Тема 16. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ-НЕСПЛОШНОСТЕЙ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

Работоспособность сварных соединений зависит напрямую от их дефектности. Так как получить бездефектную продукцию практически невозможно, то необходимо установить нормы допустимых дефектов или браковки. Установление в технических документах более жестких норм дефектности повышает работоспособность сварных соединений.

При обосновании норм дефектности для сварных соединений, работающих под нагрузкой, необходимо определить их влияние на механические свойства сварного соединения. Основным механическим свойством является прочность при статических и переменных нагрузках. Нормы дефектности устанавливают по результатам механических испытаний, анализа изломов (фрактография) и металлографии сварных соединений. В результате исследований устанавливается корреляционная связь между геометрическими характеристиками дефекта и прочностью соединения.

Влияние дефектов определяется не только размерами, но и их формы. К наиболее опасным дефектам относят трещины, непровары и подрезы. Менее опасными дефектами являются поры. Промежуточные положения занимают включения. Каждый из перечисленных дефектов характеризуется определённым значением концентрации напряжений.

Коэффициент концентрации напряжений определяется по формуле:

К_д = σ _max / σ _{ср. в сварном соединении}

где, σ _max – максимальное напряжение в зоне дефекта,

σ _ср – среднее напряжение в сварном соединении.

Коэффициенты концентрации напряжений соответствуют 2-3 (для пор), 3-10 для включений, 10-100 (для трещин, подрезов и непроваров в корне шва). Коэффициент К_д зависит от расположения дефекта по отношению к направлению действующей нагрузки.

Наиболее опасной направленностью трещин является такая, при которой наибольшие растягивающие напряжения действуют перпендикулярно к ее плоскости.

Наименьшей опасностью характеризуются дефекты, при котором действие растягивающих напряжений параллельно основному направлению дефекта.

Опасность дефектов возрастает для вытянутых пор – свищей , особенно выходящих на поверхность, а также для цепочек или скоплений пор или включений.

При определении степени опасности объемных дефектов необходимо сопоставлять их коэффициенты концентрации напряжений Кд и коэффициенты концентрации напряжений Кф формы шва.

в r

r′

в – ширина шва;

r, r’ – радиусы перехода (сопряжения сварного шва).

К_ф

3

2

1

0 20 40 60 80 В/r, %

Если Кф>Кд, то разрушения сварного шва может быть вызвано неплавным сопряжением сварного шва даже при малых размерах пор и включений.

Влияние дефектов на качество сварных соединений увеличивается с возрастанием остаточных сварочных напряжений в сварном соединении, что необходимо учитывать при разработке технологии сварки.

Еще большую опасность на работоспособность сварных соединений представляют дефекты в процессе эксплуатации сварных соединений. Поэтому необходимо поддерживать такое качество технологического процесса, чтобы дефектность на стадии изготовления изделий была бы ниже уровня, требуемого при эксплуатации, т.е. требования к дефектности, исходя из технологического фактора, должны быть более жесткими, чем из эксплуатационного фактора. Поэтому основная оценка норм допустимых дефектов должна определяться в условиях действия нагрузок, характерных для эксплуатационных условий.

Рассмотрим влияние плоскостных (на примере непровара) и объемных (на примере пор) дефектов на прочность сварных соединений.

При статической нагрузке и пластичном металле с увеличением непровара в корне шва прочность сварных соединений уменьшается пропорционально его величине.

S

h

σ_в

0,9 сталь 10

30ХГСА (высокопрочная сталь)

h/S

критический размер дефекта

Определив зависимость прочности сварного соединения от величины дефекта и задаваясь прочностью сварного соединения (0,9)σ_{в осн. Me} ,определяем критический размер дефекта.

При малопластичном металле (высокопрочная сталь)с увеличением величины непровара, предел прочности уменьшается более резко по сравнению с пластичным металлом. При этом, если у стали 10 непровар определенной величины ещё допустим, то для стали 30ХГСА , как правило является браком.

При переменных нагрузках падение прочности сварного соединения в зависимости от размера дефекта ещё больше усиливается и поэтому плоскостные дефекты типа трещин и непроваров вообще недопустимы.

Объёмные дефекты с площадью дефектной зоны до 5-10% площади поперечного сечения шва, при статистической нагрузке и пластичном металле практически не оказывают влияния на предел прочности. При малопластичном металле характер зависимости существенно изменяется.

σ _в

Сталь 10

30ХГСА (высокопрочная сталь)

S _{дефекта}/ S_шва

5-10 %

( иногда даже до 20 % для пластичного металла).

При контактной сварке основным дефектом является непровар, который оказывает такое же влияние, как и плоскостные дефекты при сварке плавлением (с повышением площади непровара предельная нагрузка уменьшается).

Дефекты усадочного типа, расположенные в центре ядра сварных точек при статической нагрузке являются незначительными концентраторами и влияние на прочность соединения практически не оказывают, т.к. наибольшие напряжений концентрируются по границе сварной точки, где и происходит ее разрушение.

При переменных нагрузках внутренние дефекты в сварной точке оказывают заметно большее влияние по сравнению со статическими нагрузками.

Работоспособность сварных соединений, эксплуатирующихся при повышенных или низких температурах и имеющих различные концентраторы напряжений, определяется показателями ударной вязкости, полученными в результате динамических (ударных) испытаний.

Ударные испытания не дают прямых данных для расчёта норм дефектности, но они позволяют выявить влияние изменений структуры металла на механические свойства, которые не выявляются по результатам статических испытаний.

Динамические испытания позволяют также проследить влияния явления упрочнения и разупрочнения металла сварного шва, связанные с укрупнением зерна, выпадением карбидов, нитридов и т.д.

Для сварных соединений, работающих при повышенных или пониженных давлениях, показателем работоспособности является герметичность,контроль которой обеспечивает выявление сквозных дефектов. Для оценки герметичности используются показатели натекания газа или жидкости при заполнении контролируемого объекта.

При эксплуатации сварных соединений в коррозионных средах нормы дефектности должны быть уточнены с учетом этого фактора.

Тема 17. НОРМЫ ДЕФЕКТНОСТИ И КАТЕГОРИИ ОТВЕТСТВЕННОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

Нормы дефектности позволяют произвести сортировку сварных соединений по трём группам качества:

1 группа - годные сварные соединения

2 группа- дефектные сварные соединения (возможно устранение дефектов и ремонт изделия)

3 группа - бракованные сварные соединения (ремонт изделий не допускается)

Нормы дефектности указывают в технических условиях на изготовление сварного соединения (ТУ) или в строительных нормах и правилах для строительных сварных конструкций (СН и П).

Нормы допустимых дефектов выражают обычно в значениях минимальных размеров недопустимых дефектов или максимальных размеров допустимых дефектов, исходя из показателей работоспособности. Их рассчитывают проектировщики, с учётом мнений металловедов, технологов и дефектоскопистов. На основании норм дефектности выбирают технические средства контроля, а также эталонные или тест образцы и определяют условия проведения контроля.

При использовании неразрушающих методов контроля устанавливают связь между реальными размерами дефектов и их параметрами, оцениваемыми при контроле. Эти параметры являются критериями браковки сварных соединений.

Так, например, при ультразвуковом контроле о размере дефекта судят по амплитуде отражённого сигнала от дефекта, поэтому для установления зависимости между амплитудой отражённого сигнала от дефекта и его размерами используют эталоны или тест образцы с моделями допустимых дефектов.

В машиностроительных отраслях промышленности, выпускающих различные сварные изделия, нормы допустимых дефектов устанавливают исходя из степени ответственности изделий и с учётом сложившейся практики разработки браковочных норм на конкретные виды продукции.

По степени ответственности сварные изделия разделяют, как правило, на три категории. Каждой категории соответствует определённый уровень требований к качеству изделий. Так в авиационной промышленности известны следующие три категории ответственности:

1 категория – особо ответственные сварные изделия;

2 категория – ответственные сварные изделия;

3 категория – мало ответственные сварные изделия.

Для изделий первой категории, эксплуатирующихся при переменных нагрузках и в коррозионной среде, используют комплексную систему контроля, предусматривающую применение нескольких методов неразрушающего контроля. Для этой категории устанавливают самый высокий уровень требований. Изделия, относящиеся к третьей категории ответственности, обычно контролируют визуально. В сварных соединениях этой категории не допускаются только сквозные дефекты.

Категорию ответственности устанавливает конструктор совместно с эксплуатационниками изделий.

Тема 18. ЭКСПЛУТАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ.

В процессе эксплуатации сварных изделий происходит старение материала, сопровождающееся износом и разрушением. Эти явления приводят к появлению неисправностей и отказов изделий.

Неисправность – это состояние сварного соединения, при котором оно не соответствует хотя бы одному требованию НТД. Изделие, характеризующееся неисправностью, можно эксплуатировать с учётом обеспечения постоянного контроля за его эксплуатацией.

Отказ – это полное нарушение работоспособности изделия, при котором дальнейшая его эксплуатация невозможна. Отказы могут быть постепенные и внезапные.

Постепенные отказы связаны с медленным (вязким) разрушением изделия, а внезапные отказы - с хрупким разрушением изделия.

Износ – изменение размеров, формы и состояния поверхности сварного соединения. При износе наблюдается углубление, увеличивается шероховатость поверхности и имеет место остаточная деформация поверхностного слоя (наклеп).

Среди сварных соединений наиболее склонны к износу сварные соединения, выполненные контактной сваркой.

Износ классифицируют на виды:

• механический износ, возникает в трущихся элементах;

•абразивный износ, возникает в результате попадания твёрдых частиц в зазор между трущимися элементами;

•коррозионный износ, возникает при наличии нагрузок и коррозионной среды;

•усталостный износ, возникает при переменных нагрузках.

Износ сопровождается разрушением и возникновением поверхностных микротрещин.

В сварных изделиях возникают также усталостные трещины, а также трещины, связанные с явлением ползучести.

Появление усталостных трещин связано в первую очередь с влиянием концентраторов напряжений (забоины, риски, резкие переходы от шва к основному металлу, от одной толщины к другой, наличие отверстий). При действии переменных нагрузок в наиболее слабом месте изделия, где возникают остаточные напряжения, превышающие предел выносливости, появляются микротрещины, развивающиеся в дальнейшем в усталостные трещины, которые приводят к внезапному разрушению соединения (отказу) без видимых пластических деформаций.

Большое влияние на усталость оказывает изменение температурных условий эксплуатации (теплосмены) и воздействие коррозионной среды.

При этом разрушение соединения происходит при значительно меньших напряжениях. Появление трещин ползучести связано с медленным нарастанием во времени пластической деформации материала при длительных механических воздействиях и нагреве.

Материалы и сварные соединения, работающие длительное время при высоких температурах, постепенно разрушаются при напряжениях значительно меньших предела текучести.

На появление трещин усталости и ползучести оказывает влияние низкая пластичность металла, наличие дефектов – несплошностей в сварном шве, а также структурные изменения, связанные с упрочнением и разрупрочнением металла в процессе эксплуатации..

При эксплуатационном контроле важно фиксировать не только появление трещин, но и знать кинетику их развития во времени. Исследование кинетики развития трещин и разрушений является задачей технической диагностики сварного соединения.

Техническая диагностика – занимается установлением и изучением признаков, характеризующих техническое состояние изделий, для предсказания возможных отклонений контролируемых параметров ( например, длина трещины или толщина изделия) за допустимые пределы, вследствие чего возникают внезапные отказы.

Техническая диагностика даёт возможность оценить продолжительность эксплуатации изделия, т.е. его долговечность при появлении дефектов. Методы технической диагностики применяют для рациональной организации контроля работоспособности сварных изделий в процессе эксплуатации. Методы технической диагностики разделяют на:

•экспериментальные;

•расчётные.

В расчётных методах определяют напряжённое состояние контролируемого сварного изделия при наличии дефектов. При этом выполняют моделирование состояния дефектного соединения с помощью компьютерной техники.

К экспериментальным методам исследования работоспособности дефектного соединения, относят механические испытание, например, испытания на хрупкость ( трещиностойкость), используемое в механике разрушение, для оценки стойкости сварного соединения к хрупкому разрушению.

Испытания на хрупкость проводятся на сварных соединениях со статическим изгибом образца, у которого выполнен надрез, в вершине которого имеется искусственная усталостная трещина. Образец нагружают до момента быстрого (нестабильного) развития трещины. Затем по величине нагрузки и длине трещины рассчитывают коэффициент интенсивности напряжения:

К_IC = σ_а √π l_тр ,

σ_а- максимальное (амплитудное) напряжение,

l_тр- длина трещины, при которой начинается быстрый ее рост;

Этот коэффициент является главным критерием оценки хрупкости разрушения сварного соединения.

Если σ √ π l < К_IC , где σ- напряжение в данный момент нагружения, а l – текущая длина трещины, то трещина не развивается и разрушение не наступает. Если σ √ π l > К_{IC ,}то трещина нестабильна, быстро развивается по длине и возникает хрупкое разрушение.

Испытания на хрупкость проводят для различных условий нагружения, что позволяет установить ресурс работы изделия и оценить вероятность возникновения отказа. Зная коэффициент интенсивности напряжения и предел текучести металла можно по приведенной формуле определить критическую величину трещины, превышение которой вызывает хрупкое разрушение сварного соединения.

Аналогичные коэффициенты можно определить не только при статических, но и динамических нагружениях.

Большую информацию по определению характера зон разрушения и связь её с дефектами и концентраторами дают методы фрактографии ( методы анализа изломов).

По виду излома можно определить пластичность или хрупкость металла, или сварного изделия.

Пластичные вязкие металлы дают волокнистый (с выступами) серый излом с матовой поверхностью, т.к. характеризуются мелкозернистой структурой. Хрупкие материалы имеют блестящий , кристаллического вида излом, т.к. характеризуются крупнозернистой структурой. Для изучения макро- и микроизломов используют металлографические и электронные микроскопы.

По виду излома можно судить также о дефектах сварного шва:

•поры выглядят как округлые или вытянутые пустоты;

•горячие трещины имеют темную окисленную поверхность;

•холодные трещины имеют блестящую поверхность;

•металлические включения имеют вид пустот с острыми краями;

•оксидные пленки, например на алюминиевых сплавах, имеют волокнистый вид.

К экспериментальным методам технической диагностики относят также методы толщинометрии, структуроскопии и интроскопии, являющиеся методами неразрушающего контроля.