Niezgodności spawalnicze
POJĘCIE WADY I NIEZGODNOŚCI
• wada – to niespełnienie wymagania, czyli niespełnienie potrzeby lub oczekiwania, które zostało ustalone, przyjęte zwyczajowo lub obowiązkowe, odnoszące się do zamierzonego lub wyspecjalizowanego użytkownika;
• niezgodność – to niespełnienie wymagania, czyli niespełnienie potrzeby lub oczekiwania, które zostało ustalone, przyjęte zwyczajowo lub jest obowiązkowe;
SYSTEMATYKA NIEZGODNOŚCI SPAWALNICZYCH
Z punktu widzenia wielkości (wykrywalności) niezgodności spawalnicze można podzielić na dwie podstawowe grupy:
• niezgodności makroskopowe (np. braki przetopu, żużle, pęcherze, podtopienia itp.), które można zobaczyć nie uzbrojonym okiem lub przy powiększeniu do 30 razy i które są wykrywane powszechnie stosowanymi w praktyce przemysłowej metodami badań nieniszczących;
• niezgodności mikroskopowe (np. mikropęknięcia, mikrowtrącenia siarki, fosforu, krzemu itp.), wykrywane metodami nieniszczącymi z zastosowaniem specjalnych technik (np. mikrorentgenografii, jądrowego rezonansu magnetycznego, elektronowego rezonansu paramagnetycznego itp.) lub metodami niszczącymi (zwykle metalograficznymi).
W niektórych przypadkach wyróżnia się grupę niezgodności submikroskopowych, (np. wakansy, dyslokacje), wykrywane specjalnymi metodami i technikami zarówno badań nieniszczących jak i niszczących. Niezgodności te pozostają, z reguły, poza zainteresowaniem operatorów oceniających jakość wykonywanych złączy spawanych.
Z punktu widzenia usytuowania, niezgodności spawalnicze można podzielić na:
• niezgodności wewnętrzne – powstające w czasie i po spawaniu wewnątrz złączy,
• niezgodności zewnętrzne – występujące na powierzchni złącza.
Jak widać, niezgodności spawalnicze mogą być klasyfikowane według różnych kryteriów. Takim kryterium jest również ich kształt. Decyduje on, w znacznej mierze, o koncentracji naprężeń w tym obszarze złącza spawanego, w którym są usytuowane. Z tego punktu widzenia niezgodności spawalnicze można podzielić na:
• niezgodności przestrzenne (trójwymiarowe) np. pęcherze, żużle, które przede wszystkim obniżają przekrój czynny złącza,
• niezgodności płaskie (nazywane czasem szczelinowym) np. przyklejenia, tworzące ostry karb inicjujący w wielu przypadkach pęknięcia konstrukcji.
Niezależnie od gatunku materiału, z którego wykonywane są konstrukcje i wyroby spawane, niezgodności występujące w złączach spawanych podzielono, zgodnie z PN-EN ISO 6520-1 pt. „Spawanie i procesy pokrewne. Klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach. Część 1: Spawanie”, na sześć grup oznaczonych cyframi od 1 do 6, a mianowicie:
1 – pęknięcia,
2 – pustki,
3 – wtrącenia stałe,
4 – przyklejenie i brak przetopu,
5 – niezgodności kształtu i wymiaru,
6 – niezgodności spawalnicze różnorodne.
PRZYCZYNY POWSTAWANIA NIEZGODNOŚCI I ICH CHARAKTERYSTYKA
Podstawowymi przyczynami powstawania niezgodności w złączach spawanych są:
• odstępstwa od prawidłowej technologii spawania,
• niewłaściwy dobór materiałów podstawowych i dodatkowych do spawania,
• nietechnologiczne rozwiązania konstrukcyjne połączeń,
• niskie kwalifikacje spawaczy,
• niesprawność urządzeń spawalniczych itp.
Poznanie przyczyn powstawania niezgodności pozwala na łatwiejszą i precyzyjniejszą interpretację jakości badanych metodami nieniszczącymi złączy, ocenę wpływu tych niezgodności na własności eksploatacyjne złączy oraz podjęcie działań, umożliwiających wyeliminowanie niezgodności w procesie wytwarzania konstrukcji spawanych.
- Pęknięcia
Pęknięcia złączy spawanych są wynikiem stanu naprężeń (odkształceń), w wyniku którego następuje miejscowe przekroczenie wytrzymałości materiału na rozciąganie tj. utrata ciągliwości.
2. Pustki
W każdym procesie spawania konieczne jest doprowadzenie brzegów łączonych elementów (i spoiwa) do stanu ciekłego. Pomiędzy płynnym jeziorkiem metalu a gazową atmosferą łuku elektrycznego lub płomienia zachodzą różnego rodzaju reakcje, na które decydujący wpływ wywiera skład atmosfery. Składa się ona z par metali, par związków chemicznych (wchodzących w skład otulin lub topników) gazów z powietrza lub gazów obojętnych (w przypadku sztucznie stworzonej atmosfery). Skład atmosfery gazowej określony jest dysocjacją (rozpadem) powstałych substancji gazowych oraz złożonymi procesami wzajemnego oddziaływania żużla, gazu i metalu.
Wszystkie te zjawiska mogą powodować utlenienie, naazotowanie i nawodorowanie zarówno spoiny jak i strefy wpływu ciepła.
3. Wtrącenia stałe
Rozróżnia się następujące obce ciała powstałe w spoinie:
- wtrącenie żużla:
· liniowe,
· odosobnione,
· gniazda,
- wtrącenie topnika:
· liniowe,
· odosobnione,
· gniazda,
- wtrącenie tlenków:
· liniowe, pojedyncze,
· gniazda
· warstewka tlenku,
- wtrącenie metaliczne:
· wolframu
· miedzi,
innego metalu.
4. Przyklejenie:
Przyklejeniem nazywa się brak połączenia metalicznego(stopienia) między metalem spoiny, a materiałem podstawowym oraz pomiędzy poszczególnymi warstwami lub ściegami spoiny. Rozróżnia się trzy rodzaje przyklejeń:
-Przyklejenie brzegowe
-Przyklejenie międzyściegowe
-Przyklejenie graniowe
Przyklejenia występują zarówno w spoinach czołowych jak i pachwinowych. Spowodowane są doprowadzeniem małej ilości ciepła, niewystarczającej do nadtopienia brzegu rowka spawalniczego lub uprzednio ułożonej warstwy. Przyczyną powstawania przyklejeń jest zatem:
• spawanie małym natężeniem prądu przy dużej prędkości (niską energią liniową łuku),
• niewłaściwa technika spawania (np. jednostronne pochylenie elektrody),
• obecność trudnotopliwych związków (tlenki, żelazowolfram) na powierzchniach łączonych.
Brak przetopu(niepełny przetop)
Zgodnie z definicją podaną w normie PN-EN ISO 6521-1 brak przetopu(niepełny przetop) to różnica między rzeczywistym a nominalnym przetopem.
5. Niewłaściwy kształt i wymiary
Niezgodności spawalnicze dotyczące niewłaściwego kształtu zewnętrznych powierzchni spoiny lub niewłaściwej (wadliwej) geometrii złącza stanowią jedną z liczniejszych grup niezgodności. Niezgodności te wykrywa się przy pomocy badań wizualnych z zastosowaniem prostych pomiarów.
Podtopienie
Podtopienie to nieregularny rowek w materiale podstawowym przy brzegu ściegu lub w uprzednio ułożonym metalu spoiny spowodowany spawaniem.
Nadmierny przetop
Niezgodność złącza spawanego w postaci nadmiernego przetopu to nadmiar metalu spoiny wystający z jej grani.
Niewłaściwy kształt spoiny
Niewłaściwy kształt spoiny określony jest zbyt małym kątem między płaszczyzną powierzchni materiału podstawowego a płaszczyzną styczną do lica spoiny w miejscu przejścia.
Niezgodność ta występuje bardzo rzadko. Może być wynikiem stosowania zbyt małej prędkości spawania i zbyt niskiego napięcia łuku lub stosowania podkładek (nakładek) formujących (np. w przypadku spawania łukiem krytym lub przy spawaniu żużlowym).
Nawis
Nawis to nadmierna ilość stopionego metalu nie wtopiona do powierzchni materiału podstawowego. Może występować zarówno od strony lica, jak i od strony grani jako:
• nawis lica spoiny,
• nawis grani spoiny.
Przeważnie tworzy się w spoinach czołowych wykonanych w pozycji naściennej, w wyniku spłynięcia metalu spoiny przy stosowaniu zbyt dużego natężenia prądu i małej prędkości spawania.
Przesunięcie brzegów
Przesunięcie pomiędzy spawanymi elementami, których powierzchnie pozostają wzajemnie równoległe, ale nie znajdują się na wymaganej tej samej równoległej płaszczyźnie, stanowi niezgodność spawalniczą nazywaną przesunięciem brzegów.
Przesunięcie może stanowić:
• przesunięcie brzegów w przypadku blach – elementami są blachy,
• przesunięcie brzegów w przypadku rur – elementami są rury.
Przyczyną niezgodności jest, przede wszystkim, niestaranne przygotowanie brzegów elementów do spawania lub niewłaściwie opracowana instrukcja technologiczna spawania.
Odkształcenie kątowe
Odkształcenie kątowe to przesunięcie między spawanymi elementami powodujące brak równoległości ich powierzchni lub niedotrzymanie wymaganego kąta między tymi powierzchniami
Zwis
Zwisem nazywamy obniżenie się metalu spoiny wskutek ciężaru. W zależności od okoliczności może to być obniżenie występujące przy spawaniu:
• w pozycji naściennej,
• w pozycji podolnej lub pułapowej,
• w spoinie pachwinowej,
• w przetopionej krawędzi spoiny.
Niezgodności w postaci zwisów powstają, przede wszystkim, z powodu niskich umiejętności spawacza. Przyczyną ich powstawania może być również nadmierne natężenie prądu spawania, zbyt duża prędkość spawania, za wysokie napięcie łuku, szczególnie przy spawaniu w osłonach aktywnych gazów ochronnych.
Spoina ze zwisem charakteryzuje się dużą koncentracją naprężeń, a więc mniejszą nośnością, co obniża własności eksploatacyjne złączy w konstrukcjach spawanych. Usunięcie niezgodności polega na jej wyszlifowaniu lub wyżłobieniu i ponownym ułożeniu ściegu lub warstwy.
Przepalenie
Przepaleniem nazywamy zapadnięcie się jeziorka spawalniczego, powodujące powstanie otworu na wskroś w spoinie.
Niezupełne wypełnienie rowka spawalniczego
Niezupełne wypełnienie rowka spawalniczego to podłużne wgłębienie lica spoiny, ciągłe lub miejscowe, spowodowane niewystarczającą ilością metalu spoiny.
Przyczyną powstania tej niezgodności jest niesumienność lub niska kultura techniczna pracy spawacza i nadzoru spawalniczego. Usunięcie niezgodności polega na dodatkowym wykonaniu brakującej warstwy lub ściegu w rowku spoiny.
Nadmierna asymetria spoiny pachwinowej (niejednakowa długość boków)
Poprawnie wykonana spoina pachwinowa charakteryzuje się równoramiennością trójkąta prostokątnego wpisanego w jej obrys.
Nadmierna asymetria spoiny pachwinowej występuje, na ogół, przy spawaniu w pozycji nabocznej i okapowej. Przyczyną jej powstawania jest oddziaływanie siły ciężkości i nieumiejętne prowadzenie elektrody lub palnika (zły kąt pochylenia w bok) przez spawacza.
Nieregularna szerokość
Nieregularna szerokość spoiny (czyli nadmierne zmiany szerokości spoiny) powstaje w wyniku nieumiejętnego spawania, polegającego na naprzemiennie zbyt szerokim i zbyt wąskim rozprowadzaniu lica, próby zaspawania podtopień lub zbyt dużego natężenia prądu spawania.
Nierówność lica
Nadmierna nierówność powierzchni lica występuje, na ogół, przy spawaniu w pozycjach przymusowych jako naturalny skutek siły ciężkości. O wielkości nierówności decydują również umiejętności spawacza oraz rodzaj zastosowanych do spawania elektrod.
Wklęśnięcie grani
Wklęśnięciem grani nazywa się wgłębienie w grani spowodowane skurczem spoiny czołowej.
Wklęśnięcia grani występują przeważnie przy obwodowym spawaniu rur w pozycji pułapowej wskutek działania siły ciężkości na rzadkopłynny metal jeziorka spawalniczego. Często również przyczyną wklęśnięć są: nieprawidłowe złożenie elementów do spawania polegające na pozostawieniu między nimi zbyt dużego odstępu, zbyt duża prędkość spawania oraz zbyt krótki wolny wylot elektrody w przypadku spawania w osłonie gazów ochronnych.
Porowatość grani
W niektórych przypadkach, np. przy spawaniu gazowym płomieniem utleniającym, przy łączeniu stali wysokostopowych lub tytanu metodą TIG bez właściwej osłony grani, może powstać niezgodność w postaci gąbczastego metalu w grani.
Efekt ten wywołany jest tworzeniem się pęcherzy w metalu spoiny w momencie krzepnięcia. Przeciwdziałanie polega na zachowaniu wysokiej czystości brzegów elementów przeznaczonych do spawania oraz na przestrzeganiu instrukcji technologicznej spawania.
Niewłaściwe ponowne rozpoczęcie spawania
Niewłaściwe ponowne rozpoczęcie spawania to miejscowa nieregularność powierzchni w miejscu ponownego rozpoczęcia spawania, która może występować zarówno w warstwie licowej jak i graniowej spoiny.
Niezgodność ta jest wynikiem miernych kwalifikacji spawacza oraz dowodem jego niskiej kultury technicznej pracy. Rozpoczynanie spawania w sposób niewłaściwy może prowadzić do powstania innych niezgodności spawalniczych (np. przyklejeń) znacznie obniżających własności eksploatacyjne złącza. Przeciwdziałanie powstawaniu tych niezgodności polega na właściwej realizacji nadzoru nad wykonywanymi pracami spawalniczymi oraz wysokim poziomie szkolenia spawaczy.
Nadmierne odkształcenie
Nadmiernym odkształceniem nazywamy odchyłki wymiarów spowodowane skurczem i odkształceniem podczas spawania.
Niewłaściwe wymiary spoiny
Niewłaściwe wymiary spoiny dotyczą odchyłek od wymaganych jej wymiarów. W zakresie tej niezgodności wyróżnia się:
• nadmierną grubość spoiny.
• nadmierną szerokość spoiny,
• za małą grubość spoiny pachwinowej,
• nadmierną grubość spoiny pachwinowej.
Niezgodności spawalnicze różnorodne
Wszystkie niezgodności spawalnicze nie mieszczące się w grupach od 1 do 5 stanowią niezgodności różne. Dotyczą one stanu powierzchni, kształtu zewnętrznego lub geometrii złącza i są wykrywane za pomocą badań wizualnych i prostych pomiarów.
Ślad zajarzania
Ślad zajarzania to miejscowe uszkodzenie powierzchni materiału podstawowego w sąsiedztwie spoiny spowodowane zajarzeniem łuku poza rowkiem spawalniczym. Przyczyną powstawania tych niezgodności jest niedouczenie lub brak staranności spawacza.
Zajarzanie łuku poza miejscem układania spoiny jest niedopuszczalne. Szczególnie przy spawaniu stali o podwyższonej lub wysokiej wytrzymałości może dojść do podhartowania w miejscu zajarzania, a w wyniku tego do powstania mikropęknięć.