Основні дефекти зварних з'єднань
Тема 11. Контроль нерознімних з'єднань
11.1. Контроль нерознімних з'єднань
Нерознімні з'єднання характеризуються тим, що їх не можна розібрати без ушкодження з'єднувальних елементів. До таких з'єднань належать заклепочні, зварні з'єднання, а також з'єднання склеюванням, паянням.
З'єднання заклепками
Перевагами заклепочних з'єднань є значна стабільність і можливість простого і надійного контролю якості з'єднань.
Заклепочні з'єднання застосовують: в особливо відповідальних з'єднаннях (зі значними навантаженнями) і в з'єднаннях, які безпосередньо сприймають великі вібраційні навантаження; у з'єднаннях, де недопустиме зварювання (нагрів) через небезпеку відпуску термообробних деталей; для з'єднання незварюваних матеріалів (рис. 11.1).
Рис. 11.1. Застосування заклепочного з'єднання при виготовленні металоконструкцій мостів
Заклепка являє собою стрижень круглого перерізу, що має з одного кінця головку, форма головки може бути різною (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Форми головок заклепок
На рис. 11.3 показано з'єднання двох деталей за допомогою заклепок з напівкруглою (сферичною) головкою.
Рис. 11.3. Заклепочні з'єднання
У з'єднуваних деталях виконуються отвори, діаметр яких дещо більше діаметра непоставленої заклепки. Заклепка вставляється в отвори в деталях, і її вільний кінець розклепується обтискачами клепального молотка або машини. Довжина стрижня заклепки вибирається так, щоб виступаюча з деталі частина була достатньою для придання їй у процесі розклепування необхідної форми. Під час розклепування відбувається осаджування стрижня, який заповнює отвори, виконані в з'єднуваних деталях. Залежно від діаметра заклепка розклепується в холодному або заздалегідь нагрітому стані (рис. 11.4).
Рис. 11.4. Створення головок заклепок
Заклепки, установлені в гарячому стані, дають щільніше з'єднання, оскільки після клепання вони холонуть, лінійні розміри зменшуються і сильніше стягують з'єднувані елементи. Для отримання більшої герметичності щільні шви піддають карбуванню — осаджуванню металу вздовж шва і по колу головок заклепок спеціальним інструментом — карбівкою.
За призначенням заклепочні шви поділяються на три групи:
— міцні, які забезпечують необхідну міцність конструкції. До них належать заклепочні з'єднання листів, стальних конструкцій різних споруд, підйомно-транспортних пристроїв, різних рам, кронштейнів;
— щільні, які забезпечують необхідну щільність і герметичність. Такі шви використовують для клепання різних резервуарів, баків, ємкостей для рідин і газів під нормальним атмосферним тиском. На сьогодні щільні заклепочні шви часто замінюють зварними з'єднаннями;
— міцнощільні, які забезпечують не лише необхідну міцність, але й герметичність. Застосовують такі шви для клепання різних газозбірників, парових котлів та інших апаратів, які працюють при внутрішньому тиску більше атмосферного.
За конструктивними ознаками шви розрізняють за розташуванням з'єднуваних листів і заклепок у шві. З'єднання листів може бути напускним (рис. 11.5, а), стиковим із накладкою (рис. 11.5, б).
Рис. 11.5. Заклепочне з'єднання:
а — напускне; б — стикове
За розташуванням заклепок у з'єднаннях розрізняють однорядні (рис. 11.6, а) і багаторядні (рис. 11.6, б) заклепочні шви. Розташування заклепок у рядах може бути шаховим і паралельним.
Рис. 11.6. Розташування заклепок у з'єднанні:
а — однорядне; б — багаторядне
Види заклепок
Види і причини браку клепання. Найпоширеніші види браку при клепанні наведено в табл. 11.1.
У погано поставленій заклепці зрубають головку, а потім бородком вибивають стрижень. Заклепку можна також висвердлити. Для цього закладну головку кернують і свердлять на глибину, що дорівнює висоті головки. Діаметр свердла беруть дещо меншим діаметра заклепки. Недосвердлену головку надломлюють бородком, потім вибивають заклепку.
Таблиця 11.1 Види і причини браку при клепанні
| Ескіз | Характеристика браку | Причина браку |
 | Зсув замикальної головки | Скошений або нерівно обрізаний торець стрижня заклепки |
 | Прогин матеріалу | Діаметр отвору малий |
 | Зсув обох головок | Отвір просвердлений косо |
 | Згин замикальної головки | Довгий стрижень заклепки; підтримку установлено не по осі заклепки |
 | Розклепування стрижня між листами | Клепання виконане при непритиснутих листах |
 | Підсікання (зарублення) головки | Обтискач під час обробки головки був поставлений косо |
 | Недотягнута головка | Нещільна посадка закладної головки при клепанні |
 | Мала замикальна головка | Недостатня довжина виступаючої частини стрижня заклепки |
 | Нещільне прилягання замикальної головки | Перекіс обтискача |
 | Рвані краї головки | Погана якість металу заклепки |
Способи перевірки якості з'єднання. Після складання заклепочні з'єднання піддають ретельному зовнішньому огляду: перевіряють стан головок заклепок і склепаних деталей. Щільність прилягання з'єднаних деталей визначають щупом. Головки заклепок і відстань між ними перевіряють шаблонами.
Заклепочні з'єднання, які потребують герметичності, піддають гідравлічним випробуванням шляхом нагнітання насосом рідини під тиском, що перевищує нормальний на 5—20 %. Місця з'єднання, які дають течу, підкарбовують.
Закарбовування виконують двома основними способами: однією гострокромковою карбівкою і двома тупокромковими карбівками (рис. 11.7).
Рис. 11.7. Способи карбування:
а — однією карбівкою; б — двома карбівками
Слід мати на увазі, що карбування забезпечує ущільнення заклепочного шва лише при товщині листа понад 5 мм. При товщині листа 4 мм і менше карбування не виконують, і шов ущільнюють парусиновою прокладкою, просоченою свинцевим суриком на натуральній оліфі. Поверхню листів у місцях шва ретельно очищують від бруду й іржі.
Зварні з'єднання
У сучасній техніці широко застосовуються з'єднання деталей, виконані за допомогою зварювання. Зварювання успішно заміняє поковки, відливки, клепані з'єднання, спрощуючи технологічний процес, знижуючи трудомісткість і зменшуючи масу виробу (рис. 11.8).
Рис. 11.8. Зварні з'єднання
Під терміном «зварювання» розуміють процес з'єднання металевих елементів шляхом розплавлення електричною дугою або полум'ям газового пальника місця з'єднання до температури зварювання або шляхом наплавлення металу (електрода або особливого прутка) між кромками стикання елементів, у результаті чого в місцях з'єднання отримують зварні шви (рис. 11.9).
Рис. 11.9. Зварний шов
Залежно від процесів, які відбуваються при зварюванні, розрізняють зварювання плавленням і зварювання тиском.
Зварювання плавленням характерне тим, що поверхні кромок зварюваних деталей плавляться і після вистигання створюють міцний зварний шов. До такого зварювання належать газове та дугове зварювання.
При газовому зварюванні горючий газ (наприклад, ацетилен), згораючи в атмосфері кисню, створює полум'я, яке використовується для плавлення. У зону плавлення вводиться прутковий присадний матеріал, у результаті плавлення якого створюється зварний шов (рис. 11.10, а). Газове зварювання застосовується для зварювання як металів, так і пластмас (полімерів).
При дуговому зварюванні джерелом тепла є електрична дуга, яка створюється між кромками зварюваних деталей («основний метал») і електродом. Дугове зварювання може здійснюватися неплавкими (вугільний і вольфрамовий) електродами (рис. 11.10, б). У цьому випадку в зону створеної дуги вводиться присадний матеріал, який плавиться і створює шов. Дугове зварювання може виконуватися також і плавким електродом (рис. 11.10, в): зварний шов створюється в результаті плавлення самого електрода. Дугове зварювання застосовується лише для зварювання металів і їх сплавів.
Рис. 11.10. Види зварювання:
а — газове зварювання; б — дугове неплавким електродом; в — дугове плавким електродом; 1 — присадний матеріал; 2 — зварний паяльник; 3 — полум'я; 4 — електрична дуга; 5 — неплавкий електрод; 6 — електродотримач; 7 — плавкий електрод
Розрізняють такі види зварних з'єднань:
- Стикове з'єднання (С) — зварювані деталі з'єднуються своїми торцевими поверхнями (рис. 11.11).
Рис. 11.11. Стикове з'єднання
- Кутове з'єднання (У) — зварювані деталі розташовані під кутом і з'єднуються по кромках (рис. 11.12).
Рис. 11.12. Кутове з'єднання
- Таврове з'єднання (Т) — торець однієї деталі з'єднується з боковою поверхнею іншої деталі (рис. 11.13).
Рис. 11.13. Таврове з'єднання
- З'єднання нахлистом (Н) — поверхні з'єднуваних деталей частково перекривають одна одну (рис. 11.14).
Рис. 11.14. З'єднання нахлистом
Зварні шви можуть бути суцільними (рис. 11.15) або переривчастими (рис. 11.16).
Рис. 11.15. Суцільний шов
Рис. 11.16. Переривчастий шов:
а — точковий шов; б — у шаховому розташуванні; l — довжина проварюваних ділянок; t — крок
Основні дефекти зварних з'єднань
У процесі створення зварного з'єднання в металі шва і зоні термічного впливу можуть виникати дефекти, тобто відхилення від установлених норм і вимог, які призводять до зниження міцності, експлуатаційної надійності, точності, а також погіршення зовнішнього вигляду виробу. Дефекти зварних з'єднань розрізняють за причинами виникнення і місцем їх розташування (зовнішні і внутрішні).
Залежно від причин виникнення їх можна поділити на дві групи. До першої групи належать дефекти, пов'язані з металургійними і тепловими явищами, які відбуваються у процесі створення, формування і кристалізації зварної ванни і остигання зварного з'єднання, це — гарячі і холодні тріщини в металі шва і пришовній зоні, пори, шлакові включення, несприятливі зміни властивостей металу шва і зони термічного впливу.
До другої групи дефектів, які називають дефектами формування швів, належать дефекти, походження яких пов'язано з порушенням режиму зварювання, неправильною підготовкою і складанням елементів конструкції під зварювання, несправністю обладнання, недбалістю і низькою кваліфікацією зварника й іншими порушеннями технологічного процесу. До дефектів цієї групи належать невідповідність швів розрахунковим розмірам, непровари, підрізи, пропали, напливи, незаварені кратери й ін. (рис. 11.17).
Рис. 11.17. Види дефектів у зварних з'єднаннях:
а — підрізи; б — пропал; в — непровари; г — тріщини; д — газові пори
Дефекти можуть бути зовнішні і внутрішні. До зовнішніх належать дефекти, які можуть бути виявлені зовнішнім оглядом (дефекти формування шва, тріщини і пори, які виходять на поверхню, тощо). Для виявлення внутрішніх дефектів потрібні спеціальні методи неруйнівного й руйнівного контролю.
Дефекти чинять значний вплив на міцність зварних з'єднань і нерідко є причиною передчасного руйнування зварних конструкцій. Особливо небезпечні тріщиноподібні дефекти (тріщини, непровари), які різко знижують міцність, особливо при циклічних навантаженнях.
Дефекти форми шва. Відхилення розмірів і форми зварного шва від проектних найчастіше спостерігаються в кутових швах і пов'язані з порушенням режимів зварювання, неправильною підготовкою кромок під зварювання, нерівномірною швидкістю зварювання, а також із несвоєчасним контрольним обміром шва.
Непроваром називають місцеву відсутність сплавлення між зварюваними елементами, між металом шва й основним металом або окремими шарами шва при багатошаровому зварюванні.
Непровар зменшує переріз шва і викликає концентрацію напружень, тому може значно знизити міцність конструкції. Ділянки шва, де виявлені непровари, величина яких перевищує допустиму, підлягають видаленню і подальшому заварюванню. Непровар у корені шва переважно викликається недостатньою силою струму або підвищеною швидкістю зварювання, непровар кромки (несплавлення з кромками) — зсувом електрода з осі стику, а також руханням дуги, непровар між шарами — поганим очищенням попередніх шарів, великим об'ємом натоплюваного металу, натіканням розплавленого металу перед дугою (рис. 11.17, в, 11.18).
Рис. 11.18. Дефект зварного шва (непровар)
Підрізом називають місцеве зменшення товщини основного металу у границі шва.
Підріз призводить до зменшення перерізу металу і різкій концентрації напружень у тих випадках, коли він розташований перпендикулярно діючим робочим напруженням (рис. 11.17, а, 11.19).
Рис. 11.19. Дефект зварного шва (підріз)
Напливом називають натікання металу шва на поверхню основного металу без сплавлення з ним (рис. 11.20).
Рис. 11.20. Дефект зварного шва (наплив)
Пропалом називають порожнину у шві, яка створилася в результаті витікання зварної ванни. Пропал є недопустимим дефектом зварного з'єднання (рис. 11.17, б).
Кратером називають незаварене заглиблення, яке створюється після обриву дуги в кінці шва.
У кратері, як правило, створюються усадні пухлості, що часто переходять у тріщини (рис. 11.17, г, 11.21).
Рис. 11.21. Дефект зварного шва (кратер)
Газові пори створюються у шві внаслідок перенасичення розплавленого металу зварної ванни газами. Пори можуть бути внутрішніми, які не виходять на поверхню зварного шва, і зовнішніми, які виходять на поверхню шва. Вони можуть бути одиночними, груповими або розташовуватися ланцюжком (рис. 11.17, д).
Підрізи, натікання, напливи, пропали, незаварені кратери, які залишилися після зварювання шлак і бризки, оплавлення кромок (у кутових швах) викликаються переважно надмірною силою струму і напруги на дузі, великим діаметром електрода, неправильними маніпуляціями електродом, поганим складанням під зварювання, низькою кваліфікацією або недбалістю зварника.
Класифікація видів контролю зварних з'єднань. Зварні з'єднання вважають якісними, якщо вони не мають недопустимих дефектів і їх властивості задовольняють вимогам, які висуваються до них відповідно до умов експлуатації зварного вузла або конструкції.
Якість зварних з'єднань перевіряють такими видами контролю:
— попереднім, у процесі якого виконують перевірку якості вихідних матеріалів (зварюваного металу і зварних матеріалів), контроль підготовки деталей під зварювання і складання вузлів, а також стану оснащення, зварного обладнання і пристроїв, кваліфікації складальників і зварників;
— поточним у процесі виконання зварних робіт, що передбачає перевірку дотримання технології зварювання — режимів, зачищення проміжних швів, заварювання кратерів тощо;
— остаточним контролем готових зварних конструкцій, який проводиться відповідно до вимог, що висуваються до виробів.
На стадії попереднього контролю виконують випробування на зварюваність, у тому числі механічні випробування, металографічні дослідження зварних з'єднань і випробування на опір створенню гарячих і холодних тріщин.
Під час виконання зварних робіт застосовують різні способи контролю зварних матеріалів і зварних з'єднань. Ці способи поділяються на дві групи:
— руйнівні (коли зварне з'єднання доводиться руйнувати);
— неруйнівні (коли зварне з'єднання не виходить з ладу).
На практиці переважно намагаються застосувати неруйнівні способи контролю, однак деяку частину зварних з'єднань доцільно піддавати руйнуванню для отримання надійнішої й достовірної інформації про властивості виконаних з'єднань.
Зовнішній огляд і замір розмірів швів. Цей вид контролю є необхідним і найпоширенішим при зварюванні. Зовнішній огляд може бути виконаний неозброєним оком і за допомогою збільшувального скла. Перед зовнішнім оглядом зварні шви мають бути ретельно очищені від шлаку, а якщо необхідно, то і протравлені. Оглядати деталі слід як після прихоплень, так і після накладання кожного валика. Розміри швів заміряють спеціальними шаблонами і вимірювальними пристроями безпосередньо після зварювання.
Рис. 11.22. Зварний шов з дефектами (лускатість)
Оглядати необхідно всі без винятку зварні з'єднання. Зовнішній огляд і вимірювання зварних з'єднань здійснюють за умов достатнього освітлення об'єкта контролю.
Рис. 11.23. Зразки для визначення механічних властивостей:
а, б — на розтяг наплавленого металу (а) і зварного з'єднання (б); в — на згин; г — на ударну в'язкість
Для перевірки механічних властивостей із наплавленого або основного металу виготовляють круглий зразок (рис. 11.23, а), який випробовують на статичний (короткочасний) розтяг на розривній машині. Одночасно визначають відносне подовження (у відсотках від початкової довжини зразка).
Аналогічно проводять механічні випробування властивостей зварного з'єднання з пробної пластини або труби на плоскому зразку (рис. 11.23, б).
Пластичність металу шва визначається випробуванням зварного з'єднання на статичний згин (загин) на розривних машинах або під спеціальним пресом (рис. 11.23, в). Чим більший кут загину, тим вища пластичність. Максимальний кут загину, що дорівнює 180°, характеризує добру пластичність металу. Зразок загинається до створення тріщини.
Випробування зварного з'єднання на ударний розрив (ударну в'язкість) проводять на спеціальних машинах (маятникових копрах). Для цього виготовляються спеціальні квадратні зразки з надрізом з боку розкриття шва (рис. 11.23, г).
Зварне з'єднання випробовують на твердість зазвичай на загартовуваних сталях.
Корозійні випробування зварних з'єднань.
Корозією називається руйнування металів, сплавів і їх зварних з'єднань унаслідок впливу на них оточуючого середовища. Існує два види корозії: хімічна й електрохімічна.
Хімічна корозія являє собою процес безпосередньої взаємодії між металом і середовищем (сухі гази, рідкі неелектроліти — бензин, мастило, смола тощо). Електрохімічна корозія відбувається під впливом на метали рідких електролітів (водних розчинів солей, кислот, лугів), а також вологого повітря, тобто провідників електрики — розчинів, які містять іони.