§ 2. Прочность сварных соединений

ИЗ СТАЛИ, ВЫПОЛНЕННЫХ ДУГОВОЙ СВАРНОЙ,

ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ

, В сварных соединениях предел выносливости зависит от ма­териала, технологического процесса сварки, от формы конструк­ции, а также от рода усилия и характеристики цикла нагруже-ния. Влияние технологического процесса сварки на прочность при переменных нагрузках изучается на образцах стандартного типа, имеющих стыковые швы.

Прочность при переменных нагрузках со­единений, сваренных встык, в зависимости от технологического процесса сварки. Дефекты тех­нологического процесса сварки — шлаковые включения, поры, окислы в наплавленном металле, трещины, непровары и т. п.— вызывают концентрацию напряжений. Зоны с такими дефекта­ми представляют собой очаги разрушений при переменных на­грузках. Хороший провар, плотность н однородность наплавлен­ного металла играют существенную роль в полунении высокого предела выносливости.

Как показали результаты многочисленных опытов, при свар­ке малоуглеродистых и ряда низколегированных конструкцион­ных сталей отношение al-i/c-i —0,9-> 1 н выше, где o"-j — предел выносливости образца из основного металла при симметричном цикле; a~t — предел выносливости сварного соединения встык. Величины предела выносливости при автоматической сварке более постоянны, чем при ручной. Это объясняется однород­ностью качества сварных швов.

Наивысшей прочностью при переменных нагрузках обладают соединения встык с прямыми и косыми швами. Предел выносли­вости соединений этого рода почти достигает предела выносли­вости основного металла. Прочность при переменных нагрузках стыкопых швов превышает прочность при переменных нагрузках образцов из основного металла, имеющих ослабление в форме заклепочных отверстий.

На рис. 10-4 приведены сводные результаты определения. <г_в и a-i соединений сталей и алюминиевого сплава Д16Т. Верти­кальной штриховкой указаны величины пределов прочности об-

222

разцов из основного металла, незаштрихованпые полосы пока­зывают их пределы выносливости при симметричных циклах на-гружений; наклонно штрихованные указывают значения преде­лов выносливости сварных соединений при тех же циклах.

Видно, что высокими пока­зателями усталостной проч­ности относительно предела прочности обладают стали ма­лоуглеродистые (Ст. 3, сталь 20). Аустенитиые стали, высо­копрочная сталь марки 30ХГСНА, сплав марки Д16Т имеют низкие относительно <у_а значения a-i и crij-

Стали повышенного каче­ства наиболее эффективно ис­пользуются в условиях стати­ческих нагрузок и переменных при г>0. Если конструкция имеет высокие значения коэф­фициентов концентрации па-пряжений и г приближается к —1, то эффективность приме­нения высококачественных ста­лей резко понижается.

Высокий предел выносливо­сти имеют также соединения, сваренные контактно-стыко­вым методом с оплавлением,

при котором a'-i приближает­ся к a-i.

Если известен предел вы­носливости основного металла стандартного образца при сим­метричном цикле, то можно вычислить предел выносливо­сти сварного соединения при произвольном цикле по фор­муле (если напряжение растяжения больше напряжения сжа­тия)

Рнс. 10-4. Пределы прочности и вы­носливости сталей и сплава Д16Т при симметричных нагружеииях:

вертикальная штриховка —<*_а основного металла; незаштрихованпые полосы — s__j. основного металла; косая штриховка —

о'__\ сварного соединения

2с

-1

где

Кэ + *-(Кз -Ъ)Г

:ю.з)

7 = °~i/^ff_B;

<y-i—предел выносливости основного металла при симмет­ричном цикле;

223

<7₈ — предел прочности основного металла;

г — характеристика цикла; /С₉ —эффективный коэффициент концентрации напряже­ний. При наличии технологических дефектов в шве прочность сварных соединений при переменных нагрузках резко падает. На рис. 10-5 приведены результаты испытаний сварных соеди­нений стали Ст. 3 с непроваром в корне стыковых швов. Даже небольшой непровар шва образует надрез и концентрацию на­пряжений, которые снижают прочность стыковых соединений при переменных нагрузках, Подварка корня стыкового шва по­вышает его усталостную прочность.

Ю² Ю³ Ю⁴ Ю⁵ 10^s

Число циклей погружении N

Рис. I0-5. Диаграмма выносливости сварных швов с непроварамн:

/ -непровар 0%; 2 — 5^10%; 3 - 12-*17%; 4 - 23 - 25 К: 5 — 45-50%

Влияние непровара на уменьшение усталостной прочности сварных соединений зависит от рода материала. Очень чувстви­тельны к непроварам сварные соединения из аустепитных ста­лей типа 1Х18Н9Т и титановых сплавов.

Кривые /, 2 (рис. 10-5) построены по результатам испытаний стали ЗОХГСНА; 3,4 — стали 1Х18Н9Т, 5 — алюминиевого спла­ва Д16Т.

Выпуклые стыковые швы имеют предел выносливости более низкий, чем гладкие; весьма хорошие результаты получаются при снятии усилении стыковых швов.

224

Доказана возможность получения соединения с хорошей прочностью при пе^менных нагрузках не только при сварке прокатных элементов с прокатными, но и при сварке литых де­талей с литыми или прокатных с литыми.

Прочность при переменных нагрузках соеди­нений втавр и внахлестку. Прочность при переменных нагрузках соединений втавр зависит в значительной степени от подготовки кромок. Экспериментально доказано, что предел вы­носливости соединения втавр, сваренного с под­готовкой кромок, выше, чем без подготовки.

Основной металл

0D5 Щ 0,2 0,5 1,0 2,0

Миллионы циклод наоружений N

Рис. 10-6. Пределы выносливости спор­ных соединений втавр в зависимости от разделки кромок:

1 ~ основной металл; 2~ образец, с&арегшый

на автомате с .разделкой кромок; 3 — то же,

сваренный вручную; 5 —то же без разделки

кромок, сааренаый автоматом

4,0 0,5 0 0,5 1,0 г Характеристика нааружения

Ряс. 10-7. Пределы выносливости

сварных соединений в зависимости

от характеристики г;

I, 2 — образцы с более острыми кон­центратами; 3, 4 — то же с менее острыми

Причиной пониженной прочности при переменных нагрузках соединений с угловыми швами является концентрация напряже­ний из-за непровара кромок. При сварке тавровых соединений на автоматах под флюсом глубина проплавления больше. Это обстоятельство улучшает работу соединений, подвергающихся переменным нагрузкам (рис. 10-6).

Прочность соединений внахлестку и с накладками, работаю­щих при переменных нагрузках, низка. Причиной этого является концентрация напряжений, имеющая место в соединениях этого рода. Она образуется в основном металле вблизи угловых швов,

15 823

225

Схемы 8идо8 сдарных соединений

Вид 8 плане

Разрезы

СтЗ

ЖИЛ

дез сбарщ | Основной i металл

Стыковое соединение

10

С фадотои стыкадигп шда

Ю

Технологическим путем

12

J Осщсстдлсшш плаоныа пере ^ «Я? (W шВа. к основному металлу

135

Ж

тт

(■—1

lies механической офадотка, обычного качества.

U

Ж

| Ручная _п

_\сбарка

16

2.2

Г

wz.

i стенки

2.0

Ж

+-£^шТтз\

2.3

b-2a

3,2

ш

-И82Д

^

Го же, что Ж ера а=д

3.0

и.

ЗА

4А

W

1

4*

поясов

4.0

Рис. 10-8. Эффективные коэффициенты концентрации К₉

сварных соединений сталей марок Ст. 3 и 15ХСНД (чем

ближе Л"_э к единице, тем лучше работает соединение)

Таблица 10.2

Эффективные коэффициенты концентрации

Схемы видов сварных соединений

Соединение втавр (впритык) ' без разделки кромок

То же, с разделкой кромок

То же, с плавным переходом

■^r-EZSS ' y/V-vj—*•

Образец с одиночным ребром жесткости

**r^77ffr/;/J/777?b~*»

То же, с односторонним швом

■*~P?/SS?M////S?i-+

2,2-2,8

1,6 1,0

1,3

1,9

Примечание. При двусторонних ребрах жесткости К_э существенным ое эом не меняют своей величины.

между швами, в поперечных сечениях самих швов, по длине швов вследствие неравномерного распределения усилий.

Соединения, сваренные лобовыми швами, при отношении ка­тетов 2:1, когда механическая обработка отсутствует, имеют предел выносливости 8,1-^-10,9 кГ/мм², а при ее наличии — 11,3 кГ/мм². Соединения с фланговыми швами обычного типа имеют предел выносливости 7,6 кГ/мм², а в соединениях с выточ­ками в накладках у начала фланговых швов он повышается до 9 кГ/мм².

Указанные выше данные получены при испытании соедине­ний из стали марки Ст. 3 при растягивающих усилиях и харак­теристиках циклов, близких к пульсирующим (г—1/7). Эти дан­ные указывают на низкие усталостные свойства соединений

227

с угловыми швами ы на возможность их повышения путем при­менения улучшенных конструктивных форм и технологической обработки.

Влияние типа соединений на прочность при переменных нагрузках. На рис. 10-7 приведены кривые, характеризующие величины предела выносливости для разных типов сварных соединений из стали 37.

На рис. 10-7 кривая 1 получена для сварных соединений с наиболее резкими концентраторами напряжений; кривая 4-— с наиболее слабыми концентраторами; кривые 2 я 3 — с проме­жуточными. Экспериментально показано, что при испытании сварных соединений из более прочных сталей кривые /—4 (рис. 10-7) падают еще более резко.

На рис. 10-8 приведены эффективные коэффициенты концент­рации Д"_э, полученные опытным путем при испытаниях сварных соединений и элементов конструкции из стали марки Ст. 3 и ста­ли 15ХСНД. Значения коэффициентов концентрации К_а для сварных соединений Ст. 3 приведены в табл. 10.2. Значения эф­фективных коэффициентов концентрации К, для узловых пере­ходов приведены в табл. 10.3. В рассмотренных случаях разница в значениях Д"_э невелика.

Наименьшие значения К_э имеют соединения встык, наиболь­шие— _с фланговыми швами. В конструкциях из низколегирован­ной стали 15ХСНД коэффициенты К_э выше, чем в конструкци­ях из стали Ст. 3.

Таблица 10.3

Виды соединений

При поясах 20ХШ0

То же, при поясрх 10X130 То же, при поясах 10X130

То же, при поясах 10X210

1,0

1,26 1,0

1,49

228

На рис. 10-9 изображены различные виды сварных соедине­ний и их пределы выносливости (цифры указаны на оси орди­нат) при испытаниях в условиях пульсирующих циклов г^=0. В то время как предел выносливости целой полосы составля­ет 25 кГ/лш², стыкового шва —23 кГ/мм², таврового соединения с необработанными угловыми швами —7 кГ/мм².

Расположение образцов согласно полученной величине предела выносливости

Ри.\ 10-9. Пределы выносливости сварных соединений из стали 37 при г = 0:

/ — целая полоса; 2 — полоса с отверстием; 3 — модель соединения с лобовыми шва­ми; 4—'Шов обработан, подварен; 5 — шов не обработан, подварен; б — шов без подзара; 7 — крестовое соединение, швы не обработаны; 8 —то же, швы обработа­ны; 9 — соединение с заклепками; 10 — поперечный валик без обработки; // — косой сть.ковой шов обработай, подварен; 12 —то же, не обработан, подварен; 13 — флан­говые швы, обработанные