§ 3. Усталостная прочность сварных соединений элементов больших толщин

Экспериментальным путем установлено, что усталостная прочность сварных соединений элементов больших толщин, сва­ренных электрошлаковым способом, из котельных сталей мар­ки 22К, а также из углеродистых, например марки 35Л, удовлет­ворительна. В табл. 10.4 приведены данные испытаний сварных образцов на выносливость при изгибе с симметричным циклом нагружения.

С увеличением размера сварного элемента предел усталости несколько снижается. Однако достаточная прочность сварных соединений при переменных нагрузках позволяет применять

229

Таблица 10.4 Предел выносливости образцоя больших сечений

	Предел выносливости стал» НэЛ,
Диаметр	к! jmm'j
образца,
мм	основного металла поело	сояриых
	термической обработки	соединении
20	11,5-;- 14,5	15,5
200	7,0ч-11,0	7,5

электрошлаковую сварку в самых ответственных машинострои­тельных конструкциях.

Механические характеристики металла зависят от темпера­туры испытаний. Пределы прочности и текучести образцов сече­нием 52X^5 мм достигают наибольших значений при температу­ре, приближающейся к 300° С. Это присуще некоторым низко­легированным сталям, например 16НГМ (0.17С; 0,19Si; 0,14Мп; 0,16Сг; 0,62Мо), Отношение a-i/ff_B для этой стали имеет наи~ меньшее значение при 7=100 н-200° С и наибольшее при Г = 350— 410° С.

Заметное влияние на повышение усталостной прочности свар­ных элементов 65X75 мм из малоуглеродистой стали 22К ока­зывает термообработка сварных конструкций (табл. 10.5).

Таблица 10.5 Пределы выносливости сварных соединений элементов больших толщин

Вид соединения	Термообработка	к	Г', мм"
Основной металл	Состояний поставки		18,5
Соарное соединение с V-образным швом, сварка вручную	Исходное после свар­ки		7,5
То же	Отпуск 620°		33,5
То же, усиление шва'снято	Исходное после свар­ки		10,5
То же	Отпуск 020°		11,5
"	Нормализация 030° if отпуск 620"	17	5-13,5

Как следует из приведенных данных, при сварке элементов больших толщин термическая обработка, особенно в сочетании со снятием усиления, приводит к заметному повышению уста­лостной прочности.

230

§ 4, Усталостная прочность сварных соединений при контактной сварке

Соединения, выполняемые контактной стыковой сваркой, обладают высокими механическими свойствами не только при статических, по и усталостных нагрузках. При снарке малоугле­родистых и многих низколегированных сталей соединения, сва­ренные контактным стыковым способом, имеют предел вынос­ливости, равный пределу выносливости основного металла. На­пример, для соединений малоуглеродистых сталей, испытывае­мых при симметричном цикле (г —— 1), предел выносливости достигает 16 -г- \9 кГ/mai². Большое влияние на усталостную прочность оказывает качество провара сты­ка, а также состояние его поверхности. При грубой обработке по­верхности предел вы­носливости меньше; при, гладкой и особен­но полированной боль­ше. Стыковые соедине­ния, сваренные кон­тактным способом, поч­ти не обладают кон­центрацией напряже­ний и поэтому рацио­нальны.

Усталостная проч­ность точечных соеди­нений значительно уступает стыковым. То­чечные соединения условно рассчитывают

по напряжениям среза. Однако их разрушения при работе под переменными нагрузками всегда происходят в результате раз­рывов металла в надточечной или околоточечиой зонах. Эти разрушения вызваны концентраторами напряжений. Усталост­ная прочность точечных соединений в очень большой степени зависит от того, являются ли они связующими или несут рабо­чие усилия, от рода материала и степени его чувствительности к концентраторам напряжений.

Данные экспериментов показывают, что пределы выносливо­сти рабочих точек намного ниже, чем связующих, что наименее чувствительны к концентраторам точечные соединения из мало­углеродистых сталей, более чувствительны из аустеиитных ста­лей 1Х18Н9Т и ЗОХГСА в закаленном состоянии.

Рис. 10-10. Пределы выносливости точечных

соединений из титанового сплава: и) 'пшы образцов 1—1; б) six пределы выносливости;

в)

ацколяльяы!! тип соединения о жесткой наклад­ной

23 J

На рис. 10-10,6 наглядно показано, как падает усталостная прочность образцов из титанового сплава BTl_t в зависимости от вида сварного соединения (рис. 10-10,а). При рабочих точках (образец 4) усталостная прочность составляет 3,5 кГ/мм², при связующих (образец 2) — 23 кГ/мм². Верхние цифры па рис. 10-10,6 указывают величины пределов прочности испытуе­мых образцов.

Усталостная прочность в сильной степени зависит от вида сварного точечного соединения. Чем больше шаг между точка­ми в ряде, направленном перпендикулярно действующей силе, тем выше концентрация напряжений и ниже усталостная проч­ность. При односторонних накладках целесообразно осуществлять соединения топками с применением на­кладок повышенной жест­кости, например, как указа­но на рис. 10-10,0. При этом уменьшается эффект изгиба и повышается сопротивле­ние усталостным разруше­ниям.

При наличии нескольких точек, стоящих в продоль­ном ряду, удельная уста­лостная прочность (разру­шающая нагрузка, отнесен­ная к одной точке) не­сколько повышается по сравнению с одноточечным соединением.

В соединениях с двух-срезнымн точками усталост­ная прочность повышается почти в 3 раза по сравне­нию с односрезными. Качество сварных точек, особенно рабочих, имеет также зна­чительное влияние на усталостную прочность. Опытным путем установлено, что внутренние трещины в точке оказывают неболь­шое влияние на разрушающую нагрузку, наружные же трещи­ны могут снизить ее в 3 и более раза.

Очень большое влияние на усталостную прочность точек ока­зывает характеристика цикла испытаний (рис. 10-11). При зна­копеременных нагружениях предел выносливости снижается в несколько раз, по сравнению с пульсирующими и знакопосто­янными циклами.

0,8 Об 0,4 %2 0 0,2 0,4 в,6 8,8 Н г Харакжриотит ц&к/га

Рис. 10-11. Пределы выносливости

точечных соединении в зависимости

от характеристики циклон

232

Технологическими мероприятиями можно значительно повы­сить прочность точек, работающих под переменными нагрузка­ми. Наиболее рациональным является обжатие их в машине при остывании (при ковочном давлении). Такая операция называет­ся проковкой. Она преследует две цели: образование пластиче­ской деформации и повышение предела текучести, а также соз­дание в зоне точки сжимающих остаточных напряжений, кото­рые являются полезными для соединения. В результате их присутствия сопротивляемость усталостным разрушениям повы­шается в 1,4-ь- 2,0 раза.

При обработке специальным инструментом в результате обжатия можно повысить усталостную прочность сварных точеч­ных соединений в 2,5^-3 раза.

Усталостная прочность соединений, выполненных роликовой сваркой, ниже, нежели стыковой, но выше, чем точечной, так как концентраторы напряжений в роликовых соединениях имеют менее острый* характер.

Таблица 10.6 Коэффициенты К., точечных соединений

	Состояние металл;!	Толщины соединяемых частей, мм	Л'э
Марка материала			екнзую- ЩИ« точки	рабочие точки
Сталь 10 Сталь 1Х18Н9Т Титановый сплав Алюминиевый сплав Д16Т Сталь ЗОХГСА	Нормализованное Нагартованное Состояние поставки Состояние поставки При ав=65 кГ/мм*	3-1-3 1.5+1,5 1,5+1,5 1,5+1,.) 1,5+1,5	1,4 2,0 2,0 2,0 2,0	7,5 12,0 10,0 5,0 12,0

Таблица 10.7 Коэффициенты К₇, роликовых соединений

	Состояние MiTa.'i.'ia	Толщины соединяемых частей, мм	соединений
Марка материала			связую­щих	рабо­чих
Ст. 10 Ст. 1Х18Н9Т Титановый сплав BTI Алюминиевый сплав Д16Т	Нормализованное Нагартованное Состояние поставки Состояние поставки	3+3 1,5+1,5 1,5+1,5 1,5+1,5	1,25 2 1,3 1,3	5,0 7,5 5,0 2,25

233

Следует отметить, что конструкции, выполненные точечной и роликовой сварками, в некоторых областях техники подверга­ют испытаниям при низкой частоте загружении и доводят до разрушения при нескольких десятках тысяч загружении. Такие испытания называются повторно статическими. Многие явления, свойственные поведению образцов под усталостными нагрузка­ми, имеют место при повторно статических нагрузках. Прочность образцов при повторно статических нагрузках зависит от нали­чия концентраторов в соединениях, свойств материала и каче­ства сварных соединений.

Примерные величины эффективных коэффициентов концент­рации напряжений К„ для точечных и роликовых соединений приведены в табл. 10.6 и 10.7.