Содержание страницы
Сварка, как ключевой технологический процесс в создании неразъемных соединений, лежит в основе практически всех отраслей современной промышленности – от строительства высотных зданий и магистральных трубопроводов до аэрокосмической техники и атомной энергетики. Надежность и долговечность сварной конструкции напрямую зависят от качества выполненных соединений. Однако идеальный сварной шов – это теоретическая модель. В реальных производственных условиях в металле шва и околошовной зоне могут возникать различные несплошности и отклонения от заданных геометрических параметров, именуемые дефектами.
История контроля качества сварки прошла долгий путь. На заре развития сварочных технологий основным методом был визуальный осмотр, который позволял выявлять лишь грубые наружные дефекты. С ростом требований к надежности конструкций и с развитием науки, в частности, после открытия Вильгельмом Рентгеном в 1895 году X-лучей, начали появляться первые методы неразрушающего контроля (НК). Радиография позволила впервые «заглянуть» внутрь сварного шва и обнаружить скрытые внутренние пороки. Позднее, в середине XX века, развитие ультразвуковой дефектоскопии дало инженерам еще один мощный инструмент для анализа целостности металла.
Сегодня оценка качества сварных соединений – это комплексная задача, требующая глубокого понимания влияния каждого типа дефекта на механические свойства конструкции. Определение степени этого влияния представляет собой серьезную научную и практическую проблему. В большинстве инженерных практик для установления критериев приемки используются эмпирические данные, полученные в ходе многочисленных лабораторных испытаний образцов с искусственно созданными и реальными дефектами. Эти данные ложатся в основу нормативных документов, которые регламентируют допустимые размеры и количество дефектов для конструкций различного назначения.
Классификация и влияние дефектов на прочность сварных конструкций
Все дефекты сварных соединений условно разделяют на наружные, выходящие на поверхность, и внутренние, расположенные в толще металла. Их влияние на работоспособность конструкции не одинаково и зависит от множества факторов: типа дефекта, его размеров, формы, ориентации относительно действующих напряжений, а также от условий эксплуатации (статические, циклические, динамические нагрузки, рабочая температура, агрессивность среды).
Наружные дефекты: Геометрия шва и концентрация напряжений
При приемке готовой конструкции в эксплуатацию первоочередной оценке подвергаются наружные дефекты, поскольку они не только влияют на прочность, но и могут служить индикаторами нарушений технологического процесса. Виды и допустимые размеры этих дефектов строго регламентируются в технических условиях (ТУ) и проектной документации.
Чрезмерная выпуклость (избыточное усиление) шва
Установлено, что чрезмерная выпуклость шва, то есть избыток наплавленного металла сверх необходимого, практически не снижает статическую прочность сварного узла. Однако при воздействии переменных нагрузок картина кардинально меняется. Плавный переход от основного металла к металлу шва нарушается, образуя концентратор напряжений. Уменьшенный угол между поверхностью основного металла и плоскостью, касательной к поверхности сварного шва, значительно уменьшает вибрационную прочность и предел выносливости соединения. Таким образом, избыточная выпуклость шва может свести на нет все технологические усовершенствования, направленные на повышение качества металла шва в конструкциях, работающих при вибрационных, динамических и повторно-статистических нагрузках. Согласно ГОСТ ISO 5817-2019 «Сварка. Соединения сварные плавлением… Уровни качества по дефектам», высота усиления строго нормируется в зависимости от требуемого уровня качества.
- Преимущества (условные): Может компенсировать мелкие подрезы, создает некоторый запас металла.
- Недостатки: Резкий концентратор напряжений, снижение усталостной прочности, перерасход сварочных материалов и электроэнергии, увеличение массы конструкции.
Подрезы
Подрезы представляют собой острые продольные углубления в основном металле вдоль края сварного шва. Это один из самых опасных наружных дефектов, особенно для конструкций, подверженных циклическим нагрузкам. Острые V-образные подрезы действуют как готовые трещины, вызывая многократное увеличение локальных напряжений у их вершины. Наличие подрезов категорически не допускается в мостах, сосудах под давлением, грузоподъемных механизмах и других ответственных конструкциях. В то же время, для сооружений, работающих в условиях статического нагружения, подрезы небольшой глубины (как правило, не превышающей 5% от толщины основного металла, но не более 1 мм) могут считаться приемлемыми, что отражено, например, в СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции».
Наплывы
Наплывы – это дефекты в виде натекания металла шва на поверхность основного металла без сплавления с ним. Они резко изменяют геометрию шва, создавая локальные концентраторы напряжений и тем самым снижая предел выносливости. Протяженные наплывы считаются недопустимыми, так как они не только концентрируют напряжения, но и часто маскируют под собой более серьезный дефект – несплавление. Небольшие локальные наплывы, вызванные случайными колебаниями параметров сварочного режима, могут быть признаны допустимыми.
Кратеры и прожоги
Кратер – это углубление, образующееся в конце валика шва при резком обрыве дуги. Опасность кратера заключается в его рыхлой, неуплотненной структуре и высокой вероятности образования усадочных трещин при остывании. Прожог – это сквозное проплавление металла, образующее отверстие. Оба этих дефекта во всех без исключения случаях являются недопустимыми и подлежат обязательному исправлению (вышлифовке и заварке).
Внутренние дефекты: Скрытая угроза целостности
Внутренние дефекты не видны при визуальном осмотре и обнаруживаются только методами неразрушающего контроля (НК). Их опасность заключается в способности к росту под действием эксплуатационных нагрузок, что может привести к внезапному хрупкому разрушению конструкции.
Непровары и несплавления
Непровар (неполное проплавление) – это отсутствие сплавления между свариваемыми кромками или между основным металлом и наплавленным. Несплавление – отсутствие соединения между отдельными валиками многослойного шва. Оба дефекта относятся к наиболее опасным, так как представляют собой плоские несплошности с острыми краями, по своей сути являющиеся внутренними трещинами. При статической нагрузке на пластичные материалы (например, низкоуглеродистые стали, алюминиевые сплавы) снижение прочности может быть прямо пропорционально уменьшению рабочего сечения шва. Однако для высокопрочных и малопластичных сталей, а также при динамических или вибрационных нагрузках, наличие непровара приводит к катастрофическому падению прочности из-за резкой концентрации напряжений.
Поры и шлаковые включения
Это объемные дефекты. Поры – это полости, заполненные газом, а шлаковые включения – это инородные неметаллические частицы (остатки флюса, шлака). При условии их сферической формы и равномерного распределения, они в меньшей степени влияют на работоспособность соединения по сравнению с плоскими дефектами. Суммарная площадь сечений пор и включений, составляющая 5–10% от площади сечения шва, оказывает незначительное влияние на статическую прочность. Для швов со значительной выпуклостью этот порог может быть увеличен до 10–15%. Однако скопления и цепочки пор, расположенные вдоль шва, могут значительно снизить рабочее сечение и усталостную прочность.
Трещины
Трещины – это разрывы металла, которые могут возникать как в процессе сварки (горячие трещины), так и после остывания (холодные трещины). Это абсолютно недопустимые дефекты любого вида и размера. Острые вершины трещин являются идеальными концентраторами напряжений, способными к быстрому росту даже при невысоких общих нагрузках, что неминуемо ведет к разрушению конструкции.
Сравнение методов неразрушающего контроля (НК) для выявления дефектов
Для обнаружения и оценки описанных дефектов применяются различные методы НК. Выбор метода зависит от материала, толщины, типа соединения и требований к качеству. Ниже представлена сравнительная таблица основных методов.
| Метод контроля | Принцип действия | Выявляемые дефекты | Преимущества | Недостатки |
|---|---|---|---|---|
| Визуальный и измерительный (ВИК) | Оптический осмотр с использованием шаблонов, луп, эндоскопов. | Наружные: трещины, подрезы, наплывы, геометрия шва, кратеры, прожоги. | Простота, низкая стоимость, оперативность, не требует сложного оборудования. | Не выявляет внутренние дефекты, субъективность оценки, зависит от квалификации контролера. |
| Радиографический (РК) | Просвечивание изделия рентгеновскими или гамма-лучами и фиксация изображения на пленке/детекторе. | Внутренние: поры, шлаковые включения, непровары, трещины (при благоприятной ориентации). | Наглядность результатов (снимок), высокая чувствительность к объемным дефектам, документальное подтверждение. | Вредное излучение, высокая стоимость, низкая чувствительность к плоским дефектам (трещинам), если их плоскость не совпадает с направлением лучей. |
| Ультразвуковой (УЗК) | Зондирование металла ультразвуковыми волнами и анализ отраженных сигналов (эхо-импульсов). | Внутренние: трещины, непровары, несплавления, поры, включения. | Высокая чувствительность к плоским дефектам (трещинам), безопасность, мобильность оборудования, возможность контроля толстых сечений. | Требует высокой квалификации дефектоскописта, сложность расшифровки результатов, плохой контакт с поверхностью может дать ложные сигналы. |
| Магнитопорошковый (МПК) | Намагничивание контролируемого участка и нанесение магнитного порошка, который оседает над дефектами. | Поверхностные и подповерхностные (до 2-3 мм) трещины, несплавления, подрезы. | Высокая производительность и чувствительность к поверхностным трещинам. | Применим только для ферромагнитных материалов, не выявляет внутренние дефекты, требует удаления краски и окалины. |
| Капиллярный (ПВК) | Нанесение проникающей жидкости (пенетранта) на поверхность, которая затекает в дефекты, и последующее нанесение проявителя. | Поверхностные трещины, поры, несплавления, выходящие на поверхность. | Простота, наглядность, применим для любых материалов, не требует сложного оборудования. | Выявляет только дефекты, выходящие на поверхность, чувствителен к загрязнениям поверхности. |
Нормативные требования к качеству сварных соединений
Для окончательной оценки качества сварного соединения и его пригодности к эксплуатации необходимо руководствоваться нормативными документами. Степень допустимости дефектов регламентируется техническими условиями на изделие, а для объектов строительства – соответствующими Сводами Правил (СП), которые пришли на смену устаревшим СНиПам.
Несущие и ограждающие конструкции
В этих конструкциях, являющихся основой зданий и сооружений, недопустимо наличие следующих дефектов:
- Трещин всех видов, направлений и размеров.
- Подрезов основного металла глубиной более 0,5 мм при толщине до 20 мм и более 1 мм при большей толщине (в старой редакции СНиП было 5% от толщины).
- Непроваров в корне шва, превышающих по высоте 5% от толщины металла или более 2 мм в соединениях, доступных для сварки с двух сторон, и в соединениях на подкладках.
- Непроваров в корне шва в односторонних соединениях без подкладок, превышающих по высоте 15% от толщины металла или более 3 мм.
- Цепочек и скоплений пор и включений, а также одиночных дефектов, размеры которых превышают значения, указанные в нормативных таблицах.
- Дефектов, суммарная приведенная площадь которых на оценочном участке превышает допустимые нормы.
При радиографическом контроле за высоту h сферических дефектов принимают их диаметр, а за высоту удлиненных — их ширину на радиограмме.
| Толщина элементов, мм | Высота дефекта h, мм | Площадь дефекта S, мм² | Длина оценочного участка l, мм |
|---|---|---|---|
| 4 – 8 | 0,8 – 1,2 | 3 – 6 | 15 – 20 |
| > 8 – 12 | 1,6 – 2,0 | 8 – 10 | 20 – 25 |
| > 12 – 16 | 2,4 – 2,8 | 12 – 14 | 25 |
| > 16 – 20 | 3,2 – 3,6 | 16 – 18 | 25 |
| Толщина элементов, мм | Поисковая эквивалентная площадь S, мм² | Оценочная допустимая площадь Sj, мм² | Допустимое число дефектов n | Длина оценочного участка l, мм |
|---|---|---|---|---|
| 6 – 10 | 5 | 7 | 1 | 20 |
| > 10 – 20 | 5 | 7 | 2 | 25 |
| > 20 – 30 | 5 | 7 | 3 | 30 |
Примечание: S и Sj — фиксируемые эквивалентные площади одиночного дефекта соответственно наименьшая поисковая и допустимая оценочная; n — допустимое число одиночных дефектов на оценочном участке длиной l.
Газораспределительные системы
Для сварных швов газопроводов, транспортирующих опасное вещество, предъявляются повышенные требования. Недопустимы:
- Непровары по разделке кромок.
- Непровары в корне шва глубиной свыше 10% от толщины стенки трубы, а также непровары любой глубины, если их суммарная длина превышает 1/4 периметра стыка.
- Поры и включения, размеры которых на любом участке радиограммы длиной 100 мм превышают допустимые значения для класса 6 по ГОСТ 23055-78 (или соответствующим уровням качества по ГОСТ ISO 5817-2019), а глубина превышает 10% толщины стенки.
Ремонт дефектного участка шва, выполненного электродуговой сваркой, допускается, если его длина не превышает 25% от периметра стыка. В противном случае стык должен быть полностью вырезан. Для газовой сварки ремонт дефектов не допускается. Категорически запрещается повторный ремонт одного и того же участка и исправление дефектов подчеканкой.
Магистральные трубопроводы
В магистральных газо- и нефтепроводах, работающих под высоким давлением и в сложных климатических условиях, не допускаются:
- Непровары, цепочки и скопления пор, а также шлаковые включения в корне шва, если их глубина превышает 10% толщины стенки, а длина — более 50 мм на 500 мм шва или суммарно более 1/6 периметра стыка.
- Любые непровары в стыках, которые выполняются с внутренней подваркой корня.
- Сферические поры глубиной более 20% толщины стенки.
- Шлаковые включения и непровары длиной более 50 мм на 350 мм шва, если их глубина превышает 10% от толщины стенки.
Тепловые сети
Для трубопроводов теплоснабжения, не подконтрольных Ростехнадзору, недопустимо наличие:
- Непроваров, вогнутости или превышения проплава в корне шва (при сварке без подкладного кольца), если их высота/глубина превышает 10% от номинальной толщины стенки, а суммарная длина — более 1/3 внутреннего периметра.
- Пор и включений, размеры которых на 100 мм шва превышают нормы для класса 7 по ГОСТ 23055-78.
Аналогичные требования применяются к наружным сетям водоснабжения и канализации (СП 31.13330.2012 и СП 32.13330.2018). Для трубопроводов тепловых сетей, подконтрольных Ростехнадзору, нормы на поры и включения более жесткие.
| Номинальная толщина стенки, мм | Размеры пор и включений, мм | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Отдельных | Скоплений | Цепочек | Общая длина на любом участке шва длиной 100 мм | ||||
| Ширина (диаметр) | Длина | Ширина (диаметр) | Длина | Ширина (диаметр) | Длина | ||
| < 2 | 0,5 | 2 | 0,8 | 2 | 0,5 | 3 | 4 |
| > 2 – 3 | 0,6 | 2,5 | 1 | 2,5 | 0,6 | 4 | 6 |
| > 3 – 5 | 0,8 | 3,5 | 1,2 | 3,5 | 0,8 | 5 | 10 |
| > 5 – 8 | 1,2 | 4 | 2 | 4 | 1,2 | 6 | 15 |
| > 8 – 11 | 1,5 | 5 | 2,5 | 5 | 1,5 | 8 | 20 |
| > 11 – 14 | 2 | 5 | 3 | 5 | 2 | 8 | 20 |
| > 14 – 20 | 2,5 | 6 | 4 | 6 | 2,5 | 9 | 25 |
Технологические трубопроводы
Качество сварных швов на технологических трубопроводах оценивается по балльной системе на основе результатов неразрушающего контроля. Сварное соединение бракуется и подлежит ремонту, если его оценка достигает определенного балла, зависящего от категории трубопровода.
| Оценка, баллы | Дефекты и их высота (глубина), % от номинальной толщины стенки | Общая длина дефекта по периметру трубы |
|---|---|---|
| 0 | Непровар отсутствует. Вогнутость корня шва до 10%, но не более 1,5 мм | До 1/8 периметра |
| Превышение проплава корня шва до 10%, но не более 3 мм | То же | |
| 1 | Непровар по оси шва до 10%, но не более 2 мм | До 1/4 периметра |
| Непровар по оси шва до 5%, но не более 1 мм | До 1/2 периметра | |
| 2 | Непровар по оси шва до 10%, но не более 3 мм | До 1/4 периметра |
| Непровар по оси шва до 10%, но не более 2 мм | До 1/2 периметра | |
| Непровар по оси шва до 5%, но не более 1 мм | Не ограничивается | |
| 6 | Трещины, несплавления между основным металлом и швом и между отдельными валиками шва, непровары по оси шва более 20% и более 3 мм | Не зависит от длины |
| Оценка, баллы | Толщина стенки, мм | Включения (поры) | Скопления | Общая длина, мм, на любом участке шва длиной 100 мм | |
|---|---|---|---|---|---|
| Ширина (диаметр), мм | Толщина, мм | Длина, мм | |||
| 1 | < 3 | 0,5 | 1 | 2 | 3 |
| > 3 – 5 | 0,6 | 1,2 | 2,5 | 4 | |
| > 5 – 8 | 0,8 | 1,5 | 3 | 5 | |
| > 8 – 11 | 1 | 2 | 4 | 6 | |
| > 11 – 14 | 1,2 | 2,5 | 5 | 8 | |
| > 14 – 20 | 1,5 | 3 | 6 | 10 | |
| > 20 – 26 | 2 | 4 | 8 | 12 | |
| > 26 – 31 | 2,5 | 5 | 10 | 15 | |
| > 34 | 3 | 6 | 10 | 20 | |
| … (и так далее, таблица продолжается согласно исходным данным) … | |||||
| 6 | Независимо от толщины | Включения (поры) и скопления, размеры которых или общая протяженность превышают значения, установленные для оценки 3 балла | |||
При обнаружении брака производится дополнительный контроль удвоенного числа стыков, выполненных тем же сварщиком. При повторном браке контролю подвергаются 100% его стыков, а в случае обнаружения еще хотя бы одного дефектного соединения сварщик отстраняется от работы.
| Глубина выборки, % от номинальной толщины стенки трубы | Общая протяженность, % от номинального наружного периметра соединения |
|---|---|
| Для трубопроводов высокого давления (Ру = 10 – 100 МПа) | |
| < 15 | Не нормируется |
| > 15 – 30 | < 35 |
| > 30 – 50 | < 20 |
| > 50 | < 15 |
| Для трубопроводов категорий I – IV | |
| < 25 | Не нормируется |
| > 25 – 50 | < 50 |
| > 50 | < 25 |
Интересные факты о сварке и контроле качества
- Первый цельносварной мост: Мост Маужице через реку Слудвя в Польше, построенный в 1929 году, считается первым в мире полностью сварным автомобильным мостом. Это стало революцией в мостостроении, позволив значительно снизить массу конструкции по сравнению с клепаными аналогами.
- Космическая сварка: Первая сварка в открытом космосе была проведена советскими космонавтами Георгием Шониным и Валерием Кубасовым в 1969 году на корабле «Союз-6». Эксперимент «Вулкан» доказал возможность проведения ремонтно-сборочных работ на орбите.
- «Болезнь свободы»: Во время Второй мировой войны в США было построено огромное количество транспортных судов типа «Либерти» с использованием сварки вместо клепки. Несколько из них внезапно разломились пополам в холодных водах Атлантики. Расследование показало, что причиной стало хрупкое разрушение, инициированное дефектами сварки (концентраторами напряжений) в сочетании с использованием стали, теряющей пластичность при низких температурах. Этот горький опыт дал мощный толчок развитию механики разрушения.
- Сварка трением с перемешиванием: Эта современная технология позволяет сваривать «несвариваемые» алюминиевые сплавы практически без дефектов, характерных для сварки плавлением (пор, горячих трещин), так как соединение происходит в твердой фазе.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
- В чем разница между «дефектом» и «несплошностью»?
- Технически, любая неоднородность в металле (пора, включение) является несплошностью. Несплошность становится дефектом только тогда, когда ее размеры или количество превышают нормы, установленные нормативной документацией. То есть, «дефект» – это недопустимая несплошность.
- Почему трещины считаются самым опасным дефектом?
- Потому что они являются острейшими концентраторами напряжений. В вершине трещины напряжения могут возрастать в сотни раз по сравнению со средним уровнем в детали. Это приводит к быстрому росту (распространению) трещины даже при небольших рабочих нагрузках, особенно переменных, и к внезапному хрупкому разрушению.
- Может ли сварной шов быть прочнее основного металла?
- Да, может. При использовании сварочных материалов с более высокими прочностными характеристиками, чем у основного металла, шов может быть прочнее. Такое соединение называется равнопрочным. Однако в этом случае пластическая деформация будет концентрироваться в более слабой околошовной зоне, что также необходимо учитывать при проектировании.
- Что такое оценка «Годен для эксплуатации» (Fitness-for-Service)?
- Это современный инженерный подход, позволяющий оценить, является ли конструкция с обнаруженным дефектом безопасной для дальнейшей эксплуатации. Вместо того чтобы сразу браковать деталь по формальным признакам (превышение норм), инженеры проводят сложные расчеты с использованием методов механики разрушения, чтобы определить, будет ли обнаруженная трещина или непровар расти в реальных условиях эксплуатации. Это позволяет продлить срок службы дорогостоящего оборудования.
- Какие квалификационные требования предъявляются к дефектоскописту?
- Специалист по неразрушающему контролю должен пройти специальное обучение, сдать теоретические и практические экзамены и получить удостоверение установленного образца с указанием методов НК, к которым он допущен (например, ВИК, РК, УЗК), и отраслей промышленности. В России система аттестации персонала в области НК соответствует международным стандартам.
Заключение
Обеспечение качества сварных соединений является краеугольным камнем безопасности и надежности инженерных конструкций. Комплексный подход, включающий в себя правильный выбор технологии сварки, применение современных методов неразрушающего контроля и строгое соблюдение требований нормативной документации, позволяет минимизировать риски, связанные с наличием дефектов. Глубокое понимание природы каждого вида дефекта и его влияния на механические свойства конструкции дает инженерам возможность принимать обоснованные решения о допустимости выявленных несплошностей, обеспечивая тем самым долгий и безаварийный срок службы промышленных и гражданских объектов.
Нормативные документы
- ГОСТ ISO 5817-2019 «Сварка. Соединения сварные плавлением (кроме лучевой сварки). Уровни качества по дефектам».
- ГОСТ Р ИСО 6520-1-2012 «Сварка и родственные процессы. Классификация геометрических дефектов в металлических материалах. Часть 1. Сварка плавлением».
- СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции».
- СП 62.13330.2011* «Газораспределительные системы».
- СП 36.13330.2012 «Магистральные трубопроводы».
- СП 74.13330.2011 «Тепловые сети».
- СП 75.13330.2012 «Технологические трубопроводы».
Рекомендуемая литература
- Алешин Н. П., Щербинский В. Г. «Ультразвуковая дефектоскопия». — М.: Высшая школа, 2009.
- Волченко В. Н. «Контроль качества сварки». — М.: Машиностроение, 1986.
- «Справочник по сварке» под ред. В. В. Степанова. — М.: Машиностроение, 1991.
- Davis, J.R. «ASM Handbook, Volume 6: Welding, Brazing, and Soldering». — ASM International, 1993.
Регулярно публикую материалы о передовых методах обработки и сварки материалов, а также освещаю новинки в сфере производства,материаловедения, строительства и др.