Анализ трещиноустойчивости пробы "Тэккен"

Трещины в сварных швах образуются с завидным постоянством. Исследованием причин образования трещин занимались такие сварщики, как Н.Н. Рыкалин [1] и Н.Н. Прохоров [2]. В своей статье «Образование трещин при литье и сварке» совместно с литейщиками и металловедами Н.Н. Рыкалин говорит, что необходимо определять технологическую прочность металла шва при его охлаждении.

Сопротивляемость сплавов образованию горячих трещин названа трещиноустойчиво-стью сплавов. Так как трещиноустойчивость сплавов по Баландину [3] характеризует запас технологической прочности сплава, то она определяет весь температурный интервал и включает в себя температуры образования как горячих, так и холодных трещин. Необходимо различать трещиноустойчивость сплавов и конструкции.

Трещиноустойчивость сплава определяется при полном торможении усадки при охлаждении с различными скоростями [4]. Промежуточным результатом будут значения временного сопротивления разрыву при вы- соких температурах, полученные после нагрева выше критических температур и охлаждения с различными скоростями.

Трещиноустойчивость конструкции (сварного соединения) определяется как отношение временного сопротивления разрыву о _в ( t ) к действующим напряжениям в конструкции при различных температурах о ( t ), обусловленных усадкой, условиями закрепления и режимом сварки:

Т”в (t ''^ (1)

Для оценки сопротивляемости сварного соединения против образования холодных трещин ГОСТ 26388–84 [5] рекомендует использовать пробу «Тэккен» тип 9. Она представляет собой плоский прямоугольный образец с продольной прорезью в центре, оформленной в виде V-образной разделки (рис. 1). Образец сваривается в свободном состоянии и выдерживается после сварки 20 ч. Трещины образуются в корневой части сварного соединения под действием высоких усадочных напряжений. Обязательное условие работы

Рис. 1. Проба «Тэккен» по ГОСТ 26388–84

пробы – непровар в корне шва, который служит концентратором напряжений. Наличие трещин выявляется различными методами контроля, в том числе и протравливанием раствором азотной кислоты с последующим изломом образца.

При образовании трещин в качестве дополнительного сравнительно-количественного показателя склонности к холодным трещинам принимают процентное отношение суммарной длины трещины к длине шва или относительной площади трещины к площади продольного сечения шва. За количественный показатель стойкости против трещин принимают температуру подогрева, при которой уже не образуется трещин.

Смоделируем условия сварки пробы «Тэккен» в ESI SYSWELD для оценки уровня напряжений при охлаждении сварного соединения. Для этого построим конечно-элементную сетку (рис. 2).

Зададим следующие параметры сварки в соответствии с ГОСТ 26388–84. Сварка в смеси газов, погонная энергия 10,8 кДж/см, ско- рость сварки 8,3 мм/с. Построим графики зависимости первых главных напряжений от температуры в точках (рис. 3), а также поле напряжений в центре пробы после полного остывания (рис. 4).

Сведем все необходимые данные в таблицу, такие как временное сопротивление разрыву из [4], напряжения при сварке, а также рассчитаем трещиноустойчивость сварного соединения в точках по выражению (1).

При снижении трещиноустойчивости ниже единицы вероятно образование трещин. Такие зоны обнаруживаются в точках 2 и 4 при температуре 1020 °C, причем точка 2 имеет наименьшее значение трещиноустойчи-вости и более высокие напряжения. После остывания наибольшие напряжения концентрируются в корне шва в точке 5 (см. рис. 4).

Таким образом, представленная методика оценки трещиноустойчивости сварного шва на примере пробы «Тэккен» показала вероятные зоны образования трещин в точке 2 при температуре 1020 °C и точке 5 после полного охлаждения.

Рис. 2. Фрагмент конечно-элементной сетки

Рис. 3. Графики зависимости первых главных напряжений при охлаждении сварного соединения в точках (см. рис. 1)

Механические свойства стали 40Х, напряжения и трещиноустойчивость сварного шва в точках