книги / Сварные конструкции.-1

Условия работы среднего участка центральной пластины кре­ стового образца весьма сложны, так как он характеризуется зна­ чительной концентрацией напряжений. Наибольшие напряжения имеют место в точках, рас­ положенных у концов при­ мыкающих ребер. Коэффици­ ент концентрации напряже­ ний зависит от расстояния а между концами ребер (фиг.

III. 7, а). При большом рас­ стоянии между ребрами поля концентрации напряжений, создаваемые по концам креп­ ления ребер, не оказывают влияния друг на друга. При сближении ребер происходит взаимное наложение полей концентрации напряжений и в связи с этим коэффициент концентрации возрастает (фиг. III. 7, б, в).

Экспериментальные иссле­ дования работы крестовых образцов дают основания счи­

тать, что средний участок центральной пластины при малом рас­ стоянии между ребрами находится в весьма сложном напряжен-

Фиг. III. 8. Обработка концов прикрепляемых эле­ ментов, рекомендуемая для снижения концентрации напряжений.

ном состоянии, которое приближается к объемному. Для сни­ жения концентрации напряжений подобных соединений необхо­ димо увеличивать расстояние а между прикрепляемыми конце­ выми ребрами и, кроме того, обеспечивать более плавное измене­ ние формы путем постепенного уменьшения ширины концевых

ребер и применения дополнительной механической обработки (фиг. III. 8). При выполнении указанных рекомендаций подоб­ ные соединения могут применяться в ответственных сварных кон­ струкциях.

Изучение условий распределения напряжений в различных сварных соединениях способствует более всесторонней оценке усло­ вий их работы и позволяет наметить пути для выбора более совер­ шенных форм сварных узлов; однако само по себе оно еще недо­ статочно для решения всех вопросов, связанных с оценкой проч­ ности сварных соединений.

Первоначальные условия распределения напряжений в про­ цессе эксплуатации конструкций могут изменяться из-за появле­ ния местных пластических деформаций в районе наибольшей кон­ центрации напряжений. В связи с этим в дополнение к данным о первоначальных условиях распределения напряжений необхо­ димо располагать еще характеристиками прочности сварных соеди­ нений при различных видах нагружения.

§ 2. Работа сварных соединений при статической нагрузке

Одним из основных требований, которые предъявляются к ма­ териалу для сварных конструкций, является обеспечение доста­ точной его пластичности. Сварные соединения из малоуглероди­ стой стали удовлетворяют этому требованию, так как при стати­ ческих испытаниях, наиболее широко применяемых в сварных конструкциях соединений, их разрушение обычно сопровождается значительными пластическими деформациями.

В таких условиях первоначальная концентрация напряжений, наблюдающаяся в различных сварных соединениях, не может ока­ зывать влияния на их прочность, так как в процессе развития пла­ стических деформаций происходит выравнивание напряжений, и к моменту разрушения сварного соединения концентрация на­ пряжения в его опасном сечении во многих случаях полностью пропадает. В связи с этим прочность многих различных по форме соединений, характеризующихся различной степенью концентра­ ции напряжений в упругой стадии их работы, при испытании ста­ тической нагрузкой оказывается одинаковой.

Однако в отдельных случаях могут быть созданы условия, при которых даже и применение первоначально пластичных материа­ лов не сможет предотвратить опасности появления хрупких раз­ рушений. Такие условия могут возникнуть при сочетании действия низкой температуры и наличия в конструкции сильных концен­ траторов напряжений в виде резких изменений формы или отдель­ ных дефектов металла сварных соединений. К числу таких дефек­ тов можно отнести расслоение металла, трещины в швах, подрезы и некоторые другие дефекты, которые встречаются иногда в свар­ ных конструкциях, если контроль их качества поставлен неудов­

летворительно. Наличие подобных дефектов следует рассматри­ вать лишь как случайное явление, так как они для конструкций нормального качества являются недопустимыми и при обнаруже­ нии в процессе приемки конструкции должны быть устранены.

Значительное снижение предела прочности и пластических деформаций отмечается в сварных крестовых соединениях,, харак­ теризующихся резким изменением формы и весьма высокой кон­ центрацией напряжений. Изменение предела прочности сварных

температуры приводит к хрупкому разрушению, сопровождаю­ щемуся значительным уменьшением прочности. Для сварных кре­ стовых соединений из стали марки Ст. 3 с предельно резким изме­ нением формы критическая температура хрупкости Ткрл——45° С, что значительно выше, чем для образцов из основного металла и

нений из стали Ст. 3 п ри —70° С равен ав = Юн-15 кгс/мм2 (дан/мм2), т. е. значительно ниже, чем для обычных образцов из той же стали, предел прочности которых ов = 45 кгс/мм%при температуре Т = 20° С.

Для предотвращения хрупких разрушений в соединениях и узлах с резкими изменениями формы необходимо принимать меры для снижения концентрации напряжений. Опыт показывает, что при расстоянии между отдельными элементами а > 60 мм,

концентрация напряжений уменьшается настолько, что опасность хрупкого разрушения исчезает.

Установлено, что сопротивляемость хрупким разрушениям* в условиях действия низких температур для элементов из низко­ легированной стали значительно более высокая, чем для элементов из малоуглеродистой стали.

Для повышения сопротивляемости элементов сварных кон­ струкций хрупким разрушениям рекомендуется снижать резкость изменения переходов в местах приварки фасонок и других деталей' конструктивного оформления и не допускать скученности их рас­ положения, которая может привести к концентрации деформаций.

§ 3. Работа сварных соединений при ударе

Стандартные испытания на удар сварных образцов с надрезом, проводимые на маятниковых копрах для определения ударной вязкости, являются лишь средством оценки свойств металла шва. Они не могут дать полного представления о прочности, сварных

Для сравнения были проведены испытания таких же образцов при статической нагрузке.

Разрушения сварных образцов при ударе произошли по основ­ ному металлу вне зоны сварных швов. При этом наблюдались значительные пластические деформации, о чем свидетельствовала хорошо видимая шейка в месте разрыва. Значительно меньшие деформации наблюдались у образцов с отверстием и у сварных соединений с накладками. В последнем случае деформации были

Таблица 111. I

Характеристика прочности сварных соединений из стали марки Ст. 3 при растяжении, статической и ударной нагрузкой

снижены из-за недостаточной длины свободно деформируемых участков образцов.

При увеличении свободно деформируемой длины пластические деформации образцов с накладными значительно увеличились.

При температуре Т = —60° С разрушение образцов из основ­ ного металла и многих образцов со сварными соединениями также сопровождалось появлением пластических деформаций. При этом отмечалось некоторое снижение деформаций, которое в более силь­ ной степени проявилось при испытании образцов с накладками (из-за недостаточной длины).

При нормальной температуре предел прочности при ударе имеет более высокое значение, чем при статической нагрузке. Повыше­ ние предела прочности при Т = 20° С составляет от 19% до 26%.

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 своей работоспособ­ ности при ударе уступают сварным соединениям. Наличие отвер­ стий ослабляет сечение и снижает величину разрушающей на­ грузки. При этом снижение разрушающей нагрузки определяется степенью ослабления сечения отверстием. Наличие ослабленных сечений приводит, кроме того, к тому, что деформационная спо­ собность соединений с отверстием также оказывается сильно сни­ женной.

Пластические деформации сварных соединений определяются длиной свободного деформируемого участка, размеры которого могут быть выбраны достаточными для того, чтобы обеспечить необходимый запас деформационной способности. Даже в случае применения наименее рациональных соединений с накладками могут быть подобраны такие размеры свободно деформируемого участка, которые обеспечивают при разрушении высокие характе­ ристики пластичности.

В первом приближении можно считать, что для обеспечения высокой работоспособности сварных соединений необходимо, чтобы длина свободно деформируемого участка в районе между отдель­ ными сварными соединениями (или другими сопряжениями) была бы не менее / > 5ô (ô — толщина листа). При понижении темпе­ ратуры работоспособность основного металла и сварных соеди­ нений несколько снижается. Это проявляется в том, что снижение пластических деформаций происходит в более сильной степени, чем повышение предела прочности. При этом коэффициент сни­ жения характеристик пластичности для образцов из основного металла и сварных соединений встык и втавр может доходить до значения Кпл = 0,65, тогда как коэффициент повышения предела прочности не превосходит значений Кпр = 1,2-^ 1,26.

На основании проведенных испытаний могут быть сделаны сле­ дующие выводы:

1. Прочность сварных соединений при ударной нагрузке не ниже прочности основного металла. Разрушение сварных соеди­ нений при равномерном растяжении происходит вне зоны влияния швов по основному металлу и сопровождается значительными пла­ стическими деформациями.

2.Предел прочности при разрушении ударом несколько выше, чем предел прочности при разрушении статической нагрузкой. При этом для образцов из основного металла и сварных соедине­ ний повышение предела прочности составляет в среднем 20-г-25%.

3.Пластические деформации при разрушении ударом не меньше, чем деформации при разрушении статической нагрузкой.

4.Критическая температура хрупкого разрушения сварных соединений при отсутствии резких концентраторов напряжений лежит ниже температур, возможных при эксплуатации конструк­ ций в реальных условиях.

5.Работоспособность клепаного соединения при ударной на­ грузке ниже, чем работоспособность сварных соединений. Поэтому

вконструкциях, подверженных действию удара, применение

сварных соединений является более рациональным.

§ 4. Работа сварных соединений при вибрационной нагрузке

Разрушение конструкций при вибрационной нагрузке возможно при напряжениях ниже предела текучести. Поэтому оно происхо­ дит хрупко, без заметных пластических деформаций. Известно, что когда работа металла протекает в области упругих деформа­ ций, то прочность в сильной степени зависит от концентрации напряжений. Поэтому в данных условиях форма соединения имеет большое значение.

Наиболее высокой вибрационной прочностью по сравнению

сдругими видами соединений обладает сварное соединение встык, как соединение с менее резким изменением формы и, следовательно,

сменьшей концентрацией напряжений.

Прочность соединения встык зависит главным образом от формы перехода шва к основному металлу. Для повышения вибрацион­ ной прочности сварных соединений иногда применяются некото­ рые специальные меры, к числу которых относится механическая обработка поверхности швов. Однако механическая обработка усложняет технологический процесс изготовления сварных кон­ струкций и неизбежно приводит к повышению их стоимости. Поэтому применение ее не всегда может быть признано целесооб­ разным, тем более, что повышение прочности сварных соединений может быть достигнуто соответствующим выполнением обычных технологических требований.

На форму шва оказывает влияние ряд технологических фак­ торов, из которых наиболее существенными являются: форма под­ готовки кромок, чистота металла в районе шва, режим сварки,

положение шва в пространстве и температура свариваемого ме-- талла.

Применение скоса кромок свариваемых деталей улучшает условия формирования шва и предотвращает от получения швов с чрезмерно выпуклой поверхностью.

Очистка от окалины поверхностей металла у свариваемых кро­ мок улучшает смачиваемость поверхности, способствует растека­ нию жидкого наплавляемого металла и обеспечивает получение плавных переходов от шва к основному металлу.

Подбор режима сварки при выполнении последнего слоя обес­ печивает получение шва требуемых размеров. Необходимо подо­ брать режим сварки с таким расчетом, чтобы площадь последнего слоя наплавляемого металла соответствовала бы площади незапол­ ненной части шва и заданным размерам валика шва.

Повышение напряжения на дуге при наложении последнего слоя шва улучшает условия формирования шва за счет повышения жидкотекучести наплавляемого металла. При этом достаточно

нибудь особыми производственными трудностями. Необходимо только применение некоторого элементарного расчета режима сварки и известный контроль за правильностью выполнения наме­ ченного технологического процесса.

Оценка прочности сварных швов с различной формой наруж­ ной поверхности может быть составлена по результатам испытаний, приведенным в табл. III. 3. Размеры швов соединений выбраны с таким расчетом, что высота усиления С = 2 мм соответствовала среднему значению технологических допусков, а высота усиле­ ния С = 5 мм характеризовала максимальное отклонение, встре­ чающееся иногда на производстве.

Приведенные данные показывают, что прочность клепаных соединений при вибрационной нагрузке значительно ниже проч­ ности образца из основного металла. Прочность клепаных соеди­ нений с накладками составляет 65% (по сечению нетто) по отно­ шению к образцу из основного металла и она оказывается ниже, чем для сварного соединения встык, не имеющего обработки.

Результаты испытания сварных стыковых соединений из низко­ легированной стали марки 15ХСНД и 10Г2СД показали, что, несмотря на несколько повышенную чувствительность этих сталей к концентрации напряжений при вибрационной нагрузке (по сравнению с малоуглеродистой сталью), можно чисто технологи­ ческими мерами обеспечить вполне удовлетворительное форми­ рование шва и достичь равнопрочное™ сварного соединения основ­ ному металлу без применения дополнительной механической,обра­ ботки.

Из всего сказанного следует, что для конструкций, воспри­ нимающих действие вибрационной нагрузки, необходимо устано­ вить определенные требования к форме швов, исключающие воз­ можность значительного снижения их прочности.

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

На основе приведенного материала можно сделать следующие выводы:

а) форма поверхности стыковых швов влияет на их вибрацион­ ную прочность. Увеличение высоты выступа (усиления) шва и резкие переходы от шва к основному металлу снижают вибрацион­ ную прочность стыковых соединений;

б) 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;

в) требование об обязательной механической обработке поверх­ ности стыковых швов нерационально. Обработку стыковых швов следует применять только, как средство устранения поверхностных дефектов.

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 прочностисоединения впритык уступают стыковым соединениям.

В табл. III. 4 представлены результаты испытаний соединений впритык вибрационной нагрузкой.

Результаты испытания показали, что для образцов с малой глубиной провара менее прочным является сечение по сварным швам. Разрушения таких образцов происходят по сварным швам даже тогда, когда по расчету условие равнопрочности при стати­ ческой нагрузке для этого соединения обеспечено. Это свидетель­ ствует 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, как это и следовало ожидать, оказалось сечение, расположенное под уг­ лом в 45° по отношению к направлению действия растягивающего усилия. Разрушение по швам начинается от участков, располо­ женных в корне шва, в которых 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