Тема 23. 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 которых 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.