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

6. Чувствительность сварных соединений к непровару при повторной статической нагрузке

Испытания элементов конструкций при повторной статиче­ ской нагрузке проводят для оценки прочности сварных и других соединений. Показано [51], что при расчете прочности (долго­ вечности) деталей, которые в условиях эксплуатации подверга­ ются низкочастотным повторным нагрузкам, нельзя пользо­ ваться данными усталостных (вибрационных) испытаний. Объ­ ясняется это тем, что пластическая деформация за период на-

глубина непродара,%

/ — с т а л ь З О Х Г С Н А ; 2 — д ю р а л ю м и н и й Д 1 6 Т : 3 — с т а л ь 1 X I 8 H 9 T ; с п л о ш н ы е л и н и и — с е ч е н и е , о с л а б л е н н о е н н е п р о в а р о м ; ш т р и х о в ы е — б е з у ч е т а о с л а б л е н и я .

грузки при высокой частоте не успевает достигнуть величины, равной пластической (местной) деформации при низкой частоте нагрузки, т. е. за каждый цикл низкочастотной нагрузки накап­ ливается большая пластическая деформация, чем за цикл вы­ сокочастотной нагрузки. Следовательно, необходимое количество циклов нагрузки для полного использования способности мате­ риала к деформированию при низкой частоте оказывается зна­ чительно меньшим, чем при высокой частоте.

Особую остроту приобретает этот вопрос в конструкциях, которые в условиях эксплуатации подвергаются значительным высокочастотным нагрузкам, вызывающим местные напряжения, намного превышающие пределы усталости.

Чувствительность сварных соединений к непроварам при повторных статических нагрузках устанавливали, как и в случае испытания на усталость, по результатам испытания [32] плоских образцов из основного металла, сварных образцов с полным проваром и сварных образцов с непроваром различной глубины.

458

Образцы из стали ЗОХГСНА и дюралюминия Д16-Т подвер­ гали термообработке при тех же режимах, что и образцы для испытания на усталость и статическое растяжение. Образцы из стали 1Х18Н9Т испытывали без термообработки. Предел стати­ ческой выносливости а,-ст определяли на базе 10 000— 15 000 цик­

лов при асимметричном цикле растяжением и при постоянном минимальном напряжении 2,5 кГ/мм2. Частота приложения на­ грузки выдерживалась постоянной и равнялась 4—6 цикл/Мин.

На рис. 14.4 изображены результаты испытаний сварных шво-в из сталей ЗОХГСНА, 1Х18Н9Т и дюралюминия Д16-Т при повторных статических нагрузках.

Анализ результатов испытаний показывает, что наиболее круто падают кривые предела статической выносливости свар­ ных швов из стали 1Х18Н9Т. Это свидетельствует о большей чувствительности аустенитных швов к дефектам не только при усталостных, но и повторных статических нагрузках. Можно констатировать, что предел статической выносливости сварных образцов из сталей ЗОХГСНА, 1Х18Н9Т и дюралюминия Д16-Т нелинейно падает с увеличением глубины непровара, причем интенсивность падения, как и при испытании на усталость, до­ стигает наибольшего значения при малых непроварах и умень­ шается с увеличением глубины непровара.

Усиление шва сварных соединений из стали ЗОХГСНА с не­ проваром глубиной 20—25% не повышает сопротивления по­ вторным статическим нагрузкам по сравнению со швами со снятым усилением.

Следует отметить, что чувствительность сварных соединений из сталей 1Х18Н9Т, ЗОХГСНА и дюралюминия Д16-Т к непро­ варам корня V-образного сварного шва при повторных стати­ ческих нагрузках растяжением качественно проявляется так же, как и при испытании на динамическую выносливость [32, 34].

7. Влияние трещин и непроваров на сопротивление сварных соединений удару

Влияние непровара в центре стыкового шва устанавливали на. образцах из малоуглеродистой стали, сваренных встык с двух сторон меловыми электродами [10]. Непровары в шве создавали с помощью графитовых стержней, закладываемых в разделку шва. Такие непровары глубиной от 5 До 50% в центре стыкового шва сильно влияли на сопротивление сварных швов ударам при изгибе с переворачиванием образцов.

Влияние непроваров нижней кромки стыкового шва при од­ носторонней ручной сварке [30] исследовали на образцах, у ко­

глубиной 10— 15% допустимы при ударных нагрузках.

459

Испытания [38] на ударную вязкость сварных швов с непро­ варом из стали хромансиль толщиной 6 мм, выполненных одно­

казали более низкую ударную вязкость по сравнению с образ­ цами, у которых были сделаны искусственные надрезы: тре­ угольный (глубиной 25 и 50%) и прямоугольный (50%).

Исследовали влияние на ударную вязкость непроваров, по­ лученных при автоматической сварке под флюсом стыковых кольцевых швов из среднеуглеродистой стали 55 и стали 40Х после термической обработки по различным режимам. Пока­ зано [52], что при всех значениях глубины непровара прочно­ стные характеристики швов из стали 40Х значительно выше, чем из стали 55. Однако сварные швы из стали 40Х более склонны к охрупчиванию (падению пластичности и вязкости) при нали­ чии непроваров, чем сварные соединения из стали 55.

Дефектные швы могут быть причиной хрупкого разрушения. Описывается случай [53], когда два сварных резервуара из малоуглеродистой стали для хранения нефти разрушились пол­ ностью при заполнении водой. Разрушение резервуаров было вызвано дефектами сварки — непроварами и трещинами.

В работе [54] рекомендуется избегать непроваров, особен­ но если вершина сварного шва будет испытывать напряжения. Возникающая при этом концентрация напряжений может при­ вести к образованию трещин без заметной деформации и к раз­

за дефектов в сварном шве или неудачной конструкции. В связи с этим ^вария возможна также в монолитной сварной кон­ струкции. Указывается, что в некоторых случаях сварные швы делали, чтобы преградить распространение трещин. Но более правильно, по мнению автора [54], выбирать сталь, сохраняю­ щую пластичность даже при значительной концентрации напря­ жений.

Для расширения характеристик, определяющих чувствитель­ ность сварных соединений к непроварам при ударном изгибе, была проведена серия испытаний. Чувствительность сварных со­ единений к непроварам исследовали в зависимости от глубины

4-44 кГ/мм2. Сварные образцы из стали 1Х18Н9Т термообработ­ ке не подвергали. В сварных швах непровар являлся надрезом. Образцы с полным проваром и образцы из основного металла

460

(вдоль направления волокна) для сравнения испытывали без надреза. Образцы сечением 10x20 мм свободно укладывались на две опоры маятникового копра (с запасом энергии 75 кГм), расстояние между которыми равнялось 80 мм.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Глубина непро6ара}%

Рис. 14.5. Влияние глубины непровара на сопротивление сварных соединений удару:

Результаты испытаний при нормальной температуре при­ ведены на рис. 14.5, при высокой и йизкой температуре — на рис. 14.6.

Проведенные испытания на ударный изгиб образцов из ос­ новного металла, сварных образцов с полным проваром и с раз­

461

личной степенью непровара корня V-образного шва из сталей ЗОХГСНА, 1Х18Н9Т и дюралюминия Д16-Т показали, что наибо­ лее чувствительной к непроварам в сварном шве при ударных нагрузках оказалась сталь ЗОХГСНА. Непровар шва стали ЗОХГСНА глубиной от 3 до 75% очень резко снижает сопро­ тивление удару. Применение различных режимов термической обработки почти не изменяет влияния непровара па сопротив­ ление сварных швов удару, так как охрупчивание металла шва непроваром происходит так сильно, что температурный фактор

Рис. 14.6. Зависимость сопротивления удару стыковых сварных швов ста­ лей от глубины непроваров (при различной температуре испытания):

имеет место при ударных и статических испытаниях стандарт­

ных образцов с надрезом.

Высокая чувствительность сварных соединений из стали ЗОХГСНА к непроварам при ударном изгибе объясняется тем,, что непровар малой глубины (до 10%) резко снижает пласти­ ческие свойства (протяженность деформированного поля н мак­ симальные значения относительных продольных и поперечных деформаций) сварных швов. В практике с такой исключительно высокой чувствительностью сварных швов этой стали к непро­ варам при ударном изгибе нельзя не считаться.

Сварные швы из аустенитной стали наименее чувствительны к непроварам при ударных нагрузках. Разрушение образцов

462

■с непроваром глубиной 4— 15% происходит сравнительно с боль­ шим поглощением энергии удара. С увеличением глубины до 40% интенсивность падения сопротивления сварных швов удару снижается.

Сравнительно высокая энергоемкость сварных швов с не­ проваром из стали 1Х18Н9Т объясняется тем, что непровары малой глубины (до 10%) не оказывают сильного влияния на пластические свойства сварных соединений при ударном изгибе. Дальнейшее увеличение непровара не приводит к резкому со­ кращению деформированной зоны и значений относительных максимальных продольных и поперечных деформаций.

Приведенные данные по чувствительности сварных швов различных материалов к непроварам при статических, повторных статических, вибрационных и ударных нагрузках позволяют сде­ лать следующие выводы [32].

Пределы прочности и величины несущих нагрузок при ста­ тических нагрузках сварных соединений менее чувствительны к непроварам, С уменьшением рабочего сечения непроваром пределы прочности и величины несущих нагрузок уменьшаются.

Усталостная прочность сварных соединений очень чувстви­ тельна к непроварам. Высокой чувствительностью к непроварам обладают сварные швы при повторных статических нагрузках (5000— 15 000 циклов). Особенно чувствительна к непроварам швов аустенитная сталь, несколько менее чувствительны сталь ЗОХГСНА и сплав Д16-Т.

Также высокой степенью чувствительности к непроварам обладают сварные швы при ударных нагрузках, при этом сталь ЗОХГСНА наиболее чувствительна. В связи с этим вызывают сомнение рекомендации, встречающиеся в литературе [30], о допустимости непроваров глубиной 10— 15% для конструкций, работающих в условиях ударных нагрузок.

Проведенные эксперименты еще недостаточны, чтобы сделать окончательные выводы. Однако ясно, что чувствительность свар­ ных соединений к непроварам как концентраторам напряжений определяется не только пластическими свойствами свариваемых материалов (и металла шва), на что обычно указывается в ли­ тературе, но и характером нагружения. Так, при испытании сварных швов аустенитной стали на усталость и статическую выносливость решающим фактором, определяющим чувстви­ тельность сварного шва к непроварам, оказался характер на­ гружения.

Материал для сварных конструкций, особенно работающих при вибрационных и ударных нагрузках, целесообразно выби­ рать с учетом чувствительности металла шва к возможным де­ фектам сварки — непроварам. Преимущество должно быть от­ дано той марке стали (или другого материала), которая наряду с другими прочностными свойствами показывает сравнительно

463

меньшую чувствительность к непроварам или другим дефектам сварки при вибрационных и ударных нагрузках.

Следует подчеркнуть, что, решая вопрос о качестве сварного соединения по результатам контроля с использованием радиа­ ционных методов дефектоскопии, необходимо учитывать сле­ дующее.

Если металл шва при данных условиях нагружения обладает высокой чувствительностью к непровару (или другому техноло­ гическому дефекту), то определять его глубину по гаммапли рентгеновским снимкам нецелесообразно, так как непровары малой и большой глубины практически одинаково опасны. На­ личие даже малого непровара, обнаруженного по снимку, долж­ но быть браковочным признаком. При просвечивании сварных соединений рентгеновским или уизлучением основное внима­ ние должно быть обращено на качественную сторону обнаруже­ ния непровара (дефекта) возможно меньшего размера в на­ правлении просвечивания.

Если же по техническим условиям на изготовление и приемку сварных и других конструкций допускается непровар, то опреде­ ление его глубины рекомендуется производить одним из мето­ дов. описанных выше (см. гл. 5).

Г Л А В А АТ

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНОГО ОФОРМЛЕНИЯ ШВА НА СТАТИЧЕСКУЮ И УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЙ

При статических нагрузках на материалах, у которых проч­ ность шва меньше прочности основного металла, усиление сты­ кового шва может являться положительным фактором, однако в большинстве случаев регламентировать величину усиления шва в конструкции нецелесообразно. Так, для низколегирован­ ной стали ЭИ659 с оп = 90 кГ/мм2 прочность стыкового соедине­

УОНИ-13/85).

В сварных соединениях с полным проваром из малоуглероди­ стой стали, у которой прочность шва равна прочности основного металла, усиление шва также не улучшает работоспособности конструкции, и только в соединениях, где возможен непровар, наличие усиления компенсирует ослабление при статических на­ грузках.

В сварных конструкциях, работающих в условиях вибраци­ онных нагрузок, выносливость снижается не только из-за тех-

464

нологпческих дефектов (непроваров), но также из-за геометри­ ческих концентраторов, одним из которых является усиление стыкового шва.

Вусловиях вибрационных нагрузок усиление стыковых швов-, не только не повышает, но, наоборот, понижает прочность свар­ ных конструкций. Влияние усиления стыкового шва на выносли­ вость (усталость) сварных стыковых соединений показано в.

табл. 15.1.

Ввысокопрочных низколегированных сталях (ЗОХГСНА,. ЭН659) усиление шва снижает выносливость стыковых соеди­ нений на 30—50% по сравнению с соединениями без усиления,

причем наибольшее снижение предела выносливости (50%) на­ блюдается при симметричном изгибе сварных образцов из стали ЭИ659 (с 28 до 14,4 кГ/мм2). При переменном растяжении (г = = 0) стыковых образцов из стали ЭИ659 с усилением выносли­ вость снизилась с 30 до 22 кГ/мм2 (на 30%), у стали ЗОХГСНА — с 18 до 10,3 кГ/мм2 (на 40%).

При наличии технологических дефектов (непроваров) или механических надрезов в сварных швах выносливость стыковых соединений с усилением несколько повышается по сравнению- с выносливостью образцов без усиления с концентратором. Од­

В стали ЗОХГСНА усиление шва той же величины, что и непровар корня стыкового шва, повышает выносливость на 18% по сравнению со стыковым соединением без усиления и с не­ проваром той же величины (7—8,5 кГ/мм2).

Аналогичное повышение выносливости наблюдается и в. стали 1Х18Н9Т. Усиление шва повышает выносливость соеди­ нения с непроваром на 20—30% (с 3,5—4 до 5 кГ/мм2), однако такое повышение не очень существенно, так как абсолютные значения пределов выносливости остаются очень низкими.

При наличии механического надреза в стыковом шве мало­ углеродистой стали усиление шва высотой, равной глубине надреза, повышает выносливость на 15% (с 8,5 до 10 кГ/мм2).

Авторы работы [55] проводили испытания на усталость (изгиб) в одной плоскости по симметричному циклу призмати­ ческих пластин сечением 50X75 мм из стали 221\, сваренных электрошлаковым способом. Испытания показали, что снятие усиления шва повышает предел выносливости сварных образ­ цов (как без термообработки, так и термообработанных) на

65—80%.

с усилением и без усиления, подвергали вибрационным испы­ таниям при продольных силах (растяжение — сжатие). Уста­ новлено [56], что усиление шва снижает предел усталости по .

465.

сравнению с образцами, у которых усиления были сняты. Раз­ рушения в образцах с усилением происходят почти всегда по зоне термического влияния, а в образцах со снятым усилением разрушение может произойти как по зоне термического влия­ ния, так и по шву или основному металлу. Отмечается также влияние на величину предела усталости отклонений формы и размеров испытуемого образца, а также формы усиления и угла перехода от усиления к основному металлу.

Автор работы [55] подвергал взрывным испытаниям при различной положительной и отрицательной температуре спе­ циальные сварные образцы из малоуглеродистой стали с уси­ лением и без усиления шва. При снятом усилении склонность шва к хрупкому разрушению уменьшалась. Температура пере­ хода от вязкого излома к хрупкому при наличии усиления шва повышалась на 25—30°. В связи с этим усиление швов рекомен­ дуется снимать, особенно в сильно нагруженных местах.

При испытании [571 на усталость сварных образцов из низ­ колегированной стали на растяжение-—-сжатие при симметрич­ ном цикле размеры усиления стыкового шва существенно влия­ ют на усталостную прочность соединения. С уменьшением уси­ ления шва от максимума до минимума в пределах допусков, предусмотренных ГОСТ 5264—69, усталостная прочность соеди­ нения повысилась на 20—25%.

Испытывали [58] на усталость при растяжении — сжатии и изгибе сварные образцы из сплава А1—Си—Mg и основного ме­ талла в вязкоотожженном состоянии. Применялась автогенная

тии составлял: для основного металла 4 кГ/мм2, для образцов, сваренных автогенной сваркой, 3 кГ/мм2 и дуговой 2,5 кГ/мм2. Предел выносливости при изгибе образцов толщиной 2 мм со­ ставлял: для основного металла отожженного 7,5 кГ/мм2, для

нений. выполненных дуговой сваркой, объясняется концентра­ цией напряжений, вызываемой усилением шва; при автогенной сварке шов получается более плоский.

Конструктивное оформление шва заметно не влияет на ста­ тическую прочность. Усиление шва любых размеров, как пра- [-пло, не снижает статической прочности, однако сильно влияет на усталостную прочность сварных соединений. Чем больше усиление шва и, следовательно, чем меньше угол перехода от основного металла к наплавленному, тем больше его влияние на усталостную прочность.

Усиление стыкового шва при непроварке корня шва такой же глубины, что и высота усиления при вибрационных нагруз­

467