ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра сварочного производства

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по дисциплине

«Контроль качества сварки»

Составители: Добрынин В.П.

Гончаров А.Н.

Ковган А.Н.

Липецк 2010 г.

ВВЕДЕНИЕ

Появление современных промышленных объектов – атомных электростанций, резервуаров для хранения технологического сырья, больших металлургических и химических комбинатов, крупных авиалайнеров и.т.д. – привело наряду с экономическими выгодами к большим негативным последствиям в случае выхода их из строя. Человечество не может отказаться от использования современных благ цивилизации, но оно способно предотвратить катастрофы или уменьшить их последствия путем эффективного использования методов и средств контроля качества выпускаемой продукции.

Контроль качества выпускаемой продукции начинается с момента поставки материалов на предприятие (входной контроль) необходимых для производства изделий. На различных стадиях производства применяют соответственно и различные методы контроля (пооперационный контроль). После изготовления детали производиться контроль качества готовой продукции (приёмочный контроль).

Качество сварных соединений зависит от качества исходных основных и сварочных материалов, качества сборки под сварку, соблюдения технологии сварки и других факторов. Возникновение дефектов в значительной степени связано не только с технологическими, но и с организационными причинами. Следовательно, специалисты сварочного производства должны знать не только дефекты сварных соединений, присущие различным способам сварки, методы и оборудование для их обнаружения, но и владеть вопросами организации управления качеством сварки.

Современные технологические процессы изготовления продукции машиностроения в большинстве случаев сопровождаются использованием различных способов сварки. Совершенствование их или применение новых способов соединения только частично решает проблему повышения качества изготовляемых конструкций, так как даже при хорошо отработанной технологии сварки возможны различного рода дефекты, приводящие к снижению надежности и долговечности изделий. В связи с этим для повышения качества изготовляемых конструкций приобретают методы неразрушающего контроля.

В ряде отраслей промышленности неразрушающий контроль сварных соединений выделен в самостоятельный технологический процесс, так как в большинстве случаев трудоемкость контроля соизмерима с трудоемкостью процесса сварки. Затраты на контроль при изготовлении ряда конструкций превосходят затраты на сварку, а стоимость контрольных операций может достигать 25 – 35 % общей стоимости конструкции. Это объясняется, прежде всего, тем, что уровень механизации и автоматизации сварочных работ достаточно высок, в то время как доля автоматизированного неразрушающего контроля незначительна. Поэтому в настоящее время особое внимание обращают на ускоренное внедрение автоматизированных методов контроля качества сварных соединений.

Разработана и осуществляется специальная программа по внедрению в сварочное производство современных средств и методов неразрушающего контроля (акустической эмиссии, голографии, томографии и др.). Дальнейшее развитие получат и традиционные методы неразрушающего контроля. К таким методам относят радиационную, ультразвуковую, магнитную и капиллярную дефектоскопию, а также испытание изделий на герметичность.

Следует отметить, что среди перечисленных методов контроля нет такого, который гарантировал бы выявление всех дефектов сварки. Каждый из этих методов обладает своими преимуществами и недостатками. Например, при использовании радиационных методов контроля достаточно уверенно обнаруживаются объемные дефекты и значительно хуже – неславления, трещины и т.д. Ультразвуковой метод, наоборот, более чувствителен к плоскостным дефектам и малоэффективен при контроле конструкций с дефектами в виде пор. Для выявления поверхностных дефектов применяют капиллярный или магнитный методы контроля.

Практика показывает, что правильная организация процессов контроля, а также умелое применение того или иного метода или сочетание методов при контроле позволяют с большой надежностью оценить качество сварных соединений.

Растущие требования к качеству выпускаемой продукции выдвинули задачу подготовки специалистов, владеющих необходимой совокупностью знаний по технологии сварки, аппаратуре контроля и организации контрольных служб.

ТИПЫ И ВИДЫ ДЕФЕКТОВ

В соответствии с ГОСТ 17102-71 термин «дефект» определяют как каждое отдельное несоответствие продукции требованиям, установленным нормативной документацией.

В сварочном производстве принято выделять следующие типы дефектов:

1. Дефекты подготовки и сборки изделий под сварку.

2. Дефекты формы шва.

3. Наружные и внутренние дефекты.

Дефекты подготовки и сборки.Характерными видами дефектов при сварке плавлением являются неправильный угол скоса кромок в швах с V-, U- и Х- образной разделкой; слишком большое или малое притупление по длине стыкуемых кромок; непостоянство зазора между кромками; несовпадение стыкуемых плоскостей; расслоения и загрязнения на кромках и т.п.

Указанные дефекты могут возникнуть из-за неисправности станочного оборудования, на котором изготавливали заготовки или приспособлений для сборки; недоброкачественный исходный материал; ошибки в чертежах, а также низкая квалификация работников.

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; высота усиления g и высота обратного валика g₁; угловых швов тавровых и нахлесточных соединений (рис.2.) без скоса кромок - катет шва k и высоту рабочего сечения h. Размеры швов зависят от толщины S свариваемого металла и условий эксплуатации конструкций.

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

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

При автоматической сварке эти дефекты встречаются редко и являются следствием неполадок в механизме скорости сварки автомата.

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

Наружные дефекты.К ним относятся наплывы, подрезы, незаваренные кратеры, прожоги.

Наплывы образуются в результате стекания расплавленного металла электрода на нерасплавленный основной металл или ранее выполненный валик без сплавления с ним (рис. 3.). Наплывы могут быть местными, в виде отдельных зон, а также значительными по длине. Наплывы возникают из-за чрезмерной силы тока при длинной дуге и большой скорости сварки; неудобного пространственного положения шва (вертикальное, потолочное, горизонтальное); увеличенного наклона плоскости, на которую накладывают сварной шов; неправильного ведения электрода или неправильного смещения электродной про волоки при сварке кольцевых швов под флюсом и т.д.

Подрезы представляют собой углубления (канавки) в основном металла, идущие по краям шва (рис.4.). Глубина подреза может колебаться от десятых долей до нескольких миллиметров. Причинами появления этого дефекта являются значительной силы ток и повышенное напряжение дуги; неудобное пространственное положение при сварке; низкая квалификация сварщика.

Подрезы в шве уменьшают рабочую толщину металла, вызывают местную концентрацию напряжений от рабочих нагрузок и могут быть причиной разрушения швов в процессе эксплуатации. Подрезы в стыковых и угловых швах, расположенных поперек действующих на них усилий, приводят к резкому снижению вибрационной прочности; даже достаточно крупные подрезы, расположенные вдоль действующего усиления, отражаются на прочности в значительно меньшей степени, чем подрезы, расположенные поперек.

Кратер – углубление, образующееся в конце шва при внезапном прекращении сварки. Размеры кратера зависят от величины сварочного тока. Незаваренные 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 %.

Прожоги – дефекты в виде сквозного отверстия в сварном шве, образующиеся в результате вытекания сварочной ванны; при сварке металла небольшой толщины и первого слоя при многослойных швах. Причинами прожогов являются чрезмерно высокая погонная энергия дуги, неравномерная скорость сварки, увеличенный зазор между кромками свариваемых элементов. Во всех случая 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 кромок. Этот дефект является источником концентрации напряжений, его обязательно следует удалять механическим способом.

Внутренние дефекты. К ним относятся поры, включения, непровары, несплавления и трещины.

Поры (рис. 5.) в виде полости округлой формы, заполняются газом, образуются вследствие загрязненности кромок свариваемого металла, использования влажного флюса или отсыревших электродов, недостаточной защиты сварочной ванны от атмосферы, большой скорости сварки и увеличенной длины дуги. При сварке в углекислом газе, а в некоторых случаях и под флюсом на больших токах образуются сквозные поры – так называемые свищи.

Размеры внутренних пор колеблются от 0,1 мм до нескольких миллиметров в диаметре. Равномерная пористость (рис.5.а.) обычно возникает при постоянно действующих факторах: загрязненности основного металла по свариваемым поверхностям, непостоянной толщине покрытия электродов и т.д. Скопление пор (рис.5.б.) образуется при местных загрязнениях или при отклонениях от установленного режима сварки, а также при нарушении сплошности обмазки электрода, при сварке в начале шва, при обрывах дуги или при случайных изменениях ее длины. Цепочки пор (рис.5.в.) образуются в условиях, когда газообразные продукты проникают в металл по оси шва на всей его протяженности (при сварке по коррозии металла, при подсосе воздуха через зазор между кромками, при подварке корня шва некачественными электродами). Одиночные поры возникают за счет действия случайных факторов (колебания напряжения в сети, увеличение длины дуги и ее обрывы и т.д.).

Включения в металле шва – это небольшие объемы, заполненные веществами (шлаками, окислами, частицами вольфрама и т.п.). Вероятность образования включений в значительной мере определяется маркой и видом сварочных материалов, способом сварки и свариваемым металлом.

Включения чаще всего образуются из-за плохой зачистки свариваемых кромок от окалин, шлака и других загрязнений, а также при плохой зачистке от шлака поверхности первых слоев многослойных швов перед заваркой последующих. Низкое качество электродного покрытия или флюса, низкая квалификация сварщика, также сказывается на образовании включений. Вольфрамовые включения образуются при попадании в сварочную ванну частиц вольфрамового электрода при его разрушении.

Непровары – это дефект (рис.6.) в виде местного несплавления в сварном соединении вследствие неполного расплавления кромок или поверхностей ранее выполненных валиков. Причинами образования непроваров являются плохая зачистка свариваемых кромок; блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных полей, особенно при сварке на постоянном токе; чрезмерная скорость сварки; значительное смещение электрода в сторону одной из свариваемых кромок; излишнее притупление и малый угол скоса кромок; недостаточная величина тока.

Трещины – дефекты сварных швов, представляющие собой макроскопические или микроскопические межкристаллические разрушения, образующие полости с очень малым начальным раскрытием. Под действием остаточных и рабочих напряжений трещины могут распространяться с высокими скоростями. Поэтому вызванные ими хрупкие разрушения происходят почти мгновенно и очень опасны.

В зависимости от температуры, при которой происходит их возникновение, различают горячие и холодные трещины.

Горячие трещины представляют собой разрушения кристаллизующегося металла, происходящие по жидким прослойкам между кристаллами наплавленного металла под действием растягивающих напряжений при температуре 1100 – 1300 ⁰С. Эти напряжения появляются вследствие несвободной усадки металла шва и примыкающих к нему неравномерно нагретых участков основного металла.

Образование горячих трещин связано с совокупным действием двух факторов. По мере кристаллизации сокращается количество жидкой фазы, что приводит к уменьшению деформационной способности сплава. Кроме того, в температурном интервале хрупкости пластические свойства сплава наиболее низки. Кристаллизационные трещины образуются, если пластическая деформация за время пребывания металла в температурном интервале хрупкости превзойдет пластичность сплава в этом интервале температур.

Горячие трещины могут возникать как в наплавленном металле, так и в металле зоны термического влияния. Они могут быть продольными, поперечными, продольными с поперечными ответвлениями, могут выходить на поверхность или оставаться скрытыми. Вероятность образования горячих трещин зависит от химического состава металла шва, скорости нарастания и величины растягивающих напряжений, формы сварочной ванны и шва, размера первичных кристаллов. Она увеличивается с повышением содержания в металле шва углерода, кремния, никеля, вредных примесей серы и фосфора. Повышению стойкости сварных швов, образованию горячих трещин способствует марганец, хром и отчасти кислород, а также снижение величины и скорости нарастания растягивающих напряжений, что достигается уменьшением жесткости узлов, применением способа сварки с оптимальным термическим циклом, использованием специальных технологических приемов и т.п. Влияние коэффициента формы шва на вероятность образования горячих трещин не однозначно (рис. 7). При значениях коэффициента формы шва менее 1,8 и более 10 сопротивляемость возникновению горячих трещин понижается даже при относительно невысоком содержании углерода.

Холодные трещины возникают при температурах 100 – 300 ⁰С, чаще всего они образуются в зоне термического влияния, реже в металле шва сварных соединений среднелегированных и высоколегированных сталей перлитного и мартенситного классов. Появление холодных трещин объясняют действием комплекса причин. Одна из них – влияние высоких внутренних напряжений, возникающих в связи с объемным эффектом, сопутствующим мартенситному превращению, происходящему в условиях снижения пластичности металла. Поэтому холодные трещины наблюдаются как при температурах распада остаточного аустенита, так и при комнатной температуре через несколько минут, часов, а иногда и через более длительное время после окончания сварки. Высокие внутренние напряжения могут также развиваться вследствие адсорбции растворенного в металле водорода на поверхностях внутренних дефектов и накоплении его в микронесплошностях. Возникновение холодных трещин связывают также с замедленным разрушением металла под действием напряжений, которые накапливаются по границам зерен, перпендикулярным направлению действия нормальных напряжений.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ВИЗУАЛЬНЫЙ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Визуальный и измерительный контроль выполняется при: проверке основного и сварочного материала, подготовке деталей к сварке, сборке соединений под сварку, проведении сварочных работ, приемке готовой продукции.

Контроль основных и сварочных материалов на стадии входного контроля выполняется при поступлении материалов на предприятие с целью подтверждения его соответствия требованиям стандартов, технических условий, рабочей конструкторской документацией и другой НТД.

Проверка подготовки деталей к сварке выполняется перед началом технологической операции, например, перед сборкой соединения под сварку и т.д., с целью подтверждения соответствия качества подготовки требованиям рабочих чертежей, технологии изготовления , требованиям НТД и т.д.

Контроль качества сборки соединений деталей под сварку выполняется с целью подтверждения соответствия качества сборки требованиям рабочих чертежей, НТД и т.д.

Пооперационный контроль производится с целью выявления дефектов в процессе производства и недопущению бракованных деталей к последующим технологическим операциям.

Контроль качества готовой продукции выполняется с целью подтверждения их соответствия требованиям рабочих чертежей и технических условий на изготовление изделий.

ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ

Основной материал.Перед сваркой необходимо проверить наличие сертификатов и заводскую маркировку основного материала. Показатели механических свойств (предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, угол загиба или сплющивание для труб малых диаметров, ударная вязкость и химический состав) должны соответствовать ГОСТам и техническим условиям.

При отсутствии сертификатов или неполноте сертификатных данных на материалы проводят лабораторные исследования (механические испытания, химический анализ, металлографические исследования).

Задачей визуального контроля основного материала, полуфабрикатов и заготовок, предназначенных для изготовления деталей и сборочных единиц, является выявление участков металла с трещинами, выходящими на поверхность, расслоениями, закатами, забоинами (вмятинами), раковинами, шлаковыми включениями и другими несплошностями, вызванными технологией изготовления или транспортировкой, а также подтверждение наличия и правильности маркировки.

Задачей измерительного контроля полуфабрикатов и заготовок, предназначенных для изготовления деталей, сборочных единиц и изделий является подтверждение их геометрических размеров и определение размеров поверхностных дефектов, выявленных при визуальном контроле.

При входном визуальном контроле сварных труб с прямолинейным или спиральным швом кроме того, контролю подлежат не менее 10 % длины каждого шва. Контроль рекомендуется выполнять на участках, равномерно расположенных по длине шва трубы. Задачей контроля является подтверждение отсутствия поверхностных трещин, пор, шлаковых и др. включений, прожогов, свищей, наплывов металла, усадочных раковин, подрезов, грубой чешуйчатости шва, западаний между валиками шва, непроваров и других дефектов.

Измерительный контроль сварных швов выполняется на участках, проконтролированных визуально, но не менее, чем в трех сечениях по длине заводского шва. Измерение поверхностных дефектов выполняется в местах, отмеченных при визуальном контроле.

Сварочные материалы.Качество сварных соединений во многом зависит от сварочных материалов, поэтому каждую партию электродов, сварочной проволоки, флюсов, баллонов с газом перед началом сварки тщательно проверяют. Сварочные материалы должны иметь сертификаты, в которых полностью приведены данные в соответствии с требованиями ГОСТов, технических условий и паспортов.

На упаковочных коробах, ящиках, баллонах, пачках, бухтах должны быть бирки или этикетки с указанием основных паспортных данных. При несоблюдении этих условий партия сварочных материалов не допускается к использованию и подлежит полной проверке по всем показателям, установленным для данного вида сварочных материалов.

Вопрос о возможности использования сварочных материалов, имеющих несоответствие качества или повреждение упаковки, решается службой главного сварщика предприятия.

Качество электродов проверяют в процессе их изготовления на заводах и перед началом сварочных работ на предприятиях.

Покрытие должно быть плотным и прочным, хорошо удерживаться на электродном стержне и не разрушаться при свободном падении электрода плашмя на гладкую стальную плиту с высоты 1 м для электродов диаметром 3 мм и менее и с высоты 0,5 мм для электродов диаметром более 3 мм. Допускаются частичные откалывания покрытия общей длиной не более 20 мм.

Покрытие электродов должно быть влагостойким и не разрушаться после пребывания в воде с температурой 15 – 25 ⁰С в течение 24 ч.

Допускаются следующие дефекты поверхности электродов:

· шероховатость поверхности, продольные риски и отдельные задиры – глубиной не более ¼ толщины покрытия;

· местные вмятины – в количестве не более трех, глубиной до ½ толщины покрытия и длиной до 12 мм каждая;

· поры – в количестве не более трех на длине 100 мм, диаметром до 2 мм, глубиной до ½ толщины;

· волосные трещины – в количестве не более двух, длиной до 12 мм каждая.

Контроль качества электродов перед сваркой ответственных изделий заключается в проверке наличия сертификатов и выборочном контроле состояния внешней поверхности. Кроме того, проверяют механические и технологические свойства наплавленного металла, а также, при необходимости, выполняется металлографический анализ. Такая проверка необходима и в тех случаях, если применяемые электроды дают нестабильную дугу, имеют неравномерное плавление или если в сварном шве возникают трещины и поры.

Для контроля партии отбирают 10 – 15 электродов из разных пачек. При наличии недопустимых дефектов берут удвоенное количество, а при повторном обнаружении дефектов всю партию электродов бракуют, составляя рекламационный акт.

Проверку электродов на технологические свойства выполняют периодически для каждой партии. При этом наплавку или сварку производят в соответствии с назначением электродов, на образцах аналогичных производственным.

Проверенные электроды хранят в сухом помещении, не допуская их увлажнения. Перед сваркой электроды просушивают при температуре 150 – 180 ⁰С в течение 1,5 – 3 ч в сушильных печах. Категорически запрещается сушить электроды с помощью газовых горелок или короткими замыканиями, так как это приводит к ухудшению защитных свойств покрытия и может стать причиной брака сварного соединения или наплавки.

Контроль флюса. Качество флюса, поступившего с завода-изготовителя и имеющего сертификат с указанием его химического состава и грануляции, определяют путем сварки пластин или стыков труб на режимах, обусловленных технологическим процессом.

Если в швах, наплавленных под слоем флюса, имеются поры или трещины, то тщательно проверяют состав, однородность, объемный вес, влажность и загрязненность флюса (если влажность превышает 0,1 %, флюс просушивают).

После такой проверки наплавляют шов под слоем флюса и исследуют наплавленный металл, на содержание углерода и серы путем химического анализа пробы, взятой из верхнего слоя сварного соединения.

При неудовлетворительном результате контроля проверяемая партия флюса бракуется или подвергается повторной прокалке с последующей полной перепроверкой, включая химический состав флюса.

Контроль защитных газов. Защитные газы поставляются в баллонах, которые должны иметь сертификат завода-поставщика с указанием ГОСТа, названия газа, процентного количества примесей, влажности и даты выпуска. Использование баллонов с защитными газами, не имеющих сертификатов, запрещается.

При наличии сертификатов качество защитных газов проверяют только в тех случаях, когда в сварных швах обнаруживаются поры, трещины и другие недопустимые дефекты.

Контроль сварочной проволоки. Проволока поставляется в бухтах с металлическими бирками, где указаны завод-изготовитель, номер плавки и марка проволоки согласно стандарту.

В сертификате на сварочную проволоку указываются диаметр и марка проволоки, завод-изготовитель, номер плавки металла, из которого изготовлена проволока, вес проволоки, химический состав и номер стандарта.

Проволока не должна иметь окислов, следов смазки и грязи. При необходимости ее очищают механическим или химическим способом.

В случае появления в наплавленном металле пор или трещин проволоку испытывают на свариваемость путем сварки контрольных образцов. Контрольные сварные соединения подлежат визуальному и измерительному контролю, рентгенографическому или ультразвуковому контролю и механическим испытаниям. При неудовлетворительном результате контроля хотя бы по одному из методов контроля, сварочная проволока подвергается определению ее химического состава.

Сварочная проволока, не имеющая сертификата, подвергается тщательному контролю, который заключается в основном в определении химического состава и марки проволоки, а также испытании на свариваемость.

Контроль материалов для дефектоскопии. Каждая партия материалов для дефектоскопии (реактивы, рентгеновская пленка, усиливающие экраны и т.д.) при поступлении в лабораторию и перед использованием подлежит контролю. На упаковочных листах (пачке, емкости, коробке) необходимо проверить наличие этикетки с характеристикой материалов согласно требованиям соответствующих стандартов, технических условий и инструкций.

Материалы и упаковка не должны иметь повреждений.

При любом отступлении от норм данная партия материалов проходит проверку в соответствии с ГОСТ или ТУ. При неудовлетворительных результатах контроля партия материалов бракуется и для дефектоскопии не допускается.