Дефекты сварных конструкций

Дефекты сварных конструкций

Причинами проявления дефектов в сварных металлоконструкциях могут быть:

  • несоответствие химического состава основного и приса­дочного металла, а также электродных покрытий и флюса;
  • несоответствие механических свойств и структуры основного металла;
  • наружные дефекты свариваемого металла;
  • внутренние дефекты свариваемого металла;
  • дефекты обработки: разметки, наметки, резки, правки, гибки;
  • дефекты сборки: несоответствие общим геометрическим размерам чертежа, увеличенные зазоры между элементами, искривление конструкций относительно осей, недостаточная при­хватка, перекосы и смещение элементов (деталей);
  • дефекты сварки: непровары, шлаковые включения, газо­вые пузыри, трещины в наплавленном и основном металле, про­жоги;
  • ошибки в работе конструкторских и технологических от­делов.

Такое множество причин требует для предотвращения де­фектов тщательного контроля основного металла, присадочных материалов, внимательной разработки технологии по всем опера­циям производства, тщательного контроля деталей и узлов в про­цессе изготовления и приемки конструкций. Контроль производ­ства проводится как пооперационный, так и при приемке к испытанию готовых конструкций. Естествен­но, что приемка сварных конструкций на некоторых этапах про­изводства должна выполняться с более разнообразными требо­ваниями, чем клепаных конструкций. Целый ряд отклонений от технических условий и разработанной технологии при производ­стве сварных конструкций ведет к непоправимому браку. На­пример, непровары в сварных швах, определяемые выборочной засверловкой или в некоторых случаях лучами радия и рентге­новским просвечиванием, относятся к крайне тяжелым дефектам. Они не могут быть выявлены засверловкой на всей протяженнопости швов и только при доступности средств просвечивания мо­гут быть выявлены, но с очень большой затратой средств. Де­фекты заклепочных соединений устанавливаются сравнительно просто путем контрольного простукивания заклепок молотком и устраняются заменой дефектных заклепок.

Дефекты от несоответствия химического состава основного металла проявляются, главным образом, в повышенном содер­жании серы и фосфора. Как известно, фосфор придает металлу свойства холодноломкости, а сера красноломкости. Эти примеси при проплавлении основного металла переходят в наплавленный металл. Так как сера и фосфор в соединениях с окислами желе­за дают легкоплавкие соединения, то при понижении температу­ры они вытесняются в зоны металла, затвердевающие в послед­нюю очередь, т. е. проявляется так называемая ликвация. При затвердевании и усадке металла в этих зонах возникают трещи­ны (фиг. 173). Повышенное содержание серы и фосфора харак­терно для бессемеровской и томасовской стали, поэтому при сварке стали этих марок чаще появляются трещины. Сварку кон­струкций из бессемеровской и томасовской стали можно осуще­ствлять, учитывая свойства этих сталей при конструировании сварных соединений и разработке технологии.

Образование трещины в зоне ликвации сварного шва

Образование трещины в зоне ликвации сварного шва

Предельное содержание серы в α-железе при температуре 20° составляет 0,025—0,030%. При повышенном содержании се­ра выделяется из твердого раствора в виде сернистого железа (фиг. 174). Сернистое железо FeS совместно с железом обра­зует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 985°. При наличии в металле закиси железа (FeО) она совместно с FeS образует эвтектику с температурой плавления 940°. Эти легкоплавкие эвтектики вытесняются в зону более позднего затвердевания (в зону ликвации) и при затверде­вании размещаются по границам зерен. При темпе­ратуре нагрева такой стали до 800—900е легкоплавкая эвтектика по границам зерен размягчается, и сталь теряет прочность, образу­ются горячие трещины в наплав­ленном металле.

Схема размещения сернистых соединений по границам зерен

Схема размещения сернистых соединений по границам зерен

Повышенное содержание серы свыше 0,04—0,05 % содействует образованию трещин, поэтому пре­дельное содержание серы в метал­ле, предназначенном для сварки, и в электродном металле ограни­чивается ГОСТ.

При повышенном содержании марганца образуется соединение MnS с температурой затвердева­ния 1610—1640°, которое образует безвредные мелкораздроблен­ные включения, поэтому наличие марганца частично парализует действие серы, так как переводит ее в безвредное соединение.

Фосфор с железом образует сплавы, диаграмма состояния которых представлена на фиг. 175, а. Предельная раствори­мость фосфора в я-железе при температуре 20° составляет 1,2%, а при температуре 1050°—2,6%. В низкоуглеродистой ста­ли максимальное содержание фосфора составляет 0,08%, поэто­му фосфор в этой стали находится в твердом растворе в ферри­те. Фосфор суживает 7-область превращений и при некоторой кон­центрации полностью ее устраняет (фиг. 175, б). Ликвация и крайне незначительная вторичная диффузия при затвердевании ведет к обогащению отдельных частей металла шва фосфором до 0,25% и даже до 0,60%. Эти части швов не претерпевают превращения из α-железа в γ -железо, а поэтому перекристалли­зации и измельчения зерна не происходит —наплавленный ме­талл имеет крупно­зернистое строение. Сталь с повышенным содержанием фосфо­ра имеет очень низ­кое значение ударной вязкости: 1,5—3,0 кгм/см2. Повышенное содержание фосфора ведет к образованию трещин в наплавлен­ном металле, поэтому его содержание в ос­новном и электрод­ном металлах ограни­чивается ГОСТ.

Диаграмма состояния сплавов и область этой диаграммы соответствующая малым содержаниям фосфора

Диаграмма состояния сплавов и область этой диаграммы соответствующая малым содержаниям фосфора

К дефектам, про­являющимся в связи с несоответствием основного металла техническим условиям по хи­мическому составу, относится повышенное содержание в металле главным образом кислорода и азота, а в некоторых случаях для легированных сталей и водорода. Это относится в основном к бес­семеровским, томасовским и так называемым кипящим сталям. По­вышенное содержание газов во многих случаях ведет к образова­нию трещин. Обширные исследования по свариваемости кипящих и успокоенных сталей проведены в институте электросварки имени акад. Е. О. Патона. Кислород в стали может находиться в со­стоянии твердого раствора в α-железе или в виде окислов: FeO — закиси железа, Fе2O3 — окиси железа, Fе3O4 — закиси- окиси железа. Закись железа FeО при температурах ниже 570° переходит в закись-окись железа (Fе3O4). Температуры плав­ления: FeО— 1370°, Fе2O3— 1565° и Fе3O4— 1600°. В соответ­ствии с указанными температурами плавления определяется по­ведение этих окислов при затвердевании стали. При темпера­туре 1750° растворимость кислорода в железе равна 0,5%, при температуре электрической сварки поглощение расплавленным металлом кислорода значительно выше и доходит до 1,5—2%. При температуре затвердевания сталь поглощает 0,20% кисло­рода.

В технических сортах стали содержатся следующие коли­чества кислорода: в котельной стали 0,013—0,015%, мартенов­ской — 0,020 %, бессемеровской — 0,08 %.

Таким образом, из наплавленного металла должно выделить­ся очень большое количество кислорода, если не были приняты меры, устраняющие проникновение кислорода в наплавленный металл при сварке. Наличие кислорода снижает механиче­ские свойства стали (фиг. 176).

Изменение механических свойств стали в зависимости от содержания кислорода

Изменение механических свойств стали в зависимости от содержания кислорода

Содержание азота в низко­углеродистой стали характери­зуется следующими данными: мартеновская сталь 0,001— 0,008%, томасовская 0,01 — 0,03 %, тигельная 0,001 —0,008 %, электросталь 0,008—0,016%.

При температуре 600° желе­зо растворяет до 0,5% азота, а при температуре 20° железо удерживает в растворе 0,015% азота. Выделяющийся азот при снижении температуры стали от точки плавления до 20° обра­зует соединения с железом — нитриды, являющиеся твердой и хрупкой составной частью структуры металла. Увеличение содержания азота в стали ведет к повышению пределов прочно­сти и текучести и к снижению ударной вязкости. В зависимости от различных способов сварки азот и кислород в наплавленном металле содержатся в количествах, приведенных в табл. 51.

Таблица 51

Содержание кислорода и азота в наплавленном металле

Таким образом, выбор способа сварки и марки электродов не соответствующих техническим условиям, может повести к зна­чительному снижению механических свойств наплавленного ме­талла и браку сварных конструкций.

Включения водорода, выделяющегося из металла, при охлаж­дении при некоторых условиях могут вызвать появление крупных дефектов — разрывов металла. Растворимость водорода в железе, никеле, меди, кобальте и алюминии характеризуется кривы­ми (фиг. 177). Железо и никель в значительной степени поглощают водород при высоких температурах. При охлаждении во­дород выделяется различно в зависимости от растворимости и проницаемости, что характеризуется данными табл. 52.

Кривые растворимости водорода в различных металлах

Кривые растворимости водорода в различных металлах

Таблица 52

Растворимость водорода в стали

Некоторые машиностроительные детали свариваются хромо- никелевыми электродами, содержащими 18% Cr и 8% Ni; име­ют структуру аустенита (γ -железо) и обеспечивают значи­тельную вязкость наплавленного металла. Железо как видно- из табл. 52, в температурном интервале 500—100° выделяет большое количество водорода, который в связи с малой прони­цаемостью γ-железа не выделяется из металла и, создавая гро­мадное давление, образует внутренние разрывы металла.

Водород в наплавленный металл проникает из влажного по­крытия или флюса, в которых при высоких температурах вода разлагается на водород и кислород. Таким образом, влажное покрытие или влажный флюс создают опасность появления тре­щин в наплавленном металле. При применении в производстве электроды и флюс должны быть тщательно высушены.

Повышенное содержание углерода также может повести к трещинам в наплавленном металле и в особенности к трещинам по основному металлу. Это явление наблюдается при сварке ле­гированных сталей. В этом случае углерод совместно с легирующими примесями (хромом, кремнием, ванадием, молибденом и др.) образует карбиды, что и приводит к появлению трещин.

Необходимо учесть, что во время войны выпускались легиро­ванные стали в основном с содержанием хрома, никеля, молиб­дена, вольфрама и ванадия. После войны разбитые танки, ору­дия, минометные части пошли в шихту, засоряя ее легирующи­ми примесями, не давая возможности регулировать состав стали но отдельным примесям. Поэтому, если основной металл содер­жит повышенное содержание этих примесей, то часто появляют­ся трещины как по основному металлу в зоне термического влия­ния, так и по сварным швам. Трещины по основному металлу в таком случае имеют распространение вдоль или поперек шва: в некоторых случаях трещины не выходят на поверхность шва (фиг. 178). Трещины по сварным швам идут как вдоль, так и поперек шва с выходом в ряде случаев на основной металл. Эти виды трещин свойственны сварке легированных сталей, ко­гда технология сварки не соответствует составу и свойствам сталей.

Виды трещин в сварных соединениях

Виды трещин в сварных соединениях

Легированные стали могут находиться в состоянии отжига, нормализации, закалки и отпуска. При одном и том же химиче­ском составе механические свойства и структура стали в зависи­мости от указанной термической обработки будут весьма раз­личны, а потому будут различны и свойства свариваемости. Ста­ли в состоянии закалки весьма подвержены образованию трещин, часто скрытых, не выходящих на поверхность, что для контроля качества является опасным.

Перегретый крупнозернистый, обладающий, кроме того, видманштеттовой структурой металл также обладает склонностью к образованию трещин.

Во всех этих случаях сварка должна производиться по спе­циальной технологии и часто с предварительной термической об­работкой.

Наружные дефекты проката в той или иной степени ведут к дефектам в сварных конструкциях. Несоответствие профиля про­ката сортаменту ГОСТ имеет различные виды.

Сравнительно редко встречается равномерное со всех сторон уменьшение размеров по толщине профиля, которое ведет к уменьшению рабочего сечения элемента и его перенапряжению. Допустимые отклонения оговариваются в ГОСТ.

Значительное количество дефектов в сварных конструкциях связано с разностенностью проката в отдельных частях сечения и по длине проката. Контроль разностенности в двутаврах, швелле­рах, угловом и листовом металле доступен, допустимые откло­нения оговорены ГОСТ. Разностенность в трубах определяется с трудом, а вместе с тем трубы находят применение в современ­ных сварных конструкциях. Разностенность в профилях ведет к неплотности в сборке, а следовательно, к уменьшению рабочего сечения швов и образованию внутренних полостей, подвержен­ных коррозии.

Сравнительно часто встречаются отклонения в форме кромки проката — углового таврового, швеллерного, двутаврового. В клепаных и сварных конструкциях такое отклонение нежелатель­но из-за возможности проникновения влаги между соединяемыми элементами (фиг. 179, р). В сварных конструкциях большое ко­личество швов размещается по кромкам проката. Неполномерная кромка дает значительное уменьшение рабочего сечения шва (фиг. 179, б). В сварной конструкции этот дефект по наружному виду определить довольно трудно; он выявляется только засверловкой. Прокат с явно выраженной неполномерной кромкой не может быть принят.

Образование полостей между элементами в клепаных и сварных конструкциях

Образование полостей между элементами в клепаных и сварных конструкциях

Значительным дефектом проката является наличие рваной кромки. Рваная кромка также уменьшает рабочее сечение свар­ных швов.

Встречаются на поверхности стальных листов дефекты в виде мелких углублений на 1—2 мм при диаметре 4—5 мм. Эти де­фекты поверхности не дают затруднений в наложении сварных швов, но нежелательны из-за условий коррозии конструкций, а в некоторых случаях и концентрации напряжений.

К более существенным дефектам относятся плены, закатанные на поверхности и являющиеся следствием неправильной разливки стали в изложницы. При большой высоте падения струи в излож­ницы получаются всплески — капли, часто полые внутри, или за­ворот жидкого металла у стенки изложницы, которые, если не будут заварены при прокате с поверхностью слитка, образуют мелкие углубления или плены.

Внутренние дефекты проката выявлять труднее, чем наруж­ные.

Расслоения металла иногда выходят на боковые поверхности (на кромку разреза). Этот дефект выявляется при кислородной резке, так как резка по расслоению проводится с большими за­труднениями. Шлаковые, ликвационные включения и пузыри от­носятся к дефектам слитка и при прокатке захватывают большие участки по сечению и длине элемента. Значительная часть этих дефектов поэтому выявляется при отборе (механические, метал­лографические и химические).

При недостаточной правке металла на механическом заводе у профилей могут быть перекосы, которые не дают возможности плотно подгонять элементы при сборке. Перекосы и искривления в некоторых случаях ведут также к уменьшению рабочего сече­ния шва. Металл с указанными дефектами должен быть подвер­гнут тщательной правке на заводе металлических конструкций. Необходимо заметить, что точная разметка и наметка не могут быть осуществлены на неправленном металле. Неправленный ме­талл вызывает значительные отклонения от проектных размеров в конструкции, а недопустимые отклонения приводят к браку всей конструкции.

Отклонения от технических условий и технологии при обработ­ке металла (разметке, наметке, резке, правке, гибке) приводят к весьма многочисленным и разнообразным дефектам в сварных со­единениях. В клепаных узлах конструкции или в сварных конструк­циях при наличии у последних отверстий для сборочных болтов значительное количество дефектов может быть от неправильной разметки расстояний между отверстиями. Этот вид брака под­робно рассмотрен в разделе шаблонирования и разметки конст­рукций. При разметке и наметке обычный дефект состоит в изме­нении размеров элементов по сравнению с задаваемыми черте­жами, отчего получаются или увеличенные, или уменьшенные зазоры. При увеличенных зазорах (фиг. 180) заварка шва (обыч­но стыкового) с повышенным количеством наплавленного метал­ла создает значительные внутренние напряжения, которые в от­дельных случаях приводят к появлению трещин в швах и в основном металле и к короблению конструкций. Уменьшение или увеличение основных раз­меров в смежных элементах при фланговых швах приводит к уменьшению рабочего сечения швов, в результате чего могут воз­никнуть перенапряжения в швах от внешней нагрузки, а иногда и трещины.

Сварной шов при увеличенном зазоре и перекосе элементов при сборке

Сварной шов при увеличенном зазоре и перекосе элементов при сборке

Такие отклонения получаются вследствие неверной разметки, неправильной резки или от смещения элементов на од­ну сторону при сборке. Резчик при нечетко прокернованном срезе или по невнимательности, а иногда из-за изношенных направляю­щих у пресс-ножниц, может сместить рез на 2—5 мм.

При резке ножницами с коротким ножом, резчик, подавая тяжелые листы к ножу, часто смещает линию разреза и дает зиг­загообразный разрез с выступами и впадинами на 2—3 мм отно­сительно линии разметки. Резка изношенными ножницами или при недостаточном поджатии листов упором вызывает взаимный сдвиг ножей (разворот ножей), который приводит к смятию при резке и увеличению размера элемента. От этого при сборке эле­менты примыкают неплотно, вызывая уменьшение рабочего сече­ния швов (фиг. 182). При этом недостаточная правка примыка­ющих элементов еще более усугубляет дефект. В таких случаях у верхнего пояса крановой фермы, кроме уменьшения рабочего сечения шва, может образоваться еще и внецентровая передача усилия от рельса (фиг. 182, е).

Уменьшение рабочего сечения швов

Уменьшение рабочего сечения швов

При газовой резке образуется наплыв на кромку, в некоторых случаях при строжке и при сверлении отверстий встречаются заусеницы. Если пренебречь зачисткой таких наплывов и заусе­ниц, то при сборке образуются зазоры в 1—2 мм, которые ведут к проявлению коррозии во внутренних полостях конструкций. В клепаных стыках с такими неплотностями с течением времени за­усеницы или наплывы сминаются, и стык ослабевает. При динамической нагрузке в ослабевших стыках со временем отверстия сминаются, вызывая разрушение заклепочных соединений. Такие разрушения стыков наблюдались в крановых конструкциях. К значительным дефектам обработки (резки) относится небрежная подготовка кромки для стыковых сварных соединений.

Рубка фаски рубильным молотком часто вызывает отклонения от размеченной линии с углублением в лист или искажение про­филя фаски. В результате небрежной подготовки листов вместо нормального соединения (фиг. 183, а) встречаются разделки сое­динения с увеличенным зазором, увеличенным притуплени­ем или несимметричной подготовкой. Заварка такого соединения встречает большие затруднения при ручной сварке, а при автоматической сварке требует даже предварительной за­делки зазоров.

Влияние дефектов подготовки кромок листов и правки на качество сварки

Влияние дефектов подготовки кромок листов и правки на качество сварки

Листы с подготовленной кромкой должны быть тщательно приняты как по профилю разделки, так и по соответствию линии реза разметке.

Дефекты, являющиеся следствием плохой правки металла, также многочисленны и разнообразны. Соединение не выправленных листов встык вызывает перекос и уменьшение рабочего се­чения шва (фиг. 183, б). Как правило, все узловые фасонки, планки, накладки при резке ножницами получают искривление. Узкие полосы, например, завиваются при резке ножницами с ко­ротким ножом. Резка профильного металла ножницами вызыва­ет некоторое искривление профиля. Это искривление увеличивается, если на одной из полок продавливаются отверстия для за­клепок или сборочных болтов. Во избежание образования трудно исправимых, а подчас и неисправимых дефектов все искривления деталей должны быть тщательно выправлены до передачи дета­ли в сборку.

Часто встречающимся дефектом в результате гибки уголков является изменение формы профиля (изменение прямого угла между полками). При сборке такие уголки вызывают искажение формы конструкции. Гибочные работы очень трудоемки, требуют высокой квалификации гибщиков и громоздких станков или приспособлений.

Значительная трудоемкость гибки профилей заставляет отка­зываться от применения их в сварных конструкциях; одно из до­стоинств сварных конструкций состоит в возможности отказаться от применения профильного металла с гибочными работами. Гибочные работы листового металла в сварных конструкциях весьма распространены. Чаще всего применяется вальцовка, т. е. образование цилиндрических изделий из листов. Небрежная вальцовка вызывает смещение листов, которое должно быть устранено до сварки. Применение листов без предварительной под бортовки вызывает искажение формы барабана с образова­нием угла на сварном шве.

Небрежная сборка ведет к появлению большого количества дефектов, из которых основными являются: несоответствие собран­ной конструкции геометрическим размерам чертежа, увеличен­ные зазоры между элементами, перекосы листов, смещение эле­ментов, недостаточная по сечению прихватка.

Несоответствие собранной конструкции геометрическим разме­рам чертежа — тяжелый дефект. В клепаных конструкциях он встречается редко, так как при сборке взаимное положение эле­ментов обеспечивается сборочными болтами, устанавливаемыми в заклепочные отверстия. В сварных конструкциях при наличии сборочных отверстий взаимное положение элементов обеспечи­вается, но плотное примыкание деталей достигнуто быть не мо­жет.

Без применения стяжки деталей струбцинами или натяжны­ми болтами неизбежны зазоры. Последующее наложение сбороч­ных прихваток фиксирует эти неплотности. Наложение швов при наличии зазоров ведет, как на это указывалось выше, к умень­шению рабочего сечения шва. Конструкция, собранная на при­хватках с отклонением от геометрических размеров, выправляет­ся с большими затруднениями: часть прихваток для этого должна быть срублена или выплавлена. Не только перекосы при сборке, но и неправильное наложение прихваток, чрезмерных по сечению, ведет также к искажению формы конструкций. При выполнении сварочных работ конструкция переворачивается, транспортирует­ся с одного места на другое, вынимается из приспособления, а поэтому она должна иметь соответствующую жесткость и проч­ность. С этой целью прихватки должны быть с достаточным се­чением, поставлены в надлежащих местах и в необходимом ко­личестве. Если требования не выполняются, конструкция получает остаточные деформации, выправить которые возможно только с большими трудностями и значительной потерей времени, а в некоторых случаях только при условии замены сильно деформи­рованных элементов.

Дефекты, появляющиеся в результате нарушения технологии сварки, весьма разнообразны и, по сути дела, относятся к числу наименее выявляемых и часто неисправимых. Чаще всего встре­чаются подрезы (фиг. 184), которые в большинстве случаев отно­сятся к исправимому браку. Неисправимый брак по подрезам иногда получается при сварке легированных сталей и аппарату­ры, работающей под давлением. Подрезы исправляются обычно наложением валиков, электродами диаметром 4—5 мм, заплавляющих подрез. Подрез не может быть оставлен в конструкциях, работающих на динамическую нагрузку. Допустимые для неко­торых конструкций подрезы, оговариваемые в технических усло­виях на изготовление данной конструкции, должны иметь глу­бину не более 0,5—0,25 мм и только местное распространение.

Подрезы при сварке

Подрезы при сварке

Подрезы чаще всего образуются при больших режимах и в особенности при сварке в тавр, когда наплавленный металл сте­кает на горизонтальный лист, обнажая проплавленное место вер­тикального листа. Подрезы при автоматической сварке свиде­тельствуют о чрезмерной ширине проплавления сравнительно с гипотенузой шва (фиг. 185, а). Радикальное средство устранения подрезов — понижение напряжения дуги.

Дефекты автоматической сварки под флюсом

Дефекты автоматической сварки под флюсом

Зона несплавления при автоматической сварке (фиг. 185, б) образуется при сварке вертикальным электродом на скоростях свыше 60—80 м/час. При большой плотности тока (80— 100 а/мм2) и низком напряжении дуги зона несплавления образуется и при мень­ших скоростях сварки. Эта зона устра­няется наклоном электрода вдоль шва углом вперед, наклоном из­делия на спуск, некоторым повышением напряжения дуги или уменьшением плотности тока и скорости сварки при сохранении вертикального положения электрода.

При больших силах тока, незначительной толщине основного металла, значительном зазоре между листами автоматическая и ручная сварка стыковых, соединений без подкладки дают сквоз­ное проплавление — так называемые прожоги. Исправление прожогов производится ручной сваркой электродами небольшого диа­метра на ограниченных режимах. Образование прожогов являет­ся следствием недостаточно отработанного режима.

Непровары — наименее выявляемые и наименее исправимые дефекты сварки — происходят вследствие недостаточного про­плавления основного металла и подачи в шов избыточного коли­чества присадочного металла. На фиг. 186 представлены валики наплавки с нормальным и недостаточным проплавлением (про­варом). В сварных соединениях наблюдаются следующие разно­видности этого дефекта.

Валики наплавки

Валики наплавки

  1. Непровары средней части соединения при сварке без скоса- кромок (фиг. 187, а). Этот дефект встречается при недостаточном зазоре между листами и малых режимах. Исправление де­фекта сложно.
  2. Непровары вершины угла как следствие затекания шлака4 в притупление и недостаточной подрубки шва перед наложени­ем шва подварки. Дефект недопустим у сварных соединений со­судов, работающих под давлением, особенно в химической аппа­ратуре. Выявляется он засверловкой или рентгеновским просве­чиванием, устраняется вырубкой подварки, и наложением повтор­ного шва подварки. Встречается при сварке электродами больших диаметров 8—10 когда дуга горит не в угол разделки, а направлена на кромки изделия (фиг. 187, б и в). В этом случае угол разделки не проплавляется, а заливается расплавленным электродным металлом с явлением несплавления.

Непровары вершины бывают также при сварке с закладкой в шов дополнительных присадочных стержней (фиг. 187, г). Этот дефект приводит к ослаблению соединения не только в резуль­тате непровара, но и вследствие трещин, часто сопутствующих, этим дефектам. При наличии трещин в подварке и от непрова­ра у присадки остается не соединенной вся нижняя часть соеди­нения (фиг. 187, д). При работе соединения усилие передаете внецентрично, что создает дополнительные напряжения, а в резуль­тате суммарного воздействия основных и дополнительных напря­жений случались разрывы соединений, связанные с разрушением сооружений.

Виды непроваров

Виды непроваров

Сварка с закладкой в шов присадочного металла должна про­водиться только квалифицированными сварщиками, сдавшими испытания на выполнение этого вида сварки. При сварке с за­кладкой увеличивают диаметр электрода, силу тока повышают против нормальной для этих диаметров на 30—50%; закладывавемая в шов (Присадка должна расплавляться на расстоянии 3— 5 мм от дуги.

  1. Непровары по кромке получаются вследствие нарушения элементарных правил манипулирования электродом, например, сварщик в местах непровара не направлял активное пятно дуги на деталь, а держал дугу в стороне от кромки (фиг. 187, е). Этот дефект встречается чаще, когда работают малоквалифицирован­ные сварщики. Выявляется он рентгеновским просвечиванием или засверловкой. Устранение его связано с трудоемкой работой по вырубке или выплавке дефектного шва, тщательной зачистки места выплавки и последующей заварке шва. Непровары по кромке часто приводят к отрыву сварных швов с тяжелыми по­следствиями разрушения конструкций. Такие дефекты могут быть также следствием сварки по металлу, покрытому ржавчиной, маслом, грязью. Изображенные на фиг. 188, а накладки были приварены по ржавчине. На фиг. 188, б видно, как стальной щуп на всю длину проходит под накладку под наплавленным, но не приваренным к стенке металлом шва.
  2. Непровар (несплавление) между слоями шва (фиг. 187, ж) связан с недостаточным режимом или со сваркой по шлаку и при низких режимах. Этот дефект часто встречается при плохой зачистке швов. Увеличение режимов снижает вероятность появ­ления этого дефекта. «В некоторых случаях при сварке однофаз­ной дугой на повышенных режимах, а также при сварке трех­фазной дугой допускается сварка без зачистки шлака при усло­вии, если работа выполняется квалифицированными сварщиками, которые должны сдать специальные испытания на этот вид сварки.
  3. Непровары в тавровых соединениях (фиг. 187, з) ведут к уменьшению рабочего сечения швов. В вершинах таких швов ча­сто возникают трещины, интенсивно развивающиеся при дина­мических нагрузках.
Схема образования усилий в швах от усадки

Схема образования усилий в швах от усадки

Трещины по наплавленному металлу образуются при наличии в металле избыточного количества вредных примесей,— таких как сера, фосфор, азот, кислород, водород, и при повышенном содержании углерода и легирующих примесей. Трещины также возникают от уменьшения объема наплавленного металла при сни­жении температуры. В сечении шва образуется усадка металла шва под воздействием равнодействующей R (фиг. 189, а). Если по­верхностные силы S, под действием которых происходит сокра­щение поверхности шва, дают равнодействующую, совпадающую с направлением усадки, то усадка будет происходить без разрыва шва. Если же сила R и равнодействующая от S направлены в противоположные стороны, то образуется разрыв шва с появле­нием трещины (фиг. 189, б). Поэтому на производстве опытным путем выработано правило, требующее наложения выпуклых швов и валиков, а не вогнутых. Следует отметить, что эта простейшая схема усилий несколько осложняется, если учесть, что по исте­чении некоторого времени поверхность шва затвердевает, а внутренние зоны валика будут находиться при более высоких темпе­ратурах и затвердевать во вторую очередь. В таком случае от не­одновременного охлаждения в сечении шва возникают внутрен­ние напряжения по схеме, представленной на фиг. 189, в, в связи с чем иногда происходит образование внутренних трещин без вы­хода их на поверхность.

По этой причине в стыковых и тавровых швах далеко не всег­да появляются трещины даже при вогнутой поверхности. Нали­чие на шве большой корки шлака еще более усложняет процесс охлаждения шва. Однако во всех случаях наложение выпуклых валиков гарантирует их от появления трещин.

Трещины в швах

Трещины в швах

Усадка металла шва происходит как в поперечном, так и в продольном направлении. Сокращение объема зависит от разно­сти температур в направлении отвода тепла, которая в попереч­ном направлении выражена более резко, чем в продольном. По­этому трещины в поперечном направлении встречаются чаще.

Необходимо отметить, что поперечные трещины от усадки шва в продольном направлении менее опасны по сравнению с про­дольными трещинами от поперечной усадки шва.

При сварке многослойными швами трещины могут образовать­ся в каждом валике (слое). Недостаточно внимательный сварщик производит наплавку последующих валиков при наличии трещин в предыдущих, в результате получается сварное многослойное соединение с большим количеством внутренних трещин (фиг. 190, а). Такой дефект обычно встречается тогда, когда каждый валик по условиям его наложения склонен к образова­нию трещин (вогнутая поверхность валика, тонкий, широкий, размазанный, как говорят сварщики, валик при диффузии вредных или дотирующих примесей).

Такой дефект очень серьезен, трещины часто не выходят на поверхность шва и могут быть определены только засверловкой или просвечиванием. Необходимо заметить, что этот дефект свой­ственен более всего сварке легированных сталей, когда недоста­точно освоена ее технология.

Трещины в сварных швах чаще всего образуются в кратере, вогнутая форма которого содействует их образованию (фиг., 190, б). Для устранения возможности образования трещин сварщик обратным движением электрода заваривает кратер.

Значительное количество дефектов появляется в сварной кон­струкции от неудовлетворительной работы конструкторских отде­лов и технологических бюро. Основные формы и конструктивные детали разрабатываются конструкторами. Технологи могут толь­ко влиять на порядок наложения швов и очередность сборки или сварки отдельных элементов. Количество швов, их сечение и фор­ма определяются конструкторами. Заметив конструктивные недо­статки, технолог обязан сообщить о них, чтобы были внесены со­ответствующие изменения в конструкцию.

Наиболее часто встречается дефект — чрезмерное количество наплавленного металла в конструкции. Это приводит к повышен­ному короблению и большим внутренним напряжениям, отчего конструкция теряет форму и выходит иногда в брак, либо про­исходит местный разрыв отдельных швов или основного металла рядом со швами. Примером может служить проявление этих де­фектов на балках рабочей площадки мартеновского цеха, запро­ектированных под нагрузку железнодорожных поездов. Например, стык вертикальной стенки балки с узкой накладкой толщиной 12 лис, приваренной к стенке швами на всю толщину накладки; рядом со стыковой накладкой расположено ребро жесткости, которое было приварено к стенке швами 12 Х 12 мм. Вблизи стыка стенки размещен стык нижнего пояса балки.

Ребро жесткости, вопреки заданной технологии, было при­варено после наложения поясных швов. Значительное количест­во наплавленного металла и его конструкция вызвали развитие чрезмерных внутренних напряжений в сечении. От этого в бал­ках появились линии сдвигов в перенапряженных местах; в углах вертикальной стенки и через ребро жесткости прошли сквозные трещины. В некоторых бал­ках лопнула вертикальная стенка с образованием сквозной тре­щины через рее треугольное ребро, в других лопнул стык нижнего пояса балки с трещиной через накладку. В части (балок трещин не было). Эти балки были испытаны гидравлическими домкратами. При сравнительно не­значительных нагрузках балки дали резко выраженную картину разрушения. Балки были в таком напряженном состоянии, что при разгрузке одной из них (меньшего сечения) она лопнула; один из поясов и вся вертикальная стенка разруши­лись.

Приемлемым количеством наплавленного металла в % по от­ношению к весу конструкций в настоящее время считается:

а) строительные конструкции из мощных прокатных профи­лей, когда сварочные работы заключаются в приварке соедини­тельных элементов, опорных башмаков, ребер жесткости; некоторые листовые конструкции при большом размере листов- 0,5-1%;

б) строительные конструкции из прокатных профилей сред­них размеров, листовые конструкции 1—2%;

в) строительные конструкции из мелких профилей, узлы ма­шин 1,6—3%;

г) детали машин с большим количеством мелких соединений 3—5%, в самых исключительных случаях 5—7%.

Не только чрезмерное количество наплавленного металла, но и концентрация швов и сварка в жестком контуре приводят к появлению разрывов.

Появление дефектов по этим причинам имеет место в строи­тельных и решетчатых конструкциях в машиностроении (из-за на­личия торцевых швов) (фиг. 193, а и б). В конструкциях с таким оформлением узлов наблюдалось появление трещин в местах наибольшего скопления наплавленного металла.

Дефекты в конструкциях в связи с большой концентрацией наплавленного металла

Дефекты в конструкциях в связи с большой концентрацией наплавленного металла

Наличие подрезов ведет к появлению трещин, если не тотчас же (После сварки, то с течением времени и особенно при динами­ческих нагрузках. Часто сама конструкция предопределяет обра­зование подрезов. Например, при креплении стойки в узле фермы (фиг. 194 а) стойка на очень короткой длине прикрепляется к поясу, наложение флангового шва вызывает подрез 1 узлового листа.

Для устранения подрезов рекомендуется сварка с отступ­лением от края листов на 5—15 мм (фиг. 194, б). В конструкции фермы (фиг. 195) такого отступления от края листа сделать нельзя.

Сварное соединение

Сварное соединение

Даже наложение электрозаклепок или прорезных соединений при большой толщине листа вызывает значительные местные пе­ренапряжения с появлением линий сдвигов. Поэтому проектирования конструкций с узкими прорезными соединениями следует избегать.

Короткие фланговые швы в стойке

Короткие фланговые швы в стойке

Если необходимо иметь прорезное соединение, его следует де­лать широким и заварку производить только по кромкам (фиг. 197).

Прорезное соединение

Прорезное соединение

Применение профильного металла в машиностроительных кон­струкциях сокращается.

Современное направление проектирования конструкции в ма­шиностроении заключается в применении листового металла для образования сечений. При проектировании мощных сечений необходимо использовать толстый листовой металл, а не наби­рать пакеты из сравнительно тонких листов, как это делалось при производстве клепаных конструкций. Конструирование пакетов толщиной 40—50 мм из тонких листов (10—12 мм) приводит к необходимости соединения этих листов в пакет для обеспечения совместной работы листов. Со­единение производится электро­заклепками, прорезными соеди­нениями, продольными фланго­выми швами на уступах листов (фиг. 198). Выполнение таких соединений весьма трудоемко, ведет к внутренним напряже­ниям, создает внутренние пологи между листами, в которых возможно проявление очагов коррозии, кроме того, ведет к проявлению дефектов электрозаклепках, прорезных соединениях и продольных швах.

Соединение листов в пакет

Соединение листов в пакет

Значительные затруднения в изготовлении сварных конст­рукций вызываются проектированием конструкций без учета технологии производства, а также без учета всех преимуществ применения сварки по сравнению с изготовлением склепанных или литых конструкций.

Весьма характерна в этом отношении сварка конструкций угловыми соединениями. В клепаных конструкциях для образования угловых соеди­нений вводится уголок, как переходный элемент от одно­го листа к другому (фиг. 199). Особенно сложно образова­ние угловых соединений в цилиндрических изделиях: резервуарах, газгольдерах. Так называемый упорный уголок необходимо согнуть с сохранением прямого угла между полками, что вызыва­ет большие затруднения и расходы по затрате труда и времени. Гибка уголка на наружную сторону и внутреннюю сторону осуществляется с большими трудностями. Проектирова­ние сварных листовых угловых соединений следует проводить без промежуточного соединительного уголка в тавр с постанов­кой ребер жесткости на некотором расстоянии и с приваркой их швами небольшого сечения. При такой конструкции количество наплавленного металла значительно снижается, совершенно уст­раняются трудоемкие работы по гибке и подгонке уголков, конт­роль качества сварных соединений проверкой на плотность облегчается. В резервуарах это соединение осуществляется по схеме (199, в).

Угловое соединение

Угловое соединение

Недооценка конструкторами или технологами свойств метал­ла также отражается на снижении качества сварных соеди­нений.

Такие стали, как бессемеровская и томасовская, имеют повы­шенное содержание серы и фосфора, азота и кислорода. Переход этих примесей в металл шва приводит к образованию трещин. Кроме того, у этих сталей свойство синеломкости проявляется особенно резко. Производить сварку таких сталей обычными ме­тодами невозможно, это ведет к образованию трещин как по наплавленному, так и по основному металлу. Однако сварка про­изводится удовлетворительно, если устранить обогащение ме­талла шва вредными примесями из основного металла, а также избежать проявления синеломкости. Исследованиями установле­но, что вредные примеси распределяются главным образом во внутренних зонах сечения, а наружные зоны на глубину 1—2 мм от них почти свободны. Поэтому сварку названных сталей следу­ет производить наложением сварных швов на поверхность эле­ментов; сварные стыки должны проектироваться преимуществен­но с накладками; для устранения ; синеломкости сварные швы должны быть фланговыми, а не пересекать элементы в попереч­ном направлении.

Сварка легированных сталей с наложением по всему сечению поперечных швов при возможности появления резко выраженных зон подкалки тоже образует трещины. Сварка этих сталей требу­ет специальной технологии. Примером дефектных соединений яв­ляются рельсовые стыки на железнодорожных и трамвайных пу­тях.

Рациональная конструкция рельсового стыка разработана в Институте электросварки имени акад. Е. О. Патона.

Общее количество дефектов, появляющихся на различных этапах производства сварных конструкций в тяжелом машино­строении, представлено данными табл. 53.

Таблица 53

Распределение (в %) забракованных деталей сварных конструкций по видам дефектов

Приведенное в таблице количество встречающихся случаев брака дано на годовой выпуск 18 000 т. Данные свидетельствуют, насколько велико количество брака из-за, несоответствия размера заготовок, главным образом, по причине недостатков резки и на­метки.

Tagged: