2.8. Дефекты сварных соединений

Известно, что стабильные свойства соединений, выполняемых точечной и шовной сваркой, могут быть получены только при наличии зоны взаимного расплавления соединяемых деталей. Основными дефектами являются непровар, выплески, вмятины, несплошности зоны сварки (трещины, раковины, поры), снижение коррозионной стойкости соединений, неблагоприятные изменения структуры металла, хрупкость и нарушение герметичности.

2.8.1.Непровары

Непровары (рис. 2.19) — это наиболее опасные и трудно выявляемые дефекты точечных сварных соединений, при которых зона взаимного расплавления деталей (при КТС она определяется диаметром этой зоны d_ЗВР) меньше заданной в чертежах изделия. Зону взаимного расплавления деталей (рис.2.20), которую обычно называют ядром расплавленного металла или просто ядром, в чертежах изделия задают номинальным диаметром ядра d_Я. При нормальном точечном сварном соединении диаметр d_ЗВР ≈ d_Я (рис. 2.19, а; 2.20, а). Кроме того, регламентируется высота ядра h_Я или проплавление деталей А₁ и А₂.

Непровар, при котором зона взаимного расплавления деталей вообще отсутствует (рис. 2.19, б, 2.20, б), называют полным непроваром. К полным непроварам относятся и наиболее опасные из них, которые называют непроварами типа склейка. В непроварах типа склейка (рис. 2.19, в) соединение образуется в твердой фазе либо по микрорельефам поверхности, либо при полном сохранении оксидной пленки или плакирующего слоя (рис. 2.19, е), которые препятствуют образованию общей зоны расплавленного металла. Непровары, показанные на рис. 2.19, д и е, характерны для сварки деталей из алюминиевых сплавов, которые имеют на поверхности прочные окисные пленки или плакирующий слой из чистого алюминия. Они при КТС не расплавляются либо вследствие высокой температуры плавления, либо высокой тепло- и электропроводности. Образование непроваров этого вида легко предупреждается качественной подготовкой поверхностей деталей перед сваркой, например, стравливанием плакировки или зачисткой деталей непосредственно перед сваркой.

Непровары типа склейка наиболее опасны потому, что их трудно выявить, они могут выдержать на срез иногда относительно большие статические нагрузки, но хрупко разрушаются при небольших нагрузках отрыва и знакопеременных нагрузках.

В большинстве же случаев практики точечной сварки непровары проявляются в виде уменьшения диаметра ядра расплавленного металла меньше минимально допустимого его значения d_Я < d_ЯMIN (рис. 2.19, г). Такой непровар называют частичным непроваром. Частичный непровар может образовываться также и при частичном сохранении окисной пленки или плакирующего слоя в объеме ядра в плоскости контакта деталь - деталь (рис. 2.19, д).

О бщей для любых условий КТС причиной образования непроваров является уменьшение нагрева металла в зоне формирования соединения, его теплосодержания. Это, как подтверждено практикой точечной сварки, является следствием либо уменьшения тепловыделения в зоне сварки, либо увеличения теплоотвода в электроды, либо комплексного воздействия того и другого факторов, при условии, что время сварки не изменяется, а следовательно стабилен и отвод теплоты из зоны сварки в окружающий ее металл деталей.

Причинами снижения тепловыделения в зоне сварки, которое может приводить к уменьшению размеров ядра вплоть до образования непроваров, может быть уменьшение силы импульса I_СВ сварочного тока или его длительности t_СВ, увеличение усилия сжатия электродов F_Э, либо одновременного комплексного воздействия сочетаний этих факторов. Это может являться следствием отклонения параметров режимов сварки.

Поэтому, одним из старейших и основных мероприятий, направленных на предупреждение образования непроваров является повышение стабильности параметров сварочного оборудования.

В прошлом, до 70…80-х годов прошлого века, эти причины зачастую и являлись основными причинами образования непроваров из-за ненадежной работы контакторов, несовершенства регуляторов цикла сварки и приводов усилия сжатия машин для точечной сварки. В современных же технологиях точечной сварки эти причины, в силу высокой надежности работы современных регуляторов цикла сварки, прерывателей тока и силовых приводов машин для точечной сварки, отклонения параметров тока и усилия причинами образования непроваров становятся относительно редко.

В большинстве случаев современной практики КТС уменьшение размеров и образование непроваров связано с отклонениями силы сварочного тока, а также параметров тепловыделения и теплоотвода из зоны формирования точечного сварного соединения, которые обусловлены влиянием факторов технологических. Из них наиболее часто встречающимися являются увеличение рабочих поверхностей электродов из-за их износа и завышение уровня объемных пластических деформаций металла в зоне сварки, приводящее к чрезмерно быстрому росту контактов. Их влияние проявляется, как правило, из-за несовершенства или нарушений выбранных технологий подготовки деталей и их сборки под сварку, а также технологических процессов сварки.

Завышение уровня объемных пластических деформаций металла в зоне сварки, приводящее к частичному или полному непровару, может быть следствием увеличения усилия сжатия деталей в месте сварки, что при использовании современного сварочного оборудования может вызываться только нарушениями правил его эксплуатации, встречается относительно редко. Чаще всего является следствием влияния факторов технологических, например, таких как перекос деталей в электродах, который, как правило, является следствием нарушений технологии сварки и легко устраняется, или искривлением их поверхностей в месте сварки.

Искривление поверхностей деталей в месте сварки является следствием либо нарушениями технологии их изготовления и сборки перед сваркой, а потому легко устраняется, либо искривлением деталей при их сжатии электродами вследствие наличия зазоров между свариваемыми поверхностями, которые в практике сварки всегда имеют место.

В практике точечной сварки величина зазоров жестко регламентирована (табл. 2.3).

О

Таблица 2.3

Допускаемые величины зазоров при сборке и прихватке перед точечной сваркой

Толщина детали (мм)	Длина участка (мм)
	100	200	300
	Величина зазоров (мм)
0,5≤ s <1	0,5	1,0	5
1≤ s <1,5	0,4	0,8	1,2
1,5≤ s <2,5	0,3	0,6	0,9
s > 2,5	0,2	0,4	0,6

граничение величины зазоров между свариваемыми деталями было введено с целью повышения устойчивости процесса формирования соединений против образования выплесков.

Однако, отрицательное влияние зазоров на процесс формирования точечного сварного соединения не столь однозначно. В частности, при определенных условиях сварки, в первую очередь, при отсутствии регулирования параметров режима сварки, они являются причиной уменьшения размеров ядра вплоть до полного непровара (рис. 2.20, б).

П ри сварке с увеличением зазора значения размеров ядра всегда уменьшаются вплоть до полного непровара (рис. 2.21). При относительно небольшом увеличении зазора уменьшение диаметра идет монотонно, а после некоторого значения величины зазора и определенном сочетании толщины деталей и расстояния между точками размеры ядра резко уменьшаются. Высота ядра при увеличении зазора вначале уменьшается значительно быстрее его диаметра, при этом уменьшение ее от начальных значений до непровара идет монотонно.

При этом, на отклонение диаметра d_Я и высоты h_Я ядра значимо влияет не только величина зазора , а и другие параметры соединений: толщина деталей s, шаг между точками t и расстояние от кромки нахлестки до места сварки и, а также сварочное усилие F_Э. Так, с увеличением , F_Э и s, а также с уменьшением t и и отклонения d_Я и h_Я увеличиваются. Кроме того, с уменьшением сопротивления пластической деформации металла или жесткости режима сварки отклонения d_Я и h_Я, при той же величине , также увеличиваются.

Основными причинами, вызывающими уменьшение размеров ядра при наличии зазора, являются изменение условий пластической деформации металла зоны сварки в процессе формирования соединения из-за искривления деталей при их сближении, уменьшения радиуса кривизны соприкасающихся деталей в месте сварки и, вследствие этого, облегчения условий вытеснения металла в зазор. Так, направленное течение металла в зазор, преимущественно вдоль нахлестки, при наличии зазоров хорошо видно после разрушения соединений (рис. 2.20, б), а также на их рентгенограммах (рис. 2.22, б).

П ри сварке часто трудно выдержать зазор в пределах установленного допуска. В этом случае необходимо применять специальные технологические приемы, например, обжатие периферийной зоны соединения, а также корректирование режима по силе сварочного тока и величине усилия сжатия электродов пропорционально величине зазора. Уменьшить деформацию деталей в месте сварки при наличии зазоров можно равномерным распределением зазора между свариваемыми точками, последовательной сваркой от одного края с возможностью перемещения другого в направлении сварки.

Таким образом, основными причинами образования непроваров при точечной сварке являются либо уменьшение тепловыделения в зоне сварки, либо увеличение теплоотвода из нее в электроды, либо одновременное воздействие обоих этих факторов процесса КТС, которое может являться следствием уменьшения электрического сопротивления зоны сварки, вызванного невысоким качеством подготовки поверхностей свариваемых деталей или увеличением микро- и макродеформаций металла в площади контактов электрод – деталь, уменьшением силы импульса сварочного тока или его длительности, а также увеличением теплоотвода в электроды из-за износа их рабочих поверхностей или искривления свариваемых деталей в месте сварки.