книги / Усталость крупных деталей машин

ниями. Прочность соеди­ нений исследовали на об­ разцах, изготовленных из трех крестообразных за­ готовок, сваренных из ли­ стовой стали СтЗ толщи­ ной 40 мм с четырьмя уг­ ловыми швами длиной

480мм.

Впринятых для иссле­ дования сварных кресто­ образных образцах выра­

тродами ЦУ-3. Сопротивление усталости сварного крестообразногсксоединения определяли при изгибе по симметричному циклу на образцах двух типов: с неразрезным и разрезным элементом креста.

Во всех образцах производили механическую обработку угло­ вых швов в месте перехода к основному металлу радиусом закруг­ ления R = 6 -т-7 мм (со стороны длинных элементов креста, за­ крепляемых в испытательной машине УП-50). Затем образцы подвергали отпуску при температуре 620 °С, 3 ч для снятия сва­ рочных остаточных напряжений.

Предел выносливости при изгибе стали СтЗ в образцах сече­ нием 40 X 50 мм с прокатанными поверхностями составил 175 МПа (табл. 64). Предел выносливости крестовых образцов со сквозным проплавлением с разрезным элементом (<х_1к = 98 МПа) был на 44% ниже предела выносливости образцов основного металла.

Крестовые образцы с разрезным элементом без сплошного проплавления при наличии значительной непроваренной щели

Т а б л и ц а 64

Пределы выносливости образцов стали СтЗ сварных крестовых соединений

Таким образом, непроваренная щель в сварных крестовых образцах с разрезным элементом, составляющая 50% его тол­ щины, не привела к понижению несущей способности образцов при изгибе (переменном) и статическом растяжении. Сварные образцы разрушались от усталости по основному металлу в месте сопряжения с металлом шва. Разрушения при растяжении проис­ ходили по основному металлу и имели вязкий характер с замет­ ным удлинением и образованием шейки.

В ЦНИИТМАШе проведены испытания на усталость моделей, имитирующих приварку втавр к плите толщиной 50 мм пластины толщиной 18 мм с К-образной подготовкой кромок. Сварку эле­ ментов из стали СтЗ выполняли электродами УОНИ-13/55 со сплошным проплавлением. В образце шириной 75 мм шов имел поперечное расположение. Предел выносливости при изгибе, по симметричному циклу на базе 107 циклов моделей сварных соединений в исходном состоянии (без обработки поверхности шва) составил а_1к = 105 МПа. Механическая обработка поверхности швов абразивным кругом повысила сопротивление усталости об­ разцов лишь на 10%.

Поверхностная обработка швов и околошовной зоны многобойковым упрочняющим устройством повысила предел выносли­ вости образца до cr_lh = 185 МПа, т. е. на 76%. При этом пол­ ностью нейтрализуется вредное влияние концентрации напря-

жений от сварного шва, и прочность соединения определяется прочностью основного металла. Разрушения образцов с упроч­ ненными швами происходили на значительном расстоянии от шва по тонкой пластине.

После поверхностного наклепа у поверхности пластины вели­ чина остаточных сжимающих напряжений достигла 320 МПа, а зона их залегания свыше 2 мм.

Положительные результаты применения поверхностного наклепа сварных соединений позволили ЦНИИТМАШу реко­ мендовать этот процесс для увеличения срока службы рабочих колес осевых дымососов ДО-31,5 энергетических блоков мощ­ ностью 300 МВт.

3. УСТАЛОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ КРУПНЫХ СВАРНЫХ ШТУЦЕРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В различных изделиях машиностроения (барабанах котлов, сосу­ дах давления, реакторах, газгольдерах и др.) широко используют вварку штуцеров, патрубков и труб в корпус изделия. При про­ ектировании указанных изделий важное место уделяют оценке сопротивления усталости сварных штуцерных узлов.

На несущую способность сварных штуцерных конструкций существенно влияют способы образования сварного соединения, его конструкция и технологические процессы изготовления. В ЦНИИТМАШе было проведено экспериментальное исследова­ ние прочности и характера разрушения моделей сварных штуцер­ ных соединений различных конструктивно-технологических ре­ шений при циклическом нагружении [25].

По размерам сопрягаемых элементов были приняты штуцерные образцы-модели двух видов: I — патрубки диаметром 140/108 мм, сочлененные с пластинами толщиной 115 мм; II — трубы диа­ метром 76/56 мм, сочлененные с пластиной толщиной 65 мм (рис. 66). В моделях выражены следующие конструкции крепле­ ния патрубка и трубы в пластине: патрубок вварен в пластину односторонним швом с неглубокой разделкой (рис. 66, а); прямое и косое расположение приварных двусторонних патрубков со скосом кромок под сварку (рис. 66, б, в); патрубки, установленные в пластину с зазором и без зазора и вваренные с двух сторон без полного проплавления в средней части (рис. 66, г, 5); длинная труба, вваренная в плиту валиковым швом, и приваренная к плите валиковым швом впритык без зазора (рис. 66, е, ж).

При изготовлении моделей штуцерных сварных соединений для пластин применяли сталь 22К толщиной 115 и 65 мм (листы раз­ мером 2,4 X 6 м) производства Ждановского металлургического завода им. Ильича, для штуцеров — трубы из стали 20 диаметром 140/108 и 76/56 мм.

Пластины имели прокатанные поверхности без механической обработки.

Испытания на усталость консольных труб, вваренных в плиту, проводили на машине ЧУМ-70 конструкции ЦНИИТМАШа при одновременном нагружении четырех труб на изгиб по симметрич­ ному циклу с частотой 750 кол/мин.

Вследствие сложности формы исследуемых сварных штуцер­ ных узлов и разнообразного характера их разрушения при цикли­ ческих нагружениях трудно установить величины разрушающих напряжений для различных конструкций патрубков. Поэтому оценку несущей способности моделей сварных штуцерных соеди­ нений в данном случае правильнее вести по величине амплитуды изгибающего момента.

Сопротивление усталости штуцерных моделей с патрубками устанавливали по испытанию для каждой серии трех образцов методом последовательного ступенчатого увеличения нагружения через каждые 10е циклов до появления первой усталостной тре­ щины. Прочность каждой конструкции сварного штуцерного узла оценивали по средней амплитуде максимального разрушающего изгибающего момента при ступенчатом нагружении (табл. 65). Кроме этого, указывали также величины условных пределов выносливости для моделей штуцерных узлов.

Усталость консольных труб, вваренных в плиту, определяли обычным методом испытаний пяти-шести образцов с построением кривых усталости. Для каждой серии образцов определяли вели­ чины амплитуды изгибающего момента и пределы выносливости на базе 10е циклов (табл. 66).

Предел выносливости моделей с вваренными патрубками и при­ варными двусторонними патрубками в исходном после сварки состоянии оказался на 16— 18% ниже предела выносливости пластины с отверстием.

Сопротивление усталости крупных моделей с приварными па­ трубками возрастает в результате применения после сварки раз­ личных технологических операций. Так, после применения вы­ сокого отпуска сопротивление усталости моделей с необработан­ ной поверхностью шва повысилось на 44% по сравнению с исход­ ным после сварки состоянием. Для отпущенных сварных образцов

споверхностью шва, обработанной абразивным камнем, сопроти­ вление усталости оказалось несколько пониженным в сравнении

саналогичными образцами, но с необработанной поверхностью шва. Снижение сопротивления усталости следует отнести за счет создаваемых при зачистке абразивным камнем растягивающих остаточных напряжений, величина которых может быть значи­

тельной.

Наибольшее повышение сопротивления усталости модели с при­ варными двусторонними патрубками было достигнуто в результате наклепа пневматическим молотком поверхности шва в местах перехода к основному металлу, с последующим после наклепа высоким отпуском. В этом случае предел выносливости моделей сварного штуцерного соединения повысился на 49% в сравнении

менении после сварки дополнительных технологических обра­ боток.

Механическая обработка швов в сочетании с высоким отпуском привела к повышению на 41% предела выносливости сварных моделей в сравнении с исходным после сварки состоянием.

Весьма эффективным средством повышения сопротивления усталости консольных труб, вваренных в плиту, явилось при­ менение обработки поверхности шва в месте перехода к трубе пневматическим молотком с использованием бойка со сферической рабочей частью. Предел выносливости сварных штуцерных соеди­ нений с упрочненными швами оказался на 77% выше предела вы­ носливости соединений в исходном состоянии.

4. УСТАЛОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ С ПРИВАРЕННЫМИ НАКЛАДКАМИ

Сопротивление усталости несущих элементов конструкций может существенно понижаться вследствие приварки к ним различных конструктивных и связующих косынок, ребер, соединительных планок, накладок и других деталей. В таких случаях сварные швы, находящиеся на напряженном элементе, не передают на него нагрузку, но в месте обрыва приваренной детали создаются зна­ чительная концентрация напряжений и высокие сварочные оста­ точные напряжения.

В ЦНИИТМАШе были проведены исследования сопротивления усталости пластин в зависимости от способа приварки накладок и режимов последующей термообработки [17], явившиеся при­ мером резкого проявления остаточных напряжений в сварных конструкциях. Эти опыты были поставлены в связи с проектиро­ ванием несущей крупной рамной конструкции из толстых пластин (воспринимающих значительные по величине переменные на­

Результаты испытаний на усталость пластин с приваренными накладками

Вторые накладки приваривали электродами ЦУ-1. Испытания пластин на усталость проводили на машинах УКВ инерционного типа при плоском изгибе по симметричному циклу на базе 107 циклов.

Обращает внимание резко неблагоприятное влияние приварки накладок на сопротивление усталости пластин (табл. 67). Пределы выносливости пластин исследованных сталей после приварки на­ кладок снизились на 77—82% по сравнению с пределом выносли­ вости гладких пластин.

Столь резкое снижение сопротивления усталости пластин в результате приварки накладок обусловлено совместным дей­ ствием больших по величине растягивающих остаточных напряже­ ний, возникающих при усадке сварных швов; концентрацией ра­ бочих и остаточных напряжений в связи со ступенчатостью формы, вызванной приваркой накладок на пластину; ухудшением струк­ туры основного металла в зоне у сварных швов.

Существенное повышение предела выносливости пластины с приваренными одиночными накладками в результате высокого отпуска объясняется снятием неблагоприятных (растягивающих) сварочных напряжений. После нормализации достигнуто допол­ нительное повышение предела выносливости пластин с приварен­ ными накладками за счет исправления структуры металла в зонах у сварных швов.