Основные сварочные дефекты при ручной дуговой сварке

Введение

Сварка - технологический процесс получения неразъемных соединений материалов посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или пластическом деформировании, или совместным действием того и другого. Сваркой соединяют однородные и разнородные металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Сварка - экономически выгодный, высокопроизводительный и в значительной степени механизированный технологический процесс, широко применяемый практически во всех отраслях машиностроения.

В процессе сварки в металле шва и зоне термического влияния могут возникать дефекты, которые снижают прочность соединения, приводят к негерметичности швов, снижают эксплуатационную надежность изделия. Причины возникновения дефектов различны, поэтому и меры по их предупреждению и устранению также различны.

По месту расположения различают дефекты наружные и внутренние. Наружные дефекты, как правило, могут быть выявлены при внешнем осмотре. Для обнаружения внутренних дефектов применяют специальные методы неразрушающего или разрушающего контроля.

Некоторые виды дефектов в сварных соединениях показаны на рис. 1. Наиболее характерными дефектами при сварке являются дефекты формирования шва (непровары, прожоги, подрезы, наплывы). Их происхождение связано с нарушением режима сварки. Они могут появиться в результате неправильной подготовки и сборки свариваемого стыка. Для предотвращения образования дефектов формирования необходимо следить за исправностью сварочного оборудования, правильностью подготовки стыка, соответствием квалификации сварщика выполняемой работе.

Металлургические и тепловые явления, происходящие в процессе формирования и кристаллизации сварочной ванны, служат причиной возникновения трещин в металле шва и околошовной зоне, пор, шлаковых включений, а также неблагоприятных изменений свойств металла шва и зоны термического влияния. Дефекты этой группы могут появиться при использовании некачественных исходных материалов, сырых электродов или электродов, не соответствующих свариваемому материалу.

Существенное значение имеет состояние сварочной оснастки, оборудования. Для предупреждения дефектов выполняют проверку качества исходных материалов, их подготовки к сварке, состояния поверхности, а также проверку оборудования и оснастки. В процессе сварки строго контролируют режим, следят за зачисткой промежуточных швов, за правильной заваркой кратеров, своевременным выполнением необходимой термической обработки соединения.

Рис. 1. Виды дефектов в сварных соединениях:

а – наплыв; б – непровар; в-поры; г – подрезы; д – трсщины,

е – включения

Для обнаружения дефектов применяют различные методы контроля. Если при контроле не нарушается целостность сварного соединения, то используемый при этом метод относится к неразрушающим методам контроля.

1. Основные сварочные дефекты при ручной дуговой сварке

         Возникновение дефектов при ручной дуговой сварке достаточно разнообразно, и сам принцип сильной термической обработки делает их появление неизбежным.

         Основные причины возникновения дефектов в сварочных швах можно разделить на три группы:

1. Качество и хранение  основных и вспомогательных материалов;

2. Подготовка к сварке  основных и вспомогательных материалов;

3. Квалификация сварщика.

          Далее перечислим возможные дефекты ручной дуговой сварки.

1. Некачественное зажигание дуги.

     Некачественное зажигание - залипание электрода, чрезмерное увеличение длины дуги - приводит к непровару начала сварки, зашлаковке, порообразованию. При некачественном производстве электродов, а именно - излишнее оголение торца электродов в месте зажигания, дают пучок пор, так называемые «стартовые поры».

Необходимо остановиться, произвести механическую зачистку, выборку или вырубить зубилом дефектное начало и только после этого возобновить зажигание.

2. Чрезмерно «выпуклые» валики.

     Чрезмерно «выпуклые» валики при сварке угловых и стыковых соединений приводят к сварке последующих за ними валиков к зашлаковке, непровару между кромкой разделки и выпуклым швом или между глубокими западаниями между валиками.

Такие валики, как правило, получаются в следующих случаях:

• малая скорость сварки без манипулирования - увеличить поступательное движение электрода;
• манипулирование «дугой назад» при сварке вертикальных и потолочных швов - перейти на метод «лестницей» или «дугой вперед»;
• угол наклона электрода (сварка «углом назад») для потолочных швов - перейти на сварку «углом вперед» или под прямым углом к направлению сварки;
• малый сварочный ток для нижнего положения - увеличить ток;
• чрезмерный сварочный ток для вертикальных и потолочных швов - уменьшить до минимума.

Во время сварки необходимо следить за полнотой и геометрией шва, жидкой ванной и управлять ею путем манипулирования скоростью и наклоном электрода. Очень важна задержка на кромках. Чем больше прогреваем кромку, тем лучше формируется на ней жидкий металл шва при уходе электрода к другой кромке, а не собирается в середине шва.

3. Подрезы.

      Подрезы ведут к зашлаковке и непровару. Подрезы представляют очень серьезную опасность, так как являются концентраторами напряжений в самом слабом месте сварного соединения, где часто бывает перегретый металл. Кроме того, подрезы уменьшают рабочее сечение шва.

В ответственны конструкциях даже незначительные подрезы недопустимы. Подрезы исправляются наплавкой тонкого шва. На рис. 1а показаны подрезы: 1 - в теле сечения шва, очень опасный, особенно при сварке нержавеющих сталей. Подрез образуется; 1) при раннем уходе электрода от кромки (незаполнении кратера электродным металлом); 2) при очень короткой дуге («сварка опиранием»), когда «козырьком» обмазки подрезается кристаллизующийся металл шва; 3) при резком уходе от кромки. Жидкотекучий шлак заполняет подрез. В то время, когда проплавляем другую кромку, шлак застывает в подрезе и при возврате не всегда удается выплавить его. Это и приводит к дефекту.

Чтобы избежать этого, необходима задержка на кромке до полного заполнения кратера электродным металлом. Переход к другой кромке осуществлять плавно, без резких колебаний. 

Рис. 1.Подрезы и наплывы

4. Наплывы.

     При чрезмерной задержке на кромке получается подтек жидкого металла, а также при большом сварочном токе, когда сварщик не справляется с жидким металлом шва. Наплыв срубить, зачистить.

5. Непровары.

     В чертежах, техпроцессах или справочниках по сварке встречается установка зазора при сборке от 0 до 2-3 мм.

Сборка без зазора или с зазором меньше рекомендуемого, при сварке V-образной разделки (без под варки корня шва с обратной стороны) приведет к дефектам - непровару и зашлаковке корня шва; а при 2-сторонней сварке Х-образной и V-образной (с подваркой с обратной стороны) - потребует дополнительных затрат и времени для более глубокой выборки обратной стороны корня шва, частичного скоса кромок и излишнего расхода электродов на заполнение глубокой выборки.

Непровар величиной в 25% от толщины металла при понижении температуры до —45°С вызывает уменьшение временного сопротивления на растяжение сварного соединения в 2 раза, пластичности — более чем в 2—4 раза. Особенно сильно уменьшается прочность сварных соединений под влиянием физической несплошности. Например, непровар стыкового шва из низкоуглеродистой стали допускается только до 5% от толщины металла, а при сварке легированных сталей — еще меньше. Одиночные поры в количестве не более 5—6 на 1 см2 сечения шва допустимы в сварных соединениях из низкоуглеродистой стали.

6. Свищи.

     Свищи в кратере шва при окончании сварки возникают при чрезмерном сварочном токе, а также когда отрыв дуги производится удлинением дуги.

7. Усадочная раковина.

     Усадочная раковина чаще всего появляется при сварке корневого валика, больших толщин металла, большого зазора и особенно при сварке аустенитных сталей, а также чрезмерно большого тока и чрезмерной величины сварочной ванны.

При усадке в кратере валика иногда возникает трещина. Это резко снижает производительность труда ввиду необходимости механической зачистки после окончания каждого электрода. При сварке сталей перлитного класса с жестким креплением деталей чаще всего образуется раковина с трещиной, а при сварке аустенитных сталей причиной появления раковин с трещинами является низкая теплоотдача и высокое линейное расширение. Необходимо кратер выводить обратно на шов или на кромку разделки.

Рекомендуется сварку производить:

• обратно-ступенчатым способом;
• непрерывно (двумя сварщиками) с перехватом дуги;
• методом «дуга в дугу».

8. Поры. 

Поры в сварном шве образуются по многим причинам:

• некачественная подготовка кромок (грязь, окалина, ржавчина) - зачистить;
• большое содержание влаги приводит к образованию пор, необходимо произвести предварительный подогрев свариваемых кромок и прокалку электродов;
• сквозняки в зоне сварки;
• некачественные электроды: ржавый металлический стержень, эксцентричное покрытие приводит к «козырьку» и увеличению длины дуги;
• сильное магнитное дутье, при котором происходит большое отклонение дуги, что увеличивает ее длину;
• несоответствие основного металла и присадочного материала по химсоставу. И другие причины, которые требуют подготовки в конкретном случае.

Причины, зависящие от квалификации сварщика, вызывающие поры:

• нечеткое зажигание дуги (залипание, подъем электрода после зажигания на очень высокую длину дуги) и попытка переплавить такое зажигание приводит к дефектам;
• сварка длинной дугой.

        Детальное изучение практических советов, отработка при тренировке, применение их на практике помогут сварщикам в работе повысить качество сварочных операций, выполняемых в процессе изготовления и монтажа ответственной продукции для АЭС, ТЭЦ, химического и другого оборудования на предприятиях, где предъявляются высокие требования коварным соединениям.

         Для предотвращения дефектов при сварке мало обладать современной аппаратной частью. Важно непрерывно контролировать качество сварочных работ – как уже описано выше, большинство дефектов вполне устранимы прямо «на месте», непосредственно при сварочных работах.

2. Дефекты при газовой сварке

             Дефектами в сварных швах называют отклонения от норм, предусмотренные в стандарте на сварные соединения.

            Дефекты уменьшают прочность сварных швов и могут привести к разрушению сварных соединений.

           Основными причинами образования дефектов в сварных швах при газовой сварке являются:

• нарушение технологии сборки и сварки;
• применение несоответствующих сварочных материалов:
• неправильный выбор режима сварки;
• низкая квалификация сварщика

         Наличие дефектов в сварных швах не всегда является основанием для брака. Дефекты могут быть допустимыми и недопустимыми.

При сварке брак может быть исправимым и неисправимым. В большинстве случаев брак при сварке можно исправить. Для этого дефектный участок вырубают и заваривают снова. Но исправление брака требует дополнительного времени, рабочей силы и материалов, что вызывает удорожание продукции. Лучше не допускать дефекты в сварных швах, чем потом их исправлять.

         Дефекты могут быть поверхностными и внутренними.

         К поверхностным дефектам относят: непровары, подрезы, наплывы, кратеры, вогнутость корня шва, смещение сварных кромок, резкий переход к основному металлу, поры, брызги металла, поверхностные трещины.

Рис. 2. Дефекты в швах  
а - стыковых; б - угловых; 1 - наплыв; 2 - подрез.

            К внутренним дефектам сварного шва относят: внутренние поры, газовые каналы, шлаковые и оксидные включения, непровары между слоями, внутренние трещины.

3. Причины появления дефектов сварки

          Отклонения швов по высоте  и ширине является одним из  самых распространенных изъянов  в сварочной работе. Несоответствие  швов предусмотренным нормам  является результатом небрежной  подготовки кромок сварных соединений. Это приводит к тому, что расстояние  между кромками разное и его  необходимо заполнить наплавленным  металлом. Параметры шва могут  меняться из-за неравномерного  перемещения электрода по всей  свариваемой площади, невыполнения  установленных правил процесса  сварки. Швы и само сварное  соединение в этом случае будут  неровными и непрочными.

Рис. 3. Методы ультразвуковой диагностики сварных швов.

          Трещины могут возникать как в основном металле, так и в сварочном. Они вызваны непроварами, кристаллизацией металла в процессе сварки, напряжением, возникшим из-за несоблюдения температурного режима и слишком быстрого охлаждения деталей, изменением структуры металла в ходе сварочных работ, повышенным содержанием фосфора, серы и пр.

         Сварное соединение может содержать поры, заполненные газом округлые полости, которые возникают, когда поглощенный металлом водород, в результате нарушений в работе с горелкой, не успевает выделиться наружу и образует в металле газовые пузырьки. Поводом к появлению пор может стать влажное электродное покрытие, несоответствие химических составов сварных соединений, незачищенные края свариваемых металлов, наличие шлаков. Если в шве имеются поры, то конструкция не прослужит долго, будет уязвима для влияния окружающих факторов. С целью выявления пор используют проверку с помощью давления воды, смазыванием керосином, рентгеновскими лучами.

          Подрезы представляют собой углубление по линии сварного соединения, спаивающего основной металл и наплавленный. Появляются из-за применения слишком большого тока или мощного сварочного устройства.

Рис. 4. Схема сварного соединения.

         Непровар возникает, когда кромки многослойного сварного шва, соединяющего наплавленный и основной металлы, не полностью расплавились, вследствие недостаточной зачистки металлов от ржавчины, окалины, недостаточной мощности, неправильного выбора температуры сварочного аппарата, слишком высокой скорости сварки. Такое изделие становится непрочным, легко подверженным внешним воздействиям, ударам и деформациям.

         Наплыв на сварном соединении образуется, если плавление электрода происходит слишком быстро, и жидкий металл натекает на недостаточно прогретый основной металл. Бывают случаи, когда наплывы сопровождаются непроварами, поэтому следует проверить участок и на наличие последних.

Свищи представляют собой дефект сварки углубления в виде воронки. Это сквозные поры, вызванные выделением газа, они видны при внешнем осмотре.

       Шлаковые включения появляются при недостаточной очистке краев шва от грязи, напылений, отложений, ржавчины. Из технических причин возникновения шлаковых вкраплений выделяют сварку электродом с несоблюдением угла его наклона, мощности горелки, при слабом токе. Для выявления участков с подобным дефектом используют просвечивание рентгеновскими лучами или ультразвуком, магнитографическими приборами.

Рис.5. Типы сварных соединений.

         Кратеры, а именно незаплавленные углубления в шве, образуются, если сварка спонтанно прекращается. В таких местах существует высокая вероятность образования трещин, поэтому сварку нельзя прекращать внезапно.

        Перегрев металла является изъяном микроструктуры сварного соединения, вызванным сваркой на большой мощности. Строение такого металла крупнозернистое, что влечет за собой его хрупкость и ломкость.

       Пережог металла возникает, если в пламени не хватает кислорода, характеризуется наличием окислительных зерен в металле. Последствием пережога считается хрупкость металла, такой изъян не устраняется.

4. Способы предупреждения и исправления дефектов сварки

        Наиболее простыми технологическими мерами, которые могут предупредить появление горячих трещин в швах, являются: сварка с пониженной скоростью, сварка на прямой полярности, сварка по вложенной в разделку шва малоуглеродистой проволоке, манипулирование горелкой и снижение сварочного тока.

        При сварке сталей с повышенной концентрацией углерода (более 0,4%), (например сталь 45, сталь 65Г и др. марки стали), для предупреждения появления в швах трещин рекомендуется местный или общий подогрев изделия. При этом сварка нижних слоев (2-3 слоя) должна производиться вручную - электродами с качественным покрытием.

         Для предупреждения появления пор в швах, связанных с попаданием воздуха в зону сварки, необходимо не превышать расстояние от сопла горелки до изделия свыше 30 мм, а угол наклона горелки - более 30°. При сварке первых слоев глубоких разделок расход газа можно снизить до 800 л/час, а при сварке верхних слоев, наоборот, увеличить до 1200-1500 л/час. Перед началом сварки необходимо обдуть свариваемое место газом, а после окончания сварки выдержать защиту жидкой ванночки углекислым газом до полной ее кристаллизации. При сварке на ветру или на сквозняке место сварки должно быть защищено ширмами, препятствующими сдуванию углекислого газа.

          Для предупреждения пор, вызываемых попаданием влаги в зону сварки, необходимо тщательно устранять следы влаги с поверхности свариваемых кромок и осушать поступающий в зону дуги углекислый газ. Осушка газа от влаги существенно снижает количество растворившегося в металле шва водорода, а следовательно, и возможность образования пор.

Рис.5. Схемы усиления дефектных соединений: 1 – сварное соединение; 2 – стальная скоба; 3 – накладка; 4 – протяженные сварные швы; 5 – дефект.

          Практически в любом случае возникновения вышеперечисленных, проблем самым действенным и надежным способом их исправления станет удаление участка сварного соединения с изъяном и заваривание деталей заново (при наплывах, свищах, прожогах, шлаковых включениях). Это даст возможность избежать в дальнейшем проблем с перегниванием, коррозией, ломкостью изделия.

           Исправление дефектов всегда зависит от каждого отдельного случая. Поэтому существуют способы, применимые к конкретным случаям.Например, для борьбы с дефектами швов, подрезов, кратеров следует применять зачистку с дополнительной подваркой шва и срезание лишнего металла.

        Чтобы избежать появления прожогов при автоматической сварке, следует плотно прижимать флюсовую подушку и медную прокладку, а при точечной и шовной контрастных сварках продолжительность процесса не должна превышать установленную, края деталей должны быть полностью очищены.

       Для устранения трещин применяют, помимо удаления проблемного участка и новой сварки, поверхностную кислородную или воздушно-духовую резку. Участки, на которых имеются поры, тоже вырезают и сваривают заново либо применяют к изделию проковку при надлежащей температуре.

        Для того чтобы избежать появления непроваров, следует соблюдать одинаковый температурный режим. Это даст возможность металлу в сварном соединении равномерно прогреться до начала сварочных работ и не смещать электроды от шва.

       Нельзя выключать ток до того, как кромки изделия будут полностью сварены. Если все же непровары образовались, необходимо вырезать поврежденный участок (вырубить или выстрогать), зачистить края и вновь заварить.

        Во избежание брызг металла, как дефекта сварки, профессионалы рекомендуют применять покрытия П1 или П2, зачищать поверхность. А термообработка поможет для исправления перегрева металла.

5. Выбор сварочного оборудования, приспособления и инструменты

Рабочим местом при сварке является сварочный пост. Посты подразделяются на стационарные и передвижные.

Стационарные посты - это посты, находящиеся в цехах, преимущественно в сварочных кабинах, в которых свариваются изделия небольших размеров.

В кабине должен стоять источник питания (трансформатор), присоединенный проводом к нему электродержатель, который предназначен для зажима электрода. Ток к электродержателю и изделию проводится по проводам. К вспомогательным инструментам относятся проволочные щетки для зачистки кромок перед сваркой, молоток для удаления шлаковой корки, зубило для вырубания некачественных швов, набор шаблонов для проверки размеров швов, метр, стальная линейка, отвес, угольник, чертилка, мел, а так же ящик для хранения и переноски инструмента.

Трансформатор ТСК-500 с повышенным магнитным рассеянием. Трансформатор имеет две обмотки: первичную и вторичную. Первичная закреплена неподвижно, а вторая подвижная. Каждая из обмоток состоит из двух катушек. Сварочный ток регулируется изменением расстояния между обмотками.

Плавящийся электрод представляет собой металлический стержень из электродной проволки, на поверхность которого нанесен слой покрытия.

Электродные покрытия предназначены для стабилизации горения дуги, защиты расплавленного металла от кислорода и азота воздуха и легирования металла шва. В состав электродных покрытий входят стабилизирующие, шлакообразующие, газообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие группы компонентов.

Для работы используются электроды типа Э42 марка ВСП-1 и ОМА-2. Эти электроды содержат целлюлозное покрытие. Содержат органические составляющие, образующие защитные газы, в сновном электродную целлюлозу марки ЭЦ. В качестве раскислителей вводятся ферросплавы марганца. Шлакообразующие добавки: рутил, карбонаты, алюмосиликаты и др.

Легирование металла шва осуществляется через проволоку, а так же, введением в состав покрытия металлических порошков и ферросплавов. Эти покрытия образуют на шве тонкий слой шлака.

Электроды с целлюлозными покрытиями удобны для монтажных работ, когда необходимо накладывать швы во всех пространственных положениях. Они хорошо обеспечивают провар корня и формирования обратной стороны шва.

6. Требования к подготовке детали под сварку

Подготовка деталей под сварку заключается в правке, разметке, наметке, резке, подготовке кромок под сварку, холодной или горячей гибке.

Правку металла выполняют на станках или вручную. Листовой и полосовый металл правят на различных листо-правйльных вальцах. Ручную правку металла, как правило, выполняют на чугунных или стальных правильных плитах ударами кувалды или ручным винтовым прессом. Угловую сталь правят на правильных вальцах (прессах). Двутавры и швеллеры правят на приводных или ручных правильных прессах.

Разметка — это такая операция, которая определяет конфигурацию будущей детали.

Механическую резку применяют для прямолинейного реза листов, иногда и для криволинейного реза листов при использовании для этой цели роликовых ножниц с дисковыми ножами. Углеродистые стали разрезаются кислородной и плазменно-дуговой резкой. По механизации эти способы могут быть ручными и механизированными. Для резки легированных сталей, цветных металлов может применяться кислородно-флюсовая или пламенно-дуговая резка.

Форма подготовки кромок металла под сварку зависит от толщины листов. Основной металл и присадочный материал перед сваркой должны быть тщательно очищены от ржавчины, масла, окалины, влаги и различного рода неметаллических загрязнений. Наличие указанных загрязнений приводит к образованию в сварных швах пор, трещин, шлаковых, включений, что ведет к снижению прочности и плотности сварного соединения.

Выбор режима сварки

Выбор режима ручной дуговой сварки часто сводится к определению диаметра электрода и сварочного тока. Скорость сварки и напряжение на дуге устанавливаются самим сварщиком в зависимости от вида сварного соединения, марки стали и электрода, положения шва в пространстве и т.д.

Диаметр электрода выбирается в зависимости от толщины металла, типа сварного соединения, типа шва и др. Ток выбирают в зависимости от диаметра электрода. Для выбора тока можно пользоваться зависимостью:

I = Kd,

где K = 25-60 А/мм

d – диаметр электрода, мм

Относительно малый сварочный ток ведет к неустойчивому горению дуги, непровару и малой производительности. Чрезмерно большой ток ведет к сильному нагреву электрода при сварке, увеличению скорости плавления электрода и непровару, повышенному разбрызгиванию электродного материала и ухудшению формирования шва.

При сварке с вертикальными и горизонтальными швами ток должен быть уменьшен против принятого для сварки в нижнем положении примерно на 5-10%,а для потолочных на 10-15% с тем, чтобы жидкий металл не вытекал из сварочной ванны.

При выполнении тавровых соединений принимают во внимание значение катета шва: при катете 3 – 6 мм сваривают электродами диаметром 3 – 4 мм.

Прихватку буду выполнять электродами диаметром 3 мм. В соответствии с этим рассчитываю силу сварочного тока I=110-145 А.

Для выполнения основного шва я беру диаметр электрода 4 мм. Аналогично рассчитываю силу сварочного тока, который будет составлять: I= 135 – 200А.

7. Процесс сварки (технология и техника)