теневым. Для применения теневого метода необходим двухсторонний доступ к ОК, что является недостатком метода.

1 – блок генератора, 2–  блок усилителя, 3 – блок индикаций, 5 – демпфер, 6 – излучатель, 7 –  демпфер приемной головки, 8 –  ОК, 9 – дефект.

Рисунок 1.13 – Схема проведения УЗК теневым методом

 

Схема проведения резонансного метода УЗК приведена на рисунке 1.14. Резонансный метод основан на возбуждении в объекте стоячих волн, возникающих в результате интерференции вводимых в объект упругих колебаний и колебаний, отраженных от раздела «объект-воздух» или другой среды. Это возможно при условии получения резонанса вследствие совпадения собственной частоты объекта и частоты возбуждаемых в нем упругих колебаний. Момент достижения резонанса фиксируют по импульсам на экране блока регистрации резонансов 4.

Данный метод применяют  в основном для измерения толщины  изделий с односторонним доступом, а также для выявления неоднородностей  в биметаллах, расслоений в многослойных изделиях и зонах межкристаллической коррозии.

1 – блок генератора, 4 – блок регистрации резонансов.

Рисунок 1.14 – Схема проведения УЗК резонансным методом

 

Схема проведения эхо-метода ультразвукового контроля приведена  на рисунке 1.15. Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии получил наиболее широкое применение. Он основан на введении в ОК при помощи излучателя 1 коротких импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации (блоком индикаций) интенсивности и продолжительности прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов.

Ультразвуковые колебания, встречающие на своем пути дефекты, частично отражаются и в виде эха попадают обратно на головку излучателя. Остальная часть колебаний достигает противоположной стороны ОК, отражается от раздела «объект-воздух» или другой среды, и также как эхо, попадает на головку излучателя. При этом отраженные от дефекта ультразвуковые колебания возвращаются раньше, чем от противоположной стороны объекта, поэтому вначале на экране дефектоскопа появляется импульс от дефекта (ДЕФ), а затем от противоположной стороны объекта (донный сигнал Д). На экране они располагаются один за другим на расстоянии, соответствующем продолжительности их возвращения. Измеряя промежуток времени от момента посылки импульса (начальный сигнал Н) до момента приема эхо-сигнала (донного сигнала Д) определяют расстояние до дефекта. По амплитуде эхо-сигнала судят о размерах дефекта. На передней панели дефектоскопа для этого имеется шкала, отградуированная в сантиметрах.

1 – блок генератора, 2–  блок усилителя, 3 – блок индикаций.

Рисунок 1.15 – Схема проведения эхо-метода УЗК

 

Критерием отбраковки при  контроле служит амплитуда эхо-сигнала, а также условные глубина и  ширина дефекта. Минимальные размеры  выявленных дефектов по глубине – 0,1…0,3 мм и по ширине – 0,001…0,003 мм [5, с. 257-259].

При контроле качества сварных  соединений в основном используется эхо-импульсный метод, остальные методы нашли значительно меньшее применение.

 

1.3.2 Технология радиографии сварных соединений

 

По радиографическим снимкам  обнаруживают следующие макродефекты сварки плавлением: трещины, непровары, шлаковые и вольфрамовые включения, поры, прожоги и др.

Поры имеют на радиографических снимках вид округлых темных пятен  размером от десятых долей до 2 – 3 мм. Они могут быть заполнены  газом (собственно поры) или шлаком (шлаковые включения). Поры большой  величины относят к свищам. Непровары  на снимках имеют вид близких  к прямолинейным темных линий различной степени почернения в зависимости от глубины непровара. [4]

Технология радиографирования содержит восемь основных операций: выбор источника излучения, выбор пленок и экранов, определение режимов просвечивания, подготовка ОК, его просвечивание, фотообработка снимков, их расшифровка и оформление результатов контроля.

Выбор источника ИИ обычно зависит от ОК, условий контроля и требуемой экономической эффективности. Объект обуславливает толщину и плотность материала, требования по чувствительности контроля, а также по выявляемости определенного размера и вида дефектов. С условиями контроля связана дефектоскопичность объекта, необходимая производительность контроля и т.п. В отношении чувствительности наилучшим обычно считают мягкое рентгеновское излучение, при котором чувствительность может достигать 0,5%. Для гамма-лучей чувствительность понижается по мере увеличения их жесткости. При использовании Tm¹⁷⁰ для радиографии стали толщиной 5 – 10 мм чувствительность равна 1..2 %. Со⁶⁰ дает высокую чувствительность, равную 2%, только при толщинах более 40 – 50 мм, а при малых толщинах его использование нецелесообразно, т.к. чувствительность составляет 4..8 % и более. Бетатрон дает высокую чувствительность порядка 0,7..1%, но только при просвечивании толщин 100 – 300 мм. Относительная чувствительность радиографии сталей разных толщин показана на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 – Относительная  чувствительность радиографии сталей разных толщин для рентгено- и гамма-просвечивания (слева) и для просвечивания с бетатроном (справа)

 

Для контроля сварных соединений разного типа выбирают соответствующую  схему просвечивания в соответствии с рисунком 1.17, обеспечивающую оптимальную  выявляемость дефектов. Наилучшие условия при просвечивании стыковых соединений. Хуже выявляются дефекты нахлесточных, угловых и тавровых соединений, которые просвечивают под углом к плоскости листов.

1, 2 – стыковые соединения; 3, 4 – нахлесточные соединения; 5, 6 – угловые соединения; 7, 8 – тавровые соединения; 9, 10 – кольцевые стыки труб; 11 – панорамное просвечивание труб большого диаметра.

Рисунок 1.17 – Схемы просвечивания  сварных соединений

 

Следует иметь в виду, что трещины, а иногда и непровары, могут быть хорошо выявлены только тогда, когда угол между лучами и  плоскостью раскрытия трещины не более 10-15^о. Таким образом, вероятность выявления трещин, лежащих в плоскости поперек лучей, близка к нулю, однако, такие дефекты хорошо выявляются при УЗК.

При просвечивании кольцевых  стыков труб малого диаметра применяют  контроль через две стенки со скошенным  на 20-25^о лучом. Трубы большого диаметра контролируют изнутри, используя аппараты для панорамного просвечивания.

Для получения рентгеновских  и гамма-снимков высокого качества и с хорошей выявляемостью дефектов следует учитывать ряд параметров режима: жесткость и интенсивность излучения, экспозицию, размер фокуса трубки или активного пятна гамма-источника, влияние рассеянного излучения, характер дефектов в шве, фототехнику – качество пленки, экранов, режимы проявления. Чем выше энергия излучения, тем меньше контраст снимка и хуже чувствительность. Особо мягкое излучение следует использовать при контроле легких сплавов, где разница между плотностями дефектов и металла мала. В то же время, чем мягче рентгеновские или гамма-лучи, тем ниже производительность контроля.

Время просвечивания выбирают обычно по номограммам экспозиций. Их составляют с учетом толщины и  марки материала ОК, энергии излучения, фокусного расстояния, комбинации пленок и экранов.

При контроле соединений с  резкими перепадами толщины применяют  твердые, жидкие или порошковые компенсаторы, представленные на рисунке 1.18. Они выравнивают плотность почернения снимка и позволяют увеличить выявляемость дефектов. Компенсаторы изготавливают из того же материала, что и ОК, или близкого к нему по плотности и атомному номеру. Используют специальные фасонные накладки, а также дробь, опилки, сухие или жидкие соли тяжелых элементов.