книги из ГПНТБ / Румянцев, С. В. Радиационная дефектоскопия

пористости, который определяется отношением площади пор,, измеряемых по рентгенограмме, к площади сварного шва. Од­ нако в работе [3] указывается, что более крупные дефекты, если даже они занимают меньшую площадь па рентгенограмме, силь­ нее влияют на прочность сварного шва, чем мелкие поры.

Вработах [4—9] показано, что поры, расположенные на рент­ генограмме в виде цепочки в середине пли па краях шва, ока­ зывают большее влияние на прочность, чем сравнительно боль­ шая пористость, но при беспорядочном расположении пор.

Влитературе имеются указания на то, что поры почти не влияют на статическую прочность сварных швов с усилением из котельной малоуглеродистой стали [10]. Шлаковые включения п пористость при комнатной и отрицательной (до —56° С) темпе­ ратуре также заметно не влияют на статическую прочность свар­ ных соединении из стали марки СтЗ, полученных автоматиче­ ской сваркой под флюсом [11]. Проведенные опыты [12] показали, что газовые и шлаковые включения (имитировались отверстия­ ми) размером до 20% толщины основного металла (стали марки

СтЗ) не снижают статической прочности V- и Х-образпых швов, с усилением.

По данным работы [13]. статическая прочность и относитель­ ное удлинение сварных образцов с порами и шлаковыми вклю­ чениями падают с увеличением толщины образцов из малоугле­ родистой стали от 10 до 25 мм. Зависимость статической проч­ ности от пористости в сварных швах устанавливается графиком, где по оси ординат отложены оп [кГ/см2), а по оси абсцисс — величина пористости (число пор на 1 см2 шва, изображенногона рентгенограмме). Для данной марки стали показания рентге­ нограмм сварных швов с пористостью приблизительно совпа­ дают с результатами механических испытаний.

Исследования [14— 16] показали отрицательное влияние по­ ристости на статическую прочность сварного соединения с про­ дольным швом. Это объясняется тем, что, во-первых, поры ослаб­ ляют сечение и вызывают концентрацию напряжений и, во-вто­ рых, поверхность пор имеет менее пластичную структуру, чем металл шва, что при нагрузках способствует развитию в этом слое трещин, понижающих прочность всего сварного соединения. В сварных соединениях с поперечными стыковыми швами пони­ жение статической прочности порами обусловливается уменьше­ нием рабочего сечения шва. Считается возможным допущение пор в количестве, уменьшающем сечение шва не более чем па 5%. В статье [17] также отмечается, что при работе сварных соединений из малоуглеродистой стали в условиях статических нагрузок вполне допустима пористость, не превышающая 5% сечения поперечного шва.

По данным работы [18], уменьшение пористостью плотности наплавленного металла АЛ4 на 0,05 г/см3 вызывает снижение статической прочности почти на 4 кГ/мм2 и относительного удли-

438

некая на 1%. Это также объясняется концентрацией напряже­ ний и уменьшением сечения шва, вызываемым порами.

При разработке рентгенографического стандарта для контро­

•0,8 мм, мелкая — 0,4 мм; в) по расположению: местная, прерывистая и равномерная.

Влияние пористости в стыковых швах, сваренных с двух сто­ рон, при толщине основного материала 6,35 мм зависит от того, ■снято усиление шва или нет. Если усиление можно оставить, то допустима значительная пористость, так как в этом случае она заметно не влияет на статическую прочность п пластичность.

В соединениях со снятым усилением по мере возрастания пористости наблюдается постепенное понижение статической прочности п пластичности. В большинстве случаев в промышлен­

центрация напряжений, вызванная порами, при статических на­ грузках существенно не влияла па прочность стыковых соедине­

■алюминии нерастворим. Попадая в жидкий металл шва, он по­ гружается на дно сварочной ванны. Включения вольфрама, об­ ладающего большой плотностью, хорошо выявляются на рент­ геновских и гамма-снимках в виде группы или отдельных изо­ лированных включений размером 0,4—3,2 мм.

Исследовали сварные стыковые соединения с Х-образной под­

439

не превышает 20 .iui, а также более 3 мм при толщине стенки

по следующим признакам (ГОСТ 7512—69); А — отдельные дефекты, которые по своему расположению не

образуют цепочки или скопления;

Б— цепочка дефектов, которые расположены на одной линии

вколичестве не менее трех с расстоянием между ними, равным пли меньшим трехкратной величины дефекта;

В— скопление дефектов с кучным расположением в количе­ стве не менее трех с расстоянием между ними, равным пли мень­ шим трехкратной величины дефектов.

Размером дефекта считается наибольшая длина его изобра­

жения на рентгеновском или гамма-снимке в миллиметрах. При наличии группы дефектов разных размеров одного вида указы­ вают средний или преобладающий размер дефектов в группе.

Из литературных данных следует, что при статической на­ грузке влияние пор и шлаковых включений проявляется главным образом в ослаблении сечения. Но если наплавленный металл обладает достаточно высокими механическими свойствами по сравнению с основным материалом, эти дефекты до определен­ ной величины не сказываются заметным образом на статической прочности соединения. Усиление шва в значительной степени компенсирует ослабление сечения дефектом.

2. Влияние пор, шлаковых и вольфрамовых включений на усталостную прочность

По данным работы [24], наличие пор в наплавленном металле сильно снижает предел усталости сварного соединения. В то же время автор работы [25] указывает, что на усталостную проч­ ность сварных соединений из малоуглеродистой стали пористость заметно не. влияла.

Влияние газовых и шлаковых включений на вибрационную прочность сварных образцов с усилением из стали марки СтЗ при пульсирующем цикле растяжение — сжатие исследовали в работе [12]. Шлаковые и газовые включения в V-образных швах, полученных ручной сваркой, имитировали просверленными в шве отверстиями. Влияние таких включений размером до 20% ос­ новного металла на усталость усиливается по мере их прибли­ жения к корню шва.

440

В работе [26] также изучали влияние шлаковых включении на усталостную прочность сварных образцов из стали марки СтЗ. Отверстия в центре шва, залитые шлаком, 'имитировали шлаковые включения. Давление шлаковых включений на стенки шва составляло: максимальное 10— 12 кГ/мм2, среднее 4— 5 кГ/мм2 и пулевое. Испытания па усталость проводили на гпдропульсационной машине. Шлаки, оказывающие давление на стенки шва, повышали усталостную прочность образцов, а шла­ ки, не оказывающие давления, не вызывали изменения уста­ лостной прочности по сравнению с образцами, отверстия кото­ рых шлаком не заполнены.

Повышение усталостной прочности, вызываемое давлением шлаков, объясняется тем, что шлак, играя роль упругого тела, вставленного в отверстие, снижает концентрацию напряжений, обусловленную отверстием без шлака.

В работе [11] приводятся результаты исследования влияния пор и шлаковых включений на вибрационную прочность сварных соединений из стали марки СтЗ. Сварка производилась на ав­ томате под флюсом.

Пористость в стыковых соединениях с усилением не влияла на усталостную прочность. Пористость в виде цепочки пор резко снижала усталостную прочность стыкового соединения со снятым усилением. Отдельные поры на усталость не влияли. Точно так же не оказывали заметного влияния на усталость внутренние шлаковые включения, расположенные между отдельными слоя­ ми. Шлаковые включения, выходящие па поверхность, опасны, так как они создают высокую концентрацию напряжений.

Степень влияния шлаковых включений и пористости на виб­ рационную прочность определяется не только количеством от­ дельных дефектов, но главным образом их формой, размерами is взаимным расположением в шве.

Поры малых размеров снижают усталостную прочность свар­ ного шва (при толщине основного материала 6 и 10 мм) на 30%, а большие поры — на 50% [7].

Исследование влияния пористости на сопротивление сварного шва усталостным разрушениям при комнатной температуре по­ казало [17], что допустимой можно считать площадь пор (рав­ номерно распределенных по сечению шва), не превышающую 1,7% площади шва.

Испытание на усталость (при изгибе) образцов из основного металла и сварных соединений автоклава, находившегося в эксплуатации 10 лет, показало [27], что при отсутствии коррозии поры и небольшие шлаковые включения, как внутренние, так и поверхностные, незначительно влияют на усталостную прочность. Меньшее влияние оказывают внутренние дефекты.

Испытания на коррозионную усталость (при температуре ЮО^С) показали, что шлаковые включения и поры небольших размеров снижают усталостную прочность на 30%. С повыше-

441

пнем температуры испытании дефекты сварки, по миопию авто­ ра, должны оказать более сильное влияние, так как с повыше­ нием температуры имеет место снижение предела усталости для.

бездефектных швов.

Влияние пористости па усталостную прочность исследовали [20, 28] на образцах из сплава АЕЗО (британский стандарт) тол^- щиной 6,3 мм с усилением и без усиления шва с 0ц= 32 кГ/мм-. Образцы испытывали на аксиальное пульсирующее растяжение- (/- = 0). У всех образцов разрушение при пульсирующем растя­ жении проходило по краю усиления. Образцы без усиления раз­ рушались но сварному шву. Во всех случаях в изломе наблюда­ лись поры. При наличии усиления шва и пористости решающим1 фактором является граница перехода от усиления шва к основ­

ному металлу.

Влияние "пор и шлаковых включении при вибрационной на­ грузке резко отличается от их влияния на статическую проч­ ность. Если при статической нагрузке эти дефекты заметно невлияют па несущую способность сварного соединения, то при. вибрационной нагрузке они могут заметно снижать предел уста­ лости сварных соединений. Наиболее сильно влияют поры и шлаковые включения, расположенные цепочкой, а также круп­ ные дефекты н дефекты, выходящие на поверхность шва. Одна­ ко следует иметь в виду, что концентрация напряжений, вызы­ ваемая усилением шва, в большинстве случаев оказывает боль­ шее влияние на усталость, чем значительная пористость метал­ ла шва.

Влияние вольфрамовых включений на усталостную прочность исследовали [22] на сварных образцах из алюминиевых сплавов А1—Alg—Мп (NP5/60) сечением 6,3X32 мм с усилением и 6,3x22 мм без усиления шва. Испытания проводили при акси­ альном пульсирующем растяжении па базе 5-106 циклов (г = 0) с частотой 1000 цикл!мин. При оценке влияния внутренних вольфрамовых включений на усталостную прочность учитыва­ лась суммарная величина площади включений, определяемая по рентгеновским снимкам.

Вольфрамовые включения с суммарной площадью 32—43 мм- в радиусе 10—20 мм не влияли на усталостную прочность сты­ ковых соединений с двусторонним усилением шва при всех на­ пряжениях. Предел выносливости таких образцов составил ао= 8 кГ/мм2, при этом разрушение происходило во всех случаях по краю усиления шва. Граница усиления шва с основным ме­ таллом является сильным концентратором напряжений и сни­ жает предел выносливости по сравнению с качественными об­ разцами без усиления шва на 30—50%.

Увеличение площади вольфрамовых включений с 32—43 до 132—242 мм2 также не приводит к снижению выносливости при одноосном пульсирующем растяжении. Выносливость при высо­ ких и низких напряжениях бездефектных образцов с усилением

442

и с вольфрамовыми включениями, а также образцов без усиле­ ния с вольфрамовыми включениями практически одинаковая (ао= 8—9 кГ/мм2). Вольфрамовые включения площадью 132— 242 мм2 снижают предел выносливости по сравнению с безде­ фектными образцами со смятым усилением иа 18%•

Аналогичные результаты получены [21] для алюминиевого ■сплава типа А1—Mg—Mn (NP8-0, британский стандарт) с та­ кими же механическими характеристиками, как и у сплава

NP5/6-0.

3. Влияние пор и шлаковых включений на сопротивление сварных соединений удару

Поры сильно снижают сопротивление сварных образцов из котельной малоуглеродистой стали ударным нагрузкам [10]. Крупные одиночные газовые или шлаковые включения, располо­ женные в глубине шва, в значительно большей степени умень­ шают сопротивление швов ударным нагрузкам, чем большое количество мелких пор и шлаковых включении, сосредоточенных на поверхности шва. Пористость делает шов неплотным и пони­ жает его пластичность.

Установление зависимости ударной вязкости от величины дефектов, определяемых по рентгенограммам, и толщины свар­ ного шва из малоуглеродистой стали показало [13], что сопро­ тивление удару сварных образцов Y-образной формы с увеличе­ нием их толщины от 10 до 25 мм практически остается постоян­ ным, а для образцов Х-образной формы медленно возрастает.

чением пористости происходит постепенное понижение сопротив­ ления удару.

Авторам работ [4—7] не удалось установить определенную

.зависимость между показаниями рентгенограмм и результатами испытаний сварных образцов на ударный изгиб. При этом ука­ зывается, что предварительное определение сопротивления удару образцов с выявленными по рентгенограммам дефектами воз­ можно в тех случаях, если бездефектные швы имеют высокое ■сопротивление удару. Такое требование вызывается тем, что если бездефектные швы обладают низкой способностью к сопро­ тивлению ударным нагрузкам, то наличие дефектов заметно не изменяет этой характеристики шва.

Пз изложенного следует, что пористость и шлаковые вклю­ чения понижают пластические свойства металла шва. Причем крупные дефекты в значительно большей степени снижают со­ противление швов ударным нагрузкам, чем сравнительно боль­ шее количество (по площади на снимках) пор и шлаковых вклю­ чений, но меньших размеров.

443

4. Влияние трещин и непроваров на статическую прочность

Трещины любых размеров являются наиболее опасными де­ фектами швов сварных соединении. Поэтому выявленные трещи­ ны оставлять без исправления (подваркн) не разрешается. Узлы (детали) с трещинами исправляются по специальной техноло­ гии, гарантирующей надежную работу сварного соединения. Узлы с трещинами, которые не поддаются исправлению, бра­

куются.

Из большого количества встречающихся в швах сварных сое­ динении технологических дефектов непровар также является опасным дефектом в сварных конструкциях. Как показали ис­ следования [29], непровар является очень острым естественным надрезом (концентратором напряжении), имеющим в своем ос­ новании радиус кривизны, равный 0,01—0,1 мм. В зоне непро­ вара под действием внешних сил создаются очень высокая кон­ центрация напряжении в упругой области и концентрация пла­ стических деформации.

По данным работ [4—7], непровары в стыковых швах сни­ жали статическую прочность сварного шва из малоуглеродистой стали толщиной 12 мм на 40%, а толщиной 30 мм-— на 25%. Угол загиба при использовании аустенитных и пелегнрованпых электродов снижался на 90%• Влияние непроваров на пластич­ ность примерно такое же, как и пор средней величины. Влияние трещин на механические свойства шва аналогично влиянию непроваров. Испытания па внутреннее давление сварных цилинд­ рических объектов показали, что непровары очень опасны. По рентгеновским снимкам можно сделать лишь приближенное за­ ключение о механических свойствах сварного шва, при этом учи­ тывается, что наиболее опасны трещины и непровары.

В работах [10, 30, 31] приведены результаты исследования влияния непровара на статическую прочность сварных образцов из малоуглеродистой стали.

Влияние непровара в центре стыкового шва [10] исследовали на образцах, сваренных встык с двух сторон меловыми электро­ дами. Непровары в шве создавали с помощью графитовых стержней, закладываемых в разделку шва. Такие непровары глубиной 5—50% * в центре стыкового шва оказывали незначи­ тельное влияние на статическую прочность сварных швов с уси­ лением (непровар глубиной 50% снижал прочность на 20%). Влияние непроваров нижней кромки стыкового шва при одно­ сторонней ручной сварке [30] исследовали на образцах, у кото­ рых непровар корня шва имитировался надрезом глубиной от 5

444

Высокая концентрация деформаций н снижение местной пла­ стичности в зоне непровара глубиной 20—50% являются по­ казателями снижения деформационной способности сварного стыкового соединения (наплавленного металла шва) по сравне­ нию с образцом без непровара, так как в деформации участвует не весь наплавленный металл, а только небольшая зона в об­ ласти непровара. Эта зона составляет, как показали исследова­ ния [29], 20—30% величины зоны деформации стыкового соеди­ нения с полным проваром.

Участие в деформации только небольшой зоны в области непровара характерно для малоуглеродистой стали при статиче­ ских нагрузках и для низколегированной высокопрочной стали

■соответствующих характеристик основного металла, при непро­ варе глубиной менее 15% в середине шва в статическом растя­ жении участвует также и основной металл, поэтому при таких непроварах снижение общей деформационной способности сое­ динения наблюдается в меньшей степени, чем при непроваре глубиной более 15%. Высказанное положение подтверждается также 129] результатами измерения деформаций при статиче­ ском растяжении на базе 50 мм в нескольких точках по длине окружности стыка трубы из стали МСтЗ (диаметр 144 мм, тол­ щина стенки 6 мм) с непроваром корня шва и усилением шва.

При нормальной температуре относительное удлинение сты­ ков труб с непроваром глубиной 15% снижается в среднем на

тельное удлинение составляет 21%, а при непроваре 30% до­ стигает 45%.

Прочность сварных соединений при статических нагрузках с увеличением глубины непровара практически снижается про­ порционально ослаблению сечения непроваром. Непровар глу­

ской прочности в среднем пропорционально ослаблению сечения, при этом непровар глубиной 50% вдвое снижает предел проч­ ности. Испытание на растяжение стыков труб с усилением пока­ зало (рис. 14.1), что кольцевой непровар глубиной до 10— 15% толщины стенки практически не снижает статической прочности

446