Усталость сварных конструкций. Рекомендации по повышению выносливости и расчёту на долговечность сварных узлов подъёмно-транспортных и горнорудных машин

Донбасская государственная машиностроительная академия Лаборатория технической диагностики Усталость сварных конструкций. Рекомендации по повышению выносливости и расчёту на долговечность сварных узлов подъёмно-транспортных и горнорудных машин Краматорск 2006 Содержание 1 Назначение 3 2 Введение 3 3 Общие сведения 4 4 Основные факторы определяющие сопротивление сварных соединений стальных конструкций усталостным разрушениям 13 4.1 Концентрация напряжений 13 4.2 Изменение свойств металла околошовной зоны 18 4.3 Остаточные напряжения 19 4.4 Размеры свариваемых деталей или несущих элементов конструкций и вид напряжённого состояния 22 4.5 Воздействие окружающей среды и температуры 24 5 Сопротивление усталости сварных соединений малоуглеродистых низколегированных и высокопрочных сталей 26 6 Меры повышающие выносливость сварных соединений 33 6.1 Снижение концентрации напряжений 33 6.2 Изменение полей остаточных напряжений 36 6.3 Изменение сопротивляемости сварных соединений хрупкому разрушению под влиянием мер повышающих их выносливость 41 7 Расчёт сварных соединений на усталость 43 1 Назначение Рекомендации предназначены для студентов инженерно-технических работников занимающихся проектированием и изготовлением сварных стальных несущих конструкций подъёмно-транспортных землеройных и горнорудных машин подверженных в эксплуатационных условиях воздействию переменного циклического нагружения . 2 Введение Большинство несущих сварных элементов подъёмно-транспортных землеройных и горнорудных машин вскрышные многоковшовые и роторные экскаваторы шагающие экскаваторы и др. воспринимают в эксплуатационных условиях воздействие переменных нагрузок. В этой связи их работоспособность и долговечность в значительной мере определяется сопротивляемостью сварных соединений усталостным разрушениям. Это подтверждается известными из практики случаями образования в ответственных сварных узлах усталостных трещин нередко вызывающих катастрофические разрушения. Следовательно одной из наиболее важных инженерных задач связанных с повышением надёжности подъёмно-транспортных и горнорудных машин является предотвращение усталостных повреждений сварных соединений. Предотвращение усталостных повреждений элементов машин может быть достигнуто на основе расчётной оценки их несущей способности с учётом явления усталости сварных соединений; рационального с точки зрения сопротивления усталости конструктивного решения сварных узлов; применения дополнительных мер направленных на повышение сопротивления усталости соединений. В данных рекомендациях освещены характерные особенности разрушения металла и сварных соединений при переменном нагружении; рассмотрены основные закономерности изменения сопротивления усталости соединений сталей различного класса прочности в зависимости от условий нагружения а также конструктивных и технологических факторов обусловленных сваркой; дана оценка эффективности дополнительных мер направленных на повышение выносливости соединений; кратко изложена методика расчёта проверки соединений на выносливость и приведены значения расчётных сопротивлений наиболее характерных для подъёмно-транспортных землеройных и горнорудных машин сварных соединений и узлов. Использование в практике проектирования и изготовления сварных металлоконструкций горнорудных и землеройных машин сведений приведённых в Рекомендациях позволит повысить их надёжность и долговечность. 3 Общие сведения В инженерной практике встречаются три вида разрушений конструкционных материалов и сварных соединений: вязкое хрупкое и усталостное. Их основными отличительными особенностями является характер и величина разрушающих напряжений а также вид излома. Вязкое разрушение возникает при медленно возрастающей однократно приложенной нагрузке. Разрушению этого вида всегда предшествует значительная пластическая деформация с образованием утонения шейки в месте излома. При этом уровень разрушающих напряжений как правило превышает предел текучести материала. Излом при вязком разрушении имеет волокнистую поверхность со следами пластической деформации сдвига. Плоскость излома чаще всего ориентируется под углом 45? к направлению действующего усилия. Необходимо отметить что в эксплуатационных условиях вязкое разрушение конструкций наблюдается чрезвычайно редко. Оно может возникнуть только вследствие грубых ошибок допущенных в расчётах либо чрезмерных нагрузок. Наибольшую опасность для практики представляют хрупкие и усталостные разрушения металлических конструкций. Хрупкое разрушение металла и сварных соединений зарождается и развивается с большой скоростью в условиях статического нагружения при низком уровне номинальных напряжений. При этом излом имеет кристаллическую поверхность с так называемым «шевронным узором» без заметных следов пластической деформации. Поверхность излома ориентирована под углом 90? к направлению разрушающего усилия. Хрупкое разрушение сварных конструкций обусловлено как правило сочетанием ряда неблагоприятных факторов: высокой концентрацией рабочих и остаточных сварочных напряжений в узлах; низкой температурой; исчерпанием пластичности металла в зонах концентрации напряжений вследствие термопластических деформаций вызванных сваркой и др. Одной из разновидностей этого вида разрушений является так называемое квазихрупкое почти хрупкое разрушение внешне не отличающееся от хрупкого однако протекающих при напряжениях превышающих предел текучести материала установленный путём испытаний стандартных образцов металла при положительной температуре. Усталостное разрушение металла и сварных соединений обусловлено результатом действия многократно повторяющихся сравнительно небольших по величине переменных нагрузок вызывающих необратимые изменения в металле приводящие в свою очередь к образованию сначала микроскопической а затем и макроскопической трещины. Постепенно развиваясь под действием повторных нагрузок трещина приводит в конце концов к внезапному разрушению элементов изделий. Образование и развитие трещин в условиях переменного циклического нагружения происходит при уровнях напряжений значительно меньших предела текучести материала или его соединений в том числе и сварных . Наиболее характерной чертой усталостного разрушения является отсутствие пластической деформации в зоне разрушения даже у высокопластичных при статической нагрузке материалов. Поверхности усталостных изломов чаще всего имеют три зоны. Вблизи области зарождения усталостной трещины вследствие медленного её развития в начальный период поверхность излома имеет вид полированной притёртой . Во второй зоне вследствие более интенсивного развития усталостной трещины поверхность разрушения менее регулярный ровный полосчатый характер. Третья зона соответствует окончательному разрушению когда сечение несущего элемента уменьшается до такой степени что металл разрушается при последнем приложении нагрузки. Эта зона имеет либо кристаллическую поверхность свидетельствующую о том что окончательное разрушение носило хрупкий характер либо волокнистую со следами значительных пластических деформаций указывающих на то что окончательное разрушения было вязким. Дополнительной характеристикой усталостного излома может служить наличие окисленной поверхности в зоне развития усталостной трещины. Плоскость усталостного излома ориентирована как правило под углом 90? к направлению усилия. Все эти признаки позволяют по излому определить характер разрушения изделия. Сопротивляемость металла и сварных соединений усталостным разрушениям характеризуется пределом выносливости получаемым обычно экспериментальным путём. Предел выносливости или предел усталости* – предельное значение напряжения определяемое из условия что при более низком напряжении материал или его соединение не разрушиться при сколь угодно большом числе циклов напряжения. Ограниченный предел выносливости – наибольшее напряжение которое материал или его соединение выдержит без разрушения заданное число циклов. Этот термин должен рассматриваться как частный случай понятия «предел выносливости». Цикл напряжения – наименьший отрезок зависимости напряжения от времени периодически т повторяемый в неизменном виде см. рис. 1 . Цикл напряжений в свою очередь характеризуется: максимальным и минимальным напряжением амплитудой размахом напряжений средним напряжением а также асимметрией. Максимальное напряжение – наибольшее по алгебраической величине напряжение цикла напряжение растяжения считается положительным напряжение сжатия – отрицательным . Минимальное напряжение – наименьшее по алгебраической величине напряжение цикла напряжение растяжения считается положительным напряжение сжатия – отрицательным . Размах напряжения – алгебраическая разность максимального и минимального напряжений цикла: . Амплитуда напряжения цикла – половина размаха напряжения: . Среднее напряжение или постоянная составляющая переменного напряжения – алгебраическое среднее максимального и минимального напряжений цикла: . Коэффициент асимметрии цикла r – отношение минимального напряжения к максимальному с учётом их знаков: . а – характер цикла изменения напряжений б – симметричный цикл в – пульсирующий цикл г – асимметричный цикл Рисунок 1 – Изменение напряжение во времени В случае когда r = -1 напряжения и равны по величине но противоположны по знаку имеет место симметричный цикл. Величинам относящимся к симметричному циклу присваивается индекс -1 напр.?-1 . В этом случае ?m = 0; ?a = ?max =?min см. рис. 1 б . При пульсирующем цикле = 0. Величинам относящимся к пульсирующему циклу присваивается индекс 0. В этом случае см. рис. 1 в . В общем случае симметричного цикла а величины относящиеся к асимметричному циклу присваивается индекс r соответствующий коэффициенту асимметрии цикла. Для определения экспериментальным путём предела выносливости материала или сварного соединения чаще всего испытывают 6-8 образцов. Для каждого образца задаётся некоторое напряжение которое сохраняется постоянным до разрушения. Чаще всего серии однотипных образцов испытываются при постоянном значении коэффициента асимметрии цикла r = const однако в отдельных случаях испытания могут проводиться при постоянном уровне средних напряжений цикла ?m = const . Первый образец испытывается при напряжениях заведомо превышающих предел выносливости. Определяется число циклов при котором произойдёт разрушение данного образца. Следующей образец нагружается меньшей нагрузкой но с той же характеристикой цикла что и первый и для него определяются разрушающее число циклов. Уменьшая от образцу к образцу уровень переменных напряжений достигают предельного уровня напряжений при котором образец не разрушается при сколь угодно большом цикле нагружения . По результатам подобных испытаний образцов может быть построена кривая усталости материала или сварного соединения в координатах ? – N или ? – lgN или lg? – lgN см. рис. 2 . Рисунок 2 – Кривые усталости построенные по результатам усталостных испытаний образцов ?-1 – предел усталости : а – в Декартовых координатах; б – в полулогарифмических координатах; в – в логарифмических координатах. По оси ординат при построении кривой усталости откладывается наибольшее напряжение цикла с указанием коэффициента асимметрии при котором испытывается данный образец; по оси абсцисс – количество циклов перемен напряжений выдержанных образцом до разрушения. В декартовых координатах результаты усталостных испытаний серии образцов отражается кривой асимптотически приближающейся к прямой параллельной оси по которой отложены числа циклов напряжений рис. 2 а . В полулогарифмических рис. 2 б и двойных логарифмических координатах рис. 2 в левые ветви кривых усталости чаще всего изображаются прямыми линиями. Для расчётной оценки сопротивления усталости металла и сварных соединений необходимо располагать пределами усталости полученными при различной асимметрии цикла. Сопротивление усталости металла действию переменных напряжений с различной асимметрией цикла может быть отражено так называемыми диаграммами предельных напряжений как отмечалось выше предельным напряжением названо напряжение соответствующее работе материала или соединения на абсолютном или ограниченном пределе выносливости . Для сварных соединений наибольшее распространение получили две диаграммы предельных напряжений: диаграмма Смита в координатах ?max ?min ?m и видоизменённая диаграмма Гудмана в координатах ?min ?max. Диаграмма Смита рис. 3 строиться следующим образом: по оси абсцисс откладываются предельные средние напряжения цикла ?m а по оси ординат – соответствующие им предельные максимальные и минимальные напряжения цикла. Для построения диаграммы Смита используют экспериментально установленные при различных значениях коэффициента асимметрии цикла абсолютные или ограниченные пределы выносливости. По данным усталостных испытаний крупномасштабных образцов из стали Ст3сп с прокатной поверхностью полученным на базе 2 млн. циклов построена такая диаграмма рис. 3 . Линия ACF на этой диаграмме соответствует предельным по разрушению условиям. Материал подверженный воздействию переменных напряжений с координатами точек ?m ?max и ?m ?min расположенными внутри области выдерживает практически неограниченное число перемен напряжений в том случае если диаграмма построена на основании абсолютных пределов усталости материала либо заданное число циклов нагружения если диаграмма построена на основании ограниченных пределов усталости . Ветви предельных напряжений в верхней части диаграммы сходятся в точке С характеризующей прочность материала ?в при однократном статическом нагружении. Для пластичных материалов в диаграмме Смита прямыми BDE исключается область в которой напряжения превосходят предел текучести материала. Пользуясь диаграммой Смита можно определить значения предельных максимальных напряжений цикла характеризуемых величиной средних напряжений цикла . Кроме того поскольку характеристика цикла r связана с величиной средних напряжений цикла эта диаграмма позволяет легко определить предельные напряжения ?max для заданной в пределах от -1 до +1 характеристики цикла r. Для этого необходимо отрезок горизонтали проходящей на уровне предела прочности материала ?в в интервале от вертикальной оси до точки С разделить на чётное число равных частей и нанести на нём значения характеристики цикла. Для определения значения предельных максимальных напряжений цикла при заданном коэффициенте характеристики цикла r достаточно через начало координат и точку r на верхней горизонтальной прямой провести луч. Ордината точки пересечения этого луча с линией ?max даёт искомое значение предельных напряжений ?rmax. Рисунок 3 – Диаграмма предельных напряжений в координатах ?max; ?min; ?m малоуглеродистая сталь с прокатной поверхностью Как видно из диаграммы Смита рис. 3 придельные максимальные напряжения ?max металла с прокатной поверхностью не подвергающегося сварке возрастают по мере увеличения средних напряжений ?m или увеличения коэффициента характеристики цикла r. Однако амплитуда предельных напряжений ?а определяющих сопротивление усталости материала при этом увеличивается. Видоизменённая диаграмма Гудмана отражает изменение предельных максимальных напряжений цикла ?max в зависимости от минимальных напряжений цикла ?min рис. 4 . Так же как и в предыдущем случае данная диаграмма построена на основании экспериментально установленных при различных значениях характеристики цикла пределов усталости углеродистой стали с прокатной поверхностью. Значение предела усталости полученное при симметричном цикле нагружения отложено на прямой проведённой из начала координат под углом 45? к левой части диаграммы для этого случая предельные максимальные и минимальные напряжения цикла равны но противоположны по знаку . Значение предела усталости полученное при пульсирующем цикле r = 0 нагружения отложено на оси ординат проведённой из начала координат. Соответственно на диаграмму наносятся точки отвечающие другим значениям r. Соединив нанесённые точки получаем линию максимальных ?max предельных напряжений материала в зависимости от минимальных напряжений цикла. Полученная линия предельных напряжений в верхней части диаграммы ограничивается пределом прочности материала точка С на рис. 4 или горизонтальной прямой проведённой на уровне предела текучести материала ?в. Ордината любой точки на линии предельных напряжений диаграммы соответствует максимальному напряжению цикла а абсцисса той же точки – минимальному. Подобные диаграммы могут быть построены и для сварных соединений. В практике проектирования нередко возникает необходимость в определении значений максимальных напряжений цикла материала или соединения по известным минимальным напряжениям цикла чаще всего ?min – напряжение от собственного веса конструкции . Данная диаграмма позволяет получить такую информацию. Кроме того эта диаграмма подобно диаграмме Смита даёт возможность определять предельные напряжения ?max и ?min для заданной характеристики цикла r см. рис. 4 . Описанные диаграммы широко используются при рассмотрении закономерностей сопротивления усталости сварных соединений металлоконструкций. Рисунок 4 – Диаграмма предельных напряжений в координатах ?min ?max малоуглеродистая сталь с прокатной поверхностью 4 Основные факторы определяющие сопротивление сварных соединений стальных конструкций усталостным разрушениям В общем случае сопротивление усталости предел выносливости сварных соединений конструкций с необрабатываемой поверхностью зависит от следующих факторов: 1 концентрации напряжений создаваемой формой соединений или технологическими дефектами; 2 изменение свойств металла околошовной зоны вследствие сварки; 3 остаточных напряжений обусловленных процессом сварки; 4 абсолютных размеров свариваемых деталей или несущих элементов конструкций и вида напряжённого состояния; 5 воздействия окружающей среды и температуры а также других факторов. 4.1 Концентрация напряжений Очагами усталостного разрушения деталей машин являются как правило места резкого изменения их формы отверстия галтели вырезы выкружки шпоночные углубления и т.п. создающие местное повышение напряжений. На рис. 5 показана схема силового потока и распределение нормальных напряжений в пластинах с отверстием и боковыми надрезами возникающих при нагружении растягивающим усилием. Напряжение в сеч. I-I вычисленное по формулам сопротивления материалов без учёта концентрации напряжений называют номинальным напряжением ?н . Однако в зоне отверстия и боковых вырезов фактическое напряжение ?max будет значительно большим в сравнении с ?н. При условии упругого распространения напряжений отношение характеризует степень концентрации и называется коэффициентом концентрации напряжений или теоретическим коэффициентом концентрации напряжений и обозначается ??. Рисунок 5 – Схема силового потока и распределения нормальных напряжений при растяжении пластины: а – с отверстием; б – с боковыми надрезами. В сварных соединениях с необрабатываемой после сварки поверхностью концентрация напряжений возникает вследствие обусловленной формой или технологическими дефектами неравномерности распределения напряжений в сечениях несущих элементов конструкций. Зарождение усталостных трещин в сварных соединениях наблюдается в зонах перехода металла шва к основному металлу. Поверхности усталостных изломов в стыковых и нахлёсточных соединениях чаще всего ориентированы под прямым углом к направлению действующего усилия. Это указывает на то что развитие усталостных трещин связано с действием нормальных напряжений. На рисунках 6 7 8 9 10 11 показана неравномерность распределения нормальных рабочих напряжений в сопоставлении с номинальными в основных типах сварных соединений. Рисунок 6 – Распределение нормальных напряжений при растяжении в стыковом соединении: а – без дефекта; б – с дефектами сеч. I-I – подрез; сеч. II-II – непровар Рисунок 7 – Распределение нормальных напряжений в пластине с присоединением фасонок продольными швами встык Рисунок 8 – Распределение нормальных напряжений в пластине с прикреплением поперечных планок рёбер угловыми швами Рисунок 9 – Распределение нормальных напряжений в нахлёсточном соединении с лобовыми швами Рисунок 10 – Распределение нормальных напряжений по толщине свариваемых пластин в нахлёсточном соединении с фланговыми швами Рисунок 11 – Распределение нормальных напряжений по толщине свариваемых пластин в нахлёсточном соединении с фланговыми швами Значения ?? для сварных соединений реальных конструкций могут быть найдены теоретически на основе методов теории упругости или экспериментально чаще всего методы фотоупругости на моделях их оптически активного материала воспроизводящих форму соединений и условия передачи усилия в реальных конструкциях . Коэффициенты концентрации напряжений для основных типов сварных соединений изменяются в пределах указанных в табл. 1. Таблица 1 – Коэффициенты концентрации напряжений для основных типов сварных соединений Тип соединения ?? Стыковое 1.17-1.5 Прикрепление фасонок в стык 1.2-1.5 Прикрепление рёбер жёсткости 1.4-1.6 Нахлёсточное с лобовыми швами 1.3-2.3 Нахлёсточное с фланговыми швами 1.8-3.2 В сопоставлении с клёпанными или болтовыми соединениями ?? = 3 большинство сварных соединений создают меньшую концентрацию напряжений. Однако пределы усталости сварных соединений значительно ниже пределов усталости основного металла при одинаковых значениях ??. Об этом свидетельствует сравнение зависимостей ?-1 = f ?? полученных для сварных соединений и для подобных образцов из основного металла рис. 12 . Как видно из рис. 12 кривая 2 относящаяся к основному металлу располагается значительно ниже кривой 1 отражающей сопротивление усталости сварных соединений. С повышением коэффициента концентрации напряжений разница между пределами выносливости образцов из основного металла с концентраторами в виде выточек и сварных образцов заметно возрастает достигая 6 кг/мм2 при ?? = 2 3. Эта разница соизмерима с падением выносливости обусловленным концентрацией напряжений. Отсюда можно заключить что снижение сопротивления сварных соединений усталостным разрушениям происходит не только под влиянием концентрации напряжений но и вследствие влияния других факторов связанных с образованием сварных соединений. К ним в первую очередь относятся: изменение свойств металла околошовной зоны и остаточные напряжения. 4.2 Изменение свойств металла околошовной зоны В процессе сварки основной металл вблизи соединяемых кромок подвергается высокотемпературному нагреву с последующим охлаждением. При этом в околошовной зоне изменяется структура и химический состав металла. В сочетании с термопластическими деформациями обусловленными сварочным нагревом эти изменения могут приводить к упрочнению или разрушению металла околошовной зоны. Характер изменение механических свойств отдельных участков металла околошовной зоны зависит от термического цикла нагрева и охлаждения исходного химического состава металла а также от предшествующей термической и механической обработки свариваемого материала. У малоуглеродистых сталей наблюдается повышение предела текучести и предела прочности металла околошовной зоны достигающее 15-20% в сравнении с основным металлом. При сварке низколегированных конструкционных сталей обычной и повышенной прочности механические свойства предел прочности предел текучести твёрдость отдельных участков металла околошовной зоны могут изменяться как в сторону увеличения так и в сторону уменьшения. Объясняется это большей чем у малоуглеродистых сталей структурной и химической неоднородностью металла возникающей вследствие термического воздействия сварки. Как показал анализ исследований выполненных в ИЭС и других организациях структурная и химическая неоднородность а также изменение механических свойств металла околошовной зоны обусловленные термическим воздействием сварки не оказывают заметного влияния на сопротивление усталости сварных соединений малоуглеродистых и низколегированных сталей обычной и повышенной прочности. Только в тех случаях когда имеют место значительные отклонения от рекомендуемых в практике режимов сварки изменение свойств металла околошовной зоны могут оказывать некоторое влияние на выносливость соединения. 1 – образцы на основе металла с концентрациями в виде выточек 2 – сварные соединения Рисунок 12 – Зависимость пределов усталости от теоретического коэффициента концентрации напряжений: 4.3 Остаточные напряжения Неравномерные тепловые упруго-пластические деформации сопутствующие сварке помимо изменения механических свойств металла околошовной зоны приводят к образованию в районах соединений остаточных напряжений достигающих в большинстве случаев предела текучести свариваемого материала. Суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки остаточные напряжения при определённых условиях оказывают существенное влияние на сопротивление усталости сварных соединений. Необходимым условием проявления роли остаточных напряжений в усталостных процессах является наличие геометрических концентраторов напряжений. В сварных соединениях с необрабатываемой поверхностью концентрация рабочих напряжений обусловлена их формой имеющей довольно резкие переходы от металла швов к основному металлу. В сочетании с концентрацией рабочих напряжений растягивающие остаточные напряжения снижают выносливость соединений а сжимающие – повышают её. Снижение пределов выносливости сварных изделий под влиянием растягивающих остаточных напряжений может достигать 35-50%. Степень снижения сопротивления усталости сварных соединений вследствие влияния растягивающих остаточных напряжений существенно зависит от асимметрии цикла вида сварного соединения и др. условий. Наибольшее падение выносливости сварных соединений под действием растягивающих остаточных напряжений наблюдается при симметричном цикле нагружения. С ростом асимметрии цикла роль остаточных напряжений заметно ослабевает. На рис. 13 представлены диаграммы предельных напряжений стыковых соединений с высокими и низкими остаточными напряжениями. Как видно из рисунка остаточные напряжения существенно изменяют наклон линии предельных напряжений. Если ветви 1 и 1/ при их продлении пересекаются то ветви 2 и 2/ соответствующие соединениям с высокими остаточными напряжениями практически параллельны. Независимость предельной амплитуды от среднего напряжения цикла характерна и для других видов соединений с высокими остаточными напряжениями. Для инженерных расчётов параллельностью ветвей диаграммы ?max ?min ?m можно воспользоваться вплоть до предела текучести материала. В значительной мере влияние остаточной напряжённости определяется видом соединений. Наиболее стабильна остаточная напряжённость в соединениях с фланговыми швами. Независимо от размеров и формы свариваемых деталей или элементов конструкций по концам фланговых швов возникают максимальные остаточные напряжения. Постоянство остаточной напряжённости обеспечивает стабильность пределов выносливости соединений с продольными швами. Иная картина наблюдается в стыковых соединениях с поперечными угловыми швами. Характер эпюры и максимальная величина поперечных по отношению к шву растягивающих остаточных напряжений в этом случае определяются размерами свариваемых заготовок порядком сварки дополнительными швами и т.п. Так например поперечные остаточные растягивающие напряжения в стыковых соединениях и нахлёсточных с поперечными швами достигают предельных значений в том случае когда толщина свариваемых листов составляет не менее 20-26 мм а их ширина – 200-300 мм. Поэтому пределы усталости однотипных соединений с поперечными швами существенно изменяются в зависимости от размеров свариваемых деталей. Помимо асимметрии цикла и вида соединения проявление роли остаточных напряжений зависит от характера передачи силового потока между соединяемыми элементами конструкции. Если стыковые и нахлёсточные соединения участвующие в передаче основного силового потока под влиянием растягивающих остаточных напряжений изменяют пределы выносливости в основном только при действии знакопеременных нагрузок то в местах прикрепления конструктивных элементов рёбер проушин диафрагм фасонок и т.п. растягивающие остаточные напряжения могут проявить своё влияние и в области однозначных переменных нагрузок. Всё это свидетельствует и о необходимости учёта роли остаточных напряжений при оценке несущей способности сварных конструкций подверженных в эксплуатационных условиях воздействию переменных нагрузок. Рисунок 13 – Диаграммы предельных напряжений стыковых соединений: 1 – с низкими растягивающими остаточными напряжениями; 2 – с высокими растягивающими остаточными напряжениями. 4.4 Размеры свариваемых деталей или несущих элементов конструкций и вид напряжённого состояния С ростом размеров исследуемых образцов и деталей изделий без сварки пределы выносливости обычно снижаются. Наиболее существенное снижение сопротивления усталости достигающее 30-50% с увеличением размеров образцов замечено при изгибе. При растяжении-сжатии масштабный эффект практически не проявляется. Об этом свидетельствуют в частности данные приведенные на рис. 14. Как видно из рисунка испытания однотипных образцов при растяжении и изгибе показывают различную выносливость. При осевом нагружении заметного влияния размеров на сопротивление усталости не наблюдается. Пределы выносливости образцов толщиной от 14 до 40 мм равны 14-15 кг/мм2. При изгибе зависимость от толщины проявляется более резко особенно для толщины 40 мм. Пределы выносливости изменяются от 26 до 18 кг/мм2. Однако они не снижаются до уровня нижнего значения равного пределу выносливости при растяжении. Если исходить из того что пределы выносливости металла при изгибе и растяжении в конечном счёте должны быть равны то это возможно только на металле толщиной значительно больше 60 мм. Иная картина наблюдается у сварных соединений. Несмотря на то что общая закономерность влияния масштабного фактора сохраняется минимальные значения пределов усталости сварных соединений при изгибе получают на образцах значительно меньших толщин см. рис. 15 . Этому по-видимому в определённой мере способствует растягивающие остаточные напряжения обусловленные сваркой. Как отмечалось выше поперечные остаточные напряжения в стыковых соединениях достигают максимума начиная м длины шва 200 мм при толщине свариваемого металла 25 мм. Как видно из рис. 15 падение пределов выносливости стыковых соединений наблюдается как при утолщении образцов так и при их уширении. Однако после того как ширина образцов становиться равной 200 мм а толщина 26 мм пределы выносливости соединений стабилизируются и достигают своего минимального значения. Приведённые данные свидетельствуют о необходимости учёта влияния масштабного фактора при проектировании сварных конструкций подверженных в процессе эксплуатации воздействию переменных нагрузок. Роль рассматриваемого фактора обычно учитывается уровнем расчётных сопротивлений допускаемые напряжения усталости соединений. Рисунок 14 – Изменение пределов выносливости образцов с отверстием в зависимости от толщины и вида напряжённого состояния: 1 – изгиб 2 – растяжение Рисунок 15 – Влияние толщины а и ширины б свариваемых листов на выносливость стыковых соединений 4.5 Воздействие окружающей среды и температуры В эксплуатационных условиях несущие элементы сварных конструкций нередко одновременно с действием переменных нагрузок подвергаются воздействию коррозионно-агрессивной среды. Сопротивление усталости металла и сварных соединений при этом резко снижается. Явление усталости обусловленное одновременным действием коррозионно-агрессивной среды и переменных напряжений получило название коррозионной усталости. Степень снижения пределов коррозионной усталости зависит от агрессивности окружающей среды и длительности её воздействия. В этой связи количественная оценка снижения сопротивления металла и сварных соединений коррозионной усталости затруднена. С целью предотвращения отрицательного влияния коррозии на сопротивление усталости сварных конструкций эксплуатируемых при переменном нагружении на открытом воздухе не следует допускать их корродирования в местах скопления влаги. С этой целью рекомендуется периодическая окраска конструкций. Изменение температуры в довольно широких пределах оказывает значительно меньшее влияние на сопротивление усталости металла и сварных соединений чем коррозия. Предел усталости углеродистых и низколегированных сталей и их соединений с повышением температуры несколько снижается достигая минимума при t = 100-120?С . По мере дальнейшего повышения температуры вплоть до 350-400?С наблюдается некоторое увеличение сопротивления усталости стали ха счёт старения. Начиная с температуры равной 400?С пределы усталости сталей резко снижаются. Отрицательные температуры приводят к повышению сопротивления усталости сталей и их соединений. Для сварных конструкций эксплуатируемых на открытом воздухе наибольший интерес представляют интервал естественных климатических температур -60?С…+40?С . В этом интервале температур сопротивление усталости сталей и сварных соединений остаётся практически неизменным. Однако низкие климатические температуры могут способствовать хрупкому разрушению соединений берущему своё начало от небольших усталостных трещин для развития которых при положительной температуре требуется значительно большее число циклов нагружения. Такие разрушения наблюдались в строительных конструкциях экскаваторах дорожных машинах ж.д. транспорте и др. В этой связи начальная стадия усталостного повреждения в большинстве случаев имеет решающее значение для несущей способности сварных конструкций работающих при пониженных температурах а предотвращение разрушений связанных с переходом усталостных трещин в хрупкие является одним из наиболее существенных факторов надёжности. Переход усталостного разрушения к внезапному хрупкому при низких уровнях номинальных напряжений возможен при достижении трещинами усталости критических размеров. Критические размеры усталостных трещин помимо температуры определяются сочетанием ряда неблагоприятных факторов свойственных реальным конструкциям: остаточной напряжённостью; исчерпание пластичности металла в зоне соединения вследствие неравномерных термопластических деформаций обусловленных сваркой; масштабным фактором; дополнительными к основному усилию случайными или систематическими ударными нагрузками и др. Как видно из зависимости разрушающих напряжений от глубины трещины полученной при испытании крупномасштабных образцов статической нагрузкой в условиях низких температур рис. 16 минимальный размер усталостных трещин вызывающих резкое падение разрушающих напряжений составляет 3.5-4.5 мм. Приведённые данные свидетельствуют о том что оценка несущей способности сварных конструкций эксплуатируемых при переменном нагружении в условиях пониженных температур должна выполняться на основе расчётных сопротивлений усталости соединений установленных с учётом докритического размера усталостной трещины исключающего вероятность хрупкого разрушения. Такой подход к оценке сопротивления усталости сварных соединений позволит предотвратить катастрофические разрушения конструкций обусловленные переходом усталостных трещин в хрупкие. Рисунок 16 – Снижение несущей способности стали и сварных соединений в зависимости от глубины усталостной трещины t = -40…-65?С 5 Сопротивление усталости сварных соединений малоуглеродистых низколегированных и высокопрочных сталей Наибольшей сопротивляемостью усталостным разрушениям обладают стыковые соединения. Причём пределы выносливости бездефектных соединений с необрабатываемой после сварки поверхностью выполненные автоматической и ручной сваркой практически не отличаются между собой. Более того в условиях предельной остаточной напряжённости сопротивление усталости необработанных стыков не зависит от величины усиления швов и плавности их перехода к основному металлу. Сварочные материалы изменяют выносливость стыковых соединений лишь в тех случаях когда очагами усталостных трещин служат технологические дефекты сварки поры шлаковые включения непровары . Стыки с дефектами выполненные электродами с основным покрытием показывают большую долговечность чем сваренные электродами с рутикарбонатным покрытием. В тех случаях когда усталостные трещины зарождаются по линии сплавления шва и основного металла и развиваются в основном металле сварочные материалы не оказывают существенного влияния на усталость соединений. Постоянные швы пересекая стыковые соединения изменят в них остаточную напряжённость. В зонах пересечения образуются повышенные растягивающие остаточные напряжения которые вызывают дополнительно снижение пределов выносливости стыков. Усталостные трещины в таких соединениях чаще всего зарождаются по линии оплавления стыкового шва с основным металлом вблизи продольного шва. Для стыковых соединений пересекаемых продольными швами расчётные сопротивления усталости должны приниматься более низкими. Прикрепление встык и нахлёсточные соединения хуже сопротивляются усталостным разрушениям чем стыковые. Наиболее низкую выносливость имеют соединения с фланговыми швами. Как отмечалось выше они создают наибольшую концентрацию напряжений. Кроме того в процессе сварки у концов создаются высокие растягивающие остаточные напряжения. Трещины усталости в таких соединениях как правило возникаю в основном металле у концов фланговых швов. Добавление любого шва в нахлёсточном соединении несколько повышает его выносливость. Это объясняется снижением концентрации напряжений вследствие более равномерного распределения силового потока. В этих соединениях усталостные трещины образуются по границе лобового шва при этом может быть несколько очагов разрушения. В таблице 2 приведены значения пределов выносливости основных типов сварных соединений малоуглеродистой стали установленные на крупномасштабных образцах с учётом влияния всех основных факторов определяющих сопротивление усталости соединений реальных конструкций. В той же таблице для сравнения показаны пределы выносливости основного металла не подвергавшегося сварке малоуглеродистая сталь с прокатной поверхностью . Таблица 2 – Пределы выносливости основных типов сварных соединений малоуглеродистой стали Соединение ?r кг/мм2 при r -1 0 +0.5 +0.6 Основной металл малоуглеродистая сталь с прокатной поверхностью 15.2 24.0 – – Стыковое выполненное автоматической или ручной сваркой при обычном усилении шва 6.9 13.0 18.6 – Стыковое в случае пересечения его продольным швом 5.2 10.6 – – Прикрепление трапецеидальных фасонок встык 5.5 11.0 – – Прикрепление планок рёбер диафрагм и других вспомогательных элементов лобовыми швами с отношением катетов 1:1 4.0 9.0 12.0 – Нахлёсточное соединение с обваркой по контуру 3.5 6.8 – – Нахлёсточное соединение с фланговыми швами 2.3 5.8 7.8 12.0 На рис. 17 по данным табл. 2 построены диаграммы предельных напряжений для малоуглеродистой стали с прокатной поверхностью и основных видов сварных соединений. Верхнее части линий предельных напряжений отсечены допускаемым уровнем напряжений по условиям остаточного нагружения. В рассматриваемых границах линии предельных напряжений сварных соединений наклонены под углов 45? к оси абсцисс. Как отмечалось выше это указывает на то что предельные амплитуды ?а практически не зависят от среднего напряжения цикла ?m. Сопоставление выносливости сварных соединений низколегированных конструкционных сталей 14Г2 19Г 18ГФпс 15ГС 15Г2С 15Г2АФДпс 14ХГС 10ХСНД 15ХСНД 09Г2С 10Г2СД 10Г2С1 14ХМНДФР и 15ХГ2СМФР показало что химический состав и механический свойства не оказывают влияния на сопротивление усталости соединений в исходном состоянии. Выносливость не изменяется и в тех случаях когда стыки при изготовлении проходят термическое упрочнение или рафинирование синтетическими шлаками Нивелирование пределов выносливости однотипных сварных соединений сталей различных классов прочности происходит под влиянием ряда факторов. Известно что с увеличением предела прочности стали повышается её чувствительность к концентрации напряжений. Существенную роль в процессе нивелирования выносливости соединений играют остаточные напряжения. Поскольку их величина определяется пределом текучести при переходе к более прочным сталям остаточные напряжения возрастают усиливая соответственно своё влияние на выносливость соединений. Определённую роль могут играть и металлургические факторы обусловленные сваркой. На гране сплавления основного металла и металла шва существенно снижается содержание углерода никеля и других легирующих элементов. При этом использование электродных проволок легированных никелем кремнием молибденом и др. не приводит к изменениям химического состава металла у участка так как время взаимной диффузии между жидким металлом сварочной ванны и жидкой прослойки у границы сплавления весьма непродолжительно. Пределы выносливости сварных соединений низколегированных сталей обычной и повышенной прочности практически не отличаются от соответствующих пределов выносливости соединений малоуглеродистых сталей рис. 18 . Вследствие этого линии предельных напряжений относящиеся к различным сталям совпадают и каждая из этих линий является продолжением предыдущей отражающей выносливость менее прочного металла рис. 19 . При этом наклонные части диаграммы параллельны лучу r = +1 что свидетельствует о независимости предельных амплитуд ?а от характеристики цикла r переменных напряжений. Совмещённые диаграммы позволяют определить области рационального применения сталей различной прочности в сварных конструкциях с необрабатываемыми соединениями. При отрицательных и небольших положительных значениях r использование любой стали ограничивается на диаграмме одной и той же линией предельных переменных напряжений. В этой области линия 4 на рис. 19 наиболее целесообразно использовать малоуглеродистую сталь. Области рационального использования низколегированных и высокопрочных сталей определяются на диаграмме точками пересечения линий предельных напряжений с горизонтальными прямыми характеризующими предельные статические напряжения для малоуглеродистых и низколегированных сталей. Выше уровня предельных статических напряжений малоуглеродистой стали лежит область рационального использования низколегированных сталей обозначена цифрой 5 на рис. 19 а выше предельных статических напряжений низколегированных сталей – область целесообразного применения высокопрочных сталей. Если в сварных элементах конструкции имеются только стыковые соединения то согласно диаграмме приведённой на рис. 19 высокопрочные стали целесообразно применять при r > 0.5. У нахлёсточных соединений линия предельных напряжений расположена ниже чем у стыковых. Поэтому такие соединения могут дополнительно сблизить границы рационального использования сталей различной прочности если не применить специальных мер обеспечивающих повышение выносливости сварных соединений. Рисунок 17 – Диаграммы предельных напряжений малоуглеродистой стали и сварных соединений: 1 – основного металла с прокатной поверхностью; 2 – стыковое соединение; 3 – стыковое в случае пересечения его продольными швами; 4 – прикрепление трапецеидальных фасонок встык; 5 – прикрепление планок рёбер диафрагм и других вспомогательных элементов лобовыми швами с отношением катетов 1:1; 6 – нахлёсточное соединение с обваркой по контуру; 7– нахлёсточное соединение с фланговыми швами Рисунок 18 – Зависимость пределов усталости стыковых соединений и прикреплений рёбер жёсткости от пределов прочности основного материала: 1 – прикрепление рёбер r = -1 ; 2 – то же r = +0.3 ; 3 – стыковые соединения r = -1 ; 4 – то же r = +0.5 ; Установленная закономерность позволяет предложить следующую формулу для определения значения r выше которого по условиям усталости становиться целесообразным использование стали повышенной прочности в сварных конструкциях с необрабатываемыми соединениями: где – основное допускаемое напряжение или расчётное сопротивление по несущей способности при статическом нагружении; – предел выносливости сварного соединения при симметричном цикле нагружения. Механическая обработка стыковых швов или наведение в районе сварных соединений сжимающих остаточных напряжений существен расширяют область рационального применения сталей повышенной прочности* В тех случаях когда выносливость элемента не сварным соединением а основным металлом имеющим прокатную поверхность применение высокопрочных сталей становиться оправданным во всей области переменных напряжений рис. 20 . Выбор сталей для сварных конструкций эксплуатируемых при цикличном нагружении в ряде случаев обусловлен не только сопротивляемостью соединений усталостным разрушениям. Когда надёжность конструкций наряду с выносливостью определяется сопротивляемостью металла хрупким разрушениям для их изготовления рекомендуются использовать низколегированные и высокопрочные стали отличающиеся повышенной хладостойкостью. Рисунок 19 – Совмещённая диаграмм предельных напряжений необработанных стыковых соединений малоуглеродистых I низколегированных II и высокопрочных III сталей: 1 2 3 – предельные статические напряжения соответсвенно малоуглеродистых низколегированных и высокопрочных сталей; 4 5 6 – области рационального использования малоуглеродистой низколегированной и высокопрочной стали Рисунок 20 – Диаграммы предельных напряжений сталей различной прочности по данным испытаний пластин с прокатной поверхностью: 1 – малоуглеродистые стали; 2 – низколегированные стали; 3 – высокопрочные стали 6 Меры повышающие выносливость сварных соединений Сопротивление усталости сварных соединений в исходном состоянии как было показано выше определяются при прочих равных условиях влиянием двух основных факторов: концентрацией напряжений создаваемой формой соединений и остаточной напряжённостью обусловленной сваркой. Исходя из этого большинство известных мер повышения выносливости соединений основано на уменьшении концентрации напряжений или на изменении полей остаточных напряжений в зонах соединений. 6.1 Снижение концентрации напряжений Снижения концентраций напряжений чаще всего достигают путём создания плавных переходов швов на основной металл полного провара сечений обварки элементов по контуру устройства различного рода скосов и выкружек а также удлинения швов. Наибольшее распространение в практике получила механическая обработка швов абразивным инструментом или специальными фрезами. При этом следы обработки рекомендуется располагать вдоль действующих в элементах конструкций усилий. Эффективность механической обработки зависит от вида соединения. Наибольшее повышение пределов выносливости вследствие механической обработки швов наблюдается у стыковых соединений сведения с эффективности различных мер повышения сопротивления соединений усталостным разрушениям приведены в табл. 3 . После снятия усиления шва заподлицо с основным металлом пределы выносливости стыковых соединений резко возрастают достигая практически пределов выносливости основного материала. То же самое относиться и к стыковым соединениям термически упрочнённых сталей имеющих околошовные участки металла с пониженными механическими свойствами. Полной снятие усиления стыкового шва может быть заменено механической обработкой переходной зоны. В случае малоуглеродистой стали эффективность частичной обработки не уступает полной. Механическая обработка соединений других видов даёт меньший эффект. Пределы выносливости прикреплений встык и соединений с лобовыми швами возрастают после обработки не более чем на 20-30%. Нередко эти соединения в исходном состоянии и после обработки показывали одинаковую выносливость. В соединениях с лобовыми швами лишь изменяются места зарождения трещин. Очагом разрушения становиться корень лобового шва. Существенного снижения концентраций напряжений в нахлёсточных соединениях и прикреплениях встык можно добиться только за счёт одновременного применения механической обработки в сочетании с конструктивно-технологическими мерами. Для соединений с лобовыми швами такими мерами служат: переход на более толстые накладки глубокий провар корня шва увеличение размеров и пологости шва с последующей тщательной механической обработкой соединения. Только совокупность перечисленных мер даёт ощутимое повышение выносливости нахлёсточных соединений с лобовыми швами. Комплекс подобных мер обеспечивает резкое повышение выносливости и прикреплений различного рода планок и фасонок к несущим элементам конструкции. Для создания плавных переходов от шва к основному металлу можно рекомендовать применить электродуговую обработку зон сплавления. Такая обработка выполняется серийными аргоновыми горелками с вольфрамовыми электродами предназначенными для сварки в среде агрессивных газов. Уменьшение концентраций напряжений электродуговой обработкой даёт такой же эффект как и механическая зачистка швов. Наибольшая эффективность наблюдается при обработке стыковых соединений. Пределы выносливости стыковых соединений приближаются до уровня предела выносливости основного металла. В меньшей степени электродуговая обработка повышает сопротивление усталости соединений с угловыми швами. Очагами их разрушения так же как и после механической зачистки служит корень шва. В корне шва создаётся примерно такая же концентрация напряжений как и пол линии сплавления у кромки шва. Этим обстоятельством и объясняется сравнительно небольшая эффективность электродуговой и механической обработки угловых швов. Уменьшение концентраций напряжений в нахлёсточных соединениях с фланговыми швами путём механической обработки концов швов не приводит к увеличению долговечности соединений. Не изменяется выносливость соединений этого типа и при удлинении швов. Наиболее эффективными мерами повышения выносливости нахлёсточных соединений являются меры основанные на изменении полей остаточных напряжений в зонах концентраторов. Таблица 3 – Эффективность различных способов обработки сварных соединений малоуглеродистой и низколегированных сталей Вид обработки Повышение пределов выносливости после обработки % стыковые соединения соединения с лобовыми швами соединения с фланговыми швами прикрепление конструкционных и связующих элементов r = -1 r = 0 r = -1 r = 0 r = -1 r = 0 r = -1 r = 0 1 Механическая зачистка швов 60-90 20-95 20 5-25 – 0-10 – 0-30 Электродуговая обработка 35-90 35-280 – 30 – – 60-80 10-20 2 Высокий отпуск 30-70 0 – 0 30 0 90-260 60 Предварительная статическая перегрузка вызывающая номинальные напряжения равные: пределу текучести материала предельным допускаемым статическим напряжениям – – – 30 – – 135 65 30 – – – – 45 – 40 Поверхностный наклёп пневматическим молотком многобойковым устройством и т.п Точечный и местный нагрев – – – – – 80-105 65 45-200 Точечное и линейное пластическое обжатие 40 30 – – – 70-90 110 – Взрывная обработка 20 – – – 120 125 75-85 45 6.2 Изменение полей остаточных напряжений Снятие или перераспределение остаточных напряжений в соединениях может быть достигнуто различными способами. Условно их можно разделить на две группы: способы общей обработки конструкций или её элементов и способы местной обработки. К первой группе относят термообработку в виде высокого отпуска и перегрузку конструкций; ко второй – создание в сварном соединении остаточных напряжений сжатия путём упрочняющего наклона местного нагрева точечного или линейного пластического деформирования металла механическими средствами или энергией взрыва. Область рационального применения высокого отпуска для повышения выносливости сварных соединений определяется условиями проявления отрицательного влияния растягивающих остаточных напряжений на сопротивление усталости соединений и как отмечалось выше зависит от величины действующих напряжений асимметрии цикла вида соединения и характера передачи усилия. Границы целесообразного применения высокого отпуска стыковых соединений охватывает большую часть области знакопеременных напряжений см. табл. 3 . По мере увеличения степени концентрации напряжений нахлёсточные соединения с фланговыми швами разность между пределами усталости отожженных и не отожженных образцов уменьшается. Несколько по-иному эффект высокого отпуска проявляется при прикреплении конструктивных элементов к несущим узлам конструкций. В этом случае сопротивление усталости соединений увеличивается после высокого отпуска не только в области знакопеременных нагрузок но и в области однозначных переменных нагрузок. Предварительная перегрузка конструкций в ряде случаев оказывается более простой и эффективной мерой повышения сопротивления усталости соединений. Под действием сравнительно небольших перегрузок в зонах концентраторов снимаются растягивающие остаточные напряжения а при перегрузках вызывающих напряжения близкие к пределу текучести – возникают сжимающие остаточные напряжения. В зависимости от интенсивности перегрузки пределы усталости соединений увеличиваются на 20-50% см. табл. 3 . Наибольшее повышение выносливости наблюдается после предварительной перегрузки соединений до напряжений равных пределу текучести основного металла. Однако при статической перегрузке конструкций затруднительно достичь напряжений равных пределу текучести металла в зонах всех соединений. Кроме того такая перегрузка в ряде случаев может привести к снижению хладостойкости соединений. Для существенного повышения сопротивления усталости сварных соединений достаточны перегрузки меньшей интенсивности вызывающие напряжения ниже допустимых или равные им . Положительный эффект от предварительной перегрузки наблюдается у соединений как с малой так и повышенной концентрацией напряжений. Всё это даёт основание рекомендовать перегрузку для повышения выносливости соединений особенно в тех случаях когда перед вводом в эксплуатацию предусматривается испытание конструкций нагрузками превышающими эксплуатационные. Весьма эффективным способом создания сжимающих остаточных напряжений в зонах сварочных соединений является поверхностный наклёп дробеструйной обработкой чеканкой и т.п. Для сварных соединений не подвергаемых обработке с целью уменьшения концентраций напряжений наиболее технологично упрочнение швов пневматическим многобойковым устройством позволяющим за один час упрочнить 5-6 м шва. Преимуществом таких упрочнений по сравнению с однобойковыми чеканами является возможность обработки швов имеющих значительную неровность поверхности. Разработано несколько видов упрочнителей отличающихся энергией удара 0.6-1.6 кГм размерами и формой многобойкового рабочего наконечника состоящего из пучка проволоки. Упрочнители всех типов работают от сети сжатого воздуха под давлением 4-5 кг/см2. Метод поверхностного наклёпа сварных швов и околошовной зоны рекомендуется для понижения сопротивления усталости конструкций эксплуатируемых при циклических нагрузках. Данные о эффективности этого вида обработки применительно к различным видам соединений представлены в таблице 3. Сопротивление усталости прикреплений различного рода фасонок и косынок к кромкам несущих элементов конструкций может быть существенно повышено путём создания благоприятных сжимающих остаточных напряжений в зонах концентраторах с помощью точечного нагрева. На рис. 21 показаны места расположений точек нагрева относительно концентраторов напряжений. Концентратор напряжений по отношению к месту нагрева должен располагаться в секторе с углом . Наибольших значений величины сжимающих остаточных напряжений достигают при ? = 0 что соответствует расположению точки нагрева и концентратора напряжений на прямой перпендикулярной действующему усилию. Нагрев точек может выполняться газовыми горелками. При этом температура нагрева должна поддерживаться в пределах 300-350?С в течении 1-2 минут контроль температуры осуществляется термокарандашами . Вследствие точечного контроля выносливость прикреплений повышается вдвое и более см. табл. 3 . Разрушения чаще всего происходят вдали от соединения. Увеличение зоны нагрева нагрев полосы металла вблизи концентратора обеспечивает более стабильное поле сжимающих остаточных напряжений в зоне концентратора и дальнейшее повышение пределов выносливости. Полоса металла прогревается пламенем горелки параллельно продольному шву прикрепляющему элемент до 300-350?С на расстоянии 30-60 мм от концентратора. В местах окончания продольных швов сжимающие остаточные напряжения могут быть получены не только нагревом но и местным пластическим деформированием металла механическими средствами с помощью специальных пуансонов рис. 22 . При точечном пластическом деформировании напряжения в металле отнесённое к площади контакта пуансона должны составлять не менее 2?s деформируемого металла. Местное пластическое деформирование металла с поперечными швами стыковые нахлёсточные с лобовыми швами осуществляется плоскими пуансонами. Деформируемые полосы металла располагаются вдоль линии сплавления на расстоянии 2-5 мм от шва. Ширина деформируемых участков металла составляет 5-7 мм. Напряжения в металле при линейном обжатии принимаются в условном исчислении такими же как и при точечном. После точечного или линейного пластического обжатия приделы выносливости соединений и прикреплений возрастают до 40-110% см. табл. 3 . Для механического обжатия металла в производственных условиях ещё не созданы специальные приспособления наподобие тем которые применяются для поверхностного наклёпа соединений. При необходимости выполнения больших объёмов работ по упрочнению соединений рекомендуется локальная взрывная обработка соединений. Сущность её заключается в том что ударная волна сжатия которая возникает вследствие детонации удлинённых зарядов взрывчатого вещества ВВ располагаемых над линией сплавления шва с основным металлом вызывает локальные пластические деформации металла приводящие к образованию в поверхностном слое наклёпа и благоприятных сжимающих остаточных напряжений. Рисунок 21 – Точечный нагрев для создания сжимающих остаточных напряжений у концентратора Рисунок 22 – Точечное пластическое обжатие для создания остаточных напряжений у концентратора На рис. 23 показано расположение зарядов ВВ и даны их параметры при взрывающей обработке стыковых и нахлёсточных соединений с поперечными и продольными швами. При этом непосредственному воздействию первичных ударных волн подвергается металл на всём протяжении концентраторов напряжений где обычно в таких соединениях развиваются трещины усталости. Основная роль в увеличении сопротивления усталости соединений см. табл. 3 обрабатываемых по указанной схеме принадлежит благоприятным сжимающим остаточным напряжениям возникающим в поверхностных слоях металла. Выносливость отдельных видов соединений может быть повышена взрывной обработкой не только за счёт поверхностного упрочнения металла околошовной зоны. В тех случаях когда сопротивление усталости соединений в исходном состоянии в основном определяются остаточными напряжениями образующимися в элементах конструкций от продольных швов например в сварных балках со стыковыми швами в поясных листах и т.д. для повышения их выносливости достаточно снизить уровни продольных растягивающих остаточных напряжений. Взрывная обработка по изменённой схеме расположения зарядов ВВ позволяет существенно уменьшить уровни растягивающих остаточных напряжений в элементах конструкций исключая пластическое деформирование металла околошовной зоны соединений определяющих несущую способность изделий при циклическом нагружении. При выборе способов повышения выносливости сварных соединений стальных конструкций необходимо руководствоваться следующими соображениями. Рисунок 23 – Схема расположения зарядов гексогена диаметром 4 мм на угловых поперечных швах а на угловых продольных швах б на стыковом шве в : 1 – шов; 2 – слой пластилина ? = 2 мм ; 3 – заряды ВВ; 4 – электродетонатор Рисунок 24 – Критическое раскрытие ?с надреза в околошовной зоне стыковых соединений в зависимости от температуры: 1 – исходное состояние; 2 – после поверхностного наклёпа; 3 – после взрывной обработки В первую очередь способы повышения выносливости должны быть достаточно эффективными и главное универсальными. Поскольку в реальных конструкциях встречаются самые разнообразные типы сварных соединений предпочтение следует отдавать тем способам которые существенно повышают сопротивление усталости как нахлёсточных так и стыковых соединений. Второе основное требование предъявляемое к методам повышения выносливости заключается в том что эффективность данного способа должна сохраняться вне зависимости от характера нагружения поскольку в реальных условиях характер нагружения при эксплуатации может существенно изменяться. Этим требованиям удовлетворяет предварительная перегрузка местное пластическое обжатие поверхностный наклёп и взрывная обработка см. табл. 3 . При решении вопроса о практическом применении отдельных видов обработки необходимо учитывать условия эксплуатации металлоконструкций связанные с возможностью хрупкого разрушения. Большинство рассмотренных способов повышения усталости соединений вызывают изменения напряжённого состояния и пластических свойств металла в зонах концентраторов. В условиях пониженных температур эти изменения в ряде случаев могут приводить к резкому понижению сопротивляемости соединений хрупкому разрушению. 6.3 Изменение сопротивляемости сварных соединений хрупкому разрушению под влиянием мер повышающих их выносливость Механическая обработка снижающая концентрацию напряжений уменьшающая степень объёмности напряжённого состояния и вместе с тем не вызывающая изменений в свойствах металла не оказывает отрицательного влияния на сопротивляемость конструкций хрупким разрушениям. Положительную роль в этом отношении играет высокий отпуск снижающий остаточные напряжения и восстанавливающий пластичность сталей в зонах концентрации термопластических деформаций вследствие чего существенно повышается сопротивляемость возникновению и распространению хрупкого разрушения. Местный нагрев при отклонении от рекомендуемых для повышения выносливости соединений параметров может привести к охрупчиванию стали в зонах концентраторов термопластических деформаций вследствие так называемого динамического старения протекающего при температурах 200-400?С. В этой связи применение местного нагрева для повышения сопротивления усталости узлов конструкций работающих при низких температурах является нежелательным. Предварительная перегрузка может оказывать как положительное так и отрицательное действие на сопротивляемость сварных конструкций хрупким разрушениям в зависимости от уровня перегрузки. Умеренная предварительная перегрузка не вызывающая общей текучести элементов конструкций не оказывает отрицательного влияния на сопротивляемость сварных конструкций хрупким разрушениям. Более того она способна уменьшить вероятность возникновения хрупкой трещины при низких рабочих напряжениях. Предварительное нагружение вызывающее общую текучесть сечения элементов конструкций с концентратором напряжений значительно снижает сопротивляемость сварных соединений хрупким разрушениям. При надлежащем контроле за уровнем напряжений в сварных узлах в процессе их перегрузки эта мера может быть рекомендована для повышения сопротивления усталости соединений конструкций эксплуатируемых не только в условиях положительных температур. Пластическое обжатие поверхностный наклёп и взрывная обработка изменяют пластические свойства металла не одинаково. В этой связи и сопротивление хрупким разрушения соединений подвергаемых этим видам обработки изменяются по-разному. Пластическое обжатие осуществляемое механическим способом снижает сопротивляемость металла распространению хрупких трещин что связано со сравнительно высокой степенью предварительной деформации и большой глубиной деформированной зоны металла. В случае применения поверхностного упрочнения соединений многобойковым устройством или взрывной обработкой вызывающих менее интенсивные пластические деформации сопротивляемость сварных соединений хрупким разрушениям не снижается. Об этом в частности свидетельствуют данные статических испытаний при низких температурах стыковых соединений с острым надрезом в металле околошовной зоны подвергавшемся поверхностному наклёпу и взрывной обработке рис. 24 . Критическое раскрытие надреза ?с характеризующее вязкость разрушения у соединений прошедшего поверхностное упрочнение наклёпом и взрывной обработкой оказалось даже несколько выше чем у исходных. 7 Расчёт сварных соединений на усталость Проверка сварных соединений элементов конструкций на усталость выполняется по номинальным напряжениям и сводиться к установлению неравенства 1 где N –·расчётное воздействие внешних переменных нагрузок; R – расчётная несущая способность сварного соединения по условиям усталости расчётное сопротивление усталости . Расчётное сопротивление усталости основного металла вблизи сварных соединений определяется по формуле: 2 где ?0 – предел усталости основного металла вблизи сварного соединения при пульсирующем цикле напряжений размерность кг/мм2 ; – коэффициент асимметрии цикла напряжений от внешней переменной нагрузки; и – наименьшее и наибольшее напряжение в рассматриваемом элементе вычисленное каждое со своим знаком от расчётной нагрузки для проверки на выносливость; К – коэффициент характеризующий угол наклона линии предельных напряжений; С – коэффициент учитывающий число перемен напряжений за расчётный срок эксплуатации конструкции. Значения ?0 К и С принимаются по таблице4 в зависимости от типа соединения и класса стали с 38/23 – малоуглеродистая ; с 44/29 – низколегированная . Когда расчётные напряжения в элементах конструкций от внешней нагрузки превышают Rr для сохранения сечения принятого по условиям статического нагружения сварные соединения должны подвергаться обработке повышающей сопротивление усталости. В этом случае значение ?0 в формуле 2 должны приниматься по табл. 4 с учётом выбранного типа обработки. Таблица 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 По основному металлу Основной металл с необработанной прокатной поверхностью и с прокатными или обработанными механическим путём кромками в сечениях швов заклёпок и болтов То же но с кромками обрезанными газовой резкой: 18.25 23.9 0.48 0.51 1.2 1.1 1.0 а машиной 16.85 20.70 0.52 0.57 1.2 1.1 1.0 б ручной 12.05 12.8 0.64 0.72 1.3 1.1 1.0 2 Основной металл с необработанной прокатной поверхностью и обработанными механическим путём кромками при разной ширине и радиусе перехода а r = 200 мм 18.25 23.9 0.48 0.51 1.2 1.1 1.1 б r = 10 мм 12.05 12.8 0.64 0.72 1.3 1.1 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 3 Основной металл в местах перехода к необработанному стыковому шву с усилением имеющим достаточно плавный переход: а при стыковании листов одинаковой толщины и ширины; 13.0 13.0 1.0 1.0 1.4 1.1 1.0 б при стыковании листов разной ширины или разной толщины; 13.0 13.0 1.0 1.0 1.4 1.1 1.0 в наплавленного на основной металл без обработки ; 13.0 13.0 1.0 1.0 1.4 1.1 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 а б в – при поверхностном наклёпе многобойковым устройством или электродуговой обработке зоны сплавления 17.5 17.5 1.1 1.0 1.2 1.1 1.0 4 Основной металл в месте перехода к стыковому шву обработанному в этом месте абразивным кругом или спец. фрезой: а при стыковании листов одинаковой толщины и ширины; 16.85 20.70 0.52 0.57 1.2 1.1 1.0 б при стыковании листов разной ширины или разной толщины; 14.25 16.80 0.59 0.64 1.3 1.1 1.1 5 Основной металл в месте перехода к поперечному лобовому угловому шву: Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 а при передачи усилия через швы без механической обработки при отношении катетов b/h = 1.5 при направлении большого катета вдоль усилия ; 6.8 6.8 1.0 1.0 1.4 1.2 1.2 то же при механической или электродуговой обработке перехода от шва к основному металлу; 12.05 12.80 0.64 0.72 1.3 1.1 1.0 то же при наклёпе многобойковым устройством 12.0 12.0 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 б без механической обработке при передачи усилия через основной металл; 9.0 9.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 то же при зачистке зоны перехода от шва к основному металлу электродуговой обработке или наклёпе многобойковым устройством 12.0 12.0 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 6 соединениях с фланцами при плавном переходе шва к основному металлу: с глубоким проваром соединения; 9.0 9.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 то же с механической или электродуговой обработкой перехода от сварного шва к основному металлу; 12.05 12.80 0.64 0.72 1.3 1.1 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 то же при наклёпе многобойковым устройством или взрывной обработкой 12.0 12.0 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 7 Основной металл в соединениях с фланговыми швами работающими на срез от осевой силы в местах перехода от элемента к концам фланговых швов независимо от механической обработки: Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 а с двумя фланговыми швами; 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 б с фланговыми и лобовыми швами: сечение а-а 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 сечение б-б 6.8 6.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 в при передачи усилия через основной металл; 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 г щёки анкеров для крепления стальных канатов; 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 д у флангового шва наплавленного на основной металл; 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 а б в г д – при поверхностном наклёпе многобойковым устройством или взрывчатой обработкой: сечение а-а 9. 9.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 сечение б-б 14.0 14.0 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 8 Основноё металл вблизи диафрагм и рёбер приваренных угловыми швами к поясам балок и элементов ферм: а без механической обработки швов но при наличии плавного перехода от швов к металлу; 9.0 9.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 б то же при механической обработке; 16.85 20.70 0.52 0.57 1.2 1.1 1.0 в после наклёпа многобойковым устройством или взрывной обработкой 14.0 14.0 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 9 Сварные сечение двутаврового однотаврового и других типов сваренные непрерывными продольными швами Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 автоматической или ручной сваркой при действии усилия вдоль оси шва по основному металлу 18.25 23.90 0.48 0.51 1.2 1.1 1.0 10 Обрыв одного поясного листа пакета из двух и более листов сварной балки: а при уменьшении толщины листа при неизменной его ширине к месту 1:5 без механической обработки поперечного лобового шва с отношением катетов 1:2 ; 6.8 6.8 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 при одновременном уменьшении к месту обрыва как толщины с уклоном 1:5 так и ширины листа без механической обработки поперечного лобового шва шва с отношением катетов 1:2 ; 6.8 6.8 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 а б – после наклёпа многобойковым устройством или взрывной обработкой 14.00 14.00 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 11 Фасонки прямоугольной или трапециевидной формы привариваемые встык или в тавр к элементам конструкции: а без механической обработки от фасонки к элементу; 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 б при наклёпе концов фланговых швов многобойковым устройством или взрывной обработкой 9.0 9.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 12 Фасонки привариваемые встык или в тавр к стенкам и поясам а также к элементам ферм при плавной криволинейной форме при полном проваре на всю толщину фасонки 11.0 11.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 после механической обработки перехода фасонки к элементу конструкции 12.05 12.80 0.64 0.72 1.4 1.2 1.0 13 Фасонки прямоугольной и трапециевидной формы привариваемые к поясам балок внахлёстку с обваркой по контуру нахлёстки: а без механической обработки зон концентрации напряжений; 6.8 6.8 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 б после поверхностного наклёпа многобойковым устройством или взрывной обработкой 14.0 14.0 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 14 Фасонки трапециевидной формы привариваемые двумя фланговыми и двумя косыми швами с отношением катетов 1:1.5 для косых швов: при механической обработке швов на концах фасонок; 10.70 11.25 0.68 0.74 1.4 1.1 1.0 после поверхностного наклёпа многобойковым устройством или взрывной обработкой 14.00 14.00 1.0 1.0 1.3 1.1 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 15 Основной металл трубы у сварного шва выполненного на подкладном кольце 13.00 13.00 1.0 1.0 1.4 1.1 1.0 16 Основной металл трубы растянутого пояса или раскоса 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 Продолжение табл. 4 – Данные для определения значений расчётных сопротивлений усталости Расчётные значения Предел выносливости ?0 кг/мм2 для класса стали Значение коэффициента К для класса стали Значение коэффициента С при количестве циклов в миллионах Схема соединения м расположение сечения а-а Характеристика сечения С 38/23 С 46/34 С 38/23 С 46/34 0.5 1.0 17 Основной металл растянутого пояса или раскоса 5.8 5.8 1.0 1.0 1.5 1.2 1.0 18 Основной металл трубы в зоне приварки фланца 9.0 9.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 19 Основной металл трубы растянутого элемента 9.0 9.0 1.0 1.0 1.4 1.2 1.0 * Приведённые в данных Рекомендациях определения и терминология даются в соответствии с монографией В.Х. Минзе «Усталостная прочность сварных стальных конструкций» из-во «Машиностроение» М. 1968. * Эффективность различных видов дополнительной обработки соединений направленных на повышение сопротивления усталости рассматриваются ниже. ?? ?? ?? ?? 2