11 група    15.04.2020р.   Урок №143-144

ТЕМА №21.   Контроль якості зварних 

                         з'єднань

Урок №143-144.  Руйнівні методи контролю.  

                              Технологія видалення дефектів.  

                                                        

План

             1. Механічні випробування зварних з'єднань.
             2. Метлографічні випробування зварних з'єднань.
             3. Хімічний і спектральний аналіз.

             3. Способи усунення дефектів.

  

         Домашнє завдання : І.В. Гуменюк, О.Ф. Іваськів

                                             Технологія електродугового зварювання

                                                   ст.447-456. 

        Для вивчення теми уроків можна використати підручник, або наступний матеріал  

         Корисні посилання:

        https://www.youtube.com/watch?v=bUVzMF275Fs – руйнівний та неруйнівний контроль

①

Механічні випробування зварних з’єднань

Для оцінки механічних властивостей зварні з'єднання піддаються різним випробуванням. Механічні випробування зварних з'єднань застосовують у випадку, коли потрібно визначити якість зварювальних матеріалів, розробити оптимальні технологічні режими (особливо при зварюванні спецсталей), а також при перевірці кваліфікації зварників чи при їх переатестації.

Механічні випробування зварних з'єднань за характером прикладання навантажень у часі можна поділити на три основні види:

—статичні випробування, які здійснюються шляхом поступового збільшення навантаження навіть до повного його руйнування; імітує роботу зварних з'єднань при постійному навантаженні;

—динамічні випробування, при яких зусилля зростає миттєво і діє майже миттєво. Вони характерні для з'єднань, які працюють в умовах швидкозростаючих навантажень (ударів);

—випробування на втомлюваність, при яких навантаження миттєво змінюється за величиною або за величиною та знаком.

Методи визначення механічних властивостей зварних з'єднань передбачають наступні види випробувань металу різних ділянок зварного з'єднання і наплавленого металу зварного шва:

—на статичний (короткочасний) розтяг;

—на ударний згин (на надрізаних зразках);

—на стійкість проти механічного старіння;

—на статистичний розтяг зварного з'єднання;

—на статистичний згин (загин зварного з'єднання);

—на ударний розрив зварного з'єднання.

Крім того, вони передбачають вимірювання твердості металу різних ділянок зварного з'єднання і наплавленого металу.  Випробування проводять на зразках, які вирізаються безпосередньо з контрольованих виробів, наприклад, із стиків трубопроводів або з контрольних з'єднань, які спеціально зварюються. 

При цьому необхідно використовувати ті ж зварювальні матеріали й основний метал, режим зварювання і термообробки, тих же зварників.

Вирізування заготовок для зразків необхідно, по можливості, проводити на металорізальних верстатах, щоб не змінювалась структура металу. 

До початку випробувань на всі зразки (поза їх робочою зоною) ставиться клеймо, яке зберігається після випробувань.

Статичні випробування

Випробування на розтяг є одними з найпоширеніших, тому що дають можливість порівняно точно оцінити поведінку металу й при інших видах навантажень.  Цей вид випробувань передбачається для більшої частини відповідальних зварних конструкцій, є відносно простим і легким у виконанні (рис.1). 

Рис.1-Зразок для випробування на розтяг

При випробуванні на статичний (короткочасний) розтяг можна визначити: границю текучості металу (різна або умовна), тимчасовий опір, відносне видовження і звуження. 

Випробування проводять на спеціальних машинах для визначення властивостей металу шва і різних ділянок біляшовної зони при всіх видах зварювання плавленням. 

Випробування кутових з'єднань (таврових, напусткових) проводять значно рідше, оскільки досить складно виконати зразки. При випробуванні на згин використовують зразки циліндричної або прямокутної форми (рис. 2). 

Згин проводять на зразках із знятим посиленням і в бік, протилежний кореню шва (при однобічному зварюванні).  За величиною допустимого кута згину залежно від матеріалу і його товщини роблять висновок про пластичні властивості зварного шва та біляшовної зони.  

Рис.2-Схема випробування на статичний згин

Випробування на зминання проводять для труб малого діаметра з поздовжніми та поперечними швами.  Випробування проводять на пресі шляхом деформації зразка стискуючим навантаженням.  Результати випробувань характеризуються величиною просвіту між стиснутими поверхнями при утворенні першої тріщини (рис.3).

Рис.3-Зразок і схема випробування на зминання

Динамічні випробування

Динамічні випробування розрізняють за характером деформації, температурними умовами, кількістю і циклом навантажень. До основних видів динамічних випробувань зварних з'єднань відносяться випробування на ударну в'язкість. Випробування на ударний згин завдяки відносній простоті виконання і точності результатів є найпоширенішим (рис.4).  При цих випробуваннях визначають ударну в'язкість шва, різних ділянок біляшовної зони і наплавленого матеріалу. 

Рис.4-Зразок для випробування на ударний згин

Випробування на втомлюваність

Різні структури і механічні властивості зварних швів, зони термічного впливу під впливом перемінних навантажень можуть призвести до утворення мікротріщин, а потім і до руйнування зварного з'єднання.  Таке руйнування називають втомлювальне, а стан металу при цьому — втомлюваність. Зразок зварного з'єднання піддають дії перемінних навантажень — розтягу, стиску, згину, крученню або комбінації цих навантажень.

②

Металографічні випробування зварних з’єднань

Процес утворення зварних швів супроводжується нагріванням і розплавленням присадкового матеріалу й зварних кромок, їх спільною кристалізацією та охолодженням, нагрівом і охолодженням основного металу в зоні термічного впливу. 

При цьому залежно від режимів і технологічних особливостей зварювання й термічної обробки структура металу шва та зони термічного впливу буде різною. Відповідно будуть відрізнятися їх властивості й хімічний склад.  Вивчення структурних складових металу різних зон зварних з'єднань проводиться при металографічних випробуваннях, які дозволяють виявити зміни, що проходять у металі при різних режимах зварювання і термообробки.

При металографічних випробуваннях досліджують характер руйнування зразків (вид злому), макроі мікроструктуру зварного шва і зони термічного впливу. Крім цього, на шліфах для металографічних випробувань визначають твердість різних зон зварного з'єднання.

Для вивчення виду злому використовують зразки, які зруйнувались при випробуваннях різних видів.  Огляд злому проводять неозброєним оком або за допомогою лупи з десятикратним збільшенням. Пластичне руйнування характеризується утворенням "шийки" в зразках, які випробовуються на розтяг. Пластичні метали дають волокнистий сірий злом із матовою поверхнею. Це свідчить про наявність більш сприятливих дрібнозернистих структур.

При крихкому руйнуванні зміна розмірів зразків незначна, злом має блискучий кристалічний вигляд, метал відрізняється крупнозернистою структурою з низькими пластичними властивостями. 

Зразки руйнуються у місцях наявності дефектів, які легко виявляються на зломі.  Пори виглядають як круглі або витягнуті пустоти з гладкими стінками. Гарячі тріщини характеризуються темною окисненою поверхнею; поверхня металу холодних тріщин блискуча; пустоти з гострими краями вказують на наявність сторонніх включень (іноді у зломі зберігаються й самі включення). 

Таким чином, за видом злому можна робити висновок про будову металу в місці злому, про його однорідність, суцільність і пластичні властивості.

Макроаналіз

 Макроструктуру досліджують для визначення розмірів і форми перерізу зварного шва, величини зони термічного впливу, виявлення нещільностей у вигляді непроварів, тріщин, пор та інших дефектів.

При макродослідженнях можна виявити ділянки хімічної неоднорідності, лікваційні зони, усадкову пористість, форму, розміри й напрям росту кристалітів.

Макроаналіз проводять на спеціально заготовлених зразках-макрошліфах. Для приготування шліфів із зварних з'єднань вирізують плоскі заготовки — темплети. Вирізування виконують упоперек чи по площині зварного шва так, щоб у них входили всі ділянки з'єднання: наплавлений метал, зона сплавлення й термічного впливу, основний метал. Досліджувану поверхню зразка послідовно обробляють різанням або абразивом, шліфують, знежирюють і піддають травленню спеціальними реактивами. Різні зони зварного з'єднання неоднаково взаємодіють із реактивами, тому окремі ділянки втрачають відображувальну здатність і проявляються у вигляді затемнених складових.

Рельєф, утворений затемненими і світлішими ділянками, відтворює картину структури.

Мікроаналіз

Мікроаналіз — не дослідження спеціально виготовлених мікрошліфів за допомогою металографічних мікроскопів, які дають збільшення в 50-2000 і більше разів. При вивченні мікрошліфів виявляють дефекти у вигляді мікротріщин і мікроскопічних уклю-чень, визначають структурні складові зварного з'єднання (різних ділянок шва і зони термічного впливу), що дозволяє робити висновки про процеси кристалізації металу шва.

Мікрошліфи виготовляють із вирізаних для металографічного аналізу ділянок металу зварного з'єднання. Для зручності обробки площа шліфа не повинна перевищувати 20x20 мм, а товщина — 10-15 мм. При звичайному шліфуванні глибина шару із спотвореною дією образива структурою становить 50-100 мкм, поскільки глибина травлення для виявлення мікроструктури не перевищує 10 мкм. Шар із спотвореною при шліфуванні структурою повинен бути видаленим. Для цього шліфи маловуглецевих і низьколегованих сталей обробляють наждачним папером, поступово переходячи від більш крупного зерна до дрібнішого, а потім проводять полірування з допомогою пасти. Полірування виконується на спеціальних станках з горизонтально розташованим полірувальним кругом, який обертається від електроприводу. Потім зразки промивають водою, спиртом і відразу ж піддають травленню. У якості реактивів для мікрошліфів із низьковуглецевих низькоі середньолегованих статей найчастіше використовують слабі спиртові розчини кислот. 

Дуже високу якість мікрошліфів можна одержати при електролітичному поліруванні й травленні. Для цього їх занурюють у ванну з електролітом і пропускають електричний струм. Мікровиступи зразка під дією струму розчиняються.  При цьому поверхня шліфа одночасно полірується і протравлюється. Цей метод дає можливість повністю ліквідувати сліди шару, який деформується при механічній обробці, і дозволяє виявити найтонші структурні складові.

Вимірювання твердості

Твердістю називається здатність металу чинити опір пластичній деформації при вдавлюванні в нього значно твердішого тіла. Твердість дає можливість одержати правильну картину показників міцності різних ділянок зварного з'єднання, тому що для пластичних металів вона пропорційна тимчасовому опору при розриві. 

До основних видів випробовування на твердість відносяться три передбачені стандартом методи, названих за іменами їх винахідників:

метод Брінелля,

метод Віккерса і

метод Роквелла. 

Вимірювання твердості за методом Брінелля застосовують для металів і сплавів малої та середньої твердості. Суть методу полягає у вдавлюванні шарика визначеного діаметра у випробувальний зразок під дією певного зусилля. 

Для випробування матеріалів великої твердості застосовують метод Віккерса, де наконечником для випробовувань є алмазна піраміда, яка дозволяє перевірити твердість деталей малих перерізів і тонких шарів. 

Для випробовувань за методом Роквелла твердість вимірюється не за розмірами відбитка, а за глибиною проникнення алмазного конуса або сталевого шарика у випробовуваний зразок металу. 

Велике значення має визначення твердості окремих складових зварного шва — мікротвердості. Це дозволяє оцінити повноту проходження багатьох металургійних процесів, які проходять при зварюванні.

Вимірювання твердості рекомендується проводити за відповідними схемами. Для стикових з'єднань листів товщиною менше 3 мм дозволяється проводити вимірювання твердості по зовнішній поверхні зразка із знятим до рівня основного металу "посилення".

③

Хімічний і спектральний аналіз

Хімічний склад основного і присаджувального металу суттєво впливає на його механічні, корозійні й технологічні зварювальні властивості.  Тому розробляючи нову технологію зварювання, перевіряючи правильність матеріалів, які застосовуються, проводячи дослідження причин появи різного роду дефектів, виконують хімічний аналіз металу різних ділянок зварного з'єднання. Хімічному аналізу піддають основний метал, електроди, присаджувальний дріт і наплавлений метал. При хімічному аналізі основного металу важливо встановити, що з'єднання основних легуючих і особливо шкідливих елементів (наприклад, сірки і фосфору) знаходиться в допустимих межах.  У деяких випадках проводять також аналіз основного металу на вміст в ньому азоту, кисню і водню. Хімічним анапізом шва можна встановити чи відповідає вміст вуглецю, кремнію, марганцю і основних легуючих елементів нормі. 

Метал для хімічного аналізу відбирають у вигляді стружки безпосередньо із зварного з'єднання.

Розроблені також методи та апаратура для локального спектрального аналізу, які дозволяють з високою точністю визначити хімічний склад металу площею менше 0,1 мм2. Спектральний аналіз проводять на зразках, або безпосередньо на виробі. Хімічний склад визначають за лініями спектра, який дають пари металу, що попадають у дугу спектроскопа. Кожному металу відповідає свій спектр, який дозволяє якісно і кількісно оцінити хімічний склад.

4. 

Способи усунення дефектів

Дефекти можна виправити шляхом місцевої подварки попередньо віддаленого дефектного металу або видаленням всього шва з його подальшим зварюванням. Наприклад, з трубних конструкцій вирізають ділянку труби з забракованими звареним швом, а на його місце вваривают вставку, виготовлену з труби того ж діаметра і тієї ж марки стали. Такі дефекти, як надмірні посилення швів, горбистість, напливи, виправляють видаленням зайвого металу механічним шляхом.

Найбільш трудомістка операція - виправлення дефектів, розташованих в корені шва зварних стиків труб, - непроварів і неприпустимих утяжек. Для їх виправлення доводиться видаляти метал шва на всю товщину стінки. Складним вважають ремонт зварних швів з тріщиною. Порядок технологічних операцій тут наступний: точно окреслюють межі тріщини і засвер-ють їх свердлом діаметром 3 ... 4 мм; повністю видаляють дефектний метал (форма вибірки в усіх випадках повинна бути чашеобразной); проводять травлення ділянки шва для визначення повноти видалення тріщини; виконують підвариво шва. При ремонті зварного з'єднання з сталей, що гартуються проводять попередній підігрів.

Питання для самоконтролю.

1.   Які дефекти є найбільшнебезпечними для посудин, що працюють під тиском?

2.   Як здійснюється хімічний і спектральний аналіз?

3.  Виберіть метод контролю для визначення дефектів при зварюванні труб.

4.  Як здійснюється випробування на розтяг?

5.   Як визначити твердість металу?

6.  У чому суть макроаналізу?