INFLUENCE OF DEFECTS IN WELDS ON MECHANICAL PROPERTIES OF STEEL FRAME SPECIFIED UNDER STATIC LOADING
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan Technical State University
(Department "Shipbuilding and Power Engineering Complexes", Head of the Department)
Astrakhan, Astrakhan, Russian Federation
Astrakhan, Astrakhan, Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 13
to 21
Status:
Published
Received:
20.05.2015
Accepted:
25.05.2015
Published:
25.05.2015
Subject area:
UDK [621.791.052.019:629.081.4-034.14]:629.5.018-112.81
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
welded joint, welding defects, lack of penetration, pores, slag inclusions, welded constructions, mechanical testing
Abstract (English):
The paper presents experimental data assessing the impact of welding defects in the form of long, slag inclusions and lack of fusion on the mechanical properties of the steel hull, determined under static loading. The article basically can be divided into two parts. The first part is devoted to the analysis of the requirements of the Russian Maritime Register of Shipping in terms of the allowable norms of defect sizes (2015 edition). If these defects are larger than those ones, set in accordance with the requirements, welds are subjected to repairing that increases the complexity of the hull construction or its repairing. Besides, a sufficient amount of preparatory work is required, as these welds are not always easy accessible. These requirements are quite strict, so there is a question about the feasibility of repair (rework) of such welds, as some hull structures do not work in rather harsh conditions. The second part of the article is devoted to the experimental evaluation of the influence of the defect on the mechanical properties such as tensile strength, yield strength and elongation. It is found that when the defect area is below 35 % of the cross-sectional area, the average values of these mechanical properties have low standard deviation and variance, and have no different from the normalized Rules of the values, therefore, they have no significant effect on the strength of the hull structures. Thus, further study of this issue is important for shipbuilding and repair in order to assess the impact of the defect on the toughness, endurance limit and durability of the hull structures, with a view to an integrated approach in this study.
The paper presents experimental data assessing the impact of welding defects in the form of long, slag inclusions and lack of fusion on the mechanical properties of the steel hull, determined under static loading. The article basically can be divided into two parts. The first part is devoted to the analysis of the requirements of the Russian Maritime Register of Shipping in terms of the allowable norms of defect sizes (2015 edition). If these defects are larger than those ones, set in accordance with the requirements, welds are subjected to repairing that increases the complexity of the hull construction or its repairing. Besides, a sufficient amount of preparatory work is required, as these welds are not always easy accessible. These requirements are quite strict, so there is a question about the feasibility of repair (rework) of such welds, as some hull structures do not work in rather harsh conditions. The second part of the article is devoted to the experimental evaluation of the influence of the defect on the mechanical properties such as tensile strength, yield strength and elongation. It is found that when the defect area is below 35 % of the cross-sectional area, the average values of these mechanical properties have low standard deviation and variance, and have no different from the normalized Rules of the values, therefore, they have no significant effect on the strength of the hull structures. Thus, further study of this issue is important for shipbuilding and repair in order to assess the impact of the defect on the toughness, endurance limit and durability of the hull structures, with a view to an integrated approach in this study.
Keywords:
welded joint, welding defects, lack of penetration, pores, slag inclusions, welded constructions, mechanical testing
welded joint, welding defects, lack of penetration, pores, slag inclusions, welded constructions, mechanical testing
Введение В судостроении и судоремонте срок службы, а также работоспособность корпусных конструкций в процессе эксплуатации в значительной степени определяются качеством выполнения сварочных работ. В настоящее время технология сварки достаточно отработана и достигла высокого уровня, однако вероятность появления технологических дефектов при постройке и ремонте судов все ещё высока. Анализ технического состояния корпуса судна после его постройки и ремонта показал, что дефекты сварки являются концентраторами напряжений [1]. Развитие этих дефектов приводит к возникновению аварийных ситуаций и катастрофических разрушений, что обусловливает актуальность исследований влияния сварочных дефектов на прочность и долговечность сварных корпусных конструкций. Требования к оценке качества сварных швов по правилам Российского морского регистра судоходства 2015 года издания Сварные соединения при изготовлении и монтаже корпусных конструкций должны выполняться по технологическим процессам сварки, одобренным классификационным обществом. При сварке неизбежно образование дефектов, поэтому сварные соединения подвергаются последующему контролю качества. Зарубежный опыт по оценке качества сварных соединений показал, что наблюдается тенденция к более глубокой дифференциации требований по всем типам дефектов. В Правилах Российского морского регистра судоходства (РМРС) 2015 года издания тоже прослеживается аналогичная дифференциация, причем при контроле качества сварных соединений металлических корпусных конструкций применяются визуально-измерительный контроль и неразрушающие методы дефектации в объеме, установленном этими Правилами. Основным методом дефектации является радиографический контроль. Сварные соединения корпусных конструкций при радиографическом контроле проверяются на наличие следующих видов дефектов: поры; шлаковые включения; несплавления; непровары; трещины, причем наличие трещин не допускается. Сварные швы по результатам визуально-измерительного контроля выбраковываются по следующим дефектам: трещины, поверхностные поры, несплавления, непровары, подрезы, а также превышение размеров сварного шва относительно ГОСТ. За размеры пор и шлаковых включений принимаются: - для сферических пор и включений - диаметр d, измеряемый по наибольшей оси; - для удлиненных пор и включений - длина l и ширина h. Включения считаются линейными, если их длина больше трехкратной максимальной ширины или диаметра. За размеры несплавлений, непроваров и трещин принимается их длина l. Уровень брака сварных соединений определяется по формуле [2]: где k - уровень брака сварных соединений, %; l - общая длина участков контроля, показавших неудовлетворительное качество сварных швов, м; s - общая длина всех участков контроля, м. Согласно формуле, если уровень брака будет более 5 %, то за каждый процент брака сверх указанного уровня Регистр вправе потребовать увеличения числа участков контроля на 10 %. Анализ случаев разрушений сварных конструкций, работающих в самых различных условиях, свидетельствует о том, что чаще всего их разрушение начинается от дефектов, возникающих в сварном соединении или в основном металле [3]. Из всех видов дефектов, встречающихся в сварных швах, наиболее опасны трещины. Наличие трещин в сварном соединении, как правило, является причиной аварийного разрушения ответственных сварных конструкций, поэтому сварные конструкции, в том числе и стальные корпуса судов, с наличием трещин к эксплуатации не допускаются. Внутренние дефекты в виде пор, шлаковых включений и непроваров должны оказывать отрицательное влияние на прочность и долговечность корпусных конструкций, но в этом случае судно может эксплуатироваться при условии, что размеры этих дефектов не превышают допускаемых. При этом помимо размеров оценивается скопление этих дефектов, их протяженность и расстояние между ними. Анализ требований РМРС [2] к размерам основных дефектов корпусных конструкций, выявляемых при радиографическом контроле, подтверждает, что размеры допускаемых дефектов в виде отдельных пор и равномерной распределенной пористости, а также скопление пор линейно увеличиваются при увеличении ширины шва или толщины наружной обшивки корпуса для уровня качества 1 и 2. Дефекты в виде несплавлений и непроваров для уровней качества 1 и 2 не допускаются, а суммарная длина проекций этих дефектов на длине 100 мм для уровней качества 3 должна быть не более 25 мм. Усадочные раковины и кратерные усадочные раковины для уровней качества 1 и 2 также не допускаются. Следует отметить, что стальной корпус судна и его части в процессе эксплуатации испытывают различные виды нагружения статического, динамического и циклического характера, поэтому к оценке влияния дефектов сварки на прочность и долговечность корпусных конструкций необходимо подходить комплексно, оценивая это влияние при статическом, динамическом и циклическом нагружениях. Нами в ходе исследований проводилась оценка влияния дефектов сварки на механические свойства корпусной стали, определяемые при статическом нагружении. Экспериментальное исследование Для того чтобы более точно оценить качество сварных соединений при наличии дефектов, а также оценить влияние сварочных дефектов на прочность сварных конструкций, нами была изготовлена партия сварных стыковых соединений из стали категории РСD 40 в количестве 15 штук, с дефектами в виде шлаковых включений, пор и непроваров (рис. 1). Каждая пластина была подвергнута радиографическому контролю, в ходе которого определялись размеры, форма и расположение дефектов. На рис. 1, б приведен рентгеновский снимок с дефектами в виде пор и шлаковых включений. Получение определенных видов дефектов в исследовании также моделировалось. а б Рис. 1. Исходные образцы для оценки влияния дефектов сварки на механические свойства, определяемые при статическом нагружении: а - набор сварных пластин; б - рентгеновский снимок по сварной пластине № 9 Все сварные пластины были отсортированы по обнаруженным в них дефектам, промаркированы и размечены под дальнейшую вырезку из них образцов для статических и динамических испытаний (рис. 2). Размеры образцов выбирались в зависимости от захватов испытательной техники, а также с учетом наличия в них дефектов, причем из каждой пластины вырезалось как минимум два образца на один вид испытаний. Рис. 2. Схема вырезки образцов Всего было изготовлено 84 образца для испытаний на растяжение, из которых 42 образца круглого сечения было вырезано из сварного шва, а 42 плоских образца - поперек сварного шва. Первые 42 образца служили для оценки влияния сварочного материала, используемого в технологическом процессе сварки корпусной конструкции, другие 42 - для оценки механических свойств сварного соединения. Из пластин было вырезано также 42 образца для испытаний на статический загиб и 63 образца - для испытаний на ударную вязкость (рис. 3). Рис. 3. Образцы для испытаний при статическом и динамическом нагружении Ниже представлены результаты статических испытаний на растяжение. Испытания образцов и определение химического состава материала проводились в сертифицированной лаборатории по изучению износов и испытаниям материалов. Методика определения химического состава соответствует ГОСТ 22536.7-88, ГОСТ 22536.4-88, ГОСТ 22536.5-87. Все образцы для испытаний на растяжение были подвергнуты разрушению с получением характеристик прочности и пластичности: временное сопротивление разрыву; предел текучести; относительное удлинение. Методика проведения испытаний соответствует ГОСТ 1497-84. При испытаниях использовалась поверенная испытательная техника (рис. 4). а б в г Рис. 4. Универсальные разрывные машины (а, б) и образцы для испытаний на них (в, г) Результаты испытаний были выданы в виде протоколов испытаний № 117-157, № 158-199 от 18.03.2015 г., № 228-234 от 19.03.2015 г. и статистически обработаны. После испытаний наблюдалось разрушение образцов как поперек шва, так и в зоне, далекой от сварного шва (рис. 5). а б в Рис. 5. Разрушенные образцы после испытаний Чтобы оценить влияние размеров дефектов на механические свойства, определяемые при статическом нагружении, и учитывая, что около половины образцов были разрушены в зоне, далекой от сварного шва, мы подвергли эти образцы повторному радиографическому контролю с оценкой площади дефектов в сварных швах (рис. 6). Рис. 6. Снимок разрушенных образцов, вырезанных из пластин № 20-22 с трафаретом для расшифровки размеров дефектов Попутно был проведен микроструктурный анализ материала сварного шва, околошовной зоны и основного материала, который показал равномерную равноосную мелкозернистую ферритно-перлитную структуру (рис. 7), подтверждающую правильность выбора технологии, включая и режимы сварки. ´200 Рис. 7. Микроструктура сварного шва, околошовной зоны и основного материала Учитывая большой разброс площади дефектов в образцах - от 0 до 75 % площади опасного сечения, все экспериментальные данные мы разбили на 5 диапазонов, в которых определялось среднее значение временного сопротивления разрыву, предела текучести и относительного удлинения (для плоских образцов представлены в табл. 1, для круглых - в табл. 2). Таблица 1 Результаты испытаний на растяжение плоских образцов № диапазона Площадь дефектов А, мм2 Среднее значение временного сопротивления разрыву Ϭв, МПа предела текучести Ϭт, МПа относительного удлинения ε, % I 0-60 445,8 304 24,2 II 61-120 451 308 25 III 121-180 415,2 303,1 14,5 IV 181-240 390 303 7,7 V 241-300 357,4 302 4,3 Таблица 2 Результаты испытаний на растяжение круглых образцов № диапазона Площадь дефектов А, мм2 Среднее значение временного сопротивления разрыву Ϭв, МПа предела текучести Ϭт, МПа относительного удлинения ε, % I 0-4 690,6 607,2 14,4 II 5-8 588,25 510 18,3 III 9-12 467,67 428,25 6,43 IV 13-16 370 304 6 V 17-20 266 248,5 2,9 По данным табл. 1 и 2 были построены зависимости среднего значения временного сопротивления разрыву, среднего значения предела текучести и среднего значения относительного удлинения от площади дефекта. Графики зависимости представлены на рис. 8 и 9 - для плоских образцов и на рис. 10 и 11 - для круглых. Рис. 8. Зависимость среднего значения временного сопротивления и среднего значения предела текучести от среднего значения площади дефектов для плоских образцов Рис. 9. Зависимость среднего значения относительного удлинения от среднего значения площади дефектов для плоских образцов Рис. 10. Зависимость среднего значения временного сопротивления и среднего значения предела текучести от среднего значения площади дефектов для круглых образцов Рис. 11. Зависимость среднего значения относительного удлинения от среднего значения площади дефектов для круглых образцов В ходе исследований мы учитывали тот факт, что внутренние и внешние дефекты являются концентраторами напряжений, влияющими на прочность и срок службы корпусных конструкций. Однако результаты наших экспериментов не подтвердили влияния размеров дефектов на статическую прочность сварного соединения, поэтому дополнительно необходимо провести механические испытания при динамическом и циклическом нагружениях, а также испытания натурных корпусных конструкций. Заключение Анализ результатов статических испытаний на растяжение показал следующее. 1. Плоские образцы с расположением сварного шва поперек образца разрушались как по шву, так и по основному материалу, в том числе и при наличии большого количества дефектов в шве, причем среднее значение временного сопротивления разрыву сварного шва при испытаниях составляет 421 МПа, предела текучести - 294 МПа, относительного удлинения - 16 % с небольшим разбросом этих характеристик как в сторону увеличения, так и уменьшения. Следует отметить, что для стали категории РСD 40, согласно Правилам [2], значение этих характеристик составляет: временное сопротивление разрыву - 510-660 МПа, предел текучести - 390 МПа, относительное удлинение - 20 %. Таким образом, начиная с отношения площади дефекта к площади сечения образцов 35 % и более, результаты испытаний в расчет можно не принимать, т. к. такие дефекты оказывают влияние на механические свойства, определяемые при статическом нагружении. Характеристики пластичности корпусной стали, начиная с относительной площади дефектов 35 %, резко снижаются, переводя статическое разрушение из пластического в хрупкое, что также будет сказываться негативно на работоспособности сварных швов и корпуса судна в целом. 2. Круглые образцы имели как хрупкое, так и пластическое разрушение с четко выраженной площадкой текучести. Механические свойства круглых образцов, определенные при статическом нагружении, так же как и механические свойства плоских образцов, имели сравнительно небольшой разброс, но характеристики их прочности были примерно на 100 МПа больше, чем у плоских образцов. 3. Макроструктурный анализ, выполненный для оценки влияния площади дефекта на статические характеристики прочности, показал, что даже при 40 % площади дефекта временное сопротивление разрыву, предел текучести и относительное удлинение не на много отличаются от среднего. 4. Микроструктурный анализ в месте разрушения показал мелкозернистую ферритно-перлитную структуру как основного, так и наплавленного металла.
1. Okerblom N. O. Svarochnye deformacii i napryazheniya / N. O. Okerblom. L.: Mashgiz, 1948. 351 s.
2. Rossiyskiy morskoy Registr sudohodstva. Pravila klassifikacii i postroyki morskih sudov. SPb., 2015. T. 2. 753 s.
3. Deev G. F. Defekty svarnyh shvov / G. F. Deev, I. R. Packevich. Kiev: Nauk. dumka, 1984. 208 s.
