4.1. Общие сведения*

Глава 4. Сварныесоедин ения

аргонодуговую или электронно-лучевую сварку в вакуумной камере и др. Различные методы сварки подробно рассматривают в дисциплине «Технологияконструкционныхматериалов».

Электроконтактная сварка с применением сдавливания относится к термомеханическому классу. В ней используют теплоту, выделяющуюся в зоне контакта свариваемых деталей при пропускании через него импульсов электрического тока. Механизированнуюсвар - ку выполняют с помощьюконта ктныхмашин , управляемыхоперато - ром. Установку параметров технологического процесса, подачу и съем сварного изделия, а также включение осуществляют вручную. Автоматическая сварка выполняется сварочными роботами, применяемыми при массовом производстве. Электроконтактную сварку исопользуют для соединения деталей из углеродистых и легированныхсталей , алюминиевыхи других сплавов.

Преимущества сварныхсоединений:

1) возмньостж получения изделий больших размеров (корпуса судов и летательных аппаратов, железнодорожные вагоны, кузова автомобилей, трубопроводы, резервуары, фермы, мостыи др.);

2) снижение массы по сравнению с литыми деталями до 30… 50 %, с клепаными — до 20 %, что достигается благодаря уменьшению толщины стенок и припусков на механическую обработку, а такжеотс утствиюослабляющих отверс тийи наклад ок приклепке ;

Недостаткисварных соединений:

1)вероятность возникновения при сварке плавлением различных дефектов швов (рис. 4.1), снижающих прочность соединений (особенно при циклических нагрузках);

2)низкая прочность швов при электроконтактной сварке вследствие неправильного выбора параметров технологического процесса;

3)необходимость проведения визуального контроля всех сварных швов, а для сварных изделий ответственного назначения — неразрушающего контроля (ультразвуковой, рентгеновский и др.) или

выборочногораз рушающего; 4) возникновение остаточных напряжений в результате терми-

ческих деформаций от неравномерного нагрева, вызывающих необходимость проведения в ряде случаев дополнительной термической и механичесобработ; койи

68

4.2. Сварные соединения стыковыми швами

5) изменение механических свойств металла в зоне термичского влияния вблизи шва.

Рис.4.1. Дефекты сварных швов:

а —непровар; б —подрез; в —смещение свариваемы х кромок

6) низкая прочность при переменных нагрузках.

Сварное соединение, лишенное перечисленных недостатков, является надежным и даже более прочным, чем основной металл конструкции.

Однако практика машиностроения показывает, что вероятность появления дефектов в реальном сварном соединении достаточно высока. Снижение сопротивления усталости сварного соединения вследствии возможных дефектов совокупно оценивается эффективным коэффициентом концентрации напряжений:

4.2. Сварные соединения стыковыми швами

Стыковые швы образуются при полном проваре стыка торцов деталей, соединяемых с помощью дуговой (рис. 4.2, а–д) или контактной (рис. 4.2, е) сварки.

Полный и бездефектный провар стыка обеспечивает равнопрочность сварного шва и соединяемых деталей (основного металла) при статическом нагружении. Для этого кромки деталей, соединяемых

скоса кромок (см. рис. 4.2, б) , при δ ≥ 4 мм — со скосом различной формы (см. рис. 4.2, в, г); кромку детали таврового соединения с полным проваром также разделывают со скосом (см. рис.4. 2,д ). Торцы деталей под стыковую контактную сварку выполняют плоскими

(см. рис. 4.2, е).

69

Глава 4. Сварные соединения

Рис.4.2. Сварные соединения стыковыми швами

На рис. 4.3. изображен случай нагружения сварного стыкового шва двух труб.

Сварное стыковое соединение, как правило, можно разделить на три зоны, различающиеся по механическим свойствам: зону сварного шва, околошовную зону (ОШЗ), или зону термического влияния, и основной металл (см. рис. 4.3).

Факт наличия нескольких зон сварного соединения с разными физико-механическими свойствами установлен и очевиден.

Сегодня существует несколько подходов к определению механических характеристик металла. Характеристики металла зон сварного шва определяют путем испытаний на кручение. Косвенные методы установления механических характеристик основаны на измерении параметров, характеризующих твердость металла, в предположении существования корреляции этих величин с традиционными характеристиками материалов. Перспективность использования косвенных методовобусловлена их относительной простотой.

Наличие участка с пониженными механическими свойствами, называемого в литературе «мягкой прослойкой», является частой причиной разрушения сварных конструкций по ОШЗ. Следует отметить, что на границе сплавления (в зоне «мягкой прослойки») наиболее вероятно наличие технологических сварочных дефектов.

70

4.2. Сварные соединения стыковыми швами

В табл. 4.1 приведены физико-механические характеристики выполненного ручной дуговой сваркой стыкового соединения листов из стали 09Г2С (низкоуглеродистой стали, легированной марганцем и кремнием) толщиной 9 мм.

Таблица 4.1

Физико-м еханические характеристики зон сварного шва, выполненного ручной сваркой

*О пределяют вдавливанием четырехгранной пирамиды стандартных размеров под действием фиксированной силы.

Физико-механические характеристики для продольного сварного шва труб 530× 7 из стали 17Г1С представленытабл. 4.2. в

Данные, приведенные в табл. 4.1 и 4.2, подтверждают наличие различий физикомеханических характеристик металла в зонах сварных соединений и возможность учета их различий при оценке прочности сварных соединений, хотя различие свойств основного металлаи ОШЗ выражено не ярко.

71

Глава 4. Сварные соединения

Для определения реальной опас-

ности разрушения сварных соединений в околошовной зоне был поставлен эксперимент по изучению разрушения стальных образцов с надрезами, имитирующи дефекты. Целью эксперимента было определение изменения несущей способности образцов при растяжении в зависимости от места расположения концентраторов в зонах сварного соеди-

нения, а также оценка значимости этой величины в практике.

Для изготовления образцов была взята заготовка, вырезанная из бывшей в эксплуатации трубы (1420 × 15, сталь 17ГС). Эскиз заготовкис поперечным сварным швом изображен на рис. 4.4.

Заготов ка была разрезана в продольном направлении на квадратные бруски, из которых были выточены цилиндрические образцы(рис. 4.5 ) с металломсварного соединени яв центре.

Рис. 4.5. Цилиндрический образец

Перед нанесением на образцы надрезов один из брусков был подвергнут шлифованию с боковой стороны и травлению 5%-ным раствором азотной кислоты в спирте. Это позволило выявить зоны сплавления в сварном соединении, которые можно видеть на рис. 4.6 в реальном масштабе.

Нарис. 4. 6видно, что стыко вой сварной шов выполнен в четыре прохода и имеет сложную геометрическую конфигурацию. Была измерена макротвердость металла в зоне сварного соединения. Принцип определения твердости основан на измерении отпечатка, оставляемого стандартной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в металл с силой 10 Н в точках 1–10, указанных на рис. 4.6. Твер-

72

4.2. Сварные соединения стыковыми швами

дость по Виккерсу была получена с помощью переводных таблиц из описания прибора, которые ставят в соответствие размеры отпечатков изначения твердости HV.

Рис. 4.6. Сварное соединение в реальном масштабе

График изменения твердости по линии АВ изображен на рис. 4.7.

Рис. 4.7. График изменения твердсти

Приведенные результаты измерения твердости показывают, что в данном сварном соединении не удалось выделить участок с пониженной твердостью мягку(« ю прослойку»). Данные свидетельствуют о стабильной твердости основного металла и небольшом повышении твердости непосредственно металла сварного шва. Факт отсутствия зоны «мягкой прослойки» можно объяснить термообработкой сварного шва, в результате которой были восстановлены пластическиесвойства металла.

На основе полученных данных были определены места нанесения надрезов. Всего было изготовлено 12 образцов, которые былиразд еленына партии по триобразца. На образцы первойпар - тии надрезы не наносились, на образцы второй, третьей и четвертой партий надрезы были нанесены соответственно по основному металлу рис(. 4.8, а), по центру сварного шва (4.8, б) и по линии

73

Глава 4. Сварныесоеди нения

Рис. 4.8.Об разцы с надрезами

сплавления (рис. 4.8, в), которая была видна на травленых образцах. Надрез представлял собой выточку глубиной 3 мм с углом, равным 60°.

Эксперимент был начат с испытаний образцов без надрезов. Разрушение всех образцов носило вязкохрупкий характер и происходило на значительном удалении от сварного соединения по основному металлу. Это косвенно подтвердило факт отсутствия вблизи сварного шва мяг« кой прослойки». Форма поперечного сечения шейки образца в момент разрушения указывает на существенную анизотропию свойств. Сечение имеет форму эллипса, большая ось которого направлена по окружности заготовки для образцов. Форма разрушенного образца (рис. 4.9) дает возможность сделать вывод о более высоких пластическихсв ойствахосн овногометалла .

Металл сварного соединения деформировался незначительно, и в середине образца можно наблюдать явное утолщение. На рис. 4.10 приведена диаграмма деформирования образца Р( l ), построенная

74

4.2. Сварные соединения стыковыми швами

при разрыве, по полученной диаграмме Р( l) точно определить

нельзя, однако можно дать приблизительную оценку. Если предположить, что металл сварного соединения практически не деформируется,то исходный образец можно рассматриватькак цилиндр с двумя рабочими частями длиной l0 60 мм. Длина рабочей части после разрушения l = 70 ммсм( . рис. 4.9). Тогда относительное удлинение

прираз рыве l l0 100% 17%. l0

На следующем этапе были испытаны образцы с надрезами и определены максимальные силы Pmax, выдерживаемые образцами до разрушения. Результаты испытаний приведены в табл. 4.3.

75

Глава 4. Сварные соединения

Итак, средняя максимальная нагрузка, выдерживаемая образцами с концентратором в основном металле, составляет 15кН. Средняя максимальная нагрузка для образцов с концентратором по середине сварного шва составляет17,17 кН.

Средняя максимальная нагрузка для образцов с концентраторами на линии сплавления составляет 16,83 кН.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что наименьшую нагрузку выдерживают образцы с концентраторами в основном металле, т. е. острый концентратор в основном металле снижает несущую способность образца в большей степени, чем концентраторвмет алле сварного соединения.

На основе этого факта можно сделать практически важный вывод: при инженерной оценке прочности реальных сварных конструкций, сварные швы которых были подвергнуты термообработке, можно не учитывать изменения свойств металла в зонах сварных соединений и принимать их такими же, как свойства основного металла конструкции.

Расчет сварных стыковых швов на статическую прочность проводят по эквивалентным напряжениям σe в опасном сечении, испытывающем общем случае сложное напряженное состояние.

Для определения σe обычно используют энергетическую теорию прочности (теорию Хубера — Мизеса), согласно которой в рассматриваемом случае условие прочности имеет вид (рис. 4.11):

нормальные напряжения изгиба; τ = TWр T[0, 2D3(1− d 4 D4 )] —

наибольшие касательные напряжения кручения (W , Wp — осевой и полярный моменты сопротивления сечения).

Если δ D (δ = (D − d)2), то выражения упрощаются:

σр F(πdδ); σи 4M (πd2δ);

τ2T(πd 2δ).

76