Лекция 16. Качество неразъемных соединений и методы их контроля

План лекции: Качество сварных, паяных и клеевых соединений. Строение сварного шва и дефекты при его формировании. Сварочные напряжения и деформации. Контроль качества неразъемных соединений: внешним осмотром, магнитным методом и методом красок, рентгеновской дефектоскопией, по макрошлифам.

1. Качество сварных соединений, строение сварного шва и де-фекты при его формировании. Сварка является одним из важнейших техно-логических процессов, применяемых в судостроении и судоремонте. Поэ-тому получению качественных неразъемных соединений способом сварки уделяется большое внимание.

Для того чтобы технически грамотно подходить к получению качест-венных неразъемных соединений способом сварки, необходимо усвоить физические основы сварки, тщательно изучить строение и свойства сварных соединений, представлять причины возникновения в них дефек-тов.

Особое внимание следует обратить на склонность стали к закалке в околошовной зоне, поскольку она является одной из основных причин появления трещин и ухудшения механических свойств сварных соединений при сварке сталей с повышенным содержанием углерода и (или) легирующих элементов.

Под влиянием термического воздействия (нагрева и охлаждения) сварки основной металл в околошовных зонах претерпевает значительные структурные изменения. Сущность этих изменений можно выяснить при сопоставлении кривой максимальных температур нагрева точек околошовной зоны с диаграммой структурных превращений основного металла и его микроструктуры (рис.1).

Наплавленный металл 1 получается в результате перевода приса-дочного и частично основного метал-лов в жидкое состояние, образования жидкой ван-ночки и последующего ох-лаждения, в процессе ко-торого происходит соеди-нение расплавленного ме-талла с основным 2. В узкой зоне сплавления 1 (зона взаимной кристалли-зации) образуются зерна, в равной мере принадлежащие основному и наплавленному металлу.

Свойства металла в зоне шва определяются условиями протекания процессов плавления, металлургической обработки основного и присадочного металлов и кристаллизации полученного металла шва при охлаждении. Свойства сварного соединения в целом определяются характером теплового воздействия на металл в околошовных зонах.

За зоной сплавления располагается зона основного металла, где он нагревается до высоких температур, не изменяя своего первоначального химического состава. Однако структура его сильно изменяется. Эта зона получила название зоны термического влияния (ЗТВ).

При сварке плавлением независимо от способа сварки структура наплавленного металла 1 имеет дендритную, в большинстве случаев столбчатую структуру, характерную для литой стали. Вид дендритной структуры, соответствующий наплавленному металлу, приведен также на рис. 2, б.

Рис. 2. Макроструктура (а) и микроструктура (б-е) сварного соединения из стали.

Участок II ЗТВ нагревается до температуры близкой к температуре плавления. Этот участок называют участком перегрева. Он имеет крупнозернистую и ферритно-игольчатую (Видманштеттову) структуру, приведенную также на рис. 2, в. Этот участок обладает наибольшей хрупкостью и является наиболее слабым местом сварного соединения. Чтобы устранить вредное влияние указанных структур на механические свойства сварных соединений, необходимо дендритную и Видманштеттову структуры перевести в мелкозернистую равновесную. Этого можно достичь, если сварное соединение подвергнуть полному отжигу либо нормализации. На рис. 3 приведена микроструктура мест сплавления сварных соединений при автоматической и ручной дуговой сварке, подвергнутых отжигу и микроструктура мест сплавления сварных соединений при ручной дуговой и газовой сварке, подвергнутых нормализации. Видманштеттова структура в ЗТВ после отжига или нормализации при сварке всех видов приобретает обычное зернистое строение. Дендритная структура металла шва после отжига или нормализации полностью приобретает зернистое строение (рис. 3, в) только в образцах, которые получают при автоматической (рис. 3, а) и ручной - (рис. 3, б) дуговой сварке. В сварных соединениях, которые получают при газовой сварке и том же самом режиме нормализации дендритная структура полностью не превращается в мелкозернистую (рис. 3, г). Это объясняется наличием в этих швах крупно-дендритной структуры.

На участке III 3TB температура металла не превышает 1100°С. Здесь наблюдается нормализация стали, в результате которой сталь имеет мелкозернистое строение. Металл на этом участке имеет повышенные механические свойства по сравнению с основным металлом. Микроструктура такого участка приведена также на рис. 2, г и 3, в.

Рис. 3. Микроструктура мест сплавлении сварных соединений (основной металл - снизу)

На участке IV 3TB происходит неполная перекристаллизация стали, так как она нагрелась до температуры, лежащей между критическими точками Ac и Ас . На этом участке происходит лишь частичная перекристаллизация основного металла, которая характеризуется тем, что наряду с крупными зернами феррита, которые не подвергались перекристаллизации, образуются новые, мелкие зерна феррита и перлита. Микроструктура этого участка приведена также на рис. 2, д.

На участке V структурных изменений в стали не происходит (если сталь перед сваркой не подвергалась пластической деформации). В противном случае на этом участке наблюдается рекристаллизация.

На участке VI (200-450⁰С) труктура стали не претерпевает видимых структурных изменений и не отличается от основной структуры, приведенной также на рис. 2, е, но имеет пониженную пластичность и ударную вязкость. Этот участок получил название участка синеломкости,

Таким образом, при электродуговой сварке стали в 3TB, расположенной за зоной сплавления, структура основного металла сильно изменяется. При этом размеры 3TB зависят от способа и технологии сварки и рода свариваемого металла. Так, при ручной дуговой сварке стали тонкообмазанными электродами и при автоматической сварке стали под слоем флюса размеры ЗТВ минимальные (2-2,5 мм); при сварке электродами с толстой обмазкой протяженность ее равна 4-10 мм, а при газовой сварке - 20 - 25 мм.

Структурные изменения основного металла в ЗТВ мало отражаются на механических свойства малоуглеродистой стали при сварке ее любыми способами с последующим отжигом. Однако при сварке среднеуглеродистых и низколегированных сталей в ЗТВ может происходить образование закалочных структур, которые резко снижают пластические свойства сварных соединений и часто являются причиной образования трещин. При сварке таких сталей, склонных к закалке, структура металла в ЗТВ будет несколько иной, чем на рис.1. В этом случае за зоной сплавления будут расположены (рис. 2, а): участок закалки 2, участок неполной закалки 3, зона отпуска 4 и основной металл 5.

Качественной характеристикой склонности стали к образованию закалочных структур и трещин является эквивалентное содержание углерода С_экв, рассчитываемое при известном химсоставе по формуле:

, %

В зависимости от величины С_экв стали разделяют на следующие три группы.

1. С_экв £ 0,5-0,6 %- незакаливающиеся или малозакаливающиеся (стали 10ХСНД, 09Г2 и др.).

2. 0,7 £ С_экв £ 1,3% - закаливающиеся. В ЗТВ таких сталей могут встречаться неравновесные структуры: сорбит, троостит, троостомар-тенсит и даже мартенсит (стали З0ХГСА, 40Х, 20ХМФА и др.).

3. С_экв ³ 1,3 - 1,5 - сильнозакаливающиеся. В ЗТВ таких сталей присутствует мартенсит (стали 3Х12, 4Х13, 18Х2Н4ВА, 40ХНМ и др.).

На основании изложенного следует, что для получения качественного сварного соединения при сварке сталей с содержанием С ³ 0,7% необходимо применять специальные меры, предотвращающие образование мартенсита и закалочных трещин. Наиболее часто для этих целей используют предварительный подогрев металла перед сваркой или в процессе сварки. При этом приближенно температуру подогрева t в °С можно определить по формуле:

где s - толщина места сварки, мм.

Обычно температура подогрева малолегированных сталей лежит в интервале 100-200°С, а для высоколегированных может достигать 400-500°С. Кроме подогрева перед сваркой, для повышения качества сварного соединения, рекомендуется тепловая изоляция свариваемой детали (покрытие асбестом, засыпка песком и т.п.). Это является особенно важным при сварке в судовых условиях.

2. Качество паяных и клеевых соединений соединений.

Качество паяных соединений (прочность, плотность, коррозионная стойкость и др.) в значительной степени зависит от следующих побочных процессов, протекающих в зоне пайки.

1. Растворение соединяемых материалов в припое и как следствие - изменение его химического состава и температуры плавления, а также структуры и механических свойств паяного шва.

2. Диффузия элементов припоя в основной металл. Это приводит к изменению химического состава и механических свойств околошовных зон.

3. Образование химических соединений из элементов, входящих в состав припоя и основного металла - интерметаллидов. Их большая хрупкость снижает пластичность и прочность паяных соединений.

4.Возможность закалки или разупрочнения металла в околошовных зонах.

Качество клеевыхсоединений (прочность) можно повысить путем механического сцепления пленки клея с шероховатой поверхностью материала; для этого перед склеиванием поверхности обрабатывают наждачной бумагой или другим способом.

3. Сварочные напряжения и деформации. При сварке плавлением материал детали в области сварного соединения нагревается до высоких температур, на З00-500°С превышающих температуру его плавления (для стали - около 1500°С). В результате этого в области сварки протекает комплекс сложных физико-химических процессов, приводящих в итоге к возникновению в изделии сварочных напряжений и деформаций. При разработке технологии сварки необходимо осуществлять меры по предотвращению образования сварочных напряжений и деформаций либо по уменьшению их.

Сварочные напряжения - это собственные напряжения, возникаю-щие при сварке в конструкциях при отсутствии внешних силовых нагрузок (сил, моментов). Основными причинами возникновения сварочных напря-жений являются:

1) неравномерность тепловых полей в деталях (температура зоны металла шва превышает температуру плавления материала, температура остальных частей детали близка к комнатной);

2) структурные превращения в районе сварного соединения (проис-ходит образование различных фаз, отличающихся друг от друга по объему, теплофизическим свойствам и т.п.).

Сварочные напряжения можно классифицировать по следующим признакам: по времени существования, по направлению и характеру дей-ствия.

По времени существования - временные сварочные напряжения, существующие лишь в момент нагрева и остывания детали, и остаточные сварочные напряжения, сохраняющиеся в материале после полного остывания соединения;

По направлению действия - продольные и поперечные напряжения, направленные соответственно параллельно и перпендикулярно оси сварного шва;

По характеру действия - активные и уравновешивающие напря-жения. После удаления активных напряжений, напряжения в детали вообще отсутствуют. Уравновешивающие напряжения - это напряжения, которые противодействуют активным.

Сварочные напряжения, действующие в соединениях, вызывают появление в них сварочных деформаций.

Сварочные деформации - это изменения размеров и формы соединений, вызванные возникающими при сварке собственными напряжениями. Как и напряжения, сварочные деформации могут быть временными и остаточными, продольными и поперечными. Помимо этих классификационных признаков, часто используют деление сварочных деформаций на общие и местные (рис. 1).

а) б)

в) г)

Рис. 1. Общие (а) и местные (б - г) сварочные деформации: f- стрела прогиба, b - угол поворота сечения.

Общие деформации вызывают искажение размеров и формы всего сварного элемента или конструкции, местные - действуют преимущест-венно локально, в зоне сварного шва. Учитывая, что в судовых условиях сваривать сложные конструкции, как правило, не приходится, то обычно при сварке рассматривают местные деформации.

Механизм возникновения местных деформаций достаточно прост. Основной вклад в них вносит сварной шов, после окончания кристаллизации которого начинается процесс его охлаждения и уменьше-

ния размеров. При этом величина сокращения различна для различных сечений шва и может быть определена по соответствующей формуле (см. методические указания к лабораторной работе).

Сварочные напряжения и деформации являются нежелательными, так как они заметно снижают качество сварных изделий. Поэтому при разработке технологии сварки их стремятся предотвратить или свести к минимуму.

Предотвращение образования сварочных напряжений и деформаций производят о помощью конструктивных и технологических мероприятий.

К конструктивных мероприятиям относятся: 1)проектирование сварных изделий с минимальными размерами зоны металла шва (замена односторонней разделки двусторонней, выбор небольшого усиления шва и т.п.), отсутствием пересечений сварных швов и др.

К технологическим мероприятиям относятся:

а) сварка с малой погонной энергией (т.е. уменьшение сварочного тока, увеличение скорости сварки);

б) предварительный подогрев изделия перед сваркой и сопутствующий подогрев (при сварке крупных изделий);

в) широкое использование приспособлений для сборки перед сваркой отдельных частей, а при их отсутствии - сборка с помощью "прихваток";

г) использование при сварке метода "обратных деформаций" (т.е. при сборке перед сваркой части изделия устанавливаются таким образом, чтобы после сварки возникшие в нем напряжения переместили их в нужное положение).

При выполнении стыковых соединений для реализации этого принципа используют подкладки. В первом приближении высоту подкладки Н можно определить следующим образом (рис. 3).

Рис. 3. Схема определения высоты подкладки при сварке стыковых соединений.

Свариваемые листы длиной А и В после установки подкладки высотой Н образуют с горизонтальной плоскостью углы и g, которые связаны между собой и с углом поворота сечения b достаточно простыми соотно-шениями:

+ g = b и .

После подстановки и преобразований, получаем

и ,

H=A sinj или H=B sing

Уменьшить сварочные напряжения и деформации можно также механической и термической правкой.

Механическая правка осуществляется путем устранения деформаций с помощью домкратов, проковки металла шва «тупым» зубилом, прокатки сваренной детали между валками прокатного стана или приспособления.

Термическая правка осуществляется путем отжига сварного соединения. При этом, чем ответственнее деталь, тем выше должна быть температура отжига (вплоть до 800-850°С).

4. Контроль качества неразъемных соединений. Дефекты неразъемных соединений бывают двух типов: внешние и внутренние.

В сварных соединениях к внешним дефектам относят наплывы, подрезы, наружные непровары и несплавления, поверхностные трещины, раковины и поры. К внутренним - скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые включения и прочее.

В зависимости от нарушения целостности сварного соединения различают разрушающие и неразрушающие методы контроля.

4.1. Неразрушающие методы контроля. Основными методами неразрушающего контроля являются: внешний осмотр, магнитный метод, метод красок, рентгеновская дефектоскопия и по макрошлифам.

Внешним осмотром в сварных швах выявляют трещины, раковины, поры, подрезы, незаделанные кратеры и другие дефекты. В некоторых случаях он является единственным видом контроля и первым этапом при контроле ответственных сварных соединений. Дефекты сварных соединений, выявляемые внешним осмотром, приведены на рис.1 и в табл.1

Рис. 1. Наружные дефекты сварных соединений.

Таблица 1

Дефекты сварных соединений, выявляемые внешним осмотром

Контроль сварных швов внешним осмотром проводят следующим образом. Последовательно, по участкам, осматривают шов невооруженным глазом, а при необходимости - с помощью лупы. В соответствии с техническими условиями на контролируемый сварной шов устанавливают допустимые дефекты и дефекты, по которым сварной шов бракуют.

Магнитный метод контроля основан на свойстве магнитных силовых линий (рис. 2 и 3), встречающих на своем пути участок пониженной магнитной проницаемости, огибать его и образовывать так называемый поток рассеяния. Этот поток создает у краев дефекта местные магнитные полюсы. Для обнаружения потока рассеяния применяют ферромагнитный порошок Fe₂O₃. Порошок намагничивается потоком рассеяния и притягивается к краям дефекта, указывая место его расположения и приблизительную форму. Обнаруженная по скоплению порошка трещина будет иметь вид «жилки». При направлении магнитного потока перпендикулярно к продольному направлению трещины ширина «жилки» может достигать стократной ширины трещины.

Рис. 2. Намагничивание в поле Рис. 3. Намагничивание в поле

электромагнита соленоида

Трещины, расположенные под углом менее 20—30° к направлению магнитного потока, не могут быть обнаружены этим методом. При выявлении трещин детали намагничивают в двух взаимноперпен-дикулярных направлениях.

В зависимости от размеров и формы детали намагничивание производят электромагнитом или соленоидом.

Методом красок выявляют мелкие поверхностные дефекты, главным образом трещины, на ограниченных участках сварного швав. Он позволяет почти в любых условиях установить наличие трещин в сварных соединениях. Методика проверки заключается в следующем (подробно она рассмотрена в методических указаниях к лабораторным работам).

Поверхность детали очищается от масла, грязи, смазки, затем промывается ацетоном и просушивается. После этого наносится кистью первый слой красной краски, через 1—2 мин наносят второй и не дожидаясь пока краска высохнет удаляют ее избыток салфеткой и наносят тонкий слой белой краски. Через 5—8 мин осматривают поверхность. Оставшаяся в трещине или другом глубоком наружном дефекте красная краска поднимается на поверхность белой и выявляет дефект.

В соответствии с техническими условиями на контролируемый сварной шов устанавливают допустимые дефекты и дефекты, по которым сварной шов бракуют.

Рентгеновским методом в сварных соединениях выявляют внутренние дефекты, которые не могут быть выявлены при внешнем осмотре.

Перечень основных внутренних дефектов сварных соединений и причины их возникновения приведены в табл. 2.

Таблица 2

Внутренние дефекты сварных соединений

Контроль сварных соединений рентгеновским методомпроводят следующим образом. Каждую рентгеновскую пленку поочередно кладут на стекло негатоскопа и просматривают пленку в такой последовательности, чтобы не пропустить ни одного участка на снимке.

Непровар имеет вид темной извилистой линии с четко выраженными границами. Рентгеновские снимки дефектных сварных сединений представлены на лабораторном стенде.

Включения более плотного металла в сварном шве, например вольфрама, имеет вид светлых точек.

Трещины на рентгеновском снимке видны как темные линии с четко очерченными границами. В соответствии с техническими условиями на контролируемый сварной шов устанавливают допустимые дефекты или дефекты, по которым его бракуют.

По макрошлифам выявляют границы раздела наплавленного металла, его структуру и структуру в зоне термического влияния, а также внутренние дефекты - раковины, непровар, трещины и т. п. Этот метод контроля рассмотрен в соответствующей лабораторной работе.

4.2. Разрушающие методы контроля. К разрушающим методам контроля относятся испытания сварных швов на растяжение и изгиб. Они проводятся при выполнении особо ответственных работ.

Испытание на растяжение проводят для определения прочности стыкового сварного соединения и качества присадочного материала, а на изгиб – для определения вязкости металла стыкового сварного соединения.

После испытания на растяжение устанавливают место разрушения сваренных образцов по шву, по зоне термического влияния и по основному металлу. Выявляют наличие дефектов шва в изломе. Сравнивают полученные данные при испытании трех образцов и делают заключение о влиянии вида сварки на механические свойства сварных соединений.

Испытание на изгиб (загиб) производят также на образцах в соответствии с ГОСТ, сваривают их на всю толщину, усиление сварного шва снимают до уровня основного металла.

Рис. 3. Схема испытания образца сварного соединения на изгиб.

Испытание на изгиб (рис. 3) производят плавно со скоростью не более 15 мм/сек и в момент появления первой трещины испытание прекращают. Осматривают изогнутые образцы, выявляют дефекты шва в местах образования трещин, измеряют транспортиром угол загиба g, сравнивают его с величиной, указанной в технических условиях на сварное изделие. Например, для образцов, вырезанных из воздушных баллонов, изготовленных из стали ЗОХГСА в нормализованном состоянии, угол загиба должен быть не менее 45°. Сравнивают полученные данные и делают заключение о влиянии способа сварки на пластичность металла шва.

Более подробно методика выполнения указанных испытаний изложена в методических указаниях к лабораторным работам.

Поиск по сайту: