Контроль качества сварных швов и соединений

В. В. Овчинников 
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ  
И СОЕДИНЕНИЙ 
УЧЕБНИК 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
О-35 
Р е ц е н з е н т ы :  
кандидат технических наук, директор по развитию бизнеса 
и технологий ООО «Арконик СМЗ» Дриц Александр Михайлович; 
доктор технических наук, главный научный сотрудник 
ООО «Аттестационный центр ЦНИИТМАШ» Феклистов Станислав Ильич 
Овчинников, В. В.  
О-35 
 
Контроль качества сварных швов и соединений : учебник / В. В. Овчинников. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 208 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1084-7 
Изложены широко применяемые в промышленности, разрушающие и неразрушающие методы обнаружения и идентификации дефектов (внутренних и 
поверхностных). Приведены сведения о дефектах сварных швов и сварных соединений. Проиллюстрированы наиболее рациональные методы устранения 
дефектов сварки плавлением, электронно-лучевой сварки и контактной сварки. 
Для учащихся средних профессиональных учебных заведений. Может 
быть полезно специалистам в области сварочного производства.  
УДК 621.791 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-1084-7 
” Овчинников В. В., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Современные технологические процессы изготовления продукции машиностроения в большинстве случаев сопровождаются использованием различных 
способов сварки. Совершенствование их или применение новых способов соединений только частично решает проблему повышения качества изготовляемых 
конструкций, так как даже при хорошо отработанной технологии сварки возможны различного рода дефекты, приводящие к снижению надежности и долговечности изделий. В связи с этим важное значение для повышения качества изготовляемых конструкций приобретают методы неразрушающего контроля. 
В ряде отраслей промышленности неразрушающий контроль сварных соединений выделен в самостоятельный технологический процесс, так как в 
большинстве случаев трудоемкость контроля соизмерима с трудоемкостью 
процесса сварки. Затраты на контроль при изготовлении ряда конструкций превосходят затраты на их сварку, а стоимость контрольных операций может достигать 25…35  общей стоимости конструкции. Это объясняется, прежде всего тем, что уровень механизации и автоматизации сварочных работ достаточно 
высок (35…40 ), в то время как доля автоматизированного неразрушающего 
контроля незначительна (1…2 ). Поэтому в настоящее время особое внимание 
обращают на ускоренное внедрение автоматизированных методов контроля качества сварных соединений. 
Разработана и осуществляется специальная программа по внедрению  
в сварочное производство современных средств и методов неразрушающего 
контроля (акустической эмиссии, голографии, томографии и др.). Дальнейшее 
развитие получат и традиционные методы неразрушающего контроля. К таким 
методам относят радиационную, ультразвуковую, магнитную и капиллярную 
дефектоскопию, а также испытания изделий на герметичность. 
Следует отметить, что среди перечисленных методов контроля нет такого, который гарантировал бы выявление всех дефектов сварки. Каждый из этих 
методов обладает своими преимуществами и недостатками. Например, при использовании радиационных методов контроля достаточно уверенно обнаруживают объемные дефекты небольшого размера (0,1 мм и более) и значительно 
хуже - несплавления, трещины и стянутые непровары (35…40 ). Ультразвуковой метод, наоборот, более чувствителен к плоскостным дефектам и малоэффективен при контроле конструкций с дефектами в виде пор размером 1 мм  
и менее. Для выявления поверхностных дефектов применяют или капиллярный, 
или. магнитные методы контроля. 
Практика показывает, что правильная организация процессов контроля, а 
также умелое применение того или иного метода или сочетания методов при 
3 


контроле позволяют с большой надежностью оценить качество сварных соединений. 
Растущие требования к качеству выпускаемой продукции выдвинули задачу подготовки специалистов, владеющих необходимой совокупностью знаний по технологии сварки, аппаратуре контроля и организации контрольных 
служб. 
Данная книга должна помочь учащимся средних профессиональных 
учебных заведений овладеть необходимыми техническими знаниями, освоить 
приемы выполнения контрольных операций, ознакомиться с устройством и работой аппаратуры контроля. Особое внимание в книге отведено радиационным 
и ультразвуковым методам контроля, объем применения, которых в промышленности по сравнению с другими методами наиболее значителен.  
4 

Рис. 1.1. Строение сварочной  
ванны:  
1 - головной участок;  
2 - хвостовой участок 
Глава 1 
ДЕФЕКТЫ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
 
1.1. Строение сварного шва 
 
При сварке плавлением доводятся до жидкого состояния кромки соединяемых элементов и дополнительный металл. При сварке без дополнительного 
металла расплавляется только основной металл. Плавление происходит в зоне 
сварки - плавильном пространстве. Расплавленные основной и дополнительный металлы, сливаясь, образуют общую сварочную ванну, находящуюся в состоянии непрерывного движения и перемешивания. Границами ванны служат 
оплавленные участки основного металла и ранее образовавшегося шва.  
В процессе сварки источник теплоты перемещается вдоль соединяемых 
кромок, а вместе с ним движутся плавильное пространство и сварочная ванна. 
При сварке под флюсом сварочная ванна окружена оболочкой (пузырем) из 
расплавленного флюса-шлака, который полностью закрывает ореол дуги, делая 
его невидимым для глаз. При сварке с газовой защитой сварочная ванна окружена прозрачной оболочкой из газа, а при применении покрытых электродов 
сварочная ванна защищена шлаком и газом. В обоих случаях ореол дуги хорошо виден. При электрошлаковой сварке и дуговой сварке под флюсом вертикальных швов сварочная ванна изолирована от окружающего воздуха слоем 
шлака, расположенным над ее поверхностью. 
При дуговой сварке плавильное пространство можно условно разделить на два 
участка (рис. 1.1): головной, где происходит 
плавление основного и дополнительного металлов, и хвостовой, где располагается сварочная ванна и начинается ее кристаллизация. 
Форма сварочной ванны при дуговых процессах в этом случае характеризуется ее длиной, 
шириной, толщиной и глубиной проплавления 
основного металла (рис. 1.2, а). Она ограничивается изотермической поверхностью, имеющей температуру плавления основного металла. 
Объем сварочной ванны в зависимости от способа и режима сварки изменяется от 0,1 до 10 см3. В плане сварочная ванна имеет эллипсовидное вытянутое вдоль направления сварки очертание (рис. 1.2, б). В поперечном сечении  
в зависимости от режима и условий сварки форма сварочной ванны изменяется 
5 


в широких пределах. Наиболее характерной для дуговой сварки является форма 
провара, приближающаяся к полуокружности. При лучевых способах сварки 
форма ванны напоминает острый клин-кинжал. 
Рис. 1.2. Продольное и поперечное сечение сварочной ванны 
 и ее основные размеры: 
L - длина; h - глубина; Н - толщина свариваемого металла; е - ширина;  
q - выпуклость с лицевой стороны; р - выпуклость со стороны проплава 
Время пребывания металла сварочной ванны в жидком состоянии для 
различных ее участков неодинаково. Приближенно среднюю продолжительность существования сварочной ванны tСВ (с) можно определять из зависимости: 
tСВ = L / v,  
(1.1) 
где  L - длина ванны, мм;  
v - скорость перемещения источника нагрева, мм/с. 
Для сварочной ванны при дуговом процессе характерно неравномерное 
распределение температуры (рис. 1.3). В головной части ванны, где под воздействием источника теплоты происходит плавление металла и наиболее интенсивно протекает взаимодействие металла со шлаком и газами, металл нагрет 
значительно выше температуры его плавления. В хвостовой части ванны температура приближается к температуре плавления основного металла. Средняя 
температура сварочной ванны при сварке под флюсом конструкционных низкоуглеродистых сталей составляет около 1800 ƒС. Максимальная температура 
для этих условий достигает 2300 ƒС. 
Столб дуги, расположенный в головной части сварочной ванны, оказывает механическое воздействие - давление на поверхность расплавленного основного металла. Это давление является результатом совместного действия упругого удара заряженных частиц о поверхность металла, давления газов, находящихся в дуговом промежутке, и дутья дуги, обусловленного электродинамическими усилиями. Такой направленный поток наблюдается только при несимметричной дуге, т. е. дуге, горящей между электродами малого и большого се6 

чений, в нашем случае между электродом или сварочной проволокой и основным металлом. 
 
Рис. 1.3. Распределение температуры по длине сварочной ванны 
 
Давление приводит к вытеснению жидкого металла из-под основания дуги и к погружению столба дуги в толщу основного металла, что обусловливает 
увеличение глубины проплавления. Давление, оказываемое дугой на поверхность металла, пропорционально квадрату тока, протекающего в дуге. Давление 
может быть повышено за счет увеличения концентрации источника нагрева, 
например путем повышения плотности тока в электроде, применения флюса 
или тугоплавкого покрытия, образующего втулочку на конце электрода (сварка 
электродами для глубокого провара). Очевидно, что чем больше давление, оказываемое дугой на поверхность расплавленного металла, тем больше глубина 
погружения столба дуги в его толщу. Для понижения давления применяют 
сварку наклонным электродом углом вперед, сварку несколькими дугами  
и другие приемы. 
Жидкий металл, вытесненный из-под основания дуги действующими на 
поверхность сварочной ванны силами, по мере передвижения дуги отбрасывается в хвостовую часть плавильного пространства. При плотности тока в электроде до 15 А/мм2 это перемещение невелико и проявляется в образовании не 
заполненного металлом углубления - кратера. При повышенных плотностях 
тока в электроде наблюдается достаточно заметное перемещение металла сварочной ванны вплоть до полного удаления жидкого металла из головного 
участка. Этим обусловливается различие уровней жидкого металла в головной 
и хвостовой части плавильного пространства (рис. 1.4). Для поддержания такой 
разности уровней должно существовать равенство между давлением дуги РД  
7 


и гидростатическим давлением жидкого металла и шлака РГ. Если РД < РГ, то 
металл и шлак заполняют образовавшееся углубление, что имеет место в конце 
процесса сварки. Если РД ! РГ, то нарушается нормальное формирование шва. 
Рис. 1.4. Расположение жидкого металла в головной и хвостовой частях сварочной ванны 
После перемещения расплавленного металла в головной части плавильного пространства остается углубление - канавка. Поверхность ее покрыта тонкой пленкой жидкого металла, удерживаемой силами поверхностного натяжения. По мере передвижения дуги перемещающийся из последующего головного 
участка жидкий металл заполняет канавку. При этом происходит взаимное слияние поступившего металла с жидкой пленкой и дополнительное оплавление 
основного металла за счет теплоты, накопленной в перегретой сварочной ванне. 
При удалении источника нагрева в хвостовой части плавильного пространства 
начинает преобладать отвод теплоты в массу холодного металла над притоком 
теплоты и начинается затвердевание - кристаллизация сварочной ванны. В 
процессе затвердевания по границе расплавления образуются общие кристаллиты, что и обеспечивает монолитность соединения. 
При электрошлаковом процессе сварочная ванна в плане преимущественно имеет прямоугольное или близкое к прямоугольному очертание с постоянной шириной. Такая форма ванны определяется возвратно-поступательным перемещением электрода (электродов) и наличием над поверхностью ванны значительного количества жидкого перегретого шлака. Объем металлической ванны достигает в этом случае 80 см3 и более. Форма ванны в поперечном сечении 
приближается к полуокружности или полуэллипсу. 
Переход металла сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называют первичной кристаллизацией. Процесс первичной кристаллизации заканчивается образованием столбчатых кристаллитов Структуру металла шва, 
сформировавшуюся в результате первичной кристаллизации, именуют первичной. 
При затвердевании металла в нем развиваются диффузионные процессы, 
стремящиеся выровнять состав различных участков образовавшихся кристаллитов. Однако из-за значительной скорости остывания металла и медленного 
8 

протекания процессов диффузии в твердых растворах не происходит полного 
выравнивания состава металла шва. Это определяет наличие зональной ликвации, т. е. неравномерного распределения элементов по сечению металла шва  
и внутридендритной неоднородности, заключающейся в неравномерном распределении элементов в пределах отдельных кристаллитов. Характер и степень 
микроскопической неоднородности оказывают существенное влияние на стойкость металла шва против образования трещин и на его механические свойства. 
Преимущественное 
развитие 
в 
сварных 
швах 
получает 
внутридендритная химическая неоднородность. Зональная ликвация проявляется в 
значительно меньшей степени в виде небольшого обогащения серой и некоторыми другими элементами поверхности шва при широкой форме провара или 
по его оси при узкой форме провара. Степень дендритной и зональной ликвации в значительной мере зависит от условий остывания (кристаллизации) металла шва и его химического состава. 
Степень внутридендритной химической неоднородности связана со скоростью остывания сварочной ванны сложной зависимостью. Однако изменения 
скорости остывания металла сварочной ванны в пределах, характерных для 
кристаллизации реальных швов, не влияют на степень ликвации. 
Значительное влияние на качество сварного соединения оказывают диффузионные процессы, протекающие в зоне сплавления. Здесь, вследствие различной растворимости элементов в жидкой и твердой фазах, возникает существенная разница в химическом составе пограничного участка основного металла и прилегающего к нему участка металла шва. 
В ряде случаев наблюдаются значительные изменения химического состава по длине шва и на отдельных его участках (макроскопическая неоднородность). Эти изменения обычно связаны с колебаниями режима сварки, изменениями состава сварочных материалов и другими технологическими причинами. 
В металле сварных швов наблюдается также физическая неоднородность, 
связанная с возникновением вторичных, так называемых полигонизационных 
границ, проходящих по участкам, где сосредоточены несовершенства кристаллической решетки. Физическая неоднородность оказывает заметное влияние на 
стойкость сварного шва против перехода в хрупкое состояние, против межкристаллитной коррозии и на другие свойства. 
Различают первичную и вторичную кристаллизацию. Переход металла 
сварочной ванны из жидкого состояния в твердое называется первичной кристаллизацией. Этот процесс начинается от частично оплавленных зерен основного или ранее наплавленного металла и продолжается по нормали к линии 
сплавления (рис. 1.5). 
9 


Рис. 1.5. Схема кристаллизации  
металла шва: 
1 - шлаковые включения;  
2 - линия сплавления;  
3 - зона термического влияния;  
4 - столбчатые кристаллы металла шва 
Рис. 1.6. Граница сплавления А 
Первичная кристаллизация сварочной ванны при всех видах дуговой 
сварки начинается от частично оплавленных зерен основного металла или 
столбчатых кристаллитов предыдущего 
слоя (при многопроходной сварке), являющихся готовыми центрами кристаллизации. Видимая граница между металлами исчезает. Условную поверхность раздела между зернами основного 
металла и кристаллитами шва именуют 
границей шва или границей сплавления 
(рис. 1.6). При сварке аустенитных сталей величина столбчатых кристаллитов в 
большинстве случаев совпадает с величиной зерна основного металла. При 
сварке других металлов и сплавов эта закономерность выражена не столь четко. 
Процесс первичной кристаллизации металла шва при электрошлаковой 
сварке не имеет принципиальных отличий от кристаллизации многослойных 
швов, полученных дуговой сваркой с небольшим перерывом между выполнением слоев. Только в примыкающих к ползунам участках металлической ванны кристаллиты растут перпендикулярно к поверхности охлаждения, прорастая на 10-20 мм в глубь шва. Наличие дополнительных охлаждаемых поверхностей при сварке металла толщиной до 30 мм приводит к радиально-осевой направленности кристаллитов (рис. 1.7). С увеличением 
толщины свариваемого металла свыше 50 мм кристаллизация основной части шва 
приобретает обычный характер, и только у ползунов наблюдается специфическая 
направленность роста кристаллитов. 
Рис. 1.7. Направление роста кристаллитов  
при электрошлаковой сварке металла толщиной до 40 мм 
10