Дефекты сварных швов делятся на две неравные части. Наружные лежат на поверхности валика и на линии сплавления: подрез, наплыв, незаваренный кратер, прожог, чрезмерное усиление. Внутренние сидят в теле металла шва: газовые поры, шлаковые и вольфрамовые включения, непровар, внутренние трещины. Классификацию задаёт ГОСТ Р ИСО 6520-1, предельные размеры несплошностей – ГОСТ Р ИСО 5817 через уровни качества B, C и D, где B самый жёсткий.
Сварные дефекты возникают при подготовке кромок, в момент горения дуги, при кристаллизации сварочной ванны и после остывания соединения. Одни уменьшают рабочее сечение шва, другие работают концентраторами напряжений и запускают усталостную трещину под циклической нагрузкой. Ниже разобраны пять групп – трещины, непровары, поры, твёрдые включения и нарушения формы, – их причины и методы обнаружения: от визуально-измерительного контроля по РД 03-606-03 до просвечивания по ГОСТ 7512-82.
Какие дефекты сварных швов встречаются на производстве
Виды сварных дефектов сведены в ГОСТ Р ИСО 6520-1: стандарт классифицирует несплошности в соединениях, выполненных сваркой плавлением, по шести группам с трёхзначными номерами:
- 100 – трещины: продольные, поперечные, кратерные;
- 200 – полости: газовые поры, свищи, усадочная раковина в кратере;
- 300 – твёрдые включения: шлаковые, флюсовые, оксидные, вольфрамовые;
- 400 – несплавления и непровары, включая непровар корня шва;
- 500 – нарушения формы: подрез, наплыв, превышение выпуклости, прожог;
- 600 – прочие: брызги металла, следы зажигания дуги, задиры от зачистки.
Наружные дефекты швов инспектор видит при осмотре с лупой и шаблоном сварщика, внутренние не видит никак: по внешнему виду валика внутренний дефект шва не читается вообще. Аккуратный валик с полным непроваром в корне осмотр пройдёт, поэтому плохой шов и годный различают не по внешности, а по результату контроля выбранным методом.
Годность определяет не факт дефекта, а его размер относительно назначенного уровня качества. ГОСТ Р ИСО 5817 нормирует предельные значения для пор, подрезов и превышения выпуклости отдельно по уровням B, C и D, а уровень назначает документация на конструкцию. ГОСТ 15467-79 добавляет различение явного и скрытого дефекта: явный обнаруживается предусмотренными правилами контроля, скрытый остаётся необнаруженным. Поэтому дефекты сварки на ответственных конструкциях контролируют сплошь: приёмочный уровень качества AQL по ГОСТ Р ИСО 2859-1 допускает пропуск дефектной единицы в партии, и для трубопровода под давлением такой размен не работает.
Трещины и непровары в сварном шве
Трещина в сварном шве относится к группе 100 и стоит особняком: на ответственных конструкциях её не нормируют по длине, соединение бракуют по самому факту. Трещины при сварке разделяют по моменту образования. Горячие возникают при кристаллизации ванны, по границам зёрен; им способствуют сера и фосфор в металле, жёсткое закрепление деталей и широкий интервал кристаллизации аустенитных сталей. Холодные появляются после остывания соединения, иногда спустя сутки: их причины – диффузионный водород из влаги и загрязнений, закалочные структуры в зоне термического влияния и остаточные напряжения. Отсюда прокалка электродов и предварительный подогрев кромок на легированных сталях.
Непровар шва – незаполненное сечение соединения, когда проплавление не дошло до расчётной глубины. Непровар корня шва образуется при односторонней сварке без подкладки: занижен ток, велика скорость, мал угол разделки, велико притупление кромок или смещён электрод. Родственный дефект – несплавление между наплавленным и основным металлом либо между валиками. По механике нагружения непровар ближе к трещине, чем к поре: острый концентратор с почти нулевым радиусом в вершине плюс уменьшенное рабочее сечение.
Пока трещина или непровар не вышли на поверхность, осмотр по ГОСТ Р ИСО 17637 их не находит. На радиограмме плоскостная несплошность читается тем хуже, чем сильнее её плоскость отклонена от направления пучка: раскрытие в доли миллиметра даёт слабый перепад плотности почернения. Корневой непровар и объёмные дефекты в стыках труб показывает рентген контроль, а плоскостные добирают ультразвуком по ГОСТ Р 55724-2013, чувствительным к вертикальным отражателям, но плохо применимым на малых толщинах.
Поры и посторонние включения в металле шва
Поры при сварке – газовые полости в металле шва, группа 200: газ не успевает выйти из кристаллизующейся ванны. Источники известны наперечёт: влага, ржавчина и масло на кромках, отсыревшие электроды и флюс, нарушение защиты ванны – сквозняк, засорённое сопло горелки, заниженный расход защитного газа. Одиночная сферическая пора снижает прочность слабее, чем цепочка того же суммарного объёма: выстроенные в линию полости работают как надрез вдоль оси шва. Поэтому ГОСТ Р ИСО 5817 нормирует и размер одиночной поры, и суммарную долю пористости на участке.
Постороннее включение в металле шва – это группа 300. Шлаковые остаются при многопроходной сварке, если корка плохо зачищена между проходами или разделка слишком узкая для всплытия шлака. Вольфрамовые попадают в шов при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом, когда электрод касается ванны. На радиографическом снимке они различаются наглядно: вольфрам плотнее стали и сильнее поглощает излучение, поэтому даёт светлое пятно, а менее плотный шлак – тёмное. Часть включений приходит не от сварки: неметаллические включения и расслоение существуют в прокате до сборки узла, и такой дефект металла ищут своими методами и на своём переделе.
Обе группы объёмные, и это делает их удобной задачей для просвечивания: пора или включение меняет локальную толщину поглотителя по ходу луча и даёт на снимке контрастное пятно с ясной границей. Дефекты сварных соединений групп 200 и 300 ищут радиографическим контролем по ГОСТ 7512-82, а расшифровка привязывает каждый найденный дефект сварного соединения к участку шва по мерным знакам.
Подрезы, наплывы, кратеры и другие дефекты формы шва
Подрез шва – канавка, проплавленная вдоль линии сплавления по краю валика и не заполненная металлом. Причина в режиме: завышенные ток и напряжение дуги, высокая скорость сварки, неверный угол наклона электрода. Подрезы сварного шва чаще появляются на угловых и горизонтальных швах, где расплав стекает вниз. Дефект уменьшает толщину металла у края шва и создаёт концентратор напряжений, поэтому ГОСТ Р ИСО 5817 нормирует его глубину для каждого уровня качества. Наплыв возникает по обратной причине: металл натекает на основной без сплавления при заниженном напряжении, избыточной подаче проволоки или длинной дуге, и под наплывом часто прячется непровар.
Выпуклость шва, она же усиление, тоже нормируется по высоте. Избыточное усиление даёт резкий угол перехода к основному металлу и снижает усталостную прочность соединения, поэтому на циклически нагруженных конструкциях его снимают заподлицо. Кратер шва – углубление в конце валика при резком обрыве дуги; в нём концентрируется усадочная рыхлость, а часто и кратерные трещины, из-за чего его выводят на технологическую планку или заваривают отдельным приёмом. Прожоги при сварке – сквозное проплавление с вытеканием ванны, беда тонколистового металла: завышенный ток, медленное ведение дуги, увеличенный зазор в стыке.
Все дефекты формы лежат на поверхности, и это определяет способ их поиска. Визуально-измерительный контроль по РД 03-606-03 работает лупой, шаблоном сварщика и нормируемой освещённостью: измеряют высоту усиления, глубину подреза, катет углового шва. Ту же геометрию читает камера в видимом диапазоне 380–780 нм, где при косом боковом освещении канавка подреза даёт чёткую тень. На движущемся объекте применяют линейную камеру (line-scan), на дискретном узле в позиции – матричную.
Причины дефектов и методы их обнаружения
Дефекты сварки сводятся к четырём группам причин. Первая – режим: ток, напряжение дуги, скорость сварки и подачи проволоки. Вторая – подготовка стыка: угол разделки, притупление кромок, зазор, зачистка от ржавчины, окалины и масла. Третья – материалы: марка присадки, прокалка электродов и флюса, расход защитного газа. Четвёртая – человек и оснастка: аттестация сварщика, положение шва в пространстве, жёсткость закрепления. Плохой шов почти всегда объясняется комбинацией из этих четырёх, а не единственным промахом.
Дефектоскопия сварных соединений строится на дополняющих методах, универсального нет. Начинают с внешнего осмотра по ГОСТ Р ИСО 17637: визуальный контроль отсеивает геометрию и грубые поверхностные дефекты до дорогих методов. Магнитопорошковый по ГОСТ 21105-87 находит поверхностные и подповерхностные трещины, но применим только к ферромагнитным материалам и на аустенитных сталях бесполезен. Капиллярный по ГОСТ 18442-80 берёт несплошности, выходящие на поверхность, и ничего не говорит о том, что глубже.
| Дефект и группа | Типичная причина | Чем находят |
|---|---|---|
| Трещина, 100 | диффузионный водород, жёсткое закрепление, закалка в ЗТВ | УЗК по ГОСТ Р 55724-2013, магнитопорошковый по ГОСТ 21105-87 |
| Непровар корня, 400 | малый ток, большое притупление, узкая разделка | радиография по ГОСТ 7512-82, УЗК |
| Поры, 200 | влага на кромках, срыв газовой защиты | радиография по ГОСТ 7512-82 |
| Шлаковые включения, 300 | плохая зачистка шлака между проходами | радиография по ГОСТ 7512-82 |
| Подрез и кратер, 500 | завышенный ток, обрыв дуги, угол электрода | ВИК по РД 03-606-03, оптическая камера |
Качество сварного соединения оценивают связкой методов: осмотр закрывает форму, просвечивание – объёмные дефекты, ультразвук – плоскостные. Организационная рамка прежняя: ISO 9001 требует записей о контроле, а объём выборки на неответственных швах назначают планом по ГОСТ Р ИСО 2859-1. Как устроен контроль сварных соединений в производственном потоке, а не на посту дефектоскопии, разобрано отдельно.
Как мы находим дефекты сварных швов автоматически
Мы ставим контроль шва прямо на линию. Съёмка идёт в четырёх спектральных диапазонах – цветная и чёрно-белая оптика, ИК, УФ, рентген, – а кадр разбирает модель машинного зрения: решение выносится меньше чем за секунду. Дефекты формы берёт оптический канал, поры и непровар – рентгеновский, набор классов обучается на изображениях с вашего производства.
Качество сварных швов при этом контролируется сплошь, а не выборкой: каждый дефект пишется в аналитику с привязкой к смене и партии, сигнал на отбраковку уходит в АСУ ТП. На Курской АЭС идёт проект рентген-контроля сварных швов труб с классификацией 43 типов дефектов, он в стадии реализации. Внедрение проектное, от нескольких недель до нескольких месяцев, стоимость считаем по вашей задаче.