книги из ГПНТБ / Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений

Перегрузка конструкции в ряде случаев может оказаться более простой и эффективной мерой снятия растягивающих остаточных напряжений, а зачастую и способом создания сжимающих остаточ­ ных напряжений. Положительное влияние на выносливость пред­ варительного растяжения надрезанных образцов наблюдалось в ряде исследований [82, 254, 258, 279]. В 1941 г. Г. В. Раевский на основании анализа диаграммы растяжения и диаграммы Гудмана

Т а б л и ц а 34. Пределы выносливости сварных соединений в зависимости от величины предварительного нагружения и остаточных напряжений у концентратора напряжений

для соединений с концентрацией напряжений, а также на основа­ нии сравнительных испытаний балок предложил использовать спо­ соб статической перегрузки для повышения выносливости сварных конструкций [128]. При симметричных циклах на переменный из­ гиб испытывались двутавровые балки с приваренными планками. После перегрузки долговечность отдельных балок заметно увеличи­ валась. Наблюдаемое повышение выносливости могло произойти под влиянием двух факторов: наклепа металла вблизи концентратора напряжений и возникающих в тех же зонах сжимающих остаточных напряжений. Пластическая деформация в местах концентрации на­ пряжений была менее 0,1—0,3% и несущественно изменяла предел выносливости гладких образцов. Основную роль в повышении цик­ лической прочности соединений после их перегрузки автор отводит остаточным напряжениям.

Проверка эффективности предварительной перегрузки в случае осевого нагружения сварных элементов показала, что их долговеч­ ность при пульсирующих циклах повышается на 70—80%, когда критерием служит момент обнаружения первой трещины, и на 50— 60%, когда за критерий разрушения принимается полный излом соединения [17].

138

При перегрузке целой конструкции затруднительно достичь на­ пряжений, равных пределу текучести во всех сварных узлах. В этой связи изучалось влияние меньших статических перегрузок, вызы­ вающих номинальные напряжения ниже допускаемых или равные им [162]. При симметричном и пульсирующем циклах, испытывались сварные образцы из малоуглеродистой стали двух видов: с фланго­ выми и с пересекающимися швами. Трехкратная предварительная перегрузка до напряжений 17 кГ/мм2 вызывала повышение предела выносливости образцов на 45—50%. Аналогичные результаты полу­

состоянии и после предварительного нагружения. В аналогич­

между пределом выносливости и величиной остаточных напряжений существует линейная зависимость (рис. 87).

Результаты приведенных опытов позволяют сделать вывод, что наблюдаемое повышение выносливости соединений после предва­ рительной статической перегрузки в основном связано с изменени­ ем полей остаточных напряжений. Под действием перегрузок в зо­ нах концентрации снимаются растягивающие остаточные напряже­ ния (при сравнительно небольших предварительных перегрузках) и создаются сжимающие остаточные напряжения, когда напряжения перегрузки близки к пределу текучести. На практике такая обра­ ботка может найти наибольшее распространение в тех случаях, когда испытываются конструкции нагрузками, превышающими расчетные.

Получение кратковременных начальных напряжений в конст­ рукции, близких к пределу текучести материала, значительно облег­ чается при переходе от статического нагружения к вибрационному.

139

I

143

Наиболее производительной является обработка швов многобойковым упрочнителем (пучком проволоки). С помощью этого че­ канящего пневматического инструмента можно за 1 ч упрочнить 5—6 м сварного шва 1891. Помимо высокой производительности большим преимуществом пучковых упрочиителей по сравнению с однобойковыми чеканами является возможность обработки швов с неровной поверхностью. Это достигается благодаря значительной длине проволок, составляющих пучок, и разной степени их про­ дольного изгиба.

Т а б л и ц а 36. Основные характеристики пучковых упрочиителей

Если дробеструйная обработка позволяет получить наклепный слой глубиной не более 0,7 мм, то при обработке пучком проволоки этот слой может составлять свыше 2 мм. Твердость поверхностного слоя пластины из стали Ст.З в результате упрочнения повышается от 163 до 230 НУ.

Измерения остаточных напряжений методом послойной строжки через каждые 0,5 мм с последующим замером прогиба пластины по­ казали, что эти напряжения достигают 32 кГ/мм2, а зона их зале­ гания свыше 2 мм [891.

Разработано несколько типов упрочиителей, отличающихся друг от друга энергией удара (0,6—1,6 кГм), размерами и формой пучка проволок (табл. 36). Упрочнители всех типов работают от сети сжа­ того воздуха при давлении 4—5 am [80, 89].

Метод поверхностного наклепа сварных швов и околошовной зоны пучком проволоки рекомендуется для повышения сопротивле­ ния усталости соединений ряда конструкций, в том числе мостовых кранов и рам тележек подвижного состава. В этих изделиях наблюда­ лись усталостные разрушения сварных соединений в зонах резко­ го изменения сечения элементов, местах прикрепления дополни­ тельных деталей большой жесткости к тонкостенному несущему элементу, пересечениях швов и в других узлах с конструктивными или технологическими недостатками [80, 104].

144

Применительно к элементам подвижного состава оптимальные режимы упрочнения устанавливались путем сравнительных уста­ лостных испытаний образцов из стали Ст.З (рис. 88), имитирующих повреждающийся узел рамы тележки. Изменения энергии удара пневматического инструмента в пределах 0,6—1,2 кГм не оказы­ вали существенного влияния на эффективность поверхностного упрочнения. Значительно больший эффект (табл. 37) достигался в ре­

шва и околошовной зоны [801. В случае обработки пневматическим молотком наклепанная поверхность оказывается испещренной боль­

Эффективность применения поверхностного наклепа для мосто­ вых кранов устанавливалась путем испытания на переменный из­ гиб балок двутаврового и коробчатого сечения с постоянной и пере­ менной высотой, моделирующих опорный узел кранов. В результа­ те поверхностного наклепа угловых швов, окончания которых сов­ падали с местами резкого изменения сечения балок, пределы выно­ сливости при симметричных циклах нагружения повышались на 27—40% (1041. Поверхностное упрочнение угловых точечных швов пучком проволоки и одиночным бойком повышало сопротивление усталости соединений на 10—47%. Образцы с точечными швами, упрочненными одиночным бойком, практически имели такую же

несущую способность, что и образцы со сплошными швами. Предел выносливости их на 17% превышал предел выносливости образцов с неупрочненными прерывистыми швами [103].

Сравнительная оценка влияния наклепа в зависимости от проч­ ности стали может быть дана по результатам, полученным М. М. Крайчиком при испытаниях на переменный изгиб плоских

После обработки пневматическим молотком сварные образцы и бал­ ки из низколегированной стали показали несколько лучшие резуль­ таты, чем образцы из малоуглеродистых сталей (рис. 89).

Поверхностная обработка в случае дефектных швов не восста­ навливает сопротивления усталости соединения [104]. В то же вре­ мя вырубка и заварка дефектного участка с последующей упрочняю­ щей обработкой повышает сопротивление соединения усталостному разрушению до уровня бездефектного.

Имеются и другие способы создания сжимающих остаточных напряжений в сварных соединениях рассматриваемых металлокон­ струкций. Наибольшую популярность, особенно за рубежом, полу­ чил метод точечного нагрева [126, 259—261]. Рекомендациям по его использованию предшествовали опыты на пластинах, к кромкам которых прикреплялись в стык планки различной конфигурации (рис. 90). После точечного нагрева вблизи концентратора напряже­ ний выносливость прикреплений повышалась вдвое. Разрушения происходили вдали от соединения.

146

Т а б л и ц а 38. Выносливость соединений после точечного нагрева

±5,4 ±8,9 65 Клыков [68]

10* 14?:

У

Выбор таких образцов не был случайным. Величина остаточных напряжений зависит от расположения точки нагрева по отношению к кромке листа. Максимальные сжимающие остаточные напряже­ ния возникают в том случае, когда нагрев производится вблизи кромки (рис. 90). Как указывает О. Пухиер, недостаточная эффек­ тивность предлагаемого способа в его первоначальных опытах была, очевидно, связана с игнорированием этого обстоятельства, а также с тем, что нагрев выполнялся слишком далеко от надреза.

Анализ механизма взаимодействия временных и остаточных на­ пряжений от местного нагрева с остаточными напряжениями от свар­ ки позволили Н. А. Клыкову [68] сформулировать более опреде­ ленные рекомендации по выбору параметров точечного нагрева. Им установлено, что концентратор напряжений по отношению к ме­

им. Е. О. Патона к снижению выносливости нахлесточных соедине­ ний с фланговыми швами до исходного уровня [1621.

Эффективность метода проверялась различными авторами на прикреплениях конструктивного характера и на соединениях с не­ сущими фланговыми швамн. Прикрепления после точечного нагре­ ва повышали предел выносливости от 45 до 200%, а соединения с несущими фланговыми швами — на 80—105% (табл. 38).

С увеличением радиуса зоны пластических деформаций возрас­ тает величина и сектор действия сжимающих остаточных напряже­ ний. Поэтому при нагреве значительных полос металла в районе концентратора напряжений наблюдается дальнейшее повышение пределов выносливости [68], а также стабилизация остаточных на­ пряжений. Согласно опытам Г. К. Евграфова и В. О. Осипова [54, 56], устойчивые результаты получаются при нагреве зоны металла вдоль всего прикрепляемого элемента. Опыты проводились на пла­ стинах с приваренными планками и ребрами, а также на двутавро­ вых балках с наплавками. Полосы металла вдоль приварок нагре­ вались до 300—350° С пламенем газовой горелки, перемещающейся на расстоянии 30—60 мм от соединения или наплавки. Такой на­ грев надежно обеспечивал перераспределение остаточных напряже­ ний. Вместо высоких растягивающих остаточных напряжений в соединении создавались сжимающие остаточные напряжения, а растягивающие остаточные напряжения «переносились» в зону на­ грева, не имевшую концентраторов напряжений (рис. 91). После местного нагрева пластин толщиной 10 мм и шириной 130— 200 мм с приваренными планками и продольными ребрами долго-

148