МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ПРИРОДООХРАННОГО И КУРОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА

Кафедра: «Металлические и деревянные конструкции»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе №12

по сварке металлов и пластика

« ИЗУЧЕНИЕ ДЕФЕКТОВ СВАРНЫХ ШВОВ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ»

по дисциплине

«Металловедение и сварка»

для студентов строительных специальностей

дневной и заочной формы обучения

Симферополь, НАПКС, 2010г.

Методические указания к выполнению лабораторной работы №12 по сварке металлов и пластика «Изучение дефектов сварных швов и предупреждение их образования» по дисциплине «Металловедение и сварка» для студентов строительных специальностей / составители: Корохов В.Г., Бусарова Н.Я. – Симферополь: НАПКС, 2010г. – 30с.

Методические указания к выполнению лабораторной работы разработаны в соответствии с программой курса для строительных специальностей и рекомендациями Московского, Киевского и Днепропетровского инженерно-строительных институтов, а также Московского института стали и сплавов по методике подготовки, проведения и обработки результатов лабораторного практикума.

Одобрено и рекомендовано к печати на заседании учебно-методической комиссии АСФ 20 мая 2010 года, протокол № 9.

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры «Металлические и деревянные конструкции» 22 февраля 2010г., протокол №7.

Составители: В.Г. Корохов, к.т.н., профессор НАПКС

Н.Я. Бусарова, преподаватель.

Рецензент: И.В. Головченко, к.т.н., доцент

Ответственный за выпуск: заведующий кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» Морозов А.Д., кандидат технических наук, профессор.

Лабораторная работа №12

«ИЗУЧЕНИЕ ДЕФЕКТОВ СВАРНЫХ ШВОВ И ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ИХ ОБРАЗОВАНИЯ»

1. Цель работы.

Изучить типовые дефекты, наиболее часто возникающие в сварных соединениях несущих металлоконструкций и трубопроводов из металла и пластика, причины образования дефектов, рациональные приемы контроля качества сварки и выявления дефектов, а также способы предупреждения их возникновения.

2. Краткие теоретические сведения.

Сварка – это технологический процесс образования неразъемных соединений металлических и пластиковых заготовок в детали, узлы и целые конструкции путем реализации сил межатомного взаимодействия в местах соединения заготовок. В обычных условиях межатомному взаимодействию и соединению металлических заготовок препятствуют, разделяющие их неровности и слои окислов.

Существуют два основных метода сварки металлических заготовок – плавлением и давлением.

При сварке плавлением кромки металлической заготовки расплавляют источником тепла, и зазор между ними заполняется расплавленным присадочным материалом электрода или специальной сварочной проволоки с последующим охлаждением и кристаллизацией металла, образующего шов.

При сварке плавлением используются такие источники тепла как, электрическая дуга, газовое пламя, электронный луч, луч лазера.

При сварке давлением кромки металлических и пластиковых заготовок нагревают до пластичного состояния, а потом сдавливают. При этом разрушаются и выдавливаются в стороны окисные пленки металла, заготовки при взаимной деформации сближаются до расстояния межатомного взаимодействия и соединяются. После охлаждения образуется прочное соединение. На этом основана контактная сварка, точечная и непрерывная листовых заготовок, стыковая сварка арматуры и соединение пластмассовых труб.

Сварку широко применяют в строительстве при изготовлении металлоконструкций, соединении арматуры, прокладке трубопроводов, в том числе, магистральных линий, применяют в машиностроении и в ремонтных работах.

Сваривают металлические заготовки из стали и из сплавов на основе меди, алюминия, титана.

Последнее десятилетие широко используются в строительстве, в водо- и газоснабжении полимерные материалы, в основном такие, как поливинилхлорид ПВХ ГОСТ 14332-78, полипропилен ППР ГОСТ 16338-85, полистирол ГОСТ 28250-89Е.

В швах изготовленных сварных конструкций недопустимо наличие трещин, газовых или шлаковых включений, непроплавления свариваемого материала и других дефектов, так как они значительно уменьшают прочность соединения деталей в конструкциях, которые должны выдерживать расчетные нагрузки. В трубопроводах, емкостях, теплообменниках и других конструкциях, для которых важна герметичность и недопустимо образование течи, наличие дефектов в швах и околошовной зоне является местами проницаемости для жидкостей и газов. Поэтому большое значение придается мерам профилактики и диагностирования вероятных дефектов в сварных соединениях.

Дефектоскопия сварных швов и материалов.

При изготовлении сварных конструкций и прокладке трубопроводов недопустимо образование бракованных сварных соединений с дефектами в швах или околошовной зоне. Поэтому осуществляется, как предварительный контроль качества и подготовки к сварке исходных материалов, технический контроль применяемого оборудования, контроль квалификации сварщиков, так и заключительный дефектоскопический контроль швов готовых изделий.

Меры по предупреждению и недопущению дефектов сварки осуществляются ещё на стадиях проектирования конструкций и при отработке технологии проведения намеченных сварочных работ, при уточнении режимов сварки.

Контроль материалов и сварных изделий бывает наразрушающим или разрушающим.

Разрушающему контролю подвергают специально изготовленные образцы из материалов, предназначенных для сварки, или образцы сварных соединений узлов таких же какие будут в проектируемых конструкциях. Цель его состоит в проверке свариваемости новых поступающих материалов или в отработке и уточнении режимов сварки, которые бы обеспечивали требуемое качество соединения элементов конструкций.

Неразрушающему дефектоскопическому контролю подвергают сварные конструкции и трубопроводы, предназначенные для технической эксплуатации.

Тот или иной способ контроля сварных швов с применением соответствующего дефектоскопического оборудования назначается в зависимости от степени ответственности конструкции и от планируемого объема сварочных работ.

Неразрушающий контроль бывает визуальный или с помощью приборов. Визуальный контроль осуществляется невооруженным глазом или с использованием лупы, шаблонов. Ему подвергают заготовки и материалы с целью выявления трещин, расслоений, забоин, вмятин, рванин, раковин, насплошностей на металлических или полиэтиленовых трубах. Этому виду визуального контроля подвергают материалы, поступающие на предприятие, а также, проверяют качество подготовленных заготовок, качество сборки соединений под сварку. Предварительно проверяется также качество сварных швов и качество исправления ранее выявленных дефектов.

Дефектоскопия сварных швов с помощью приборов и инструментов основана на использовании рентгеновского метода или изотопного, ультразвука, микроскопной металлографии, магнитного или химического методов, а также основана на применении измерительных инструментов.

Разрушающий контроль. Этот способ контроля качества сварных швов и исходных материалов осуществляется путем выполнения таких механических испытаний, как разрыв, изгиб или сплющивание специально подготовленных образцов. Эти образцы по размерам и конфигурации подготавливаются такими же как и проверяемые элементы создаваемой конструкции. Указанным механическим испытаниям подвергают подготовленные образцы стальных труб, полиэтиленовых труб, а также заготовки из фасонного и листового материала. Физико-механические испытания с разрушением при растяжении на разрыв выполняют в соответствии с ГОСТ 6996-66 (СТ СЭВ 3521-82 …СТ СЭВ 3524-82) «Методы определения механических свойств».

Важны такие показатели качества сварного соединения как, прочность шва и околошовной зоны, плотность, коррозионная стойкость, отсутствие трещин, шлаковых, газовых и оксидных включений, непроваров, подрезов, прожогов. Все они снижают прочность соединения, создают в нем проницаемость для газов или жидкостей. Под термином «дефект», согласно ГОСТ 16467-79, понимается несоответствие продукции требованиям нормативной документации, которая обусловливает и гарантирует полное соответствие этой продукции своему назначению.

Во избежание возникновения тех или иных дефектов в сварном соединении необходимо учитывать и строго соблюдать требуемую технологию на всех стадиях создания металлоконструкции: при её проектировании, при подготовке металла и сварочных материалов к сварке; при сборке заготовок под сварку, при выполнении самой сварки с соблюдением требуемых режимов и в нужной последовательности, а также при заключительных операциях, обеспечивающих медленное охлаждение соединения, и при освобождении его от захватов фиксирующего приспособления. Важной операцией на стадии приемки сварной конструкции является контроль качества швов, который может быть выполнен различными методами в зависимости от назначения и степени ответственности конструкции. Эта работа начинается с контроля качества исходных материалов и проверки металла на свариваемость. Задачей предварительного и операционного контроля является выявление и устранение причин, которые могут привести к появлению брака с дефектами в сварных швах.

Такие особенности сварки, как высокая температура нагрева металла, малый объем сварочной ванночки, наличие воздуха или газовой среды над сварочной ванночкой обусловливают вероятность многих отрицательных последствий сварки, таких как:

- изменение химического состава, структуры и механических свойств металла шва в сравнении с химсоставом, структурой и свойствами основного металла;

- вероятность возникновения в сварных конструкциях значительных напряжений с образованием трещин;

- образование в процессе сварки окислов железа и легирующих элементов, которые затрудняют протекание сварки, загрязняют металл шва и понижают его качество;

- образование пористости и газовых раковин в металле шва, которые понижают плотность и прочность соединений.

В настоящее время в технике начинают широко применять пластики, в частности, для изготовления армированных оконных и дверных стеклопакетов, трубопроводов в системах водоснабжения, отопления и газификации. Их использование требует соблюдения иных специфических методов сварки, исключающих образования дефектов в сварных соединениях.

Существуют три основных вида сварки пластиковых труб: раструбная, стыковая и электромуфтовая.

При раструбной сварке для систем водоснабжения и отопления, подлежащие соединению трубу и фитинг, первоначально нагревают в электронном сварочном аппарате до пластичного состояния соприкасающихся поверхностей, а затем труба вставляется в фитинг с некоторым натягом. Происходит смятие нагретых поверхностей, и после охлаждения образуется прочное и плотное соединение.

Стыковая сварка трубопроводов и фасонных заготовок осуществляется с применением торцевателя, придающего соединяемым торцам изделия плоскостность и параллельность. Затем, концы заготовок нагревают до температуры, близкой к 280⁰С и сдавливают гидравлическим устройством, после охлаждения образуется прочное и плотное соединение.

Электромуфтовая сварка осуществляется с помощью пластиковой муфты, надеваемой на концы соединяемых труб. Внутри этой муфты расположена электрическая спираль, на которую подается электрический ток, нагревающий ее внутреннюю поверхность и концы труб до пластичного состояния. После охлаждения образуется прочное и плотное соединение труб.

1. Свариваемость стали.

Свариваемость – это реакция свариваемых металлов и сплавов на процесс сварки. Она определяет технологическую сторону процесса и эксплуатационную пригодность изделия.

Расплавление и кристаллизация металла в условиях сварки представляют собой сложный металлургический процесс, протекающий при неравномерном нагреве, перегреве и охлаждении металла в местах соединения заготовок. Процесс сопровождается структурными превращениями и перекристаллизацией металла. Это во многом определяет качество и надежность сварного соединения, т.е. совокупность приобретаемых свойств шва, которые обусловливают пригодность соединений и возможность использования сварной конструкции в технике.

На свариваемость стали большое влияние оказывает ее химический состав.

Углерод – это важный элемент химического состава стали, определяющий ее свариваемость, прочность, вязкость, закаливаемость. Хорошо свариваются стали, содержащие не более 0,25% углерода. При более высоком его содержании, свариваемость стали, резко ухудшается, так как в нагретой околошовной зоне - термического влияния, образуются структуры закалки, приводящие к возникновению горячих и холодных трещин.

Сера – вредная примесь, образующая легкоплавкие соединения с железом, которые располагаются по границам зерен, ослабляя связь между ними с возникновением трещин в горячем состоянии. Это явление вызывается красноломкостью металла. Поэтому во избежание трещин в сварном шве содержание серы в свариваемых сталях должно быть менее 0,045%.

Фосфор – тоже вредная примесь. В сталях он вызывает появление хрупких структур, особенно при отрицательных температурах. Этот процесс называется хладноломкостью. Содержание фосфора в свариваемых сталях и сварных швах должно быть менее 0, 04%.

Марганец – это элемент химического состава стали, несколько повышающий прочность и упругость стали. При его содержании в сталях в пределах 0,3…0,8% процесс сварки не затрудняется. При содержании же марганца более 1,8% возникает опасность появления хрупкости и трещин, в связи с закаливаемостью такой стали.

Кремний несколько повышает прочность, упругость и твердость стали. При его содержании до 0,2…0,3%, свариваемость не ухудшается. При содержании более 0,8% условия сварки ухудшаются из-за высокой жидкотекучести стали и образования тугоплавких окислов кремния.

Хром повышает прочность, упругость и твердость стали, но при сварке образует карбиды хрома, ухудшающие коррозионную стойкость шва и прилегающую к нему околошовную зону. Он резко повышает твердость металла в этой зоне термического влияния и увеличивает вероятность возникновения трещин, способствует образованию тугоплавких окислов, затрудняющих процесс сварки. В подлежащих сварке безникелевых сталях содержание хрома не должно превышать 0,3%.

Молибден способствует измельчению кристаллов (зерен стали), повышает прочность стали. Особенно это важно при ударных нагрузках и высоких температурах, но молибден вызывает появление трещин в наплавленном металле и в зоне термического влияния. В процессе сварки молибден активно окисляется и выгорает. В ответственных сварных конструкциях содержание молибдена не должно превышать 1%.

Ванадий способствует закаливаемости стали, чем, затрудняет сварку; он активно окисляется и выгорает. В ответственных сварных конструкциях содержание ванадия не должно превышать 1%.

Вольфрам увеличивает твердость стали и ее износостойкость при высоких температурах (красностойкость), но затрудняет процесс сварки ввиду сильного окисления. В состав стали, подлежащей сварке, вольфрам не вводится.

Кислород активно окисляет расплавленное железо, образуя хрупкие структуры, он окисляет и легирующие элементы. Расплавленный металл сварного шва необходимо защищать от взаимодействия с кислородом воздуха. Это является одной из функций электродного покрытия, которое при сгорании выделяет защитный (углекислый) газ. Для защиты от окисления сварку ответственных конструкций из нержавеющих сталей и цветных металлов осуществляют в таких защитных газах, как аргон, гелий.

Водород. При сварке атомы водорода легко растворяются в расплавленном металле, а при затвердевании металла вновь соединяются в молекулы, которые собираются в разных местах шва, образуя газовые пузырьки. Водород вызывает в металле шва пористость и мелкие трещины, он повышает хрупкость стали, снижая ее прочность и вязкость. Водород, как и кислород, который может соединиться с расплавленным металлом шва, находится в окружающем воздухе, влаге, оставшейся в непросушенном электродном покрытии, во флюсах и на поверхности свариваемого металла в виде воды, снега, инея. Водород также содержится и в ржавчине, которая может быть на сварочной проволоке или кромках заготовок. Защита расплавленного металла шва от водорода осуществляется одновременно с защитой от кислорода.

Наименее насыщается металл водородом при сварке постоянным током обратной полярности, большее насыщение – при сварке переменным током.

Никель, содержащийся в легированных сталях, значительно улучшает их свариваемость: он измельчает зерно, придает шву пластичность и прочность. При сварке никелесодержащих сталей требуется надежная защита их от воздействия кислорода воздуха. Никель дорог. Применение никелевых сталей должно быть технико-экономически обосновано.

Содержание никеля в сталях в количестве 2-3% значительно улучшает ее свариваемость. В сталях для ответственных конструкций, предназначенных для восприятия больших нагрузок, рекомендуется содержание никеля до 8-10%.

Титан, содержащийся в легированных сталях, измельчает зерно, повышает пластичность шва и качество соединения. Нержавеющие стали для ответственных сварных конструкций должны содержать в своем составе помимо никеля, еще 4 -5% титана.

На свариваемость стали также, влияют режимы и способы сварки.

Чтобы правильно выбрать способ и режимы сварки, исключающие возникновение дефектов, необходимо знать технологическую свариваемость металла. Это его реакция на тепловые воздействия в околошовной зоне без расплавления, а также металлургические процессы плавления и последующей кристаллизации металла. По известному химическому составу стали можно прогнозировать, какова ее технологическая свариваемость. Но точность таких прогнозов не всегда надежна и, полагаться на них, можно при сварке небольшого количества малоответственных изделий. В случае изготовления значительного числа ответственных сварных конструкций, необходимо экспериментально определять технологическую свариваемость той партии металла, из которой будут изготовлены изделия. Способы определения технологической свариваемости можно разделить на две группы.

Первая – когда прямым способом устанавливают свариваемость путем сварки одного или нескольких образцов изделия. При этом узнают о склонности металла к закалке или отсутствии таковой, о прочности и пластичности металла, об изменении микроструктуры. Полученные результаты отличаются высокой достоверностью;

Вторая – группа способов определения свариваемости проще и основана на имитации сварочных процессов. При этом косвенным способом, например, термообработкой при температурах, близких к сварочному процессу, определяют изменения в металле. Полнота и достоверность такой информации значительно ниже.

По свариваемости стали подразделяются на четыре группы, характеризующиеся способностью металлов образовывать при сварке соединения с заданными свойствами – прочные, герметичные, без хрупкости.

Первая группа – хорошо свариваемые стали, образующие сварные соединения высокого качества без применения особых приемов и подогрева до и после сварки. Это - низкоуглеродистые, низко- и среднелегированные стали. Например, от БСт1 до БСт4; от ВСт1 до ВСт4; от стали 08 до стали 25; стали 15Х; 20ХГА, 12ХН4А; 10ХСНД; 20Х23Н18Т; 12Х18Н9Т и другие требуемого химического состава.

Вторая группа – стали удовлетворительно свариваемые, которые для получения сварных соединений высокого качества требуют строгого соблюдения режимов сварки, применения специального присадочного материала, особо тщательной очистки свариваемых кромок, а в некоторых случаях – предварительного и сопутствующего подогрева до 150⁰ С, последующий отжиг. Например, это стали БСт5сп; БСт5Гсп; сталь 30; сталь 35; сталь 20ХНЗА; сталь 12ХА и др.

Третья группа – стали с ограниченной свариваемостью в обычных условиях и склонные к образованию трещин. Содержат углерод от 0,35% до 0,5%, это могут быть и высоколегированные стали. Во избежание образования трещин их перед сваркой подвергают подогреву до 200…400⁰С с последующим отжигом. Например, БСт5пс; стали 40, 45, 50, 35ХН.

Четвертая группа – стали плохо свариваемые, практически не подлежащие сварке ввиду большого содержания углерода и легирующих элементов, приводящих к образованию трещин. Например, это стали 60Г, 70Г, 50ХН, 80С, У7, У10, У13, 9ХС, ХВГ, 3Х2ВФ. Качество сварных соединений таких сталей низкое, несмотря на предварительную сопутствующую и последующую термообработку.

К неудовлетворительно свариваемым сталям относятся и холодноупрочненные стали; арматура, упрочненная вытяжкой, сварка которой приводит к разупрочнению и повышению хрупкости.

Необходимо отметить, что свариваемость арматурной стали отличается от показателей свариваемости листа, фасонного проката для металлоконструкций. Например, арматурные стержни из Ст5 свариваются лучше, чем листовая сталь той же марки.

. Сварка сталей на морозе не допускается.