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

Испытание сварных соединений из стали ЭИ659 с непрова­ ром (сварка электродами УОШ 1-13/85 па автомате под флюсом Ан-348) показало [35, 36], что статическая прочность их сни­ жается пропорционально уменьшению сечения сварного шва.

Влияние непроваров, трещин и искусственных надрезов па статическую прочность сварных соединений при низкой темпера­ туре (до —60° С) сравнивается в работе [37]. Снижение проч­ ности искусственными надрезами, непроварами и трещинами в сварных соединениях с поперечными стыковыми швами происхо­ дит только вследствие ослабления рабочего сечения шва. При низкой температуре наплавленный металл шва (автоматическая сварка под флюсом) менее чувствителен к надрезу, чем основ­ ной металл.

Исследование соединений с продольными швами, у которых не сняты остаточные напряжения, показало, что непровары и трещины резко снижают статическую прочность: для автомати­ ческой сварки при температуре —50° С, для ручной при —20° С. После снятия остаточных напряжений путем нагружения при комнатной температуре до напряжений, равных пределу теку­

статической прочности сварного соединения при низкой темпе­ ратуре будет иметь место в случаях, если непровары и трещины расположены перпендикулярно к рабочим напряжениям и мак­ симальным остаточным напряжениям.

В работе [38] приведены результаты механических испытаний на растяжение сварных швов с непроваром из стали хромапенль толщиной 6 мм, выполненных односторонней автоматической сваркой под флюсом (термическая обработка до Н„ = 220). Уменьшение предела прочности происходило быстрее, чем уве­ личивалась глубина непровара. В среднем предел прочности сварных образцов с усилением снижался па 50% при глубине непровара 34%, а для образцов без усиления — па 50% при глу­ бине непровара 25%.

Исследованию разрушений магистральных трубопроводов и результатам механических испытаний сварных трубчатых образ­ цов посвящены работы [39—42]. Как правило, трубопроводы разрушались по стыкам труб и особенно часто при низкой тем­ пературе. В изломах в большинстве случаев обнаруживали не­ провары. Причиной разрушения были растягивающие усилия, которые вызывались охлаждением труб, действием внутреннего давления или изгибом труб при их укладке в траншею.

В рассматриваемых работах дается следующее объяснение процесса разрушения сварных стыков. При упругой работе всего соединения в участке сварного шва с крупным дефектом возникают местные пластические деформации, развитию кото­ рых препятствует упругая работа окружающего металла. С по­ явлением пластической деформации в окружающем металле

4 4 8

Начинают быстро расти местные деформации дефектного уча­ стка шва, что приводит к образованию трещин или к полному разрушению. Опасным следует считать не столько среднюю ве­ личину ослабления сечения равномерным непроваром, сколько наличие крупного непровара даже на сравнительно коротком участке шва, являющегося очагом разрушения.

Для получения равнопрочного соединения авторы работ [39—42] рекомендуют, чтобы предел текучести наплавленного металла был выше предела текучести основного металла и ме­ талл сварного шва обладал большим запасом пластичности, чем основной металл.

При установлении связи показаний рентгенограмм с меха­ ническими свойствами сварных соединений из алюминиевых сплавов толщиной 6,35 мм предлагается следующая классифи­ кация непроваров [19]: а) глубокий (3*//2); б) средний (3=//4< <//2); в) маленький (<//4), где / — толщина металла, мм\ по трещинам: продольные и поперечные трещины и трещины кра­ тера. При оценке степени опасности трещин следует учитывать их тип, расположение и длину, а также ориентировку по отно­ шению к напряжениям в детали.

Непровар в стыковых швах без подкладки заметно влияет на статическую прочность и пластичность. Это влияние возра­ стает со снятием усиления. Средний непровар может снижать статическую прочность сварного соединения без подкладок и

4784—65). Сварку вели в среде аргона проволокой того же состава. Толщина свариваемых листов 6,4 и 12,7 мм. Испытанию на растяжение подвергали сварные образцы (сечением 6,4X19,1 п 12,7X25,4 мм) с усилением и без усиления шва. Величину непровара и другие дефекты определяли по рентгеновским сним- ■кам и излому. Следует отметить, что точно определить величину непровара по рентгеновским снимкам авторам не всегда удава­ лось. Ультразвуковые методы контроля показывали большую чувствительность к непроварам, но более точно величину непро­ вара измерить не удавалось, вероятно, вследствие наличия пор, которыми, как правило, сопровождался непровар. Испытания показали, что непровар в середине шва не только ослабляет сечение шва, но и является концентратором напряжений. Сте­ пень чувствительности сварных соединений из сплава А1—Mg— Мп к непроварам как концентраторам напряжений зависит от глубины непровара н толщины образцов. Чувствительность к не­ проварам с увеличением их глубины растет быстрее в образцах толщиной 12,7 мм по сравнению с образцами меньшей толщины.

Сварной шов из чистого алюминия не чувствителен к непро­ вару в середине шва. Наличие усиления, равного по величине непровару до 20—25%, позволяет получить прочность соедине­ ния, равную прочности соединения о полным проваром.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Глубина непровара,%

Рнс. 14.2. Влияние глубины непровара на несущую способность сварных соединении при статическом нагрузке. По оси ординат — отношение сгп образца

снепроваром к сг* качественного образца.

инепроваром корня шва более чувствительны к непровару, чем сварные швы с усилением и непроваром в середине шва. Не­

провар корня шва при статическом растяжении по сравнению с непроваром в середине шва снижает статическую прочность соединения более чем в два раза.

Проведенные при комнатной температуре испытания свар­ ных соединений с полным проваром и непроваром корня V-об- разного шва (рис. 14.2) позволили установить следующее. Не­ провар в малоуглеродистой стали марки СтЗ [29] несколько повышает предел прочности, но снижает величину несущей на­ грузки. Несущая способность шва с увеличением непровара уменьшается по линейному закону.

Аналогичное явление наблюдается в сварных соединениях аустенитной стали 1Х18Н9Т [32].

При наличии непровара несущая способность сварных швов высокопрочных сталей типа хромансиль, термически обработан­ ных до твердости Яп = 220 [45], и ЗОХГСНА [44], закаленных на

•450

160 кГ/мм2, уменьшается нелинейно. Предел прочности шва без дефектов ниже предела прочности основного металла.

Предел прочности сварного шва термически обработанных (на 42—44 кГ/мм2) алюминиевых сплавов Д16-Т [32], так же как п сварных швов стали ЗОХГСНА, ниже предела прочности основного металла.

Сварные стыковые соединения из сплава Д16-Т при статиче­ ском растяжении более чувствительны к непровару, чем свар­ ные соединения из сплава АМг5.

По данным на рис. 14.2 видно, что непровары понижают несущую способность сварных соединений пропорционально ослаблению рабочего сечения. Более сильно эффект непровара проявляется при сварке элементов конструкций из высокопроч­ ных сталей и алюминиевых сплавов, меньше — при сварке мало­ углеродистых и аустенитных сталей.

Концентрация напряжений, возникающая в зонах непрова­ ров, исчезает в случае работы сварных соединений при пласти­ неской деформации.

Непровары в центре Х-образных швов менее опасны, чем в V-образных швах. Так, при двусторонней сварке Х-образных швов непровары глубиной приблизительно до 25% почти не сни­ жают статической прочности сварного соединения с усилением шва. В V -образных швах непровары глубиной больше 10— 15% уже заметно снижают статическую прочность соединений. С уве­ личением непровара примерно до 50% снижение статической прочности происходит в среднем пропорционально ослаблению сечения. Усиление швов в таких соединениях заметно не влияет на повышение их статической прочности.

Всоответствии с «Правилами устройства и безопасной экс­ плуатации сосудов, работающих под давлением» [23] качество сварных соединений считается неудовлетворительным, если в них радиационными пли другими иеразрушающими методами конт­ роля обнаруживают внутренние и наружные дефекты, выходя­ щие за пределы норм, установленных указанными правилами, техническими условиями на изготовление изделия и инструкция­ ми по сварке и контролю сварных соединений.

Всварных соединениях сосудов и их элементов не допус­ каются следующие дефекты:

а) трещины всех видов и направлений, расположенные в металле шва. по линии сплавления и в околошовной зоне основ­

15* 451

нений, они резко снижают усталостную и динамическую проч­ ность. Сварные швы, в которых по рентгеноили гаммаграммам обнаружены трещины, подлежат безусловной выбраковке. В отношении других дефектов необходимо дать количественное определение допустимых и недопустимых дефектов сварки, вы­ являемых при радиографическом контроле. Так, непровары ниж­ ней кромки в трубопроводах при односторонней сварке допу­ скаются глубиной до 15% сечения основного металла.

Автор работы [12] исследовал влияние непровара на уста­

Непровары в центре Х-образного шва создавались при ручной сварке пластин без зазора и с большим притуплением стыкуе­ мых кромок. Непровары в корне V-образиого шва имитирова­ лись прорезами различной глубины. Непровары сильно снижают усталостную прочность сварных швов V-образной формы. Не­ провары в центре Х-образного шва глубиной от 20 до 50% снижают усталостную прочность на величину, составляющую до 20% прочности бездефектного шва.

При вибрационных нагрузках даже небольшие дефекты за­ метно влияют на усталостную прочность стыковых соединений [45, 46]. Особенно опасны трещинообразные дефекты. Мелкие непровары снижают усталостную прочность на 40%. Большие непровары корня шва могут снизить усталостную прочность на 75%.

В работе [47] приведены результаты вибрационных испыта­ ний отрезков лонжеронов. Трубы лонжеронов, сваренные кисло- родно-ацетиленовой сваркой, имели характерные, повторяю­ щиеся дефекты сварки — поперечные и продольные трещины. Для сравнения испытали несколько труб без дефектов. Резуль­

делах 2—9 мм, при этом разрушение по трещине длиной 2 мм происходило в том случае, если трещина находилась в переход­ ной зоне. Трещины длиной до 2 мм, расположенные в переход­ ной зоне, и трещины длиной до 5 мм, расположенные вдоль шва, сильного влияния на вибрационную прочность не оказы­ вали.

452 ■

Авторы работ [29, 35] подвергли испытанию па усталость чистым изгибом при симметричном цикле плоские образцы из основного металла (СтЗ), сварные стыковые образцы с пол­ ным 'проваром и сварные образцы с различной глубиной непро­ вара корня V-образного шва. Непровар нижней кромки глубиной 30—40% снижал усталостную прочность (переменное растяжение) в 30 раз по отношению к сварному шву с полным проваром. Отмечается, что непровары, полученные при ручной сварке, оказывали большее влияние на усталость по сравнению с аналогичными образцами, сваренными на автомате. Сталь ЭИ659 более чувствительна к непровару, чем сталь марки СтЗ.

малоуглеродистой стали, полученных двусторонней автоматиче­ ской сваркой под флюсом [48]. При вибрационной нагрузке на изгиб непровар не ограничивает несущей способности сварного соединения. При вибрационной нагрузке на растяжение — сжа­ тие непровары малой глубины сильно снижают усталостную прочность сварного соединения.

На усталость (при изгибе) испытывали образцы из основ­ ного металла и сварные соединения автоклава, находившегося в эксплуатации 10 лет [27]. Наружные дефекты в виде подрезов, смещения кромок, резких переходов от шва к основному ме­ таллу, наплывов вызывают значительно большее понижение усталостной прочности, чем внутренние дефекты сварки. При отсутствии коррозии непровары снижают усталостную проч­ ность в большей степени, чем поры и шлаковые включения.

Испытания на коррозионную усталость при температуре 100° С показали, что непровары снижают усталостную прочность сварного соединения до 50%, а шлаковые включения и поры небольших размеров — на 30%.

В статье [49] приведены результаты исследования развития во времени дефектов в сварных швах напорных трубопроводов диаметром 1,2 м, длиной 9 м, сваренных из стали Сг—Си т о л ­ щ и н о й 20 мм (сгп = 54 и 34 кГ/мм2). Трубопровод, зажатый 'меж­ ду двумя плитами гидравлического пресса, испытывали на пере­ менное давление с вибрацией, вызываемой ударами молотка. Среднее статическое давление составляло 53,3 кГ/мм2, ампли­ туда давлений 8 кГ/мм2, число циклов 120 в минуту.

Такой режим испытаний имитировал колебание давления и вибрации в трубе при пуске и остановке агрегата. Испытывали годные для эксплуатации трубы со швами, имевшими мелкие трещины и незначительные непровары. Сварные швы контроли­ ровали радиографическим методом до испытания и после при­ ложения нагрузок. Сопоставление полученных рентгенограмм

453

показало, что существующие дефекты не распространились и но­ вые не возникли.

Практика, как утверждает автор работы [49], подтвердила вывод, что более крупные дефекты в сварных швах влекут за собой появление трещин уже при испытаниях с перегрузкой; трубы, успешно прошедшие такое испытание, пригодны для эксплуатации.

Усталостную прочность стыковых соединений из сплавов А1—Mg—Mn (NP5/6-0) с непроваром в середине шва исследо­ вали [43] на плоских образцах сечением 6,4X32; 5,1X22 и 12,7Х Х25,4 мм с усилением и без усиления шва при частоте 1000 циклов в минуту. Для сравнения испытывали бездефект­ ные образцы сечением 6,4X25,4 мм с усилением шва. Предел усталости определяли на базе 5 - 106 циклов.

непровару. Предел выносливости с увеличением глубины непро­ вара одинаково снижался в образцах с усилением и без уси­ ления шва. В образцах толщиной 6,4 мм ослабление сечения непроваром было полностью скомпенсировано усилением шва, а в образцах толщиной 12,7 мм усиление шва не обеспечило полной компенсации. При непроварах глубиной свыше 20% пре­ дел выносливости одинаково понижается в образцах с усиле­ нием и без усиления. С увеличением толщины образцов с не­ проваром (от 5 до 12,7 мм) предел выносливости существенно снижался.

Испытание на усталость образцов с непроваром и качест­ венно сваренных с усилением показало, что усиление шва, имеющее угол а = 120-ь-130°, оказывает такое же влияние на предел выносливости, как непровар глубиной до 20% в середи­ не шва.

Исследовали [36] усталостную прочность сварных соединений с непроваром тонкостенных труб. Трубы диаметром 70 мм с толщиной стенки 2 мм из стали 20 сваривались электродами УОНИ-13/45 с усилением шва. Кольцевой непровар внутренней кромки стыка трубы глубиной 40—50% толщины стенки не снизил статической прочности сварного соединения по сравне­ нию с целой трубой (ав = 41,4 кГ/мм2), при этом высота усиле­ ния равнялась глубине непровара. Однако усталостная проч­

жают выносливость соединения по сравнению с плоскими образ­ цами.

Многолетний опыт эксплуатации сварных изделий показал, что к наиболее распространенным и опасным дефектам следует отнести непровары корня V-образпого шва (разрушение резер­

454

вуаров, трубопроводов, отдельных самолетных сварных узлов и т. д.).

Непровары в большинстве случаев заканчиваются заостре­ ниями с радиусами кривизны, выражаемыми долями милли­ метра и зависящими от свариваемого материала и формы не­ провара. В связи с тем что радиусы заострений малы, коэффи­ циенты концентрации напряжений имеют большую величину. Такие непровары трудно обнаружить в процессе контроля каче­ ства сварных соединений.

По результатам испытания на усталость (на вибрационной машине при растягивающих напряжениях) сварных стыковых соединений из стали марки СтЗ, выполненных с односторонней V-образной подготовкой кромок и с непроварами, и образцов из тон же стали, сваренных встык с надрезом в шве, можно отме­ тить три обстоятельства [29]: 1) непровар в отношении пониже­ ния усталостной прочности равноценен надрезу; 2) незначи­ тельный непровар в шве (глубина менее 10%) вызывает резкое падение усталостной прочности; 3) последующее увеличение непровара вызывает дальнейшее уменьшение предела устало­ сти, пропорциональное уменьшению рабочего сечения шва.

Для сравнения были проведены испытания [29] по определе­ нию влияния на величину предела усталости непроваров швов, сваренных встык с двусторонней Х-образной подготовкой кро­ мок. В соединениях этого типа непровар образуется в центре шва. При работе сварных швов из стали марки СтЗ толщиной 18 мм под действием переменных растягивающих нагрузок этот тип соединений обладал высокой чувствительностью к непро­ варам. Приведем значения пределов усталости, кГ/см2, сварных швов при характеристике циклов г = 0,2:

(здесь 5 — толщина свариваемых листов стали).

В данном случае при растягивающих нагрузках незначитель­ ный непровар резко понижает предел усталости. Дальнейшее увеличение непровара уменьшало предел усталости пропорцио­ нально уменьшению рабочей площади испытываемых швов.

Эти же соединения при нагружениях на изгиб не испытывают значительных напряжений, и непровары в центре шва сущест­ венного влияния на прочность не оказывают. При испытаниях в

455

ровней разделкой кромок, имели следующие величины пределов усталости, кГ/мм2:

Сравнительное исследование чувствительности сварных со­ единений сталей ЗОХГСНА, 1Х18Н9Т и дюралюминия Д16-Т к непровару корня V-образного шва при статическом растяжении,

Рис. 14.3. Зависимость предела усталости стг стыковых сварных швов от глубины непровара:

1, 2 — сталь ЗОХГСНА; 3, 4 — сталь 1XI8H9T; 5, 6 — дюралюми­ ний Д 116-Т (1, 3, 5 — сечения, ослабленные непроваром; 2, 4, 6 — сечения без учета ослабления).

испытаниях на усталость и статическую выносливость проводили

при испытании пульсирующими нагрузками образцов из сталей ЗОХГСНА, 1Х18Н9Т и дюралюминия Д16-Т, представлены на рис. 14.3, на котором показана зависимость предела усталости сварных швов этих же материалов от глубины непровара.

456

Из анализа экспериментальных данных [32] следует, что для сталей ЗОХГСНА, 1Х18Н9Т и дюралюминия Д16-Т характерно нелинейное падение предела усталости сварных соединений с увеличением глубины непровара.

Для стали ЗОХГСНА аг/ав (отношение предела усталости к пределу прочности) с изменением глубины непровара от 0 до 30% падает медленно и лежит в пределах 0,18-4-0,15. Для этой стали отношение a;-/aD можно считать постоянным, не завися­ щим от глубины непровара. Это означает, что увеличение глу­ бины непровара в равной степени снижает как предел усталости, так п предел шрочности. Вместе с Teiyi каждая величина в от­ дельности (оу и сгв) для стали ЗОХГСНА с увеличением глубины непровара падает нелинейно, причем ог в этой области непро­ вара в 5,5—6,5 раза меньше, чем ств.

Для сварных образцов из стали 1Х18Н9Т в области малых непроваров (глубина 5— 10%) отношение ar/aB падает наиболее быстро. Это свидетельствует о том, что предел усталости для сварных образцов из стали 1Х18Н9Т с увеличением глубины не­ провара падает быстрее, чем предел статической прочности. Сле­ довательно, сварные швы из стали 1Х18Н9Т, являясь нечувстви­ тельными к непровару при статическом растяжении, имеют боль­ шую чувствительность к непровару в условиях вибрационных нагрузок по сравнению со сварными соединениями из стали ЗОХГСНА и дюралюминия Д16-Т.

Усиление шва в образцах из стали ЗОХГСНА с полным про­ варом снижает предел усталости на 35—45%. В образцах из сталей ЗОХГСНА и 1Х18Н9Т усиление швов, равное по величине непровару глубиной 20—25%, не повышает существенным обра­ зом предел усталости.

Испытания на усталость чистым изгибом [50] показали, что непровар в стыковом шве Х-образной формы существенно не ограничивает несущей способности сварного соединения. При испытании на усталость растяжением — сжатием непровары даже небольшой глубины снижают усталостную прочность свар­ ного соединения.

Можно констатировать, что при вибрационных нагрузках непровар в стыковых соединениях для всех исследованных ста­ лей является концентратором напряжений, вызывающим суще­ ственное снижение усталостной прочности, при этом у различ­ ных сталей чувствительность различная и зависит от располо­ жения непровара в шве (в середине, корне шва) и от вида на­ гружения (изгиб, растяжение).

Исходя из литературных данных по углеродистым и малолегнрованным сталям, можно сделать вывод, что чем пластичнее металл, тем меньше влияние непроваров как концентраторов напряжений при повторных нагрузках. Однако полученные экс­ периментальные данные показывают [32], что для сталей ЗОХГСНА, 1Х18Н9Т такой вывод не подтверждается.

457