7. Сопротивление усталости сварных соединений, выполненных контактной сваркой

Соединения, выполняемые контактной стыковой сваркой, обладают высокими механическими свойствами не только при статических, но и при переменных нагрузках. При сварке низкоуглеродистых и многих низколегированных сталей соединения имеют предел выносливости, близкий к пределу выносливости основного металла. Большое влияние на усталостную прочность оказывает не только качество провара стыка, а также состояние его поверхности. При грубой обработке поверхности предел выносливости меньше, при гладкой, особенно полированной— больше.

Усталостная прочность точечных соединений значительно уступает прочности стыковых. Точечные соединения условно рассчитывают по напряжениям среза. Однако их разрушения при работе под переменными нагрузками почти всегда происходят в результате разрывов металла в надточечной или околоточечной зоне. Эти разрушения вызваны концентраторами напряжений. Усталостная прочность точечных соединений в большей степени зависит от того, являются ли они связующими или рабочими, от рода материала и степени его чувствительности к концентраторам напряжений.

Данные экспериментов показывают, что пределы выносливости рабочих точек намного ниже, чем связующих, что наименее чувствительны к концентраторам точечные соединения из низкоуглеродистых сталей, более чувствительны соединения из аустенитной стали 12Х18Н10Т и из стали 30ХГСА после закалки и низкого отпуска.

Усталостная прочность в сильной степени зависит от конструкции соединения. Чем больше шаг между точками в ряду, направленном перпендикулярно действующей силе, тем выше концентрация напряжений и ниже усталостная прочность. В соединениях с двусрезными точками усталостная прочность повышается более чем в два раза по сравнению с односрезными. Качество сварных точек, особенно рабочих, также влияет на усталостную прочность. Внутренние трещины в точке оказывают небольшое влияние на значение разрушающей нагрузки; нагруженные же трещины могут снизить ее в три раза и более. При знакопеременных нагружениях предел выносливости в несколько раз меньше, чем при знакопостоянных.

Усталостная прочность соединений, выполненных шовной сваркой, ниже стыковой, но выше, чем при точечной, так как соединения обеспечивают более равномерный силовой поток.

8. Влияние термообработки и остаточных напряжений на сопротивления усталости сварных соединений

При сварке элементов больших толщин термическая обработка, особенно в сочетании со снятием усиления, приводит к заметному повышению усталостной прочности. При высокой концентрации напряжений в ряде случаев термическая обработка не эффективна и даже снижает прочность при переменных нагрузках. В некоторых случаях основной металл при переменных нагрузках приобретает пониженную прочность в зоне отпуска. Аналогичное понижение предела выносливости в зоне отпуска наблюдается в сварных соединениях термически обработанных цветных сплавов (алюминиевые, магниевые и др.).

Отпуск при температуре 650 °С, устраняющий остаточные напряжения, вызванные сваркой, как правило, не повышает усталостную прочность низколегированных сталей. Это объясняется тем, что отпуск не только устраняет остаточные напряжения, но и изменяет до некоторой степени механические свойства металла — снижает предел текучести. При нагружениях в условиях симметричного цикла отпуск полезен; при r=0— бесполезен; приr>0— снижается предел выносливости.

Остаточные напряжения могут понижать несущую способность конструкции, чаще всего не оказывают на нее влияния, а в некоторых случаях даже и повышают ее. Аналитически предел выносливости образца с остаточными напряжениями при r=—1может быть выражен следующей формулой:

(5.3)

Где σ_-1— предел выносливости при симметричном цикле в отсутствие остаточных напряжений;σ_ост— остаточные растягивающие напряжения в зоне возможного разрушения;σ_в— предел прочности материала.

При сжимающих σ_остпредел прочностиσ_-1^остповышается.

Благоприятные остаточные напряжения сжатия можно создать местной пластической деформацией. С этой целью сварные соединения иногда подвергают поверхностной механической обработке: прокатке роликами или, что является более простым и удобным, обдувкой дробью, обработке пневматическим молотком или пучком проволок ударными методами. При этом в поверхностных слоях металла происходит пластическая деформация, которая вызывает наклеп металла, сопровождающийся повышением σ_т, и, кроме того, образуются остаточные напряжения сжатия. Чем выше коэффициент концентрации напряжений в сварном соединении, тем более эффективно применение поверхностной обработки швов.

Эффект повышения предела выносливости сварных точечных соединений достигается их обжатием ковочным давлением при остывании. Проковка повышает сопротивляемость усталостным разрушениям в 1,4…2,0 раза, а при обработке специальным инструментом и скоростной проковке — в большей степени.

Существует способ повышения усталостной прочности сварных соединений обжатием посредством взрыва. Вдоль швов укладывают трубки со взрывчатым веществом. В результате действия взрывной волны усталостная прочность повышается. Значительное повышение усталостной прочности может быть получено в результате обработки соединений ультразвуковым инструментом

Выносливость сварных соединений может быть увеличена предварительным их нагружением при одновременном устранении вредных растягивающих остаточных напряжений в зоне концентраторов. Иногда считают полезным создание предварительных напряжений в тонкостенных конструкциях и подвержение их вибрации. При этом остаточные растягивающие напряжения уменьшаются на несколько десятков процентов, а сопротивление усталостным нагрузкам повышается.