Примет сварных соединениях

Металлоконструкции, сваренные из металла, востребованы в разных сферах жизнедеятельности. Однако во время выполнения сварочных работ могут возникать разного рода дефекты сварных швов. Они сокращают возможный срок службы соединения и снижают уровень безопасности готового изделия.

Виды дефектов сварных швов

Все допуски по размерам шва регламентированы требованиями ГОСТа для каждого из видов сварки. Любые отклонения показаний от утвержденных нормативов принято считать дефектами. Они могут быть последствием ошибок в процессе как подготовки, так и выполнения сварочных работ.

Большинство изъянов сварочного соединения отрицательно сказываются на его прочностных характеристиках. Все дефекты делятся на три группы:

наружные

Любые дефекты являются основанием для выбраковки работы и должны быть устранены. Это правило особенно актуально для металлоконструкций несущего плана – каркасов, рам, обрешеток и т.п. Они должны быть сварены безупречно, чтобы выдерживать предполагаемые нагрузки. В противном случае конструкции могут служить источником опасности для окружающих.

Классификация дефектов сварных соединений

Далеко не в каждом случае получается добиться идеального качества сварного соединения. При желании можно найти отклонения от установленных требований. Полностью классификация сварных соединений изложена в пунктах ГОСТа 30242-97. Документ содержит информацию обо всех возможных изъянах. Из них можно выделить часть, которые чаще других встречаются при контрольном осмотре соединительных стыков.

Трещины

Наибольшее негативное влияние на качество сварного шва оказывают трещины. Потенциально они наиболее опасны, поскольку могут стать причиной быстрого разрушения всей конструкции, что в свою очередь может привести к трагедии.

Появляются трещины по разным причинам:

стыки расположены неправильно;
место сварки было резко охлаждено;
неправильно подобраны расходные материалы;
металл кристаллизировался вследствие избыточно высокой температуры.

По способу образования трещины могут быть продольными, поперечными или радиальными, а по размеру принято различать макро- и микротрещины. Вне зависимости от вида, причин и способа образования трещина является недопустимым дефектом.

Подрезы

Визуально изъян представляет собой продольное углубление с наружной части шва. Из-за подреза уменьшается сечение шва и образуется внутреннее напряжение соединения. Прочность такого шва вызывает большие сомнения. Основная причина образования дефекта – завышенный показатель сварочного тока. Чаще всего подрезы характерны для горизонтальных швов.

Наплывы

Избыточный расплав натекает на поверхность заготовки, остывает и образует ложный валик. Это наплыв, не имеющий прочного сплавления с рабочей поверхностью. Чаще всего дефект образуется при горизонтальной сварке стыковых или угловых швов. Причиной их образования является недостаточный прогрев основного металла, из-за избытка присадочного материала или окалин на кромках стыкуемых поверхностей.

Прожоги

Изъян представляет собой сквозное отверстие, которое образуется из-за вытекания металла из сварочной ванны. Как правило, из обратной стороны образуется наплыв. Провоцирует прожог слишком медленное перемещение электрода по линии стыка, слишком большой ток, недостаточная толщина прокладки или же неплотное ее прилегание, большой зазор между деталями.

Непровары

Если между швов и основным металлом есть участки, где видно несплавление между ними, то это непровар. То есть, основной металл не прогрелся как следует, чтобы образовать с расплавом единое целое. Такой дефект сильно понижает прочностные характеристики соединения и все конструкции в целом. Причиной непровара может быть слишком высокая скорость перемещения электрода, плохая предварительная подготовка кромок, присутствие окалины, ржавчины и прочих загрязнений на поверхности соединяемых заготовок.

Кратеры

Небольшие углубления в сварном валике образуются в результате разрыва сварочной дуги. Изъяны приводят к уменьшению поперечного сечения стыка, что снижает степень его прочности. вторичная опасность кратера заключается в том, что его дно может иметь дополнительные рыхлые включения, приводящие к появлению трещин.

Свищи

Изъяны представляют собой поверхностные дефекты в виде полостей. Они снижает прочность стыка и дополнительно опасны тем, что могут провоцировать образование трещин. Свищи характеризуются произвольной формой, могут образовываться как на внешней стороне, так и на внутренней.

Поры в сварном шве

В процессе сварки могут образовываться наполненные газами поры. Причиной их возникновения являются разные загрязнения на поверхности заготовки, высокая скорость перемещения электрода, слишком высокое содержание углерода в присадочном материале.

Посторонние включения

Качество шва значительно снижается из-за посторонних включений – шлаковых, флюсовых, оксидных, вольфрамовых и прочих. Основной причиной, которая их вызывает, является неправильно выбранный режим сварки.

Причины возникновения дефектов сварных швов

Любой дефект образуется вследствие определенного фактора. Существуют разные причины образования дефектов сварного шва:

во время работ применялись некачественные расходные материалы;
не соблюдалась технология выполнения сварочных работ;
низкого качества металл, используемый для создания сварной конструкции;
неисправность оборудования или некачественная его работа;
неправильно выбранный режим сварки;
допущены технологические ошибки из-за низкой квалификации специалиста.

Чтобы получить металлоконструкцию высокого качества, требуется строгое соблюдения технологических параметров и норм сваривания, привлекать к работе специалистов с достаточным уровнем квалификации.

Методы выявления дефектов

Для выявления дефектов сварного шва применяются разные методы:

замеры стыков и визуальный осмотр;
проверка соединений на герметичность;
поиск дефекта с использованием специальных приборов;
лабораторные испытания образцов на прочность.

Визуальное определение качества сварного шва выполняется только после тщательной очистки его поверхности от шлака, устранения разных загрязнений и застывших брызг металла. Проверяются размеры, форма, наличие дефектов – прожогов, свищей, трещин, кратеров и прочих изъянов.

Благодаря испытаниям на герметичность удается определить наличие или отсутствие дефектов трубопроводов – пор, трещин, непроваров. На герметичность конструкции проверяются такими способами:

обдувание воздухом;
наполнение водой под давлением;
обработка керосином.

При обнаружении дефекта требуется дополнительная обработка с целью его устранения.

Способы устранения дефектов сварных соединений

Вне зависимости от задействованного оборудования – инвертор, классический аппарат, трансформатор и прочее – образование дефектов не исключено. Принято различать так называемые допустимые и недопустимые дефекты сварки. В зависимости от типа и сложности изъянов определяется пригодность готового изделия к эксплуатации.

Не допущенные к использованию конструкции направляются на доработку. Каким способом будет устраняться дефект, зависит от типа изъяна:

прожог заваривается после тщательной зачистки сварного соединения;
подрезу устраняются путем наложения тонкого наплава по всей длине их образования;
участок с трещиной рассверливается, тело шва вырубается, поверхность зачищается и обезжиривается. После этого углубление заваривается;
непровары вырезаются и повторно завариваются;
свищи и кратеры устраняются по одной схеме. Прежде всего все вырезается до основного металла. После этого стык варится по-новому;
наплывы следует аккуратно срезать, проверив при этом есть ли непровары;
деформированные участки выравниваются прогревом или же механическим путем;
любой из дефектов, подразумевающий наличие посторонних включений, устраняется путем вырезания шва (участка) и наложением нового.

В случае, когда в процессе контроля обнаруживаются дефекты технологического характера соединений труб, то исправление выполняется одним из методов:

механическим путем без сваривания;
механическим путем в сочетании с завариванием дефектного участка;
вырезание участка трубопровода, содержащего технологический дефект;
шов полностью удаляется и стык проваривается по-новому.

Прочность и герметичность сетей газоснабжения восстанавливается дуговой сваркой. Применение газосварочных установок не допускается.

Методы контроля сварных соединений

Само собой разумеется, что любые дефекты сварного соединения увеличивают риск разрушения конструкции. Чтобы такую вероятность свести к минимуму, следует внимательно проверять качество сварных соединений. Весь процесс выполняется поэтапно:

предварительный. Проверяется качество металла и расходных материалов;
контроль в процессе выполнения сварочных работ. Постоянно проверяется режим сварки, работа оборудования, осматриваются и измеряются швы. В случаях, когда обнаруживаются отклонения от стандартов, дефекты сразу исправляются;

прием готовой конструкции. Визуальным осмотром определяется наличие внешних изъянов. При необходимости проводятся лабораторные и испытательные проверки.

Применяемые сегодня методы контроля делятся на две группы – неразрушающие и разрушающие. Для выявления дефектов готовых конструкций применяются, как правило, неразрушающие методы контроля:

визуальный осмотр;
проверка ультразвуком (дефектоскопия);
контроль при помощи магнитного поля;
дефектоскопия цветная;
дефектоскопия радиационная;
дефектоскопия капиллярная;
контроль на проницаемость;
другие методы.

Разрушающий контроль используется в отношении отобранных для этого образцов. Он позволяет установить параметры прочности сварного шва и зоны термического влияния. В контроле задействованы химические, механические и металлографические методы проверки.

Обозначение сварных швов

Сварные конструкции характеризуются широким диапазоном применяемых толщин, форм и размеров соединяемых элементов, а также многообразием взаимного расположения свариваемых деталей. В зависимости от взаимного расположения свариваемых деталей различают пять типов сварных соединений (согласно ГОСТ 5264-80 «Швы сварных соединений, ручная дуговая сварка» и ГОСТ 14771-76 «Швы сварных соединений, сварка в защитных газах»):

стыковое – «С»
торцевое – «С»
нахлесточное – «Н»;
тавровое – «Т»;
угловое – «У».

В стыковом (С) сварном соединение поверхности свариваемых элементов располагаются в одной плоскости или на одной поверхности, а сварка выполняется по смежным торцам.

Стыковое соединение обеспечивает наиболее высокие механические свойства сварной конструкции, поэтому широко используется для ответственных конструкций. Однако, оно требует достаточно точной подготовки деталей и сборки.

Торцовое (С) соединение сваривается по торцам соединяемых деталей, боковые поверхности которых примыкают друг к другу.

Такие соединения используют, как правило, при сварке тонких деталей во избежание прожога.

В нахлесточном (Н) сварном соединении поверхности свариваемых элементов располагаются параллельно так, чтобы они были смещены и частично перекрывали друг друга.

Нахлесточные соединения менее чувствительны к погрешностям при сборке, но хуже чем стыковые работают при нагрузках, особенно знакопеременных.

Тавровое (Т) сварное соединение получается, когда торец одной детали под прямым или любым другим углом соединяется с поверхностью другой.

Тавровые соединения обеспечивают высокую жесткость конструкции, но чувствительны к изгибающим нагрузкам.

Угловым (У) называют соединение, в котором поверхности свариваемых деталей располагаются под прямым, тупым или острым углом и свариваются по торцам.

Все сварные соединения могут быть выполнены:

односторонними (SS)*, когда источник нагрева перемещается с одной стороны соединения;
двусторонними (BS)*, когда источник нагрева перемещается с двух сторон соединения. В таком сварном соединении корень стыкового шва находится внутри сечения.

* — обозначения, принятые в международных стандартах.

При сварке плавлением для обеспечения необходимой глубины проплавления выполняют разделку кромок. Форма разделки кромок, а также размеры параметров разделки (угол раскрытия кромок, величина зазора, притупление и др.) зависит от материала, толщины, способа сварки. На рисунке ниже приведены примеры некоторых разделок кромок.

Условное изображение сварных швов на чертежах согласно ГОСТ 2.312-72 «Условные изображения и обозначения швов сварных соединений»

В соответствии со стандартом ГОСТ 2.312-72 для условного изображения сварного шва независимо от способа сварки используется два типа линий: сплошная, если шов видимый или штриховая, если шов невидимый.

На линию шва указывает односторонняя стрелка.

Стрелка может выполняться с полкой для размещения условного обозначения шва и при необходимости вспомогательных знаков. Условное обозначение размещают над полкой, если стрелка указывает на лицевую сторону сварного шва (т.е. если он видимый), или под полкой, когда шов расположен с обратной стороны (т.е. если шов невидим). При этом, за лицевую сторону одностороннего шва сварного соединения принимают сторону, с которой производят сварку. За лицевую сторону двухстороннего шва сварного соединения с несимметрично подготовленными кромками принимают сторону, с которой производят сварку основного шва. За лицевую сторону двухстороннего шва сварного соединения с симметрично подготовленными кромками может быть принята любая сторона.

Вспомогательный знак	Описание	Шов видимый	Шов невидимый
Шов выполнить при монтаже изделия (монтажный шов).
Шов по замкнутой линии.
	Шов по незамкнутой линии.
Шов прерывистый с цепным расположением.
Шов прерывистый с шахматным расположением.
Снять выпуклость шва.
Наплывы и неровности шва обработать с плавным переходом к основному металлу.

На приведенной ниже схеме показана структура условного обозначения стандартного сварного шва.

Буквенно–цифровое обозначение шва по соответствующему стандарту представляет собой комбинацию состоящую из буквы определяющей тип сварного соединение и цифры указывающей вид соединения и шва, а также форму разделки кромок. Например: С1, Т4, Н3.

Для обозначения сварных соединений используются следующие буквы:

С – стыковое;
У – угловое;
Т – тавровое;
Н – нахлесточное;
О – особые типы, если форма шва не предусмотрена ГОСТом.

Условные обозначения швов для некоторых способов сварки представлены в таблице:

Стандарт	Соединение	Условные обозначения швов
ГОСТ 5264-80. Швы сварных соединений, ручная дуговая сварка	Стыковое	С1 — С40
	Тавровое	Т1 — Т9
	Нахлесточное	Н1 — Н2
	Угловое	У1 — У10
ГОСТ 14771-76. Швы сварных соединений, сварка в защитных газах	Стыковое	С1 — С27
	Тавровое	Т1 — Т10
	Нахлесточное	Н1 — Н4
	Угловое	У1 — У10

Обозначения способа сварки (А, Г, УП и другие) указывается в стандарте, по которому выполняется указанный на чертеже процесс сварки.

Условные обозначения некоторых способов сварки представлены ниже, например:

А – автоматическая сварка под флюсом без применения подкладок и подушек и подварочного шва;
Аф – автоматическая сварка под флюсом на флюсовой подушке;
ИН – сварка в инертных газах вольфрамовым электродом без присадочного металла;
ИНп – сварка в инертных газах вольфрамовым электродом, но с присадочным металлом;
ИП – сварка в инертных газах плавящимся электродом;
УП – сварка в углекислом газе плавящимся электродом.

Примеры обозначения сварных швов.

Пример 1.


Форма поперечного сечения шва	а) стрелка указывает на лицевую сторону шва	б) стрелка указывает на обратную сторону шва

Шов стыкового соединения с криволинейным скосом одной кромки, двусторонний выполняемый дуговой ручной сваркой (С13 по ГОСТ 5264 — 80) при монтаже изделия ( ). Усиление снято с обеих сторон ( ). Параметр шероховатости поверхности шва: с лицевой стороны – Rz 20 мкм; с оборотной стороны — Rz 80 мкм.

Пример 2.


Форма поперечного сечения шва	а) стрелка указывает на лицевую сторону шва	б) стрелка указывает на обратную сторону шва

Шов углового соединения без скоса кромок, двусторонний (У2 по ГОСТ 11533–75) выполняемый автоматической дуговой сваркой под флюсом (А по ГОСТ 11533–75) по замкнутой линии.

Пример 3.


Форма поперечного сечения шва	а) стрелка указывает на лицевую сторону шва	б) стрелка указывает на обратную сторону шва

Шов стыкового соединения без скоса кромок, односторонний, на остающейся подкладке (C3 по ГОСТ 16310–80), выполняемый сваркой нагретым газом с присадкой (Г по ГОСТ 16310–80).

Пример 4.

Шов таврового соединения без скоса кромок, двусторон-ний прерывистый с шахматным расположением (Т3 по ГОСТ 14806-80) выполняемый дуговой ручной сваркой в защитных газах неплавящимся металлическим электродом (РИНп по ГОСТ 14806-80). Катет шва 6 мм (Δ6 ), длина провариваемого участка 50 мм, шаг 100 мм (Z).

t ш — длинна провариваемого участка шва
t пр — длинна участка шага прерывистого шва

Пример 5.

Шов соединения внахлестку без скоса кромок, односторонний (Н1 по ГОСТ 14806-80), выполняемый дуговой сваркой в защитных газах плавящимся электродом (ПИП по ГОСТ 14806-80). Шов по незамкнутой линии ( ). Катет шва 5 мм (?5).

Пример 6.

Шов соединения внахлестку без скоса кромок, односторонний (Н1 по ГОСТ 14806-80), выполняемый дуговой полуавтоматической сваркой в защитных газах плавящимся электродом (ПИП по ГОСТ 14806-80) . Шов по замкнутой линии ( круговой шов ). Катет шва 5 мм (?5).

При наличии на чертеже нескольких одинаковых швов условное обозначение шва указывается только у одного из них, а применительно к остальным одинаковым швам указывается только их порядковые номера (на месте где должно быть расположено условное обозначение шва). При этом, на линии выноске, имеющей полку с нанесенным обозначением шва также, допускается указывать количество одинаковых швов (26, как показано на этом примере).

Швы считаются одинаковыми, если:

одинаковы их типы и размеры конструктивных элементов в поперечном сечении;
к ним предъявляются одни и те же технические требования.

Если для шва сварного соединения установлен контрольный комплекс или категория контроля шва, то их обозначение допускается помещать под линией выноской.

Обозначение чистоты механически обработанной поверхности шва (шероховатости) наносят после условного обозначения шва, или приводят в технических требованиях чертежа.


а) стрелка указывает на лицевую сторону шва	б) стрелка указывает на обратную сторону шва

Шов, размеры конструктивных элементов которого стандартами не установлены (нестандартный шов), изображают с указанием размеров конструктивных элементов, необходимых для выполнения шва по данному чертежу.

В результате неравномерного нагрева сварного соединения при сварке возникает остаточная пластическая деформация укорочения, приводящая к образованию остаточных напряжений. Характер распределения этих напряжений зависит от многих факторов (геометрических размеров сварного соединения, режима сварки и др.). В зависимости от толщины свариваемых элементов в сварном соединении может иметь место плоское или объемное напряженное состояние.

При сварке небольших толщин, как правило, имеет место плоское напряженное состояние. Принято компоненты такого напряженного состояния называть продольными (действующими вдоль оси шва) и поперечными (действующими перпендикулярно оси шва).

Ниже рассмотрены эпюры распределения остаточных напряжений в типовых сварных соединениях. При сварке встык достаточно широких небольшой толщины пластин характер распределения остаточных напряжений представлен на рисунке справа. Как это видно, остаточные продольные напряжения распределены в поперечном сечении по ширине неравномерно. В сварном шве и прилегающей к нему зоне действуют напряжения растяжения, а в остальной части сечения действуют напряжения сжатия. Причем, как правило, максимальные напряжения в зоне сварного шва достигают значения, равного значению предела текучести (σт) металла. Таким образом, в продольном направлении в стыковом сварном соединении можно выделить две зоны: зона действия напряжений растяжения и зона действия напряжений сжатия.

Поперечные напряжения также распределены неравномерно. Срединная часть испытывает напряжения растяжения, а концевые участки — напряжения сжатия. Величина максимальных напряжений σ_у зависит от длины шва и, как правило, не превышает значения 0,3 σ_т. Поэтому их не всегда принимают во внимание.

При сварке встык пластин большой толщины имеет место объемное напряженное состояние.

Как показали исследования и опыт эксплуатации сварных конструкций при действии остаточного напряжения остаточные сварочные напряжения не оказывают влияния на прочность, если материал изделия достаточно пластичный, что является характерным для большинства металлов. При действии переменных нагрузок остаточные сварочные напряжения сжатия повышают усталостную прочность, а напряжения растяжения, складываясь с рабочими напряжениями в месте их концентрации, существенно снижают сопротивляемость усталостному разрушению.

Поскольку напряжения не являются физической величиной непосредственное их определение не возможно. Их можно определить через измерение какой-либо физической величины, которая связана с напряжением расчетной зависимостью. Такой величиной может быть упругое линейное изменение, т.е. деформация. Связь между напряжениями и упругими деформациями описывается законом Гука. Таким образом, под термином измерение напряжений следует понимать его определение путем измерения деформации (это так называемый механический метод. Существуют и другие методы, например, оптический, магнито-упругий, ультразвуковой и т.д.). Следовательно, все сводится к измерению упругой деформации в направлениях соответствующего вида напряженного состояния. Линейное — в одном направлении, плоское — в двух, объемное — в трех.