Электрогазосварка. Электросварка. Газосварка

§ 87. Проверка качества сварки в готовом изделии

Внешний осмотр и обмер сварных швов

Внешним осмотром выявляют несоответствие шва геометрическим размерам, наплывы, подрезы, глубокие кратеры, прожоги, наружные трещины, непровары, свищи и поры и другие внешние дефекты (рис. 199),

Размеры швов должны соответствовать размерам, указанным в чертеже. Не допускается какое бы то ни было уменьшение фактического

размера шва по сравнению с заданным, (номинальным) размером. На рис. 200 показан контрольный шаблон, имеющий вырезы под определенный размер шва. Универсальный измеритель со шкалой (рис. 201) служит для определения катета углового шва, величины усиления и подрезов в стыковом шве. Он может быть применен также для контроля подготовки деталей под сварку. Для контроля шага прерывистого шва можно использовать обычный мерительный инструмент.

Методы контроля плотности сварных швов

Испытаниям на плотность подвергают емкости для горючего, масла, воды, трубопроводы, газгольдеры, паровые котлы и др. Существует несколько методов контроля плотности сварных швов.

Гидравлическое испытание. При этом методе испытания в сосуде после наполнения его водой с помощью насоса или гидравлического пресса создают избыточное давление. Давление при испытании обычно берут в 1,5—2 раза больше рабочего. Величину давления определяют по проверенному и опломбированному манометру. Испытуемый сосуд под давлением выдерживают в течение 5—10 мин. В это время швы осматривают на отсутствие течи, капель и отпотеваний. Для гидравлического испытания применяют не только воду, но и авиационное масло или дизельное топливо (при контроле плотности швов в масляных и топливных баках, трубопроводах).

Кроме того, испытание может производиться наливом воды. Так испытывают вертикальные резервуары для хранения нефти и нефтепродуктов, газгольдеры и другие емкости.

Пневматическое испытание. При пневматическом испытании сжатый газ (воздух, азот, инертные газы) или пар подают в испытываемый сосуд. Сосуды небольшого объема погружают в ванну с водой, где по выходящим через неплотности в швах пузырькам газа обнаруживают дефектные места. Более крупные сварные резервуары и трубопроводы испытывают путем смазывания сварных швов пенным индикатором, который пузырится в местах неплотностей. Самым простым пенным индикатором является водный раствор мыла. Для испытания при отрицательных температурах пригодны смесь мыльного раствора с глицерином, льняное масло и др.

При пневматических испытаниях необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. На подводящей магистрали должны быть запорные краны и предохранительные клапаны. Кроме рабочего манометра, при испытаниях предусматривают контрольный манометр. При испытании под давлением не допускается обстукивание сварных швов и исправление дефектов.

Вакуум-испытания. Участок шва, проверяемый на плотность, смачивают водным раствором мыла. На шов устанавливают вакуум-камеру, представляющую собой коробку с открытым дном и прозрачной верхней крышкой из плексигласа. По контуру открытого дна вакуум- камера имеет резиновое уплотнение. Из камеры выкачивают воздух до определенного разрежения. По вспениванию мыльного раствора, которое наблюдают через крышку, обнаруживают расположение дефектов. Этот метод нашел применение при контроле стыковых швов днищ резервуаров.

Испытание керосином. Этот метод испытания основан на явлении капиллярности, которое заключается в способности многих жидкостей, в том числе и керосина, подниматься по капиллярным трубкам (трубкам малого поперечного сечения). Такими капиллярными трубками являются сквозные поры и трещины в металле сварного шва. Одну сторону стыкового шва покрывают водным раствором мела, после высыхания которого другую сторону смачивают керосином. Время выдержки изделия после смачивания керосином зависит от толщины свариваемых деталей: чем больше толщина и чем ниже температура воздуха, тем больше время выдержки.

Испытание аммиаком. Сущность этого метода заключается в том, что испытуемые швы покрывают бумажной лентой или марлей (рис. 202), которая пропитана 5%-ным водным раствором азотнокислой ртути или фенолфталеином. В изделие нагнетается воздух до определенного давления и одновременно подают некоторое количество газа (аммиака). Проходя через поры шва, аммиак оставляет на бумаге черные (бумага пропитана раствором азотнокислой ртути) или красные (фенолфталеиновая бумага) пятна.

Испытания с помощью течеискателей.

При этом методе испытания применяют гелиевые или галоидные течеискатели. При применении гелиевых течеискателей внутри испытуемого сосуда создают вакуум, а снаружи сварные швы обдувают смесью воздуха с гелием. При наличии неплотностей гелий проникает внутрь сосуда, а затем поступает в течеискатель, где имеется специальная аппаратура для его обнаружения.

В случае применения галоидных течеискателей внутри испытуемого сосуда создают избыточное давление и вводят небольшое количество голоидного газа. Газ проникает через неплотности шва, отсасывается снаружи сосуда и поступает в специальную аппаратуру. По наличию галоидного газа определяют неплотность шва.

Этот метод обладает высокой чувствительностью и применяется для контроля ответственных сварных изделий.

Механические испытания сварных швов и изделий

От химического состава и структуры наплавленного металла, режимов сварочного процесса, наличия дефектов в металле шва зависят его механические свойства. Кроме механических свойств металла шва, во многих случаях надо определить и механические свойства сварного соединения в целом. При этом сравнивают прочность металла шва с прочностью основного металла и металла зоны термического влияния. Наплавленный металл часто является слабым местом сварного соединения. Для практической проверки квалификации сварщиков обязательным является испытание стыковых соединений на растяжение и изгиб. При сварке ответственных изделий изготовляют контрольные образцы, результаты испытаний которых являются критерием качества сварки.

Характер механических испытаний образцов зависит от того, какую нагрузку несет сварное соединение при эксплуатации. Испытания бывают статические (с постоянной или медленно возрастающей нагрузкой), динамические (с ударной нагрузкой) и вибрационные. При вибрационном испытании, или испытании на выносливость, нагрузка изменяется в течение определенного времени по величине и направлению большое количество раз. Порядок механических испытаний сварных швов и соединений регламентирован ГОСТ 6996—66.

Испытание металла различных участков сварного соединения на статическое (кратковременное) растяжение производят на стандартных образцах. При этом определяют: предел текучести (физический или условный 0,2); предел прочности (временное сопротивление) в; относительное удлинение после разрыва (на пятикратных образцах) 5;

относительное сужение после разрыва ?; ГОСТом предусмотрено пять типов образцов. Для испытаний, проводимых при нормальной или пониженной

температуре, применяют образцы всех типов. При испытании при повышенной температуре применяют образцы типов IV и V.

Формы и размеры образцов должны соответствовать рис. 203 и табл. 278.

Образцы вырезают из швов угловых или стыковых соединений или из специально подготовленных наплавок.

Испытание сварного соединения на статическое растяжение производят на образцах, форма и размеры которых даны на рис. 204 и

в табл. 279. Усиление шва снимают заподлицо с основным металлом. В отдельных случаях разрешается производить испытание образцов без снятия усиления. При этом площадь сечения образца принимают

вне шва. При испытании образца со снятым усилением определяют прочность наиболее слабого участка соединения.

Для испытания стыковых соединений стержней применяют образцы круглого сечения. Форма и размеры образцов должны соответствовать рис. 205 и табл. 280. Для определения прочности металла шва в стыковом соединении применяют образец, показанный на рис. 206.

Размеры образца в зависимости от толщины металла приведены в табл. 281. Усиление шва должно быть снято механической обработкой до уровня основного металла. Предел прочности (кгс/см2) при испытании таких образцов определяют по формуле

Для углеродистых и низколегированных конструкционных сталей коэффициент К принимают равным 0,9. Для других металлов значение коэффициента К устанавливается соответствующей технической документацией.

где К — поправочный коэффициент; Р — максимальное усилие, кгс; F — площадь поперечного сечения образца в наименьшем сечении до испытания, мм2.

Испытание на изгиб дает представление о пластических свойствах стыкового соединения. Форма и размеры образцов приведены на рис. 207 и в табл. 282. Испытание образцов типа А (рис. 207, а) производят по схеме, показанной на рис. 208, а, а испытание типов Б и В (рис. 207, б) — по схеме рис. 208, б; причем для образцов типа Б К = 2,5D, а для образцов типа В К = 3D. Нагрузку прикладывают

равномерно до появления первой трещины. Угол загиба до появления трещины является мерой пластических свойств сварного соединения.

Ударную вязкость металла шва и переходной зоны определяют при испытании образцов с надрезом на ударный изгиб, форма образца показана на рис. 209, а размеры даны в табл. 283.

Надрез образца делают по шву, по линии сплавления или по зоне термического влияния в зависимости от цели испытания.

Твердость сварного соединения, характеризующая прочность металла, измеряют с помощью приборов Роквелла и Виккерса. Отдельные схемы измерения твердости показаны на рис. 210.

Кроме испытания стандартных образцов, механическим испытаниям подвергают готовые изделия и конструкции. Целью такого испытания, которое большей частью проводят в условиях, близких к условиям работы изделия, является выявление его прочности.

Рентгеновское просвечивание

Рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами. Они обладают следующими свойствами: способны проникнуть сквозь непрозрачные тела, действуют на фотографическую пленку, как и световые; под действием рентгеновских лучей некоторые вещества, например сернистый цинк, светятся (люминесцируют), вызывают ионизацию газов, в том числе и воздуха, и делают его электропроводным в больших дозах, вызывают вредное физиологическое действие на живой организм, разрушая его ткани.

В промышленности для просвечивания изделий применяют серийные рентгеновские аппараты типа РУП. Так, аппарат РУП-120-5-1 применяют для просвечивания металла из стали толщиной до 25 мм и легких сплавов толщиной до 100 мм.

Схема просвечивания сварного соединения показана на рис. 211. Источник излучения (рентгеновскую трубку) помещают на определенном расстоянии от шва, так, чтобы лучи были направлены перпендикулярно к его оси. С противоположной стороны крепят светонепроницаемую кассету, которая должна плотно и равномерно прилегать к просвечиваемому участку изделия. В кассете расположены рентгеновская пленка и два листа усиливающих экранов. При просвечивании пленку выдерживают под лучами в течение определенного времени, называемого экспозицией. Экспозиция зависит от толщины просвечиваемого металла, фокусного расстояния, интенсивности излучения и чувствительности пленки. Усиливающие экраны служат для сокращения экспозиции. После просвечивания пленку вынимают из кассеты и проявляют. Затем негатив промывают и фиксируют для получения стойкого фотографического изображения. Полученное на негативе изображение участка шва

будет неодинаковым по степени потемнения отдельных мест. Лучи, попавшие на пленку, через дефект поглотятся в меньшей степени по сравнению с лучами, прошедшими через плотный металл, и окажут более сильное засвечивающее действие на определенный участок светочувствительного слоя пленки.

При просвечивании рядом со швом (параллельно ему), со стороны источника излучения, устанавливают дефектометр (рис. 212), который служит для определения глубины залегания и величины обнаруженного дефекта. Дефектометр — это пластинка, изготовленная из того же материала, что и просвечиваемый металл. Толщина пластинки должна быть равна усилению шва. На дефектометре выфрезерованы канавки различной глубины. При одинаковой интенсивности потемнения пленки под одной из канавок с потемнением дефекта, при известной глубине канавки, определяют величину дефекта (по высоте). Качество просвеченного сварного шва определяют путем сравнения пленки с эталонными снимками, установленными для определенного изделия или группы изделий. Просвечиванием можно обнаружить большинство внутренних дефектов: непровар, поры, включения, крупные трещины.

При просвечивании стыкового шва с V-образной подготовкой кромок кассету с пленкой обычно устанавливают со стороны нижней части разделки, что позволяет выявить непровар вершины. Для обнаружения непровара по кромкам источник лучей устанавливают в два различных положения (II и III), как показано на рис. 213. Непровар по кромке, фиксируется на пленке в виде темной полоски выделяющейся на более светлом фоне сварного шва. Газовые поры и шлаковые включения одинаково выявляются при любой схеме просвечивания.

Просвечивание сварных швов гамма-лучами

Гамма-лучи, так же как и рентгеновские, представляют собой электромагнитые волны. Получение гамма-лучей связано со свойствами некоторых элементов (уран, радий, торий) самопроизвольно испускать лучи. Это явление называется радиоактивностью.

Недостатком применения для просвечивания естественных радиоактивных веществ является их дороговизна. Сейчас при просвечивании применяют более дешевые искусственные радиоактивные вещества. Их получают облучением какого-либо химического элемента ядерными частицами — нейтронами. Из искусственных радиоактивных изотопов чаще применяют для просвечивания изотопы кобальт-60, тулий-170 и иридий-192.

Из-за вредного действия гамма-лучей на организм человека радиоактивные изотопы хранят в специальных контейнерах.

Для просвечивания в цеховых условиях промышленность выпускает установки ГУП-Со-0,5-1, ГУП-Со-5-1 и ГУП-Со-50.

Техника просвечивания сварных соединений гамма-лучами подобна технике рентгеновского просвечивания. Схемы гамма-просвечивания показаны на рис. 214.

По сравнению с рентгеновским контролем просвечивание гамма- лучами имеет следующие преимущества: радиоактивней препарат можно установить для просвечивания в такие места конструкции, где не поместится громоздкая рентгеновская установка;

гамма-лучами возможно одновременно контролировать несколько деталей, а также кольцевые швы изделий;

контейнер с ампулой удобен в полевых условиях благодаря легкости его транспортировки;

затраты на гамма-просвечивание меньше;

препарат радиоактивного изотопа (кобальт-60) безотказен в работе и может непрерывно использоваться пять с лишним лет.

Недостаток просвечивания гамма-лучами — меньшая чувствительность к выявлению дефектов в швах толщиной меньше 50 мм.

Длительное воздействие на человека больших доз излучения приводит к лучевой болезни. При соблюдении установленных правил можно работать по просвечиванию в течение длительного времени без ущерба для здоровья.

Методы контроля сварных швов рентгенографированием и гамма-графированием регламентированы ГОСТ 7512—69.

Ультразвуковой метод контроля

Этот метод основан на способности ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух сред, обладающих разными акустическими свойствами. При помощи ультразвука можно обнаружить трещины, раковины, расслоения в листах, непровары, шлаковые включения, поры.

Ультразвук представляет собой упругие колебания материальной среды с частотой колебания выше 20 кГц, т. е. выше верхней границы слухового восприятия. Существует несколько способов получения ультразвуковых колебаний. Наиболее распространенным является способ, основанный на пьезоэлектрическом эффекте некоторых кристаллов (кварца, сегнетовой соли) или искусственных материалов (титаната бария). Этот эффект заключается в том, что если противоположные грани пластинки, вырезанной из кристалла, например кварца, заряжать разноименными зарядами электричества, то она будет деформироваться в такт изменения знаков зарядов. Изменяя знаки электрических зарядов с частотой выше 20 тыс. колебаний в секунду, получают механические колебания пьезоэлектрической пластинки той же частоты, передающейся в окружающую среду в виде ультразвука.

На пьезоэлектрическом эффекте основана работа ультразвуковых дефектоскопов — приборов для выявления дефектов в изделиях, в том числе и в сварных швах. Для проверки качества сварного шва дефектоскоп подключают к сети переменного тока (рис. 215). Рядом со сварным швом устанавливают пьезоэлектрический щуп 1 с пластинкой из титаната бария. Автоматическое изменение знаков зарядов на поверхности пластинки достигают при помощи лампового генератора 2. Если от этого генератора сообщить пластинке импульс электрических колебаний, то пластинка пошлет в шов короткий ультразвуковой импульс такой же частоты. Первоначальный электрический импульс после его усиления в усилителе 3 будет зарегистрирован на экране катодной трубки 4 в виде пика а светящегося луча. Попав в бездефектный шов, пучок ультразвука достигает противоположной стороны сварного соединения, и отразившись от него, снова попадает на пластинку. К этому моменту пластинка уже прекратит испускать ультразвук из-за кратковременности электрического импульса. Вместо источника ультразвуковых колебаний она становится их приемником. Ультразвуковые колебания, отразившиеся от дна изделия и попавшие на пластинку, преобразуются в механические, а затем и в электрическое колебания. Последние

после усиления попадают на катодную трубку осциллографа. На его экране появится донный сигнал в виде пика в.

Если же в шве имеется какой-либо дефект, например трещина, то часть пучка ультразвука отразится от нее, а другая часть —от противоположной стороны сварного соединения. В этом случае на экране будут видны уже три пика. По среднему пику б устанавливают, что в шве залегает какой-то дефект. Расстояние между пиками а и б позволяет определить, на какой глубине находится дефект.

По принципу отражения ультразвуковых волн работают ультразвуковые дефектоскопы УЗД-7, УДМ-1М, УДМ-3, с помощью которых можно обнаружить дефекты, расположенные на глубине 1—2500 мм под поверхностью.

Люминесцентный метод контроля

Этот метод основан на свечении некоторых веществ при действии на них ультрафиолетовых лучей. Люминесцентный метод контроля применим для обнаружения поверхностных дефектов, главным образом мельчайших трещин.

Перед контролем исследуемый участок шва очищают от загрязнений, затем на очищенные места наносят жидкий раствор, содержащий люминофор. Таких веществ—люминофоров известно несколько. Например, раствор дефектоля в бензине светится ярким желто-зеленым светом при освещении его ультрафиолетовыми лучами. После 10—15 мин выдержки раствор смывают и изделие сушат в струе теплого воздуха. Облучая изделия ультрафиолетовыми лучами в затемненном помещении, по свечению раствора, оставшегося в трещинах, обнаруживают дефектные места.

Магнитные методы контроля

Магнитные методы контроля основаны на принципе использования магнитного рассеяния, возникающего над дефектом при намагничивании контролируемого изделия. Если сварной шов не имеет дефектов, то магнитные силовые линии по сечению шва распределяются равномерно (рис. 216, а). При наличии дефекта в шве вследствие меньшей магнитной проницаемости дефекта магнитный силовой поток будет огибать дефект, создавая магнитные потоки рассеяния (рис. 216, б).

В зависимости от способа фиксирования потоков рассеяния существует метод магнитного порошка и индукционный метод. В первом случае неравномерность поля определяют по местам скопления ферромагнитного

порошка, нанесенного на поверхность изделия. Во втором случае потоки рассеяния улавливают индукционной катушкой. Изделие намагничивают электромагнитом, соленоидом или пропусканием тока непосредственно через сварное соединение.

При выборе метода намагничивания нужно учитывать, что выявление дефектов магнитным методом возможно только в случае, когда они расположены перпендикулярно направлению магнитного потока.

Существуют два способа контроля магнитным порошком — сухой и мокрый. При сухом способе порошок закиси-окиси железа равномерно наносят на поверхность изделия, применяя ручное сито или пульверизатор. Во многих случаях, в качестве порошка применяют железную окалину, которую предварительно измельчают в шаровой мельнице и просеивают через тонкое сито. В момент пропускания электрического тока изделие слегка обстукивают, что обеспечивает подвижность частиц порошка, распределяющихся в наведенном магнитном поле. Излишек порошка сдувают с детали слабой воздушной струей. При мокром способе применяют так называемую магнитную суспензию — смесь какой-либо жидкости (керосин, трансформаторное масло) с магнитным порошком, мельчайшие частицы которого равномерно распределены по ее объему. Операцию контроля начинают с того, что контролируемый участок сварного соединения поливают или опрыскивают суспензией. Дефекты обнаруживают по скоплениям магнитного порошка. Один и тот же участок проверяют дважды. После проверки качества всех сварных швов изделие размагничивают.

Метод магнитного порошка пригоден для контроля только в ферромагнитных материалах. Этим методом можно обнаружить все поверхностные трещины и те внутренние трещины и непровары, которые залегают на глубине до 6 мм. Для контроля сварных соединений применяют магнитные дефектоскопы, выпускаемые промышленностью, например переносный магнитный дефектоскоп 77ПМД-ЗМ и др.

По принципу индукционного метода контроля работает дефектоскоп системы К. К. Хренова и С. Т. Назарова, упрощенная схема которого показана на рис. 217.

В контролируемом изделии наводят переменный магнитный поток при помощи электромагнита, подключенного к сети переменного тока. Если в шве есть дефект, магнитные силовые линии поведут себя точно так же, как и при контроле методом магнитного порошка. Рассеянные магнитные поля над дефектом обнаруживают при помощи искателя. Индукционный ток усиливается ламповым усилителем, с которым соединена катушка искателя. Усиленные электрические сигналы попадают на телефон, в котором слышатся резко усиленные звуки. Одновременно с этим загорается сигнальная лампа.

При помощи дефектоскопа можно выявлять дефекты в сварных швах стыковых соединений толщиной б—25 мм.

Разновидностью магнитной дефектоскопии является магнитографический способ контроля, при котором поля рассеяния фиксируются на ферромагнитной ленте.

Магнитные методы контроля часто применяют для составления предварительного заключения о качестве сварного соединения. Окончательное установление качества производится по снимку, полученному просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами.

Металлографические исследования

Посредством металлографического анализа проверяют качество структуры металла сварного соединения. В зависимости от того, с каким увеличением рассматривают зерно металла, различают макроструктуру и микроструктуру.

Под макроструктурой понимают структуру металла сварного соединения, рассматриваемую или в натуральную величину или через лупу. Макроструктуру исследуют на шлифах, травленых специальными реактивами. После травления на макрошлифе ясно видны дефекты, попавшие в его сечение. Кроме того, на макрошлифе можно обнаружить скопления серы и фосфора по границам кристаллов. Скопление серы выявляют следующим образом: на макрошлиф накладывают засвеченный листок фотобумаги, смоченный 15%-ным раствором серной кислоты. В тех местах, где бумага соприкасалась с сернистыми включениями, на ней остаются коричневые пятна. Макроструктуру исследуют не только на специально обработанных шлифах, но и по излому образцов после их механических испытаний. Макрошлиф или излом сварного соединения исследуют тогда, когда программой испытания предусмотрено изготовление контрольных образцов.

Макроконтроль сварного соединения можно осуществлять также с помощью засверловок. В этом случае определенное место шва засверливают так, чтобы образовавшееся углубление вскрыло вершину шва. Засверленное место шлифуют наждачной бумагой, затем травят реактивом, рассматривают через лупу и в случае отсутствия дефектов снова заваривают.

В отличие от макроскопического исследования, которое дает представление о металле шва в целом при микроскопическом исследовании, изучают отдельные участки сварного соединения. Микроисследование проводят при помощи микроскопа с увеличением в 100—500 раз. Микроисследование позволяет выявить дефекты структуры, микротрещины и др.

Список литературы
  1. Бондин И. Н. Контроль качества сварных соединений и конструкций. М., Машгиз, 1962, 160 с.
  2. Назаров С. Т. Методы контроля качества сварных соединений. М., «Машиностроение», 1964, 228 с.
  3. Правила испытания сварщиков. М., «Металлургия», 1971, 33 с.

вверх страницы