К разрушающим испытаниям сварных соединений принято относить: механические (на растяжение, изгиб и т.п.), металлографические, корро­зионные, химические, а также на свариваемость и надежность. Особо сле­дует выделить так называемые "безобразцовые" испытания механических свойств металла. Например, на стыках труб действующих энергоблоков периодически в зоне сварного шва зачищают или засверливают металл и ведут металлографические, рентгеноструктурные и другие испытания. При этом нарушают целостность материала, но не изделия в целом.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Механические испытания сварных соединений регламентированы ГОСТ 6996-66. Они бывают статические, ударные и циклические (уста­лостные). К статическим относятся испытания: а) наплавленного метал­ла на растяжение; б) стыкового соединения на растяжение (рис. 2.1а) и испытания абсолютной прочности шва (рис. 2.1б); в) стыко­вого соединения на изгиб (рис. 2.1в); г) твердости и микротвердости ме­талла шва и зоны термического влияния (ЗТВ).

При испытаниях на растяжение определяют предел текучести σ_т (σ_0,2)

временное сопротивление разрыву σ_в, относительное удлинение δ, %, и относительное сужение ψ,%  после разрыва по формулам:

здесь Р_Т, Р_В — усилие текучести или разрыва, Н (или кгс); σ_т и σ_в - напря­жение, МПа, или Н/мм² (1 Н/мм² = 1 МПа « 0,1 кгс/мм²); l ₀ - перво­начальная длина, а Δ l - ее приращение; S ₀ и S _К - начальная и конечная площади образцов, мм². Пределы текучести и σ_в определяют по диаграм­ме растяжения, а δ и ψ

— измерениями размеров образцов до и после ис­пытания.  

а)

                б)                                                      в)

Рис. 2.1. а) Образцы для определения относительной прочности сварного соединения; б) Образец для определения временного сопротивления металла шва; в) Схема испытания на изгиб

При сварке труб испытания ведут на трубчатых образцах.

При испытании на изгиб (рис. 2.1в) оценивают пластичность соедине­ния в целом по величине угла загиба. Выпуклость шва снимают. Испытания на ударный изгиб проводят для определения ударной вязкости на образ­цах с надрезом. Размеры образцов зависят от толщины металла.

Усталостные испытания различают как многоцикловые (обычно при N > 10⁶ циклов) и малоцикловые (N= 100 - 1000). Определяют способ­ность соединений сопротивляться действию переменных нагрузок при из­гибе, растяжении и кручении. Формы образцов зависят от этих нагрузок и от вида соединений. При испытаниях определяют предел выносливости σ _r , т.е. наибольшее напряжение, которое образец может вынести при задан­ном числе циклов — базе испытания. Используют три вида циклов: сим­метричный, когда r =σ _min /σ _max = - 1, а σ_ср = 0; пульсирующий (r= 02 σ_ср= σ _max /2) ; асимметричный ( r=-1). Если при статике обычно доста­точно испытать 2—3 образца из партии, то для определения σ _r испытывают не менее шести (десяти) образцов. Для первого образца при испытании берут σ _max=(0,3-0,5) σ_в, а для следующих – на 10-20 МПа меньше, доводя σ _max до σ _r.

МЕТАЛЛОГРАФИЯ

Металлографию используют для определения правильности выб­ранных режимов сварки, электродов, флюсов и т.п. факторов качества, а также для выявления реальных размеров сварочных дефектов (вскры­тия их). Оценку качества ведут по макро- и микроструктуре шва и зоны термического влияния — ЗТВ.

Макроструктуру исследуют на шлифах и на изломах швов (фракто-графия). По виду излома можно определить пластичность или хрупкость металла, а также дефекты сварки (раковины, включения, непровары и т.п.). Макрошлиф шва позволяет выявить границы шва и ЗТВ, строение металла, его кристаллизацию, слоистость или неоднородность, дефекты и т.д. Для изготовления макрошлифов вырезают темплеты в плоскости по­перечного сечения шва. Затем темплеты шлифуют и травят в растворах кислот, щелочей и солей. Например, для чугуна рекомендуют 5 %-ный раствор пикриновой кислоты в этиловом спирте, для алюминиевых спла­вов — 10-20 %-ный раствор едкого натра в воде, для аустенитных сталей — раствор щавелевой кислоты (10 г щавелевой кислоты на 100 см³ воды), для углеродистых и низколегированных сталей — 25 %-ный раствор азот­ной кислоты в воде и др.

Микроструктура дает возможность глубже изучить строение шва. Ее исследуют на полированных шлифах при увеличении X (50—2000) и более. Травление шлифов из углеродистых и низколегированных сталей проводят 2—5 %-ным раствором азотной кислоты в этиловом спирте (в течение одной минуты). При этом перлит окрашивается 1 черный цвет. Для высоколегированных сталей примёняют электролитическое травление в растворе щавелевой кислоты. Используют и другие травители. При сварке металл претерпевает ряд структурных превращений (рис. 2.2) в зави­симости от температуры и скорости

Рис. 2.2. Схема структур в поперечном сечении однопроходного сварного шва малоуглеродистой стали

охлаждения каждого участка соедине­ния. Термические циклы определяют форму и размеры кристаллов и зе­рен, которые оценивают по микрошлифам. Микрофотографии служат так­же важным документом о качестве швов наравне с рентгенограммами. Используют эталоны микроструктуры (по ГОСТ 8233—75 для стали).

Химическому анализу подвергают основной, наплавленный и элект­родный металлы, а также компоненты покрытий и флюсов, защитные газы. Пробы металла отбирают обычно в виде стружки. Применяют спект­ральный анализ. Химические анализы позволяют оценить правильность выбора материалов и качество технологии сварки.

КОРРОЗИОННЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Их проводят для определения коррозионной стойкости сварных соединений. Различают три основных типа возможного коррозионного разрушения (преобладающего отказа) [ 14]:

а) сплошная (общая) коррозия;

б) местная коррозия — межкристаллитная и избирательная;

в) коррозионная усталость — статическая, повторно-статическая и
циклическая. Испытания образцов обыч­но ведут при их погружении и кипячении в агрессивных средах. Это рег­ламентировано ГОСТ 13819-68 и ГОСТ6032-75, а также отрасле­выми НТД.

Общая коррозия характерна обычно для углеродистых и низколеги­рованных сталей. Состав испытательных сред зависит от условий эксплу­атации. Применяют водные растворы (3 - 5 %) NH₄NO₃, (40-50%) Ca(NO₃)₂, (20-50 %)NaOH или MgCl₂ и т.д.

Местная коррозия более характерна для коррозионно-стойких хромо-никелевых аустенитных и аустенитно-ферритных сталей. Кроме перечис­ленных выше сред используют HNO₃ 65 %, смеси (10% HNO₃ + 3 % HF) и (110 г/дм³ CuSO₄ +55 г/дм³ H₂SO₄ ), 3 % NaCl, морскую воду.

Для алюминиевых, магниевых и титановых сплавов широко приме­няют испытательные среды на базе 3 % NaCl с добавками 0,1 % H₂O₂, 1% HCl, 0,1 % СН₃СООН, 2% К₂CrO₄, морскую воду и др.

Коррозионную стойкость швов оценивают по 10-балльной шкале или по отношению к показателям основного металла.

2.4. ОЦЕНКА СВАРИВАЕМОСТИ МЕТАЛЛОВ ( 6]

Возможность материалов образовывать работоспособные сварные сое­динения называют свариваемостью. Ее оценивают степенью соответствия свойств соединения и основного металла и вероятностью образования дефектов в шве и ЗТВ. Различают хорошо свариваемые, трудно или огра­ниченно свариваемые и несвариваемые сочетания материалов. Основным показателем свариваемости служит технологическая прочность, оценивае­мая обычно показателями стойкости против образования сварочных тре­щин — горячих и холодных.

Сопротивляемость трещинообразованию количественно определяют методом машинных испытаний и с помощью технологических проб. Для машинных испытаний на образование горячих трещин используют машину ЛТП-1 конструкции МВТУ им. Баумана, в которой серия специальных об­разцов (рис. 2.8) в процессе их сварки и затвердевания металла деформи­руется растяжением с последовательным увеличением скорости дефор­мации от образца к образцу.

Рис. 2.3. Образцы для машинных испытаний на горячие трещины

 Наименьшая скорость, при которой появля­ются горячие трещины, служит показателем трещиностоикости металлов при их сварке. Сопротивляемость холодным трещинам определяют на ма­шине ЛТП-2 путем нагружения образцов (рис. 2.4) после их сварки.

Рис.2.4. Тавровые (а) и стыковые (б) образцы для испытаний на холодные трещины

 Наименьшее растягивающее напряжение, приводящее к образованию хо­лодных трещин, в течение заданного времени (для стали—20 ч) служит показателем трещиностойкости. Холодные трещины характерны для ме­таллов, претерпевающих при сварке фазовые превращения в твердом состоянии. К ним относятся перлитные, мартенситные, высокохромистые ферритные стали, ряд титановых, алюминиевых сплавов и т.п.

Технологические пробы на образование горячих трещин представляют собой испытания путем сварки специальных образцов, обеспечивающих интенсивное развитие деформаций при затвердевании шва. Имеется боль­шое количество проб разного вида. Например, используют пробу с набо­ром образцов разной ширины (4—20δ) при полном проплавлении корня шва (рис. 2.5 а). Критерием оценки служит наименьшая ширина образца, при которой не образуются трещины; контроль по излому. Тавровая про­ба (рис. 2.5б) позволяет по наличию трещин, обнаруживаемых при разрез­ке после сварки, выбрать трещиностойкий металл и технологию сварки.

                  а)                                         б)

Рис. 2.5. Проба с образцами различной ширины (а) и тавровая проба (б)

Пробы на образование холодных трещин предусматривают сварку образцов, в которых обусловлен высокий уровень остаточных сварочных напряжений. Примером может слу­жить крестовая проба (рис. 2.12), которую сваривают последователь­но, а через 1/4 суток по шлифам оценивают наличие трещин.

Рис.2.6. Крестовая проба

 Более сложна лихайская проба в виде плоского образца, имеющего в центре щелевую разделку, а по обоим краям образца серию (8—10) поперечных пропилов заданной глубины. Сварку ведут с непроваром в корне шва, где из-за концентрации напряже­ний возникают трещины. Критерий трещиностойкости - глубина попереч­ных пропилов.

Балыковую пробу МВТУ применяют для оценки изменения механи­ческих свойств металла в ЗТВ. Используют составную пластину, собран­ную го отдельных брусков стали длиной 200—250 мм. После сборки пластины на нее наплавляют валики при разных погонных энергиях. Затем с пластин снимают усиление, а из брусков вырезают образцы для ударных испытаний и шлифы для металлографии. По полученным данным оцени­вают оптимальную погонную энергию и соответствующие ей показатели качества шва.

РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ