Оценка степени влияния остаточных напряжений на выносливость сварных конструкций. Часть II

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип. 16

УДК 621.791.672.61.

Серенко А.Н.1

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ВЛИЯНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ЧАСТЬ II

Рассмотрено совместное влияние остаточных сварочных напряжений и концентрации напряжений на усталостную прочность сварных соединений. Показано, что степень влияния остаточных напряжений на снижение выносливости, при наличии резких концентраторов, невелика.

В работе [1] было показано, что, используя предварительное статическое нагружение элементов до сварки можно практически полностью устранить остаточные сварочные напряжения (ОН) после разгрузки. При этом термодеформационные процессы (ТДЦ), происходящие в металле и влияющие на формирование его механических свойств, остаются практически одинаковыми как для нагруженных, так и для свободно свариваемых элементов. Последующие усталостные испытания образцов с остаточными напряжениями и без ОН позволили выявить действительную их роль в усталостной прочности сварных элементов. Было установлено, что для сварных элементов, не имеющих концентраторов напряжений, изменение усталостной прочности происходит не вследствие влияния ОН, а за счет локального изменения свойств металла в зоне сварного шва.

Известно, однако, что образование сварных соединений практически всегда сопровождается формированием не только полей ОН, но и концентраторов напряжений, обусловленных формой соединения и технологическими дефектами [2- 4].

Резкое изменение формы или сечения приводит к появлению концентрации напряжений, интенсивность которой можно характеризовать коэффициентом концентрации напряжений

,

где <7тах , <7 - максимальные и средние (расчетные) напряжения в рассматриваемом сечении.

Степень совместного влияния остаточных напряжений и концентрации напряжений на работоспособность сварной конструкции зависит от многих факторов, таких как тип материала конструкции и его реакция на термодеформационные сварочные процессы, вид концентратора напряжений в опасной зоне, вид и характер нагрузки, действующей на конструкцию и т.д. Многие авторы считают, что с остаточными напряжениями необходимо бороться, применяя различные методы их устранения, и, в первую очередь, термообработку в виде высокого отпуска. Однако при термообработке устраняются не только остаточные напряжения, но и, довольно часто, ухудшаются прочностные свойства металла и его чувствительность к концентраторам напряжений, что может привести к значительному изменению несущей способности конструкции в целом.

На основе разработанной методики дифференцированной оценки влияния различных факторов [1] выполнены комплексные усталостные испытания четырех серий крупногабаритных сварных тавровых образцов из стали СтЗ (рис. 1). Первая серия была без концентратора напряжений и предназначена для оценки свойств основного металла (рис. 1, а). Остальные три серии (рис. 3, б) были с приварным ребром. Приварка ребер к тавру производилась вручную двусторонним швом электродами типа У ОНИ 13/45 диаметром 4 мм на токе 180 А.

1 ГТГТУ, канд. техн. наук, профессор.

С целью получения интересуемых сведений изготовление и испытание каждой серии производилось по индивидуальной технологии и в определенной последовательности:

серия 1 предназначена для определения предела усталости металла в исходном состоянии. Для избегания поломок образцов вблизи захватов испытательной машины выполнялось уменьшение сечения в центре длины, путем фрезеровки верхней кромки по радиусу 300 мм. После фрезеровки, с целью снятия остаточных напряжений от всех технологических операций, образцы подвергались термообработке в виде высокого отпуска при температуре 650 °С в течение 2-х часов;

серия 2 предназначена для оценки усталостной прочности образцов с высокой концентрацией напряжений, но без остаточных сварочных напряжений, устраненных путем термообработки (режим тот же). К готовым тавровым образцам приваривалось ребро, создающее в зоне обрыва (зона К на рис. 1, б) при последующем на-гружении тавра, резкий концентратор напряжений. После приварки ребра производился отпуск;

серия 3 отличалась от серии 2 тем, что приварка ребра осуществлялась после проведения термооораоотки всех элементов перед сваркой, при такой последовательности операций основной металл обеих серий (2 и 3) был одинаковым, но при этом, в образцах третьей серии было наведено поле остаточных сварочных напряжений;

серия 4. В этой серии приварка ребра осуществлялась, как и в третьей серии, после термообработки. В отличие от третьей серии сварка деталей (тавра и планки) осуществлялась при их предварительном нагружении внешними изгибающими моментами Мвн и твн (рис 1, б),

что позволило получить существенное уменьшение остаточных напряжений в зоне концентратора после остывания и снятия внешних изгибающих моментов. Предварительное нагружение о с у щ с ст в л я л о с ь в специальном приспособлении, обеспечивающее постоянство действующего момента в процессе сварки и последующего остывания. Величина предварительных напряжений на кромках тавра и планки (т.е. в зоне последующего наложения сварного шва) составляла 160 МПа.

Измерение напряжений в поперечных сечениях образцов

На рисунке 2 показана схема расположения тензорезисторов в исследуемом сечении одного из образцов. Исследование характера распределения напряжений от нагрузки образца внешним изгибающим моментом (серии 1 и 2) производилось с помощью автоматизированного измерителя деформаций АИД-4 путем снятия начальных показаний прибора до нагрузки и последующих показаний при плоском изгибе. Из рисунка 3, а видно, что при отсутствии планки (и следовательно отсутствия концентратора) изгибные напряжения распределяются по сечению линейно (линия 1), т.е. как обычно и принято в сопротивлении материалов.

±М

100

1

. 175 „ /

о.

'"Д

V ю

550

I

Б-Б

пашшшш,

100

Рис. 1 - Образцы для усталостных испытаний: а - основного металла; б - с приварным ребром

Приварка планки к стенке тавра приводит к резкому изменению сечения, что вызывает искажение силового потока и неоднородному распределению напряжений (кривая 2). По мере приближения к зоне концентратора градиент напряжений резко возрастает, что указывает на высокую степень концентрации в месте перехода планки к стенке тавра. Расчеты, выполненные в рамках теории упругости [2, 4] показывают, что величина теоретического коэффициента концентрации напряжений, в этом случае, может достигать значения 5... 6.

Измерение продольных остаточных сварочных напряжений производилось методом вырезки полоски металла с тензодатчиками (рис. 2), что приводит к частичному или полному освобождению металла от остаточных напряжений [5]. Точность определения ОН в зоне концентрации напряжений зависит от величины базы тензорезисторов и ширины вырезаемой полоски.

На рис 3, б приведены результаты определения остаточных напряжений в образцах 3 и 4 серий. Как видно из рисунка после приварки планки в свободном состоянии (серия 3) остаточные напряжения достигают больших значений (кривая 3), близких или равных пределу текучести основного металла (240 МПа). Наличие концентратора напряжений в зоне сварки приводит к высокому градиенту ОН, что повлияет на чувствительность металла в этой зоне к концентрации напряжений при переменных нагрузках.

Измерение ОН в образцах четвертой серии, в которых приварка планки производилась после предварительного нагружения свариваемых деталей внешним моментом, показывает, что они значительно снизились во всех точках сечения (кривая 4) и находятся в пределах ± 24 МПа, т.е. снизились на порядок по сравнению с образцами третьей серии.

Рис. 2 - Схема наклейки датчиков в исследуемом сечении образца

мм

б

Рис. 3 - Распределение рабочих (а) и остаточных сварочных напряжений (б) по сечению образца: 1 - в образцах без планки ( 1 серия); 2 - в образцах с приваренной планкой; 3 - после приварки планки в свободном состоянии; 4 - после приварки планки с предварительным изгибом

Усталостные испытания образцов всех серий (по 7... 11 шт. в серии) проводились на изгиб на машине резонансного типа УП-50 при симметричном цикле (схема на рис. 1, а).

Сводные результаты усталостных испытаний приведены на рисунке 4, из которого видно, что предел выносливости на базе 107 циклов образцов с приварными планками (серия 3) снизился по сравнению с выносливостью основного металла (серия 1) в 6 раз (150 и 25 МПа соответственно). Устранение ОН термообработкой практически на повлияло на предел выносливости (серия 2) что можно объяснить, тем, что термообработка не только снижает ОН, но и устраняет наклеп металла опасной зоны, вызванного ТДЦ сварки, изменением и значительно ниже выносливости основного металла (215 МПа). Образцы, сваренные с предварительным нагружением (серия 4), в которых остаточные напряжения значительно снижены (рис. 3, б), можно видеть, что роль остаточных напряжений при наличии резкого концентратора напряжений в снижении выносливости невелика.

В заключение следует отметить, что рассматриваемая проблема имеет большую перспективу развития, поскольку сварным конструкциям присуще большое разнообразие используемых материалов и конструктивных форм соединений.

Выводы:

1. Совместное влияние остаточных напряжений и концентраторов напряжений резко сни-

жает предел выносливости сварных элементов из малоуглеродистой стали.

2. Устранение остаточных напряжений термообработкой практически не увеличивает уста-

лостную прочность сварных узлов, имеющих высокую концентрацию напряжений.

3. Основную роль в снижении усталостной прочности сварных элементов из малоуглероди-

стой стали играют концентраторы напряжений. Степень влияния остаточных сварочных

напряжений на уменьшение предела выносливости невелика.

Перечень ссылок

1. Серенко А.Н. Оценка степени влияния остаточных напряжений на выносливость сварных конструкций. Часть I / А.Н. Серенко // Вюник Приазовского держ. техн. ун-ту: 36. наук. тр. -Мархуполь, -2005- Вип. 15. -С. 135-139.

2. Навроцкий ДИ. Расчет сварных соединений с учетом концентрации напряжений / Д.И. Навроцкий. - Л.: Машиностроение, 1968. -170 с.

3. Окерблом Н. О. Конетруктивно-тсхнологичсскос проектирование сварных конструкций / Н О. Окерблом. - М.-Л.: Машиностроение, 1964,- 419 с.

4. Серенко А.Н. Метод оценки напряженного состояния сварных соединений /А.Н. Серенко, Б.Б. Сологу>б // Сварочное производство.-1975.-№10,- С. 7-10.

5. Винокуров В.А. Сварочные деформации и напряжения / В.А. Винокуров. - М.: Машиностроение, 1968. - 236 с.

Статья поступила 06.03.2006

с>,

МПа 200

150

100

50

\0

1 - < s Iii

4 < г

3 к

V ! г *

1-1 or

1-10"

НО7 N. ц

Рис. 4 - Результаты усталостных испытаний образцов: 1 - основной металл