Особенность состояния нахлесточных сварных соединений и неразру- шающий контроль их прочности Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.793: 620.179:620.199.001.18

Г. С. Ельчанинов, В.В. Носов

ОСОБЕННОСТЬ СОСТОЯНИЯ НАХЛЕСТОЧНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ ИХ ПРОЧНОСТИ

Среди видов сварных соединений наиболее распространены нахлесточные, которые просты в сборке, обеспечивают возможность подгонки размеров за счет регулирования величины нахлестки, не требуют подготовки кромок. К особенностям таких соединений относятся повышенная силовая и структурная неоднородности, вызванные неравномерным распределением нагрузки вдоль фланговых швов и изгибом в лобовом шве, изменением направления силового потока, наличием дефектов и повреждений, возможным проникновением влаги и распирающим воздействием продуктов коррозии. Основные очаги развития усталостного разрушения: различные полости, «карманы», щели, возникающие при сварке прерывистыми швами, концевые балки; места скопления влаги; внутренние закрытые поверхности. Коррозия под напряжением, встречающаяся, например, в крановых конструкциях, служит источником развития усталостных трещин, что приводит к коррозионным растрескиванию и усталости. При длительном хранении кранов или их эксплуатации на открытом воздухе во внутренних закрытых полостях может скапливаться вода и конденсат, вызывающие внутреннюю коррозию поясных листов и сварных швов. Трещины в сварных швах и элементах металлических конструкций грузоподъемных кранов имеют усталостный характер и относятся к одним из самых распространенных дефектов. Достаточно часто трещины от сварного шва распространяются на основной металл. Неоднородность состояния приводит к непрогнозируемости поведения соединений. Для решения проблемы необходимо сформулировать критерий неоднородности, детальное исследовать процесс разрушения в его условиях и предложить неразрушающий контроль прочности.

Под неоднородностью прочностного состояния технического объекта в данной работе будем понимать различие значений време-

ни до разрушения его структурных элементов. Пространственная неоднородность ограждает объект от полного разрушения, приводит к локализации процесса разрушения и его переходу к стадии образования и роста трещины. Для такой локализации необходимо достижение критической концентрации микротрещин в ограниченном объеме материала, размер которого определяет размер кластера, или скачка магистральной трещины. Кинетическая неоднородность проявляется в форме снижения интенсивности разрушения и сравнительном упрочнении материала.

Для анализа разрушения неоднородных материалов применяют разнообразные методы, основанные на приведенной формулировке критерия неоднородности и его учете при описании кинетики трещинообразования [1, 2]. Большинство из них не учитывают локальной прочности микрообъемов и микромеханических аспектов разрушения, что часто не позволяет воссоздать реальную картину. С нашей точки зрения, неоднородность состояния объекта должна проявляться при разрушении и может быть охарактеризована разбросом значений долговечности 8 структурных микроэлементов, описываемых формулой Журкова

0((й(О)-Тоехр[г7о/(^Г)-(й(/)],

где т0 — величина порядка периода атомных колебаний; СА0 — энергия активации процесса разрушения; в)=уо^)/КТ — параметр прочностного состояния; у — структурно-чувствительный коэффициент; о(?) — растягивающее напряжение; ? — текущее время; К — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура. Разброс 8 обусловлен главным образом структурной неоднородностью материала (вариация параметра у — «технологическая» составляющая разброса), а также неоднородностью поля механических напряжений, в котором находятся структурные элементы (вариация

параметра о — «силовая» составляющая разброса). Помимо этого, как известно [2], разброс значений 8 определяется также и статистической природой разрушающих термофлуктуаций («термофлуктуационная» компонента разброса), которая, однако, не связывается нами с неоднородностью механического состояния объекта и наиболее явно проявляет себя только при несущественности «технологической» и «силовой» составляющих. Различие значений времен и до разрушения его структурных микроэлементов в ограниченном объеме служит признаком кинетической неоднородности локализованного процесса трещинообразования; момент его завершения определяется наиболее долговечным и из разрушаемых структурных элементов. Если количество таких элементов окажется достаточно большим (более 1—10 % от общего их количества), то этап кинетически неоднородного разрушения будет завершающим и именно он определит ресурс.

Процесс разрушения состоит из двух стадий [3—6]. Первая стадия протекает в виде роста во времени I концентрации С микротрещин в материале, который происходит рассеянно по всему объему либо локально, в области влияния концентратора напряжений объекта и описывается уравнением

ф)=СЪ I ¥(©') 1-ехр

е„

"/5

Ж

0(0

где С0 — начальная концентрация структурных микроэлементов; 0 , 0 — крайние значения

* ' шт' тах *

долговечности элементов; у(0) — функция плотности распределения количества структурных элементов по долговечности. Стадия заканчивается и переходит на новую в момент { достижения концентрацией С микротрещин критического значения, т. е. С({) = С. Оценка характеристик прочности и ресурса состоит в прогнозировании времени т0СТ, оставшегося до момента накопления критической концентрации микротрещин С путем определения параметров и решения следующей системы уравнений:

ц+Дю

| \|/(ю) и

1-ехр

Л

0(ш(О)

йы=СТ /С0;

^ост ' ^пр'

(1)

Вторая стадия разрушения проходит в виде процесса локализованного образования (роста) трещины, протекающего упруго либо пластически и описываемого методами механики разрушения.

Неоднородность прочностного состояния микроэлементов материала разбивает первую стадию процесса разрушения на кинетически различные этапы разрушения, соотношение длительностей которых характеризует степень этой неоднородности. Учитывая доминирование «технологической» и «силовой» составляющих разброса долговечностей 8 структурных микроэлементов, наиболее информативным относительно этой степени следует считать соотношение параметров Лю, ю0, ю1, ю2, о, входящих в функцию ¥(ю) распределения значений параметра состояния ю по структурным элементам (рис. 1), моделируемую одним из следующих законов: прямоугольным

\|/((Й, Юл, Аю) = —, (Ое[а)о+Лю],

Лю

двухпрямоугольным с весами соответственно 0,99-0,999 и 0,01-0,001

\|/(ю, (Й0> (О2) —

П 99 /

/т.' Юе[®0,га0+Ю!];

/

^/Шй' О)е((°0+Ю1' Ю0+Ю1+Ю2]»

логарифмически-нормальным

\|/(ю,ц,а3) =

-ехр

2а?

(1п(ю)-ц)2

где т — предварительно потерянный ресурс.

Рис. 1. Моделирование функции распределения по структурным элементам материала параметра прочностного состояния ю

Ограничения распределения отражают физическую природу минимально и максимально возможной прочности структурных элементов материала. Максимальным значениям ю функции ¥(ю) и верхнему ограничению ю0+Лю величины ее аргумента свойственна изменчивость поведения. Эти значения соответствуют неустойчивым, наименее долговечным структурным элементам, количество которых зависит от технологии изготовления, наличия дефектов в материале, их формы, размеров и может изменяться во времени в связи, в частности, с релаксационными процессами, протекающими в местах концентрации напряжений. Графически распределение может быть разделено на две части: «колокол», в области которого значения ю невелики (они соответствуют наиболее долговечным структурным элементам) и изменяются незначительно, и «хвост» распределения с большими значениями величины ю (они соответствуют наименее долговечным структурным элементам), где вариация ю (ю2) существенна.

Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены сваренные встык и внахлест «прямые» и «косые» образцы с лобовыми, фланговыми и комбинированными угловыми швами; затем в различных местах швов просверливались отверстия диаметром 6 мм, моделирующие коррозионные повреждения. Материал пластин — сталь Ст3пс5, толщина пластин 6 мм, сварные швы Н1 — катет 6 мм, выполнены по ГОСТ 14771-80, сварочная проволока СВ08Г2С ОМ 0 1,2 мм, среда — углекислота по ГОСТ 8050-85 (рис. 2, а, б, в). К образцам прикладывалась растягивающая нагрузка, значения которой фиксировались через различные промежутки времени. Наблюдение за процессом разрушения проводилось с помощь диагностической акустико-эмиссионной системы (рис. 2, г). Определение параметров модели производилось на основе сопоставления результатов АЭ-наблюдений с результатами имитации процесса разрушения с помощью оригинальной программы Graph, написанной в среде Microsoft Excel 97. Данная программа используется в учебном процессе по курсу «Диагностика машин и оборудования» кафедры машиноведения и деталей машин СПбГПУ. Идентификация стадии и этапов разрушения проводилась по временным зависимостям на-

грузки (при постоянной скорости деформирования), числа импульсов N и длительности сигналов АЭ, а также по визуально наблюдаемому образованию трещины, в соответствии с которой выбирался временной интервал обрабатываемой части эксперимента. Анализировались временные зависимости параметров АЭ при нагружении образцов, образовании и развитии трещины. Характер разрушения образцов показан на рис. 3.

Сопоставление результатов моделирования процесса разрушения и зарегистрированных в экспериментах временных зависимостей числа N(0 сигналов акустической эмиссии образцов стыковых сварных соединений, выполненных без искажений напряженного состояния или с ярко выраженным концентратором, показало, что соотношения параметров функции ¥(ю) таковы:

Лю/ю0 < 1; ю/ю0 < 1, ю2/ю0 < 1; ю2/ю1 ~ 1; о3 < ц.

Разрушение протекает главным образом кинетически однородно, длительность первого этапа не превышает 30 % от продолжительности первой стадии (рис. 4, а)

Для образцов нахлесточных сварных соединений соотношения приведенных параметров существенно варьировались. По мере роста соотношений ю2/ю1 и ю2/ю0 уменьшается вогнутость расчетной зависимости С(0~Щ,(0 равномерно нагружаемых образцов, при некотором значении ю2/ю1>1; ю2/ю0>1 и о>^ она приобретает характер, близкий к прямолинейному, а при дальнейшем увеличении — выпуклость. Такая ситуация имитирует связанное с увеличением доли разнородных элементов уменьшение темпов выхода из процесса разрушения наименее долговечных структурных элементов со значениями ю из области «хвоста» функции ¥(ю). Длительность неоднородного этапа разрушения таких образцов превышала 40 % от продолжительности первой стадии (рис. 4, б).

Для неразрушающего контроля качества сварных соединений используют в основном радиографический, капиллярный и ультразвуковой методы. Однако перечисленные методы имеют ряд существенных недостатков. В частности, радиографический метод, предназначенный для обнаружения трещин и непрова-ров в сварном шве, не гарантирует выявления

Рис. 2. Образцы нахлесточных соединений 1-го (а), 2-го (б) и 3-го (в) типов и внешний вид АЭ-системы (г)

Рис. 3. Виды разрушения образцов нахлесточных сварных соединений 1-го (а, б), 2-го (в, г) и 3-го (д, е) типов

Рис. 4. а — АЭ равномерно нагружаемого однородного образца стыкового сварного соединения. Двухпрямоугольное распределение ¥(ю), ю1/ю0 < 1, ю2/ю0 < 1, ю2/ю1 = 1; б — кинетика АЭ и результаты имитации разрушения бездефектного образца нахлесточного соединения 1-го типа с лобовым угловым швом ¥(ю), ю1/ю0 > 1, ю2/ю0 > 1, ю2/ю1 > 1

дефектов, плотность распределения которых не совпадает с направлением измерений. Капиллярный метод, обладая значительной чувствительностью к поверхностным дефектам типа трещин, не обеспечивает выявления внутренних дефектов. Ультразвуковой метод, обеспечивающий выявление дефектов типа трещин, предъявляет значительные требования к чистоте обработки поверхности околошовной зоны в месте установки приемного датчика. Все перечисленные методы используются, как правило, на завершающей стадии изготовления изделий и не дают информации о моменте и причине появления дефектов, а также о степени их опасности, что, в свою очередь, затрудняет их своевременное устранение.

Особое место среди методов неразрушаю-щего контроля сварных соединений занимает метод АЭ, широко используемый в большинстве развитых стран мира. Наряду с практическим использованием явления АЭ активно ведутся работы по развитию самого метода. Для оценки степени опасности дефектов (склонности к разрушению) с применением АЭ используются рекомендуемые ПБ-03-593-03 критерии и системы классификации источников АЭ [7]. Наибольшее распространение имеют методы, основанные на регистрации средней амплитуды, скорости счета, суммарного числа импульсов, энергии или активности АЭ.

Регистрируя эти параметры АЭ в процессе диагностического нагружения, оценивают степень опасности трещины и запас долговечности объекта. При использовании амплитудного критерия в качестве информативных параметров выбирают амплитуду и число импульсов АЭ, а присвоение источнику конкретного класса производится по факту превышения средней амплитудой Лср сигналов некоторого значения и, предварительно определенного по формуле

и = ви + в2и,

t 1 пор 2 с'

где ипор — значение порога амплитудной дискриминации; ис — величина превышения порога сигналом АЭ, соответствующим росту трещины в материале; В1, В2 — экспериментально определяемые коэффициенты, зависящие от материала контролируемого объекта.

Классификация источников АЭ по каждому из этих критериев основана на возможно-

сти регистрации особенностей АЭ каждого из этапов разрушения (кинетически неоднородный, однородный мелкодисперсный, образование и рост трещины). Общими недостатками описанных методов АЭ-диагностирования являются зависимость входящих в уравнения эмпирических коэффициентов от большого количества факторов и неустойчивость корреляционных связей, дестабилизирующая результаты АЭ-наблюдений. Это сужает значение устанавливаемых корреляций и требует проведения большого количества предварительных испытаний для каждого типа объекта. В случае же существенной неоднородности объекта статистический подход к АЭ диагностированию становится неприемлемым.

Более обоснованы локально-динамический и интегрально-динамический критерии. Здесь также в качестве информативных параметров используются активность, число импульсов или суммарный счет АЭ и их амплитуда, однако в основе интерпретации результатов наблюдений здесь лежат представления механики разрушения о повреждаемости и развитии трещины, понятия о концентрационном критерии разрушения. Классификацию источника проводят, сопоставляя скорости роста числа импульсов и нагрузки, времени нагружения, средней амплитуды или энергии сигналов АЭ. Зависимость активности К' АЭ от параметров нагружения описывается показательной функцией

К' = ЛК1 т, (2)

где К — коэффициент интенсивности напряжений; А, т — эмпирические коэффициенты. Характеристикой активности источника АЭ служит либо показатель степени т этой функ ции (локально-динамический показатель классификации Иванова—Быкова), либо кон-центрационно-динамический показатель, отражающий степень концентрации индикаций источников АЭ и динамику изменения картины этих индикаций [7]. Данные критерии более точны, поскольку позволяют различать источники по степень опасности в рамках одной стадии разрушения. При этом излучение импульсов АЭ, регистрируемое во время равномерного нагружения, рассматривается как соответствующее стадии роста магистральной трещины, что используется в качестве прогностического признака приближающегося разрушения.

Проанализируем данные критерии по точности АЭ-оценки прочностного состояния нахлесточных сварных соединений в сравнении с концентрационно-кинетическим показателем [5, 6]:

' = ку/КГ = ,

(3)

где к = о/Г, о — номинальные напряжения; Г— нагрузка на образец; — число импульсов АЭ, активность или суммарная амплитуда, дБ. При этом принимается

С(?)Ч(0 = В ехр[о(07АЕ],

где В — эмпирическая константа. Влияние видимых геометрических факторов (тип образцов, количество и координаты расположения дефектов в сварных швах) на состояние образцов оценивалось также расчетными значениями напряжений:

эквивалентными напряжениями по Мизе-су, рассчитываемыми с использованием пакета ЛКБУЗ на случай действия растягивающего усилия в 1 Н;

максимальными касательными напряжениями, рассчитываемыми по формулам сопротивления материалов с учетом ослабления сечения шва отверстиями (номинальные напряжения).

С напряжениями сравнивалось общее число сигналов АЭ N , средняя амплитуда Лср и энергия импульсов Еср, зарегистрированные на этапе упругого нагружения (табл. 1). Как видно из таблицы, наилучшую корреляцию с расчетными значениями эквивалентных напряжений из перечисленных критериев имеет концентрационно-кинетический показатель кУАБ, по значениям которого из (1) определяются стандартные показатели прочности и ресурс (табл. 2). Коэффициент корреляции между значениями эквивалентных и номинальных напряжений был равен 0,93. Рассчитанное из (3) среднее значение параметра У (при Г = 1Н к = о/Г = о, м-2) составляло 0,00912 МПа-1, что согласуется с данными, полученными на стальных образцах стыковых соединений [6]. Сравнение этого показателя с локально-динамическим критерием т по точности относительной оценки опасности источника АЭ отражают табл. 3 и рис. 5.

Таблица 1

Корреляция значений различных показателей АЭ образцов нахлесточных сварных соединений

с величиной расчетных напряжений

Тип образца Число отверстий в шве Максимальные напряжения (по Мизесу), Па N упр и , дБ ср' Е , ср' мВ2-мс кУ ЛБ' 10-6 Н-1 т

1 0 85679 188 65,7 46,9 53 0,16

1 (в нагр. зоне) 191562 28 64,7 24,4 227 0,67

1 (в разгр. зоне) 180963 26 71,7 167,2 91 0,26

2 267166 38 67,6 111,2 349 1,05

4 272232 8 70,7 1475 387 1,19

2 0 66045 48 69,8 198,4 114 5,78

3 (в нагр. зоне) 76696 22 67,9 155,6 44 1,14

3 (в разгр. зоне) 71085 51 67,2 49,7 65 3,67

6 75532 62 65,8 88,8 78 3,62

12 77589 26 71,7 174,4 89 2,44

3 0 24504 27 70,1 209,4 19 2,41

2 (в нагр. зоне) 25591 79 70,1 131,1 11 1,27

2 (в разгр. зоне) 25464 27 67,4 179,3 15 6,43

4 25713 41 79,4 782,1 42 2,06

8 25847 50 63,9 7,2 66 1,74

Коэффициент корреляции -0,24 0,23 0,38 0,93 0,48

Таблица 2

Оценка ресурса и стандартных показателей прочности с помощью показателя УАЕ

Показатели прочности Формула для оценки показателя прочности

Коэффициент запаса статической прочности с _ ст - ^ у °раб-'АЕ

Коэффициент снижения предела выносливости к ад (1пЛГВ-1пЛГБ)/7Л прВ (1пЛГв-1пЛГБ) КАЕ Ук

Исходный ресурс (от начала эксплуатации до образования трещины) ЛГЦ = содгС*т0^/ С0 ехр^ - ГАЕс^ = Л^в/ехр(ГАЕо)

Остаточный ресурс Л^ост = ЛГв/ехр(УАЕо)-ЛГпр

Примечание. ов, од, а^ — пределы прочности и выносливости стандартного образца и реальной детали; араб — рабочие напряжения; ю^ — частота нагружения; N — предварительно отработанный ресурс; Ук, N , ИБ — параметры кривой усталости [6]

Таблица 3

Иллюстрация повышения точности относительно оценки на основе сравнения с локально-

динамическим критерием Иванова—Быкова*

Класс источника Показатель Иванова—Быкова Концентрационно-кинетический показатель УАЕ Состояние объекта,

(ПБ-03-593-03 от 09.06.03) активность источника АЭ

I т < 0 УАЕ < 0 Работоспособное, неактивный

II 0 < т < 1 0 < УАЕ < УЯ Работоспособное,активный

III (неопределенный) 1 < т < 6 У < УАЕ < ВД (сужение диапазона неопределенности) Ограниченная работоспособность, критически активный (рекомендуется привлечение других методов)

IV т > 6 УАЕ * ВД Неработоспособное, катастрофически активный

* См. правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов и технологических трубопроводов (ПБ-03-593-03 от 09.06.03).

=

АЕ

№

у„

Рис. 5. Сравнение точности относительной оценки с показателем Иванова—Быкова

По результатам исследований сделаны следующие выводы:

1. Неоднородность структурно-напряженного состояния нахлесточных соединений связана как с неоднородностью поля механических напряжений, так и со структурной неоднородностью, разбросом значений критических напряжений и геометрических параметров структурных элементов.

2. Критерием степени неоднородности прочностного состояния материалов служит соотношение параметров микромеханической модели разрушения и акустической эмиссии

а

материалов, определение которых возможно на основе сопоставления результатов регистрации сигналов АЭ и имитационного компьютерного моделирования.

3. Для описания разрушения на неоднородном этапе в качестве функции плотности распределения параметра прочностного состояния материала следует использовать функцию логарифмически-нормального или двухпрямоугольного закона, при однородном разрушении достаточно распределения равномерного.

4. Наиболее длительный этап неоднородного разрушения (до 60 % от общего времени до образования трещины) наблюдается у бездефектных прямых (тип 3) и косых образцов нахлесточных соединений с лобовым швом (тип 1). У образцов с дефектами и любых образцов 2-го типа этап кинетически неоднородного разрушения не превышал 30 %, как и у стыковых соединений. После образования трещины образцы разрушаются однородно, как с концентратором напряжений.

5. Комбинированный шов образцов 2-го типа вначале разрушается однородно, так как там всегда есть концентратор — у края флангового шва. После образования трещины происходит ее пластичное (с длительными сигналами АЭ) развитие по сварному шву или по листу с разгрузкой напряженных зон сварного шва, как при неоднородном разрушении.

6. Этап развития трещины (пластичного либо хрупкого) более длителен, чем у стыковых соединений, и протекает кинетически неоднородно с разгрузкой напряженных зон. Упругое поведение трещины (без ее развития и без длительных сигналов АЭ) идентично влиянию концентратора напряжений и приводит к однородному разрушению.

7. Информативным показателем прочностного состояния нахлесточных сварных соединений является концентрационно-кинетиче-ский показатель.

Работа выполнена при финансовой поддержке Правительства Санкт-Петербурга в сфере научной и научно-технической деятельности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ромалис, Н.Б. Разрушение структурно-неоднородных тел [Текст] / Н.Б. Ромалис, В.П. Тамуж . — Рига: Зинатне, 1989. — 224 с.

2. Петров, В.А. Физические основы прогнозирования долговечности конструкционных материалов [Текст] / В.А. Петров, А.Я. Башка-рев, В.И. Веттегрень. — СПб.: Политехника, 1993. — 475 с.

3. Носов, В.В. Микромеханика акустической эмиссии гетерогенных материалов [Текст] / В.В. Носов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. — 2006. — № 3. — С. 20-27.

4. Носов, В.В. Методология оценки прочности и ресурса технических объектов с помощью метода АЭ [Текст] / В.В. Носов // Труды СПбГПУ. — 2007. — № 504. — С. 119-132.

5. Носов, В.В. Оценка прочности и ресурса технических объектов с помощью метода акустической эмиссии [Текст] / В.В. Носов, А.И. Потапов, И.Н. Бураков // Дефектоскопия. — 2009. — № 2. — С. 47-57.

6. Носов, В.В. Оценка прочности и ресурса сварных конструкций с помощью метода акустической эмиссии [Текст] / В.В. Носов // Дефектоскопия. — 2009. — № 2. — С. 58-66.

7. Клюев, В.В. Неразрушающий контроль и диагностика [Текст]: справочник / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В. Ковалев; под ред. В.В. Клюева. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Машиностроение, 2003.