Сварка конструкций с дополнительной порошкообразной присадкой

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—иес плавлен не в вершине шва; б — отсутствие проплавлення: 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 мет 'дов контроля. Этот дефект указывает на недостаточную мощность сварочной дуги (свароч­ного тока) или на слишком большое количество порошкообразного присадочного металла. При электро­шлаковой 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, вы­
тянутой 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, образую­щиеся 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 несплошноетей. 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 дани основного металла в ме - халле сварного шва позволяет снизить в нем содер­жание углерода, что, в свою очередь, повышает стойкость металла шва против образования горячих трещин. Применение порошкообразного, присадочного металла при электрошлаковой 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 сварочно. го 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 электрошлаковой 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 непрова - рами 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 є 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 в сварных соединениях умень­шают при помощи предварительного, сопутствующего нагрева места сварки, последующей термической обра­ботки, проковки или обкатки сварных швов.