Дефекты сварных соединений: виды, как определить и устранить

Спектр применения сварных металлоконструкций очень широк – они применяются в строительстве зданий различного назначения, оснащении промышленных цехов и других объектов.

Одним из ключевых параметров долговечности и безопасности таких конструкций является качество сваривания элементов – в местах соединения не должно быть дефектов. Но на практике металлоконструкций без дефектов практически не бывает – и необходимо уметь вовремя обнаруживать и классифицировать все проблемные места, чтобы принимать правильные решения по их укреплению.

Что такое дефекты сварных швов

Все параметры сварных соединений регламентируются госстандартами, причем каждому виду сварки соответствует собственный ГОСТ. Дефектом считается любое отклонение от нормативов, прописанных в ГОСТах.

Дефекты возникают по разным причинам, которые условно делятся на две большие группы — это может быть нарушение технологии сварки, либо несоблюдение требований в ходе подготовительного этапа, когда элементы проходят предварительную обработку перед сборкой и соединением всех частей металлоконструкции в одно целое.

Виды дефектов сварных швов

Для удобства выявления и классификации дефектов сварочных стыков было создано три основные категории. Каждая из них объединяет дефекты по одному из общих признаков:

• Внешние дефекты сквозных соединений – в эту категорию входят стыковые соединения с трещинами, наплывами, искаженными и неравномерными формами швов, подрезами, кратерами, прожогами и прочими недочетами, заметными непосредственно на поверхности изделия. Как правило, такие дефекты видны даже невооруженным взглядом и их можно обнаружить при стандартном осмотре без применения специальных инструментов.
• Внутренние – к этим дефектам относится пористость, наличие посторонних включений, трещины в глубине соединений (снаружи они могут быть не видны). Под сторонними включениями подразумеваются неметаллические соринки, шлаки, оксиды – при качественном выполнении сварки этого быть не должно. Даже самый мелкий лишний элемент, попавший в шовное соединение, станет причиной его ослабления, а значит, снизит прочность всей конструкции – поэтому очень важно уделять внутренним дефектам особое внимание.
• Сквозные – в эту категорию дефектов входят трещины, прожоги, подрезы, пронизывающие сварное соединение насквозь. Такие изъяны одновременно являются и внешними, и внутренними дефектами, они считаются самыми сложными и потенциально опасными.

Вне зависимости от вида дефекта, все они должны как можно быстрее выявляться и устраняться. В первую очередь, это касается металлоконструкций в несущих опорных сооружениях, которым предстоит выдерживать постоянные высокие нагрузки.

Основные причины дефектов сварного соединения

В ходе контроля сварных соединений могут быть выявлены следующие причины дефектов:

• Наплывы появляются из-за слишком большого сварочного тока, неверного наклона электрода, либо слишком длинной дуги.
• Несплавления возникают в результате некачественной зачистки кромок, из-за чрезмерной длины дуги, слишком высокой скорости сварки, либо недостаточного тока.
• Свищи могут появляться из-за недостаточной пластичности металла, в результате образования закалочных структур, а также из-за напряжения шва от неравномерного температурного воздействия.
• Трещины образуются под воздействием следующих факторов: резкое изменение температуры (быстрое охлаждение металлоконструкции), высокая концентрация фосфора или серы, высокое напряжение в жестко зафиксированных конструкциях.
• Причинами неравномерной формы шва часто становятся такие факторы, как неточное направление электрода, либо неустойчивый режим процесса сварки.
• Пережог (или перегрев) металла возникает в результате слишком сильного нагревания зоны вокруг сварного соединения, из-за неверного подбора тепловой мощности, а также по причине завышения показателя мощности пламени, либо сварочного тока.

Трещины

Трещины обоснованно считаются одними из самых опасных дефектов сварных соединений, т.к. именно такие изъяны нередко приводят к быстрому обрушению конструкции и сооружений. В какой-то момент трещина может почти мгновенно увеличиться до такого размера, что конструкция разрушается за считанные минуты или секунды, и последствия бывают очень тяжелыми. Это не только прямой материальный ущерб, но и жертвы – поэтому за наличием трещин нужно тщательно следить и сразу принимать меры по их устранению.

1. По размерам такие дефекты делятся на микро- и макротрещины.
2. По времени образования – появившиеся в процессе сварки, либо после нее.

Причины образования трещин:

• Самой распространенной причиной образования трещин считается нарушение технологии выполнения сварки. К примеру, это может быть неверное расположение сварочных швов, что приводит к повышенной концентрации напряжения в местах соединений – и эти участки в итоге становятся самыми уязвимыми, они хуже переносят нагрузки и разрушаются в первую очередь.
• Неправильный выбор материалов для сварки;
• Резкое понижение температуры всей конструкции, либо участка сварки.
• Высокая концентрация углерода и примесей в самом шве – это может быть сера, фосфор, кремний, никель, водород и пр.

Для устранения трещины нужно выполнить следующие действия:

1. Сначала ее рассверливают по всей длине – это необходимо для предотвращения дальнейшего увеличения разлома;
2. Затем старый шов полностью удаляется – его вырезают или вырубают;
3. Финальный этап – выполнение нового сварного соединения.

Подрезы

Подрезы представляют собой канавки-углубления в тех зонах конструкции, где сварной шов переходит в сплошной металл изделия.

В идеале подрезов вообще быть не должно, либо их количество следует сводить к возможному минимуму. Тем не менее, их можно встретить практически во всех сварных металлоконструкциях – и важно уметь правильно их идентифицировать для дальнейшего устранения/восстановления.

Подрезы опасны тем, что они уменьшают сечение шва – и в результате здесь образуется зона повышенного напряжения. С течением времени это может существенно ослабить шов и негативно повлиять на прочность всей конструкции в целом.

Чаще всего причиной появления подрезов становится слишком высокая величина сварочного тока; такие дефекты можно увидеть во многих горизонтальных сварочных соединениях.

Для устранения подреза выполняется наплавка нового тонкого сварочного шва по очертаниям дефекта.

Наплывы

Дефекты такого типа появляются в тех случаях, когда металл в расплавленном виде стекает на поверхность основной металлоконструкции – но при этом сплошное, неразрывное соединение не образуется.

Наплыв может образоваться под влиянием следующих факторов:

• недостаточная температура или продолжительность прогрева металла основной конструкции из-за слишком низкого тока;
• присутствие окалины на кромках соединяемых элементов – это мешает нормальному сплавлению;
• избыток присадочного состава.

Для устранения наплыва нужно сначала проверить участок на наличие «непровара», а затем срезать проблемную зону и выполнить сварку снова.

Прожоги

Прожоги – это сварочные дефекты, возникающие в тот момент, когда металл проплавляется насквозь и происходит вытекание жидкой массы по сквозным отверстиям в соединении. С обратной стороны прожога тоже образуется дефект, но это будет не прожог, а натек.

Основные причины образования прожогов в сварных швах:

• Слишком высокий сварочный ток;
• Низкая скорость перемещения электрода;
• Слишком значительный зазор между кромками соединяемых элементов;
• Недостаточная толщина подкладки, либо ее неудачное прилегание (с зазорами) к металлу основной конструкции.

Для устранения прожога нужно зачистить поврежденные места до основания и снова выполнить сварку с соблюдением всех нормативов.

Непровар

Непроваром называется локальный участок, в котором наплавляемый металл не соединился с основным, либо такие несплавления образовались между слоями шва. Если сечение шва в процессе сварки осталось не заполненным – это тоже непровар.

Дефекты этого типа приводят к значительному снижению прочности сварного соединения, что в обозримой перспективе может стать причиной деформации и обрушения металлоконструкции.

Непровары появляются под влиянием следующих факторов:

• Недостаточный сварочный ток;
• Нарушения технологии в процессе обработки кромок соединяемых элементов;
• Слишком большая скорость выполнения сварки;
• Присутствие сора и других посторонних включений на кромках.

Для удаления непровара зона дефекта вырезается, зачищается и заваривается снова.

Кратеры

данные дефекты представляют собой углубления, образующиеся из-за разрыва сварочной дуги.

Наличие кратеров приводит к тому, что площадь сечения сварочного шва становится меньше – а это плохо влияет на прочность соединения. Кроме того, в кратерах бывают рыхлые участки, появляющиеся в процессе усадки – они нередко становятся причиной образования трещин, очень опасных для всего сооружения.

Чтобы избавиться от кратера, нужно удалить все остатки старой сварки до металлического основания самой конструкции и выполнить сварку снова.

Свищи

Свища – это полостные дефекты. Они, по аналогии с кратерами, приводят к снижению прочности сварных соединений – и в итоге на этих участках со временем появляются трещины.

Устранение свищей выполняется стандартным способом – поврежденный участок шва удаляется и заваривается заново.

Посторонние включения

К посторонним включениям относятся частички самых разных веществ – шлака, вольфрама и пр.

Включения шлака чаще всего появляются в тех случаях, когда они не успевают всплыть на поверхность металла (пока он находится в расплавленном состоянии). То есть частицы шлака остаются внутри, нарушая целостность соединения. Обычно это бывает при нарушении технологии сварки, неправильном выборе параметров – к примеру, установлена слишком высокая скорость. Кроме того, включения шлака могут попасть в шов в процессе некачественной зачистки соединяемых элементов, либо промежуточных слоев.

(вторая часть для проверки уникальности)

Вольфрамовые включения могут оказаться внутри швов в процессе сварки электродом из вольфрама.

Помимо вольфрамовых, в сварном соединении нередко обнаруживаются включения окислов металлов. Причиной этого становится слабая растворимость окислов, а также слишком быстрое охлаждение конструкции в процессе или после выполнения сварки.

Вне зависимости от типа включений, все они вредны и опасны – в участках их присутствия появляются точки концентрации напряжения, и эти очаги со временем разрастаются. В результате прочность соединения становится все ниже, что представляет опасность для всей конструкции, здания и окружающей инфраструктуры.

Типовой метод устранения включений – вырезание участков с дефектами и их последующее заваривание.

Пористость

Пористостью в сварном шве называется полость, которая заполнена газами, образующимися в ходе активного газообразования внутри твердеющего металла. Когда металл переходит из жидкого расплавленного состояние в твердое, газовые пузырьки могут оставаться внутри – это и есть полости.

Внутри уже полностью затвердевшего шва могут обнаруживаться полости самых разных размеров – от практически незаметных до больших, диаметр которых достигает нескольких миллиметров.

Полости опасны сами по себе, но еще хуже, если они присутствуют в комбинации со свищами, кратерами или другими дефектами – в таких случаях негативный эффект от изъяна значительно усиливается. При обследовании некоторых металлоконструкций обнаруживаются сложные скопления, состоящие из множества пор, свищей и кратеров – такие зоны нужно полностью удалять.

Поры в швах могут появляться по следующим причинам:

• На поверхностях соединяемых элементов есть соринки и другие посторонние включения;
• В основном металле, а также присадочном составе слишком высока концентрация углерода;
• Сварка выполняется слишком быстро, в спешке – это грубое нарушение технологии, т.к. при чрезмерно высокой скорости работы пузырьки газов просто не успевают дойти до поверхности жидкого металла;
• Слишком высокая влажность электродов.

При обнаружении пористости нужно удалить всю поврежденную зону (даже если это большое комплексное скопление), произвести зачистку до основного металла и снова выполнить сварку.

Перегрев и пережог металла

Пережог и перегрев – это дефект, образующийся в результате слишком высокого сварочного тока, либо недостаточной скорости сварки.

Перегрев характеризуется тем, что в шве и области возле него размеры зерен металла увеличиваются – это приводит к ухудшению прочности соединения и всей металлоконструкции. Сильнее всего страдает такой параметр, как ударная вязкость – это особенно опасно для объектов, часто подвергающихся высоким периодическим нагрузкам.

Для решения проблемы перегрева нужно провести дополнительную термообработку металлоконструкции.

Пережог может повлечь за собой еще более разрушительные последствия, чем перегрев. При пережоге металл становится слишком хрупким, т.к. в нем появляются зерна, подвергшиеся окислению – то есть они обладают слишком низким сцеплением друг с другом. Пережженный металл появляется по тем же причинам, что и перегретый – избыточный сварочный ток и слишком медленное выполнение сварки. Здесь ситуация усугубляется еще и тем, что расплавленный металл не обладает достаточной защитой от кислорода и азота.

Для восстановления пережженных участков места соединения нужно полностью вырезать, а затем выполнить сварку снова.

Причины появления

У каждого из дефектов есть свои факторы образования, но существуют и общие причины:

• ненадлежащее качество расходников, применяемых для соединения элементов – этому пункту нередко уделяется слишком мало внимания;
• отклонение от стандартов технологии сварки;
• плохое качество металла, из которого выполнена основная конструкция и ее элементы;
• использование оборудования, которое непригодно для работы – например, оно не обладает достаточной мощностью или просто неисправно;
• некорректный подбор режима сварки;
• низкая квалификация оператора, большое количество ошибок в процессе выполнения сварки.

Любая из этих причин может привести к появлению дефектов, что негативно скажется на прочности, долговечности и безопасности всей металлоконструкции. Поэтому еще до начала сварочных работ нужно провести тщательную подготовку – проверить оборудование и материалы, убедиться в квалификации работника.

Как выявить дефект

Существует несколько способов, позволяющих обнаружить дефекты сварных швов:

• Внешний осмотр, поиск визуально заметных изъянов;
• Обмер швов – все нормативы указаны в ГОСТах, отклонение от них считается дефектом;
• Проведение испытаний стыков на предмет их проницаемости;
• Использование специальных приборов неразрушающего контроля;
• Взятие образцов и проведение испытаний в лаборатории.

Для проведения осмотра шов должен быть полностью очищен от всех остатков сварочного процесса – застывших брызг жидкого металла, шлака и прочих наружных загрязнений.

В процессе осмотра изучается форма и размер швов, соединение проверяется на предмет наличия/отсутствия свищей, трещин, прожогов, кратеров и прочих дефектов.

Проверка непроницаемости направлена на обнаружение дефектов, не заметных визуально. Это особенно актуально для таких конструкций, как трубопроводы – здесь любой дефект может оказаться критичным. Испытание непроницаемости позволяет выявить непровары сквозного типа, поры, внутренние трещины.

Проверка непроницаемости выполняется с применением следующих методов:

• использование воздуха – швы продуваются насквозь или заполняются струей воздуха;
• использование воды – это может быть наполнение отдельных отсеков, либо струя, направляемая в определенные участки;
• использование керосина для смазывания сварных соединений, чтобы проверить их проницаемость.

При обнаружении любого дефекта в процессе проверки изделие отправляется на доработку.

Способы устранения дефектов сварных швов

Выбор способа устранения дефекта зависит от его типа – поэтому очень важно изначально правильно выполнить диагностику и установить характер изъяна. На основании этой информации принимается решение о дальнейших действиях.

Основные способы устранения дефектов с учетом их типа:

• для устранения прожогов стыки капитально зачищаются до основания, а потом завариваются;
• трещины высверливаются до основания с вырубкой швов в поврежденных зонах, зачищаются и завариваются;
• подрезы восстанавливаются путем наплавки дополнительного тонкого слоя по всей протяженности изъяна;
• непровары полностью вырезаются с последующим завариванием;
• кратеры и свищи удаляются по той же технологии – проблемные места вырезаются, зачищаются, и сварка выполняется заново;
• при удалении наплывов поврежденные зоны тоже срезаются после проведение предварительной проверки на присутствие непроваров;
• для восстановления деформации применяется термомеханический способ – с нагреванием и механической доработкой;
• посторонние включения удаляются методом вырезания с последующим завариванием восстанавливаемых мест.

Когда требуется устранить дефекты в сварных швах трубопроводов, задействуются следующие методы:

1. механический способ, не предполагающий новой сварки;
2. механический способ с последующим вырезанием и завариванием мест обнаружения дефектов;
3. удаление всего участка трубы с его последующей заменой – этот метод применяется, если обнаружено большое скопление дефектов в одной локации.
4. удаление старого сварного шва с выполнением нового.

Если речь идет об исследовании и контроле сетей газового распределения, дефекты сварных швов подлежат исправлению только в том случае, когда была применена дуговая сварка. Если использовалась газовая сварка – исправление локальных дефектов в газопроводах запрещено в соответствии с регламентами безопасности.

Методы контроля сварных швов

Контроль качества выполнения сварных швов должен выполняться на каждом этапе работы – это позволяет убедиться в надежности всей конструкции, обеспечить ее долговечность и безопасность.

Поэтапные методы контроля:

• Подготовительный – сюда входит проверка качества всех используемых материалов и расходников;
• Контроль в процессе сварки – здесь выполняется постоянный мониторинг корректности режимов сварки, производится визуальная проверка «свежих» швов, выполняются обмеры и сопоставление с шаблонами. На этом этапе можно своевременно выявить проблемные места и сразу их восстановить, исправить.
• Обследование готовой металлоконструкции – для начала она осматривается визуально, при необходимости применяются дополнительные методы испытаний.

Методы проверки качества сварных швов делятся на две категории – разрушающий и неразрушающий контроль.

К неразрушающим относятся следующие методы:

1. визуальный осмотр;
2. дефектоскопия с применением ультразвука;
3. магнитное техническое обследование обследование;
4. дефектоскопия с применением цветов;
5. капиллярная дефектоскопия
6. испытания на непроницаемость и другие.

Применение методов разрушающего основано на взятии образцов с участков, вызывающих вопросы. Эти образцы отправляются в лабораторию, где их подвергают химическим, металлографическим и механическим испытаниям.

Заключение

Чтобы обеспечить сварным соединениям надлежащее качество, необходимо действовать по регламенту, в точности соблюдая технологию сварки. При этом все этапы работы должны сопровождаться строгим контролем – такой подход поможет свести к минимуму количество дефектов, а также даст возможность время их выявлять и устранять.