книги / Усталость крупных деталей машин

Приварка вторых накладок на пластины с уже приваренными накладками, прошедшими нормализацию, является столь же неблагоприятной, как и приварка единичных накладок без после­ дующей термообработки. Резкое снижение пределов выносливости пластин в этом случае должно быть полностью отнесено за счет проявления неблагоприятных растягивающих остаточных на­ пряжений.

Исключительно резкое проявление остаточных напряжений связано с формой выбранных моделей, вызывающей высокую концентрацию этих напряжений в опасных зонах. Проявление остаточных напряжений в сопротивлении усталости сварных конструкций повышается с увеличением степени их концентра­ ции, связанной с формой.

Таким образом, можно заключить, что монтажные сварные швы в толстостенных конструкциях, не подвергаемых термообра­ ботке, могут вызывать значительное снижение сопротивления усталости даже в тех случаях, когда они расположены вне опасных зон, но способны вызвать неблагоприятные растягивающие сва­ рочные остаточные напряжения в опасных зонах конструкции, особенно в зонах с резкой концентрацией напряжений.

5. ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

При проектировании сварных конструкций следует принимать во внимание возможность возникновения дефектов вследствие нарушения технологического процесса сборки и сварки. Дефекты следует рассматривать как концентраторы напряжений, могущие привести к понижению сопротивления усталости сварных соеди­ нений.

Основным методом оценки технологических отклонений при сварке является прямое испытание сварных соединений с дефек­ тами и накопление экспериментальных данных по их влиянию на прочность соединений при циклических нагрузках.

В настоящее время еще недостаточно экспериментальных дан­ ных для научно обоснованного подхода к оценке допустимости дефектов в сварных соединениях, особенно для металла большой толщины.

Известны два подхода к изучению и оценке влияния дефектов на сопротивление усталости сварных соединений.

Одни исследователи исходят из того, что сопротивление уста­ лости сварных соединений предопределяется в основном концен­ трацией напряжений, создаваемой формой соединения и техноло­ гическими дефектами. Степень концентрации напряжений свар­ ного соединения определяется размерами дефектов и их располо­ жением. В ряде работ удалось установить связь между величиной дефекта и сопротивлением усталости сварных соединений преиму­ щественно для металла небольшой толщины.

По мнению других исследователей [37 ], в усталостных явле­ ниях существенна роль концентрации не только рабочих, но и остаточных напряжений. Один и тот же дефект по-разному влияет на сопротивление усталости сварных соединений в зависи­ мости от того, где он расположен — в поле сжимающих или растя­ гивающих напряжений. Действие дефекта, находящегося в поле сжимающих остаточных напряжений, может быть сильно ослаблено проявлением этих напряжений. Но если тот же дефект расположен в поле высоких растягивающих остаточ­ ных напряжений, его влияние на сопротивление усталости воз­ растает.

Конструкторам и технологам необходимы обоснованные кри­ терии для оценки степени опасности или допустимости сварочных дефектов различного характера, формы, ориентировки и размеров в зависимости от условий нагружения конструкции, ее назначе­ ния, степени ответственности и других факторов.

Однако разработка таких критериев является весьма сложной задачей. Прежде всего, сварочные дефекты весьма многообразны: трещины, непровары, подрезы, поры, шлаковые включения и дру­ гие конструктивно-технологические отступления. Кроме того, внутренние дефекты выявляют неразрушающими методами кон­ троля (рентгеноили гаммографирования, УЗД), которые обла­ дают ограниченной разрешающей способностью и позволяют установить только наличие дефекта, его расположение по толщине и приблизительные размеры. Характер дефекта и степень его остроты чаще всего остаются невыясненными.

Ниже рассмотрены вопросы допустимости дефектов округлой формы (пор и шлаковых включений) и возможности эксперимен­ тальной оценки влияния их на сопротивление усталости сварных соединений. Кроме того, оценивается сопротивление усталости одностороннего кольцевого сварного соединения в связи с техно­ логическими отступлениями при сварке, исказившими конструк­ тивные особенности корневой зоны шва.

Для оценки влияния трещиноподобных дефектов (трещин, непроваров, подрезов) обычно используют критерии механики разрушения.

Действующие нормативы в отношении допустимого размера даже таких наиболее легко обнаруживаемых дефектов, как поры и шлаковые включения, не всегда согласуются между собой, например для сосудов и трубопроводов высокого давления, пред­ назначенных для аналогичных условий эксплуатации. Имеются существенные различия в ограничениях величины и распределе­ ния пор (минимально допустимых расстояний между порами) в различных стандартах и нормативах.

Данные рис. 68 и 69 свидетельствуют об отсутствии согласо­ ванности между основными технологическими нормативами в США на допустимые поры и шлаковые включения для изделий с тол­ щиной металла до 100 мм [36].

ММ

Изучение влияния сварочных дефектов на сопротивление усталости весьма сложная задача. Прежде всего возникают значи­ тельные трудности с получением естественных дефектов заранее заданных размеров и форм, с расположением их в определенных сечениях изделия с необходимой повторяемостью на требуемом числе изучаемых объектов. Поэтому прибегают к искусственному созданию дефектов. Так, для имитации сварочных дефектов типа пор на поверхности образца высверливают отверстия заданного диаметра и глубины.

Искусственное создание дефектов обработкой лезвийным ин­ струментом приводит к созданию острого углубления от сверла, наклепу металла и наведению остаточных напряжений в зоне образуемого дефекта, что может исказить результаты испытаний на усталость.

В связи с указанными недостатками механического способа создания искусственных дефектов в ЦНИИТМАШе предложен новый способ, целью которого является усовершенствование ме­ тода определения влияния сварочных дефектов. Искусственный дефект создают на металле шва или основном металле высверлива­ нием (или другим способом механической обработки) цилиндри­ ческого отверстия заданного диаметра и глубины с последующим разогревом до оплавления металла в области донной части отверсгия с применением неплавящегося электрода. Создаваемый при. этом в зоне дна отверстия литой металл наиболее близок по состо­ янию к металлу в области естественного дефекта.

благоприятными факторами, приведшими к понижению сопротив­ ления усталости, явились наличие литого металла и зоны терми­ ческого влияния в основании отверстий (пор) и сварочных рас­ тягивающих напряжений вследствие температурного воздействия на металл сварочной дуги.

Изломы от усталости четырех образцов с оплавленными отвер­ стиями проходили по трем различным цепочкам пор (см. рис. 70) в сечениях / —/, I I —II и I I I —I I I (два случая).

В ЦНИИТМАШе оценено влияние единичных шлаковых вклю­ чений на сопротивление усталости сварных соёдинений стали 22К при симметричном изгибе при 107 циклов на крупных образцах сечением 200 X 200 мм.

При наличии внутренних, не выходящих на поверхность крупных шлаковых включений трещины усталости зарождались в глубине сечения образца при напряжениях ниже, чем на поверх­ ности. Включения округлой формы (длиной 7—10 мм) залегали

Рис. 72. Схема вырезки образцов для испытаний на усталость из сварного соединения хвое стовой части натурной модели ротора ЦНД паровой турбины П ВК-150

Опыты ЦНИИТМЛШа [17] при изгибе по симметричному циклу образцов сечением 50 X 75 мм, сварных соединений стали 34ХМ, вырезанных из натурной модели ротора и сварных плит, показали, что эффект ивHole коэффициенты концентрации напряжений свар­ ных соединений с различными вариантами корневых сечений шва при серьезных конструктивно-технологических нарушениях изме­ нялись в довольно широких пределах и достигали весьма высоких значений К а = 2,2-е—5,9 (табл. 69).

Из натурной модели ротора вырезали крупные образцыпогоны (рис. 72) с подкладным кольцом и со снятым механической обработкой подкладным кольцом. Сварные соединения плит имели в корневой части шва соответственно (рис. 73): разделку без подкладки — нормальный стык; корытообразную подкладную планку; медную подкладную трубу; плоскую подкладную планку и замковое соединение. Кованый металл подвергали закалке при температуре 860—870 °С в масло и отпуску при 535—600 °С. Сварку производили с предварительным и сопутствующим нагре­ вом до температуры 300—400 °С. После сварки моделей ротора и плит проводили отпуск при температуре 600 °С, 6 ч. Многослой­ ную сварку выполняли электродами ЦЛ-30. В натурной модели корневую часть шва выполняли электродами ЦУ-1 (с целью уменьшёния концентрации напряжений в корне шва), дающими мягкую основу (от = 380 МПа, о„ = 530 МПа).

При визуальном осмотре и электромагнитной дефектоскопии образцов перед испытаниями на усталость на образцах с замковым соединением, медной трубой и плоской подкладной планкой были обнаружены значительные технологические дефекты. В пла­ стинах с замковым соединением не был сохранен зазор 5 X 1,5 мм, который, по мнению конструкторов, должен был играть роль сборника шлака. Образцы с медной подкладной трубой и плоской подкладной планкой имели трещины. На образцах с медной

I t)

Рис. 73. Виды разделок для односторонней сварки плит:

а— нормальный стык; б — с корытообразной планкой; в — с медной подкладной трубой;

г— с плоской планкой; д — замковое соединение

подкладной трубой трещины проходили от корня шва в месте сопряжения с трубой, распространяясь по высоте шва.

На образцах с плоской подкладной планкой трещины распола­ гались в средней части шва. На каждом образце было по две-три трещины протяженностью 5—7 мм. Плоская подкладная планка оказалась приваренной непараллельно плоскостям образца. При­ чем планка упиралась боковыми стенками в вертикальный вырез разделки. Медная подкладная труба не сопрягалась по всей своей поверхности с закруглениями разделки, и, кроме того, при сварке она была сильно подплавлена.

Результаты этого исследования указывают на необходимость тщательного контроля при изготовлении односторонних соедине­ ний с тем, чтобы не допускать отступлений от конструктивнотехнологических решений корневых сечений стыкового шва.

Пониженные значения пределов выносливости рассмотренных сварных соединений не следует относить за счет плохой сварива­ емости стали 34ХМ. Опытами ЦНИИТМАШа (см. табл. 62) была показана равнопрочность при переменных нагрузках основного металла и сварных соединений стали 34ХМ, выполненных элекрошлаковым способом сварки при применении соответствующей термообработки.

При выполнении соединений встык прежде всего стремятся обеспечить полный провар и получить металл с необходимыми механическими свойствами, без сварочных дефектов. В ряде слу­ чаев внешней форме шва уделяют меньшее внимание. Вместе с тем сопротивление усталости стыковых соединений в значительной

степени определяется формой и внешними размерами шва. Осо­ бенно заметное понижение сопротивления усталости отмечается для соединений, имеющих резкий переход от усиления шва к основному металлу из-за значительной концентрации напря­ жений.

благоприятным профилем усиления шва, полученным при сварке

При выявлении различного рода повреждений и дефектов при контроле изделия в процессе изготовления или эксплуатации возникает необходимость в ремонте. Обнаруженные при контроле дефекты полностью удаляют механической зачисткой. Характер ремонта определяется объемом выборки металла. В зависимости от рода и толщины металла, а также размеров конструкции и усло­ вий ее эксплуатации разрабатывается различная технология ремонтной сварки.

Выбор оптимального ремонтного решения должен базироваться на результатах экспериментальных исследований по сравнитель­ ной оценке прочности элементов с заваренными выборками или наплавками.

В ЦНИИТМАШе после сварочных ремонтных операций была проведена оценка сопротивления усталости крупных пластин, изготовленных из стали 16ГНМА толщиной 115 мм [2, 16]. На пластинах имитировали наплавку на поверхность отверстия диаметром 99 мм (рис. 74, а) и заварку местной поверхностной выборки (рис. 74, б) применительно к барабанам котлов высо­ кого давления.

Наплавку отверстий в пластинах выполняли электродами УОНИ-13/55 в соотве!ствии с основными положениями по техно­ логии ремонта, а также высоконикелевыми электродами ЦТ-36. Отверстия наплавляли в два слоя по спирали на всю толщину пластины. После наплавки отверстия растачивали до диаметра 90 мм, а наплавленный металл вокруг отверстия торцевали резцом заподлицо с поверхностью пластины.

Поверхностный наклеп наплавленного металла в отверстиях пластин выполняли с помощью устройства (рис. 75), основанного на базе пневматического молотка 1 типа МР-6. Устройство уста­ навливали в отверстие пластины ввинчиванием шпильки 5 в опор­ ный стакан 4, прикрепленный к пластине. Наклеп отверстия осуществляли тремя бойками 3. Перемещение бойков вдоль отвер-