§ 5. Усталостная прочность сварных

СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ,

СВАРЕННЫХ ДУГОВОЙ СВАРНОЙ

Наиболее высокую усталостную прочность имеют сварные соединения встык, которые лишь незначительно уступают основ­ному металлу. Пределы выносливости соединении с угловыми

е)

уг/гу77У7УУУУужууууууууг/?уу??7Л<

Рис, 10-12. Образцы из алюшшневого сплава АМГ-6, испытан­ные па усталостную прочность при переменных нагрузках

швами, а также при наличии односторонних накладок оказались значительно ниже, чем пределы выносливости стыковых.

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений К-_А и соединениях из алюминиевых сплавов несколько ниже, нежели у сталей, особенно легированных, что является благоприятным

234

для работы под переменными нагрузками алюминиевых изделий.

Величины 0₈ и коэффициентов К^> сварных соединений (рис. 10-32) сплава ЛМг-6 приведены в табл. 10.8.

Таблица 10.8 Коэффициенты К_э сварных соединений алюминиевого сплава АМг-6

Вид образца	П релел прочное! и при растяже- инк V кГ/мм*	Предел выносливости в кГ',м.м* при число циклов нагружеинй X		Коэффициент
(см. рис. 10-12)		10е циклов	5 - 10'"- цш.-лов	*э
а	37,1	П,2	9,5	1,00
б	37,1 .	6,7	6,0	1,60
в	35,1-35,5	8,8-9,1	6,0-6,8	1.15-1,60
г	31,9-32,4.	7,7-9,6	5,0-7,5	1,25-; 1,80
д	22,8	3,7	2,4	—
е	23,4	5,5	4,1	_
ж	19,2	6,0	4,5	_
3	30,3	7,0	4,6	2,00
а	22,8	5.3	3,5	—

11 рнне ч а и и с. Вес оОразны, кроме й, е, нмоли тол игл му 1 см; образцы д, е — 1 см

§ 6. Методы повышения прочности сварных соединений при переменных нагрузнах

При сварке легированных термически обработанных сталей, например хромансиля и др., 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 около стыковых швов при пониженных значениях предела выносливости, но сравнению с пределом выносливости основного металла в термически обра­ботанном состоянии. Мероприятием, повышающим прочность сварных соединений легированных сталей при переменных па-грузках, является применение термической обработки изделия. Однако термическая обработка часто не восстанавливает пол­ностью прочность элемента, которая была до сварки, по все же частично восстановление происходит. Разработан также способ повышения прочности при переменных нагрузках для соединений

235

из малоуглеродистых сталей. Для повышения прочности свар­ные соединения подвергают поверхностной механической обра­ботке: прокатке роликами или, что является более простым и удобным, обдувке дробью, или обработке пневматическим мо­лотком. При этом в поверхностных слоях металла происходит пластическая деформация, которая вызывает наклеп металла, сопровождающийся повышением ст_т и, кроме того, образуются остаточные напряжения сжатия.

Указанные явления приводят к значительному повышению прочности сварных соединений при переменных нагрузках.

Характерно то обстоятельство, что чем выше коэффициент концентрации напряжений в сварном соединении, тем более эф­фективно применение, поверхностной обработки швов.

В табл. 10.9 приведены значения пределов выносливости r сварных соединениях с остаточными напряжениями.

Таблица 10.9

Влияние остаточных напряжений на предел выносливости

Испытуемый си;ф1юи образец	Величина DC [И ТО'Hi (.IX напряжении, кГ,Мм'	Прел г.1 ШЛ110СЛЫВОСШ,
Без остаточных напряжений....... С растягивающими остаточными напряжениями Со сжимающими остаточными напряжениями .	0 -1 12,7 -15,3	100 71 134

П р и м с ч а и к е. Прочность образин без остаточных напряжение принята условно за 100*„.

Среди различных способов повышения усталостной прочно­сти сварных соединений известен местный нагрев. В зоне свар­ных соединений, где растягивающие напряжения имеют значи­тельные величины, добавляются напряжения сжатия от местного нагрева. Последний оказывает благоприятное влияние на резуль­тирующее поле остаточных напряжений и повышает усталост­ную прочность. В некоторых случаях приносят также пользу деконцентраторы. Около зон шва, где образуется высокая кон­центрация напряжений, вызванная сваркой, создают искусствен­ные деконцентраторы, например, высверливают отверстия таким образом, чтобы они на наиболее напряженных растянутых зонах вызвали напряжения сжатия и уменьшили бы остроту первона­чальных концентраторов. На рис, 10-13, в показаны деконцент­раторы напряжений, полученные высверливанием отверстий. На рис. 10-13, г кругами показаны зоны точечного нагрева. Цифра-

236

то

ми указаны пределы выносливости. На рис. 10-13, а, б приведены пределы выносливости аналогичных конструкций, полученные применением выкружек при отсутствии деконцентраторов и то­чечного разогревг].

Формы разрушений сварных конструкций, работающих при переменных нагрузках, разнообразны. Нередко разрушения опре­деляются наличием дефектов в сварных швах, вызывающих концентрацию напряжений.

На рис. 10-14 изображены в схематической форме возможные места разрушений различных сварных соединений при дуговой сварке малоуглеродистых и термообработанных низколегирован­ных сталей,

Чтобы повысить прочность при переменных нагрузках, необ­ходимо рационально спроектировать сварные конструкции, т. е. создать конструктивные фор­мы, которые обеспечивали бы 4 максимальное устранение кон­центрации напряжений.

Многочисленные исследо­вания показали, что отпуск при температуре 650° С, устра- ^ няющий остаточные напряже­ния, вызванные сваркой, не является, как правило, мето­дом повышения усталостной *5 прочности. Это объясняется тем, что отпуск не только уст­раняет остаточные напряже­ния, но и изменяет до некото­рой степени механические свойства металла, снижает предел выносливости. Напро­тив, наложение швов в ряде случаев вызывает в околошов-пой зоне повышение предела

^А

Г

„*й

%

ус

Я/л/У*'

ф

12,0

в,0

20,0

(после тжчшт нагреда)

Рис. Ю-13. Способы повышения уста­лостной прочности:

--, - й) выкружкой IB целой элементе поло-

ТеКучеСТИ. ЬСЛИ В ЗОНе НаИ- сы; б) выкружкой в приваренном эле-

менте; в) С деконцентратором; местном точечном нагреве

пр>>

больших растягивающих на­пряжений от внешних на­грузок созданы остаточные сжимающие напряжения, то послед­ние приносят не вред, а пользу. Таким образом, следует помнить, что остаточные напряжения могут быть не только вредными, но и полезными.

Термический отпуск в одних случаях может повысить уста­лостную прочность, а в других он же бывает бесполезен и даже снижает сопротивление соединений переменным нагрузкам, Вопрос о целесообразности отпуска должен решаться с учетом формы сварной конструкции, принятого технологического

2,17

процесса сварки, схемы распределения остаточных напряжений и условий эксплуатации.

Аналитически величина предела выносливости о зависимости от остаточных напряжений приближенно может быть выражена следующей формулой:

о-1,о= °-i (l~~l (Ю.4)

где о-1,о —предел выносливости при симметричном цикле об­разца с остаточными напряжениями;

Чалауглеродистыь стало

Рис, 10-14. Виды вероятных разрушении сзарных соедине­ний при переменных нагрузках

<r-i — то же без остаточных напряжений; 0о — величина остаточных растягивающих напряжений

в зоне возможного разрушения; а_в — предел прочности металла. Остаточные напряжения нередко повышают усталостную прочность в зоне надреза. Например, предел выносливости об­разца из стали Ст. 3 с надрезами на кромках при действии пуль­сирующих нагрузок составлял 7,4 кГ/мм². При нагреве образца по оси и создании в надрезе остаточных сжимающих напряже­ний предел выносливости повышался до 11 кГ/мм². В то же вре­мя при проковке образца по оси и создании и надрезе растяги­вающих остаточных напряжений усталостная прочность пони­жалась до 5,6 кГ/мм².

238

8/0 110 J20 /50-.

120

2/0

R»

5,НГ/„„2

3!

•-2CNW

HQ^S ? 3 4 56789

1 3 4 5 6 789[ft /Q⁷

Рис. 10-15. Результаты испытаний сварных образ­цов с фланговыми шеами при переменных ■ на­грузках:

1 —' а исходном состоянии; 2 —■ после высокого отпуска; 3— при удлиненных фланговых швах; 4— после механи­ческой обработки; 5 — пооле предварительного нагру-жепия; 6 — после местного пластического обжатия

гт>-?1ээ->-эз?

525

Продольные на

*ггг,»>»»»»»»

WW⁵ ? 3

Рис. 10-16. Сопоста ных образцов с пе н 1 — ш исходной с

На рис. 10-15 показаны диаграммы усталости образцов из малоуглеродистых сталей, откуда следует, что высокий отпуск не повышает предела выносливости. Усталостная прочность растет после механической обработки и обжатий.

На рис. 10-16 показаны диаграммы усталости соединений при пересекающихся швах. В этом случае высокий отпуск оказался полезным. Предел выносливости в результате высокого отпуска повысился.