Почти во всех отраслях промышленности существуют нормативы по допустимым отклонениям, которые регламентируют допуски на величину и тип дефекта в сварных соединениях. Однако эти допуски в значительном большинстве случаев установлены исходя из техно­логических возможностей предприятий и не имеют количественного обоснования с позиций несущей способности, прочности и пластич­ности сварного соединения. Практика эксплуатации сварных кон­струкций указывает на необходимость установления таких до­пусков не только из технологических возможностей, но и с учетом влияния величины и типа дефекта на прочность и несущую способ­ность конструкций.

Все дефекты представляют собой естественные надрезы различ­ной геометрической формы, поэтому при оценке влияния на проч­ность сварных соединений они должны рассматриваться как кон­центраторы напряжений. В отличие от обычных концентраторов - надрезов концентраторы-дефекты не являются механическими над­резами. Как правило, некоторые дефекты оканчиваются острыми выточками, которые являются как бы (рис. 1, в) продолжением границы зерна.

Для оценки влияния дефектов шва на служебные характеристики сварных соединений необходимо располагать данными о чувстви­тельности металла сварного шва к дефектам. Под чувствитель­ностью к дефектам в данном случае понимают степень снижения механических характеристик сварного шва в зоне дефекта по срав­нению с бездефектным швом. Следует различать чувствительность к дефектам при статических и переменных нагрузках. При стати­ческих нагрузках за критерий чувствительности к дефекту обычно принимают прочность соединения с дефектом (предел прочности) по отношению к бездефектным соединениям. При переменных нагруз­ках критерием чувствительности соединений к дефектам являются эффективные коэффициенты концентрации, т. е. отношение пределов вынЪсливости сварных соединений без дефектов и с заданными дефектами.

Так как дефекты сварки (непровары, поры, включения и т. д.) образуются в наплавленном металле шва или между наплавленным металлом и оплавленными зернами основного металла (у границы проплава), то чувствительность сварного соединения к дефектам будет определяться главным образом свойствами металла шва

Рис. 1. Форма непроваров в сварных швах:

а — непровар стыкового шва (сталь 12X18HI0T, сварка в аргоне на подкладке); б — окончание непровара в стыковом шве (низкоуглеродистая сталь, ручная сварка электродом Э42); а — окончание непровара в стыковом шве (сплав АМгб, автома­тическая сварка в аргоне)

в зоне дефекта, механические характеристики которых могут существенно отличаться от свойств основного мёталла.

Одним из методов оценки чувствительности сварных соединений к дефектам при статических нагрузках можно рекомендовать испы­тание на статическое растяжение сварных стыковых соединений без усиления шва с непроваром корня, получаемого при сварке без зазора между стыкуемыми кромками. Если прочность соедине­ния (-£-) при указанном испытании с увеличением глубины непро-

' °' * вара изменяется пропорционально уменьшению рабочего сечения

стыкового соединения (рис. 2, прямая 1—2), то металл шва нечув­
ствителен к дефектам при статических нагрузках. В этом случае дефект, следует рассматривать только как фактор, уменьшающий рабочее сечение детали на величину, пропорциональную соответ­ствующей глубине непровара.

90

70

60

50

го 20

10

Рис. 2. Прочность стыковых соединений с непроваром корня шва при растяжении (автоматическая сварка, образцы плоские без уси­ления, 6 = 10—12 мм):

т

во

о

6$>кгс/мм[3]

1 — пропорциональное снижение прочности соединения, соответствующее уменьшению площади сечения непроваром; 2 — действительное снижение прочности соединений с непроваром

В таких соединениях уменьшение рабочего сечения шва за, счет дефекта может быть скомпенсировано высотой усиления шва (про­плава).

Чувствительными к дефектам при статических нагрузках следует считать сварные соединения, у которых прочность металла шва
с непроваром снижается не пропорционально изменению глубины непровара (рис. 2, кривая 2). В этом случае непровар необходимо рассматривать не только как фактор, уменьшающий сечение шва, но и как концентратор напряжений, влияние которого на прочность соединений, как будет показано ниже, не может быть скомпенсиро­вано полностью увеличением усиления шва и проплава. Чувстви­тельность или отсутствие чувствительности сварных соединений к дефектам по предлагаемой методике будет зависеть также от соот­ношения между прочностью металла шва (ств, сгт) и основногЬ металла.

Если о„ и <гт металла шва равны или больше основного металла (шов — твердая прослойка), то сварные соединения при таком испы­тании нечувствительны к дефектам при статических нагрузках, так как локализация пластических деформаций и разрушение будет происходить по основному металлу. Это имеет место обычно в сое­динениях низкоугл, еро диетой стали, сваренных качественными электродами (Э42, Э42А и др.), и при автоматической сварке под флюсом (в том и другом случае металл шва легируется), а также в сварных соединениях стали типа 12Х18Н10Т.

Если а„, сгт металла шва меньше основного металла (шов — мягкая прослойка), то сварные соединения чувствительны к де­фектам-концентраторам. Пониженные прочностные свойства металла шва по сравнению с основным металлом наблюдается после сварки в соединениях алюминиевых, титановых сплавов и низколегиро­ванных сталей.

Изложенная методика оценки чувствительности металла шва к дефектам может быть рекомендована для сварных конструкций балочноґо и стержневого типов, работающих в условиях статиче­ского нагружения. Для конструкций, работающих при сложно­напряженном состоянии, чувствительность металла шва к дефектам следует оценивать другими методами.

При сопоставлении чувствительности сварных соединений к де­фектам (концентраторам) при статических и переменных нагрузках необходимо учитывать, что сварные соединения, не чувствительные к дефектам, при статических нагрузках могут оказаться более чувствительными при переменных нагрузках (например, сварные соединения стали 12Х18Н10Т).

Характерная особенность всех видов непровара состоит в том, что заканчиваются они в металле* шва ответвлением («усами»), имеющем вид трещины (см. рис. 1). Глубина этого ответвления при рентгено - и гамма-просвечивании, как правило, не выявляется, так как'ширина очень мала (0,01—0,1 мм), поэтому ошибка в опре­делении общей глубины непровара может составлять до 10%. В стыковых соединениях АМгб, сваренных неплавящимся электро­дом в аргоне без зазора, при просвечивании могут не выявляться tfe только ответвления от основного направления непровара, но и все несплавление, которое с трудом выявляется даже по макро­шлифу.

Характер окончания линии неполного проплавления в металле шва алюминиевых сплавов мало отличается от формы границ между зернами металла шва (рис. 1, в). По линии контакта непроверенных кромок (АМгб) наблюдается «схватывание» с образованием общих зерен, что выявляется только после специального травления и испытания образцов на растяжение. Поэтому для выявления непро­вара в сварных стыковых соединениях сплава АМгб необходимо дублирование контроля просвечиванием другими методами (ультра­звуком).

В алюминиевых сплавах в большинстве случаев непровар сопро­вождается порами или окисными пленками. В сталях при ручной и автоматической сварке под флюсом непровары заполнены шлаком. Сопоставление непровара (ответвления) с трещиной по геометри­ческой форме и расположению в сечении шва показывает, что суще­ственного различия в остроте окончания их не наблюдается.

Прочность сварных стыковых соединений с непроваром, как это видно из рис. 2, зависит от чувствительности металла шва к де­фектам в зоне непровара. В зависимости от характера действую­щих нагрузок чувствительность металла шва к непровару различ­ная. При статических нагрузках нечувствительными к дефек­там (непровару) являются сварные соединения низкоуглероди­стой стали (ручная сварка электродами Э42, автоматическая под флюсом), стали 12Х18Н10Т (сварка в аргоне проволокой 12Х18Н10Т).

В этих сталях прочность соединений с непроваром снижается пропорционально уменьшению сечения, вызванного непроваром (по пропорциональной прямой 1—2 на рис. 2). Сварные соединения стали ЗОХГСНА (сварка проволокой 18ХМА в аргоне), сплава Д16Т (проволока АК, аргон), сплава АМгб (проволока АМгб, аргон) чувствительны к дефектам при статических нагрузках. Предел прочности (ств) и предел текучести (<т,} металла шва ука­занных соединений ниже соответствующих характеристик основного металла (шов — мягкая прослойка). На рис. 2 прочность таких соединений с увеличением непровара снижается по кривой 2 (не по пропорциональной прямой).

В сварных соединениях, не чувствительных к дефектам (непро­вару), при статических нагрузках ослабление сечения шва может быть скомпенсировано высотой валика шва (усилением) или пропла­вом. Так, например, усиление шва в стыках труб из низкоуглеро - дистой стали с кольцевым непроваром по всей длине в корне шва при статических нагрузках полностью компенсирует ослабление сечения, создаваемое непроваром глубиной до 20% от толщины

		------------------------ > 77
) 1		7777>
^ 105 А 200	------- >	< f05 >

JDч=Шмм & =6мм

Разрушающая нагрузка

тс

10 20 30 40 50 60 70 %

Средняя глубина непровара корня шда

Рис. 3. Прочность сварных стыков труб с непроваром корня шва при растяже­нии (низкоуглеродистая сталь, ручная сварка электродом Э42): Тисп — темпера­тура испытания

шеннпттшл втттипт шшттитил шт/патта

стенки трубы (рис. 3). В сварных соединениях, чувствительных к непровару, при статических нагрузках усиление шва не компен­сирует прочность соединения, имеющего непровар (см. рис. 2, сплав АМгб).

Сварные соединения низкоуглеродистых сталей, не проявляющие чувствительности к непровару при сварке на проход при статиче­ских нагрузках, при секционной сварке могут существенно снижать статическую прочность при низких температурах испытания (—60—70 °С). Повторный нагрев, вызванный секционной сваркой, создает в зонах непровара местную термопластическую деформацию и старение металла. В зонах непровара снижается запас пластич­ности, происходит охрупчивание и, как следствие, резкое сниже­ние прочности.

На кривых (рис. 4) [2] можно видеть, что при секционной сварке стыковых соединений из низкоуглеродистой стали с непроваром (электроды УОНИИ-13/45, ОММ-5) прочность снижается не по про-

Рис. 4. Статическая прочность сты­ковых соединений с непроваром в середине шва при низких темпера­турах (низкоуглеродистая сталь, ручная сварка секциями, темпера­тура испытания —50 °С):

/ — прямые, соответствующие пропор­циональному снижению прочности; 2 —■ действительное снижение прочно­сти; ф — сварка электродами ОММ-5; О —сварка электродами УОНИИ-13/45

50%

Средняя глубина непровара корня шва (среднее ослабление сечения)

Рис. 5. Пластичность сварных стыков труб из низкоуглеродистой стали (ЗМ) при растяжении (ручная сварка электро­дами Э42)

порциональной прямой. Снижение статической прочности сварных соединений низкоуглеродистой стали с непроваром при низ­кой температуре испытания (—45 °С) наблюдается не только при секционной свар­ке, но и при многослойной сварке. Так, например, при многослойной сварке стыков труб из низкоуглеродистой стали (см. рис. 3) при глуби­не непровара более 20% от толщины стенки трубы проч ность при —45 °С резко па дает по сравнению с нормаль ной температурой испытания резко снижается и пластич ность соединения (рис. 5).

При проектировании кон­струкций для эксплуатации при переменных нагрузках следует принимать во внима­ние различную чувствитель­ность соединений к дефектам (непровару). В зависимости от технологии сварки и свойств присадочного и основного металла чувствительность* к дефектам различная. Это видно из приведенных ниже эффективных коэффициентов концентрации (Кэ) сварных стыковых соединений со снятым усилением и с непроваром в корне

шва величиной 15% от толщины листа (база испытания N = 2*10“ циклов, характеристика цикла R = 0,1 0,3, растяжение).

Низкоуглеродистая сталь (ручная и автоматическая сварка

Кэ под флюсом)................................................ ч'................. :................. 4

Сталь 12Х18Н10Т (автоматическая сварка в аргоне прово­локой CB-12X18H ЮТ) 3,4

Сталь ЗОХГСНА (автоматическая сварка под флюсом про­волокой Св-18ХМА) 2

Сплав АМгб (автоматическая сварка в аргоне проволокой АМгб) 2,4

Сварные соединения 12Х18Н10Т низкоуглеродистой стали, не чувствительные к непровару при статических нагрузках при вибра-

Непровар <0

ИепроВар 5)

Рис. 6. Влияние расположения непровара в сечении шва на предел вы­носливости стыковых соединений (низкоуглеродистая сталь, сварка под флюсом, толщина 18 мм):

а — растяжение; 6 — симметричный изгиб; / — непровар в середине шва; 2 — не-

провар в корне шва

ционных нагрузках становятся более чувствительными, чем соеди­нения стали ЗОХГСНА и сплава АМгб.

При проектировании необходимо также учитывать, что вибра­ционная прочность соединений существенно зависит от вида нагру­жения (растяжение, изгиб) и положения непровара в сечении шва (рис. 6). Так как непровар является острым естественным надрезом (теоретический коэффициент концентрации может быть К > 20), то снижение выносливости резко проявляется даже при небольших непроварах (до 10%, рис. 7).

Влияние непровара на прочность при вибрационных нагрузках может изменяться в зависимости от положения его в поле остаточ­ных напряжений. Если непровар будет расположен в поле остаточ­
ных напряжении растяжения, то предел выносливости может сни­зиться в 2 раза по сравнению с пределом выносливости стыковых

Рис. 7. Влияние глубины непровара в корне шва на предел выносливости стуковых соединений без усиления (растяжение, характеристика цикла R = 0,1 -5- 0,3; база испытания N — = 2-Ю6 циклов):

1 — АМгб, автоматическая сварка в арго­не, проволока АМгб; 2 — ЗОХГСНА, сварка под флюсом АН-3, проволока 18XMA; 3 —- 12X18H10T, автоматическая сварка в аргоне, проволока 12X18H10T; 4 — Д16Т, автоматическая сварка в арго­не, проволока А К; 5 — низкоуглеродистая сталь, сварка под флюсом ОСЦ-45

б, кгс/ммг

соединений с непроваром, расположенным в поле сжимающих напряжений (рис. 8). В конструкциях установить величину и знак остаточных напряжений в любой точке сечения шва не представ-

Рис. 8. Кривые усталости сварных стыковых соединений с непроваром в середине шва [10] (низкоуглеродистая сталь, сварка с двух сторон):

1 — непровар в зоне сжимающих напря­жений; 2 — непровар в зоне растягиваю­щих напряжений

ляется возможным, поэтому предлагается [10] для установления допустимости дефекта полагать непровар расположенным на участке наибольших растягивающих напряжений.