Дефекты сварных соединений, выполненных
с дополнительным порошкообразным присадочным
металлом

Наличие в сварных соединениях дефектов, т. е. несоответствия соединений требованиям нормативной документации, может привести к их разрушению, разрушению всей конструкции, аварии на производстве. Поэтому увеличение затрат на вспомогательные и основные технологические операции с целью сниже­ния вероятности образования дефектов экономически оправдывается. В зависимости от характера, располо­жения дефектов, способа их воздействия на сварное соединение они подразделяются на группы. По месту расположения дефекты бывают наружные (прожоги, подрезы, наплывы, неравномерность шва, усиленные и ослабленные швы, крупная чешуйчатость, кратеры, непровары по кромке, наружные поры и трещины) и внутренние (шлаковые включения, непровар в корне шва, внутренние трещины и поры, пережог металла). Сварке с порошкообразным присадочным металлом присущи дефекты, встречающиеся как при обычных способах сварки, так и некоторые специфические. Несплавление в вершине шва (рис. 64, а) обра­зуется из-за недостаточного напряжения на дуге. Отсутствие проплавления (рис. 64,6) появляется из-за недостаточной силы сварочного тока. Смещение шва с одной из кромок (рис. 64, в) происходит в результате неправильного направления электрода, при этом противоположная кромка оплавляется чрез­мерно. В тавровых соединениях с большой раз-

Рис. 64 Дефекты сварных соединений, характерные для сварки с порошкообразным присадочным металлом

а — несплавление в вершине шва; б — отсутствие проплавления: в — смешение шва с одной из кромок; г — несплавление в середине шва

носїью толщин элементов увеличивается опасность перегрева вертикальной стенки. Несплавление в сере­дине шва (рис. 64, г)—дефект наиболее серьезный, так как его можно выявить только с помощью физических методов контроля. Этот дефект указывает на недостаточную мощность сварочной дуги (свароч­ного тока) или на слишком большое количество порошкообразного присадочного металла. При электро — шлаковой сварке смещение электрода от оси зазора может вызвать несплавление по одной из кромок.

Этот же дефект образуется при подаче большего ко­личества, чем это требуется, порошкообразного при­садочного металла. Непровар у поверхности свари­ваемых элементов наблюдается при смещении электро­да от оси сварного соединения к одному из медных ползунов.

По степени влияния на сварное изделие дефекты бывают критические, значительные и малозначитель­ные. Наличие критического дефекта исключает приме­нение сварной конструкции. Значительный дефект существенно влияет на качество сварной конструкции, но не является критическим. Малозначительный дефект не оказывает заметного влияния на качество конструк­ции. Рассмотрим основные дефекты сварных соеди­нений и причины их образования.

Непровар — местное несплавление между основным и наплавленным металлами или отдельными слоями при многослойной сварке резко снижает механические показатели сварного соединения, отри­цательно влияет на его пластичность и может, являясь концентратором напряжений, привести к об­разованию трещин. Причиной непровара может быть отсутствие зазора, большое притупление, небольшой угол разделки кромок, неправильный режим сварки или его нарушение, неточное направление конца электродной проволоки, отсутствие в конце и начале сварки технологических пластин, неправильное во­зобновление процесса сварки после перерыва. При электрошлаковой сварке встречается непровар трех видов: у поверхности свариваемого металла, по се­редине шва, по одной или обеим кромкам, В первом случае непровар образуется при недостаточном вре­мени остановки у ползунов или снижении напряжения на одном из электродов, увеличении расстояния между крайним положением электрода и ползуном. Непро­вар по середине шва при сварке 2—3 электродами появляется при чрезмерном расстоянии между сосед­ними электродами. Непровар по одной из кромок образуется при смещении электрода от оси зазора, по двум — из-за малой ширины шва, большой скорости подачи электродной проволоки, резкого увеличения глубины шлаковой ванны и большой толщины электродного металла.

Поры — заполненные газом полости круглой, вы­тянутой или другой формы в металле сварного шва, располагающиеся цепочкой по оси шва или отдельными группками, образуются по ряду причин, которые можно разделить на две группы. К первой относятся причины, непосредственно зависящие от сварщика,— окалина, ржавчина, масло, краска на свариваемых кромках, влажный флюс или электрод с влажным покрытием, большая скорость сварки, при которой нарушается газовая защита металла сварочной ванны. Ко второй относятся причины, заложенные в технологии сварки,— азот, водород и окись углерода, образую — щиеся в результате отклонения химического состава металла шва от заданного из-за снижения в нем кремния и марганца по причине применения несо­ответствующей электродной проволоки или уменьшения глубины проплавления. При электрошлаковой сварке металл шва более стоек против порообразования по сравнению с электродуговой сваркой. Поры в этом случае не выходят на поверхность и располагаются по сечению шва без определенного порядка или скапли­ваются в отдельные группы. В случае применения порошкообразного присадочного металла при автома­тизированной сварке под флюсом существенно умень­шается порообразование и появление несплошностей. Поры не допустимы в сварных швах аппаратуры, работающей под давлением и вакуумом, или пред­назначенной для транспортировки и хранения жидких и газообразных продуктов.

Трещины — наиболее опасные и недопустимые дефекты в сварных соединениях. Трещины бывают горячие и холодные. Горячие трещины зарождаются в процессе первичной кристаллизации и развиваются при остывании металла. На их появление влияет химический состав металла шва, величина и скорость действующих в процессе кристаллизации металла шва растягивающих напряжений, форма сварочной ванны, величина первичных кристаллитов. Элементы, входящие в металл шва, по-разному влияют на стойкость против горячих трещин. Сера и фосфор являются вредными примесями. Сера переходит в ме­талл шва из основного металла и сварочных материалов. Поэтому практический интерес представля­ет применение флюсов, способствующих переходу серы из сварочной ванны в шлак. Фосфор является причиной образования горячих трещин в сварных швах некоторых среднелегированных сталей, а наибо­лее опасен —для швов с чисто аустенитной структу­рой. В большой степени способствует образованию горячих трещин углерод, попадая в металл шва из основного металла и сварочных материалов. Поэтому уменьшение доли основного металла и применение электродной проволоки с низким содержанием углерода позволяет снизить его содержание в металле шва. Кремний способствует образованию трещин в сварных швах из углеродистой стали и особенно опасен в швах из аустенитной хромоникелевой стали. При сварке углеродистых и низколегированных сталей никель не оказывает отрицательного влияния, а у других сталей, усиливая вредное влияние серы при его содержании более 1—2%, способствует образованию горячих тре­щин. Кислород повышает стойкость металла шва про­тив образования горячих трещин, вызываемых серой, и снижает ударную вязкость металла шва при сварке углеродистых и низколегированных сталей. Повышение скорости сварки, снижение сварочного тока, увеличе­ние числа слоев в шве, колебание электрода и металла сварочной ванны приводят к увеличению скорости кристаллизации и образованию мелкозернистой струк­туры, что увеличивает стойкость металла шва против образования горячих трещин. Этому же способствует применяемый технологический прием — изменение фор­мы провара (отношение ширины шва к глубине его проплавления). При автоматизированной сварке под флюсом коэффициент формы провара должен быть равен 1—2, электрошлаковой — 2,5—5. Для предотвра­щения образования горячих трещин рекомендуется использовать способы и режимы сварки, обеспе­чивающие минимальное тепловложение. С этой точки зрения большими возможностями обладает сварка с дополнительным порошкообразным присадочным металлом, позволяющая уменьшить удельное тепло — вложение, что приводит к улучшению термического цикла сварки. Это, в свою очередь, улучшает структуру металла сварного соединения, условия кри­сталлизации и механические свойства. Уменьшение тепловложения способствует также снижению сва­рочных деформаций. В итоге повышается сопротивляе­мость образованию горячих и холодных трещин.

Кроме того, уменьшение доли основного металла в ме — халле сварного шва позволяет снизить в нем содер жание углерода, что, в свою очередь, повышает стойкость металла шва против образования горячих трещин. Применение порошкообразного, присадочного металла при электрошлаковон сварке, создавая благо­приятный тепловой режим, уменьшает склонность швов к горячим и усадочным трещинам.* К образованию усадочных дефектов могут привести вынужденные остановки сварочного автомата. В таких случаях до возобновления сварки конец ранее выполненного шва на длину 100 мм необходимо обязательно удалить.

Холодные трещины образуются при остывании металла сварных соединений ниже 200 °С. Основным видом холодных трещин являются околошовные тре­щины. Появлению холодных трещин способствует по­вышенное содержание углерода и водорода в металле шва, а причиной их образования являются сварочные напряжения, внешние нагрузки и закалочные явления.

Шлаковые включения — заполнение шла­ком несплошности в металле шва,— являясь кон­центраторами напряжений и ослабляя сечение шва. уменьшают его прочность. Они образуются из-за наличия грязи, окалины и ржавчины на свариваемых кромках, из-за неполного удаления шлака при много­слойной сварке, некачественных электродов, когда кусочки электродного покрытия попадают в сварочную ванну. При электрошлаковой сварке шлаковые вклю­чения образуются по кромке соединений в местах резкого изменения ширины провара или в виде прослойки между основным металлом и металлом шва. При несплавлении шлаковые включения образу­ются из-за большой глубины шлаковой ванны, повы­шенной теплопроводности основного металла или при­менения тугоплавкого флюса.

Рассмотрим теперь дефекты формирования сварных швов.

Прожоги — сквозные отверстия в сварном шве из-за вытекания металла сварочной ванны — являются недопустимыми дефектами. Они образуются при нали­чии большого зазора, отсутствия притупления, пло­хого поджатия флюсовой подушки, заниженной ско­рости сварки или завышенного сварочного тока.

Кратеры — углубления в металле сварочной

ванны, образующиеся после резкого обрыва дуги,— уменьшают сечение шва и могут явиться очагами образования трещин. Для предупреждения появления кратеров необходимо применять технологические пластины, а при их отсутствии при ручной сварке кратер следует тщательно заварить, обрывая дугу на уже заваренном участке сварного шва.

Подрез — углубление в основном металле вдоль сварного шва. с одной или двух сторон — существенно снижает прочность сварного соединения у конструкций с вибрационными нагрузками. Суммарное влияние подреза и увеличение растягивающих остаточных напряжений может привести к снижению предела выносливости сварной конструкции вдвое. Глубина подреза может достичь нескольких миллиметров. Устра­нить подрезы можно, уменьшив скорость кристаллиза­ции или увеличив скорость заполнения углубления металлом. Обычно снижают скорость кристаллизации за счет уменьшения скорости сварки, предваритель­ного подогрева деталей или применения многоэлектрод­ной сварки. Причиной подрезов может быть большая сила сварочного тока, повышенное напряжение на дуге, смещение электрода относительно оси шва, неудобное пространственное положение при сварке, небрежность или недостаточная квалификация сварщика. Устране­ние этих недостатков предотвратит появление подрезов. При элекгрошлаковой сварке подрезы образуются из-за плохого охлаждения ползунов, увеличения про­должительности их остановки в конечном положении.

Неравномерность ширины шва при автоматизированной сварке появляется из-за наруше­ния скорости подачи электродной проволоки или ско­рости сварки. Значительные изменения ширины свар­ного шва могут привести к непровару, так как они сопровождаются изменением глубины провара.

Наплывы — натекания жидкого металла на кромки нерасплавленного основного металла — об­разуются при неправильном режиме сварки или большом слое окалины на свариваемых кромках. Наплывы могут сопровождаться скрытыми непрова­рами кромок, поэтому их следует срубать, а места эти подваривать.

Деформация сварной конструкци и—

это один из видов дефектов. Расширение и сжатие металла при сварке затруднено, так как нагреваемый участок со всех сторон окружен холодным металлом, размеры которого не изменяются. Это вызывает воз­никновение в конструкции остаточных напряжений. Когда значения сварочных напряжений достигнут предела текучести, они вызовут пластическую де­формацию, что приведет к изменению размеров и формы сварной конструкции, т. е. произойдет коробление — деформация конструкции. Если оста­точные деформации достигнут заметной величины, то они могут привести к неисправимому браку. Когда деформация конструкции выходит за допускаемые пре­делы, применяют ее правку.

Наличие дефектов в сварных соединениях еще не определяет потерю их работоспособности. Однако дефекты могут существенно снижать ее, и даже при определенных условиях приводят к разрушению сварных конструкций. В конструкциях, эксплуатируе­мых при статических и динамических нагрузках, одни и те же дефекты по-разному влияют на сварное соединение. При статической нагрузке основное влияние на прочность конструкции оказывает отно­сительная величина дефекта, если материал сварного соединения имеет большой запас пластичности. При температурах ниже —60 °С прочность определяется уже интенсивностью напряжений в зоне дефекта. При динамических нагрузках прочность сварных соеди­нений определяется их сопротивлением усталостным напряжениям. Различные дефекты по-разному влияют на прочность сварных конструкций. Как правило, наличие трещин любой величины, являющихся кон­центраторами внутренних напряжений, легко распро­страняющихся в глубь металла и ослабляющих сече­ние швов, и тем самым уменьшающих статическую прочность соединений, не допускается в сварных кон­струкциях. Трещины опасны еще и тем, что, являясь дефектами плоского типа, трудно обнаруживаются рентгенографическими методами контроля. Непровары, поры, шлаковые включения, подрезы, создавая кон­центрацию напряжений, снижают срок эксплуатации конструкций. Виды, количество и размеры допускаемых дефектов зависят от назначения конструкции.

Наряду с трещинами наиболее опасными де­фектами являются непровары. Исследованиями уста­новлено, что при статической нагрузке для пластичных материалов влияние величины непровара на уменьше­ние прочности прямо пропорционально относительной глубине непровара или его площади. По данным института электросварки им. Е. О. Патона, непровар в 10% толщины свариваемого металла может снизить усталостную прочность наполовину, а непровар в 40—50% снижает предел выносливости стали в 2,5 раза. В сварных соединениях стальных конструкций про­мышленных и гражданских зданий и сооружений допускаются непровары по сечению шва в соеди­нениях: доступных сварке с двух сторон глубиной до 5% толщины металла, но не более 2 мм при длине непровара не более 50 мм и общей длине участков непровара не более 200 мм на 1 м шва; доступных сварке с одной стороны (без подкладок) глубиной до 15% толщины металла, если она не превышает 20 мм, и не свыше 3 мм при толщине более 20 мм.

Поры, снижая статическую прочность сварного соединения, являются концентраторами напряжений и могут вызвать снижение предела выносливости свар­ного соединения. Поры становятся очагами усталост­ных разрушений в первую очередь в угловых, стыко­вых и поперечных шаах с высокими растягивающими остаточными напряжениями. Однако многие иссле­дователи считают, что до некоторого предела наличие пор в металле сварного шва практически не снижает его статическую прочность. Для низкоуглеродистых сталей этот предел составляет около 10% площади поперечного сечения шва, для перлитных сталей 6—8%, для алюминиевых сплавов 3,6%. Заметное влияние на механические свойства сварного соедине­ния оказывают шлаковые включения, степень влияния которых зависит от формы, величины и места распо­ложения включений и обусловливается тем, что вклю­чения становятся концентраторами напряжений. Счи­тается, что шлаковые включения площадью до 10% площади поперечного сечения шва почти не изменяют предел прочности металла шва. Однако шлаковые включения могут способствовать появлению трещин и увеличивать склонность металла шва к старению, а также снижают долговечность конструкций при ра­боте в агрессивных средах. В сварных соединениях стальных конструкций промышленных и гражданских сооружений допускается суммарная величина неррова — ра, пор и шлаковых включений, расположенных отдель­но или цепочкой, не превышающая в рассматриваемом сечении 10% толщины свариваемого металла, но не бо­лее 2 мм, и при односторонней сварке без подкладок — 15%, но не более 3 мм.

Существенное влияние на работоспособность свар­ных конструкций оказывают также наружные де­фекты. Подрезы небольшой протяженности, ослабляю­щие сечение конструкции, работающей под действием статических нагрузок. не’более 5%, заметного влияния на прочность конструкций не оказывают. Однако они являются опасным дефектом и не допускаются в кон­струкциях, работающих на выносливость. Суммарное влияние подреза и увеличение растягивающих оста­точных напряжений может привести к снижению предела выносливости вдвое. Наплывы также снижают выносливость конструкций, являясь концентраторами напряжений. Наплывы большой протяженности нередко сопровождаются непроварами.

В основном, как показывает эксплуатация сварных конструкций, сварочные напряжения и деформации не снижают несущей способности конструкций. Однако в некоторых случаях изменение размеров и формы конструкций снижает их работоспособность и портит внешний вид. Искривление продольной оси элементов конструкций, работающих на сжатие, местное выпучи­вание, грибовидность полок колонн и балок могут привести к потере устойчивости и разрушению всей конструкции.

Наряду с размерами дефектов и местом их распо­ложения на работоспособность сварной конструкции влияет способ устранения дефектов и число исправле­ний одного и того же участка. Поэтому устранение дефектов производится в строгом соответствии с назна чением конструкции. Чем ответственнее конструкция, тем более жесткие требования к удалению дефектных участков сварных швов.

В сварных швах конструкций промышленных и гражданских сооружений при устранении дефектов сле­дует придерживаться следующих правил:

перерывы швов и кратеры завариваются;

швы с трещинами, а также с непроварами и

другими дефектами, превышающими допустимые нор­мы, удаляются на длину дефектного места с припуском в 10 мм е каждой стороны и завариваются вновь;

при удалении трещин концы их засверливаются;

подрезы основного металла, превышающие до­пустимые размеры, зачищаются и завариваются с по­следующей зачисткой, обеспечивающей плавный пере­ход от наплавленного металла к основному.

Для устранения деформаций, величины которых выходят за пределы допустимых, применяют терми­ческий, механический или термомеханический способы. При термическом способе производят нагрев газовыми горелками деформированных участков, при механи­ческом — прикладывают усилия к дефектным участкам с помощью домкратов, винтовых прессов или других механизмов, создающих статическую или ударную на­грузки. Термомеханический способ сочетает в себе местный нагрев с приложением статической нагрузки. Внутренние напряжения r сварных соединениях умень­шают при помощи предварительного, сопутствующего нагрева места сварки, последующей термической обра­ботки, проковки или обкатки сварных швов.