Химический анализ служит для отбраковки материалов по составу и установления причин появления дефектов в сварном соединении. При исследовании соединения обычно производят химический анализ основного, присадочного (электродов и проволоки) и наплавленного металлов шва.
При анализе металла шва необходимо выяснить соответствие содержания в нем углерода, кремния, марганца и легирующих элементов значениям, рекомендуемым для различных способов сварки, марок электродов, составов основного металла и т. д. Кроме того, важно знать, что содержание вредных элементов (серы, фосфора и др.) в стали не превышает допустимых пределов. В некоторых случаях, особенно при разработке нового состава покрытия или технологии сварки, выполняют также анализ металла шва на содержание азота, кислорода и водорода.
Пробы для химического анализа в виде стружки отбирают в соответствии с ГОСТ 7122 — 81 с таким расчетом, чтобы в них содержалось небольшое количество основного металла. Иногда стружку получают из образцов, предназначенных для механических испытаний.
Необходимая для анализа масса стружки зависит от числа проверяемых химических элементов: для определения углерода достаточно 3 … 5 г стружки, для определения азота и кислорода — 50 … 60 г, а для полного анализа состава — 50 г.
Стружка должна быть обезжирена спиртом или эфиром. Содержание кислорода и азота определяют методом горячей экстракции или расплавлением стружки в вакууме в специальных муфельных печах. Если полученные результаты сомнительны, то производят повторный отбор не менее двух проб.
В тех случаях, когда отбор проб затруднен, химический состав сварных швов определяют с помощью спектрального анализа, выполняемого на специальных приборах — спектрометрах, позволяющих с высокой точностью установить количественный состав элементов, входящих в металл шва. При спектральном анализе на поверхности образца зажигают микродугу. Пары́ металла, попадающие в эту дугу, создают присущий им спектр, который разлагается на аналитические линии. Сравнением этих линий с эталонными определяют количественный и качественный состав элементов в сплаве.
Один из способов изучения структуры металлов основывается на применении радиоактивных изотопов. Чаще всего для изучения состава металла используются радиоактивные изотопы серы и фосфора, которые вводят в шов через проволоку или основной металл. Из шва, содержащего радиоактивные изотопы, изготовляют шлифы, отпечаток которых на фотопленке или фотобумаге отображает характер распределения этих изотопов: наибольшее потемнение отвечает их максимальной концентрации. По характеру распределения изотопов определяют распределение соответствующих химических элементов в металле шва и скорости их выгорания в процессе сварки.
При оценке коррозионных свойств сварного соединения используют такие показатели, как скорость коррозии, механические, физические, электрохимические и другие свойства, а при оценке сопротивляемости разрушению — время или число циклов нагружения до растрескивания, пороговые напряжения, коэффициенты интенсивности напряжений и т. д.
Для оценки эксплуатационно-коррозионной прочности проводятся сравнительные испытания сварных соединений и основного металла в ненапряженном и напряженном состояниях.
Методы испытаний оценки коррозионной стойкости сварных соединений подразделяют:
- по целевому назначению;
- типу испытуемого объекта;
- виду напряженного состояния;
- типам используемых сред;
- показателям стойкости в зависимости от вида коррозионного разрушения.
По целевому назначению различают группы испытаний, предназначенные:
- для выявления причин, характера, кинетики и в целом механизма разрушения изделия;
- для обоснованного выбора материала, конструкции и технологии изготовления изделия;
- для решения задач экспертного типа при выяснении причин отказов конструкций.
При этом предусматриваются анализ условий эксплуатации, выявление причин разрушений, разработка мер по повышению сопротивляемости разрушению.
По типу испытуемого объекта различают испытания трех видов:
- сравнительные испытания образцов;
- модельные испытания элементов, узлов и макетов конструкций;
- натурные испытания конструкций.
Для научно-обоснованной оценки стойкости, прочности и надежности конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, необходимо проведение испытаний всех трех видов.
Испытания образцов, которые проводятся в лабораторных и натурных условиях, относительно простые и позволяют решить ряд принципиальных вопросов: выявить механизмы разрушений, дать сравнительную оценку влияния некоторых факторов и др.
Такие испытания необходимы, однако их недостаточно для обоснованной оценки прочности и надежности, так как в связи с трудностью воспроизведения в образцах реальных условий нагружения и эксплуатации результаты этих испытаний нельзя непосредственно переносить на конструкцию. Натурные испытания позволяют непосредственно оценить прочность и надежность конструкций, однако они длительные, дорогие и не обеспечивают в полной мере дифференцированной оценки влияния различных конструктивных и технологических факторов.
Модельные испытания элементов, узлов и макетов конструкций, учитывающие конструктивные и технологические особенности изделий и условия их эксплуатации, сочетают в себе достоинства лабораторных испытаний образцов (простоту, экономичность, относительно малую длительность) и возможность дифференцированной и в различных сочетаниях оценки влияния характерных конструктивных и технологических особенностей конструкций.
Все испытания образцов проводятся в два этапа:
- испытания стойкости к общей и местной коррозии без нагрузки (результаты этих испытаний необходимы, но их недостаточно для оценки стойкости материала в напряженной конструкции);
- испытания стойкости к коррозионным разрушениям в напряженном состоянии (проводятся при благоприятных результатах испытаний первого этапа).
Все испытания условно подразделяются на основные — являющиеся определяющими при оценке и расчете стойкости, прочности и надежности (весовые, профилографические, механические, на стойкость к растрескиванию в напряженном состоянии и др.), и специальные — позволяющие исследовать механизм и причины коррозионных разрушений (электрохимические, металлографические, электронно-скопические и др.). При этом свойства сварных соединений сопоставляются со свойствами основного металла.
Целесообразно использовать сочетание рассмотренных видов испытаний с окончательной оценкой конструкций по результатам натурных испытаний.
В целях экономии времени испытания в ненапряженном и напряженном состояниях целесообразно проводить параллельно.
Различают ускоренные испытания в специальных средах для выполнения сравнительного анализа и испытания в производственных средах. Последние обеспечивают непосредственное получение данных о коррозионной стойкости, но не позволяют в связи с продолжительностью процесса оперативно оценивать влияние тех или иных конструктивных и технологических факторов, поэтому на практике широко используют ускоренные методы коррозионных испытаний.
При выборе ускоренного метода испытания необходимо учитывать состав и свойства коррозионной среды, а также условия эксплуатации конструкции. Механизм и характер коррозионного разрушения металла в среде для ускоренных испытаний должен быть идентичен механизму разрушения конструкции в эксплуатационной среде. Ускорение процесса возможно за счет ускорения электрохимических реакций агрессивными компонентами и деполяризаторами, повышения напряжений, температуры испытаний, а также посредством изменения условий контактирования металла со средой. При выборе метода ускорения коррозионного процесса необходимо учитывать контролирующий фактор.
Метод и режимы испытания должны обеспечивать протекание процесса с повышенной скоростью, но при этом не следует чрезмерно ускорять процессы коррозии, так как это усложняет получение сравнительных результатов.
При оценке коррозионной стойкости сплавов и средств противокоррозионной защиты важно правильно выбрать показатели коррозии, отражающие эксплуатационно-коррозионную стойкость сплава. Методы испытаний необходимо разрабатывать и выбирать отдельно для каждой группы сплавов.
Ускоренные лабораторные испытания следует по возможности использовать для получения сравнительных данных. Учитывая, что пока еще не имеется надежных коэффициентов пересчета результатов ускоренных испытаний на условия длительной эксплуатации, при выборе новых материалов и технологий целесообразно проводить параллельные испытания родственных материалов, для которых уже имеются данные по эксплуатационной стойкости.
При оценке сравнительной коррозионной стойкости сварных соединений в целях достоверности выявления влияния термического цикла сварки целесообразно проведение испытаний в средах, обеспечивающих нахождение исследуемого материала на границе перехода из активного в пассивное состояние.
В связи с повышенной чувствительностью сварных соединений к разрушению в агрессивных средах особое значение приобретает оценка их надежности при работе в этих условиях.
Количественная оценка надежности сварных соединений и конструкций производится с учетом их особенностей двумя способами:
- по классической схеме, являющейся универсальной, т. е. на основе статистической обработки эксплуатационных наблюдений и результатов натурных и стендовых испытаний;
- по результатам сравнительных испытаний образцов из основного металла, надежность которого условно принимается за единицу, и сварных соединений, используемых для оценки предельных состояний материалов (прочности, сопротивляемости растрескиванию, допустимой глубины коррозии и др.).
Часто постепенное развитие сплошной и местной коррозии удовлетворительно описывается математическими зависимостями нормального закона безотказности (Гаусса), однако для сварных соединений, работающих в агрессивных средах в напряженном состоянии, возможно использование и других законов безотказности.