Реферат на тему:
"Дефекти зварних з'єднань і методи їх виявлення, особливості зварювання чавуну"
У процесі зварювання в металі шва і зоні термічного впливу можуть бути дефекти, які знижують міцність з'єднання, призводять до негерметичності швів, знижують експлуатаційну надійність виробу. Причини виникнення дефектів різні, тому і заходи щодо їх попередження та усунення також різні.
За місцем розташування розрізняють дефекти зовнішні і внутрішні. Зовнішні дефекти, як правило, можуть бути виявлені при зовнішньому огляді. Для виявлення внутрішніх дефектів застосовують спеціальні методи неруйнівного або руйнівного контролю.
Деякі види дефектів у зварних з'єднаннях показані на рис. 2. Найбільш характерними дефектами при зварюванні є дефекти формування шва (непровари, пропали, підрізи, напливи). Їх походження пов'язане з порушенням режиму зварювання. Вони можуть з'явитися в результаті неправильної підготовки і складання стику, що зварюється. Для запобігання утворення дефектів формування необхідно стежити за справністю зварювального обладнання, правильністю підготовки стику, відповідністю кваліфікації зварника виконуваній роботі.
Один з найбільш небезпечних дефектів - непровар. При дуговому зварюванні його поява пов'язана з недостатнім зварювальним струмом. Небезпека непровару полягає в тому, що при навантаженні виробу в процесі експлуатації непровар створює концентрацію напруг. Напруги, що у цьому місці, можуть у кілька разів перевищувати середні напруги у виробі, а це призводить до руйнування виробу при навантаженнях, значно менших, ніж розрахункові. Непровари обов'язково усувають підваркою дефектних ділянок.
Металургійні та теплові явища, що відбуваються в процесі формування і кристалізації зварювальної ванни, служать причиною виникнення тріщин у металі шва і біляшовній зоні, пор, шлакових включень, а також несприятливих змін властивостей металу шва і зони термічного впливу. Дефекти цієї групи можуть з'явитися при використанні неякісних вихідних матеріалів, сирих електродів або електродів, що не відповідають зварюється матеріалу.
Істотне значення має стан зварювальної оснастки, обладнання. Для попередження дефектів виконують перевірку якості вихідних матеріалів, їх підготовки до зварювання, стану поверхні, а також перевірку обладнання та оснащення. У процесі зварювання суворо контролюють режим, стежать за зачисткою проміжних швів, за правильної заваркою кратерів, своєчасним виконанням необхідної термічної обробки з'єднання.
Неприпустимими дефектами зварних з'єднань є тріщини. Подібно непровару, вони служать концентраторами напружень. Для усунення виявлених тріщин у дефектному місці роблять вибірку металу і проводять ручну підварки.
Рис. 2. Види дефектів у зварних з'єднаннях:
а - наплив; б - непровар, по-пори; г - підрізи; д - трсщіни,
е - включення
Іноді буває досить перед підваркою засвердлити кінці тріщини для запобігання її поширення при підварюванні.
Менш небезпечні пори. Вони мають округлу форму і не створюють небезпечної концентрації напруг, тому незначна кількість таких дефектів іноді допускається, однак їх розміри і кількість на певній довжині шва суворо регламентуються технічною документацією на виріб.
При контактній зварці до зовнішніх дефектів можуть бути віднесені глибокі вм'ятини від електродів, виплески металу, зсув осей заготовок, до внутрішніх дефектів - пори, тріщини, включення.
Питанням якості в нашій країні постійно приділяється пильна увага. Впроваджувана на підприємствах система державного приймання виробів передбачає організацію контролю якості, своєчасне виявлення дефектів, їх аналіз та прийняття оперативних заходів щодо їх попередження. Якість зварних з'єднань забезпечується постійним контролем всього виробничого циклу: попереднім (контроль матеріалів та обладнання), поточним (контроль у процесі виконання зварювальних робіт) та остаточним (контроль зварних заготовок і виробів).
Для виявлення дефектів застосовують різні методи контролю. Якщо при контролі не порушується цілісність зварного з'єднання, то використовуваний при цьому метод відноситься до неруйнуючих методів контролю.
До неруйнуючим методам контролю ставляться зовнішній огляд, контроль на герметичність, методи виявлення прихованих дефектів (магнітний, радіаційний, ультразвуковий), методи виявлення дефектів, що виходять на поверхню (магнітний, люмінесцентний, кольоровий).
Зовнішній огляд виконують неозброєним оком або з використанням лупи (звичайно не більше 10 кратного збільшення), а також різного вимірювального інструмента і шаблонів.
Контролю на герметичність піддають ємності, судини і трубопроводи. При гідравлічному випробуванні всередині ємності створюють надлишковий тиск рідини, що перевищує в 1,5-2 рази робочий тиск, і після витримки 5-10 хв оглядають з метою виявлення течі.
Хороші результати при виявленні негерметичності дає керосино-крейдяна проба. Контрольовану поверхню фарбують крейдою, а з протилежного боку заготовку (або зварний шов) змащують гасом. При наявності нещільності гас проникає через дефекти розміром 0,1 мм і менше і виступає у вигляді темних плям на пофарбованій крейдою поверхні. Випробування на непроникність можуть виконуватися також пневматичним, вакуумним методами і за допомогою гелієвого детектора шукаємо.
Магнітні методи контролю засновані на виявленні полів магнітного розсіювання, що утворюються в місцях розташування дефектів при намагнічуванні контрольованих заготовок. Досить простий метод магнітного порошку. На поверхню намагніченої (наприклад, соленоїдом) заготовки наносять залізну тирсу. Над місцем розташування дефекту створюються скупчення порошку. Цим способом можна виявити невидимі неозброєним оком поверхневі тріщини, внутрішні тріщини, що залягають не глибше 15 мм, розшарування металу, пори, включення шлаку. При індукційному методі магнітний потік у заготівлі наводять електромагнітом змінного струму, а дефекти виявляють котушкою шукача, в якій полем розсіювання створюється ЕРС, що викликає звуковий або оптичний сигнал на індикаторному пристрої.
Радіаційні методи засновані на здатності рентгенівського і гамма-випромінювання проникати через метали. Виявлення дефектів відбувається за рахунок того, що ділянки металу з дефектами і без дефектів по-різному поглинають випромінювання. На рис. 30.2 показана схема рентгенівського просвічування зварного шва. Випускається рентгенівською трубкою випромінювання проходить через метал і фіксується на чутливій фотоплівці. У місцях, де є дефекти, на плівці утворюються більш темні плями. Чутливість методу дозволяє виявити дефекти, розміри яких становлять 1-3% товщини металу. Вид і розміри дефектів визначають порівнянням проявленої плівки з еталонними знімками.
При просвічуванні заготовок гамма-випромінюванням джерелами випромінювання служать радіоактивні ізотопи, наприклад, кобальт 60. Ампулу з таким ізотопом поміщають у свинцевий контейнер для захисту обслуговуючого персоналу. Гамма-випромінювання може проникати в метал глибше, ніж рентгенівське, і дозволяє просвічувати заготовки з товщиною металу до 300 мм.
Ультразвуковий контроль заснований на здатності ультразвукових хвиль відбиватися від поверхні розділу двох середовищ. У дефектоскопії ультразвукові хвилі отримують у п'єзоелектричних матеріалах (кварц, сульфат літію, титанат барію та ін.) П'єзоелектричний щуп ультразвукового дефектоскопа поміщають на поверхню контрольованої заготівлі та періодично у вигляді імпульсів посилають в метал спрямовані ультразвукові коливання, частота яких зазвичай перевищує 20 кГц (рис. 30.3). При зустрічі з дефектом виникає відображена ультразвукова хвиля, яка сприймається іншим щупом (а іноді тим же, що подає). Відбитий сигнал перетворять в електричний і подають на осцилограф, на екрані якого виникає імпульс у вигляді піку. Ультразвуковий контроль дозволяє виявити дефект розміром 1-2% товщини заготовки, визначити його місцезнаходження, проте не завжди дозволяє встановити вид дефекту. Люмінесцентний метод заснований на здатності деяких речовин світитися в холодному стані під впливом освітлення, електричного струму або хімічних реакцій. Явище світіння деяких речовин під дією світлового випромінювання ультрафіолетового діапазону називається флуоресценцією. Речовини, що світяться називаються люмінофорами.
Рис. 3. Рентгенівське просвічування зварного шва:
/ - Рснтгеновскся трубка; 2 - рентгенівське випромінювання; 3 - зварний шов;
4 - касета, 5 - фотоплівка
Рис. 4. Ультразвуковий контроль:
1 - п'єзоелектричний щуп; 2 - генератор ультразвукових коливань; 3 - підсилювач, 4 - екран дефектоскопа; 5 - дефект
Метод придатний для виявлення тільки поверхневих дефектів, в які може проникнути люмінофор. Випробувану деталь поміщають в розчин люмінофора в гасі або трансформаторному маслі (щоб деталь не корродіровалі) і витримують 15 хв. Розчин проникає в поверхневі дефекти, і після видалення його залишків деталь сушать. Під дією ультрафіолетового опромінення люмінофор, що залишається в поверхневих дефектах, починає світитися і виявляє їх.
До руйнівним методам контролю відносяться механічні випробування, металографічні дослідження, а також спеціальні випробування з метою отримання тих чи інших характеристик (наприклад, втомної міцності, корозійної стійкості). Ці випробування проводять на спеціальних зразках, вирізаних із зварених з'єднань.
Температура плавлення чавунів залежить від їх хімічного складу і приблизно складає 1200-1250оС.
Структура чавуну залежить від швидкості охолодження та вмісту в ньому вуглецю і легуючих домішок. За структурою чавуни поділяють на білі і сірі.
Білий чавун отримав свою назву від виду зламу, який має білий або світло-сірий колір. Вуглець у ньому знаходиться в хімічно зв'язаному стані у вигляді цементиту Fe3C. Цементит крихкий і має високу твердість, тому білий чавун не піддається механічній обробці, для виготовлення виробів застосовується рідко і зварюванні не підлягає.
З білого чавуну шляхом спеціальної термічної обробки (тривала витримка при температурі 1000 о С) отримують ковкий чавун. За механічними властивостями він пластічнєє білого чавуну. Назва «ковкий» це умовна назва, чавуни не використовують у вигляді поковок, вони практично не куються.
Високоміцні чавуни отримують додаванням в сплав деяких легуючих елементів (магнію, церію та ін.) Сірий чавун містить у своєму складі майже весь вуглець у вигляді графіту, тому злам його має сріблясто-сірий колір. Сірий чавун добре обробляється різальним інструментом, тому він широко застосовується як конструкційний матеріал. Сірий чавун дешевше сталі, відрізняється хорошими ливарними властивостями, високою зносостійкістю, здатністю гасити вібрації, хорошою оброблюваністю. Негативними його властивостями є знижена міцність і висока крихкість.
Чавун маркують за літерно-цифровий системі: перші літери (С, К і В) позначають сірий, ковкий і високоміцний чавун відповідно; друга літера (Ч) позначає чавун. У сірому чавуні дві цифри вказують на тимчасове опір. Наприклад, у марці СЧ10 букви СЧ позначають сірий чавун, 10 - тимчасовий опір. У позначеннях ковкого і високоміцного чавунів після буквеної маркування (КЧ і ВЧ) перші дві цифри також позначають тимчасовий опір, а другі дві - відносне подовження, наприклад КЧ 35-10 (ковкий чавун з тимчасовим опором не менше 350 МПа і відносним подовженням не менше 10 %).
Чавун належить до матеріалів, які мають поганий технологічної зварюваністю. Основні труднощі при зварюванні зумовлені високою схильністю його до відбілювання, тобто появи ділянок з виділеннями цементиту, а також утворення тріщин у шві і біляшовній зоні. Крім того, чавун має низьку в порівнянні зі сталлю температуру плавлення (1200-1250оС) і швидко переходить з рідкого стану в твердий. Це викликає утворення пор у шві, оскільки інтенсивне виділення газів зі зварювальної ванни продовжується і на стадії кристалізації.
Підвищена жидкотекучесть чавуну ускладнює утримання розплавленого металу від витікання і ускладнює формування шва. Внаслідок окислення кремнію на поверхні зварювальної ванни можливе утворення тугоплавких оксидів, що може призвести до непровару.
При виборі способу зварювання чавуну необхідно враховувати такі особливості:
висока його крихкість при нерівномірному нагріванні й охолодженні може викликати появу тріщин в процесі зварювання;
прискорене охолодження призводить до утворення вибіленої прошарку в околошовной зоні й утрудняє його подальшу механічну обробку;
сильне газоутворення в рідкій ванні може викликати пористість зварних швів;
висока жидкотекучесть чавуну обумовлює необхідність у ряді випадків подформовкі.
Чавунні деталі, що працюють тривалий час при високих температурах, майже не піддаються зварюванню. Це відбувається в результаті того, що під дією високих температур (300-400 о С і вище) вуглець і кремній окислюються, і чавун стає дуже крихким. Чавун, що містить окислений вуглець і кремній, називають горілим.
Погано зварюються також чавунні деталі, що працюють тривалий час в зіткненні з маслом і гасом. Поверхня чавуну просочується маслом і гасом, які при зварюванні згорають і утворюють гази, що сприяють появі суцільний пористості в зварному шві.
Зварювання чавуну застосовують при ремонтно-відновлювальних роботах і для виготовлення зварювально-литих конструкцій. Чавун зварюють переважно при усуненні дефектів лиття в чавунних виливках до і після механічної обробки, а також при ремонті деталей.
До зварних з'єднань чавунних деталей залежно від умов експлуатації пред'являються різні вимоги - від декоративної заварки зовнішніх дефектів до отримання сполук, равнопрочний з основним металом.
Чавун можна зварювати дуговим зварюванням металевим або вугільним електродом, порошковим дротом, газовим зварюванням та іншими способами.
Найбільш часто способи зварювання чавуну класифікують за станом деталі, що зварюється. У залежності від температури попереднього підігріву розрізняють зварювання з підігрівом (гарячу зварювання) і без підігріву (холодну зварювання).
Гарячу дугове зварювання чавуну застосовують у випадках, коли металом шва повинен бути чавун, за своїми властивостями наближається до властивостей основного металу деталі.
Холодну дугове зварювання чавуну виконують на оброблюваних і оброблених поверхнях деталей, коли дефекти лиття незначні або середніх розмірів, коли вони некрізні або наскрізні, але невеликої довжини і, нарешті, коли наплавляється метал не передбачений у вигляді чавуну. При холодному зварюванні зварюються деталі не підлягають попередньому нагріву.
Особливості застосування різних способів дугового зварювання чавуну показані в таблиці 1. Вибір способу і технології зварювання залежить від вимог до зварному з'єднанні. При виборі технології зварювання враховують необхідність підігріву металу, а також механічної обробки металу шва і біляшовній зони після зварювання.
Технологічний процес складається з механічної обробки під зварювання, формування деталей, що зварюються, попереднього підігріву, зварювання і подальшого повільного охолодження.
Підготовка під зварювання дефектного місця полягає в ретельній його очищення від забруднень і в обробленні крайок, що зварюються.
При зварюванні наскрізних тріщинами або заварці дефектів, що знаходяться на краю деталей, необхідно застосовувати графітові форми, що запобігають витіканню рідкого металу зі зварювальної ванни. Форми виготовляють з графітових платівок, скріплюються формувальної масою, яка складається з кварцового піску, замішаного на рідкому склі. Крім того, форми можна скріплювати в опоках формувальними матеріалами, застосовуваними в ливарному виробництві.
Деталі й чавунні виливки нагрівають до температури 300-700оС (залежно від форми деталі, дефекту, способи зварювання). Зварювання виконують чавунними електродами або порошковим дротом із присадкою керамічного стрижня. Підігрів необхідний для того, щоб після зварювання відбувалося рівномірне охолодження усього виробу і не утворювалися тріщини.
Деталі нагрівають у спеціальних печах або за допомогою індукційних нагрівачів. Для ручного дугового зварювання використовують плавящиеся електроди марок ЦЧ 4, ЕВЧ 1, МНЧ 2, ОЗЧ 2 і ін
Гарячу зварювання чавуну виконують на великій силі зварювального струму без перерв до кінця заварки дефекту при великій зварювальній ванні. Так, для зварювання електродом діаметром 8 мм потрібно струм 600А, а діаметром 12 мм - струм 1000А. Використовують електротримачі, що мають захист руки зварювальника від теплового випромінювання.
Варка вугільним електродом ведеться постійним струмом прямої полярності: для електродів діаметром 8-20 мм використовуються відповідно струми 280-600А. Застосовують перетворювачі ПСМ 1000, випрямлячі ВАМ 1601, трансформатори ТДФ 1601.
Під час зварювання слід безперервно підтримувати значний обсяг розплавленого металу в зварювальній ванні і ретельно перемішувати його кінцем електрода або присадочного стрижня. Для повільного охолодження заварені деталі засипають дрібним деревним вугіллям або сухим піском. Остигання масивних деталей може тривати 3-5 доби.
Основними недоліками гарячого зварювання чавуна є велика трудомісткість процесу і важкі умови праці зварювальників.
Зварювання чавуна без підігріву виробу застосовується ширше, ніж з підігрівом. Підготовка поверхні дефектів до заварки полягає в свердлінні, зачистці, фрезеруванні і т.д. до отримання чистої поверхні основного металу.
Оброблення крайових дефектів здійснюють таким чином, щоб попередити відколи при механічній обробці.
При зварюванні без попереднього нагрівання дефекти, розташовані один від одного на відстані більше ніж 20 мм, вирубують або висвердлюють порізно, при більш близькому розташуванні - виробляють суцільну вирубку дефектної ділянки. Оброблення крайок залежить від товщини деталі. При глибині дефекту 5-7 мм вирубують фаску з кутом розкриття 70-80 о. У місцях, доступних для зварювання з двох сторін, виробляють Х-подібну оброблення крайок. Зазор становить 0-3 мм, притуплення с - 0-3 мм.
Якщо кінці тріщини не виходять на поверхню деталі, то в місцях закінчення тріщини свердлять отвори і ділянка видимої частини тріщини вирубують (вишліфовує) або обробляють повітряно-дугового різкою.
По кінцях некрізне тріщини просвердлюють отвори завглибшки 2-4 мм, а по кінцях наскрізний тріщини - на всю глибину свердлом діаметром 6-10 мм.
Наплавлення ведуть через центр обробки, а потім наплавляють валики на правій і лівій її частинах.
Тріщини, відколи обробляють (V образна оброблення крайок) для односторонньої зварювання.
На практиці використовують кілька різновидів холодної зварювання: сталевими, мідно-залізними, мідно-нікелевими, залізо-нікелевими, нікелевими та іншими електродами.
Зварне з'єднання, отримане холодне зварювання, неоднорідне. Воно складається з наплавленого металу, зон сплавлення і термічного впливу. Розмір зони сплавлення залежить від діаметра електрода (3-6 мм - за розміром запарюваної дефекту).
Застосовуючи мідно-нікелеві (марки МНЧ 2) і мідно-сталеві (марки ОЗЧ 2) електроди, отримують наплавлений метал, що легко піддається механічній обробці. Наплавлення утворюють одношарової або багатошарової укладанням валиків.
Для зварювання чавуну найбільш часто використовують електроди марок МНЧ 1, МНЧ 2, ЦЧ 4, ОЗЖН 1 та ін
Сталеві електроди марки ЦЧ 4 (на основі дроту з низьковуглецевої сталі з карбидообразующие покриттям) застосовують при ремонті невідповідальних чавунних виробів невеликих розмірів з малим об'ємом наплавлення, що не вимагають після зварювання механічної обробки.
Зварювання сталевими електродами з захисно-легуючими покриттями виконують з V-або X образної обробленням крайок. Для усунення нерівномірного розігрівання деталі зварюють окремими ділянками врозбивку. Довжина цих ділянок зварного шва не повинна перевищувати 100-120 мм. Після зварювання ділянках дають можливість охолонути до температури 60-80оС. Найкращі результати отримують при зварюванні електродами з покриттям марки УОНІ 13/45 постійним струмом зворотної полярності.
Мідно-залізні електроди застосовують для заварювання окремих дефектів або невеликих несплошностей, створюють течі на виливках відповідального призначення, в тому числі і працюючих під тиском. Найбільш досконалі з них - електроди марки ОЗ4-2, що представляють собою мідний стрижень діаметром 4-5 мм, на який нанесено покриття, що складається з суміші електродної обмазки марки УОНІ 13/45 (50%) і рідкого скла. При зварюванні не слід допускати сильного розігріву зварюваних деталей. Після зварювання легким молотком виконують проковування наплавленого металу в гарячому стані. Вона зменшує зварювальні напруження і знижує небезпеку утворення тріщин у околошовной зоні. У результаті наплавлений метал набуває високу пластичність і задовільно обробляється.
Список літератури
1. О.М. К а сілов Матеріалізнавство І технологія конструкційніх матеріалів. Конспект лекцій. Херсон, ХДМІ, 2008
2. Лоскутов В.В. Шліфувальні верстати 1988 (М. Машинобудування 1988).
3. Лоскутов В.В. Шліфування металів Підручник 1985 (М. Машинобудування 1985).
4. Б.А. Кузьміна «Технологія металів і конструкційні матеріали», Москва, «Машинобудування» 1989
5. Ю.М. Лахтін «Основи металознавства», Москва, «Металургія» 1988