Дефекты сварных соединений

Сегодня сварка используется повсеместно для соединения различных металлических деталей. Она успешно используется как в промышленности, так и в частных бытовых условиях. Сварным соединением называется неразъемное соединение деталей посредством сварки. В результате этого формируются различные участки, которые характеризуются определенным набором свойств. Все зависит от степени нагрева. Они могут различаться по физическим, химическим и механическим свойствам. Основные дефекты сварных соединений известны достаточно давно. Их следует избегать в процессе выполнения работы.

Характеристика и виды сварных соединений

Перед тем как начать разговор о дефектах сварных соединений, стоит подробнее поговорить об их основных видах и характеристиках. Принцип сварки достаточно прост. Расплавленный металл образует шов, который кристаллизуется. Тот материал, который частично оплавляется, составляет зону сплавления. Рядом с этой зоной образуется та, в которой нагретый металл испытывает дополнительные напряжения. Ее называют зоной термического влияния. После этого идет основной металл. Его структура и свойства в процессе проведения работ никак не изменяются.

Существует несколько основных видов сварных соединений. Наиболее распространенными среди них являются встык, внахлест, тавровые и угловые. Все они различаются между собой установкой основных материалов, расположением шва. На качества шва напрямую влияет множество самых разнообразных факторов. Могут образовываться и внутренние дефекты, и наружные. На качество швов напрямую влияет степень загрязненности металлов, которые подлежат соединению.

Здесь могут присутствовать самые разнообразные окислы, жировые пленки и так далее. Именно поэтому свариваемые поверхности обязательно нужно очищать перед проведением работ. Кстати, в процессе их проведения нужно бороться с окислами, образующимися на поверхности. В любом случае прочность конечного соединения напрямую зависит от отсутствия дефектов. Шов иногда может иметь точно такую же прочность, что и основной материал, но этого достаточно сложно достичь.

О дефектах сварных соединений

Как уже отмечалось ранее, дефекты сварных соединений могут носить самый разнообразный характер. О них обязательно нужно помнить в процессе проведения работ. Если человек имеет багаж знаний по ним, то он сможет сваривать детали, у которых будут идеальные швы. Именно к этому и нужно стремиться.

1. Подрез. Это один из видов дефектов сварных соединений. Представляет собой канавку, которая образуется в месте сплавления основного металла и шва. Чаще всего такие дефекты появляются тогда, когда есть большие сварочные ванны. Имеется в виду, что расплавляется большое количество металла вследствие использования больших показателей тока.
2. Наплав. Этот дефект характеризуется тем, что происходит натекание материала шва на основной металл. Очень неприятный недостаток.
3. Непровар. Такой дефект сварных соединений может иметь место в тех случаях, когда образуется недостаточная расплавленность основного металла в местах соединений конструктивных элементов. Это место чаще всего заполняется шлаком, который, ввиду своей структуры, образует пористости и пустоты во швах. Это недопустимо. Конструкция сразу теряет свои свойства. Когда используется дуговая сварка, то непровар может образоваться из-за использования недостаточной силы тока. Это один из самых опасных дефектов. Связано это прежде всего с тем что в этом месте начинают образовываться дополнительные напряжения в ходе последующей эксплуатации конструкции. Это очень часто приводит к скорому ее разрушению. От этого дефекта можно избавиться. Для этого непровар выявляют, а затем производят наплавку в сложных участках.
4. Трещины. Это частичное разрушение материала на шве или в зоне, которая расположена около него. Они могут образовываться по нескольким причинам. Если говорить о процессе, когда металл еще горячий, то трещины появляются в результате кристаллизации металла. В твердом состоянии с ним могут также происходить самые разнообразные структурные превращения. Это вторая причина появления подобных дефектов.

Механизм образования горячих трещин достаточно прост. В ходе выполнения сварочных работ происходит нагрев металла. После того как источник тепла устраняется, он начинает постепенно охлаждаться. Разумеется, начинают образовываться и зоны кристаллизации. Они начинают плавать среди еще расплавленного металла. Если бы не было микрозон, которые позволяют осуществлять взаимодействие горячего и холодного материала, то все сварные соединения содержали бы дефекты. Однако этого не происходит. Таким образом, можно считать, что чем выше интервал кристаллизации, тем более возможно появление горячих трещин. Углерод напрямую влияет на этот показатель. Здесь прямая зависимость. Чем больше в стали углерода, тем шире становится интервал кристаллизации.

Холодные трещины могут образовываться в месте шва. Они появляются при охлаждении материала до температуры приблизительно в 200-300 градусов по Цельсию. Они могут появляться не сразу, что делает их более опасными. Связано появление холодных трещин с тем, что в материале начинают возникать различные структурные превращения вследствие тех или иных химических превращений. Здесь существует прямая зависимость от количества в материале углерода. Чем его больше, тем больше вероятность того, что появятся холодные трещины. Эта склонность к образованию холодных и горячих трещин определяет такой параметр, как свариваемость металлов. Этот параметр характеризует способность получения свариваемого соединения, ничем не отличающегося от основных материалов.

Поры и неметаллические включения

Поры. Эти дефекты сварных соединений встречаются достаточно часто. Поры представляют собой пустоты, которые заполняются газом. Они могут иметь микроскопические размеры, а могут образовывать в структуре дефекты размером в несколько миллиметров. При этом образуются они чаще всего в местах соединения шва с основным материалом. На этот дефект оказывает влияние множество самых разнообразных параметров.

Самым главным из них является концентрация газа в варочной ванне. Газ выделяется из металла в процессе его плавления. Этот процесс никак нельзя предотвратить. Угарный газ не способен растворяться в железе, соответственно, он выделяется в виде пузырьков.

Неметаллические включения. Эти дефекты самих сварных соединений связаны с попаданием инородных включений в структуру шва в результате проведения работ.

Существует огромное разнообразие таких включений. Шлаковые, к примеру, могут образовываться в результате недостаточной очистки материалов, которые подлежат соединению.

Их причиной может стать недостаточно полное удаление шлака при многослойной сварке. При работе, которая производится за счет плавления, образуется во шве материал, который по физическим и химическим свойствам отличается от основного металла. В связи с этим также могут образовываться подобные дефекты. Инородные включения могут носить самый разнообразный характер.

Изучение дефектов

Разумеется, если есть дефекты различных сварных соединений, то их обязательно нужно изучать. Для этого достаточно часто используется макроанализ. Он заключается в том, что структура металла изучается с помощью невооруженного глаза или лупы. В отличие от микроскопического анализа, макроанализ не позволяет в должной мере изучить структуру материала. Его основная задача — это контроль качества соединяемых деталей в процессе сварки. Он позволяет определить тип излома, волокнистое строение, нарушения сплошной структуры и так далее. Для того чтобы провести такой анализ, необходимо изучаемую часть подвергнуть травлению специальными элементами и обработке на шлифовальных машинах. Этот образец носит название макрошлифа. На его поверхности не должно быть никаких неровностей или инородных включений, в том числе и масляных.

Все те дефекты, которые были описаны выше, вполне могут изучаться и выявляться с помощью макроанализа.

Чтобы выявить структуру материала, чаще всего используются методы поверхностного травления.

Такой подход самым лучшим образом подходит для низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей. Макрошлиф, который подготовлен заранее, нужно погрузить в реактив той частью, которая подвергается анализу. При этом его поверхность обязательно должна быть зачищена с помощью спирта. В результате взаимодействия элементов происходит химическая реакция. Она позволяет вытеснять медь из раствора. Происходит замещение материалов. Медь в результате осаждается на поверхности пробника. Те места, где на основной материал медь легла не полностью, подвергаются травлению. Эти места и содержат какие-либо дефекты. После этого образец изымается из водного раствора, сушится и очищается. Все эти действия нужно проделывать максимально быстро, чтобы не произошло реакции окисления. В результате этого можно выявить те участки, где присутствует большое количество углерода, серы и других материалов.

Травление участков, которые содержат эти материалы происходит не одинаково. Там, где присутствует большая концентрация углерода и фосфора, медь на поверхности выделяется неинтенсивно. Здесь минимальная степень защиты металла. Вследствие этого данные места подвергаются самому большому травлению. В результате проведения реакции эти участки окрашиваются в более темный цвет. Лучше использовать этот метод для сталей, которые содержат минимальное количество углерода. Если его будет очень много, то медь с поверхности образца будет весьма проблематично удалить.

Есть и другие методы макроанализа структуры материалов при сварном соединении. К примеру, часто для определения количества серы используется метод фотоотпечатков. Фотобумагу при этом смачивают и держат на свету какое-то время. После этого она просушивается между листами фольгированной бумаги. Раствор, в который она изначально помещается, содержит определенное количество серной кислоты. Затем, разумеется, эта бумага ровным слоем укладывается на макрошлиф.

Она должна разглаживаться с помощью валика, чтобы полностью были исключены все ее деформации. Все пузырьки воздуха, которые могут оставаться между фотобумагой и металлом, должны быть полностью удалены. Только в этом случае исследование будет носить объективный характер. Ее нужно удерживать в таком положении приблизительно 3-10 минут. Время зависит от того, какова изначальная толщина пробника, а также от других факторов.

Включения серы, которые располагаются в наплавленном металле, обязательно вступят в реакцию с кислотой, которая была нанесена на поверхность фотобумаги. В очагах выделения сероводорода будет образовываться такое вещество, которое носит название фотоэмульсия. Участки сернистого серебра, которые будут образовываться в результате реакции, наглядно показывают распределение серы в металле.

Разумеется, эти участки будут наблюдаться на бумаге. Фотобумага, которая была использована для проведения опыта, подлежит мытью, а затем выдерживанию в растворе гипосульфита. После этого ее еще раз промывают в жидкости и сушат. В том случае если в сварном шве будут присутствовать фтористые включения, они обязательно выделятся наружу в виде участков темного цвета.

Подведение итогов

Таким образом, в настоящее время существует множество методов выявления дефектов сварных соединений. Все они имеют определенную цель. Каждый способ позволяет выяснить, сколько в структуре шва содержится того или иного материала, который может пагубно влиять на его структуру.

Помимо методов макроанализа, в последнее время достаточно часто внедряются методы микроанализа. Они имеют то же самое предназначение, что и предыдущие. Однако дополнительно позволяют изучить структуру материала. Здесь работа ведется на молекулярном уровне строения кристаллической решетки.