Эксплуатационная надежность сварных соединений зависит от наличия в них дефектов — отклонений от заданных свойств, формы и сплошности металла шва, свойств и сплошности металла ЗТВ. Дефекты могут привести к нарушению герметичности, проч­ности и других эксплуатационных характеристик конструкции, а в некоторых случаях вызвать и ее разрушение. Формирование сварного соединения без дефектов является объективным показа­телем правильности выбора технологического процесса, качества используемых материалов и квалификации специалистов. Услож­нение технологии, использование более дорогих электродных материалов и увеличение затрат на вспомогательные операции с целью снижения вероятности образования дефектов в целом ряде случаев является оправданным.

Дефекты в сварных соединениях можно разделить по месту их возникновения - на наружные и внутренние, а также по причи­нам возникновения:

• дефекты, связанные с металлургическими и термическими явлениями, происходящими в сварочной ванне и ЗТВ во время кристаллизации металла шва и остывания сварного соедине­ния - кристаллизационные и холодные трещины, поры, шла­ковые включения, зоны несплавления, а также отклонения от необходимых прочностных и пластических свойств металла шва и ЗТВ;

• дефекты формирования швов такие, как непровары, подрезы, наплывы, прожоги и другие дефекты, обусловленные неира-

, вильиым выполнением технологического процесса, наруше - , нием режимов сварки, нарушением работы оборудования или недостаточным уровнем подготовкой специалистов. Кристаллизационные трещины в металле шва. Кристаллиза­ционными трещинами называют макро - и микроскопические не­

сплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе кристаллизации металла шва, когда он находится в твер­дожидком состоянии. Они могут развиваться и при остывании металла. Их характерной особенностью является межкристал­лический вид разрушения. Трещины связаны с первичной струк­турой металла шва и располагаются вдоль роста столбчатых кристаллитов. Они могут выходить и не выходить на поверхность металла и располагаются как вдоль, так и поперек оси шва.

Стойкость швов к образованию кристаллизационных трещин зависит от таких факторов:

« величины и скорости нарастания, действующих в процессе

кристаллизации растягивающих напряжен и й;

• химического состава металла шва;

• формы сварочной ванны; • ,

• размера первичных кристаллов.

Известно, что химический состав металла шва оказывает су - щсствешюе влияние па стойкость против образования кристалли­зационных трещин. К химическим элементам, которые больше всего снижают стойкость шва против образования кристаллиза­ционных трещин при сварке углеродистых и низколегированных сталей, относят серу, фосфор, углерод и кремний. Повышают стойкость против образования кристаллизационных трещин ни­кель, марганец, хром и кислород.

Конфигурацию швов при сварке характеризует коэффициент формы шва, значение которого в пределах 3-6 является бла­гоприятным с точки зрения снижения склонности соединений к образованию в них горячих трещин.

Холодные трещины в шве и ЗТВ. Холодные трещины образу­ются при температуре сварного соединения ниже 200 °С. К этому времени металл шва и ЗТВ приобретает вес упругие свойства, присущие ему в дальнейшем. Холодные трещины при сварке ТИГ и МИГ/МАГ, как правило, поражают металл ЗТВ, значительно реже шов. Холодному растрескиванию подвержены соединения углеродистых и низколегированных сталей, углеродный эквива­лент которых превышает 0,4 (см. гл. 1). Основными причинами возникновения холодных трещин при сварке являются структур­ные превращения в металле шва и ЗТВ (в первую очередь зака­лочные явления), суммарные напряжения (сварочные и от внеш­них нагрузок) и высокая концентрация водорода в зоне сварки. Снизить склонность соединений к образованию холодных трещин можно различными способами. Основные из них — уменьшение концентрации и скорости массонереноса водорода в металле шва и снижение скорости охлаждения ЗТВ.

Снизить концентрацию водорода в сварочной ванне можно путем уменьшения концентрации водорода в газовой фазе зоны горения дуги, которая достигается за счет очистки проволоки и присадочных прутков от следов смазки и ржавчины, подсушки свариваемых кромок и очистки их от ржавчины и других загряз­нений, очистки зон, прилегающих ко шву, на ширину 15-25 мм, применения защитного газа, соответствующего по составу требо­ваниям ДСТУ ISO 14175:2004 и др.

Термический цикл сварки оказывает существенное влияние па склонность соединений сталей к холодному растрескиванию. При сварке его можно изменить, использовав предварительный и со­путствующий подогрев. Применение предварительного и сопутст­вующего подогрева способствуют уменьшению скорости охлаж­дения сварного соединения и снижению вероятности образования закалочных структур и, как следствие, подваликовмх трещин.

Уменьшить скорость охлаждения сварного соединения можно путем теплоизоляции свариваемого изделия в процессе выпол­нения работы. Применение этого технологического приема позво­ляет существенно снизить твердость металла в ЗТВ.

Образование пор при сварке. Типичный дефект при сварке плавящимся и неплавящимся электродом в среде защитных газов - пористость металла шва. Установлено, что образование пористости в первую очередь связано с высокой концентрацией в металле шва водорода, азота (в случае нарушения техники сварки и попадания в зону горения дуги воздуха) и оксида углерода. Роль других газов (ССЬ, 1ЬО и др.) менее значима.

Если образование и выделение газов происходит в период, когда металл ванны находится в жидком состоянии и щютекает интенсивно, то пузырьки газов успевают полностью выделиться, что не только не приводит к образованию пористости, но и ока­зывает рафинирующее действие на сварочную ванну, снижая ее газонасътщснность. Если выделение газов из расплавленного ме­талла протекает медленно, то выделение газов смещается' на период затвердевания ванны и пузырьки не успевают всплыть, оставаясь в металле шва в виде пор.

Поры, возникшие при первичной кристаллизации металла сва­рочной ванны в результате выделения газов, располагаются це­почкой но оси шва или отдельными группами по оси шва и по его сечению, а также вблизи от границы сплавления. Норы могут выходить или не выходить на поверхность шва. Поры, выходящие на поверхность шва, называют свищами. Поры могут быть микро­скопическими (несколько микрометров) її крупными (4-6 мм). Они являются недопустимым дефектом сварных швов для аппа­ратуры, работающей под давлением и под вакуумом или предназ­наченной для хранения и транспортировки жидких и газообраз­ных продуктов. Для других конструкций поры нс являются столь серьезным дефектом, как трещины. Однако наличие пор в сварном соединении во всех случаях нежелательно.

Меры по предупреждению образования пор те же, что и для уменьшения содержания водорода в металле шва, а именно: очистка свариваемых кромок от ржавчины, влаги, масла, краски и других содержащих водород веществ, при низких температурах просушка свариваемых кромок газовым пламенем. Применение для защиты зоны горения дуги газовых смесей, содержащих кислород, которые снижают вероятность образования пористости при сварке по плохо зачищенному металлу и др.

Неметаллические включения. Известно, что неметаллические включения не относятся к числу явных дефектов металла шва, однако их форма, распределение и химический состав оказывают существенное влияние на механические свойства и работоспособ­ность сварных соединений.

Неметаллические включения, образующиеся при формирова­нии металла шва в условиях сварки в различных газовых средах плавящимся и ненлавящимся электродом, имеют свою специфику. Их количество и химический состав при сварке сталей в основном определяются условиями протекания окислительно-восстанови­тельных реакций кремния, марганца и углерода. На условия про­текания окислитслыто-восстановительных реакций влияют состав защитной атмосферы, а также параметры режима сварки. При сварке углеродистых сталей типичный состав неметаллических включений — оксиды железа, кремния и марганца. В зависимости от содержания в электродном и свариваемом металле серы и фос­фора в шве присутствуют также сульфидные и фосфорсодер­жащие включения.

Дефекты формирования металла шва. Как отмечалось выше, при сварке в среде защитных газов плавящимся и неплавящимся электродом нарушение режимов, техники выполнения швов, пло­хая подготовка иод сварку элементов конструкций и низкая квалификация сварщика могут привести к образованию дефектов, связанных с неудовлетворительным формированием, швов: зон ие - спдавления, непроваров, подрезов, наплывов, прожогов, кратеров и неравномерности ширины шва.

Шлаковый канал представляет собой полость внутри шва, за­полненную шлаком. Образование таких дефектов возможно при использовании для сварки порошковых проволок. Как правило, шлаковый канал может образоваться при сварке односторонних швов с полным проваром кромок. Вероятность образования де­фекта возрастает с увеличением зазора между свариваемыми эле­ментами. Значительно реже шлаковые каналы образуются при сварке угловых швов.

Зону несплавления характеризует образование зазора между оплавленным основным металлом и металлом шва. Как правило, зазор заполнен шлаком. Зона несплавления образуется, когда сва­рочный процесс выполняют на форсированных режимах и повы­шенной скорости сварки. Начальной стадией дефекта являются глубокие подрезы по границе шва. Для предотвращения образо­вания этого дефекта необходимо строго соблюдать техно­логические параметры процесса сварки.

Непровар — это отсутствие сплавления между металлом шва и основным металлом или при многослойной сварке между слоями металла. Непровары могут образовываться в одно - и многослой­ных стыковых и угловых швах. Наиболее часто непровары обра­зуются при сварке корневых и угловых швов, когда нарушают технику выполнения разводки. Непровары могут быть также вы­званы неправильным выбором технологических параметров режима сварки. Эти дефекты наблюдаются и при сварке много­проходных швов. Непровары уменьшают сечение шва и вызывают значительную концентрацию напряжений, что может привести к образованию трещины.

Подрезы представляют собой углубления (канавки), идущие вдоль границы шва. Подрез приводит к резкой концентрации на­пряжений, если металлоконструкция подвержена воздействию динамических нагрузок, и может вызвать ее разрушение. Наи­более часто подрез возникает при сварке угловых швов н первых слоев многослойных стыковых швов. При сварке угловых швов иногда возникает односторонний подрез с наплывом па другую сторону свариваемой конструкции. В большинстве случаев подрез является следствием нарушения техники выполнения швов.

Наплыв (натек ) связан с натеканием металла сварочной ванны на холодный основой металл. Натекший металл не сплавляется о основным. Напльтв образуется, как правило, при сварке одно­слойных стыковых швов без разделки кромок. Причиной образо­вания наплыва является нарушение технологических параметров режима сварки или наличие па свариваемых поверхностях слоя оксидов. Для предупреждения образования наплыва необходимо увеличить сварочный ток, изменить технику выполнения шва и обеспечить зачистку свариваемых поверхностей от ржавчины и следов лакокрасочного покрытия.

Прожог полость в шве, образовавшаяся в результате выте­кания сварочной ванны. Прожоги образуются при нарушении параметров режима сварки (завышенного сварочного тока и диа­метра электродной проволоки), увеличении зазора между сварива­емыми кромками, а также при изменении наклона электрода. Про­жоги обнаруживают при внешнем осмотре. Они являются недо­пустимыми дефектами сварного соединения.

Кратер углубление на поверхности шва, образующееся после обрыва дуги в конце шва, возникающее в конце каждого участка шва, который сварен за одно перемещение. Кратер в конце шва, называемый конечным, обычно устраняют заваркой. На учас­тке;, где образовался кратер, шов имеет уменьшенное сечение. В кратере, как правило, возникают усадочные рыхлоты, часто пере­ходящие в трещины.

Для того чтобы заварить кратер, необходимо приостановить продольное перемещение электрода и заполнить углубление ме­таллом, образующимся при его плавлении. Не следует выводить кратер па основной металл. При сварке ответственных швов ме­талл на участке, где образовался кратер, необходимо удалить

механическим путем или выплавить. Если сварку выполняют без выводных планок, то кратер в конце шва необходимо тщательно заварить и обрывать дугу на заваренном участке шва.

Неравномерность ширины шва образуется за счет резких ко­лебаний напряжения дуги или скорости сварки. Значительные изменения ширины шва сопровождаются изменением глубины проплавления и могут привести к образованию непроваров.

Опыт эксплуатации сварных соединений, полученных сваркой МИГ/МАГ и ТИГ, показывает, что технологические дефекты могут существен по снизить работоспособность таких соединений, в первую очередь это относится к конструкциям, работающим в условиях переменных нагрузок. Наличие технологических дефек­тов снижает предел выносливости сварных соединений. При рабо­те конструкции под воздействием статических нагрузок дефекты (трещины, непровары, нссплавлсния, подрезы) являются причи­ной образования хрупких трещин, возникающих при низких уров­нях рабочих напряжений. Для предотвращения их возникновения необходимо четко соблюдать технологические параметры режимов сварки и повышать квалификацию сварщиков.

При обнаружении дефекты удаляют механическим путем или с помощью термической резки, после чего выполняют подварку дефектного участка.