Способ определения ширины зоны концентратов растягивающих остаточных сварочных напряжений стыкового соединения из стали
METHOD FOR DETERMINATION OF ZONE WIDTH OF STRETCHING RESIDUAL WELDING VOLTAGE CONCENTRATE OF STEEL JOINT

Изобретение относится к области сварки, а именно к оптимизации остаточного напряженного состояния в сварных узлах и может быть использовано при проектировании и производстве сварных конструкций.
На текущий момент сведений о способах определения ширины зоны концентраторов растягивающих остаточных сварочных напряжений (ОСН) в стыковых соединениях из стали по доступным литературным источникам не обнаружено.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение усталостной долговечности сварных изделий, стабильность их геометрических форм, снижение склонности к трещинообразованию.
Технический результат достигается тем, что в способе определения ширины зоны концентраторов растягивающих остаточных сварочных напряжений стыкового соединения из стали сначала выполняют стыковое соединение двух стальных пластин сварным швом двумя участками: от начала к середине с прекращением сварки и после остывания пластин от середины к концу, выявляют положение двух концентраторов по одному от каждого участка, затем вдоль линий параллельных шву и расположенных на расстоянии не более 10 мм одна от другой определяют значения поперечных шву напряжений растяжения, строят их эпюры, по эпюрам отбирают линии, в которых пиковые напряжения от концентраторов, вызванные сваркой первого и второго участков шва, расположены раздельно, а за ширину зоны концентраторов принимают расстояние от сварного шва до наиболее удаленной от него линии с расположенными на эпюре раздельно пиковыми поперечными напряжениями.
На основании патентного поиска, проведенного по доступным источникам информации, отличительных признаков, указанных в формуле предполагаемого изобретения не обнаружено.
В связи с этим, данное техническое решение соответствует критерию «существенные отличия».
Пример осуществления способа. Выполняли определение ширины зоны концентраторов растягивающих остаточных напряжений в сварном образце. Образец - стыковое соединение двух пластин из стали Ст3 с габаритами 220×100×8 мм каждая, выполненное штучными электродами УОНИ 13/55 (ГОСТ 9466-75) диаметром 3 мм на постоянном токе 90-110 А обратной полярности двумя участками: от начала к середине с прекращением сварки, а после остывания пластин до комнатной температуры, от середины к концу. Это сделано, чтобы получить два концентратора ОСН в одном образце. Осмотр соединения не выявил сварочных дефектов. Усиление шва не снимали.
1
2
1
2
На лицевую (т.е. со стороны шва) поверхность образца чертилкой наносили координатную сетку с ячейкой 10×10 мм. В узлах координатной сетки магнитоупругим измерителем механических напряжений ИМН-4М (разработка Воронежского государственного технического университета, ведущий конструктор Юршин А.Н.) с датчиком, оборудованным угломерным устройством, определяли углы а наклона касательных к траекториям наибольших главных напряжений (они же изостаты, линии тяжения) и разности главных напряжений (σ-σ). Всего точек контроля 340. Время измерений в одной точке (узле сетки) меньше одной минуты. После получения 340 значений углов а и разностей (σ-σ) по авторской методике строили сами траектории (Устинов Ю.Ф., Семыкин В.Н., Калинин Ю.И., Ульянов А.В. Выявление с помощью изостат напряженного состояния металлических конструкций строительных машин // Механизация строительства, 2009. №6. С. 8-11).
На фиг. 1 представлено полученное поле траекторий наибольших (сплошные линии) и наименьших (штриховые линии) главных напряжений в стальном стыковом сварном образце с габаритами 220×200×8 мм. Для удобства описания поля пластины образца назвали «верхняя» и «нижняя», а положение линий координатной сетки обозначили 1-1, 2-2, … 17-17 (горизонтальные), А-А, Б-Б, … Ф-Ф (вертикальные). В поле по сгущению траекторий определили положение двух концентраторов растягивающих ОСН у сварного шва на вертикальных линиях 3-3 и П-П.
х
у
На основе данных измерений, полученных с помощью прибора ИМН-4М, определили величины продольных σ и поперечных σ относительно сварного шва остаточных напряжений (Устинов Ю.Ф., Семыкин В.Н., Калинин Ю.И., Ульянов А.В. Магнитоупругий метод контроля металлических конструкций землеройно-транспортных и грузоподъемных машин // Механизация строительства, 2009. №4. С. 7-11).
х
у
y
Для определения ширины зоны концентраторов сначала построили эпюры продольных σ и поперечных σ напряжений вдоль горизонтальных линий 10-10, 11-11, … 16-16 нижней пластины. Затем отобрали те эпюры, в которых пиковые растягивающие поперечные напряжения от первого и второго участков сварного шва расположены раздельно. Таковыми оказались пять эпюр вдоль линий 10-10, 11-11, 12-12, 13-13, 14-14. В эпюре по линии 10-10 (фиг. 2, а) оба пиковых напряжения ярко выражены и разделены перепадом («про валом») значений продольных напряжений от растяжения +98 МПа до сжатия - 37 МПа. Ширина «провала» равна 40 мм. По мере удаления от сварного шва с шагом 10 мм на эпюрах σ «провал» становится менее выраженным и на линии 14-14 (фиг. 2, б) составляет всего 12 МПа. На линии 15-15 «провала» нет вовсе, следовательно, влияние концентраторов уже не проявляется. Ширину зоны концентраторов определили равной расстоянию от сварного шва до линии 14-14, что составило в нашем случае 60 мм. Способ проверили и в верхней пластине также с положительным результатом.
Способ может быть полезен:
1) для повышения точности расчетов прочности сварных конструкций путем учета ширины зоны концентраторов ОСН;
2) для исключения негативного взаимодействия концентраторов ОСН из-за их наложения при выполнении близко расположенных швов;
3) для рационального сочетания (суперпозиции) ОСН с эксплуатационными (рабочими) напряжениями;
4) для безопасного распределения по конструкции концентраторов ОСН и геометрических концентраторов от нерационального проектирования, технологических дефектов и т.д.
Технико-экономический эффект предлагаемого способа заключается в повышении: долговечности изделий, их усталостной прочности, стабильности геометрических форм за счет оптимизации остаточного напряженного состояния в сварных конструкциях. Этим снижается вероятность их разрушения или деформирования, которое может вызвать депланации, заклинивания и биения деталей механизмов и машин.