Исследовательская работа по профессии "Сварщик" - "Влияние вредных примесей на качество сварных швов"

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное профессиональное образовательное учреждение  

 «Амурский многофункциональный центр  профессиональных квалификаций»

Влияние вредных примесей  на качество
сварных швов

Исследовательская работа

по МДК 01.01 «Основы технологии сварки и сварочного оборудования»

Выполнил:  

Яценко Алексей Александрович,

студент I курса, группы №311,

профессия «Сварщик»

Руководители:

Левберг Александра Петровна,

Михайловский Сергей Иванович  

мастера производственного обучения

г. Белогорск

                                                             2018

                                                СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

       Я, являюсь студентом 1 курса, обучаюсь по профессии «Сварщик».

Я знаю, что сварщик — это профессия ответственная, почти виртуозная, от качества работы которого, зависит многое — долговечность и устойчивость строительных конструкций, их работа и срок службы различной техники.

Чтобы стать хорошим сварщиком, нужно много знать  о сварке, изучать её, а так же получить свой первый практический  опыт на занятиях в мастерских.

Я только вхожу в профессию «Сварщик» и мне интересным кажется все, что происходит в процессе сварки. Пока я только учусь,  и не всегда у меня получаются хорошие сварные швы,  и я   не всегда могу объяснить, почему это происходит. Чтобы ответить на один из  вопросов, который меня заинтересовал, а именно, о дефектах швов,  я  и выбрал тему своей исследовательской работы, как  же влияют  вредные вещества, входящих в состав стали и в обмазку электродов, на качество сварного шва.

Цель моей исследовательской работы:

исследовать влияние вредных примесей (серы и фосфора) на качество сварного шва, и   доказать, что наличие вредных примесей негативно влияет на качество свариваемых конструкций

• Проблема   исследования:  обосновать влияние вредных примесей, входящих  в состав стали,  на качество сварных конструкций.
• Актуальность  исследования: в связи с возросшими требованиями, предъявляемыми    к долговечности  и прочности сварных металлоконструкций и к  их качеству,  с появлением   новых, некачественных  металлов  и сплавов  на рынке,  появилась необходимость  в умении  выявлять их, избегая наличия вредных примесей в свариваемых материалах,  так как это отражается  на качестве  сварки.
• Предмет исследования:  железоуглеродистые сплавы (стали), химические вещества, входящие  в состав стали - сера и фосфор.
• Практическая значимость: использовать полученные знания и исследования по влиянию вредных примесей на   качество сварных швов, и в дальнейшем в своей практической деятельности по профессии «Сварщик», которые помогут   избежать нежелательных дефектов при получении сварных швов.

2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

СВАРКА  - это технологический процесс получения неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве.

Такой тип неразъёмного соединения отдельных деталей в единое целое считается на сегодняшний день самым надежным и прочным.

В настоящее время нет ни одной стройки, ни одного предприятия строительной индустрии и промышленности, где бы ни применялась сварка.

Широкое применение сварки в строительстве и на предприятиях строительной индустрии объясняется ее технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими способами соединения металлических заготовок и деталей.

Экономия металла, ускорение производственного процесса, снижение стоимости продукции и высокое качество сварных соединений сделали сварку прогрессивным технологическим процессом. Например, при замене клепаных конструкций сварными,  расход металла сокращается на 15-30%. Сварные конструкции обычно на 10—15% легче клепаных и на 30—40% легче литых, что приводит к значительной экономии металлов.

Сварка позволяет получать более рациональные конструкции, используя различные профили проката. Стоимость сварных конструкций значительно снижается, так как уменьшается трудоемкость таких подготовительных работ, как резка, пробивка или сверление отверстий, чеканка. Некоторые литые изделия можно заменить более легкими сварными, при этом экономия металла может достигать 40-50% массы изделия.

Изготовление, монтаж металлических и сборных железобетонных конструкций и сооружений во многих случаях неразрывно связаны с применением различных сварочных процессов.

Самым распространенным способом соединения металлов является дуговая сварка плавящимся электродом (по методу Н.Г. Славянова). Этот вид сварки обладает универсальностью, может быть использован для всех видов соединений, обеспечивает высокую производительность, позволяя наиболее полно механизировать сварочные процессы.

Соединения, выполненные дуговой сваркой плавящимся электродом, обладают высокими механическими свойствами, но это бывает не всегда так.

Последствия брака сварки

В 2002 году в Витебской области в результате разрыва магистрального газопровода произошла утечка свыше 3 млн. м3газа, ущерб превысил 400 млн. рублей.

В 2004 году в Могилевской области из-за дефектов сварки обрушились перекрытия школьного спортзала, что повлекло человеческие жертвы.

Катастрофы на трубопроводах и прочих сварных объектах происходят во всем мире. В 2005 году в Германии из-за ошибки расчета прочности обрушились сварные перекрытия физкультурно-оздоровительного комплекса, в том же году – аналогичная ситуация случилась с выставочным центром в Польше. Все это привело к многочисленным человеческим жертвам. В 2007 году в США из-за разрыва магистрального трубопровода, снабжающего топливом северо-восточную часть страны, произошла крупная утечка нефти. Из-за этой аварии работу нефтепровода пришлось полностью остановить.

К ущербу от непосредственных аварий добавляются огромные затраты на ремонт и преждевременный выход из строя объектов при их эксплуатации. К этому следует добавить не поддающийся точной оценке ущерб, наносимый окружающей среде, т.е. флоре и фауне, минерально-сырьевым ресурсам и атмосфере.

Поэтому,  в настоящее время ужесточились требования к качеству сварных конструкций, к их прочности, надежности и долговечности.

1. Требования,  предъявляемые  к сварным швам

При помощи сварки можно изготовить изделия из металла и других материалов (например, пластмассы, керамики, стекла). При этом различные детали собирают в отдельные узлы и конструкции, используя источники нагрева. 

Сварочный или сварной шов — это место соединения деталей, которое образовалось за счет кристаллизации расплавленного материала.

Сварным соединением называют неразъемное соединение деталей, которое выполнено сваркой. Оно включает в себя сварное соединение и зону материала, которая изменилась после нагрева и пластической деформации.

ВИДЫ ШВОВ И  СОЕДИНЕНИЙ

Сварные швы и соединения классифицируются по:

• виду соединения;
• форме подготовленных кромок под сварку;
• форме свариваемой конструкции;
• объему наплавленного металла;
• действующему на него усилию;
• применяемому виду сварки;
• конфигурации и протяженности;
• положению, в котором выполняется сварка.

Основным требованием является качество исполнения участка сварного соединения. Особенно высокие требования возлагаются к сварным швам различных типов (стыковым, нахлесточным, тавровым, угловым), которые размещаются на стенах, балках или фермах и постоянно испытывают большое напряжение на растяжение. Средние показатели качества допустимы по отношению к угловым швам, служащим для соединения основных деталей конструкций, а также стыковым швам, которые выдерживают большое растяжение и противостоят сдвигу. Наименьшие требования возлагаются на стыковые и угловые швы, которые соединяют вспомогательные детали конструкции.

Сварка  применяется  в тех металлоконструкциях, которые должны в процессе эксплуатации выдерживать самые серьезные нагрузки.

Долговечность и прочность конструкции в полной мере зависит от того, насколько при ее изготовлении соблюдалось требование к технологии  сварных швов, прописанное в ГОСТе и проектной документации.

Требования

к  механическим свойствам сварного шва:

От этих показателей напрямую зависит надежность всей конструкции. Каждой марке стали присущи свои характеристики, поэтому сварочные материалы выбираются в зависимости от них и химического состава.

Основные показатели механических свойств:

• относительное удлинение – соотношение первоначальной длины сварного шва (наплавленного металла) и размера после его растяжения, как правило, должен быть в пределах 14-16 %;
• предел прочности (временное сопротивление разрыву) – испытание выполняется методом растяжения образца на специальном оборудовании до момента трещинообразования, измеряется в МПа и должен соответствовать аналогичному значению свариваемой стали;
• твердость – также не должна сильно отличаться от показателей основного металла.

Требования

к технологическим  свойствам  сварного шва:

• Стыковые соединения должны быть с полным проваром (на всю толщину основного металла), что способствует их эффективной работе в условиях динамических и вибрационных нагрузок.
• к угловым сварным швам металлоконструкций требования выдвигаются с учетом их конструкционных особенностей, которые не всегда позволяют проплавить сталь на всю толщину или это нецелесообразно с технологических соображений.
• тавровые соединения должны быть с полным проваром лишь в тех случаях, когда на них воздействуют постоянные нагрузки.

Требования к внешнему виду:

Внешний вид сварного соединения металлоконструкций должен удовлетворять следующим требованиям:

• шов должен иметь плавный переход к основному металлу, малейшие подрезы не допускаются, это существенно снижает его прочностные характеристики;
• катет, количество проходов, протяженность, выпуклость или вогнутость шва должны соответствовать конструкторской документации.
• на поверхности сварного шва не допускается наличие внешних (наплывы, прожоги, подрезы, непровар) и внутренних (трещины, поры) дефектов.

2. Сталь: её классификация и химический состав.

Наиболее распространенной сталью в металлоконструкциях является сталь СтЗ, обладающая достаточно высокими механическими свойствами, хорошей пластичностью и  свариваемостью.

Ответственные металлоконструкции, работающие при температурах ниже —25 °С, а также металлоконструкции, подверженные действию переменных динамических и вибрационных нагрузок, целесообразно изготовлять из спокойной мартеновской стали группы.

Сталь – это железоуглеродистый сплав, содержащий углерод до 2 %. Сталь получают из чугуна, путем уменьшения в нем содержания углерода, а также вредных примесей - серы и фосфора.

Стали классифицируются по:

- химическому составу;

- по способу получения;

- по качеству;

- по степени раскисления;

- по назначению;

99% всей стали - материал конструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы - теплостойкие, нержавеющие, и т.п.

Главные привлекательные качества стали – высокая прочность при доступности сырья и относительно простом способе производства. Именно такая комбинация и ставит сплавы железа в позицию абсолютного лидера. На сегодня попросту не существует такой области народного хозяйства, где стали не занимали бы позицию конструкционного материала.

• Железо и углерод – обязательные составляющие сплава. Из них железо обеспечивает пластичность и вязкость, благодаря чему сталь относят к деформируемым, ковким сплавам. А углерод – твердость и прочность, так как твердость всегда сочетается с хрупкостью. Добавка углерода невелика и даже в специализированных составах не превышает 3,4%.
• Кроме того, из-за способа производства, сталь всегда содержит какую-то долю марганца – до 1 %, и кремния – до 0,4%. Эти примеси мало влияют на свойства состава, если не превышают заданную норму.
• По тем же причинам в составе оказываются и вредные примеси – фосфор, сера, несвязанный азот и кислород. В процессе плавки и легирования от этих ингредиентов стараются избавиться, поскольку они уменьшают прочностные и пластичные свойства сплавов.
• В сплав вводят искусственно другие добавки с целью изменить качества материала. Так, добавка хрома придает стали жаропрочность, а никеля – стойкость к коррозии и вязкость.
• Чрезвычайно полезным качеством железных сплавов является то, что на изменение свойств влияют очень небольшие по весу добавки других веществ. Это позволяет значительно разнообразить качества материала. Кроме того, на свойства сплава очень сильно влияет метод изготовления собственно продукции – холодное деформирование, горячее, закалка и так далее.

Классификация стали по содержанию примесей

По качеству, то есть по способу производства и содержанию  примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы
                                 Классификация сталей по качеству

3. Влияние вредных примесей на структуру и качество сварного шва.

Здесь я хочу остановиться и обратить внимание на то, как влияют сера и фосфор  на свойства стали:

Сера: вредная примесь и  при нагреве стали до 1000-1200 градусов ослабляет связь между зернами при деформации, сталь может разрушиться.

Эта примесь вызывает  явление, которое  называется красноломкостью.

Фосфор: так же вредная примесь, растворяется в феррите, повышает его твердость и прочность, но сильно снижает пластичность, поэтому сталь становится хрупкой при обычных температурах.

Эта примесь вызывает явление, которое  называют хладоломкостью.

Как я уже отметил, что сера и фосфор являются вредными примесями стали.

Они загрязняют основной металл и сварочную проволоку.

Источником поступления серы и фосфора в зону сварки служат:

- флюсы и электродные покрытия.

Когда мы производим сварку, то в процессе сварки происходят следующие металлургические процессы:

- окисление

- раскисление

- легирование

- рафинирование

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Исследование сварного шва с использованием дополнительного  количества СЕРЫ.

Для исследования своей темы,   я взял стальные пластины-сталь СТ 3, которая обладает достаточно высокими механическими свойствами, хорошей пластичностью и  свариваемостью.

На стыковой шов, я насыпал серы, и начал выполнять ручную дуговую сварку.

Хочу сказать, что при выполнении сварного шва, стоял сильно неприятный запах, была достаточно большая задымленность помещения.

После получения шва, я стал наблюдать за швом, когда шов еще не остыл, на нем стали появляться  трещины.

Вывод: это  доказывает, что действительно большое количество серы в сварочной ванне, приводит к дефекту шва, вызывая явление красноломкости.

2. Исследование сварного шва с использованием дополнительного количества ФОСФОРА.

Для исследования  я взял  стальные пластины  -  сталь СТ 3.

На стыковой шов я насыпал фосфор, и начал выполнять ручную дуговую сварку.

Хочу сказать, что при выполнении сварного шва, запах отсутсвтовал, и задымленности не было.

Стал наблюдать за швом, когда шов уже практически остыл, на нем стали появляться  трещины.

Вывод:  это  доказывает, что действительно большое количество фосфора в сварочной ванне, приводит к дефекту шва, вызывая явление хладоломкости.

После охлаждения сделали пробу на прочность (использовали динамическую нагрузку на шов), и заметили, что трещины увеличились.

3. Дефекты сварных швов:

Итак, дефектами сварных швов стали образовавшиеся трещины на шве - продольные, разветвлённые, радиальные -  (горячие и холодные).

Кристаллизационными трещинами, горячими или холодными (ГТ, ХТ), называют макроскопические и микроскопические несплошности, имеющие характер надреза и зарождающиеся в процессе первичной кристаллизации металла сварного шва.

В зависимости от ориентации по отношению к оси шва кристаллизационные трещины бывают продольными и поперечными.

 Продольные трещины могут располагаться по оси шва в месте стыка столбчатых кристаллитов или между соседними кристаллитами, поперечные трещины – между соседними кристаллитами.

Иногда наблюдаются дефекты, являющиеся комбинацией продольных и поперечных трещин.

 Рисунок  – Кристаллизационные трещины в металле шва:

а – продольная; б – поперечная; в — продольная и поперечные

Трещины в подавляющем большинстве случаев являются недопустимым дефектом, так как служат причиной хрупкого, усталостного и коррозионного разрушения конструкции или детали в процессе изготовления или эксплуатации.

 Кристаллизационные трещины являются одним из основных видов брака при сварке.

Химический состав металла шва оказывает первостепенное влияние на его стойкость против кристаллизационных трещин. Все элементы, входящие в состав металла шва, условно могут быть отнесены к трем основным группам.

Первая группа – элементы, присутствие которых снижает стойкость металла шва против кристаллизационных трещин. Такие элементы принято называть вредными.

Вторая группа – элементы, которые в зависимости от их сочетания и концентрации оказывают положительное (полезные примеси) или отрицательное (вредные примеси) влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.

Третья группа – элементы, присутствие которых не оказывает влияния на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин.

Сера – вредная примесь. Повышение содержания серы в металле шва резко снижает его стойкость против кристаллизационных трещин. Сера практически нерастворима в твердом железе, а поэтому находится в швах на стали в виде неметаллических сульфидных включений. Содержание серы в конструкционных сталях не должно превышать 0,05 %, а обычно составляет 0,03–0,04%.

Фосфор часто оказывает вредное влияние на стойкость металла шва против кристаллизационных трещин и приводит к резкому снижению ударной вязкости металла, особенно при пониженных температурах.

Фосфор попадает в металл шва из основного и электродного металлов и из материалов, входящих в состав покрытий и флюсов. В конструкционных углеродистых сталях содержание фосфора допускается не более 0,055%, а в легированных сталях – не более 0,03%. Согласно ГОСТ 2246–70 содержание фосфора в сварочной проволоке не должно превышать 0,04%. В электродное покрытие и флюс фосфор попадает в основном с марганцевой рудой.

Основными причинами их появления являются:

- засоренность основного и присадочного металла с примесями серы и фосфора;

- высокая скорость охлаждения сварочного соединения;

- жесткость свариваемого контура;

-впоследствии и  действие нагрузок.

4. Для  уменьшения  количество вредных примесей в сварочной ванне необходимо:

Для уменьшения содержания серы в металле шва и удаления сульфида серы FeS в покрытие электрода вводят такие компоненты, как, марганец, кремний, которые соединяясь серой, переходят в шлак.

• При этом происходят следующие химические реакции:
• FeS + Mn = MnS +Fe
• FeS +Mno = MnS + Feo
• Образовавшиеся в результате реакции сернистые соединения MnS нерастворимы в жидком металле и полностью переходят в шлак.

Удалить  фосфор  и серу из металла можно и с помощью рафинирования – это процесс удаления вредных примесей из сварного шва, с введение в сварочную ванну марганца, при котором происходит химическая реакция и вредные примеси образуют шлак.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

• Сера создает возможность образования горячих или кристаллизационных трещин в металле шва.
• Фосфор создает возможность образования холодных трещин в сварном шве.
• Содержание серы и фосфора в металле и сварочных материалов всегда следует жестко лимитировать.

            Поэтому для получения качественного сварного соединения необходимо контролировать и лимитировать наличие серы и фосфора в металле и в обмазке электрода при выборе стали для конструкции и  марку электрода.

Эти знания, которые я получил в процессе работы над темой, мне помогут в дальнейшем в моей практической деятельности, я, наверное, уже смогу определить и обосновать  причины   полученных дефектов  в сварном шве.

А для этого мы    еще  должны многому и многому  учиться, экспериментировать, отрабатывать практические умения, и полученные знания  уметь применять в практической деятельности, для того, чтобы стать хорошими  специалистами – сварщиками.

          V. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

1.​ Занковец, П.В. Анализ состояния качества и конкурентоспособности сварочной продукции. Стратегические и тактические методы и средства обеспечения качества сварных изделий / П.В. Занковец // Сварка и родственные технологии. Проблемы и пути обеспечения качества: сб. докладов IV Межд. симпозиума. – Минск, 30.03.2005. – С. 8 – 13.

2.​ Занковец, П.В., Здор, Г.Н., Шелег, В.К. Количественные показатели дефектности и оценка качества сварных соединений / П.В. Занковец и др. // Весцi НАН Беларусi. Сер. фiз.- тэхн. навук. – 2004. – № 2. – С. 118 – 122.

3.​ Занковец, П.В., Шелег, В.К., Денисов, Л.С., Бербасова, Н.Ю., Павлюк С.К. Совершенствование технологических процессов и оптимизация качества сборочно-сварочных работ / П.В. Занковец и др. – Мн., 2004. – 343с.

4.​ Занковец, П.В. Оптимизация качества и конкурентоспособности сварочной продукции на основе математического моделирования причинно-следственных связей образования дефектов сварных соединений / П.В. Занковец // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах: сб. трудов 4-й Межд. конф. – Киев: ИЭС им. Е.О.Патона НАН Украины, 2009г. – С. 17 – 22.

5.​ Занковец, П.В. Использование математического моделирования для исследования влияния сварочных материалов на качество сварных соединений трубопроводов / П.В. Занковец // Трубопроводный транспорт (теория и практика). – Москва. – 2010. – № 4. – С. 24 – 27.

6. Вознесенская, И.М. Основы теории ручной дуговой сварки /Учебное пособие/. – Москва. -  Академкнига/Учебник, – 2005.- 160с.