с помощью какого способа можно повысить усталостную прочность сварного соединения

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 Д 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 на­пряжений (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 элемен­там, изображенным на рис. 4.14. Для сравнения указаны пределы

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 otj 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 г = —1
приближенно может быть выражен следующей формулой:

где а.-! — предел выносливости при симметричном цикле; с0СТ — остаточные растягивающие напряжения в зоне возможного раз­рушения; ав—предел прочности материала.

Отпуск при температуре 650 СС, 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

Рис. 4.13. Рекомендуемое оформление соединений со стыковыми и угловыми швами, работающих под переменными нагрузками

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 г — 0 польза его исчезает, при г >» 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 напряжений от внешних нагру­

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

1 — в исходном состоянии; 2 — после высокого отпуска

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.

Источник

Методы повышения сопротивления усталости сварных соединений

Повышение сопротивления усталости можно обеспечить, во- первых, снижением в сварных соединениях концентрации напряжений, а во-вторых, благоприятным изменением поля остаточных напряжений. Минимальную концентрацию напряжений стремятся Обеспечить как за счет рационального выбора видов соединений, а также методов и приемов сварки, так и путем устранения резких переходов от шва к основному металлу, механической зачисткой, электродуговой обра­боткой или нанесением покрытий.

Электродуговая обработка швов также более эффективна для стыковых швов и менее — для угловых [253].

Влияние покрытий изучено еще в оіраниченной степени. Так, в работе [349] было показано, что нанесение полимерных покрытий на образцы с надрезом при знакопеременном изгибе повышает их усталост­ную прочность почти вдвое, а нанесение покрытий на образцы со стыковыми соединениями — на 75%. Однако повторные испытания тех же образцов при растяжении-сжатии положительного эффекта не дали. Более действенное влияние могут оказывать металлические покрытия, нанесенные, например, путем горячего цинкования [362].

Методы устранения и перераспределения остаточных напряжений многообразны.

Высокий отпуск является наиболее универсальным способом снятия остаточных напряжений. Целесообразность использования такого приема для уменьшения искажений размеров и формы конст­рукций в процессе механической обработки, при вылеживании и эксплуатации не вызывает сомнений. Однако наряду со снятием остаточных напряжений высокий отпуск может вызвать существенное изменение структуры и свойств металла, в особенности в зонах концент­рации пластических деформаций. Поэтому значительный период време­ни целесообразность использования высокого отпуска для конструкций, работающих под переменными нагрузками, оставалась неясной, по­скольку результаты исследований различных авторов в пятидесятых годах были противоречивы [378, 344].

Дальнейшие исследования позволили раскрыть сложный характер влияния на усталостную прочность снятия остаточных напряжений высоким отпуском в зависимости от характеристики цикла, уровня

Рис.9.4.1. Выносливость образное из стали 1412 с пересекающимися швами в исходном состоянии (1) и после высокого отпуска (2) при знакопеременном, пульсирующем и асиммитричном циклах:

1 — долговечность образцов в исходном состоянии; 11 — долговечность образцов после высокого отпуска

остаточных напряжений и типа соединения [321, 317]. Так, на рис.9.4.1 можно видеть различие во влиянии высокого отпуска в зависимости от характеристики цикла R.

При прочих равных условиях положительное влияние высокого отпуска по мере увеличения степени концентрации напряжений сни­жается. Можно считать установленным, что стыковые соединения из

низкоуглеродистых и низколегированных сталей при доброкачествен­ном их выполнении работают в эксплуатации вполне удовлетворительно и без высокого отпуска. Соединения с угловыми швами, обладающие низкой усталостной прочностью, не улучшают своих качеств в резуль­тате отпуска, а, напротив, их ухудшают, в особенности при циклах RZ 0.

Однако опыт изготовления ряда сложных и ответственных сварных конструкций (котлов, сосудов высокого давления, конструкций атомной промышленности, криогенной аппаратуры и др.) показывает, что не только высокий отпуск, но в ряде случаев и более высокотемпературная термическая обработка оказываются необходимы и используются как для снятия остаточных напряжений, так и для выравнивания и улучше­ния структуры металла.

С 40-х годов ставились обширные эксперименты по изысканию методов регулирования остаточных напряжений обращением их из вредных факторов в полезные. Одним из инициаторов повышения усталостной прочности сварных соединений наложением на них полез­ных остаточных напряжений методом механического воздействия был ЦНИИТМАШ [126].

Первоначально были поставлены эксперименты по обдувке соеди­нений разных типов на дробеструйной установке. Было показано, что эффект повышения усталостной прочности в этом случае достигается созданием в поверхностных слоях, в том числе в зонах концентраторов, напряжений сжатия. Последние уменьшали остаточные напряжения растяжения, наиболее опасные в отношении возникновения трещин. Однако дробеструйная обработка позволяет получить глубину накле­панного слоя не более 0,7 мм.

Более эффективным и производительным оказался способ обра­ботки пучком проволок. По данным ЦНИИТМАШ, за 1ч возможно упрочнить 5…6 м шва, причем остаточные напряжения в обработанном слое достигают 320 МПа при глубине до 2 мм. Разработчики метода широко рекомендуют его для повышения усталостной прочности многих видов конструкций: рам тележек подвижного состава, мостовых кранов И Т. Д.

Следует подчеркнуть, что метод поверхностной обработки эффек­тивен и в соединениях с угловыми швами, а также в других соединениях с выраженными концентраторами напряжений. В сварных соединениях, не имеющих резко выраженных концентраторов, применение указан­ного метода столь эффективных результатов не дает [126].

Эффективным способом снятия растягивающих и даже создания сжимающих остаточных напряжений является перегрузка конструкций. Например, при перегрузке сварного соединения ребра с пластиной напряжениями до 0,9 отек, остаточные напряжения с 112 уменьшались до 10 МПа, а предел выносливости при R = 0 в результате этого повысился с 66 до 155 МПа [315, 67[.

Предварительная статическая нагрузка, вызывающая напряжения, равные допускаемым в основном металле, повышает усталостную проч­ность на 40-50% в соединениях стыковых, угловых, связующих [366, 14].

Был разработан метод создания полезных сжимающих напряжений в зонах концентраторов точечным нагревом и получены убедительные данные о возможности его использования для повышения усталостной прочности соединений разного типа [367, 354, 353]. Помимо точечного, делались попытки создания полезных сжимающих напряжений проіре — ванием полос металла вдали от концентраторов [80].

Недостатком этих методов является трудность определения требуе­мой зоны разогрева. Ошибка в положении зоны может привести к отрицательным результатам. Поэтому в производственных условиях метод повышения усталостной прочности путем местного нагрева распространения не получил.

Из всех приемов обработки сварных соединений наименее трудо­емкой является локальная обработка зон концентрации напряжений взрывом с целью создания в них напряжений сжатия. Предложение использовать такой метод для повышения сопротивления усталостному разрушению сварных соединений было сделано впервые в ИЭС им. Е. О.Патона в начале 60-х годов. Поздние исследования этого метода были выполнены и за рубежом.

Обработку взрывом применяют д ля снятия остаточных напряжений в стыковых швах декомпозеров для повышения их коррозионной стойкости. Использование такой обработки для повышения усталостной прочности сварных металлоконструкций еще требует преодоления ряда формальных и организационных препятствий [320].

Применительно к сварным соединениям низкоуглеродистых и низколегированных сталей данные об эффективности различных видов обработки представлены в табл. 9.4.1.

Можно видеть, что для большинства соединений приемы обра­ботки, направленные на создание сжимающих остаточных напряжений, оказываются эффективнее, чем методы, основанные на снижении концентрации напряжений. Исключение составляют стыковые соедине­ния, для которых механическая зачистка швов и эле ктродуговая обра­ботка столь же эффективны, как и поверхностный наклеп.

Приведенные в табл. 9.4.1 данные подтверждают ранее высказан­ные соображения о том, что улучшение усталостной прочности имеет главным образом качественный характер, тогда как количественное улучшение достаточно неопределенно и в зависимости от наличия дополнительных факторов может давать весьма значительный разброс результатов. Поэтому при расчете сварных конструкций в процессе проектирования использование этих данных оказывается практически

Повышение пределов выносливости сварных соединений низкоуглеродистых и низколегированных сталей (%) после различных видов обработки [320]

Источник

Способ повышения усталостной прочности сварных соединений

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства ¹â€”

Заявлено ISÕII.1972 (№ 1810924/25-27) с присоединением заявки ¹вЂ”

Оп :бликовано 25.У11 1973, Бюллетень № 31

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Г. И. Капырин, Л. В. Грищенко, С. А. Куркин, В. Ф. Лукьянов, Ю. Г. Людмирский, В. И. Петрыкин, В. Я. Харченко, H. Г. Цюрих, С,Ф. Юрьев и Ю. А. Беляков

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

Изобретение относится к сварке, конкретнее к способам повышения усталостной прочности сварных соединений крупногабаритных листовых конструкций, работающих в условиях повторно-статических нагружений.

Известен способ повышения усталостной прочности сварных соединений путем проведения упрочняющей обработки, обеспечивающей интенсивную пластическую деформацшо поверхностных слосв металла.

Предлагаемый спосоо отличается тем, чго на поверхность листов. прилегающую к сварпваемым кромкам, производят предварительную наплавку, которая является частью усиления будущего сварного шва. Окончательную сварку стыкового шва производят после прочняющей обработки околошовной зоны и прилегающей к ней части шва, образованной предварительной наплавкой.

Кроме того, упрочняющую обработку производят методом холодной прокатки между двумя роликами плп путем чеканки. илн путем дробеструйного наклепа.

На фиг. 1 представлена схема предвари тельной наплавки на поверхность листов, прилегающую к свариваемым кромкам; на фиг.

5 2 — схема прокатки околошовной зоны и прилегающей к ней части шва между узкими роликами; на фпг. 3 — схема Dûïîëíåíèÿ сварного соединения в целом.

Сварка по предлагаемому способу с ynool0 шением методом холодной прокатки производится следующим образом.

На поверхность соединяемых листов 1 з определенном расстоянии от кромок пооизво15 дится наплавка слоев 2. Затем околошовная зона и прилегающая к ней часть шва подвергается прокатке между роликами 3 при давлении, достаточном для уменьшения концентрашш напряжений, создания наклепа и благо20 приятного распределения сжимающих напряжений.

Затем производится окончательная сборка и сварка стыка соединяемых деталей конструкции.

При этом во избежание разупрочнения предварительно наклепанных зон сварного соединения окончательную сварку стыкового шва, особенно часть 4 усиления вблизи наклепанных зон, выполняют при малой погонной

Составитель Л. Коровкина

Редактор Л. Народная

Корректор О. Тюрина

Заказ 3351 Изд. № 846 Тираж 888 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

1. Способ повышения усталостной прочности сварных соединений, преимущественно крупногабаритных листовых конструкций, работающих в условиях повторно-статического нагружения, путем проведения упрочняющей обработки, обеспечивающей интенсивную пластическую деформацию поверхностных слоев металла, отличающийся тем, что. с целью упрочнения и повышения долговечности сварных соединений замкнутых конструкций, а также труднодоступных сварных соединений, на поверхность листов, прилегающую к сварнваемым кромкам, производят предварительную наплавку, которая является частью усиления будущего сварного шва, а окончательную сварку стыкового шва производят после упрочняющей обработки около5 шовной зоны и прилегающей к ней части шва, образованной предварительной наплавкой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющую обработку производят методом холодной прокатки между двумя роликами.

10 3. Способ по и. 1, отличающийся тем, что упрочняющую обработку производят путем чеканки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упрочняющую обработку производят путем

Источник

Повышение прочности сварных соединений

Прочность сварных соединений повышают конструктивными (рациональное расположение швов относительно действующих сил, целесообразная форма швов) и технологическими (защита шва от вредных воздействий при сварке, термическая обработка, упрочняющая обработка холодной пластической деформацией) приемами. Конструктивные приемы повышения прочности приведены на рис. 8.

На видах 1—3 показано последовательное усиление узла приварки фланца, нагруженного крутящим моментом, путем увеличения диаметра кольцевого шва. Сопротивление сдвигу (пропорциональное квадрату диаметра соединения) в конструкции 2 при одинаковом сечении шва в 7 раз, а в конструкции 3 в 18 раз больше, чем в конструкции 1.

При правильной конструкции шва дополнительные крепления [на резьбе (вид 4), посадках с натягом (вид 5) и др.] излишни.

В центрирующих соединениях свариваемые детали устанавливают на посадках с зазором f8, f9, e8, е9, d9, d10. При необходимости более точного центрирования применяют h7, h8, h9 и переходные k7, k8.

Целесообразно разгружать сварные швы, перенося восприятие нагрузок на участки целого материала и оставляя за сварными швами только функцию соединения деталей.

Некоторые примеры разгрузки сварных швов показаны на видах 6, 7 (стержень, нагруженный осевой силой) и на видах 8, 9 (упорный фланец).

В узле крепления крышки к обечайке цилиндрического резервуара, нагруженного внутренним давлением (вид 10), сварные швы крышки и обечайки подвергаются изгибу и сдвигу силами давления. В улучшенной конструкции 11 сварной шов обечайки разгружен заведением обечайки во фланец, а шов днища — зажатием днища между фланцами обечайки и днища.

Силовые швы следует нагружать предпочтительно на сдвиг и растяжение, устраняя изгиб.

Конструкция 12 приварного стержня нагруженного поперечной силой Р, нецелесообразна. Сила Р, повертывая стержень вокруг точки О, вызывает высокие напряжения растяжения в области, противоположной этой точке. Кроме того, шов подвергается сдвигу.

Несколько лучше конструкция 13, где стержень центрирован в гнезде детали, благодаря чему шов разгружен от сдвига. Однако опасное сечение стержня ослаблено сварным швом.

В конструкции 14 изгиб и срез силой Р воспринимают целые, не ослабленные сваркой сечения стержня. Шов практически разгружен от действия силы и служит только для фиксации стержня в детали.

Шов приварной стенки (вид 15), изгибаемой силой Р, целесообразно разгрузить введением ребра (вид 16).

Изгиб стыкового шва (вид 17) можно устранить введением накладки (вид 18), швы которой работают преимущественно на растяжение. Стыковой шов в этой конструкции работает на сжатие.

Стыковое соединение уголков (вид 19) недостаточно прочное. Целесообразнее сваривать уголки по плоскости полок (вид 20) с усилением (для тяжелых условий работы) косынками (вид 21).

Косынки целесообразно приваривать не встык (вид 22), а внахлестку (вид 23).

Приварные ребра рекомендуется располагать так, чтобы они работали не на растяжение (вид 24), а на сжатие (вид 25), что практически полностью разгружает сварные швы.

На видах 26—29 показано последовательное усиление листового соединения, нагруженного растягивающей силой Р и изгибающим моментом М_изг. Сравнение прочности различных конструкций приведено в табл. 3.

Прочность стыкового соединения 26 принята за единицу.

Приварные листы, накладки, косынки и т. д. большой протяженности и малой толщины целесообразно, помимо обварки по контуру, соединять с основной деталью точечной сваркой (вид 30) во избежание отставания листов при деформациях системы.

Косые швы соединения внахлестку (вид 31), подвергающиеся растяжению, испытывают дополнительные нагрузки от сдвига вдоль линии шва. В уравновешенном соединении с двусторонним скосом (вид 32) швы разгружены от сдвига.

На видах 33—36 показаны конструкции узла сварки швеллеров. В соединении со швеллером, расположенным полками вверх (вид 33), верхние участки m вертикальных сварных швов подвергаются высоким напряжениям растяжения от действия силы Р.

В конструкции со швеллером, расположенным полками вниз (вид 34), силу воспринимает горизонтальный шов n большой протяженности; слабые конечные участки вертикальных швов испытывают сжатие.

В конструкции с присоединением шнеллера в шип (вид 35) сварные швы разгружены от изгиба силой Р; изгибающий момент воспринимают фланговые швы и поперечный шов t, испытывающий сдвиг. На виде 36 изображено соединение, усиленное косынкой.

Следует избегать внецентренного приложения сил, вызывающего изгиб шва.

Отбортованные швы в узлах, подвергающихся растяжению (вид 37), испытывают изгиб. Целесообразнее конструкции со стыковым швом (вид 38). В узле приварки днища к цилиндрическому резервуару с отбортовкой (вид З9) сварной шов под действием внутреннего давления подвергается изгибу. Стыковой шов (вид 40) испытывает преимущественно растяжение.

Следует избегать расположения сварных швов в зоне высоких напряжений.

В сварных балках, подвергающихся изгибу, целесообразно располагать швы не у полок (вид 41), а у нейтральной линии сечения (вид 42), где нормальные напряжения имеют наименьшую величину.

В соединениях, подверженных действию циклических и динамических нагрузок, следует избегать расположения сварных швов на участках концентрации напряжений, например, в переходах от одного сечения к другому (вид 43). Шов в этих условиях подвергается повышенным напряжениям. Кроме того, повышается концентрация напряжений вследствие неоднородности структуры шва.

Улучшенная конструкция приведена на виде 44.

Если вывести шов за пределы участка концентрации напряжений невозможно, то рекомендуется применять вогнутые швы (вид 45) с глубоким проплавлением, достигаемым сваркой короткой дугой.

Профиль шва должен быть по возможности симметричен относительно действия нагрузок. В тавровых соединениях, подвергающихся растяжению (вид 46), целесообразно применять двусторонние швы (вид 47). Соединения внахлестку (вид 48) следует по возможности заменять стыковыми (вид 49). В стыковых соединениях целесообразно применять двустороннюю разделку кромок (вид 51), так как в соединениях с несимметричным швом (вид 50) происходит искривление силового потока, сопровождающееся концентрацией напряжений.

Сопротивление усталости сварных швов можно значительно повысить механической обработкой с приданием шву рациональной формы, уменьшающей концентрацию напряжений.

Угловые швы целесообразно обрабатывать по радиусу с плавным переходом к поверхности соединяемых деталей (вид 52). Стыковые швы обрабатывают заподлицо с поверхностью изделия, удаляя наплывы (усиления) как со стороны основного шва, так и со стороны подварки (вид 53).

Для плавного соединения шва со стенками изделия в большинстве случаев необходимо одновременно с обработкой шва подрезать стенки (штриховые линии на видах 52, 53), для чего следует предусмотреть припуски (с) на обработку.

На рис. 9 приведены кривые усталости стыкового соединении с «усилениями» (нижние кривые) и после их удаления механической обработкой (верхние кривые). Тонкие линии — кривые усталости для соединения без термической обработки, жирные — после стабилизирующей термической обработки (отжиг при 670°С). Как видно из графика, снятие «усилений» повышает циклическую прочность приблизительно в 2 раза, а термообработка на 15—20%.

Значительно (на 30—40%) повышает циклическую прочность заглаживающее оплавление швов вольфрамовым электродом в атмосфере аргона.

Упрочнение швов пластической деформацией в холодном состоянии (накатывание, дробеструйный наклеп, чеканка пневматическим инструментом с пучковыми чеканами) позволяет довести сопротивление усталости шва до прочности основного металла.

Источник