Механические испытания сварных соединений – это разрушающие методы контроля, которые используют для проверки швов под разноплановыми нагрузками. С их помощью определяют важные эксплуатационные параметры конструкций, а затем, на основании полученных сведений, рассчитывают возможные нагрузки. При проведении проверок используется специализированное контрольное оборудование.
В качестве контрольных отбираются серийные образцы сварных швов. Заключение делают на основании одинаковых исследований устойчивости к разрушениям, пластичности шва.
Суть проведения механических испытаний сварных соединений
Исследования проводятся несколькими способами, а именно:
- Статическим. Подразумевает плавное увеличение нагрузки. Исследования растянуты по времени, чтобы разрушающая нагрузка была постоянной.
- Динамическим. Суть – в мгновенном воздействии за непродолжительный интервал времени.
- Усталостным. Это многократное воздействие на образец. Число циклов определяет величина, которая исчисляется десятками миллионов. Нагрузку изменяют по значению, знаку.
Статические методики – это испытания стыковых швов, которые определяют их физических характеристики: ползучесть, твердость, пластичность, растяжимость и пр. В ходе испытания сварных швов их сравнивают с подобными образцами из целостного металла. При этом применяют образцы и с зачищенным, и с незачищенным валиком.
Условный предел текучести – это напряжение, при котором образцы увеличиваются на 0,2% от первоначальных показателей длины. Исследования на изгиб проводят, чтобы выявить пластичность диффузного слоя. Нагрузку на изгиб осуществляют, пока на поперечном и продольном соединении не появится первая трещина. Для проведения тестов применяют трубчатые или плоские образцы.
При динамических испытаниях выявляют склонность швов к усталостной деформации и прочность на изгиб. Тесты проводят при пониженной, нормальной или повышенной температуре. Полученные данные заносят в виде графиков в протокол.
Твердость определяют в зоне термического влияния и диффузного слоя. При этом оценивают структурную прочность металла методами металлографии. Помимо прочего, проверяют необработанный и обработанный шовный валик.
Практическая работа: «Испытание сварных швов на растяжение»
Испытание сварных швов на растяжение
Цель работы: познакомиться с методами разрушающих видов испытаний сварных швов.
ХОД РАБОТЫ:
- Сварное соединение — это неразъёмное соединение, выполненное сваркой
.
Сварное соединение включает три характерные зоны, образующиеся во время сварки: зону сварного шва, зону сплавления и зону термического влияния, а также часть металла, прилегающую к зоне термического влияния.
Зоны сварного соединения
: самая светлая — зона основного металла, темнее — зона термического влияния, самая тёмная область в центре — зона сварного шва. Между зоной термического влияния и зоной сварного шва находится зона расплавления.
Сварной шов
— участок сварного соединения, образовавшийся в результате кристаллизации
расплавленного металла или в результате пластической деформации при сварке давлением или сочетания кристаллизации и деформации.
Металл шва
— сплав, образованный расплавленным основным и наплавленным металлами или только переплавленным основным металлом.
Основной металл
— металл подвергающихся сварке соединяемых частей.
Зона сплавления
— зона частично сплавившихся зёрен на границе основного металла и металла шва.
Зона термического влияния
— участок основного металла, не подвергшийся расплавлению, структура и свойства которого изменились в результате нагрева при сварке или наплавке.
- Испытание сварных швов на растяжение
относится к разрушающему контролю.
Разрушающий контроль характеризуется тем, что по его завершении нарушается пригодность объекта контроля к использованию по назначению. При таком контроле испытывают отобранные образцы ( пробы) и измеряют возникающие в них напряжения, нагрузки или деформации. Преимущество разрушающего контроля — возможность определения по его результатам разрушающих нагрузок или других характеристик, определяющих эксплуатационную надежность объекта. Принципиальный недостаток его — выборочность, так как разрушаются одни изделия, а эксплуатируются другие. Достоверность разрушающих методов контроля зависит от однородности свойств в образцах, взятых для испытаний, и в реальных объектах, а также от сходства условий испытаний и эксплуатации.
К способам контроля сварных соединений с их разрушением относятся: – механические испытания; металлографические исследования; – специальные испытания с целью получения характеристик сварных соединений.
Эти испытания проводят на сварных образцах, вырезаемых из самого изделия или из специально сваренных контрольных соединений, выполненных в соответствии с требованиями и технологией на сварку изделия в условиях, соответствующих сварке. Целью этих испытаний являются:
оценка прочности и надежности сварных соединений и конструкций;
оценка качества основного и сварочного материалов; оценка правильности выбранной технологии; оценка квалификации сварщиков.
Свойства сварного соединения сопоставляют со свойствами основного металла. Результаты считаются неудовлетворительными, если они не соответствуют заданному регламентированному уровню.
Основными испытаниями являются механические испытания по ГОСТ 6996—66, который предусматривает следующие виды испытаний сварных соединений и металла шва:
испытание сварного соединения в целом и металла различных участков сварного соединения (наплавленного металла, зоны термического влияния, основного металла) на статическое (кратковременное) растяжение, статический изгиб, ударный изгиб (на надрезанных образцах), на стойкость против механического старения;
измерение твердости металла различных участков сварного соединения и наплавленного металла.
Контрольные образцы для механических испытаний выполняют определенных размеров (рис. 1).
Испытаниями на статическое растяжение определяют прочность сварных соединений. Испытаниями на статический изгиб определяют пластичность соединения по величине угла изгиба до образования первой трещины в растянутой зоне. Испытания на статический изгиб проводят на образцах с продольными и поперечными швами со снятым усилением шва заподлицо с основным металлом. Испытаниями на ударный изгиб, а также ударный разрыв, определяют ударную вязкость сварного соединения.
В зависимости от характера действия внешних нагрузок, напряжённого состояния, конструктивных особенностей и температуры одна и та же деталь из определенного материала может разрушаться вязко или хрупко. Известно множество случаев хрупкого разрушения под действием ударной нагрузки металлов, обладающих высокими пластическими свойствами.
Для проверки способности материала сопротивляться ударным нагрузкам и выявления склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на удар.
Ударные испытания различают:
а) по виду деформации – на изгиб, растяжение, сжатие, кручение, срез;
б) по скорости нагружения – обычные (4-7 м/с), скоростные (100 – 300 м/с) и сверхскоростные (свыше 300 м/с);
в) по числу ударов – одним ударом или повторными ударами;
г) по температуре испытания.
Наиболее широкое применение получил способ однократного испытания при ударном изгибе образцов прямоугольного сечения с надрезом посередине или без него (ГОСТ 9454-78). Наличие надреза способствует более хрупкому разрушению материала, что вызывает излом образца даже при пластичном материале. Кроме того, разрушению надрезанного образца способствует концентрация напряжений. Используют надрезы двух видов – V-образный и U-образный. Кроме этого может быть предварительно создана трещина.
Скорость движения маятника в момент удара должна составлять 5±0,5 м/с для копра с потенциальной энергией 300 Дж (30 кгс·м).
Основной стандартный образец типа Менаже, согласно ГОСТ 9454-78, должен иметь размеры, указанные на рисунке 1. Для некоторых испытаний применяют также большой и малые образцы типа Шарпи с глубоким надрезом. Если для испытания на удар используются нестандартные образцы, то следует предварительно провести сравнительные испытания стандартных и нестандартных образцов для получения эмпирических коэффициентов.
В результате испытания определяется работа удара K (KU, KV или KT) и ударная вязкость материала KC (KCU, KCV или KCT), представляющая собой работу, затраченную для ударного излома образца, отнесенную к площади поперечного сечения в месте надреза. Если сравнить два материала с одинаковым пределом прочности, но требующие для разрушения разное количество работы, то тот, для которого работа будет больше, называют более вязким материалом.
Рисунок 1 – Образец для испытания на ударную вязкость с U-образным надрезом
Хотя данные об ударной вязкости и не могут быть использованы при расчёте на прочность или для аналитической оценки опасности хрупкого разрушения, но они позволяют решить вопрос о применимости того или иного материала в условиях динамических нагрузок, в которых работают многие детали машин, имеющие отверстия, канавки для шпонок, разные конструктивные углы и т.п. Низкая ударная вязкость служит основанием для браковки материала. Стали, применяемые для изготовления деталей, работающих при динамических нагрузках, должны иметь ударную вязкость не менее 8·10 Н·м/м².
По результатам определения твердости судят о структурных изменениях и степени подкалки металла при охлаждении после сварки.
Металлографические исследования сварных соединений.
Основной задачей металлографического анализа является установление структуры металла и качества сварного соединения, выявление наличия и характера дефектов. Металлографические исследования включают в себя макро- и микроструктурный методы исследования металлов.
Рис. 1. Образцы для определения механических свойств: а, б — на растяжение наплавленного металла (а) и сварного соединения (б), в — на изгиб, г — на ударную вязкость
При макроструктурном методе
изучают макрошлифы и изломы металла невооруженным глазом или лупой (увеличение до 20 раз). Макроисследование позволяет определить характер и расположение видимых дефектов в разных зонах сварных соединений.
При микроструктурном
анализе
(микроанализ) исследуется структура металла при увеличении в 50—2000 раз с помощью оптических микроскопов. Микроисследование позволяет установить качество металла, в том числе обнаружить пережог металла, наличие окислов по границам зерен, засоренность металла неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами), величину зерен металла, изменение состава металла при сварке, микроскопические трещины, поры и некоторые другие дефекты структуры.
Методика изготовления шлифов для металлографических исследований заключается в вырезке образцов из сварных соединений, шлифовке, полировке и травлении поверхности металла специальными травителями.
Металлографическое исследование сварных соединений дополняется измерением твердости и при необходимости химическим анализом.
Специальные испытания проводят с целью получения характеристик сварных соединений, учитывающих условия эксплуатации сварной конструкции: – определение коррозионной стойкости для конструкций, работающих в коррозионных средах; – усталостной прочности при циклических нагрузках; ползучести при эксплуатации в условиях воздействия повышенных температур и др.
Образцы сварных соединений стали 12 Х18Н9Т после испытаний на разрыв
Образец испытаний на статический изгиб.
Образец для испытаний на ударную вязкость.
Образцы после испытаний на ударную вязкость.
Контрольные вопросы:
1.Дайте определение сварному соединению, сварному шву, опишите строение сварного соединения.
2. Опишите виды разрушающих испытаний. Составьте таблицу соответствия: испытание – оборудование – образец.
3. Опишите принцип испытаний на разрыв, зарисуйте образец до испытания и после, сделайте вывод.
4. Опишите принцип испытаний на статический изгиб, зарисуйте образец до испытания и после, сделайте вывод.
5. Опишите принцип испытаний на ударную вязкость, зарисуйте образец до испытания и после, сделайте вывод.
6. Опишите принцип металлографических исследования сварных соединений, какие виды таких исследований бывают.
7. Сделайте вывод по работе.
Преимущества и недостатки механических испытаний
К достоинствам методов относятся следующие:
- получение данных об эксплуатационных характеристиках сварных соединений;
- изучение механических свойств швов;
- установление расчетных величин, что позволяет определить максимальные нагрузки – сведения, необходимые для проектных работ;
- проверка возможностей зоны термического влияния, диффузного слоя, в которых зачастую обнаруживаются внутренние дефекты;
- небольшие затраты, но при этом получение точных результатов, на основе которых можно определить прочностные характеристики конструкций, выбрать наилучший способ сварки разных сплавов.
Недостатки у испытаний сварных соединений механическими методиками тоже есть. Например, это разрушение образцов, которые невозможно восстановить. Поэтому применять эти методики для приемки готовых соединений нельзя – их используют только для исследований, которые проводятся на этапе запуска в серийное производство.
Общая информация
Итак, механические испытания сварных соединений — это комплекс различных механических операций, направленных на определение механических свойств шва. Как мы писали выше, данный метод контроля качества называется разрушающим, а потому применяется лишь при крупносерийном производстве. Ведь серийные изделия производятся по одному и тому же принципу, поэтому по одному образцу можно в целом судить о качестве партии. Сейчас для разрушающего механического контроля применяются специальные агрегаты. Они не только испытывают швы на прочность, но и фиксируют полученный результат. Это существенно упрощает и ускоряет работу. Обычно проводят анализ только одной детали из всей партии, но для более точного результата можно подвергнуть испытаниям несколько деталей.
Механические испытания сварных соединений регулируются отдельным нормативным документом, это ГОСТ 6996-66. Также изучите документ РД 26-11-08-86., он дополнительно регулирует механические испытания. Мы в целом рекомендуем всем новичкам изучать нормативные документы, поскольку в них довольно подробно и точно расписано, как и при каких условиях нужно проводить разрушающий контроль швов. Именно из нормативных документов вы узнаете всю актуальную информацию, а никак из статей в интернете. Так что не поленитесь и прочтите два этих небольших документа.
Свойства, которые определяют механические испытания
Для испытания швов в целях определения механических характеристик диффузного слоя применяют разные методы. Образцы подвергают разнонаправленным усилиям, выявляют, под какой нагрузкой по швам возникает деформация. При этом учитывают надрывы, трещины, изменения размеров, формы. Также определяют технологически важные характеристики, которые влияют на герметичность и несущую способность соединений.
Рассмотрим основные характеристики, которые позволяют определить испытания сварных соединений.
Пластичность
Для определения пластичности проводят тесты на статическое растяжение, в ходе которых выявляется податливость участка термического влияния и диффузного слоя, изменения формы. Пластичность – это характеристика, от которой зависит способность штамповки с вытягиванием. Удлинение определяют посредством измерения образцов до растяжения и после.
Прочность
Показатели прочности особенно важны для опорных конструкций, которые испытывают разнонаправленные нагрузки. От прочности зависит надежность, безопасность, целостность сооружения. Определяют характеристики несколькими методами. Для этого проводятся исследования на изгиб и на усталость. Испытания сварных соединений на изгиб подразумевают прикладывание усилий до момента критической деформации образцов. Исследования на усталость выполняются с разными нагрузками, пока образец не разрушится.
В ходе экспериментов могут проводиться:
- Искривление заготовки под заданным углом.
- Двухсторонний изгиб, пока стороны заготовки не сплющатся.
- Искривление тонких заготовок, пока стороны не встанут параллельно и образец не примет U-образную форму.
Ударный изгиб
Для определения ударного изгиба выполняются динамические исследования. Они подразумевают высокую скорость изменения нагрузки. Сварные швы проверяют на хрупкость, склонность к растрескиванию и деформации. Для этого применяют образец с надрезанным шовным валиком. В месте, где выполнен надрез, от удара маятниковым копром со специальной шкалой концентрируется напряжение. В результате испытаний рассчитывают ударную вязкость, которая определяется как отношение работы по отталкиванию в месте концентрации к площади сечения целостного образца, т.е. до нанесенного разреза. Если в образце не появятся трещины, изломы, надрывы и расслоения, значит, он выдержал испытание.
Твердость
Для определения твердости заготовки используют три методики:
- Тестирование по методу Роквелла. Во время исследования в металл вдавливают твердый наконечник – индентор, в качестве которого выступают алмазный конус или стальной шарик, прошедший специальную закалку.
- Исследования по Виккерсу. Способ, имеющий сходство с методом Роквелла. В качестве индентора используется алмазная пирамидка.
- Способ Бринелля. Применяется стальной шар с высокой плотностью и твердостью.
Твердость соединения проверяют по продольной оси, а также от центра стыка по направлению к основному металлу заготовки.
Метод Роквелла используют для контроля соединений на листовой стали или тонком металле, Виккерса – на деталях малой толщины и тонких поверхностных слоях, Бринелля – на других типах заготовок. Твердость напрямую определяет пластичность материала, т.е. чем тверже диффузный слой, тем меньше он будет изгибаться.
Исследуемые свойства
У каждого металла есть свои физические свойства, исследовав которые можно понять, насколько деталь противостоит деформации. Проще говоря, насколько она будет долговечной. Чтобы это узнать деталь нужно подвергнуть той самой механической деформации. При этом главная задача — узнать максимальные возможности детали. Поэтому ее подвергают сильным нагрузкам до тех пор, пока она не разрушится.
Выше мы уже перечисляли свойства, которые можно определить методом механического разрушающего контроля. Это пластичность, твердость сварных швов, их прочность и ударная вязкость. Но далее мы расскажем подробнее, что кроется за каждым из этих терминов.
Итак, пластичность — это показатель металла, благодаря которому можно понять, насколько деталь подвержена изменению формы. Чтобы узнать показатель пластичности деталь подвергается механическому удлинению.
Далее твердость. Твердость металла — это показатель, благодаря которому мы можем узнать, насколько деталь противостоит проникновению в ее структуру другого предмета. Существует множество способов определения твердости (метод Бринеля, метод Роквелла, метод Виккерса и так далее). Всех их объединяет одно — в испытуемую деталь подается какой-нибудь предмет (стальной шарик, алмазный конус, алмазная пирамида) и фиксируется, насколько деталь сопротивляется этому механическому воздействию. В этом материале мы не будем подробно рассказывать о каждом методе проверки на твердость, поскольку их больше десятка и это тема для отдельной статьи.
Также испытывается прочность металла. Прочность и твердость во многом похожи, но не стоит их путать. Прочностью называют способность детали противостоять различным нагрузкам, в том числе растяжению. Детали помещают в специальный аппарат, который растягивает их в разные стороны. Такое испытание на прочность вполне эффективно. Но для большей эффективности детали могут дополнительно нагревать в ходе испытания. Для этих целей используется муфельная печь, встроенная в испытательную машину. С помощью печи можно заодно узнать и теплостойкость заготовки. Рекомендуется нагревать деталь не менее получаса, только результаты будут более достоверными.
Не забывайте и про ударную вязкость. Ударная вязкость — это способность металла к сопротивлению ударным нагрузкам. Деталь могут в прямом смысле испытывать с помощью механических ударов, пока не узнают ее предел. Самый распространенный способ проверки на ударную вязкость — это использование маятника, на конце которого расположено грузило. Маятник поднимают и затем опускают, в ходе падения он набирает определенную скорость и с силой бьет деталь.
Особенности механических исследований
Главная особенность состоит в том, что механические исследования – это разрушающие методы контроля. Т.е. в большинстве случаев исследуемые образцы разрушаются или повреждаются. Но если разрушение – не лучший вариант в определенном случае, приходится выбирать другие методы испытания.
В помещении, где проводятся эксперименты, должен поддерживаться один температурный режим. Данные, полученные в ходе проверки, обязательно фиксируются.
Для получения максимально точных результатов проверяют несколько образцов из одной партии. Вполне вероятно, что результаты будут различаться. Тогда из полученных показателей выводится среднее значение – это и будет самый точный результат.
Механические испытания целесообразно применять при серийном выпуске деталей, когда из каждого тиража берут количество изделий, регламентированное стандартами, и проводят исследования. Только по одному образцу выдать корректное заключение не получится. Если изделие единичное, для него стоит использовать неразрушающие методы контроля.
Результаты испытаний зависят от разных факторов. Это и первоначальное состояние заготовок, и наличие дефектов в металле. Поэтому перед определением технических характеристик нужно провести дефектоскопию сварных соединений, например, ультразвуковой контроль.
Способы проверки
Металлографические исследования сварных соединений могут быть разрушающего и неразрушающего типа. Первый метод применяется в выборочном порядке. Выполняется проверка одного или нескольких изделий из большой партии или части металлической конструкции.
Проверка производится с учетом необходимых показателей, которые указываются в специальных протоколах испытаний. В обязательном порядке применяются устройства или материалы, которые позволяют проконтролировать качественные характеристики швов с сохранением целостности изделия.
Выделяют следующие физические методы контроля сварных соединений:
- Визуальный.
- Капиллярный.
- Радиационный.
- Магнитный.
- Ультразвуковой.
Чтобы минимизировать дефекты соединений обязательно выполняется операционное контролирование сварочных работ. Регулярно проводится аттестация, на которой комиссия должна дать допуск на сваривание контрольных швов. После прохождения данного испытания выполняется проверка теоретических знаний сварщиков.
Многие способы производятся с использованием специальных приборов, которые оказывают радиационное, магнитное, ультразвуковое воздействие. Обычно они выполняются на производствах с соблюдением требуемых норм и выставленных параметров.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1. Контроль качества сварного соединения в целом и его отдельных участков, а также наплавленного металла методами механических испытаний осуществляется в соответствии с действующей нормативно-технической документацией и «Правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», утвержденными Госгортехнадзором СССР, СТ СЭВ 798-77, СТ СЭВ 799-77, СТ СЭВ 800-77.
1.2. Контроль качества сварного соединения, а также наплавленного металла методами механических испытаний или измерением твердости осуществляется в объеме, указанном в нормативно-технической документации на контролируемое изделие.
1.3. Механические испытания проводятся с целью определения качества изделия и сварочных материалов, показателей свариваемости металлов и сплавов, пригодности способов и режимов сварки при установлении квалификации сварщиков. Конкретная цель испытаний указывается в технических условиях на контролируемое изделие.
3.1. Отбор проб и заготовок
3.1.1. Определение характеристик механических свойств сварного соединения в целом и его отдельных участков, а также наплавленного металла методами механических испытаний производится на образцах, отбираемых непосредственно из контролируемого изделия или из специально сваренных контрольных соединений.
Если форма сварного соединения исключает возможность изготовления образцов данного типа (деталей сложной конфигурации, труб и т.д.), то образцы могут быть отобраны от специально сваренных плоских контрольных соединений.
3.1.2. Сварка контрольных соединений производится в условиях, тождественных условиям сварки контролируемого изделия с применением тех же способов подготовки под сварку, химического состава, основного металла и сварочных материалов, режимов сварки.
Если контролируемое изделие после сварки подлежит термообработке, все контрольные соединения перед разрезкой их на образцы должны быть подвергнуты той же термической обработке, что и основное контролируемое изделие.
3.1.3. Размеры контрольного соединения должны быть достаточными для проведения испытаний и для повторения этих испытаний на удвоенном количестве образцов в случае получения неудовлетворительных результатов на отдельных образцах. В случае невозможности изготовления из одного контрольного соединения требуемого количества образцов количество свариваемых контрольных соединений должно быть соответственно увеличено.
Примечание. Контрольная пластина при сварке продольных швов обечаек по возможности должна быть продолжением шва обечайки.
3.1.4. Для контрольных соединений, выполняемых дуговой, электрошлаковой и газовой сваркой из плоских элементов, ширина каждой свариваемой пластины, если нет иных указаний в нормативно-технической документации, должна быть не менее:
50 мм — при толщине металла до 4 мм;
70 мм — при толщине металла свыше 4 до 10 мм;
100 мм — при толщине металла свыше 10 до 20 мм;
125 мм — при толщине металла свыше 20 до 40 мм;
150 мм — при толщине металла свыше 40 до 80 мм;
200 мм — при толщине металла свыше 80 мм.
Размеры пластин для контрольных соединений, выполняемых другими способами сварки, не указанными выше, устанавливаются соответствующей нормативно-технической документацией.
Размеры проб, вырезаемых из контролируемой конструкции, определяются количеством и размерами образцов.
3.1.5. Сварка контрольных соединений производится под наблюдением контролера ОТК. На контрольное соединение сварщик наносит свое клеймо, а контролер, присутствующий при сварке, заверяет пластину своим клеймом. Клейма наносятся со стороны сварки последнего прохода.
3.1.6. При разметке сварного контрольного соединения должны быть учтены припуски на последующую механическую обработку образцов и ширину реза. Разметка контрольных соединений производится в соответствии со схемами вырезки заготовок образцов на каждый тип контролируемого изделия.
3.1.7. Разделка контрольных сварных соединений на заготовки может производиться механическим способом (на металлорежущих станках, механических пилах, штампах), а также газокислородной резкой с припуском на механическую обработку для удаления зоны термического влияния. Припуск должен составлять от 5 до 10 мм на сторону при газовой резке углеродистых сталей, 15 мм — при кислородно-флюсовой резке нержавеющих сталей и 5 мм — при плазменной резке.
3.1.8. Поле разметки (до вырезки заготовок образцов) в присутствии контролера ОТК на каждую заготовку переносится с маркировки контрольного соединения марка стали, номер чертежа изделия, номер заготовки или образца, номер заявки для ЦЗЛ и личное клеймо сварщика.
Клейма ставятся по продольной оси заготовки образца вне рабочей его части при обязательном сохранении сторон клеймения (сторона наложения последнего прохода шва). Остаток контрольного соединения клеймится этим же клеймом и хранится цехом на случай повторного проведения испытаний.
