§ 6. Пути повышения конструктивной прочности

Пути повышения конструктивной прочности могут быть раз­личными в зависимости от того, какое предельное состояние ограничивает работоспособность сварной конструкции.

Например, если предельным состоянием является наступле­ние текучести в расчетном сечении элемента, то следует стре­миться к обеспечению так называемой равнопрочпости, т. е. сварные соединения должны иметь достаточные'сечения и высо­кие механические свойства, чтобы общая текучесть в них насту­пала не ранее, чем в основных элементах.

Распространенным случаем неравнопрочности сварных соеди­нений является пониженное значение предела текучести металла шва или околошовнон зоны, по сравнению с исходным основным металлом. Устранение такой неравнопрочности достигается раз­личными способами. Возможно некоторое увеличение сечения стыкового шва за счет величины, усиления. Такой путь иногда используют в алюминиевых сплавах. Б угловых швах это осу­ществляется простым увеличением катета шва. Неравнопроч-ность шва или околошовной зоны может быть устранена за счет iai< называемого контактного упрочнения. Если при сварке получить незначительную, по сравнению с толщиной металла, ширину разупрочненной зоны, то при совместном деформирова­нии этой зоны с более прочными соседними участками металла в ней появляются (благодаря касательным напряжениям) трех­осные напряжения, затрудняющие пластическую деформацию.

275

Распространен способ термической обработки сварных соеди­нений в целях повышения предела текучести слабых зон. Если разупрочнение наступило при снятии наклепа основного металла во время сварки, то возможно его восстановление путем холод­ной пластической деформации (прокатка, проковка). В некото­рых случаях, когда расчет изделий из малопластичных металлов произведен по предельному состоянию наступления текучести» следует для обеспечения необходимой конструктивной прочности устранять концентраторы или уменьшать их остроту. В против­ном случае прежде, чем в расчетном сечении наступит текучесть, может произойти разрушение металла в концентраторе.

Снижение концентрации напряжений в сварных соединениях может быть осуществлено на различных этапах создания свар­ной конструкции. На стадии проектирования это достигается назначением рациональных сопряжений элементов, преимущест­венным использованием стыковых соединений, выбором материа­лов, мало чувствительных к различным концентраторам. В про­цессе изготовления сварных конструкций решающее значение имеет культура производства и качество использованных техно­логических процессов. Отсутствие в конструкции различного рода дефектов в виде непроваров, трещин, несплавлений и т, п. практически обеспечивает снижение опасной для прочности кон­центрации напряжений. Послеоперационный контроль сварных соединений и качественное устранение замеченных дефектов так­же являются важным этапом снижения концентрации напряже­ний в изделиях.

Наиболее жесткие требования к качеству технологических процессов и конструктивному оформлению изделия должны предъявляться, если в качестве предельного состояния принима­ется достижение а при одноосном на гружен и и или давлении р_гаах в сосудах давления. Аналогичные требования должны предъявляться также, если нормальная работа изделия ограни­чена предельным состоянием наступления разрушения в какой-либо отдельной зоне конструкции. В этом случае мерой запаса прочности, т. е. мерой способности конструкции сопротивляться наступлению разрушения, является величина упруго-пластиче­ской деформации основных несущих элементов, предшествующая моменту разрушения.

Основные пути повышения конструктивной прочности для таких изделий должны быть направлены на увеличение способ­ности конструкции пластически деформироваться без разруше­ния. Они заключаются в следующем:

I. Получение сварных соединений с наименьшим различием механических свойств в отдельных зонах. Например, недостаточ­ная пластичность металла шва или околошовной зоны может явиться причиной разрушения сварной конструкции при значе­ниях нагрузок, меньше расчетных.

276

2. Всемерное уменьшение остроты концентраторов. Данное требование особенно существенно для конструкций, работающих при переменных нагрузках или в условиях низких температур. Уменьшение остроты концентраторов может быть достигнуто ра­циональной формой сварных швов и соединений, механической обработкой, прокаткой швов в целях их заглаживания.

3. Устранение вредного влияния пластической деформации и деформационного старения. Это может быть достигнуто путем правильного назначения величины пластической деформации при холодной гибке и штамповке, выполнением пластических де­формаций при высоких температурах, выбором последователь­ности сборочно-сварочных операций, исключающих попадание резких концентраторов в зону пластических деформаций от свар­ки; проведением высокого отпуска после сварки.

4. Снятие растягивающих остаточных напряжений и создание благоприятных полей сжимающих напряжений. Данные меры особенно полезны для конструкций, работающих при перемен­ных нагрузках.

5. Конструктивное оформление сварных изделий, обеспечива­ющее снижение рабочих напряжений в зонах концентраторов и в зонах с пониженными прочностными и пластическими свой­ствами металла. Например, создание в зоне стыкового шва в со­судах местного утолщения основного металла.

6. Устранение сварочных деформаций (перемещений), иска­жающих проектные формы изделий. Например, в сосудах дав­ления нарушение правильных геометрических форм приводит при повышении давления к преждевременной пластической деформации металла.

В некоторых сварных конструкциях стремятся устранить воз­можность распространения разрушения, вызывающего разделе­ние конструкции на части. Такие меры принимаются в сварных судах, крупных емкостях для хранения различных продуктов, магистральных трубопроводах. Чтобы предотвратить наступле­ние такого предельного состояния, заканчивающегося обычно крупной аварией, в конструкциях на пути возможного разруше­ния создают участки с повышенными вязкими свойствами метал­ла. Работа, необходимая для продвижения трещины по такому участку, значительно больше, чем в остальных зонах. Поэтому запас накопленной в конструкции энергии, частично освобожда­ющейся при разрушении, оказывается недостаточным и трещина останавливается. Возможно также использование клепаных соединений, расположенных на пути предполагаемого распро­странения трещины. Опыт показывает, что трещина, достигнув заклепочного шва, в этом случае не переходит с одного листа на другой.

Основными путями повышения гарантии от сквозных разру­шений являются:

277

а) устранение причин, вызывающих начало разрушений (см.

■выше);

б) применение материалов, разрушение которых происходит с большими затратами энергии;

в) понижение энергоемкости конструкций, например, путем снятия остаточных напряжений или уменьшением допускаемых напряжений.

Имеется также ряд других приемов, обеспечивающих повы­шение устойчивости сварных элементов: изменение частоты собственных колебаний конструкций, повышение коррозионной стойкости и т. п.

При определении конструктивной прочности изделий путем их испытаний в первую очередь необходимо четко регистрировать наступление тех предельных состояний, на которые рассчитана сварная конструкция. Например, при испытании сварных соеди­нений, расчет которых произведен по предельному состоянию наступления текучести, необходимо определять нагрузки, вызы­вающие наступление текучести расчетного элемента. В качестве дополнительных характеристик часто регистрируют разрушаю­щие нагрузки или величину пластической деформации.

При испытании сварных конструкций, работоспособность которых ограничена разрушением, за основную характеристику их качества должна приниматься величина средней упруго-пла­стической деформации расчетного элемента, предшествующая разрушению.

Б случае испытаний при переменных нагрузках работоспо­собность также ограничивается разрушением, поэтому за харак­теристику качества конструкции должно приниматься количество циклов до появления трещины при заданных уровне и характере изменения напряжений.

Р1спытаиия на конструктивную прочность должны по возмож­ности проводиться в условиях, наиболее полно отражающих реальные условия эксплуатации: температуру, характер дей­ствия нагрузок, качество изготовления сварной конструкции. В тех случаях, когда не представляется возможным осуществить полную идентичность конструктивного оформления испытуемого образца и реального изделия, а также условий нагружения, должна быть разработана специальная система расчленения конструкции на узлы с поэтапным исследованием их прочности б }словиях, близких к реальным. Испытанию сложных и диро--пх натурных изделий должны предшествовать испытания отдельных конструктивных элементов.

Г Л А В А XI

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ

СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ