Влияние процесса сварки на выносливость

При некоторых условиях растягивающие напряжения снижают предел выносливости на 50%. Экспериментально установлено, что в образцах с растягивающими остаточными напряжениями ограниченный предел выносливости снижается. В сварных соединениях места концентраторов напряжений совмещаются с зоной термического влияния сварки. Возникающие при этом пластические деформации производят наклеп и упрочняют соединение, повышая предел текучести. Статическая прочность соединений повышается.

При анализе результатов испытаний некоторых крестовых проб с растягивающими остаточными напряжениями обнаружено повышения _-1 после отпуска и предварительного растяжения. Однако детальный анализ показал, что с повышением _-1 существенную роль играет не создаваемый сваркой наклеп и не предварительное растяжение, а возникающие в корне шва остаточные напряжения сжатия. Соединения с резкими концентраторами, не применяют в конструкциях, которые испытывают переменные нагрузки. В соединениях с менее острыми концентраторами обнаружены схожие закономерности.

Исследована зависимость _-1 как от пластической деформации металла, так и от растягивающих напряжений. Пластическое деформирование образцов достигалось наплавкой металла в зоне концентратора. Растягивающие остаточные напряжения создавались сварными швами вдоль образца из низкоуглеродистой стали. Наплавочные валики сострагивались. Величина остаточных напряжений создавалась на уровне 160-170 МПа. В результате установлено, что пластическое деформирование металла не оказывает существенного влияния на _-1. Еще более резкое снижение _-1 происходит в образцах с пересекающимися швами. Во всех опытах установлено, что при высоком уровне внешних нагрузок, 200 МПа, т.е. близки к _Т, выносливость образцов с высокими и низкими остаточными напряжениями практически одинакова. С понижением уровня переменных напряжений остаточные напряжения усиливают свое действие и в одинаковой степени снижают долговечность сварного соединения с неизменным и изменяемыми пластическими деформационными свойствами. В равной степени это относится и к соединениям из низколегированных сталей обычной и повышенной прочности.

Степень влияния растягивающих остаточных напряжений на сопротивление усталости существенно зависит от асимметрии цикла, вида сварного соединения и характера передачи силового потока. Наибольшее падение _-1 наблюдается при симметричном цикле нагружения. С ростом асимметрии роль остаточных растягивающих напряжений ослабевает. Для стыковых и нахлесточных соединений, т.е. соединений с относительно небольшой величиной остаточных напряжений, изменение _-1 наблюдается, в основном, для знакопеременных нагрузок. Для тавровых соединений, которыми прикрепляют конструктивные элементы (ребра, проушины, диафрагмы, фасонки), растягивающие остаточные напряжения могут проявить свое влияние и в области однознаковых переменных напряжений.

С ростом предела текучести основного металла возрастает и величина остаточных напряжений в сварном соединении. Вследствие этого, а так же из-за большей чувствительности высокопрочных сталей к концентраторам напряжений наблюдается выравнивание _-1 сварных соединений из сталей разной прочности. При асимметричных нагружениях, а также после снятия остаточных напряжений, в соединениях с концентраторами предел выносливости возрастает при переходе к более прочным сталям.

Установлена формула для вычисления коэффициента асимметрии r, выше значения которого по условиям усталости становится целесообразным использование стали повышенной прочности:

- допускаемое напряжение по статической прочности;

- предел выносливости сварного соединения при r=1

Противоположное действие оказывают сжимающие остаточные напряжения. При определенных условиях они существенно повышают сопротивление усталости сварных соединений. Снятие растягивающих остаточных напряжений и создание в зоне сварного соединения сжимающих остаточных напряжений может быть достигнуто различными способами. Условно их разбивают на две группы: способы общей обработки конструкции или ее элементов и способы местной обработки. К первой группе относят высокий отпуск и перегрузку конструкции, ко второй – упрочняющий наклеп, местный нагрев, точечное или линейное обжатие, взрыв.

Стыковые соединения после высокого отпуска увеличивают _-1 на 50-100% при симметричном цикле. При отнулевом цикле отпуск не увеличивает долговечность, а при асимметричных пульсирующих циклах более долговечными оказываются образцы, не подвергшиеся отпуску. При прочих равных условиях разность между пределами выносливости отожженных и не отожженных образцов уменьшается по мере увеличения концентраций напряжений. В связи с этим области рационального применения отпуска сужаются при переходе к соединениям с большей концентрацией напряжений. Стыковые соединения при пульсирующей нагрузке не увеличивают _-1, а нахлесточные соединения с фланговыми швами даже снижают _-1 после отпуска. Для очень острых концентраторов _-1 не увеличивается даже для знакопеременного нагружения. В тоже время сварное прикрепление конструктивных элементов, то есть с высокими остаточными напряжениями и низким коэффициентом концентрации напряжений, заметно увеличивают выносливость после отпуска не только при знакопеременных нагрузках, но и при однозначных нагружениях.

Рисунок 34. Остаточные напряжения:

1 – в исходном состоянии; 2 – после высокого отпуска.

Перегрузка конструкции в ряде случаев может оказаться более простой и эффективной мерой снятия растягивающих остаточных напряжений, а зачастую и способом создания сжимающих остаточных напряжений. Положительное влияние на выносливость предварительного нагружения наблюдалось в ряде исследований. При симметричных циклах на переменный изгиб испытывались двутавровые балки. После перегрузки долговечность отдельных балок заметно увеличивалась. Наблюдаемое повышение предела выносливости происходит за счет влияния двух факторов: наклепа металла вблизи концентраторов напряжений и возникающих в тех же зонах сжимающих остаточных напряжений. При перегрузке, создающей напряжения порядка _t долговечность повышалась на 70-80%.

Однако при статической перегрузке целой конструкции трудно достичь напряжений, равных пределу текучести во всех сварных узлах. Поэтому в ИЭС им. Патона исследовано влияние меньших перегрузок, вызывающих номинальные напряжения ниже или на уровне допускаемых. При симметричном и пульсирующем циклах нагружения отмечено увеличение долговечности на 40-50% при действии однократной перегрузки, превышающей номинальную нагрузку на 25%. То есть сравнительно невысокие перегрузки также приводят к существенному повышению сопротивления усталости сварных соединений.

Получение кратковременных начальных напряжений в кон­струкции, близких к пределу текучести материала, облегчается при использовании вибрационного нагружения. Такой способ сня­тия остаточных напряжений, разработанный в Югославии, используют на практике. Сущность способа заключается в том, что при помощи механи­ческого вибратора сварную конструкцию в течение определенного времени (до 30 мин, обычно 15-10 мин и менее) подвергают воздей­ствию переменных напряжений соответствующего уровня. Вибри­рование, как правило, осуществляют в резонансном режиме. Накла­дываемые переменные и остаточные напряжения в сумме должны превышать предел текучести материала при знакопеременных напряжениях. Для ряда материалов величина предела текучести при циклическом нагружении заметно снижается по сравнению с пределом текучести в условиях статического нагружения. В этом случае снятие остаточных напряжений происходит при меньших переменных напряжениях. Наиболее пригоден этот способ для листовых конструкций, имеющих малую изгибную жесткость, а следовательно, и низкую частоту собственных колебаний.

Для снятия остаточных напряжений разработан вибронатяжной метод, применяемый к тонколистовым деталям конструкций. Он предусматривает комбинацию статического и вибрационного нагружения. Пластины (толщиной 2 мм) подвергаются статическому растяжению, равному 40-200 МПа и дополнительному вибрационному нагружению, вызывающему напряжения 12-40 МПа. Установлено, что интенсивность снятия остаточных напряжений падает в течение 2 минут независимо от величины переменных напряжений. Наложение вибрационных нагрузок на статические заметно интенсифицирует процесс снятия остаточных напряжений. Растягивающие остаточные напряжения снижаются на 20-40%.

Наряду с методами обработки всей конструкции применяют способы местной обработки, основанные на создании в местах расположения концентраторов сжимающих остаточных напряжений путем наклепа или нагрева. Поверхность наклепа получают дробеструйной обработкой, обкаткой роликами, чеканкой и т.п.

Наиболее производительна обработка многобойковым упрочнителем (пучком проволоки). С помощью этого чеканя­щего пневматического инструмента можно за 1 ч упрочнить 5-6 м сварного шва. Преимуществом пучковых упрочнителей по срав­нению с однобойковыми чеканами является также возможность обработки швов с неровной поверхностью. Этого достигают за счет значительной длины проволоки, составляющей пучок, и разной степени их продольного изгиба.

Если дробеструйная обработка позволяет получить наклеп глубиной не более 0,7 мм, то при обработке пучком проволоки глубина может составлять свыше 2 мм. Твердость поверхностного слоя пластины из стали Ст3 в результате упрочнения повышается с HV163 до HV230. Разработано несколько типов упрочнителей, отличающихся один от другого энергией удара, размерами и формой пучка проволоки. Упрочнители всех типов работают от сети сжатого воздуха при давлении 0,4-0,5 МПа.

Метод поверхностного наклепа рекомендуется для обработки швов балочных конструкций, в том числе мостовых кранов и тележек подвижного состава. В этих конструкциях наблюдаются усталостные разрушения сварных соединений в зонах резкого изменения площади сечения элементов, местах прикрепления дополнительных деталей, пересечения швов. В результате поверхностного наклепа угловых швов предел выносливости повышается на 27-40%.

Сравнительная оценка влияния наклепа в зависимости от прочности стали получена при испытании на изгиб плоских консольных образцов с лобовыми швами и двутавровых балок с накладками, которые имели лобовые и фланговые швы. Сопоставлялись образцы из Ст3 и низколегированной стали 15ХСНД, _р=160 и 225МПа. После обработки пневматическим молотком швов образцы из низколегированной стали показали лучшие результаты, чем низкоуглеродистые. Применение поверхностной обработки к дефектным швам не восстанавливает сопротивление усталости. В то же время вырубка и заварка дефектного участка с последующей упрочняющей обработ­кой повышают сопротивление соединения усталостному разруше­нию до уровня бездефектного.

Существует способ создания местных сжимающих остаточных напряжений с помощью точечного нагрева. Опыты проводились на образцах в виде пластин с фасонками.

Рисунок 35. Точечный нагрев

После нагрева вблизи концентратора выносливость повышалась вдвое. Разрушения происходили вдали от сварных швов. Установлено, что концентратор должен располагаться в секторе 45 по отношению к месту нагрева и на удалении 8-18 мм.

Установлено, что повышение выносливости происходит при нагреве значительных полос металла вблизи концентраторов напряжений. Испытывали образцы в виде пластин с приваренными планками и ребрами. Полосу металла нагревали вдоль швов до 300-350 пламенем газовой горелки, перемещающейся на расстоянии 30-60 мм от соединения. Нагрев обеспечивал перераспределение остаточных напряжений. Вместо растягивающих напряжений в зоне шва появлялись сжимающие, а растягивающие переносились в зону нагрева, где не было концентраторов напряжений. Долговечность повышалась до 7 раз.

Когда точно известно место зарождения усталостной трещины, то рекомендуют местную закалку, то есть местный нагрев участка с последующим быстрым охлаждением. Испытания проводили на пластинах с планками, приваренными фланговыми швами. Концы фланговых швов нагревали до 550С кислородно-пропановым пламенем в течении 5 мин., и затем охлаждали струей воды в течении 5 с. Предел выносливости повышался на 120%. Чтобы исключить мартенситные превращения, нагрев ограничивали температурой 500-550.

В местах окончания продольных угловых швов сжимающие остаточные напряжения могут быть получены не только нагревом, но и механическим путем. Исследовали пластины с ребрами, приваренными фланговыми швами. Обжатие на прессе концов фланговых швов шариком 20 мм приводило к повышению предела выносливости на 70%. Усталостная трещина развивалась в наплавленном металле шва, где остаточные напряжения оставались растягивающими.

Для соединений с лобовыми швами используют линейное обжатие. Создаваемые при обжатии сжимающие остаточные напряжения повышали предел выносливости _-1 на 40-110%, долговечность повышалась в 5-10 раз.

При необходимости выполнения больших объемов работ и для упрочнения в труднодоступных местах рекомендуют обработку соединений взрывом. При взрыве происходит глубинное упрочнение изделий. Создающееся взрывом давление ≈10000 атм. изменяет механические свойства металла, в результате чего существенно повышаются пределы текучести, прочности и выносливости. В этом способе обработке подвергают только поверх­ностные слои металла в месте перехода к сварному шву. Локальная взрывная обработка значительно меньшей интенсивности, чем при общей глубинной обработке, направлена главным образом на создание в местах концентрации сжимающих остаточ­ных напряжений. Вдоль линии сплавления шва с основным металлом размещают цилиндрические заряды насыпного взрывчатого вещества — гексогена, заключенного в гибкую хлорвиниловую трубку. Ме­жду зарядами и поверхностью образца находится двухмиллиметровый слой пластилина, который служит переда­точной средой при воздействии взрыв­ной волны на поверхность образца и для прикрепления зарядов к изделию. Все заряды взрывают одно­временно с помощью электродетонатора. После взрывной обработки сопро­тивление образцов усталостным раз­рушениям существенно повышалось, долговеч­ность соединений возрастала до 3-5 раз.