книги из ГПНТБ / Майзель В.С. Сварные конструкции учебник

Как было указано ранее, прочность сварных конструкций и надежность их в работе в общем случае обеспечиваются опреде­ ленным комплексом требований к материалу конструкции, к фор­ мам сварных соединений и технологии изготовления.

Применительно к условиям, наиболее часто встречающимся в практике изготовления сварных конструкций из малоуглероди­ стой и низколегированной стали (т. е. к условиям, когда выбор материала уже произведен), задача обеспечения требуемой проч­ ности сварных соединений несколько упрощается. При этом остает­ ся, учитывая свойства заданного материала, произвести соответ­ ствующий выбор форм сварных соединений и технологии изго­ товления.

Если допустить, что вопросы, связанные с технологией изго­ товления, будут успешно решены, т. е. будет обеспечено (как это и имеет место для конструкций из малоуглеродистой и низколе­ гированной стали) получение сварных соединений высокого ка­ чества, в которых металл шва и околошовной зоны не будет усту­ пать по прочности основному металлу и в то же время будет обес­ печена необходимая пластичность металла указанных участков, то вопрос об оценке прочности всех разнообразных по форме свар­ ных соединений можно будет еще более упростить, конкретизи­ ровав его применительно к определенным условиям.

Такая условность в постановке вопроса об оценке прочности сварных соединений относится только к конструкциям из мало­ углеродистых и низколегированных сталей, технология изготов­ ления которых является хорошо освоенной. Однако подобная схема решения вопросов может быть вполне применимой и по отношению к сварным конструкциям из других материалов. В частности, она применима к конструкциям из некоторых марок легких сплавов (термически неупрочняемых), которые в настоящее время начинают применяться в отдельных отраслях промышлен­ ности и строительства. Таким образом, можно считать, что при­ нятая постановка вопроса об оценке прочности сварных соедине­ ний не относится только к частному случаю, а может быть применима для конструкций, наиболее часто встречающихся в производственных условиях.

Прочность при статической нагрузке. Одним из основных требований, которые предъявляются к материалу для сварных конструкций, является обеспечение достаточной его пластичности. Сварные соединения из малоуглеродистой стали удовлетворяют этому требованию и их разрушение обычно сопровождается зна­ чительными пластическими деформациями.

В этих условиях первоначальная концентрация напряжений, наблюдающаяся в различных сварных соединениях, не может оказывать влияния на их прочность, так как в процессе развития пластических деформаций происходит выравнивание напряжений и к моменту разрушения сварного соединения напряжения в его опасном сечении во многих случаях полностью выравниваются,

Для предотвращения хрупких разрушений в соединениях и узлах с резкими изменениями формы необходимо принимать меры для снижения концентрации напряжения. Опыт показывает, что при соответствующем увеличении расстояния между отдель­ ными элементами концентрация напряжений уменьшается на­ столько, что опасность хрупкого разрушения исчезает.

Рис. 3.19. Зависимость предела прочности в образ­ цах с резким изменением формы от расстояния между концевыми ребрами (а) и температуры (б)

элементов из стали марки 15ХСНД является значительно более высокой, чем для элементов из стали марки М16С. Основными причинами появления хрупких разрушений в элементах сварных конструкций являются концентрация напряжений, создаваемая в местах резкого изменения сечения, и низкая температура. На­ личие дефектов (таких, как непровары, подрезы и кратеры свар­ ных швов) в местах высокой концентрации напряжений также способствует хрупкому разрушению.

В качестве основных мероприятий для повышения сопротив­ ляемости элементов сварных конструкций хрупким разрушениям рекомендуется снижать резкость изменения переходов в местах приварки фасонок и других деталей конструктивного оформления и не допускать скученности их расположения, которая может при­ вести к концентрации деформаций.

Разрушения сварных образцов при ударе, как и при статиче­ ской нагрузке, происходят по основному металлу вне зоны свар­ ных швов. При разрушении образцов наблюдаются значительные пластические деформации. Об этом свидетельствует хорошо види­ мая шейка в месте разрыва. Значительно меньшие деформации наблюдались у образцов с отверстием.

При пониженной температуре Т 1 — —60° разрушения образ­ цов из основного металла и многих образцов со сварными соедине­ ниями также сопровождаются появлением пластических дефор­ маций.

При нормальной температуре предел прочности при ударе имеет более высокое значение, чем при статической нагрузке. Повышение предела прочности при этом составляет в среднем 20—25%.

Пластические деформации при ударе не ниже (а в отдельных случаях даже несколько выше), чем при статической нагрузке.

По результатам испытания образцов с отверстием можно сде­ лать вывод о том, что клепаные соединения по работоспособности при ударе уступают сварным соединениям. Наличие отверстия ослабляет сечение и снижает величину разрушающей нагрузки. При этом снижение разрушающей нагрузки определяется сте­ пенью ослабления сечения отверстием. Наличие ослабленных се­ чений приводит, кроме того, к тому, что деформационная способность соединений с отверстием также оказывается сни­ женной.

Работоспособность же сварных соединений можно считать равноценной работоспособности основного металла. Это опреде­ ляется тем, что разрушение сварных соединений происходит в сечении по основному металлу, и, следовательно, значения раз­ рушающих нагрузок для сварного соединения и основного металла одинаковы.

На основании приведенных данных могут быть сделаны сле­ дующие выводы:

прочность сварных соединений при ударной нагрузке не ниже прочности основного металла; разрушение сварных соединений при равномерном растяжении происходит вне зоны влияния швов по основному металлу и сопровождается значительными пласти­ ческими деформациями.

Критическая температура хрупкого разрушения сварных со­ единений при отсутствии резких концентратов напряжений (над­ резов, трещин и т. п. дефектов) лежит ниже температур, возможных при эксплуатации конструкций в реальных условиях. При пони­ жении температуры работоспособность основного металла и сварных соединений несколько снижается. Это проявляется в том, что снижение пластических деформаций происходит в большей степени, чем повышение предела прочности. При этом коэффи­ циент снижения характеристик пластичности для образцов из основного металла и сварных соединений встык и впритык может

доходить до значения k = 0,65, тогда как коэффициент повыше­ ния прочности не превосходит значений k = 1,2-=-1,25.

Работоспособность клепаного соединения при ударной на­ грузке ниже, чем работоспособность сварных соединений. По­ этому в конструкциях, подверженных действию удара, примене­ ние сварных соединений является более рациональным.

Выносливость сварных соединений. Разрушение конструкций при вибрационной нагрузке возможно при напряжениях ниже предела текучести. Поэтому оно происходит хрупко, без заметных пластических деформаций. Известно, что когда работа металла протекает в области упругих деформаций, то прочность в значи­ тельной степени зависит от концентрации напряжений. Поэтому в данных условиях форма соединения имеет большое значение.

Наиболее высокой вибрационной прочностью по сравнению с другими видами соединений обладает сварное соединение встык как соединение с менее резким изменением формы и, следова­ тельно, с меньшей концентрацией напряжений.

Прочность соединения встык зависит главным образом от формы перехода шва к основному металлу. Для повышения вибра­ ционной прочности сварных соединений иногда применяются некоторые специальные меры, к числу которых относится меха­ ническая обработка поверхности швов. Однако механическая обработка усложняет технологический процесс изготовления свар­ ных конструкций и неизбежно приводит к повышению их стои­ мости. Поэтому применение ее не всегда может быть признано це­ лесообразным, тем более, что повышение прочности сварных соеди­ нений может быть достигнуто соответствующим выполнением обычных технологических требований без дополнительной меха­ нической обработки.

На форму поверхности шва оказывает влияние ряд технологи­ ческих факторов, из которых наиболее существенными являются: форма подготовки кромок, чистота поверхности металла в районе шва, режим сварки, положение шва в пространстве и температура свариваемого металла. Изменяя эти факторы, можно придавать швам требуемую форму. Улучшению плавности перехода от на­ ружного слоя шва к основному металлу способствуют следующие простейшие мероприятия.

1.Применение скоса кромок свариваемых деталей для созда­ ния угла разделки шва а = 60°. Это улучшает условия форми­ рования шва и предотвращает получение швов с чрезмерно вы­ пуклой поверхностью.

2.Очистка от окалины поверхностей металла у свариваемых кромок на участке шириной 10— 15 мм. Это улучшает смачивае­ мость поверхности, способствует растеканию жидкого наплав­

ляемого металла и обеспечивает получение плавных переходов от шва к основному металлу.

3. Подбор режима сварки при выполнении последнего слоя для получения шва требуемых размеров. Необходимо подобрать

режим сварки с таким расчетом, чтобы площадь последнего слоя наплавляемого электродного металла соответствовала площади незаполненной части шва и заданным размерам валика шва.

4. Повышение напряжения на дуге при наложении последнего слоя шва. Это улучшает условия формирования шва за счет по­ вышения текучести наплавляемого металла. При этом достаточно

Указанные мероприятия относятся к числу обычных мероприя­ тий, применяемых на производстве при изготовлении сварных конструкций. Поэтому выполнение их не связано с какими-нибудь особыми трудностями. Необходимы только применение некоторого элементарного расчета режима сварки и известный контроль за правильностью выполнения намеченного технологического про­ цесса.

Оценка прочности сварных швов с различной формой наруж­ ной поверхности может быть составлена по результатам испыта­ ний, приведенным в табл. 3.7. Размеры швов соединений выбраны

Т а б л и ц а 3.7. Эффективные коэффициенты концентрации напряжений ß сварных стыковых соединений

из стали марки М16С

с таким расчетом, что высота валика g'= 2 мм соответствовала среднему значению технологических допусков, а высота валика g = 5 мм характеризовала максимальное отклонение, встречаю­ щееся иногда на производстве.

Приведенные данные показывают, что прочность клепаных соединений при вибрационной нагрузке значительно ниже проч­ ности образца из основного металла.

Результаты испытания сварных стыковых соединений из низколегированной стали марок 15ХСНД и 10Г2СД показали, что, несмотря на несколько повышенную чувствительность этих

сталей к концентрации напряжений при вибрационной нагрузке (по сравнению с малоуглеродистой сталью), и в этом случае можно обеспечить вполне удовлетворительное формирование шва и достичь равнопрочности сварного соединения основному металлу без применения дополнительной механической обработки.

Из всего сказанного следует, что для конструкций, воспри­ нимающих действие вибрационной нагрузки, необходимо уста­ новить некоторые требования к форме поверхности швов, которые исключали бы возможность значительного снижения их прочности.

Необходимо предотвратить возможность применения швов с большими выступами и резкими переходами. Дополнительная механическая обработка швов может быть использована при этом как средство исправления чрезмерно резких переходов в швах, а также и для устранения таких дефектов, как подрезы.

Результаты испытаний на выносливость позволяют сделать следующие выводы.

1.Форма поверхности стыковых швов влияет на их вибрацион­ ную прочность. Увеличение высоты выступа шва и резкие пере­ ходы от шва к основному металлу снижают вибрационную проч­ ность стыковых соединений.

2.Соблюдением обычных технологических приемов можно обеспечить получение сварного шва с плавными переходами к ос­ новному металлу, при этом вибрационная прочность сварного соединения будет равна вибрационной прочности основного ме­ талла.

3.Требование об обязательной механической обработке по­ верхности стыковых швов нерационально. Обработку стыковых

швов следует применять как средство устранения поверхностных дефектов.

Необходимо отметить, что высказанные соображения о форме поверхности стыковых швов относятся только к конструкциям, воспринимающим вибрационную нагрузку, и не должны пере­ носиться на случаи работы металлических конструкций, где нет ярко выраженного действия вибрационной нагрузки и когда требования к форме поверхности швов могут быть значительно упрощены.

Конструкция сварных соединений впритык характеризуется более значительными местными изменениями по форме переходов от шва к основному металлу и в связи с этим более высокой кон­ центрацией напряжений, чем сварное стыковое соединение. По­ этому по характеристикам вибрационной прочности соединения впритык уступают стыковым соединениям.

В табл. 3.8 представлены результаты испытаний соединений впритык вибрационной нагрузкой.

Результаты испытания показали, что для образцов с малой глубиной провара менее прочным является сечение по сварным швам. Разрушение таких образцов происходит по сварным швам даже тогда, когда по расчету условие равнопрочности при

Т а б л и ц а 3.8. Эффективный коэффициент концентрации напряжений ß для сварных соединений впритык

(сталь марки М16С)

статической нагрузке для этого соединения обеспечено. Это свиде­ тельствует о том, что концентрация напряжений в сечении по швам является более высокой, чем в сечении по основному металлу, расположенному у границы швов.

При разрушении по швам наиболее опасным сечением оказы­ вается сечение, расположенное под углом 45° по отношению к на­ правлению действия растягивающего усилия. Разрушение по швам начинается от участков, расположенных в корне шва, в ко­ торых напряжения имеют более высокое значение.

Повышение глубины провара увеличивает толщину рабочего сечения угловых швов и снижает в них напряжение. При этом опасность проявления концентрации напряжений несколько сни­ жается и при некоторой определенной глубине провара прочность в сечении по сварным швам может быть обеспечена не в меньшей степени, чем по основному металлу.

Применение скоса кромок обеспечивает возможность осуще­ ствления сварного соединения с проваром по всей толщине эле­ ментов. В этом случае условия распределения напряжений в со­ единении улучшаются и концентрация напряжений в нем несколько снижается. И хотя в этом случае разрушения происходят также по границе швов, все же значения предела выносливости оказы­ ваются более высокими, чем для соединений впритык без раз­ делки кромок.

Снижение концентрации напряжений в сварном соединении впритык, достигаемое применением местной механической обра­ ботки участков перехода от швов к основному металлу, приводит к дальнейшему повышению предела выносливости. В этом случае при наличии сквозного проплавления удается получить сварное соединение, которое по своей вибрационной прочности не уступает образцу из основного металла, не имеющему концентраторов на­ пряжения. Разрушения сварных образцов, имеющих местную об­

работку, во всех случаях происходили по основному металлу вдали от швов.

Разрушения клепаных соединений впритык происходят в боль­ шинстве случаев из-за отрыва головок заклепок при весьма низ­ ких значениях вибрационной прочности.

В случае применения низколегированной стали, более чув­ ствительной к концентрации напряжений, вибрационная проч­ ность сварных соединений впритык почти не повышается и остается примерно на уровне вибрационной прочности аналогичных соединений из малоуглеродистой стали. Применение местной обра­ ботки поверхности перехода от шва к основному металлу и в этом случае позволяет достигнуть равнопрочности сварных соединений с основным металлом.

При проектировании конструкций выбор типа сварных соеди­ нений впритык следует производить с учетом различий в их вибра­ ционной прочности. Менее прочными при работе на растяжение являются соединения, в которых не обеспечен провар по всей толщине основных элементов. Поэтому применение этих соедине­ ний рационально в мало напряженных участках.

В табл. 3.9 приведены результаты испытания вибрационной нагрузкой образцов с ребрами жесткости.

Т а б л и ц а 3.9. Эффективный коэффициент концентрации напряжений ß для образцов с поперечными ребрами

(сталь марки М16С)

Испытания показали, что характер разрушения и значение пределов выносливости образцов с ребрами жесткости также за­ висит от их конструктивного оформления. Все образцы, в которых ребра были приварены двусторонними швами, разрушались в ме­ сте перехода от листа к угловым швам.

Образцы, в которых ребра были приварены односторонними швами, начинали разрушаться от корня шва.

Предел выносливости образцов с одиночными ребрами ока­ зался несколько выше, чем у образцов с парными ребрами. Это связано с благоприятным влиянием местного изгиба, разгружаю­ щего переход от шва к основному металлу.

Результаты испытания сварных нахлесточных соединений приведены в табл. 3.10.