Влияние дефектов на работоспособность сварных соединений

и их влияние на прочность сварных соединений.
Проблема учета влияния дефектов (непровар, поры, смещение кромок и др.) на прочность сварных соединений.
Допустимые уровни дефектности.
Примеры оценки работоспособности сварных соединений с различного рода дефектами на основе конечно-элементных математических моделей.

и монтажа конструкции. Появление дефектов связано с различного рода нарушениями технологии изготовления (некорректные режимы сварки, неудовлетворительная подготовка и зачистка кромок,) нерациональная разделка кромок.

величину и тип дефекта в сварных соединениях. Однако эти допуски установлены исходя из технологических возможностей предприятий и не имеют количественного обоснования с позиций несущей способности, прочности и пластичности сварного соединения. Практика эксплуатации сварных конструкций требует учета влияния величины и типа дефекта на прочность и несущую способность конструкций.
Все дефекты представляют собой естественные надрезы различной геометрической формы – концентраторы напряжений немеханического происхождения.
Для оценки влияния дефектов шва на служебные характеристики сварных соединений необходимо располагать данными о чувствительности металла сварного шва к дефектам. Под чувствительностью к дефектам понимают степень снижения механических характеристик сварного шва в зоне дефекта по сравнению с бездефектным швом. Различают чувствительность при статических и переменных нагрузках. При статических нагрузках за критерий чувствительности к дефекту принимают прочность соединения с дефектом по отношению к бездефектным соединениям. При переменных нагрузках критерием чувствительности соединений к дефектам являются эффективные коэффициенты концентрации - отношение пределов выносливости сварных соединений без дефектов и с заданными дефектами.
Одним из методов оценки чувствительности сварных соединений к дефектам при статических нагрузках можно назвать испытание на статическое растяжение сварных стыковых соединений без усиления с непроваром корня шва, получаемого при сварке без зазора между стыкуемыми кромками.

изменяется пропорционально уменьшению рабочего сечения стыкового соединения, то металл шва не чувствителен к дефектам при статических нагрузках (рис. 8.1, прямая). В этом случае дефект следует рассматривать как фактор, уменьшающий рабочее сечение детали на величину, пропорциональную соответствующей глубине непровара.
Чувствительными к дефектам при статических нагрузках следует считать сварные соединения, у которых прочность металла шва с непроваром снижается непропорционально изменению глубины непровара (рис. 8.1, кривая). В этом случае непровар необходимо рассматривать как фактор, уменьшающий сечение шва, и как концентратор напряжений. Чувствительность соединений будет также зависеть от соотношения между прочностью металла шва и основного металла.

Данная методика оценки чувствительности металла шва рекомендована для сварных конструкций балочного, стержневого типов, работающих в условиях статического нагружения. Следует отметить, что сварные соединения, нечувствительные к дефектам при статическом нагружении, могут оказаться чувствительными при переменных нагрузках.

при двусторонней сварке или в корне шва при односторонней сварке, как без подкладки, так и на формирующей подкладке, за счет неравномерного ее прилегания.
В сварных соединениях, не чувствительных к непровару при статическом нагружении, ослабление сечения шва может быть скомпенсировано выпуклостью шва. Например, выпуклость шва в стыках труб из низкоуглеродистой стали с кольцевым непроваром по всей длине в корне шва при статических нагрузках полностью компенсирует ослабление сечения, создаваемое непроваром до 20 % от толщины стенки трубы.
Сварные соединения, не чувствительные к непровару при статических нагрузках, могут снижать статическую прочность при многослойной сварке при низких температурах (- 60 - 70 0С). Это связано с повторным нагревом, который создает местную термопластическую деформацию и старение металла. В местах непровара снижается запас пластичности – охрупчивание, что ведет к резкому снижению прочности. При проектировании конструкций, работающих при переменных нагрузках, необходимо учитывать различную чувствительность соединений к дефектам в зависимости от технологии сварки, свойств основного и присадочного металлов (табл. 8.1).

может снизиться в 2 раза по сравнению с пределом выносливости стыковых соединений с непроваром, расположенным в
поле сжимающих напряжений. Так как установить знак и величину остаточных напряжений в любой точке шва достаточно трудно, предлагается полагать наличие дефекта в зоне наибольших растягивающих напряжений.

могут быть в виде сфер, трубчатой формы, что характерно для углеродистых сталей, либо не иметь правильной геометрической формы, если они сопровождаются оксидными включениями.
Расположение пор в сварном шве (рис. 8.2) существенным образом зависит от свариваемого металла и технологии сварки. Различают единичную пористость (расстояние между порами больше трех диаметров наибольшей поры), пористость в виде цепочки пор (расстояние между порами меньше трех диаметров наибольшей поры), скопления неслившихся пор и слившиеся поры.

чувствительность металла шва к дефектам в зоне соединения, теоретические коэффициенты концентрации напряжений пор Кп и теоретический коэффициент концентрации формы шва Кф. Для сферических (единичных) пор, не выходящих на поверхность, Кп = 2,05. Для цепочек пор неправильной геометрической формы Кп = 3 – 6.

Теоретический коэффициент концентрации формы шва Кф зависит от геометрии шва. Наименьшей концентрацией напряжений обладают стыковые швы, при наличии усиления и подварочного шва при растяжении Кф =1,5 – 1,6.
Технология сварки и толщина металла оказывают основное влияние на величину радиуса сопряжения ρ между усилением (проплавом) и поверхностью основного металла (рис. 8.3). Ширина шва 2b и высота выпуклости изменяют Кф в меньшей степени.

нагрузках, определяющим фактором должна являться концентрация, вызванная геометрией шва. В случае, если Кф> Кп , пористость не снижает несущую способность конструкции.
Если в стыковых соединениях выпуклость шва полностью удалить (Кф = 1), то при переменных нагрузках даже самые мелкие сферические поры вызывают снижение выносливости соединений, которое в зависимости от пористости может составить
35 – 60 %.
При статических нагрузках влияние пористости на прочность проявляется в значительно меньшей степени, чем при вибрационных нагрузках. В стыковых соединениях из низкоуглеродистых или аустенитных сталей без выпуклости пористость, ослабляющая сечение шва до 7 % (к площади сечения основного металла), прочности не снижает. У высокопрочных сталей снижения прочности не наблюдается при наличии пористости в 5 %.

смещением кромок (рис. 8.4) напряжения на участке сопряжения основного металла с металлом шва могут значительно превышать номинальное значение в результате появления из изгибающего момента от эксцентричного приложения усилия и увеличения теоретического коэффициента концентрации формы шва Кф. Это связано с уменьшением радиуса кривизны в зоне сопряжения наплавленного и основного металла (смещение кромок 25 – 30 %). Напряжения в зоне сопряжения могут быть рассчитаны по формуле

- номинальное напряжение, определяемое по сечению основного металла от действующего усилия.
Теоретический коэффициент концентрации сварного стыкового соединения может быть определен из формулы
α= Кф + Ксм,
где Ксм = 1 + 3Δ – теоретический коэффициент концентрации стыкового шва, зависящий от смещения кромок; Δ = Δ*/s – относительное смещение кромок.

действующих нагрузок и чувствительности металла шва к концентраторам напряжений. При статических нагрузках смещение кромок не оказывает существенного влияния на прочность.
Для соединений из низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм смещение кромок до 60% от толщины листа не снизило прочность соединения, для соединения из сплава АМг6 той же толщины, чувствительного к концентраторам-дефектам, снижение прочности проявляется при смещении кромок свыше 30 %. При вибрационных нагрузках смещение кромок существенно снижает прочность соединения, причем снижение выносливости напрямую зависит от величины смещения кромок и определяется теоретически

- пределы выносливости стыкового соединения со смещением кромок и без смещения кромок соответственно.
Необходимо отметить, что при изготовлении сварных конструкций смещение кромок до 10 %, как правило, всегда имеет место

Наибольшее влияние на концентрацию напряжений оказывают оксидные включения – соизмеримо с непроваром. Влияние шлаковых включений существенным образом зависит от их размера и количества.
Концентрация напряжений, вызванная отдельными включениями или группой, не образующей сплошной шлаковой линии ( = 1,5 – 1,6), подавляется концентрацией напряжений, вызванной формой шва. При наличии сплошной шлаковой линии, что связано с грубым нарушением технологии сварки, = 3,1.
Включения, как и поры, начинают снижать выносливость при коэффициенте концентрации формы шва Кф = 1, что приводит к выводу – основное влияние на усталостную прочность сварных стыковых соединений со шлаковыми включениями оказывает форма стыкового шва. Необходимо отметить, что стыковые соединения, сваренные на остающейся подкладке, значительно снижают выносливость по сравнению с нормальным двусторонним швом. Эффективный коэффициент концентрации для таких соединений не зависимо от наличия дефектов составляет 2,5.