Сеть профессиональных контактов специалистов сварки.

Дефекты конструкций : влияние на работоспособность конструкций и способы их исправления

Темы: Контроль качества сварки, Сварные соединения.

Машиностроение предъявляет весьма высокие требования к качеству изготовляемых изделий и прежде всего к их прочности, понимаемой в широком смысле как сопротивление деформированию и разрушению. Эти требования обусловлены все возрастающей напряженностью условий работы деталей машин. При расчете деталей на прочность исходили из модели сплошного твердого тела, обладающего совершенной структурой, а для изготовления их рассчитывали использовать простые по составу материалы (например, углеродистые и низколегированные стали), отличающиеся высокой технологичностью. В современных же агрегатах значительная часть деталей подвергается длительным статическим нагрузкам при повышенных температурах или повторным нагрузкам (в том числе и знакопеременным) при нормальных и повышенных температурах или же работает в условиях воздействия на них агрессивных сред, резких тепловых ударов или радиоактивного излучения. Для изготовления таких деталей требуются высокопрочные, жаропрочные, кислотоупорные металлические и неметаллические материалы: стали, сплавы, пластические массы, обладающие повышенными специальными свойствами (пределом прочности, длительной прочностью, пределом ползучести, пределом выносливости, сопротивлением термической усталости, коррозионной стойкостью и т.д.).

Стали и сплавы, удовлетворяющие этим требованиям, как правило, отличаются сложным составом и характеризуются более низкими технологическими свойствами, что весьма затрудняет изготовление из них изделий, а в ряде случаев при водит к необходимости создания новых технологических процессов для придания им необходимых формы и свойств.

Требование сочетать указанные выше свойства с малой массой изделия обусловило применение составных конструкций, например из металлических и неметаллических материалов, соединенных склейкой и пайкой.

Методы расчета деталей, работающих в тяжелых условиях нагружения, на прочность значительно сложнее, особенно это относится к расчетам деталей авиационной и ракетной техники, поскольку в этих случаях конструктор, стремясь в максимальной степени облегчить изделие, исходит из минимального запаса прочности.

Например, для основных деталей авиационных двигателей (коленчатый вал, шатун, лопатки и диск турбины и компрессора) минимальный запас прочности 1,3 ... 1,5, в то время как в общем машиностроении и строительной практике он доходит до 10... 15.

Как известно, теоретические значения прочности металла, рассчитываемые по величине энергии, затрачиваемой на образование двух новых поверхностей при преодолении межатомных связей в идеальной решетке монокристалла, во много раз выше значений «технической» прочности, получаемых при испытании реальных образцов того же металла.

Так, для чистого железа теоретическое значение прочности > 10000 МПа, а техническое -250 МПа. Это расхождение объясняется наличием различного рода дефектов-несовершенств строения кристаллического тела, влияние которых на свойства этого тела столь значительно, что современную физику твердого тела часто определяют как физику дефектов. К таким дефектам - несовершенствам тонкой структуры - относят прежде всего дислокации, т.е. особые зоны искажений атомной решетки, содержащиеся в реальных кристаллах в огромных количествах (порядка 108/ см2 ).

К дефектам более грубого порядка относят субмикроскопические трещины, по размерам не превышающие предела разрешения оптического микроскопа (:50,2 мкм). Такие

трещины, согласно гипотезе Гриффитса, могут образовываться по границам блоков кристалла в процессе его роста, а также появляться в результате приложения напряжений.

В реальном металле - поликристаллическом теле - встречаются еще более грубые дефекты, например, микроскопические трещины размерами >0,2 мкм. Такие трещины возникают на поверхности стальных деталей в процессе их механической обработки или эксплуатации.

Несмотря на незначительную (порядка нескольких микрометров) глубину, эти трещины резко снижают прочность детали (особенно при работе в условиях сложного напряженного состояния или воздействия поверхностноактивных сред), ускоряя ее разрушение. Удаление поврежденного поверхностного слоя механически (зачисткой тонкой шкуркой, пескоструйной обработкой) или электролитическим растворением существенно повышает прочность детали.

Наиболее грубыми являются микроскопические, видимые в ряде случаев невооруженным глазом дефекты, представляющие собой различного рода нарушения сплошности или однородности металла. Эти дефекты могут стать причиной особенно сильного снижения прочности детали и ее разрушения. С увеличением размеров детали вероятность наличия дефектов возрастает, поэтому реальное снижение прочности на крупногабаритных деталях проявляется более заметно (масштабный фактор).

Наиболее детально влияние дефектов на работоспособность конструкций изучено для изделий, выполненных сваркой. В большинстве случаев степень влияния того или иного дефекта на работоспособность конструкций устанавливают экспериментально: испытаниями образцов с дефектами.

При сдаче конструкции в эксплуатацию прежде всего оценивают допустимость наличия наружных дефектов. Значения их допустимости, как правило, указаны в технических условиях на изготовление конструкции и зависят от условий ее эксплуатации.

 
Установлено, что выпуклость шва не снижает статической прочности, однако очень влияет на вибрационную прочность. Чем больше выпуклость шва и, следовательно, меньше угол перехода от основного металла к наплавленному, тем сильнее оно снижает предел выносливости. Таким образом, чрезмерная выпуклость шва может свести к нулю все преимущества, полученные от оптимизации технологического процесса по улучшению качества сварных соединений, работающих при вибрационных (см. Защита от вибрации), динамических и повторно-статических нагрузках.

Значительным (по влиянию на работоспособность) наружным дефектом является подрез. Он недопустим в конструкциях, работающих на выносливость. Небольшой протяженности подрезы, ослабляющие сечение шва не более чем на 5 %, в конструкциях, работающих под действием статических нагрузок, можно считать позволительными.

дефекты конструкций

Рис. 1. Влияние относительной глубины Δh / s непровара корня шва на статическую прочность стыковых соединений (без выпуклости): 1 - Ст3; 2 - сталь 12X 18H9T; 3 - сталь 25ХГФА; 4 - сплав Дl6T; 5 - сталь 30ХГСНА.

Наплывы, резко изменяя очертания швов, образуют концентраторы напряжений и, тем самым, снижают выносливость конструкции.

Наплывы, имеющие большую протяженность, следует считать недопустимыми дефектами, так как они вызывают концентрацию напряжений и нередко сопровождаются непроварами. Небольшие местные наплывы, вызванные случайными отклонениями сварочных режимов от заданных, разрешаются.

Кратеры, как и прожоги, во всех случаях являются недопустимыми дефектами и подлежат исправлению.

Для окончательной оценки качества сварного соединения контролер должен знать значения допустимости наружных и внутренних дефектов, которые указаны в НТД. Результаты многочисленных исследований показывают, что для пластичных материалов при статической нагрузке (рис. 1, кривые 1, 2, 4) влияние величины непровара на уменьшение их прочности прямо пропорционально относительной глубине непровара. Для малопластичных и высокопрочных материалов при статической (см. рис. 1, кривые 3, 5), а также при динамической или вибрационной нагрузке (рис. 2) пропорциональность между потерей работоспособности и величиной дефекта нарушается.

 

Рис. 2. Влияние относительной величины Δh / s дефектов на усталостную прочность стыковых соединений из низкоуглеродистых сталей (без выпуклости): 1 - подрезов; 2 - пор; 3 - непроваров; 4 - шлаков.

Установлено, что поры и шлаковые включения при их относительной суммарной площади в сечении шва до 5... 10 % практически мало влияют на статическую прочность соединения (рис. 3). Если швы имеют значительную выпуклость, то поры и шлаковые включения суммарной площадью (размером) 10 ... 15 % от сечения шва слабо сказываются на статической прочности. Для ряда конструкций (закладные детали, стыки арматуры) в зависимости от места расположения таких дефектов их допустимая величина может составлять 10...25 % от сечения шва.

Такие дефекты, как трещины, оксидные пленки, несплавления, недопустимы.

С учетом всех перечисленных конструктивно-эксплуатационных факторов для альтернативной оценки опасности влияния сварочных дефектов их целесообразно разделить на две группы: объемные и плоскостные. Объемные дефекты не оказывают существенного влияния на работоспособность соединений. Эти дефекты (поры, шлаки, флокены) можно нормировать по размерам или площади ослабления ими сечения изделия. Плоскостные трещиноподобные дефекты (трещины, оксидные пленки, несплавления, раскаты) по НТД, как правило, считаются недопустимыми.

При обнаружении недопустимых наружных или внутренних дефектов их обязательно удаляют. Удаление наружных дефектов следует про водить вышлифовкой с обеспечением плавных переходов в местах выборок. Места выборок можно не заваривать в случае, если сохранилась минимально допустимая толщина стенки детали в месте максимальной глубины выборки. Дефекты с корня шва удаляют по всей длине заподлицо с основным металлом. Если в процессе механической обработки (вышлифовки) не удалось полностью исправить наружные дефекты, то их как недопустимые внутренние дефекты необходимо полностью удалить.

 

Рис. 3. Влияние относительной площади дефектов (пор) на механические свойства стыковых соединений из легированной стали (σв =850 МПа после закалки и отпуска).

Заглубленные наружные и внутренние дефекты (дефектные участки) в соединениях из алюминия, титана и их сплавов следует удалять только механическим способом: вышлифовкой абразивным инструментом или резанием, а также вырубкой с последующей зашлифовкой.

В ряде случаев в конструкциях из стали допускается удалять дефектные участки воздушно-дуговой или плазменной строжкой с последующей обработкой поверхности выборки абразивными инструментами. При этом поверхности изделий из углеродистых и кремнемарганцовистых сталей должны быть зачищены (зашлифованы) до полного удаления следов резки.

Исправление дефектов с заваркой выборок в сварных соединениях, подлежащих обязательной термической обработке и выполненных из легированных и хромистых сталей, нужно проводить после высокого (450...650 oС) отпуска сварного соединения (промежуточного, окончательного или предварительного), за исключением отдельных случаев, оговоренных технологическими инструкциями.

При удалении дефектных мест целесообразно соблюдать определенные условия. Длина удаляемого участка должна быть равна длине дефектного места плюс 10... 20 мм с каждой стороны, а ширина разделки выборки должна быть такой, чтобы ширина шва после заварки не превышала двойной ширины до заварки. Форма и размеры подготовленных под заварку выборок должны обеспечивать возможность надежного провара в любом месте. Поверхность каждой выборки должна иметь плавные очертания без резких выступов, острых углублений и заусенцев. При заварке дефектного участка необходимо перекрыть прилегающие участки основного металла.

После заварки участок надо зачистить до полного удаления раковин и рыхлости в кратере, выполнить на нем плавные переходы к основному металлу.

В сварных швах со сквозными трещинами перед заваркой требуется засверлить их концы, чтобы предотвратить распространение трещин. Дефектный участок в этом случае проваривают на полную глубину.

Заварку дефектного участка проводят одним из способов сварки плавлением (ручной дуговой, дуговой в инертных газах и т.д.).

Исправленные швы сварных соединений должны быть повторно проконтролированы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству изделия. Если при этом вновь будут обнаружены дефекты, то их исправляют снова с соблюдением необходимых требований. Число исправлений одного и того же дефектного участка зависит от категории ответственности конструкции и. как правило, не превышают трех.

Copyright. При любом цитировании материалов Cайта, включая сообщения из форумов, прямая активная ссылка на портал weldzone.info обязательна.