Н. П. АЛЕШИН В. Г ЩЕРБИНСКИЙ

КОНТРОЛЬ

КАЧЕСТВА

СВАРОЧНЫХ

РАБОТ

weldworld.ru

ББК 34.641-7 А49

УДК 658562:621791

Рецензенты:

инж. Богод В. Б., канд. техн. наук Бобров В. А.

Алешин Н. П., Щербинский В. Г.

А 49 Контроль качества сварочных работ: Учебник для техн. училищ.— М.: Высшая школа, 1981.— 144 с., ил.— (Профтехобразование. Сварочное пр-во).

20 к.

Неразрушающий контроль является действенным элементом технологиче- ского сварочного процесса, обусловливающего заданный уровень к i lecroa сварных соединений.

В нем изложены широко применяемые в промышленности ря тру таю- щие и нсразрушакмчие методы обнаружения и идентификации внутренних и поверхностных дефектов.

По каждому методу п сжатом виде изложены физические основы, опи- сана аппаратура и рассмотрена техноло!ия контроля и процессе изготовле- ния, эксплуатации и ремонта оборудования.

Книга предназначена для учащихся технических училищ и может быть полезна для по сготовкн рабочих на производстве.

31206—314

Л 05^(01 )-81'⁷⁰~⁸¹ 2704060000

ББК 34.641-7 6П4.3

© Издательство «Высшая школа», 1981

ВВЕДЕНИЕ

Решениями XXVI съезда КПСС предусматривается разрабо­тать и осуществить мероприятия по повышению действенности си­стем контроля и технического уровня выпускаемой машинострои­тельной продукции.

Современные технологические процессы изготовления продук­ции машиностроения во многих случаях сопровождаются исполь­зованием различных способов сварки. Совершенствование процес­сов сварки или применение новых способов соединений не в пол­ной мере решает проблему высокого качества изготовляемых конструкций, так как даже при хорошо отработанной технологии сварки возможны различного рода дефекты, приводящие к сниже­нию работоспособности и долговечности изделий. В связи с этим важное значение приобретают неразрушающие методы контроля качества сварных соединений, которые позволяют обнаруживать не только дефекты на поверхности или в тодще изделия, но и опре­делять их форму и размеры, а также пространственное положение. К таким методам относят, например, радиационную, ультразвуко­вую, магнитную, капиллярную дефектоскопию, а также методы испытания герметичности. Следует отметить, что среди всех мето­дов контроля нет такого, который гарантировал бы выявление всех дефектов сварки. Каждый из этих методов обладает своими преимуществами и недостатками и позволяет с большей уверен­ностью выявлять те или иные типы дефектов. Например, при ис­пользовании радиационных методов контроля достаточно уверен­но обнаруживаются объемные дефекты небольшого размера (0,1 мм и более) н значительно хуже выявляются несплавленйя, трещины и стянутые непровары.

Ультразвуковой метод, наоборот, более чувствителен к плоско­стным дефектам и сравнительно малоэффективен при контроле конструкций, в которых основными дефектами являются отдель­ные поры размером 1 мм и менее. Для выявления поверхностных дефектов применяют или капиллярный, или магнитные методы контроля.

Практика показывает, что правильная организация контроля, а также умелое использование того или иного метода контроля, разумное сочетание этих методов позволяют с большой надеж­ностью оценить качество сварных соединений.

Целью настоящей книги явчяется оказание широкому кругу работников сварочного производства помощи в изучении современ­ных методов контроля качества сварки.

3

В настоящее время почти отсутствует литература по контролю сварочных работ для профтехобразования, в которой бы было дано систематизированное изложение основ разрушающих и пе- разрушающих методов контроля.

Настоящая книга должна восполнить существующий пробел и стать доступным учебником для учащихся профессиональ­но-технических училищ, приобретающих профессию «контро­лер сварочных работ». В книге основное внимание отведено радиационным и ультразвуковым методам контроля, объем приме­нения которых в промышленности по сравнению с другими мето­дами наиболее значителен.

При написании данной книги использован опыт преподавания соответствующих дисциплин в вузах и техникумах, а также прак­тический опыт отраслевых НИИ и ведущих предприятий.

Введение, гл. I, II, III, V, VIII, IX, X написаны Н. П. Алеши­ным, гл. IV, VI, VII — В. Г. Щербинским.

1	!		\
со			: 7^7/77777^7/.
J			e	4 j
		. f . / / / /f /	Ътш>	* f
			Jr
'	а} Vgii - jA		■ f1
		//////////\		Г4
'J	i		e ,	1 ■
		\ ШШщ	Ж{/ААУЛУ/У/,
		&	£= —^

о) 6) д)

Рис. 1. Основные конструктивные элементы стыковых швов:

а — без подготовки кромок малых тол- щин, 6 — с V-об раз нон разделкой

Рис. 2. Основные конструктивные элементы Валиковых швов:

а — нормального, б — выпуклого, в ~

вогнутого

Причинами появления указанных дефектов могут быть не­исправность станочного оборудования, на котором обрабатывали заготовки; недоброкачественность исходных материалов; ошибки в чертежах; низкая квалификация слесарей п сборщиков. Конт­роль заготовок и сборки их иод сварку выполняют внешним осмот­ром и измерениями при помощи инструментов и шаблонов.

Дефекты формы шва. Форма и размеры сварных швов обычно задаются техническими условиями, указываются на чертежах и регламентируются стандартами.

Конструктивными элементами стыковых швов (рис. 1) являют­ся их ширина е_у высота усиления q и подварки qu угловых швов тавровых (рис. 2) и иахлесточных соединений без скоса кромок — катет К и толщина а. Размеры швов зависят от толщины S сва­риваемого металла и условий эксплуатации конструкций.

5

При выполнении сварных соединений любыми методами сварки плавлением швы могут иметь неравномерную ширину и высоту, бугры, седловины, неравномерную высоту катетов в угловых швах (рис. 3).

Неравномерная ширина швов образуется при непра­вильных движениях электрода, зависящих от зрительно-двигатель­ной координации (ЗДК) сварщика, а также в результате возник­ших отклонений от заданных размеров зазора кромок при сборке. При автоматической сварке причиной образования этого дефекта является нарушение скорости подачи проволоки, скорости сварки и т. д.

Рис. 3. Дефекты формы швов:

а — неравномерная ширина шва при 4 ручной сварке, б — го же, при авто­матической сварке, в — неравномер­ное усиление — бугры и седловины

Рис. 4. Наплывы в швах:

а — горизонтальном, б — нахлесточ- ного соединения, е — таврового соеди- нения. г — стыковом или при на- плавке валиков

Неравномерность усиления по длине шва, местные бугры и седловины получаются при ручной сварке из-за недостаточной квалификации сварщика и в первую очередь объясняются особенностью ЗДК сварщика; неправильными прие­мами заварки прихваток; неудовлетворительным качеством элект­родов.

При автоматической сварке эти ' дефекты встречаются ред­ко и являются следствием неполадок в механизме автомата, ре­гулирующем скорость сварки.

Перечисленные дефекты формы шва снижают прочность соеди­нения и косвенно указывают на возможность образования внутрен­них дефектов.

Наружные дефекты. К этим типам дефектов сварки относят наплывы, подрезы, незаделанные кратеры, поджоги.

На плыви образуются в результате отекания расплавленного металла электрода на нерасплавленный основной металл (рис. 4). Наплывы могут быть местными, в виде отдельных зон, а также значительной длины. Причинами образования наплывов могут быть чрезмерная сила тока при длинной дуге и больщой скорости сварки; неудобное пространственное положение шва (вертикаль­ное, потолочное); увеличенный наклон плоскости, на которую на­кладывают сварной шов; неправильное ведение электрода или нс-

6

правильное смещение электродной проволоки при сварке кольце- вых швов иод флюсом; выполнение вертикальных швов снизу вверх и недостаточный опыт сварщика.

Подрезы представляют собой углубления (канавки) в основ- ном металле, идущие но краям шва. Глубина подреза может ко- лебаться от десятых долей до нескольких миллиметров. Причина- ми появления этого дефекта являются значительной силы ток и повышенное напряжение дуги; неудобное пространственное по- ложение при сварке; небрежность сварщика. На рис. 5 показаны различные случаи образования подрезов. Подрезы в шве уменьша- ют рабочую толщину металла, вызывают местную концентрацию

напряжений от рабочих нагру- зок и могут быть причиной разрушения швов в процессе эксплуатации. Исследованиями установлено, что подрезы в стыковых и угловых швах, расположенных поперек дей- ствующих на них усилий, при- водят к резкому снижению ви- брационной прочности; даже достаточно крупные подрезы, расположенные вдоль дейст- вующего усилия, отражаются на прочности в значительно

меньшей степени, чем подрезы, расположенные поперек.

Кратер — углубление, образующееся в конце шва при вне­запном прекращении процесса сварки. Особенно часто возникают кратеры при выполнении коротких швов. Размеры кратера зави­сят от величины сварочного тока. При ручной сварке диаметр кратера колеблется от 3 до 20 мм. При автоматической сварке кратер имеет удлиненную форму в виде канавки. Нсзаделанные кратеры оказывают неблагоприятное воздействие на прочность сварного соединения, так как являются концентраторами напря­жений. При вибрационной нагрузке снижение прочности соедине­ния из малоуглеродистой стали достигает 25%, а из низколеги­рованных— 50% при наличии в шве кратера.

Прожоги образуются при сварке металла небольшой толщи­ны и первого слоя в многослойных швах, а также при сварке снизу вверх вертикальных швов (рис. 6). Причинами прожогов являются чрезмерно высокая погонная энергия дуги, неравномер­ная скорость сварки, остановка источника питания, увеличенный зазор между кромками свариваемых элементов. Во всех случаях отверстие, возникающее при прожогах, хотя и заделывается, одна­ко шов в этом месте получается неудовлетворительный по внеш­нему виду и качеству.

Поджоги возникают в результате возбуждения дуги («чир­канья электродом») на краю кромки. Этот дефект является

' V//

/

Подрез

Ж]

с) б)

Рис. 5. Подрезы:

б)

а — в стыковом шве, б — к горизонтальном шве, расположенном на вертикальной пло- скости, а — в угловом шве таврового со- единения

7

источником концентрации напряжений, его обязательно удаляют механическим способом.

Внутренние дефекты. К ним относят поры, шлаковые включе- ния, непровары, несплавления и трещины.

Газовые поры (рис. 7) образуются вследствие загрязнен- ности кромок свариваемого металла, использования влажного флюса или отсыревших электродов, недостаточной зашиты шва при сварке в среде углекислого газа, увеличенной скорости сварки и завышенной длины дуги При сварке в среде углекислого газа,

а в некоторых случаях и под флю- сом на больших токах образуются сквозные поры — так называемые спи щ и.

Размеры внутренних пор колеб- лются от 0,1 до 2—3 мм в диамет- ре, а иногда и более. Поры, выхо- дящие на поверхность шва, могут иметь и большие размеры. Свищи при сварке под флюсом и в углекис- лом газе на больших токах могут иметь диаметр до 6—8 мм. Так на- зываемые «червеобразные» поры имеют длину до нескольких санти- метров.

Поры могут быть распределены в шве отдельными группами (скоп- ление пор), в виде цепочки по про- дольной оси шва или в виде отдель- ных включений (одиночные поры). Равномерная пористость обычно возникает при постоянно действую- щих факторах: загрязненности ос- новного металла по свариваемым поверхностям (ржавчина, масло и т. п.), непостоянной толщине по- крытия электродов и т. д. Скопле- ние пор образуется при местных за-

грязнениях или при отклонениях от установленного режима свар- ки, а также при нарушении сплошности обмазки электрода, при сварке в начале шва, при обрыве дуги или при случайных изме- нениях ее длины. Цепочки пор образуются в условиях, когда газообразные продукты проникают в металл по оси шва на всем его протяжении (при сварке по ржавчине, при подсосе воздуха через зазор между кромками, при нодварке корня шва некачест- венными электродами). Одиночные поры возникают за счет дей- ствия случайных факторов (колебания напряжения в сети и т. д.). Наиболее вероятно возникновение пор при сварке алюминевых и титановых сплавов, и в меньшей степени, при сварке сталей.

Рис. 6. Прожоги

д)

Рис. 7. Пористость в наплавленном металле шва:

а — равномерная, б —* в виде це- почки, в —- в виде скоплений

8

Шлаковые включения и окисные пленки. Шлако­вые включения в металле сварного шва — это небольшие объемы, заполненные неметаллическими веществами (шлаками, окислами). Вероятность образования шлаковых включений в значительной мере определяется маркой сварочного электрода. При сварке электродами с тонкой обмазкой вероятность образования шлако­вых включений очень велика. При сварке качественными электро­

дами, дающими много шлака, расплавленный металл дольше на- ходится в жидком состоянии и неметаллические включения успе- вают всплыть на его поверхность, в результате чего шов засоряет- ся шлаковыми включениями незначительно.

Шлаковые включения можно разделить на макро- и микроско- пические. Макроскопические включения имеют сферическую и про-

долговатую форму в виде вы- тянутых «хвостов». Эти вклю- чения образуются в шве из-за плохой очистки свариваемых кромок от окалины и других

Pitc. 8. Шлаковые включения но подрезу кромки в многослойном шве

Рис. 9. Непровары:

а — по кромке с основным металлом, б — в корне шва, а — между отдельными слоя- ми, г — между валиками при многослойной

сварке

загрязнений и чаще всего из-за внутренних подрезов и плохой зачистки от шлака поверхности первых слоев многослойных швов перед заваркой поелодущих слоев ( рис. 8).

Микроскопические шлаковые включения возникают в результа­те образования в процессе плавления некоторых химических соединений, остающихся в шве при кристаллизации.

Окисныс пленки могут возникать при всех видах сварки. При­чины их образования такие же, как и шлаковых включений: за­грязненность поверхностей свариваемых элементов; плохая зачист­ка от шлака поверхности слоев шва при многослойной сварке; низкое качество электродного покрытия или флюса; низкая ква­лификация сварщика и т. д.

Непровары — это иесплавленис основного металла с наплав­ленным (рис. 9, 0), а также незаполнение наплавленным метал­лом расчетного сечения шва (рис. 9, б, е, г).

Непровары (см. рис. 9, а) первой группы представляют собой тонкую прослойку окислов, а в некоторых случаях грубую шла­ковую прослойку между основным и наплавленным металлом. Причинами образования непроваров в виде нссилавлсний явля­ются: плохая зачистка кромок свариваемых деталей от окалины, ржавчины, краски, шлака, масла и других загрязнений; блужда-

г

9

пне или отклонение дуги под влиянием магнитных полей, особен- но при сварке на постоянном токе; электроды из легкоплавкого материала — при выполнении шва такими электродами жидкий металл натекает на неоилавленные свариваемые кромки; чрез- мерная скорость сварки, при которой свариваемые кромки не успе- вают расплавиться; значительное смещение электрода в сторону одной из свариваемых кромок, при этом расплавленный металл натекает на вторую нерасплавленную кромку, прикрывая непро- вар; неудовлетворительное качество основного металла, свароч- ной проволоки, электродов, флюсов и т. д.; неудовлетворительная работа сварочного оборудования — колебания силы сварочного тока и напряжения дуги в процессе сварки; низкая квалификация сварщика.

Причинами образования непроваров второй группы (см. рис. 9,6) кроме указанных выше могут быть недостаточный угол

скоса кромок; большая вели- чина притупления сваривае- м ы х кр омо к; нсдост аточ ны й зазор между кромками свари- ваемых деталей; большое се- чение электрода или присадоч- ной проволоки, укладываемой в разделку шва, что затрудня- ет расплавление основного ме- талла. Непровары между от- дельными слоями (см. рис. 9, в, г) возникают по следую-

щим причинам: неполностью удален шлак, образовавшийся при на- ложения предыдущего валика, что возможно вследствие трудности его удаления или небрежности сварщика; недостаточная тепловая мощность (малый ток, излишне длинная или короткая дуга).

Трещины — частичное местное разрушение сварного соеди- нения (рис. 10). Образованию трещин способствуют следующие факторы: сварка конструкционных легированных сталей в жестко закрепленных конструкциях; высокая скорость охлаждения при сварке углеродистых jсталей, склонных к закалке на воздухе; при- менение высокоуглеродистой электродной проволоки при автома- тической сварке конструкционной легированной стали; использо- вание повышенных плотностей сварочного тока при наложении нервого слоя многослойного шва толстостенных сосудов if изделий; недостаточный зазор между кромками деталей при электрошла- ковой сварке; слишком глубокие и узкие швы при автоматической сварке под флюсом; выполнение сварочных работ при низкой тем- пературе; чрезмерное нагромождение швов для «усиления» кон- струкции (применение накладок и т. и.), в результате чего воз- растают сварочные напряжения, способствующие образованию трещин в сварном соединении; наличие в сварных соединениях других дефектов, являющихся концентраторами напряжений, под

Рис. 10. Трещины в сварных швах и соединениях:

а — в «оплавленном металле, б — в зо- не сплавлении и термического воздей- ствия

10

действием которых в области этих дефектов начинают развиваться трещины.

Трещины и непровары относят к числу наиболее опасных де­фектов и по всем действующим нормативно-техническим докумен­там являются недопустимыми.

Слипания представляют собой несплошности малого раскры­тия на свариваемых поверхностях или кромках металла. Слипа­нии— очень опасные дефекты, плохо выявляются современными средствами дефектоскопии. Наиболее вероятно возникновение таких дефектов при аргоно-дуговой сварке алюминиево-магние­вых сплавов, а также при контактной сварке и сварке давлением.

При сварке давлением возникают дефекты, которые по своему характеру отличаться от перечисленных выше. Однако такие де­фекты, как шлаковые включения, подрезы, наплывы и кратеры обычно отсутствуют.

Типичными дефектами стыковой, точечной и шовной контакт­ной сварки являются пережог металла, непровары, иесплавления, пористость, радиальные и продольные трещины. Эти дефекты обра­зуются при нарушении технологии сварки (большом или малом токе, неправильно выбранном давлении и скорости осадки, неоп- тималыюй продолжительности выдержки под током и т. д.). Все эти дефекты значительно снижают работоспособность соединений. Выявлять дефекты сварки давлением обычно значительно слож­ное, чем дефекты сварки плавлением.

§ 2. Влияние дефектов сварки на работоспособность конструкций

При контроле качества сварных соединений и оценки годности их к эксплуатации необходимо знать влияние наружных и вну­тренних дефектов на прочностные характеристики конструкции. Опасность дефектов наряду с влиянием их собственных характе­ристик (типы, виды, размеры, формы и т. п.) зависит от множе­ства конструктивных и эксплуатационных факторов. Изучение этого вопроса представляет большие трудности как с практиче­ской, так и с теоретической стороны. В большинстве случаев сте­пень влияния того или иного вида дефекта на работоспособность конструкций устанавливают экспериментально путем испытаний образцов с дефектами.

При сдаче конструкции в эксплуатацию прежде всего оцени­вают допустимость наружных дефектов, влияющих на работоспособность конструкции. Значения допустимости наруж­ных дефектов, как правило, указаны в технических условиях на изготовление конструкции и зависят от условий ее эксплуатации.

Установлено, что усиление шва не снижает статической проч­ности, однако сильно влияет на вибрационную прочность. Чем больше усиление шва и, следовательно, чем меньше угол пере­хода от основного металла к наплавленному, тем сильнее оно сни­жает предел выносливости. Таким образом, наличие чрезмерного

II

усиления шва может свести к нулю все преимущества, получае­мые от оптимизации технологического процесса по улучшению качества наплавляемого металла в сварных соединениях, рабо­тающих при вибрационных, динамических и цовторио-етатических нагрузках.

Опасным наружным дефектом является подрез. Ои не допу­скается в конструкциях, работающих на выносливость. Неболь­шой протяженности подрезы, ослабляющие сечение не более чем на 5% в конструкциях, работающих иод действием статических нагрузок, можно считать допустимыми.

Наплывы» резко изменяя очертания швов, образуют концент­раторы напряжений и тем самым снижают выносливость кон-

Рис. 11. Влияние относительной глубины Ah,^fS непровара корня шва на статическую прочность стыковых соединений (без усиления) из сплавов:

J — Ст.З, 2 — 12X18119T. 3 — 25ХГФА, 4 — Д16Г, 5 — ЗОХГСНА

Рис. 12. Влияние относительной глубины А Л/S дефектов на усталостную прочность стыковых сварных соединений из низкоуглеродистой стали без усиления:

1 — подрезов. 2 — пор, 3 — непроваров корня шва, 4 — шлаковых включения

струкций. Наплывы, имеющие большую протяженность, следует считать недопустимыми дефектами, так как они, кроме того что вызывают концентрацию напряжений, нередко сопровождаются непроварами. Небольшие местные наплывы, вызванные случай­ными отклонениями сварочных режимов от нормальных, можно считать допустимыми дефектами.

Кратеры, как и прожоги, во всех случаях являются недопу­стимыми дефектами и подлежат исправлению.

Для окончательной оценки качества сварного соединения контролер должен знать допустимость внутренних

}

12

дефектов, которую устанавливают на основе испытаний. Ре- зультаты многочисленных исследований показывают, что при ста­тической нагрузке для пластичных материалов (рис. 11, кри­вые /, 2, 4) влияние величины непровара на уменьшение проч­ности прямо пропорционально относительной глубине непровара или его площади. Для малопластичных и высокопрочных мате­риалов (рис. 11, кривые 3, 5), а также при динамической или вибрационной нагрузке (рис. 12) пропорциональность между поте­рей работоспособности и величиной дефекта нарушается.

Рис. 13. Влияние относительной площади дефектов (пор) на механические свойства стыков соединений из легированной стали с усилением шва (о*=834 МПа

после закалки и отпуска):

о_в — статическая прочность, о — относительное удлинение на базе 5 см, с„ —

ударная вязкость, f — угол нагиба

Установлено, что поры и шлаковые включения при их отно­сительной суммарной площади в сечении шва до 5—10% практи­чески мало влияют на статическую прочность соединения (рис. 13). Если швы имеют значительное усиление шва, то поры и шлако­вые включения суммарной площадью (размером) 10—15% от сечения шва мало влияют на статическую прочность. Для ряда конструкций (закладные детали, стыки арматуры) в зависимости от места расположения таких дефектов их допустимая величина может составлять 10—25% от сечения шва.

Такие дефекты, как трещины, окисные плены, несплавлепия, являются недопустимыми.

13