какие методы механических испытаний используют для оценки ксс
Проверка сварочных соединений механическими методами воздействия. Разновидности испытаний сварочных соединений
Тесты сварных соединений механическим методом используются для выявления их характеристик. Механические исследования чаще всего проводят на специально сделанных для этого образцах, которые изготавливаются по той же технологии, что и сварочное соединение. Иногда испытания проводятся на фрагментах, вырезанных из самого сварочного соединения. Размеры и форма взятых для испытания элементов должны соответствовать ГОСТ 6996-66.
Механические методы контроля сварочных соединений
При выполнении контроля сварочных соединений способы его осуществления делятся на две группы:
Чаще всего на практике стараются проводить неразрушающие опыты, но в некоторых случаях для получения достоверной информации о характеристиках сварного шва необходимо подвергнуть испытуемый образец разрушению. В зависимости от характера действующих на образец сил испытания делятся на следующие:
Испытания металла на пластичность путём растяжения
Пластичность — это способность материала принимать новую форму и оставаться в ней, не разрушаясь под воздействием нагрузок. Для испытания металла на пластичность образец помещается в специальную испытательную машину, которая будет его загибать. Такие машины называют разрывными, они обеспечивают небольшую скорость при растяжении образца для определения пластичности.
Требования к образцам и испытанию определяет ГОСТ 1497-84, требования к оборудованию — ГОСТ 7855-84.
Показателем пластичности при этом тестировании служит относительное удлинение: чем оно больше, тем больше пластичность. Для проверки на пластичность сварочных соединений берутся плоские образцы, вырезанные поперек шва, и испытываются на загиб.
Чем больше угол загиба при испытании, тем выше пластичность соединения: угол в 180° говорит о хорошей пластичности. Образец при этом загибается до образования трещины. При данном контроле качества сварного шва временное сопротивление на разрыв должно составлять не меньше 38 кгс/мм, угол загиба — не менее 100°.
Прочность. Определение прочности металла
Прочность — это способность материала выдерживать внешние нагрузки, не разрушаясь. Считается основным свойством, которым должен обладать любой металл либо металлоконструкция. Мерой прочности считается та нагрузка, которую выдерживает каждый миллиметр сечения детали.
Для проверки сварных узлов на прочность также используются разрывные машины, которые растягивают подготовленные образцы. При этом площадь поперечного сечения образца постепенно становится меньше, его длина увеличивается, и он становится тоньше. Затем образец прекращает растягиваться по всей длине и продолжает растягиваться только в одном месте, которое называется «шейка», потом образец разрывается.
Существенное удлинение происходит только у вязких металлов, у хрупких (чугун, твердая сталь) процесс происходит значительно быстрее.
Максимальную нагрузку, которую образец выдержал до разрушения, измеряют прибором — силоизмерителем, встроенным в испытательную машину. Эту нагрузку затем делят на прочность поперечного сечения до растяжения и в итоге получают величину, называемую пределом прочности (σв).
Для проведения испытаний при повышенных температурах в испытательную машину обычно встраивается муфельная электрическая печь, которая равномерно нагревает испытуемый узел в течение 30 минут.
Определение ударной вязкости образцов сварных соединений
Надежность работы металла в критических условиях, при которых проявляется концентрация напряжения, напрямую зависит от ударной вязкости. Концентрацию напряжений вызывают: понижение температуры, скорость нагружения и геометрические концентраторы.
Контроль качества с разрушением сварного соединения — механические испытания
Механические испытания определяют прочность и надежность сварных соединений. Основные методы определения механических свойств сварных соединений и их отдельных зон устанавливает ГОСТ 6996 — 66, предусматривающий статические и ударные испытания при нормальных, а в некоторых случаях и при пониженных или повышенных температурах. Для сварных соединений ответственных конструкций, изготовленных из высокопрочных материалов или предназначенных для работы в условиях отрицательных температур и вибрационных нагрузок, дополнительно проводятся испытания на устойчивость к хрупкому разрушению и усталостную прочность. По характеру нагружения различают механические испытания:
Статические испытания. Стыковые сварные соединения подвергаются следующим статическим испытаниям: на растяжение, изгиб, ползучесть, твердость и т. д.
Рис. 1. Образцы для определения относительной прочности шва при толщине основного металла менее 3 мм (а) и более 3 мм (б)
Испытание на растяжение производится в целях определения прочности и пластичности сварного соединения. Для оценки временного сопротивления σв сварного соединения при растяжении (напряжения, отвечающего наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца) используют:
Если прочность сварного соединения меньше прочности основного металла, то допускается использование для испытаний плоских и круглых образцов с одинаковым сечением. Причем длина захватной части таких образцов может выбираться в зависимости от конструкции испытательной машины, а изменение других их размеров недопустимо.
Для испытаний участков сварного соединения используются круглые образцы с рабочей частью диаметром 3 … 10 мм, вырезанные вдоль оси сварного шва в соответствующей зоне соединения при многослойной сварке.
При испытании на растяжение определяют условный предел текучести σ02, временное сопротивление σв и относительное удлинение δ.
Под условным пределом текучести понимают напряжение, при котором деформация образца составляет 0,2 % от его первоначальной расчетной длины.
Относительное удлинение образца представляет собой процентное отношение абсолютного остаточного удлинения к первоначальной расчетной длине образца.
Рис. 2. Образец для определения абсолютной прочности шва
Рис. 3. Схемы испытаний образцов на изгиб при продольном (а) и поперечном (б) расположении шва: В — ширина пуансона; S — толщина образца
Испытание на изгиб производится для определения пластичности сварного соединения в целом. Пластичность стыкового соединения при изгибе определяется по углу изгиба образца до образования первой трещины на любом его участке.
Схемы испытаний образцов на изгиб при продольном и поперечном расположении шва приведены на рис. 3, а формы образцов для испытаний — на рис. 4.
На практике часто вместо плоских образцов используют трубчатые. При испытаниях односторонних сварных швов в растянутой зоне должен располагаться верхний слой металла, а при многослойной сварке — шов, сваренный последним.
Для ответственных сварных соединений считается удовлетворительным угол изгиба 120 … 180° без образования трещин. При отсутствии трещин испытание заканчивается изгибом образца до достижения параллельности его сторон.
Рис. 4. Формы образцов для испытаний на изгиб с продольным (а) и поперечным (б) швами
Динамические испытания. К динамическим относятся испытания на ударный изгиб и усталость (выносливость).
Испытания на ударный изгиб заключаются в определении ударной вязкости сварного соединения при нормальной, пониженной и повышенной температурах, обусловленных условиями его работы. Образцы для таких испытаний (рис. 5) изготовляют в соответствии с ГОСТ 6996—66. Испытания проводятся на специальных образцах с надрезом, который может располагаться по оси шва, линии сплавления или в зоне термического влияния со стороны раскрытия шва. Место расположения надреза зависит от цели испытания. При испытании металла шва или основного металла надрез можно делать с любой стороны образца.
Испытания производятся на маятниковых копрах с различной предельной энергией. Для применения в лабораториях строительно-монтажных организаций рекомендуется маятниковый копер МК-30А, имеющий 15 ступеней запаса энергии и 17,5 тыс. ч полного технического ресурса. После испытания сварного шва исследуют структуру излома для определения дефектов. Ударная вязкость определяется как отношение работы, затраченной на излом образца, к площади его поперечного сечения в месте надреза до испытания.
Испытаниями на усталость (выносливость) определяют устойчивость металла к воздействию переменных нагрузок при изгибе, растяжении и кручении. Переменные нагрузки создаются при симметричном, асимметричном и пульсирующем циклах нагружения.
Рис. 5. Образцы разной толщины, используемые для испытаний на ударный изгиб: а — 10 мм и более; б — 5 … 10 мм; в — 2 … 5 мм
Рис. 6. Изменение действующих напряжений (а) и относительного удлинения (б) образца из металла в зависимости от числа циклов до разрушения
Испытаниям в условиях осевого нагружения подвергаются цилиндрические или плоские образцы специальной формы и определенных размеров, вырезанные поперек сварного соединения. При испытаниях определяют предел выносливости образца. Количественной оценкой усталостной прочности является число циклов, которое выдержал сварной образец до разрушения.
Типичные зависимости для металлов между уровнем действующих циклических напряжений σmax, удлинением после разрушения δ и числом N циклов изменения напряжений до разрушения образца, построенные по результатам испытаний при пульсирующем цикле, т. е. когда нагрузка изменяется от нуля до максимального растягивающего значения, показаны на рис. 6.
На кривой зависимости между действующими напряжениями и числом циклов до разрушения (рис. 6, а) можно выделить три участка. На участке I, называемом участком квазистатического разрушения, происходит направленное пластическое деформирование, и разрушение образца здесь соответствует разрушению при однократном приложении нагрузки. При этом относительное удлинение образца (рис. 6, б) равно относительному удлинению при статическом разрушении δст, а в некоторых случаях превышает его, и излом ничем не отличается от излома при статическом разрушении металлов.
На участке II имеет место малоцикловая усталость материала, и разрушение образца происходит вследствие возникновения и развития усталостной трещины, сопровождающейся заметными пластическими деформациями.
Участок III — это участок многоциклового усталостного разрушения материала при почти полном отсутствии остаточного удлинения образца. В некоторых случаях этот участок на кривой σmax = f(N) переходит в горизонтальную линию, соответствующую напряжению σг, что свидетельствует об отсутствии разрушений при напряжениях ниже этого значения, даже если число циклов нагружения существенно увеличивается.
Число циклов нагружения, при котором имеет место переход от одного участка зависимости σmax = f(N) к другому, для различных материалов и режимов нагружения различное.
Исследование разрушения металлов в условиях многоциклового изменения нагрузки производится, как правило, при синусоидальном цикле нагружения. При этом различают симметричный и асимметричные циклы нагружения. При симметричном нагружении (рис. 7, а) среднее напряжение цикла σср равно нулю, а изменяется напряжение от минимальных значений сжатия σmin до максимальных напряжений растяжения σmax. При асимметричных циклах нагружения (рис. 7, б) среднее напряжение не равно нулю, и оно может иметь любые значения как в области растяжения, так и в области сжатия.
Рис. 7. Синусоидальные циклы нагружения образцов: а — симметричный; б — асимметричный
Рис. 8. Типовая кривая усталости для образцов металлов: Nб — базовое число циклов
Результаты исследования усталости металлов представляются в виде кривых усталости — графиков, характеризующих зависимость между максимальными, или амплитудными, напряжениями (деформациями) и числом циклов нагружения образца до разрушения, которые были получены при испытании партии одинаковых образцов при одинаковом среднем напряжении (деформации) цикла или при одинаковом коэффициенте его асимметрии (рис. 8).
Помимо рассмотренных видов испытаний, предусмотренных ГОСТ 6996 — 66, иногда необходимо проведение дополнительных испытаний для получения других прочностных характеристик. Обычно при этом стремятся создать условия нагружения и работы образцов, идентичные тем, на которые рассчитана работа конструкции. Например, это дополнительное испытание особых образцов, в рабочих сечениях которых тем или иным способом создается плоское напряженное поле, характерное для металла сосудов, работающих под давлением. В этом случае образцы представляют собой плоские или круглые стержни с захватами на концах и специальными проточками в центральной части, которые обеспечивают получение плоской схемы напряжений при нагружении.
Однако в настоящее время чаще применяют схему испытаний с разрушением основного металла или сварных соединений. Критериями прочности в этом случае являются максимальное давление и утончение образца.
Измерение твердости. Для установления изменения структуры металла шва и околошовной зоны, а также для оценки степени закалки зон сварного соединения и неоднородности его механических свойств измеряют твердость сварных швов.
Рис. 9. Схемы (а, б) измерения твердости сварных швов (измерения производятся в точках пересечений линий 1 … 10)
Обычно твердость определяют на шлифах для металлографического анализа тремя способами:
Измерение твердости по сечению стыкового шва производят в двух направлениях: по его продольной оси и от центра к основному металлу. Образцы для испытаний вырезаются таким образом, чтобы в них имелись все участки сварного соединения: основной металл, металл шва и зоны термического влияния, и на этих трех участках определяют твердость. Измерения производятся на поперечном сечении образца в двух взаимно-перпендикулярных направлениях: по оси шва и вдоль линий, параллельных верхней и нижней поверхностям листа (рис. 9). У стыковых соединений толщиной до 3 мм твердость может измеряться на их наружной поверхности при снятом усилении шва.
Методы контроля качества сварных соединений
Под контролем качества сварки подразумеваются проверка условий и порядок выполнения сварочных работ, а также определение качества выполненных сварных соединений в соответствии с техническими требованиями.
В сварочном производстве применяют следующие виды контроля: входной (предупредительный), текущий (пооперационный) и приемочный (выходной) готовых изделий и узлов.
Цель входного контроля – уменьшить вероятность возникновениябрака при выполнении сварочных работ (контроль документации, качества исходных и сварочных материалов, квалификации сварщиков и т. д.).
Текущий контроль осуществляется в процессе сборочно-сварочных работ.
Приемочный, или выходной контроль, осуществляется для выявления наружных и внутренних дефектов сварки.
Различают разрушающие и неразрушающие методы контроля качества сварных соединений.
Разрушающие методы контроля качества сварных соединений
Разрушающие испытания проводят на образцах-свидетелях, моделях и реже на самих изделиях для получения информации, прямо характеризующей прочность, качество или надежность соединений. К их числу относятся: механические испытания, металлографические исследования, химический анализ и специальные испытания. Эти методы применяют главным образом при разработке технологии изготовления металлических конструкций или для выборочного контроля готовой продукции.
Механические испытания предусматривают статические испытания различных участков сварного соединения на растяжение, изгиб, твердость и динамические испытания на ударный изгиб и усталостную прочность.
Металлографические исследования проводят для установления структуры металла сварного соединения и наличия дефектов.
При макроструктурном методе определяют характер и расположение видимых дефектов в разных зонах сварных соединений путем изучения макрошлифов и изломов металла невооруженным глазом или с помощью лупы.
При микроструктурном анализе исследуют структуру металла на полированных и травленных реактивами шлифах при увеличении в 50. 2000 раз. Такие исследования позволяют обнаружить пережог металла, наличие окислов по границам зерен, сульфидных и оксидных включений, размеры зерна, микроскопические трещины и другие дефекты структуры.
Химический анализ позволяет установить состав основного и наплавленного металла, электродов и их соответствие ТУ на изготовление сварного соединения.
Специальные испытания проводят для получения характеристик сварных соединений, учитывающих условия эксплуатации (коррозионная стойкость, ползучесть металла при воздействии повышенных температур и др.).
Неразрушающие методы контроля качества сварных соединений
При неразрушающих испытаниях оценивают те или иные физические свойства, косвенно характеризующие прочность или надежность сварного соединения. Неразрушающие методы (ими проверяется более 80 % сварных соединений) применяют, как правило, после изготовления изделия для обнаружения в нем дефектов. К неразрушающим методам контроля качества сварных соединений относятся: внешний осмотр, радиационный, ультразвуковой и магнитный контроль, контроль на непроницаемость и ряд других методов, имеющих ограниченное применение.
Внешнему осмотру подвергается 100 % сварных соединений. Осмотр выполняют невооруженным глазом или с помощью лупы, используя шаблоны и мерительный инструмент. При этом проверяются геометрические размеры швов, наличие подрезов, трещин, непроваров, кратеров и других наружных дефектов.
Контролю на непроницаемость подвергают трубопроводы и емкости, предназначенные для транспортирования и хранения газов и жидкостей и, как правило, работающие при избыточном давлении.
Пневматические испытания основаны на создании с одной стороны шва избыточного давления воздуха (10. 20 кПа) и промазывании другой стороны шва мыльной пеной, образующей пузыри под действием проникающего через неплотности сжатого воздуха. Негерметичность можно также оценить по падению давления воздуха в емкости, снабженной манометром.
Вид гидравлического испытания зависит от конструкции изделия. Налив воды применяют для испытания на прочность и плотность вертикальных резервуаров, газгольдеров и других сосудов с толщиной стенки не более 10 мм. Воду наливают на полную высоту сосуда и выдерживают не менее 2 ч. Поливу из шланга с брандспойтом под давлением не ниже 0,1 МПа подвергают сварные швы открытых сосудов. При испытании с дополнительным гидростатическим давлением последнее создают в наполненном водой и закрытом сосуде с помощью гидравлического насоса. Величину давления определяют по техническим условиям и правилам Котлонадзора. Дефектные места устанавливают по наличию капель, струек воды и отпотеваний.
Внутренние дефекты сварных соединений выявляют просвечиванием рентгеновскими лучами (толщина металла до 60 мм (рис. 1)), или гамма-лучами (толщина металла до 300 мм (рис. 2)). Выявление дефектов основано на различном поглощении рентгеновского или гамма-излучения участками металла с дефектами и без них. Результаты фиксируются на пленке или выводятся на специальный экран. Размеры выявляемых дефектов: при рентгенографии – 1. 3 % от толщины металла, при радиографии – 2. 4 %.
Рис. 1. Рентгенографический контроль сварных соединений: 1 – рентгеновская трубка; 2 – сварное соединение; 3 – кассета; 4 – пленка
При оценке качества швов рекомендуется иметь эталонные снимки характерных дефектов для разных толщин металла. Альбомы эталонных снимков утверждаются инспекцией Ростехнадзора и являются неотъемлемой частью ТУ на приемку изделий.
Рис. 2. Схема просвечивания гамма-лучами: 1 – затвор; 2 – свинцовая капсула; 3 – капсула с веществом; 4 – сварное соединение; 5 – кассета с пленкой
Магнитографический контроль основан на обнаружении полей рассеивания, образующихся в местах расположения дефектов при намагничивании контролируемых сварных соединений (рис. 3). Поля рассеивания фиксируются на эластичной магнитной ленте, плотно прижатой к поверхности шва. Запись производят на дефектоскопе. Магнитографический контроль можно применять только для проверки сварных соединений металлов и сплавов небольшой толщины, обладающих ферромагнитными свойствами. Выявляют поверхностные и подповерхностные макротрещины, непровары, поры и шлаковые включения глубиной 2. 7 % на металле толщиной 4. 12 мм. Менее четко обнаруживаются поры округлой формы, широкие непровары (2,5. 3 мм), поперечные трещины, направление которых совпадает с направлением магнитного потока.
Ультразвуковой контроль основан на способности ультразвуковых колебаний (механические колебания частотой 16. 25 МГц) отражаться от поверхности, разделяющей среды с разными акустическими свойствами. Для получения ультразвуковых колебаний используют свойство титаната бария, кристаллов кварца и некоторых других веществ преобразовывать электрические колебания в механические и наоборот (обратный и прямой пьезоэффекты).
Рис. 3. Схема прохождения магнитного потока в сварном соединении: а – при отсутствии дефекта; б – при наличии дефекта; 1 – поле магнитного рассеяния; 2 – дефекты шва
Ультразвуковой контроль имеет определенные преимущества перед радиационными методами: высокую чувствительность (площадь обнаруживаемого дефекта 0,2. 2,5 мм² при толщине металла до 10 мм и 2. 15 мм² при больших толщинах), возможность контроля при одностороннем доступе к шву, высокую производительность, возможность определения точных координат залегания дефекта, мобильность аппаратуры.
Основным методом УЗ-контроля является эхо-метод. Этим методом контролируют около 90 % всех сварных соединений толщиной более 4 мм.
На рис. 4 представлена принципиальная схема УЗ-контроля эхоимпульсным методом с совмещенной схемой включения искателя и приемника. Импульсный генератор 1 формирует короткие электрические импульсы с длинными паузами. Искатель 5 преобразует эти импульсы в ультразвуковые колебания. При встрече с дефектом волны от него отражаются, снова попадают на искатель и преобразуются в электрические колебания, поступающие на усилитель 2 и дальше на экран прибора 3. Зондирующий импульс генератора 6 размещается в начале развертки, импульс от донной поверхности 8 – в конце развертки, а импульс от дефекта 7 – между ними. В процессе контроля сварного соединения искатель перемещается зигзагообразно по основному металлу вдоль шва 4. Для обеспечения акустического контакта поверхность изделия в месте контроля обильно смазывают маслом (например, компрессорным).
К недостаткам метода следует отнести прежде всего низкую помехоустойчивость к наружным отражателям, резкую зависимость амплитуды сигнала от ориентации дефекта.
Рис. 4. Ультразвуковой контроль сварных соединений: 1 – генератор; 2 – усилитель; 3 – экран прибора; 4 – сварной шов; 5 – искательприемник; 6 – начальный импульс; 7 – импульс от дефекта; 8 – импульс от донной поверхности
Люминесцентная и цветная дефектоскопия относятся к методам капиллярной дефектоскопии. Контролируемую поверхность покрывают слоем флюоресцирующего раствора или ярко-красной проникающей жидкости. Затем раствор или жидкость удаляют, а поверхность облучают ультрафиолетовым светом (люминесцентный метод) или покрывают белой проявляющей краской (цветная дефектоскопия). В первом случае дефекты начинают светиться, а во втором – проявляются на фоне белой краски. С помощью этих методов выявляют поверхностные дефекты, главным образом трещины, в том числе в сварных соединениях из немагнитных сталей, цветных металлов и сплавов.
В каждом конкретном случае способ и объемы контроля качества сварного соединения выбираются в зависимости от назначения и степени ответственности конструкции в соответствии с отраслевыми нормативными документами, специальными техническими условиями или проектом.
Просмотров: 47962 Создан: 2012-10-20 Источник: Трубные технологии