Глава 2 ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Классификация дефектов
Эксплуатационную надежность и экономичность сварных конструкций в значительной мере определяет качество сварных соединений. Наличие в них дефектов может привести к снижению служебных характеристик конструкций (уменьшению прочностных и пластических свойств, нарушению герметичности и т.д.), а при определенных условиях вызвать их разрушение.
В общем случае под сварочными дефектами необходимо понимать те до-пустимые и недопустимые несплошности и пороки сварного соединения, кото-рые образуются в металле шва, зоне сплавления и зоне термического влияния при выполнении технологического процесса сварки. Сварочные дефекты мож-но классифицировать по различным признакам, в частности по местоположе-нию (поверхностные, внутренние), величине (мелкие, средние, большие), мас-совости (единичные, цепочка, сосредоточение), форме (длинные, короткие, плоскостные, объемные, остроугольные, округлые).
Наиболее распространенной есть классификация дефектов, рекомендо-ванная межгосударственным стандартом ГОСТ 30242-97 "Дефекты соединений при сварке металлов плавлением". Согласно этому стандарту все дефекты де-лятся на шесть групп.
Каждый тип дефекта имеет свое цифровое и буквенное обозначение, ре-комендованное международным институтом сварки (МИС):
1) трещины - цифровое обозначение 100; буквенное Е;
2) пустоты, поры - цифровое обозначение 200; буквенное А;
3) твердые включения - цифровое обозначение 300; буквенное В, G, J, М - в зависимости от типа включения;
4) несплавление и непровары - цифровое обозначение 400; буквенное Д;
5) нарушение формы шва - цифровое обозначение 500; буквенное F;
6) другие дефекты - цифровое обозначение 600; буквенное обозначение отсутствует.
В пределах каждой группы существует своя классификация в зависимос-ти от ориентации дефекта, его характера, формы и некоторых других призна-ков.
По ГОСТ 30242-97 трещиной называется несплошность, вызванная местным разрывом шва или околошовной зоны, который может возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.
В зависимости от ориентации трещины бывают продольными -101, попе-речными - 102, радиальными - выходящими из одной точки - 103. Эти типы де-фектов приведены на рис. 2.1, а. Они могут располагаться в металле сварного шва, в зоне термического влияния, в основном металле. Различают также трещины, расположенные в кратере - 104, групповые раздельные - 105 и групповые разветвленные - 106 (рис. 2.1,б).
Рисунок 2.1 - Различные типы трещин в сварном соединении
Газовой полостью называется полость произвольной формы, не имеющая углов, образованная газами, задержанными в расплавленном металле. Газовая полость сферической формы называется порой. Поры могут быть равномерно распределены по шву - 2012, располагаться цепочкой - 2014 или скоплением - 2013 (рис. 2.2).
а б
Рисунок 2.2 - Поры в сварных швах
Продолговатые трубчатые полости обычно называют свищами -2016 (рис. 2.3).
Рисунок 2.3 - Свищи в стыковых и угловых швах
К полостям также относят усадочные раковины и кратеры. Кратер - это незаваренная усадочная раковина в конце валика сварного шва (рис. 2.4).
Рисунок 2.4 - Незаваренный кратер шва
Твердые включения- это твердые инородные вещества металлического или неметаллического происхождения, оставшиеся в металле сварного шва. Они бывают шлаковыми - 301, флюсовыми -302, оксидными - 303, металличес-кими - 304. Металлические включения бывают вольфрамовыми, медными и прочими.
Несплавление (4011) характеризуется отсутствием соединения между металлом сварного шва и основным металлом или между отдельными валиками сварного шва. Несплавление бывает по боковой поверхности - 4011, между ва-ликами - 4012, в корне сварного шва - 4013 (рис. 2.5).
Рисунок 2.5 - Разные типы несплавления в сварном шве
Непровар (402) - это несплавление основного металла по длине шва, возникшее в результате неспособности расплавленного металла заполнить зазор между деталями (рис. 2.6).
Рисунок 2.6 - Разные виды непровара
Нарушением формы шва считается отклонение формы внешних поверх-ностей сварного шва или геометрии соединения от установленных значений. К нарушениям формы шва (рис. 2.7) относятся: подрезы - 501, усадочные канавки - 5013, превышение проплава - 504, линейное смещение- 507 и угловое - 508 – смещение свариваемых элементов, прожоги - 510, превышение выпуклости сварного шва - 502, 503, неправильный профиль - 505 и асимметрия шва - 512, вогнутость корня шва - 515, натеки - 509 и наплавы- 506.
а- подрез; б - усадочные канавки; в - превышение проплава; г - линейное смещение; д - угловое смещение; е - асимметрия шва; ж - вогнутость корня шва
Рисунок 2.7 - Нарушение формы шва
Подрезом называется продольное углубление на внешней поверхности у валика шва (рис. 2.7,а). Подрез со стороны корня шва называется усадочной канавкой(рис. 2.7,б). Превышение проплава- это излишек наплавленного металла на обратной стороне стыкового шва (рис. 2.7, в). Вогнутостью корня шваназывается неглубокая канавка одностороннего сварного шва, образовав-шаяся вследствие усадки (рис. 2.7,ж).
Смещение между сварочными элементами при их параллельном рас положении на разном уровне называется линейным сдвигом(рис. 2.7,г), при расположении кромок под углом - угловым сдвигом (рис. 2.7, д).
Натеки от наплывов отличаются тем, что наплыв образован лишним рас-плавленным металлом (рис. 2.8,а), натек - перераспределением наплавленного металла под действием силы тяжести (рис. 2.8,б). Натек чаще всего образо-вывается при сварке угловых швов или стыковых в горизонтальном положе-нии.
Рисунок 2.8 - Наплавы (а) и натеки (б) в сварных соединениях
К другим дефектам относятся все дефекты, которые не включены в группы 1-5. К ним относятся, например, брызги металла- 602, местное повреждение металла вследствие случайного зажигания дуги - 601, повер-хностные задиры - 603, вызванные случайным привариванием приспособ-ления, утоншение металла- 606 и др.
Приведенную классификацию удобно использовать при расшифровке ре-зу льтатов неразрушающего контроля, статистическом учете дефектов, оценке их опасности и в некоторых других случаях. Она носит немного формальный характер и не характеризует в должной мере процессы, которые происходят в металле, розвитие которых приводит к образованию дефектов, поэтому при анализе металлургических и технологических причин дефектности пользуются другой классификацией, отражающей механизм образования дефектов. Напри-мер, трещины делятся на горячие и холодные. В свою очередь горячие тре-щины делятся на кристаллизационные, подсолидусные, дисперсионного твердения; холодные - на мартенситные, ламелярные, интерметаллидные и т.д.
ТРЕЩИНЫ
В зависимости от причин и механизма образования трещины сварных соединений делятся на две группы: горячие и холодные.
Горячими называются трещины, которые образуются при высоких температурах в процессе кристаллизации сварного шва или сразу после его окончания.
Холодныетрещины образуются в сварном соединении при относительно низких температурах, обычно ниже 2000С.
Горячие трещины. Основной причиной образования горячих трещин является неблагоприятное соединение двух факторов. Первый фактор- пониженная деформационная способность металла шва при высоких температурах. Это связано с тем, что образующаяся кристаллическая структура не может выдерживать большие нагрузки, так как способность металла пластически деформироваться при высоких температурах очень низкая.
Второй фактор - возникновение растягивающих напряжений в металле шва при охлаждении, которые влияют на непрочную кристаллическую струк-туру шва и могут ее разрушить. Если минимальная деформационная способ-ность металла наблюдается при той же температуре, при которой действуют максимальные деформации от растягивающих напряжений, происходит об-разованиегорячих трещин.
Диапазон температур, в котором наблюдается минимальная деформаци-онная способность металла, называется температурным интервалом хрупкости (ТИХ). Температурный интервал хрупкости состоит, в общем случае, из трех участков, которые отличаются друг от друга температурой, при которой плас-тичность металла минимальная (рис. 2.9). В зависимости от того на котором из этих участков происходит образование горячих трещин, их делят на три вида: кристаллизационные, подсолидусные и дисперсного твердения.
Тл и Тс - температуры ликвидус и солидус; δ - пластичность металла шва:
Тв и Тн - верхняя и нижняя границы ТИХ; δ11 - запас пластичности в ТИХ11
Рисунок 2.9 - Изменение механических свойств стали в процессе
кристаллизации шва и следующего охлаждения
Кристаллизационные трещины образуются в температурном интервале ТИХ1 обычно между температурами ликвидуса Тл и солидуса Тс. Процесс кристаллизации металла может быть пояснен рис. 2.10. Выше температур линии ликвидуса сталь находится в жидком состоянии. Между линиями ликвидуса и солидуса имеется жидкая и твердая фаза, а ниже солидуса - твердая фаза.
Рисунок 2.10 - Структура и свойства металла при высоких температурах
При охлаждении металла до температуры Тл состояние жидкости не пре-терпевает заметных изменений. Жидкий металл имеет высокую способность деформироваться под действием механических напряжений, так как жидкость растекается по поверхности тонким слоем без образования разрывов или тре-щин.
Ниже температуры Тл жидкость начинает кристаллизоваться. Состояние двухфазного металла с небольшим количеством твердой фазы является жидко-твердым, она ведет себя как жидкость и сохраняет довольно высокую пластич-ность. При дальнейшем снижении температуры количество твердой фазы уве-личивается и металл переходит в твердо- жидкое состояние. Твердая фаза на-чинает образовывать кристаллический дендритный каркас и пластичность ме-талла уменьшается. Особенно заметно уменьшение пластичности вблизи линии солидуса, когда в металле остается мало жидкой фазы и затрудняется ее пере-мещение в межкристаллитном пространстве. Деформационная способность ме-талла в этот момент оказывается пониженной. Если в этот момент растягива-ющие напряжения достаточно большие, происходит разрушение связей между отдельными кристаллами. Нарушившаяся связь может снова заполняться жид-ким металлом, который твердеет и "залечивает" образовавшийся разлом. Одна-ко если в металле присутствуют легкоплавкие примеси, они располагаются по границам разлома и препят ствуют сращиванию кристаллов. В этом месте за-рождается кристаллизационная трещина, которая в меру нарастания напря-жений раскрывается. Наиболее вредной примесью, способствующей образо-ванию кристаллизационных трещин, является сера, которая практически не растворяется в твердом металле и находится в швах в виде сульфидных вклю-чений. Вследствие низкой температуры плавления сульфиды концентрируются у границы кристаллизации, располагаются по границах зерен, препятствуя их срастанию, и тем самым резко снижают пластичность металла шва. Отрицате-льное влияние серы усиливает фосфор, так как места их ликвации совпадают. В связи с этим снижение содержания в шве серы и фосфора является одним из основных путей борьбы с кристаллизационными трещинами.
Как отмечалось раньше, наиболее неблагоприятным случаем, приводя-щим к образованию горячих трещин, является совпадение максимальных нап-ряжений с минимальной пластичностью металла шва. Минимальная пластич-ность металла наблюдается обычно при высоких температурах, когда каркас кристаллов только начинает образовываться. Следовательно, нельзя допус-кать, чтобы в это время были максимальные напряжения. Отдаляет момент перехода сжимающих напряжений в растягивающие к более низким темпера-турам предварительный подог-рев свариваемых кромок. Это же происходит при уменьшении толщины сварива-емого металла, в результате более толсто-стенные конструкции более склонны к образования кристаллизационных тре-щин.
Немаловажную роль в образовании кристаллизационных трещин играет размер зерна в сварном соединении. Грубозернистая столбчатая структура име-ет большую склонность к образованию трещин, чем мелкозернистая, дезориен-тированная структура. При одинаковом количестве выделившейся избыточной фазы, с низкой пластичностью, находящейся у границ дефектов, ее удельное количество в приграничных слоях в крупнозернистом шве больше, чем в мел-козернистом, из-за меньшей суммарной поверхности первичных границ в оди-наковом объеме шва. В результате этого увеличивается температурный интер-вал хрупкости. Кроме того, возможность взаимного поворота (проскальзыва-ния) под действием напряжений столбчатых кристаллитов меньше, чем рав-ноосных, что также снижает пластич-ность шва со столбчатой структурой. Кро-ме того, в шве со столбчатой структурой более вероятное направление растя-гивающих усилий под углом, близким к прямому по отношению к главным осям дендритов, что способствует нарушению целостности кристаллической структуры. В связи с этим измельчение структуры шва и зоны термического влияния является важным направлением борьбы с кристаллизационными тре-щинами.
Вторым типом горячих трещин являются подсолидусные трещины, ко-торые образуются при температурах ниже, чем кристаллизационные, в зоне второго температурного интервала хрупкости ТЕХ11 (рис. 2.10). Эти трещины образуются после того, как в металле закончился процесс кристаллизации и жидкая фаза в нем отсутствует.
Образование подсолидусных трещин происходит под действием растя-гивающих напряжений в шве за счет проскальзывания зерен относительно друг друга в местах выхода на их границы дислокаций. Пересыщение дисло-кациями сварного шва возможно за счет: неравновесной кристаллизации ме-талла сварочной ванны; аннигиляции дислокаций в ходе миграции границ; генерирования вакансий у границ, перпендикулярных напряжению растяже-ния.
Проскальзывание в местах концентрации дислокаций может раскрыть ступеньки по границам зерен или уже существующие микропустоты. Про-цесс проскальзывания границ, который дает толчок к образованию подсоли-дусных трещин, происходит обычно при наличии на границах зерен приме-сей, которые уменьшают величину поверхностной энергии зарождения тре-щины.
Образование подсолидусных трещин наиболее вероятно в аустенитных хромоникелевых сталях. Это связано с многокомпонентным легированием этих сталей, увеличивающим вероятность попадания в шов разных приме-сей, однофазностью и крупнозернистостью структуры, повышенными де-формациями и напружениями при сварке, вследствие пониженной тепло-проводности аустенитных сталей.
Третьим видом горячих трещин является так называемое дисперсион-ное твердение. Оно наблюдается при еще более низких температурах, чем образование подсолидусных трещин, - обычно 600 - 800°С. На этот диапа-зон прихо-дится третий интервал хрупкости TИХ111 (рис.2.10). Снижение пластичности металла в этом диапазоне связано с выделением в металле шва карбидов и интерметаллидов. Считают, что процесс выделения карбидов и интерметаллидов из твердого раствора происходит в три стадии.
Первая стадия характеризуется тем, что выделяющиеся дисперсные частицы сохраняют когерентную связь с матрицей. Вокруг зародышей новой фазы существенно искажается кристаллическая решетка, появляются значи-тельные внутренние напряжения, возникновение которых обусловлено раз-ностью в рас-стоянии между атомами на плоскостях сопряжения матрицы и новой фазы, а также различием в их удельных объемах. На этой стадии от-мечается наибольшее снижение пластических свойств металла.