Неразрушающие методы контроля сварных соединений
Румянцев С.В. и др.
Машиностроение, 1976 г.
ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Несмотря на высокий уровень развития сварочной технологии, позволяющей получать швы сварных соединений хорошего качества из различных металлов, в некоторых случаях в сварных соединениях образуются дефекты: трещины, непровары, поры, окисные пленки, шлаковые и вольфрамовые включения и др.
В связи с высокой напряженностью ответственных сварных конструкций, работающих в условиях больших скоростей, ударных, знакопеременных и тепловых нагрузок и т. д., вопрос о влиянии дефектов на механические свойства сварных соединений весьма актуален. Для оценки влияния дефектов шва на механические свойства сварных соединений необходимо знать чувствительность металла сварного шва к дефектам, которые представляют собой естественные надрезы различной геометрической формы — концентраторы напряжений.
Чувствительность сварных соединений к дефектам — степень снижения механических характеристик сварного шва в зоне дефекта по сравнению с бездефектным швом — зависит от многих факторов: типа, расположения и размера дефекта, свойств металла, вида нагружений, условий эксплуатации и т. п. Следует различать чувствительность к дефектам при статических и переменных нагрузках.
При статических нагрузках за критерий чувствительности к дефектам обычно принимают прочность (предел прочности) сварного соединения с дефектом по отношению к бездефектным соединениям. Критерием чувствительности соединений к дефектам при переменных нагрузках считают эффективные коэффициенты концентрации —отношение пределов выносливости сварных соединений без дефектов и с дефектами.
Трещины, непровары, поры, включения и другие дефекты сварки образуются в наплавленном металле шва или между металлом шва и оплавленными зернами основного металла. Чувствительность сварного соединения к этим дефектам определяется в основном механическими свойствами металла шва в зоне дефекта, характеристики которых могут существенно отличаться от свойств основного металла.
Для оценки чувствительности сварных соединений к дефектам сварки (непровары, поры и т. д.) при статических нагрузках рекомендуют [39] испытание на статическое растяжение сварных стыковых соединений без усиления шва с непроваром корня, получаемого при сварке без зазора между стыкуемыми кромками. Металл шва не чувствителен к дефектам при статических нагрузках, если прочность соединения (P/F0) при указанном испытании с увеличением глубины непровара изменяется пропорционально уменьшению рабочего сечения стыкового соединения (рис. 18, прямая 1—2 и рис. 19, прямые 3, 4). В этом случае дефект рассматривают как фактор, уменьшающий рабочее сечение соединения (детали) на величину, пропорциональную соответствующей глубине дефекта (непровара).
Если прочность металла шва с непроваром снижается не пропорционально изменению глубины непровара (рис. 18, кривая 2 и, рис. 19, кривые /, 2, 5), то сварные соединения чувствительны к дефектам при статических нагрузках. Непровар в этом случае рассматривают как фактор, уменьшающий сечение шва, и концентратор напряжений.
Определяемая по данной методике чувствительность сварных соединений к дефектам будет также зависеть от соотношения между прочностью (σα и στ) металла шва и основного металла.
Если σΒ, στ металла шва меньше этих характеристик основного металла (шов рассматривается как мягкая прослойка), то сварные соединения чувствительны к дефектам. Если ави атметалла шва равны или больше σΒ, στ основного металла (шов — твердая прослойка), то при таком испытании сварные соединения не чувствительны к дефектам при статических нагрузках, так как локализация пластических деформаций и разрушение будут происходить по основному металлу.
Рассмотренная методика оценки чувствительности металла шва к дефектам рекомендуется для сварных конструкций балочного и стержневого типов, работающих под воздействием статических нагрузок. Для сварных соединений, работающих при сложнонапряженном состоянии, чувствительность металла шва к дефектам оценивают другими методами.
2.ВЛИЯНИЕ ТРЕЩИН
Сварные соединения всех металлов и сплавов имеют высокую чувствительность к трещинам. Практика эксплуатации сварных конструкций ответственного назначения показала, что трещины любых размеров — наиболее опасные дефекты швов сварных соединений. Особенно резко трещины снижают усталостную и динамическую прочность. Поэтому выявленные трещины оставлять без исправления (подварки) не разрешается. Швы сварных соединений деталей, узлов и изделий с трещинами исправляют по специальной технологии, гарантирующей надежную работу сварного соединения. Детали, узлы, изделия, сварные соединения которых не поддаются исправлению, бракуют.
3.ВЛИЯНИЕ НЕПРОВАРОВ
Статическая прочность. Результаты проведенных испытаний сварных соединений с полным проваром и непроваром корня V-образного шва при статических нагрузках (рис. 18, 19) позволили установить следующие положения.
Не чувствительны к непровару сварные соединения низкоуглеродистой стали.
В сварных соединениях этих сталей несущая способность шва с увеличением непровара уменьшается по линейному закону. В сварных соединениях аустенитных сталей 12Х18Н10Т влияние непровара аналогично влиянию непровара в швах сварных соединений низкоуглеродистых- сталей — несущая способность шва уменьшается с ростом непровара линейно.
Чувствительны к непровару сварные соединения высокопрочных термообработанных сталей типа ЗОХГСНА, закаленных на прочность 160 кгс/ммг, и сталей типа хромансиль, термообработанных до твердости НВ-220. Предел прочности швов этих соединений ниже предела прочности основного металла даже в случае качественно выполненных швов (полный провар). Несущая способность шва сварного соединения при наличии непровара уменьшается не по линейному закону.
Чувствительны к непровару сварные соединения термообработанных алюминиевых сплавов Д16Т (на прочность 42— 44 кгс/мм2) и АМг6. Предел прочности сварных швов этих соединений так же, как и сварных швов стали ЗОХГСНА, ниже предела прочности основного металла. Несущая способность шва при наличии непровара снижается не по линейному закону. Предел прочности и предел текучести металла шва сварных соединений стали ЗОХГСНА, сплава Д16Т, сплава АМг6 ниже соответствующих характеристик основного металла (шов — мягкая прослойка).
В сварных соединениях, нечувствительных к непровару, при статических нагрузках ослабление сечения шва непроваром может быть компенсировано усилением шва. Например, в стыках труб из низкоуглеродистой стали с кольцевым непроваром в корне шва по всему периметру усиление шва при статических нагрузках (ТИсп = 20° С) полностью компенсирует ослабление сечения, создаваемое непроваром глубиной до 20% (рис. 20). Однако при низкой температуре (Тисп = —45° С) резко падает статическая прочность. Резко снижается также и пластичность соединения.