Методы повышения прочности сварных соединений при переменных нагрузках. Влияние остаточных напряжений

Формы разрушений сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках, разнообразны. Места разрушения определяются наличием дефектов в сварных швах, нерациональным очертанием сварных соединений, а также наличием зон отпуска в соединениях термообработанных сталей (рис. 4.12). При сварке

термически обработанных легированных сталей наименьшую прочность при переменных нагрузках в сварном соединении имеет основной металл в зоне отпуска. Аналогичное понижение предела выносливости в зоне отпуска наблюдается в сварных соединениях термически обработанных цветных сплавов (алюминиевых, магниевых и др.). Разрушение, как правило, происходит на небольшом расстоянии Л от границы шва (рис. 4.12), где предел выносливости ниже, чем в основном металле, не подвергавшемся отпуску. Повышают прочность сварных соединений легированных сталей при переменных нагрузках последующей термической обработкой изделия. Чтобы предотвратить снижение прочности при переменных нагрузках, необходимо рационально спроектировать сварную конструкцию, т. е. создать конструктивные формы, которые обеспечивали бы максимальное устранение концентрации напряжеыии(рис. 4.13).

Повышению усталостной прочности способствует механическая обработка сварных деталей, обеспечивающая плавные сопряжения наплавленного и основного металла. Эффективность такого приема можно видеть на примере приварки планок к листовым элемен там, изображенным на рис. 4.14. Для сравнения указаны пределы выносливости σ-1.

Плавные переходы от наплавленного металла к основному получаются и при обработке швов аргонодуговой сваркой вольфрамовым электродом. После такой обработки стыковых соединений из стали СтЗ предел усталости σ-1 повысился с 80 до 120 МПа. Эффект повышения сопротивления усталости соединений из низкоуглеродистых и низколегированных сталей достигается также механической зачисткой швов.

Много исследований было проведено для установления влияния остаточных напряжений на несущую способность сварных соединений и конструкций. Было показано, что для различных сталей, видов концентраторов напряжений влияние полей остаточных напряжений на несущую способность может быть совершенно различным. Они могут понижать ее, часто не оказывают влияния, а в некоторых случаях даже повышают. Аналитически предел выносливости образца с остаточными напряжениями при r = — 1

приближенно может быть выражен следующей формулой:

где σ-1— предел выносливости при симметричном цикле; σост — остаточные растягивающие напряжения в зоне возможного разрушения; σв —предел прочности материала.

Отпуск при температуре 650 °С, устраняющий остаточные напряжения, вызванные сваркой, как правило, не повышает усталостную прочность низкоуглеродистой стали. Это объясняется тем, что отпуск не только устраняет остаточные напряжения, но и изменяет

до некоторой степени механические свойства металла — снижает предел текучести. На рис. 4.15, а, б можно видеть различное влияние отпуска на усталостную прочность образцов из низкоуглеродистой стали. При нагружениях в условиях симметричного цикла отпуск полезен, при r = 0 польза его исчезает, при r > 0 он может снизить предел выносливости.

В зависимости от знака остаточных напряжений действие их также различно. Например, предел выносливости образца из стали СтЗ с надрезами на кромках при действии отнулевых нагрузок составлял 74 МПа. При нагреве образца по оси, т. е. при создании в надрезе остаточных сжимающих напряжений, предел выносливости повысился до 110 МПа. В то же время при проковке образца по оси — создании в надрезе растягивающих остаточных

напряжений — усталостная прочность понизилась до 56 МПа. Таким образом, остаточные напряжения могут быть не только вредными, но и полезными. Если в зоне наибольших растягивающих напряжении от внешних нагрузок создать остаточные сжимающие напряжения, то последние будут способствовать повышению усталостной прочности сварных соединений. Благоприятные остаточные напряжения сжатия можно создать местной пластической деформацией. С этой целью сварные соединения иногда подвергают поверхностной механической обработке: прокатке роликами или, что является более простым и удобным, обдувке дробью, об-

работке пневматическим молотком или пучком проволок ударными методами. При этом в поверхностных слоях металла происходит пластическая деформация, которая вызывает наклеп металла, сопровождающийся повышением σт, и, кроме того, образуются остаточные напряжения сжатия. Чем выше коэффициент концентрации напря-

жений в сварном соединении, тем более эффективно применение поверхностной обработки швов.

Эффект повышения предела выносливости сварных точечных соединений достигается их обжатием ковочным давлением при осты-

вании. Проковка повышает сопротивляемость усталостным разрушениям в 1,4—2 раза, а при обработке специальными инструментами и скоростной проковке — в 2,2—3 раза.

Институтом электросварки им Е. О. Патона разработан способ повышения усталостной прочности сварных соединений обжатием посредством взрыва. Вдоль швов укладывают трубки со взрывчатым веществом. В результате действия взрывной волны усталостная прочность повышается.

Выносливость сварных соединений может быть увеличена предварительным их нагружением при одновременном устранении вредных растягивающих остаточных напряжений в зоне концентрации. Иногда считают полезным создавать предварительные напряжения в тонкостенных конструкциях и подвергать их вибрации. При этом остаточные растягивающие напряжения уменьшаются на несколько десятков процентов, а сопротивление усталостным нагрузкам повышается.

Дата добавления: 2015-07-08