Дефекты сварки и способы их устранения

Обновлено: 28.09.2024

Образование напряжений и деформаций при сварке обычно связано с несоблюдением технологических требований. Такие соединения ненадежны, так как на швах могут появиться трещины, снижающие прочность. После деформации при сварке геометрические параметры могут измениться настолько, что конструкция будет непригодна для эксплуатации.

Определение сварочных напряжений и деформаций

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению. По направленности они могут быть:

растягивающего действия;
изгибающего;
крутящего;
сжимающего;
срезающего.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил. Нарушения могут проявиться не сразу после завершения сварочных работ, а во время эксплуатации из-за увеличения нагрузки. В лучшем случае снизится антикоррозийная устойчивость, в худшем ― разрушится конструкция.

Сварочные напряжения ― это воздействия, приложенные к поперечному сечению.

Сварочные деформации ― это искажение формы под действием прилагаемых сил.

Причины возникновения

Причины образования деформаций и напряжений при сварке подразделяются на основные и побочные категории. К первым относят те, которые возникают во время сварки, поэтому неизбежны. Вторые нужно предотвращать.

Основные причины возникают как следствие:

Неравномерного нагрева сварочной зоны и прилегающих участков. Более горячий металл расширяется больше чем холодный, поэтому между слоями с разной температурой начинает концентрироваться напряженность. Ее величина определяется степенью нагревания и коэффициентом теплового расширения. Чем больше эти значения, тем выше вероятность нарушения геометрии конструкций.
Усадки. Когда при охлаждении после сварки металл переходит из жидкой фазы в твердое состояние, объем уменьшается. Этот процесс сопровождается растягиванием прилегающих участков с образованием напряжений, направленных вдоль или поперек шва. Продольное воздействие изменяет длину соединения, а поперечное способствует образованию угловой деформации.
Структурных изменений. При сварке высокоуглеродистой или легированной стали с большим нагревом происходит процесс закаливания с изменением объема и коэффициента теплового расширения. Это явление создает напряжения, приводящие к образованию трещин внутри и на поверхности швов. У сталей, в составе которых углерода меньше 0,35%, структурные изменения настолько малы, что не оказывают существенного влияния на качество сварных соединений.

К побочным причинам причисляют:

неправильный выбор электродов или режимов сварки, некачественная подготовка деталей перед сваркой, другие нарушения технологии;
неверный выбор вида швов или малое расстояние между ними, большое количество точек пересечения соединений и прочие конструктивные ошибки;
неопытность сварщиков.

Классификация напряжений и деформаций

В зависимости от причины образования напряжения называются тепловыми и структурными. Первые возникают во время нагрева/остывания, вторые возникают при структурной перестройке металла. При сварке легированных или высокоуглеродистых сортов стали они проявляются совместно.

По месту действия напряжения присутствуют в границах конструкции, зернах, кристаллической решетке металла. По виду напряженного состояния их называют:

линейными, с односторонним действием;
плоскостными, действующими по двум направлениям;
объемными, распространяющиеся по трем осям.

По направленности продольные напряжения действуют вдоль сварного соединения, а поперечные перпендикулярно.

Деформацию конструкции, которая происходит в процессе сварки, называют общей, а если изменяются размеры и форма только одной или нескольких деталей ― местной. По продолжительности существования действие временных сварочных деформаций проявляется только в процессе соединения деталей. После охлаждения геометрические параметры восстанавливаются. Остаточной называют сварочную деформацию, которая остается неизменной после устранения причины появления. Если геометрические параметры восстанавливаются после завершения сварки, деформации называются упругими, если нет ― пластичными.

Как предотвратить возникновение

Для снижения величины сварочных напряжений и деформаций при подготовке к работе специалисты рекомендуют:

при проектировании выполнять расчет деформаций для правильного формирования сечения сварочных швов, припусков для усадки;
располагать швы симметрично по отношению к осям узлов;
не проектировать соединения так, чтобы больше трех швов пересекались в одной точке;
прежде чем приступить к сварке, проверить, нет ли отклонений величины зазоров на стыках от расчетных величин;
не проводить швы через места концентрации напряжений.

Для уменьшения деформаций и напряжений во время работы применяют следующие приемы:

создавать на соединениях очаги дополнительной деформации с действием, противоположным сварке;
швы длиной больше 1 м разбивать на отрезки длиной 10 — 15 см и сваривать обратноступенчатым методом;
подкладывать под стыки медные или графитовые прокладки для снижения температуры сварочной зоны;
соседние швы сваривать так, чтобы деформации компенсировали друг друга;
для сварки деталей из вязкого металла применять технологии, которые обеспечивают снижение величины остаточных явлений;
делать размер швов меньше, если это допускается условиями эксплуатации;
по возможности выполнять соединения с меньшим числом проходов;
при наложении двухсторонних швов слои наплавлять попеременно с каждой стороны;
предварительно выгибать края заготовок в направлении, противоположном действию деформации, когда сварка завершится, они вернутся в исходное положение;
не делать много прихваток;
для ускорения сборки и снижения величины деформаций небольшие узлы сваривать в кондукторах.

Методы устранения напряжений

Для снятия напряжений пользуются отжигом и механической обработкой. Первый способ применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую точность размеров. Местный или общий отжиг проводят при нагреве до 550 — 680⁰C в три стадии: нагревание, выдержка, охлаждение.

Для механического снятия напряжений используют обработку проковкой, прокаткой, вибрацией, взрывом, чтобы создать нагрузку с противоположным знаком. Для горячей и холодной проковки используют пневматический молот. Обработку вибрацией проводят устройством, которое генерирует колебания с частотой в диапазоне 10 — 120 Гц.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции.

Методы устранения деформаций

Дефекты устраняют термическим с местным или общим нагревом, холодным механическим, термомеханическим способами. Для правки термическим методом с полным отжигом конструкцию закрепляют в устройстве, которое создает давление на искривленный участок, затем нагревают в печи.

Способ локального нагрева основан на сжимании металла при остывании. Для исправления дефектов искривленное место греют горелкой или сварочной дугой. Так как прилегающие участки остаются холодными, зона нагрева не может значительно расшириться. После охлаждения растянутый участок выпрямляется.

Термическим способом выправляют любые виды деформаций, однако при работе с тонкостенным металлом следует учитывать его особенности:

тепло при местном нагреве тонких стальных листов быстро распространяется по всей площади, поэтому величина усилия сжатия оказывается недостаточной для исправления дефекта;
температура локального нагрева тонкостенного металла не должна превышать 600 — 650⁰C, поскольку при увеличении температуры начнется образование пластических деформаций даже при отсутствии напряжения.

При механической правке растянутые участки деформируются внешними нагрузками в обратном направлении. Дефекты устраняют применением изгибания, вальцовки, растяжения, ковкой, прокаткой роликами.

Термомеханическую правку проводят с подогревом растянутого участка до 700 — 800⁰C и внешнего воздействия. Для выправления участков с большим растяжением сначала из избытков металла холодной рихтовкой формируют выступы в форме куполов. Затем по отдельности нагревают и резко охлаждают.

Способы снятия напряжений, минимизации деформаций и правки выбирают в зависимости от размеров и формы деталей, сложности конструкции. При этом учитывают эффективность метода, трудоемкость, величину финансовых затрат.

Исправление дефектов сварных соединений

Сварка - один из самых востребованных процессов металлообработки, позволяющий в самых разных конструкциях соединять стальные детали. В связи с химической неоднородностью металлических поверхностей, кристаллизацией металлов при создании сварного шва, взаимодействии образующего в сварочной ванне жидкого металла с твердыми частицами детали и по ряду других причин нередко в процессе сварки возникают дефекты. Наличие их не только понижает качество готовой конструкции, но также делает ее дальнейшую эксплуатацию опасной для жизни.

Если при проведении контроля качества обнаружены изъяны, влияющие на прочность и надежность изделия, то исправление дефектов сварки в таких случаях является обязательным мероприятием.

Какие дефекты возникают при сварочных работах

В зависимости от причин возникновения, размеров, форм и места размещения на шве различают разные виды дефектов. Чтобы понять какие способы устранения дефектов сварных соединений будут наилучшими, вначале нужно определить их вид и почему они возникли.

Согласно классификации по ГОСТу 30242-97 выделяют следующие группы дефектов:

трещины в сварочных швах, которые могут быть поперечными, продольными, радиальными и другими;
нарушение формы шва за счет образования натеков, подрезов, прожогов, выпуклостей, смещений и других изъянов;
наличие в месте сварки пор, полостей, свищей, кратеров. Они могут скопляться на одном участке или же распределяться по всему шву равномерно;
непроваренные участки и несплавленные кромки;
наличие твердых (оксидных, металлических, шлаковых) вкраплений и включений в сварном шве.

По месту расположения дефекты разделяются на внутренние, наружные и сквозные. Конкретное цифровое обозначение классификатором установлено на все образующиеся дефекты сварных соединений и способы их устранения выбираются в соответствии проставленных в местах их присутствия номеров.

Методы обнаружения дефектов

После проведения сварочных работ полученный шов должен проверяться на наличие или отсутствие брака. Только так можно понять требуется или нет устранение дефектов сварки.

Способы для выявления бракованных участков применяют разные:

визуальный осмотр. Результат будет более точным, если осмотр проводить с применением приборов с увеличительным эффектом;
магнитный метод, при котором брак определяется степенью искажения волн;
дефектоскопия. На наличие недостатков указывает изменение цвета сварного соединения после контакта поверхностей со специальным идентифицирующим составом, например, керосином;
исследование ультразвуком. Проводится с помощью дефектоскопа, брак определятся по звуковым волнам посредством измерения их отражения;
радиационный способ. Сварные соединения просвечиваются рентгеном, в результате все детали дефекта видны на полученном снимке.

Качество полученных в процессе сварки соединений обозначается маркировкой. У каждого профессионального сварщика есть собственное клеймо, которое он ставит на участке выполнения сварки.

Устранение дефектов сварки

Если в ходе контрольных испытаний обнаружен недопустимый для безопасной эксплуатации конструкций брак, то неизбежным процессом является устранение дефектов сварных соединений.

Для ликвидации выявленных недостатков используются следующие методы устранения дефектов сварных швов:

непровары, сторонние включения, небольшие внутренние трещины подлежат механической вырубке или полной зачистке, после чего проводится повторное сваривание;
ликвидация крупных и глубоких трещин осуществляется посредством заварки после предварительной их механической зачистки или сверления;
заварка тонкими слоями или наплавка используется для устранения подрезов и неполных швов;
наплывы уничтожаются механическим путем с применением абразивного инструмента;
термической обработкой устраняется перегрев металла.

Это основные способы исправления дефектов сварных соединений, которые используются для ликвидации брака. После исправления конструкции повторно проходят контрольные испытания и только при полном отсутствии изъянов разрешается их дальнейшая эксплуатация.

Особенности исправления дефектов

Если выполненные с применением сварки конструкции не соответствуют техническим условиям по причине наличия брака, то здесь важно не только правильно выбрать способы устранения дефектов сварных швов, но также безошибочно выполнить все необходимые действия.

В стальных изделиях бракованные сварные швы исправлять следует плазменно-дуговой резкой или строжкой, после чего эти участки обрабатываются абразивными кругами. Наплавкой ниточного шва ликвидируются подрезы, при этом выполняется наплавка по всей длине дефекта. При исправлении неровностей и наплывов механическим способом нужно следить за общим сечением и не допускать его занижения.

Перед тем как исправляются свищи в сварном шве необходимо сперва провести вырубку, тщательно зачистить образовавшуюся полость и после этого повторно заварить изделие.

Чтобы качественно ликвидировать дефекты сварных швов и способы их устранения провести эффективно, то следует соблюдать несколько простых правил:

длина исправляемого участка должна превышать длину дефекта;
ширина вырубки должна быть такой, чтобы максимальный размер нового шва не превышал более чем в два раза его ширину до ликвидации дефекта;
на поверхностях выборок не должно присутствовать никаких заусенцев и острых углублений, очертания должны быть плавными и без резких выступов;
при выполнении заварки на прилегающих к дефекту участках нужно обеспечить перекрытие основного металла.

В конструкциях из титана, алюминия и сплавов этих металлов ликвидацию дефектов разрешается выполнять только механическими методами: резкой или абразивной шлифовкой. В некоторых случаях допускается вырубка.

Если при повторном контроле снова будут обнаружены бракованные участки, то такие конструкции опять подлежат исправлению. На одном и том же участке сварного шва количество исправлений не должно превышать трех, в противном случае металлоконструкция выполняется с нуля.

Интересное видео

Виды дефектов сварных швов и причины их образования

Начинающие сварщики, самостоятельно ремонтирующие металлоконструкции и детали, нередко допускают дефекты сварки, снижающие прочность швов. Они растрескиваются, пропускают воду, разрушаются под нагрузкой. Существуют способы выявления и устранения дефектов сварных швов и соединений, снижающих прочность смонтированных конструкций, заваренных деталей.

В обзоре представлены все виды последствий нарушения технологии, способы восстановления поврежденных участков.

Причины образования дефектов

Изъяны при сварке возникают по объективным и субъективным причинам. Каждый вид металлопроката характеризуется свариваемостью. Этот показатель зависит от компонентного состава сплава, способа производства проката. Для плохо свариваемых деталей в технологические карты сразу закладывается большой процент брака.

Основные виды дефектов сварных соединений:

нарушение целостности металла;
деформация конструкций или деталей из-за возникновения внутренних напряжений;
нарушение формы сварного шовного валика;
несоблюдение геометрических параметров наплавочного валика;
структурные изменения металла (размера зерна в области фазового перехода сварного соединения).

Внешние дефекты не так опасны, как внутренние, невидимые. Они выявляются неразрушающими методами контроля. Самостоятельно делать ответственные сварные швы рискованно. Лучше обратиться к профессионалам.

Основные причины нарушения целостности сварных шовных валиков и зоны термовлияния:

некачественная обработка стыков: плохо зачищенная окалина, ржавчина, остатки оксидной пленки, жирные пятна, загрязнения;
применение наплавочной проволоки или электродов, не соответствующих основному металлу;
неисправность сварочного аппарата;
неправильная установка рабочих параметров: силы тока, напряжения на регуляторах сварочника;
неправильная укладка деталей, не учитывается коэффициент линейного расширения;
несоблюдение интервала между электродом и деталью, не поддерживается определенная длина дуги.

Виды дефектов сварных швов

Полная классификация возможных нарушений наружной и внутренней структуры сварных швов представлена в ГОСТ 30242-97. Возникновение наружных дефектов сварных швов нередко сопровождается глубинными нарушениями структуры сплава. Они возможны при любом способе сварки, делятся на наружные, внутренние и сквозные. О каждом виде изъянов сварных соединений стоит рассказать подробнее.

Наружные

Выявляются при визуальном осмотре. Большинство наружных дефектов сварных швов устраняются в процессе работы.

Причина трещин – несоблюдение температурного режима. Горячие формируются при высоких температурах свыше 1100°С. Холодные при недостаточном разогреве поверхности (до 200°С). При трещинах металл становится менее пластичным, разрушается под нагрузкой.

Подрезы – наиболее встречающиеся дефектные нарушения сварных шовных валиков: между наплавкой и деталью видны углубления. Причины:

слишком высокое напряжение электродуги, сварные заготовки истончаются;
одна деталь проваривается сильнее, ванна расплава смещается от центра зазора.

При подрезе прочность соединения снижается, сварной шов приходится проходить еще раз.

Прожоги характерны для сварки тонкостенных изделий. Их удается избегать опытным сварщикам. К прожогу нередко приводит неуверенное управление электродом. Слишком высокий ток – еще одна причина.

Свищи – крупные раковины, похожие внешне на воронку. Они ухудшают внешний вид сварного шва, видны сразу. Их устраняют вторичной проходкой.

Кратер характеризуется рыхлостью металла, его усадкой. От них нередко идут трещины по поверхности. Возникают в области непровара при отключении или отрыве электродуги от поверхности заготовки.

Наплыв – вылившийся избыточный металл: наплавка расползается без образования надежного сварного шва, нет прочного диффузного слоя. Электродуга не успевает проплавить заготовку из-за недостаточного напряжения. Другая причина – плохо зачищенные кромки, остатки окалины не расплавляются.

Внутренние

Внешне невидимые, но нарушающие структуру металла изъяны самые коварные. Внутренние дефекты вне зависимости от причин возникновения недопустимы на сосудах высокого давления, трубопроводах, деталях, работающих на излом.

Отпотина или трещина бывает:

холодная – появляются после остывания наплавки и диффузного слоя вследствие остаточных напряжений в области разогрева;
горячая – продольные или поперечные растрескивания, возникающие в металле на границе формирующегося зерна.

Горячие трещины на фазе формирования кристаллической решетки в легированных сплавах:

из-за нарушения технологического процесса (не те электроды, рабочий ток);
при непредвиденном отключении сварочного аппарата во время замыкания по падающей капле.

Природу трещин установить несложно. Горячие появляются сразу, характерны для массива шва, области термовлияния, если допущен перегрев или температура ниже точки плавления. Холодные формируются постепенно, пока идут фазовые превращения жидкой массы в кристаллическую решетку. Возможные причины:

не успевшие выделиться молекулы водорода (недостаточный разогрев);
высокая влажность воздуха на рабочем месте;
плохая экранизация расплава защитной атмосферой.

Поры классифицируются по размеру, месту расположения. Они возникают:

из-за инородных тел, попадающих в сварочную ванну (окислы и шлаковые включения, чешуйчатость ржавчины, влага, вольфрамовые частички от неплавящегося электрода могут стать причиной образования газовых пузырей);
если расплав недостаточно хорошо защищен (с обмазки выделяется мало шлака, тонкий слой флюса, сдувает защитное облако газа);
когда нарушается технологический процесс (не выдержана температура предварительного нагрева заготовок, не подготовлены электроды, неправильно выставлен сварочный ток).

Шлак остается в порах, если нарушена технология. Вольфрам попадает при недостаточном экранировании ванны инертным газом. Оксидные пленки остаются при плохой зачистке свариваемых поверхностей.

Непровар – дефект, характерный для начинающих. Стык между деталями недостаточно заполнен, толщина диффузного слоя неравномерная. Чаще выявляется при многослойной проходке глубоких кромок, когда не производится промежуточная проковка и удаление окалины. Другие возможные причины:

плохая подготовка заготовок;
слишком плотная установка деталей, маленький зазор;
высокая скорость сварки (наплавка не успевает заполнить пустоты);
отклонение электрода (расплав образуется рядом со стыком, а не над ним);
неправильно установленный рабочий ток (электроду для расплавления не хватает ампеража).

Пережог (его еще называют перегревом) характерен при несоблюдении технологии сварки: когда ток больше, чем нужен, а скорость низкая. Нарушается структурная решетка: зерна в шве формируются слишком крупные, металл становится хрупким из-за критической ударной вязкости. Дефект не устраняется термообработкой, влияющей на микроструктуру, необходимо делать глубокую зачистку, а затем заделку области пережога.

Сквозные

Просветы определяются визуально или при проверке герметичности. Главная причина сквозных дефектов – прожоги. Характерны для тонкостенных деталей, электрод насквозь прожигает металл рядом с наплавленным шовным валиком. Причина прожога – несоблюдение технологического процесса:

большой зазор между свариваемыми заготовками;
повышенный ток;
низкая скорость перемещения электрода;
прекращение подачи защитного газа.

При образовании отверстия ванна расплава не формируется, металл утекает за ее пределы.

Контроль качества сварных соединений

Сварщик несет индивидуальную ответственность за качество работы. Недопустимые дефекты – такие, при которых изделие или конструкцию нельзя эксплуатировать. Поврежденный сварочный шов может лопнуть под воздействием окружающей среды, силовой нагрузки. Контролеру необходимо выявить тип дефекта, место его расположения, размер. В зависимости от предполагаемых условий эксплуатации выбирает методы контроля.

ВИК (визуально-измерительный) – самый простой и доступный. Соединение измеряют, осматривают. Для улучшения визуализации используют лупы, реже микроскопы (смотрят зернистость застывшего металла).

Цветная дефектоскопия используется для выявления трещин, несплошностей, наплывов в области сварных швов.

Диагностические методы с использованием приборов (радиационный, ультразвуковой, магнитно-резонансный) определяет внешне невидимые дефекты образованного металлического слоя, зон фазового перехода, где возникают внутренние напряжения. Место сварки покрывают тремя типами химических средств. Сначала очистителем (ацетоном или другими растворителями) подготавливают поверхность. После этого сварной шов из пульверизатора или кисточкой покрывают индикатором-пенетрантом, подходящими к данному виду стали или цветного металла. Затем проявителем. Через несколько секунд несплошности становятся видны. Индикаторную пленку после осмотра сварного соединения снимают сухой тканью и салфеткой, следов на деталях не остается.

Способы устранения дефектов сварных швов

Допускаются только незначительные по размеру изъяны, не влияющие на прочность соединений. Большинство дефектов сварочных швов, выявленных в ходе контроля, необходимо устранить. Они ухудшают эксплуатационные свойства металлоконструкций, могут стать причиной аварии, разгерметизации трубопроводов или сосудов.

Методика исправления недостатков сварки зависит от вида дефектных нарушений:

Пористость, выявленную визуально или методом неразрушающего контроля, вырубают. Швы проваривают заново с соблюдением технологии, снижающей риск образования газовых полостей на поверхности и внутри металла.
Свищи по природе схожи с глубокой пористостью, отличаются образованием воронок различной глубины. Неустранимые подваркой нарушения шва вырубают. Делают обрубку и зачистку дефектного участка, если массивный валик позволяет такую корректировку.
Подрезы по линии диффузного слоя обычно бывают на сверхнормативно направленных валиках. Их убирают зачисткой или дополнительной наплавкой металла.
Непровары случаются, когда кромки плохо разогреваются при образовании ванны расплава. Дефект, обнаруженный во время приемки изделия, корректируют новой проходкой. Участок шва с дефектом удаляют болгаркой или механически вырубают, после этого заполняют расплавом.
Наплывы или подтеки снимают шкуркой, как регламентировано в стандарте. Объемные дефекты предварительно срубают, затем проводят зачистку шкуркой допустимого размера или напильником. После подготовки кромок снова наплавляют валик.
Шлаковые вкрапления, снижающие прочность на разрыв, видимые или выявленные аппаратурой, удаляют механически, образовавшийся зазор тщательно проваривают, после этого доводят валик до нужных параметров.
Отклонения валика от допустимых геометрических размеров:

в сторону увеличения устраняют зачисткой, срубанием излишков металла;

в меньшую – подваркой шва.

Качество соединения зависит не только от профессионализма сварщика. Скачки напряжения в сети гасят не все сварочники, некоторые начинают хуже работать. Появлению пор способствует окисление ванны расплава, насыщение стали водородом, азотом. Какой бы ни была причина прогаров, наплывов или других дефектов, их необходимо после обнаружения обязательно устранить, переварить металл или хорошо зачистить валик. Дефекты ухудшают не только внешний вид соединения, но и снижают сопротивляемость металла к механическим разрушениям под ударной, динамической крутящей или однонаправленной статической нагрузкой.

Дефекты сварных соединений: виды, способы контроля и устранения

Сварные металлоконструкции активно используются в разных сферах жизнедеятельности. Но в процессе сваривания отдельных элементов в цельные конструкции могут возникать дефекты сварных швов и соединений, которые негативно сказываются на прочности и безопасности эксплуатации готовых металлоизделий.

Что такое дефекты сварных соединений

Размерные параметры сварного соединения четко определены государственными стандартами, при этом свой ГОСТ есть у каждого вида сварки. Любые отклонения от установленных нормативно-техническими документами показателей считаются дефектами. Возникают они как при проведении сварочных работ, так и при нарушении требований в процессе подготовки соединяемых элементов и сборке конструкций в единое целое.

Виды дефектов сварочных швов

В силу разных обстоятельств сварочные стыки могут иметь повреждения, влияющие на их прочностные характеристики. Все виды дефектов сварных соединений разделяются на три основные группы:

наружные дефекты. К данной группе относят неравномерность формы стыкового соединения, наплывы, трещины, прожоги металла, подрезы шва, кратеры и другие изъяны, возникающие на поверхности. Обнаружить их можно при визуальном осмотре;
внутренние дефекты. Это может быть некачественное сплавление металла, пористость и трещины, сторонние включения (оксидные, шлаковые и неметаллические) и другие, находящиеся внутри шовного соединения;
сквозные дефекты. Сюда относят трещины, подрезы, прожоги и другие повреждения, которые изнутри проходят на внешнюю поверхность сквозь шовное соединение.

Дефекты любого вида не допускаются в сварных соединениях и подлежат устранению, особенно касается это случаев, когда металлоконструкции выступают составляющими элементами несущих конструкций и должны выдерживать интенсивные нагрузки.

Характеристики и причины основных дефектов сварки

Не в каждом случае качество сварки соответствует установленным требованиям. Классификация дефектов сварных соединений в полном составе изложена в ГОСТ 30242-97. Но среди всех обозначенных в документе изъянов выделяют основные, которые чаще обычного выявляются при контроле и обследовании соединительных стыков.

Трещины

Для сварочных швов наибольшую опасность представляют трещины. Они способны спровоцировать мгновенное разрушение металлических конструкций и привести к трагическим последствиям.

Причинами появления трещин могут быть:

неправильное расположение стыков;
резкое охлаждение места сварки;
неправильный выбор материалов;
кристаллизация металла вследствие чрезмерно высоких температур.

По размеру различают микро- и макротрещины, по типу образования – поперечные, продольные и радиальные.

Вне зависимости от видов и причин возникновения трещины – это недопустимые дефекты сварных соединений металла.

Подрезы

Это образующиеся на наружной поверхности шовного валика продольные углубления. Если на шве есть подрез, то в месте его появления уменьшается сечение шва, а также образуется очаг концентрации напряжения.

Превышенная величина сварочного тока – основная причина появления таких дефектов. Довольно часто наблюдаются подрезы в горизонтальных швах.

Наплывы

Это натекший на поверхность избыток металла, который не имеет должного сплавления с соединяемой поверхностью. Часто наплыв возникает при сварке стыковых или угловых швов в горизонтальном положении. Образуется при недостаточном прогреве основного металла, избытка присадочного материала, наличия окалин на соединяемых кромках.

Прожоги

Такие дефекты являют собой сквозное отверстие, возникшее вследствие вытекания из сварочной ванны расплавленного металла. В данном случае с другой стороны отверстия как правило образуется натек.

Прожог может быть вызван слишком медленным передвижением электрода по линии сваривания, повышенным сварочным током, неплотным прилеганием к основному металлу прокладки или же недостаточной ее толщиной, большим зазором между соединяемыми кромками.

Непровары

Если на сварочном шве обнаружены локальные несплавления между основным и наплавленным металлом, то дефект такого типа называют непровар. Он существенно понижает прочностные свойства шва и соответственно всей конструкции.

Причины непроваров состоят в следующем: чрезмерно высокая скорость сваривания, некачественная подготовка кромок к сварному процессу, наличие ржавчины, окалин и других загрязнений на соединяемых поверхностях.

Кратеры

Образующиеся вследствие обрыва сварочной дуги углубления в соединительном валике называют кратерами. Такие изъяны существенно уменьшают сечение стыка, что негативно сказывается на прочности. Кратер опасен тем, что внутри него могут находиться усадочные рыхлости, приводящие к появлению трещин.

Свищи

Поверхностные дефекты в виде полости. Понижают прочность соединительного стыка и провоцируют образование трещин. Свищи имеют произвольную форму, могут возникать как на внешней поверхности, так и внутри шва.

Пористость

Поры – это заполненные газами полости, образующиеся при повышенном газообразовании внутри металла. Возникают при наличии разнообразных загрязнений на свариваемых поверхностях, при повышенной скорости сварки, а также повышенной вместительности углерода в используемом присадочном материале.

Посторонние включения

Качество шва существенно ухудшают сторонние включения – оксидные, шлаковые, вольфрамовые, флюсовые и другие включения. Главная ошибка, приводящая к их наличию – неправильный режим сварки. Любое из присутствующих включений понижает прочность и надежность соединения и подлежит устранению.

Причины появления дефектов

Каждый из всех встречающихся дефектов возникает вследствие конкретных факторов. При этом выделяют причины образования дефектов сварных соединений общего характера:

использование некачественных расходных материалов для сваривания элементов;
несоблюдение сварочных технологий;
низкое качество металла, из которого создаются конструкции;
некачественное или неисправное оборудование;
неправильный режим сварки;
технологические ошибки, вызванные низкой квалификацией сварщика.

Чтобы металлоконструкции получались качественными и выносливыми, следует строго соблюдать нормы сваривания и доверять работы профессиональным сварщикам.

Методы выявления дефектов

Выявление дефектов сварных соединений осуществляется следующими способами:

визуальный осмотр и обмер стыковочных швов;
испытания стыков на непроницаемость;
определение дефекта сварного соединения специальными приборами;
испытания образцов на прочность в лабораторных условиях.

Осмотр сварочного шва осуществляется только после очистки его от шлака, устранения застывших брызг металла и других типов загрязнений. Проверке подлежат размеры и правильность формы соединений, наличие или отсутствие прожогов, кратеров, трещин, свищей и других погрешностей.

Испытание непроницаемости позволяет выявить дефекты сварных соединений трубопроводов, например, поры, трещины, сквозные непровары. Проверяются конструкции несколькими способами:

обдуванием или заполнением швов воздухом;
поливом струей воды или наполнение отсеков водой под давлением;
смазыванием швов керосином.

Если в ходе проверки обнаружен дефект, то деталь возвращается на дополнительную обработку.

Способы устранения дефектов

Любой сварочный процесс сопровождается образованием дефектов, вне зависимости выполняется он инвертором, полуавтоматом, трансформатором или другим оборудованием. При этом выделяют недопустимые и допустимые дефекты сварных соединений, по сложности которых определяется пригодность или непригодность конструкции к дальнейшей эксплуатации.

Способы устранения дефектов сварных соединений выбираются с учетом типа обнаруженного повреждения:

прожоги исправляют тщательной зачисткой стыка с последующей его заваркой;
для устранения подрезов выполняется наплавка тонкого соединения по всей линии дефекта;
исправление трещины осуществляется методом ее полного рассверливания, вырубкой шва на проблемном участке, очисткой поверхностей и повторным завариванием с соблюдением сварочной технологии и действующих нормативов;
непровары удаляются путем их вырезания и повторного сваривания;
свищи и кратеры вырезаются до достижения основного металла, после чего по-новому завариваются;
наплывы аккуратно срезаются, но при этом обязательно следует проверить срез на предмет наличия непровара;
деформация при сварке устраняется термическим или термомеханическим способом;
все типы дефектов с посторонними включениями устраняют вырезкой и завариванием.

Если в ходе обследования обнаружены технологические дефекты сварных соединений труб, то устранять их следует строго в соответствии нормативных требований одним из методов:

механическим без последующей заварки;
механическим с завариванием места выборки;
вырезкой участка трубы, на котором присутствует дефект;
полным удалением шовного соединения и выполнением нового.

При проверке на прочность и герметичность газораспределительных сетей разрешается исправлять дефекты сварных соединений газопроводов в случае, когда сварочный процесс выполнялся дуговой сваркой и не допускается при сваривании газовой сваркой.

Методы контроля сварных соединений

Тот факт, что влияние дефектов на качество сварной металлоконструкции максимизирует риски разрушения изделий доказывать не нужно. Чтобы в процессе сваривания получать действительно надежные, прочные и выносливые конструкции, после завершения работ должен проводиться контроль качества сварных соединений.

Осуществляется контроль сварочных швов поэтапно:

предварительный. Включает проверку марки металла, качества заготовок, кислорода, присадочной проволоки и других расходных материалов;
контроль в ходе сварочных работ. Подразумевает постоянные проверки режима сварки, исправности оборудования, осмотр швов и измерение их специальными шаблонами. При выявлении отклонений от установленных стандартов сразу же можно провести удаление дефектов сварных соединений;
контроль готовой конструкции. Внешние дефекты можно увидеть при обычном осмотре. При необходимости стыки проверяются на плотность, а также подвергаются другим испытаниям.

Все методы контроля сварных соединений разделяются на две группы – разрушающие и неразрушающие. Как правило для выявления дефектов применяются неразрушающие методы, к которым принадлежат:

внешний осмотр: ;
магнитный контроль;
цветная дефектоскопия;
радиационная дефектоскопия;
капиллярная дефектоскопия;
контроль стыков на проницаемость и другие методы обнаружения дефектов сварных соединений.

Методы разрушающего контроля подразумевают испытания отобранных образцов и применяются в основном при необходимости получить параметры сварного шва и зоны термического влияния. Контроль осуществляется химическим анализом, механическими и металлографическими испытаниями.

Заключение

Чтобы сварочный шов по всем параметрам соответствовал стандартам качества и заданным требованиям, то начиная с подготовки подлежащих соединению элементов и до окончания сварочного процесса необходимо осуществлять контроль. Это позволит предотвратить основные дефекты сварных соединений или же оперативно их устранить.

Деформации и напряжения при сварке

В производстве металлоконструкций самые надежные и долговечные соединения обеспечивает сварочная технология при условии безошибочного проведения работ. Если же хоть незначительно нарушаются технологии процесса, то в создаваемой конструкции формируются деформации и напряжения при сварке. При этом искривляются формы, возникают неточности в размерах изделия, что делает невозможным качественное выполнение функциональных задач.

Что являют собой напряжения и деформации

Появлением напряжений и искажений сопровождается любое силовое воздействие на металлическое изделие. Силу, которая оказывает давление на единицу площади называют напряжением, а нарушение целостности форм и размеров в результате силовой нагрузки называют деформацией.

Напряжение может быть вызвано физическим усилием сжимающего, растягивающего, срезающего или изгибающего характера. Когда сварочные напряжения и деформации превышают допустимые значения, то это влечет за собой разрушению отдельных элементов и всей конструкции.

Почему образуются деформации и напряжения

Деформации при сварке появляются из-за вызванных разными факторами внутренних напряжений. Причины таких нарушений условно разделяют на две большие категории: основные (неизбежные), которые всегда присутствуют при сварочных работах и сопутствующие, которые подлежат устранению.

Причины неизбежные

Группу основных составляют следующие причины возникновения напряжений и деформаций при сварке:
структурные видоизменения, провоцирующие развитие сжимающих и растягивающих напряжений. Довольно часто при охлаждении изделий, выполненных из высокоуглеродистых и легированных стальных сплавов при нарушается зернистая структура металлов и размеры самих деталей.

В результате меняется первоначальный объем металла, что собственно и поднимает внутреннее напряжение;

неравномерный прогрев. В процессе сварки нагревается только задействованный участок металла, при этом он расширяется и оказывает влияние на менее нагретые слои. Образующаяся вследствие прерывистого прогрева высокая концентрация напряжений в сварных соединениях в основном зависит от показателей линейного расширения, степени теплопроводности и температурного режима. Чем выше эти показатели, тем меньшей является теплопроводность металла и соответственно возрастают риски неточностей сварочном шве;
литейная усадка, когда объем металла заметно уменьшается из-за его кристаллизации. Объясняется это тем, что в расплавленном металле под влиянием усадки образуется сварочное напряжение, которое может быть одновременно поперечным и продольным.

Не только внешние силовые воздействия способны спровоцировать напряжение при сварке. Металлическим сплавам характерны также свои собственные напряжения и деформации, которые разделяются на остаточные и временные. Первые возникают вследствие пластичной деформации и даже после охлаждения конструкции они в ней остаются. Когда появляются временные сварочные деформации? Непосредственно в процессе сваривания в прочно зафиксированном изделии.

Сопутствующие причины

Кроме основных существуют также побочные причины возникновения деформаций при сварке. К таковым относят:

отклонение от технологических нормативов, например, использование не подходящих для конкретного случая электродов, нарушение режимов сварки, недостаточная подготовка изделия к сварочному процессу и другие;
несоответствие конструктивных решений: частое пересечение между собой сварных соединений или недостаточное расстояние между ними, неточно подобранный тип шва и т. д.;
отсутствие опыта и соответственных знаний у сварщика.

Что из перечисленного вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях? Любое неправильное действие приводит к технологическим дефектам шва, в частности к появлению трещин, пузырей, непроваров и других браков.

Виды деформаций и напряжений

Различают разные виды напряжений в зависимости от характера их возникновения, периода действия и других факторов. В таблице ниже показано что вызывает концентрацию напряжений в сварных соединениях и какими они бывают.

Характер возникновения	Тип напряжения	Чем вызвано нарушение
В соответствии причины появления	Тепловые	Неравномерный прогрев из-за перепада температур в процессе сварки
В соответствии причины появления	Структурные	Изменения в структуре металла при нагревании его выше предельно допустимой температуры
По времени существования	Временные	Образуются при фазовых видоизменениях, но постепенно исчезают вследствие охлаждения
По времени существования	Остаточные	Даже после ликвидации причин их появления присутствуют в изделии
По охватываемой площади	Действующие в пределах всей конструкции
	Действующие только в зернах структуры материала
	Присутствующие в кристаллической решетке металла
По направленности действия	Продольные	Образуются вдоль линии сварочного шва
По направленности действия	Поперечные	Располагаются перпендикулярно к оси соединения
По виду напряженного состояния	Линейные	Только в одном направлении распространяется действие
	Плоскостные	Образуются в двух разных направлениях
	Объемные	Оказывают одновременно трехстороннее воздействие

Виды деформаций при сварке бывают:

местные и общие. Первые возникают на отдельных участках и изменяют только часть изделия. Вторые проводят к изменению размера всей конструкции и искривлению ее геометрической оси;
временные и конечные. Возникающие в конкретный момент сварочные деформации называют временными, а те, которые после полного охлаждения изделия остаются в нем - остаточными;
упругие и пластичные. Когда после сварки размер и форма конструкции полностью восстанавливаются, деформация упругая, если дефекты остаются - пластичная.

Деформации металла возможны как в плоскости сварной конструкции, так и вне нее.

Тестирование сварных швов и расчет деформаций

С целью определения прочности и надежности шва, и выявления возникших дефектов проводится тестирование сварных соединений. Такой контроль позволяет своевременно обнаружить браки и оперативно их устранить.

Для выявления изъянов используют следующие типы контроля:

разрушающий. Позволяет исследовать физические качества сварного шва, активно применятся на производственных предприятиях;
неразрушающий. Проводится посредством внешнего осмотра, капиллярного метода, магнитной или ультразвуковой дефектоскопии, контролем на проницаемость и другими способами.

При производстве конструкций с применением сварки одним из важных нюансов является точное определение возможных деформаций и напряжений. Их наличие приводит к отклонениям от первоначальных размеров и форм изделий, понижает прочность конструкций и ухудшает эксплуатационные качества.

Расчет сварочных напряжений и деформаций позволяет проанализировать разные варианты проведения сварочных операций и спланировать их последовательность так, чтобы в процессе работ конструкция подвергалась минимальным напряжениям и образованию дефектов.

Способы устранения сварочных напряжений

Дли ликвидации напряжений проводят отжиг или же используют механические методы. Наиболее прогрессивным и действенным считается отжиг. Применяется метод в случаях, когда к геометрической точности всех параметров изделия выдвигаются сверхвысокие требования.

Отжиг может быть общим или местным. В большинстве случаев проводят процедуру при температуре 550-680°С. Весь процесс проводится в три этапа: нагрев, выдержка и остывание.

Из механических способов чаще всего используется прокатка, проковка, техника вибрации и обработка взрывом. Проковка проводится с применением пневмомолота. Для виброобработки используют вызывающие вибрацию устройства, у которых в течение нескольких минут 10-120 Гц составляет резонансная частота.

Способы устранения деформации

Деформация металла при сварке устраняется термомеханической, холодной механической и термической правкой с общим или местным нагревом. При полном отжиге конструкция прочно фиксируется в специальном устройстве, которое на требуемые участки образует давление. После закрепления изделие помещается в печь для нагрева.

Принцип термического способа состоит в том, что в процессе охлаждения металл сжимается. Растянутый участок нагревают с помощью дуги или горелки таким образом, чтобы холодным оставался окружающий сплав. Это препятствует сильному расширению горячего участка. В процессе остывания конструкция выпрямляется. Метод идеально подходит для правки листовых полос, балок и других изделий.

Холодная правка проводится с применением постоянных нагрузок, которые образуют с помощью разнообразных прессов, валков для прокатки длинных конструкций. В сильно растянутых конструкциях для ликвидации деформаций используют термическую правку. Сперва собираются излишки металла, после чего проблемные участки прогреваются.

Какой из методов считается самым лучшим? Однозначного ответа здесь не существует. При выборе технологии следует учитывать тип, размеры и формы металлического изделия, какие особенности вызвали деформации и сварочные напряжения, и деформации, возникшие в плоскости или снаружи. Также внимание стоит обратить на эффективности методики и предстоящих трудозатратах.

Как предотвратить возникновение напряжений и деформации

Чтобы повысить качество конструкций и предотвратить образование браков, следует знать от чего зависит величина деформации свариваемого металла.

Понизить напряжения в процессе сварочных работ и предотвратить деформации можно, если придерживаться следующих правил:

при проектировании сварной конструкции сперва нужно провести расчет сварочных деформаций, что позволит правильно сформировать сечения швов и предусмотреть на отдельных участках изделия необходимые для усадки припуски;
швы нужно выполнять симметрично к профильным осям всего изделия и отдельных его деталей;
очень важно, чтобы в одной точке не было пересечений более чем трех швов;
перед свариванием конструкцию необходимо проверить на соответствие расчетам величин зазоров в стыках и общих размеров;
понизить остаточную деформацию можно, если создать в соединении искусственную деформацию, противоположную по знаку от выполняемой сварки. Для этого применяется общий или местный подогрев конструкции;
при выполнении длинных швов применять обратноступенчатый способ на проход;
использовать теплоотводящие прокладки или охлаждающие смеси, способные уменьшить зону разогрева;
накладывать швы таким образом, чтобы последующее соединение вызывало обратные от предыдущих швов деформации;
подбирать для вязких металлов такие сварочные техники, которые способны понизить конечные деформации.

Нужно понимать, чтобы понизить к минимуму деформации при сварке, причины их возникновения и меры предупреждения непосредственно повязаны между собой. Поэтому вначале нужно провести все расчеты и подготовительные работы, и только после этого приступать к процессу сваривания металлоконструкций.

Методы противодействия сварочным деформациям и напряжениям

Намного проще предотвратить проблему, нежели ее устранять. Касается это также сварочных работ. Чтобы не столкнуться с устранением брака, а также избежать лишних финансовых затрат следует обратить внимание на некоторые меры борьбы со сварочными напряжениями и деформациями.

Сопроводительный и предварительный подогрев

Выполнение таких видов подогрева улучшает качественные характеристики шва и прилегающих к нему участков. Также метод способствует уменьшению остаточного напряжения и пластических деформаций. Применяют подогрев для склонных к возникновению кристаллизационных трещин и закалке сталей.

Наложение швов в обратно ступенчатом порядке

Если длина шва превышает 1000 миллиметров, то следует разбить его на отдельные участки протяжностью 100-150 мм каждый и вести их нужно противоположно к направлению сварки. Применение такого способа позволяет достичь равномерного нагревания металла и существенно понизить деформацию, что нельзя отнести к случаю последовательного наложения.

Проковка швов

Как холодный, так и нагретый металл можно проковывать. Металл от силы удара разжимается в разные стороны, понижая таким образом растягивающее напряжение. Если конструкция создана из склонного к появлению закалочных структур металла, то на таких изделиях проковка не выполняется.

Выравнивание деформаций

Сущность способа состоит в подборе порядка выполнения швов. При этом каждое последующий шов должен создавать противодействующую деформацию предыдущему соединению. Очень актуально это при сваривании двусторонних соединений.

Жесткое крепление деталей

В течение всего процесса сварки обрабатываемые детали необходимо жестко и прочно закреплять в кондукторах. Вынимать можно только после полного охлаждения. Следует обратить внимание, что у такого метода есть один недостаток - повышенные риски появления внутренних напряжений.

Термическая обработка

Улучшает механические характеристики шва и расположенных вблизи участков, выравнивает структуру соединения, понижает внутренние напряжения. Термическая обработка состоит из разных операций: отпуск, отжиг (полный или низкотемпературный), нормализация.

Наилучшим способом обработки для сварных изделий считается нормализация, особенно хорошо подходит метод для изделий из низкоуглеродистых сталей.

Читайте также: