Методы контроля сварных соединений

Механические испытания металла сварных швов и околошовной зоны позволяют определить численное значение прочности, пластичности и вязкости материалов в различных условиях их работы.

В соответствии с характером действующих сил механические испытания делятся на три вида:

• — статические, когда усилие (нагрузка на образец) плавно возрастает или длительное время остается постоянным. К ним относятся испытания на растяжении, изгиб и ползучесть, определение твердости и микротвердости различных участков сварного соединения и наплавленного металла;
• — динамические, при которых усилие возрастает практически мгновенно и действует короткое время. К ним относятся испытания на ударный изгиб, на ударный разрыв и стойкость против механического старения;
• — испытание на выносливость, когда нагрузка на образец многократно изменяется по величине или по направлению.

Механические испытания в лабораторных условиях проводят в соответствии с ГОСТ 6996–66 как при нормальных (комнатных), так и при пониженных или повышенных температурах в зависимости от условий последующей работы конструкций.

Испытание на статическое растяжение проводят для определения: предела прочности или временного сопротивления разрыву; физического или условного предела текучести; относительного удлинения после разрыва или относительного сужения. Испытание на растяжение производят на разрывных и универсальных машинах всех систем при условии соответствия их ГОСТ 1497–84 и ГОСТ 7855–84.

Пределы прочности и текучести определяют по диаграмме растяжения, которая автоматически записывается в процессе испытания.

Относительное удлинение и относительное сужение определяют путем непосредственного измерения длины образца и площади его сечения до и после испытания.

Для испытания на растяжение металла шва, металла различных участков околошовной зоны и наплавленного металла при всех видах сварки плавлением применяют круглые образцы Гагарина.

Для определения прочности стыковых и нахлесточных соединений применяют специальные плоские образцы без снятия усиления шва, а для определения прочности металла шва в стыковых соединениях — плоские и круглые образцы со снятым усилением и специальной выточкой, предопределяющей место разрушения.

В ГОСТ 6996–66 даны чертежи и таблицы с размерами образцов и с указаниями по их вырезке.

Для перевода предела текучести и временного сопротивления в МПа необходимо соответствующие данные, полученные в кг/мм², умножить на 10, т. е. 1 кг/мм^г= 10 МПа.

Испытания на статический изгиб проводят для стыковых сварных соединений. Эти испытания определяют пластичность сварного соединения, т. е. способность соединения воспринимать заданный изгиб. Эта способность характеризуется углом изгиба до образования первой трещины в растянутой зоне образца.

Образцы для испытания на изгиб — плоские, прямоугольной формы, с поперечным или продольным швом. Утолщение шва снимается до уровня основного металла.

При испытании на ударный изгиб определяют ударную вязкость металла шва, околошовной зоны или наплавленного металла, т. е. склонность металла к хрупкому разрушению при динамической нагрузке.

Ударная вязкость определяется как частное от деления работы удара, затраченной на излом образца (кг*м), на площадь поперечного сечения образца в месте надреза (см²).

Единица измерения ударной вязкости — кгм/см' или МДж/м². Для перевода величины ударной вязкости в Мегаджоули на метр квадратный (МДж/м²) значение кгм/см² следует разделить на 10.

Форма и размеры образцов для испытания на ударный изгиб даны в ГОСТ 6996–66. Испытания проводятся на вертикальных маятниковых или ротационных копрах.

Наряду с испытаниями надрезанных образцов и определением ударной вязкости можно проводить испытания ненадрезанных образцов с одновременным определением стрелы прогиба, как характеристики пластичности.

Значение ударной вязкости металла шва на строительных конструкциях должно соответствовать требованиям СНиП III-18−75, а для сосудов, работающих под давлением, — требованиям «Правил устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением».

Ультразвуковой контроль. Ультразвуковые колебания прямолинейно распространяются в металле и отражаются от границы раздела сред, имеющих различные акустические свойства. Для возбуждения ультразвуковых колебаний используется пьезоэлектрический эффект, при котором электрические колебания, приложенные к пьезоэлементу, превращаются в механические колебания. Отраженные ультразвуковые волны, попадая на пьезопластину, вызывают электрические импульсы, которые усиливаются и поступают на экран дефектоскопа.

Ультразвуковые колебания вводятся в контролируемое изделие при помощи плоских искателей через слой жидкости, необходимой для акустического контакта искателя с поверхностью металла.

В практике наибольшее распространение нашел эхо-импульсный метод дефектоскопии сварных швов, при котором в шов посылают кратко-временные импульсы ультразвуковых колебаний, а в паузах между ними отраженные от дефектов колебания поступают на пьезоэлемент.

Ультразвуковой контроль производится в соответствии с требованиями ГОСТ 14 782–86.

Выбор параметров контроля и методика его проведения регламентируются специальными инструкциями по УЗК, которые разрабатываются для отдельных видов сварных соединений, толщин проверяемого металла или для конкретных изделий. Скорость ручного ультразвукового контроля обычно не превышает 5−7 м/ч.

Для проверки качества сварных швов при производстве сварных строительных конструкций применяют дефектоскопы с рабочими частотами 0,6; 1,8; 2,5; 5 и 10 МГц. Минимальная площадь выявляемых дефектов — 1−2 мм².

Контроль проникающим излучением. Контролю проникающим излучением подвергают сварные швы, принятые по внешнему виду и не имеющие наружных дефектов. Сварные соединения, не принятие по результатам внешнего осмотра, к рентгеногамма-графическому контролю не допускаются.

Просвечивание сварных швов должно осуществляться в соответствии с требованиями ГОСТ 7512–82 и утвержденных министерством инструкций по рентгенографированию.

Рентгеногаммаграфический контроль предназначен для выявления в сварном шве и околошовной зоне внутренних дефектов, трещин, непроваров, усадочных раковин, пор, металлических и неметаллических включений, а также недоступных для внешнего осмотра наружных дефектов: смещений кромок, вогнутости корня шва, прожогов, подрезов.

Трещины, расположенные под углом не более 5° по направлению центрального луча, непровары в виде плотного сливания и несплавления металла без шлаковой прослойки просвечиванием не выявляются.

При контроле сварных соединений просвечиванием применяют три вида регистрации дефектов:

рентгенографический — с фиксацией дефектов на рентгеновской пленке;

ксерографический — с фиксацией дефектов сначала на ксеропластине, а затем на писчей бумаге;

флюороскопический или рентгеноскопический — с обнаружением дефектов по свечению на экране или с помощью электронно-оптических преобразователей (рис. 39,6).

В качестве источников ионизирующего излучения при радиографическом контроле применяют рентгеновские аппараты непрерывного действия, импульсные рентгеновские аппараты и радиоизотопные источники излучения.

Металлографическому исследованию подвергаются стыковые, тавровые и угловые соединения для выявления возможных внутренних дефектов (трещин, непроваров, шлаковых и металлических включений и др.), также для установления глубины проплавления и структуры металла шва.

Контроль производится путем исследования поверхности шлифа, вырезанного поперек сварного шва. Контролируемая поверхность должна включать в себя сечение шва с зоной термического влияния и прилегающей к ней участком основного металла.

Вырезка заготовок для шлифов производится режущим (фрезеровка, строгание) или абразивным инструментом. Допускается газовая или плазменная резка, если при этом будут исключены структурные изменения металла в исследуемом сечении.

К металлографическим относятся макроструктурные и микроструктурные исследования.

Макроисследование проводится визуально или при увеличении до 30 раз. Макроструктурный анализ выявляет форму и размеры шва, площадь и форму провара основного металла, направленность, рост и размеры кристаллитов, размеры и форму околошовной зоны, наличие в соединении непроваров, трещин, пор, шлаковых включений, химической неоднородности и т. п.

Данные макроструктурного анализа совместно с измерениями твердости дают довольно точное представление о качестве сварного соединения и об изменениях, которые нужно ввести в технологию сварки для улучшения качества швов.

Перед травлением поверхность темплетов шлифуется на плоскошлифовальных станках или вручную. Окончательная обработка макрошлифа осуществляется шлифовальной шкуркой марки К-3 зернистостью 240−280. Для травления шлифов применяют различные реактивы в зависимости от материала сварного соединения и предполагаемых особенностей макроструктуры.

Для выявления структуры сварных швов на углеродистых и легированных сталях применяют реактив из хлористого железа (20 г на 100 г воды) или раствор соляной кислоты (10 мл на 100 мл воды). Травят образцы в растворе, подогретом до 60 °C. После травления шлиф осветляется в 10%-ном водном растворе азотной кислоты.

Универсальным раствором для выявления структуры сварных швов практически на всех сталях является раствор хлористого железа (200 г) и азотной кислоты (300 мл) в 100 мл воды. Образец травят протиранием ватным тампоном, смоченным в растворе.

Микроструктурный анализ позволяет изучить строение металлов и сплавов с помощью микроскопа. Он определяет: структуру наплавленного металла, основного металла и зоны термического влияния, примерное содержание углерода в наплавленном металле, перегрев и пережог, выгорание отдельных элементов, микротрещины, микропоры, шлаковые включения и т. п.

Размер поверхности микрошлифа обычно не превышает 20×20 мм. Поверхность микрошлифа обрабатывается более тщательно, чем макрошлифа, и заканчивается полировкой на сукне алмазными пастами или растворами окиси хрома или окиси алюминия.

Для травления сталей применяют 4%-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте — травят до 1 мин, 4%-ный раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте — травят от 20 с до 15 мин. После травления микрошлифы обследуют под микроскопом при увеличении от 150 до 1000 раз и более.

Контроль на непроницаемость сварных соединений проводят в соответствии с ГОСТ 3242–79. Перед проведением испытаний должны быть устранены все дефекты, выявленные внешним осмотром.

Испытания керосином основаны на способности некоторых жидкостей подниматься по капиллярам, какими в сварных швах могут являться поры и трещины.

После очистки сварного шва от шлака и простукивания его молотком соединение покрывают меловым раствором с той стороны, которая более доступна для осмотра. После высыхания мелового раствора другую сторону обильно смачивают керосином и выдерживают до 12 ч при положительной температуре конструкции и около 24 ч при температуре ниже 0 °C. Для сокращения времени контроля перед испытанием сварное соединении нагревают до 60−70 °С. Время выдержки в этом случае сокращается до 1,5−2 ч.

Сварной шов осматривают сразу после смачивания повторяют осмотр периодически в течение всего времени испытания. О наличии пор, свищей, сквозных трещин непроваров свидетельствуют жирные пятна, точки ил полоски на меловом слое. Обнаруженные дефекты устраняют и сварное соединение подвергается повторному контролю.

Контроль гидравлическим давлением сварных емкостей и трубопроводов производят после герметизации изделия и заполнения всего его объема водой. После полного заполнения изделия водой с помощью насоса или гидравлического пресса создают избыточное давление, величина которого в 1,5−2 раза больше рабочего (принимается в соответствии с ТУ). По истечении 5- 6 мин давление уменьшают до рабочего, а околошовную зону слегка обстукивают молотком на расстоянии 15- 20 мм от края шва.

Проницаемость сварных швов и места сквозных дефектов устанавливают по снижению установленного давления и появлению течи или просачивания воды в виде капель, а также по запотеванию поверхности шва или поверхности вблизи него.

Методы капиллярного контроля основаны на проникновении жидкости в полости дефектов и адсорбировании или диффузии ее из дефектов. При этом наблюдается разница в цвете или свечении между фоном и участком поверхности над дефектом. Капиллярные методы применяют для определения поверхностных дефектов в виде трещин, пор, волосовин и других нарушений сплошности на поверхности деталей.

К капиллярным методам дефектоскопии относится люминесцентный метод и метод красок.

При люминесцентном методе очищенные от загрязнений исследуемые поверхности покрываются с помощью распылителя или кисти флюоресцирующей жидкостью. В качестве таких жидкостей могут быть: керосин (90%) с автолом (10%); керосин (85%) с трансформаторным маслом (15%); керосин (55%) с машинным маслом (25%) и бензином (20%).

Излишки жидкости удаляют обтирая контролируемые участки ветошью, смоченной в бензине. Чтобы ускорить выход флюоресцирующих жидкостей, находящихся в полости дефекта, поверхность детали опыляют порошком, обладающим адсорбирующими свойствами. Через3−10 мин после опыления контролируемый участок освещают ультрафиолетовым светом. Поверхностные дефекты, в которые прошла люминесцирующая жидкость, становятся хорошо видимыми по яркому темно-зеленому или зелено-голубому свечению. Метод позволяет обнаружить трещины шириной до 0,01 мм.

Жидкость наносят на поверхность пульверизатором или кистью. Время пропитки — 10−20 мин. По истечении этого времени лишнюю жидкость стирают с поверхности контролируемого участка шва ветошью смоченной в бензине.

После полного испарения бензина с поверхности детали на нее наносят тонкий слой белой проявляющей смеси. Белую проявляющую краску приготовляют из коллодия на ацетоне (60%), бензола (40%) и густотертых цинковых белил (50 г/л смеси). Через 15−20 мин на белом фоне в местах расположения дефектов появляются характерные яркие полоски или пятна. Трещины обнаруживаются как тонкие линии, степень которых зависит от глубины этих трещин. Поры появляются в виде точек различной величины, а межкристаллическая коррозия в виде тонкой сетки. Очень мелкие дефекты наблюдают под лупой 4−10-кратного увеличения. По окончании контроля белую краску удаляют с поверхности, протирая деталь ветошью, смоченной в ацетоне.