книги / Сварные конструкции

В связи с этим прочность многих различных по форме соединений, характеризующихся различной степенью концентрации напряже­ ний в упругой стадии их работы, при испытании статической нагрузкой оказывается одинаковой.

Однако в отдельных случаях могут быть созданы условия, при которых даже и применение первоначально пластичных материалов не сможет предотвратить появления хрупких разру­ шений. Такие условия могут возникнуть при сочетании дей­ ствия низкой температуры и наличия в конструкции сильных концентраторов напряжений в виде резких изменений формы или отдельных дефектов металла сварных соединений. К числу таких дефектов можно отнести расслоение металла, трещины в швах, подрезы и некоторые другие дефекты, которые встречаются иногда в сварных конструкциях, если контроль их качества поставлен неудовлетворительно. Наличие подобных дефектов следует рас­ сматривать лишь как случайное явление, так как они для кон­

Значительное снижение предела прочности и пластических деформаций отмечается в сварных крестовых соединениях, ха­ рактеризующихся резким изменением формы и весьма высокой концентрацией напряжений. Изменение предела прочности свар­ ных крестовых соединений при различной концентрации напря­ жений представлено на рис. 3.19. Изменение концентрации напря­ жений достигалось в образцах путем изменения расстояния между продольными ребрами, передающими нагрузку на центральную пластину. По графику видно, что в достаточно большом интервале изменения расстояния между ребрами предел прочности не за­ висит от концентрации напряжений, но при некотором его зна­ чении наступает перелом и происходит снижение предела проч­ ности, которое при низкой температуре является более значи­ тельным.

Сочетание резкой концентрации напряжений и очень низкой температуры приводит к хрупкому разрушению, которое сопро­ вождается значительным уменьшением прочности (рис. 3.19, б). Для сварных крестовых соединений из стали марки Ст.З^с пре­ дельно резким изменением формы критическая температура хруп­ кости имеет значение Тк = —45° С, что значительно выше, чем для образцов из основного металла и наиболее широко применяе­ мых сварных соединений, для которых значение критической тем­ пературы хрупкости составляет Тк = —80° С.

Предел прочности крестовых соединений при испытании в усло­

Для предотвращения хрупких разрушений в соединениях и узлах с резкими изменениями формы необходимо принимать меры для снижения концентрации напряжения. Опыт показывает, что при соответствующем увеличении расстояния между отдель­ ными элементами концентрация напряжений уменьшается на­ столько, что опасность хрупкого разрушения исчезает.

20 40 60 60 (00 120 /40 ISO (80а,ММ

Рис. 3.19. Зависимость предела прочности в образ­ цах с резким изменением формы от расстояния между концевыми ребрами (а) и температуры (б)

элементов из стали марки 15ХСНД является значительно более высокой, чем для элементов из стали марки М16С. Основными причинами появления хрупких разрушений в элементах сварных конструкций являются концентрация напряжений, создаваемая в местах резкого изменения сечения, и низкая температура. На­ личие дефектов (таких, как непровары, подрезы и кратеры свар­ ных швов) в местах высокой концентрации напряжений также способствует хрупкому разрушению.

В качестве основных мероприятий для повышения сопротив­ ляемости элементов сварных конструкций хрупким разрушениям рекомендуется, снижать резкость изменения переходов в местах приварки фасонок и других деталей конструктивного оформления и не допускать скученности их расположения, которая может при­ вести к концентрации деформаций.

Разрушения сварных образцов при ударе, как и при статиче­ ской нагрузке, происходят по основному металлу вне зоны свар­ ных швов. При разрушении образцов наблюдаются значительные пластические деформации. Об этом свидетельствует хорошо види­ мая шейка в месте разрыва. Значительно меньшие деформации наблюдались у образцов с отверстием.

При пониженной температуре Т х = —60° разрушения образ­ цов из основного металла и многих образцов со сварными соедине­ ниями также сопровождаются появлением пластических дефор­ маций.

При нормальной температуре предел прочности при ударе имеет более высокое значение, чем при статической нагрузке. Повышение предела прочности при этом составляет в среднем 20—25%.

Пластические деформации при ударе не ниже (а в отдельных случаях даже несколько выше), чем при статической нагрузке.

По результатам испытания образцов с отверстием можно сде­ лать вывод о том, что клепаные соединения по работоспособности при ударе уступают сварным соединениям. Наличие отверстия ослабляет сечение и снижает величину разрушающей нагрузки. При этом снижение разрушающей нагрузки определяется сте­ пенью ослабления сечения отверстием. Наличие ослабленных се­ чений приводит, кроме того, к тому, что деформационная способность соединений с отверстием также оказывается сни­ женной.

Работоспособность же сварных соединений можно считать равноценной работоспособности основного металла. Это опреде­ ляется тем, что разрушение сварных соединений происходит в сечении по основному металлу, и, следовательно, значения раз­ рушающих нагрузок для сварного соединения и основного металла одинаковы.

На основании приведенных данных могут быть сделаны сле­ дующие выводы:

прочность сварных соединений при ударной нагрузке не ниже прочности основного металла; разрушение сварных соединений при равномерном растяжении происходит вне зоны влияния швов по основному металлу и сопровождается значительными пласти­ ческими деформациями.

Критическая температура хрупкого разрушения сварных со­ единений при отсутствии резких концентратов напряжений (над­ резов, трещин и т. п. дефектов) лежит ниже температур, возможных при эксплуатации конструкций в реальных условиях. При пони­ жении температуры работоспособность основного металла и сварных соединений несколько снижается. Это проявляется в том, что снижение пластических деформаций происходит в большей степени, чем повышение предела прочности. При этом коэффи­ циент снижения характеристик пластичности для образцов из основного металла и сварных соединений встык и впритык может

доходить до значен’ия k = 0,65, тогда как коэффициент повыше­ ния прочности не превосходит значений k = 1,2 -5-1,2 5 .

Работоспособность клепаного соединения при ударной на­ грузке ниже, чем работоспособность сварных соединений. По­ этому в конструкциях, подверженных действию удара, примене­ ние сварных Соединений является более рациональным.

Выносливость сварных соединений. Разрушение конструкций при вибрационной нагрузке возможно при напряжениях ниже, предела текучести. Поэтому оно происходит хрупко, без заметных пластических деформаций. Известно, что когда работа металла протекает в области упругих деформаций, то прочность в значи­ тельной степени зависит от концентрации напряжений. Поэтому в данных условиях форма соединения имеет большое значение.

Наиболее высокой вибрационной прочностью по сравнению с другими видами соединений обладает сварное соединение встык как соединение с менее резким изменением формы и, следова­ тельно, с меньшей концентрацией напряжений.

Прочность соединения встык зависит главным образом от формы перехода шва к основному металлу. Для повышения вибра­ ционной прочности сварных соединений иногда применяются некоторые специальные меры, к числу которых относится меха­ ническая обработка поверхности швов. Однако механическая обработка усложняет технологический процесс изготовления свар­ ных конструкций и неизбежно приводит к повышению их стои­ мости. Поэтому применение ее не всегда может быть признано це­ лесообразным, тем более, что повышение прочности сварных соеди­ нений может быть достигнуто соответствующим выполнением обычных технологических требований без дополнительной меха­ нической обработки.

На форму поверхности шва оказывает влияние ряд технологи­ ческих факторов, из которых наиболее существенными являются: форма подготовки кромок, чистота поверхности металла в районе шва, режим сварки, положение шва в пространстве и температура свариваемого металла. Изменяя эти факторы, можно придавать швам требуемую форму. Улучшению плавности перехода от на­ ружного слоя шва к основному металлу способствуют следующие простейшие мероприятия.

1.Применение скоса кромок свариваемых деталей для созда­ ния угла разделки шва а = 60°. Это улучшает условия форми­ рования шва и предотвращает получение швов с чрезмерно вы­ пуклой поверхностью.

2.Очистка от окалины поверхностей металла у свариваемых

кромок на участке шириной 10—15 мм. Это улучшает смачивае­ мость поверхности, способствует растеканию жидкого наплав­ ляемого металла и обеспечивает получение плавных переходов от шва к основному металлу.

3. Подбор режима сварки при выполнении последнего слоя для получения шва требуемых размеров. Необходимо подобрать

режим сварки с таким расчетом, чтобы площадь последнего слоя наплавляемого электродного металла соответствовала площади незаполненной части шва и заданным размерам валика шва.

4. Повышение напряжения на дуге при наложении последнего слоя шва. Это улучшает условия формирования шва за счет по­ вышения текучести наплавляемого металла. При этом достаточно

Указанные мероприятия относятся к числу обычных мероприя­ тий, применяемых на производстве при изготовлении .сварных конструкций. Поэтому выполнение их не связано с какими-нибудь особыми трудностями. Необходимы только применение некоторого элементарного расчета режима сварки и известный контроль за правильностью выполнения намеченного технологического про­ цесса.

Оценка прочности сварных швов с различной формой наруж­ ной поверхности может быть составлена по результатам испыта­ ний, приведенным в табл. 3.7. Размеры швов соединений выбраны

Т а б л и ц а 3.7. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений р сварных стыковых соединений

из стали марки М16С

с таким расчетом, что высота валика g = 2 мм соответствовала среднему значению технологически* допусков, а высота валика g = 5 мм характеризовала максимальное отклонение, встречаю­ щееся иногда на производстве.

Приведенные данные показывают, что прочность клепаных соединений при вибрационной нагрузке значительно ниже проч­ ности образца из основного металла.

Результаты испытания сварных стыковых соединений из низколегированной стали марок 15ХСНД и 10Г2СД показали, что, несмотря на несколько повышенную чувствительность этих

сталей к концентрации напряжений при вибрационной нагрузке (по сравнению с малоуглеродистой сталью), и в этом случае можно обеспечить вполне удовлетворительное формирование шва и достичь равнопрочности сварного соединения основному металлу без применения дополнительной механической обработки.

Из всего сказанного следует, что для конструкций, воспри­ нимающих действие вибрационной нагрузки, необходимо уста­ новить некоторые требования к форме поверхности швов, которые исключали бы возможность значительного снижения их прочности.

Необходимо предотвратить возможность применения швов с большими выступами и резкими переходами. Дополнительная механическая обработка швов может быть использована при этом как средство исправления чрезмерно резких переходов в швах, а также и для устранения таких дефектов, как подрезы.

Результаты испытаний на выносливость позволяют сделать следующие выводы.

1.Форма поверхности стыковых швов влияет на их вибрацион­ ную прочность. Увеличение высоты выступа шва и резкие пере­ ходы от шва к основному металлу снижают вибрационную проч­ ность стыковых соединений.

2.Соблюдением обычных технологических приемов можно обеспечить получение сварного шва с плавными переходами к ос­ новному металлу, при этом вибрационная прочность сварного соединения будет равна вибрационной прочности основного ме­ талла.

3.Требование об обязательной механической обработке по­ верхности стыковых швов нерационально. Обработку стыковых швов следует применять как средство устранения поверхностных дефектов.

Необходимо отметить, что высказанные соображения о форме поверхности стыковых швов относятся только к конструкциям, воспринимающим вибрационную нагрузку, и не должны пере­ носиться на случаи работы металлических конструкций, где нет ярко выраженного действия вибрационной нагрузки и когда требования к форме поверхности швов могут быть значительно упрощены.

Конструкция сварных соединений впритык характеризуется более значительными местными изменениями по форме переходов от шва к основному металлу и в связи с этим более высокой кон­ центрацией напряжений, чем сварное стыковое соединение. По­ этому по характеристикам вибрационной прочности соединения впритык уступают стыковым соединениям.

Втабл. 3.8 представлены результаты испытаний соединений впритык вибрационной нагрузкой.

Результаты испытания показали, что для образцов с малой глубиной провара менее прочным является сечение по сварным швам. Разрушение таких образцов 'происходит по сварным швам даже тогда, когда по расчету условие равнопрочности при

Т а б л и ц а 3.8. Эффективный коэффициент концентрации напряжений р для сварных соединений впритык

(сталь марки М16С)

ками 200X200X 18

То же с однорядными швами и уголками 100Х 100Х 12

7,5

статической нагрузке для этого соединения обеспечено. Это свиде­ тельствует о том, что концентрация напряжений в сечении по швам является более высокой, чем в сечении по основному металлу, расположенному у границы швов.

При разрушении по швам наиболее опасным сечением оказы­ вается сечение, расположенное под углом 45° по отношению к на­ правлению действия растягивающего усилия. Разрушение по швам начинается от участков, расположенных в корне шва, в ко­ торых напряжения имеют более высокое значение.

Повышение глубины провара увеличивает толщину рабочего сечения угловых швов и снижает в них напряжение. При этом опасность проявления концентрации напряжений несколько сни­ жается и при некоторой определенной глубине провара прочность в сечении по сварным швам может быть обеспечена не в меньшей степени, чем по основному металлу.

Применение скоса кромок обеспечивает возможность осуще­ ствления сварного соединения с проваром по всей толщине эле­ ментов. В этом случае условия распределения напряжений в со­ единении улучшаются и концентрация напряжений в нем несколько снижается. И хотя в этом случае разрушения происходят также по границе швов, все же значения предела выносливости оказы­ ваются более высокими, чем для соединений впритык без раз­ делки кромок.

Снижение концентрации напряжений в сварном соединении впритык, достигаемое применением местной механической обра­ ботки участков перехода от швов к основному металлу, приводит к дальнейшему повышению предела выносливости. В этом случае при наличии сквозного проплавления удается получить сварное соединение, которое по своей вибрационной прочности не уступает образцу из основного металла, не имеющему концентраторов на­ пряжения. Разрушения сварных образцов, имеющих местную об­

работку, во всех случаях происходили по основному металлу вдали от швов.

Разрушения клепаных соединений впритык происходят в боль­ шинстве случаев из-за отрыва головдк заклепок при весьма низ­ ких значениях вибрационной прочности.

В случае применения низколегированной стали, более чув­ ствительной к концентрации напряжений, вибрационная проч­ ность сварных соединений впритык почти не повышается и остается примерно на уровне вибрационной прочности аналогичных соединений из малоуглеродистой стали. Применение местной обра­ ботки поверхности перехода от шва к основному металлу и в этом случае позволяет достигнуть равнопрочности сварных соединений с основным металлом.

При проектировании конструкций выбор типа сварных соеди­ нений впритык следует производить с учетом различий в их вибра­ ционной прочности. Менее прочными при работе на растяжение являются соединения, в которых не обеспечен провар по всей толщине основных элементов. Поэтому применение этих соедине­ ний рационально в мало напряженных участках.

В табл. 3.9 приведены результаты испытания вибрационной нагрузкой образцов с ребрами жесткости.

Т а б л и ц а 3.9. Эффективный коэффициент концентрации напряжений (3 для образцов с поперечными ребрами (сталь марки М16С)

Испытания показали, что характер разрушения и значение пределов выносливости образцов с ребрами жесткости также за­ висит от их конструктивного оформления. Все образцы, в которых ребра были приварены двусторонними швами, разрушались в ме­ сте перехода от листа к угловым швам.

Образцы, в которых ребра были приварены односторонними швами, начинали разрушаться от корня шва.

Предел выносливости образцов с одиночными ребрами • ока­ зался несколько выше, чем у образцов с парными ребрами. Это связано с благоприятным влиянием местного изгиба, разгружаю­ щего переход от шва к основному металлу.

Результаты испытания сварных нахлесточных соединений приведены в табл. 3.10.

Т а б л и ц а 3.10. Эффективный коэффициент концентрации напряжений {5 для сварных нахлесточных соединений

(сталь марки М16С)

Эти результаты свидетельствуют об очень низкой вибрацион­ ной прочности сварных нахлесточных соединений, многие из ко­ торых уступают даже вибрационной прочности клепаных соеди­ нений.

Самая низкая вибрационная прочность наблюдается у соеди­ нений с боковыми швами. Разрушение таких соединений всегда происходит в сечении по основному металлу, расположенному у концов сварных швов. Это объясняется наиболее значительной концентрацией напряжений в этом сечении. Максимальные на­ пряжения имеют место в точках, расположенных у концов швов. Именно здесь и начинаются разрушения.

Соединения с лобовыми швами также характеризуются низкой вибрационной прочностью, хотя она и несколько выше, чем в слу­ чае нахлесточного соединения с боковыми швами. Разрушение соединения с лобовыми швами всегда происходит по основному металлу и начинается в наиболее перенапряженных точках, рас­ положенных на границе лобовых швов. Применение швов с раз­ ными катетами, несколько снижает концентрацию напряжений соединения и повышает его вибрационную прочность. Однако эта мера является малоэффективной. Даже применение-механической обработки поверхности сварных соединений в месте перехода от швов к основному металлу не может должным образом снизить концентрацию напряжений и повысить вибрационную прочность. Результаты исследований Б. Н. Дучинского показали, что только в случае, когда толщина накладок будет увеличена в два раза по сравнению с требуемой по условиям их прочности, а размеры сварных швов будут увеличены до соотношения катетов 1 :3,8 и когда, кроме того, будет обеспечен плавный переход дополнитель­ ной механической обработкой, только тогда вибрационная проч­ ность сварного нахлесточного соединения может быть повышена до уровня вибрационной прочности основного металла. Но в этом

ео