Проектирование сварных соединений, обеспечивающих малоцикловую усталость на уровне основного металла

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 621.791.052-192

Проектирование сварных соединений, обеспечивающих малоцикловую усталость на уровне основного металла

В. Ф. Лукьянов, Ю. Г. Людмирский, Д. В. Рогозин

Рассмотрены результаты испытания сварных соединений со стыковыми и угловыми швами на малоцикловую усталость при двухосном растяжении в коррозионной среде. Предложены конструктивные способы повышения усталостной прочности сварных соединений путём изменения геометрических параметров сварного шва. Ключевые слова: сварные соединения, прочность, проектирование, малоцикловая усталость, испытания.

Введение. Создание сложных инженерных объектов для различных отраслей народного хозяйства требует совершенствования методов их проектирования и технологии изготовления металлических конструкций. Особенное значение это приобретает для ответственных конструкций оболо-чечного типа (корпусных конструкций), от которых требуется высокая удельная прочность, как при статическом, так и при повторно-статическом нагружении.

Применение термически упрочнённых сталей является широко распространённым приёмом повышения удельной прочности конструкции. При этом лучшие результаты могут быть достигнуты в том случае, когда термическое упрочнение металла производят после завершения изготовления конструкции. Однако по техническим соображениям этот путь неприемлем для крупногабаритных листовых конструкций, вследствие чего при изготовлении таких конструкций отдают предпочтение использованию листового проката, термически упрочнённого в процессе металлургического производства. Существующие технологические приёмы выполнения сварки позволяют обеспечить равнопрочность основного металла и сварных соединений при статическом нагружении для сталей с пределом прочности до 1400 МПа.

Постановка задачи и её решение. Для тяжело нагруженных сварных конструкций, изготовляемых многопроходной сваркой с полной разделкой кромок, характерны стыковые соединения и соединения подкрепления отверстий (штуцерное соединение), показанные на рис. 1.

а)

Рис. 1. Сварные соединения и характеризующие их геометрические параметры: а — стыковое соединение, 6 — штуцерное соединение

Размеры этих сварных соединений назначаются с учётом требований статической равнопрочное™ с основным металлом. Несмотря на равнопрочность при однократном нагружении, сопротивление повреждаемости (до момента появления видимой трещины длиной 10—15 мм) и

182

долговечность сварных соединений (в данном случае до момента появления течи) оказывается меньше, чем у основного металла.

Поскольку физические и металлургические процессы, протекающие при сварке, практически не поддаются моделированию в полном объёме, было принято решение о проведении испытаний на натурных сварных узлах при полном сохранении технологии сварки и основных параметров геометрии соединений в условиях, близких к работе корпусных конструкций. Исследования малоцикловой усталости сварных соединений проводились на образцах в виде дисков диаметром 550 мм, толщиной 30 мм на установке УДИ-25 [1, 2]. В этих установках сварные соединения, показанные на рис. 1, шарнирно закрепляются по контуру, нагружаются гидростатическим давлением масла. Под действием гидростатического давления образец в виде диска прогибается, в нём возникает осесимметричный изгиб. На внутренней поверхности образуются напряжения сжатия, на внешней поверхности образца - напряжения растяжения, на неё воздействует коррозионная среда — 3 % водный раствор хлористого натрия. Для всех сварных соединений в качестве основного металла была взята конструкционная хромоникельмолибденовая сталь. Ручная дуговая сварка выполнялась аустенитными электродами ЭА 981/15.

Испытания образцов проводили при повторно-статическом отнулевом нагружении с частотой 10 циклов/мин.

Результаты испытаний основного металла, сварных стыковых и штуцерных соединений при разном уровне максимальных напряжений при пульсирующем отнулевом цикле нагружения показали, что сварные стыковые и штуцерные соединения, испытанные при малоцикловом нагружении в коррозионной среде, значительно уступают по сопротивляемости зарождению и развитию разрушения основному металлу.

На рис. 2 показано, что в симметричных сварных соединениях к потере герметичности привело зарождение и развитие разрушения, как со стороны сжатых, так и со стороны растянутых волокон. Следует подчеркнуть, что к моменту потери герметичности трещины со стороны растянутых волокон успевают пройти 90 % толщины, а со стороны сжатых волокон — оставшиеся

10 %.

Рис. 2. Характер разрушения сварных соединений по толщине: а — стыковое соединение, 6 — штуцерное соединение

Анализ результатов испытаний более 70 образцов позволил установить, что основным источником разрушения сварных соединений является зона перехода от шва к основному металлу, где возникают максимальные напряжения. Величина максимальных напряжений зависит от местных напряжений, которые определяются нормируемыми параметрами сварных соединений (для стыкового соединения это величины 5, В, д; для штуцерного соединения — 5, В, /?, Н, О, б), и от локальных напряжений, зависящих от параметров сварного соединения г и а, которые не регламентируются нормативной документацией и могут изменяться в широком диапазоне. При ручной дуговой сварке радиус перехода от металла шва к основному металлу г может изменяться от

0,1 мм до 5—8 мм, последние величины характерны для специально оплавленного в аргоне или механически обработанного шва.

Для повышения сопротивляемости зарождению и развитию разрушения сварные соединения следует проектировать таким образом, чтобы глобальные максимальные напряжения на растянутых волокнах приходились не на зону перехода от металла шва к основному металлу, а на основной металл. При этом желательно всемерно уменьшать и локальную концентрацию напряжений, что может быть достигнуто увеличением радиуса перехода и угла подхода от металла шва к основному металлу.

Рассмотрим практическую реализацию такого подхода. В качестве примера на рис. 3, б показано штуцерное соединение, у которого максимальные напряжения на растянутой поверхности уменьшены за счёт увеличения величины катета со стороны сжатых волокон. На рис. 3, а показано сварное стыковое соединение, у которого удалось избежать не только концентрации локальных напряжений на растянутых волокнах, но и снизить величину местных напряжений в районе стыкового соединения на растянутых волокнах благодаря увеличенному усилению со стороны сжатых волокон. На рис. 3 также показано распределение напряжений в зоне сопряжения металла шва с основным материалом. Распределение напряжений рассчитывали методом конечных элементов и измеряли тензометрированием. Результаты показали удовлетворительную сходимость.

Расстояние от оси соединения, мм

а) 6)

Рис. 3. Сварные соединения с изменением геометрии шва и характер распределения радиальных напряжений: а — стыковое соединение с усилением шва в области сжатия, 6 — штуцерное соединение с подкрепляющим швом в области сжатия

Результаты испытаний спроектированных соединений показывают, что сопротивляемость зарождению и развитию разрушения спроектированных соединений не уступает аналогичным характеристикам основного металла. Разрушение зарождалось и развивалось по основному металлу, при этом долговечность сварных соединений возросла до уровня основного материала. Выводы. Регулируя местные напряжения путём изменения конструктивных параметров соединения и локальные напряжения различными технологическими приёмами, удаётся получить свар-

184

2000 МПа 1500 1000 500 0

40 60 70 80 100 160 200 , Рассгоя и и от оси соединения, мм

ные соединения, не уступающие по характеристикам зарождения и развития разрушения основному металлу, а при наличии знания зависимости между напряжениями и долговечностью до зарождения и до потери герметичности основного металла появилась возможность проектировать сварные соединения на заданную долговечность.

Библиографический список

1. Исследование малоцикловой усталости сварных соединений типа «вварыш-лист»: отчёт о НИР, хоздоговор № 1173/792-77 / Ю. Г. Людмирский и др.; РИСХМ. — Ростов-на-Дону, 1978.

2. Лукьянов, В. Ф. Испытания элементов корпусных конструкций при двухосном напряжённом состоянии / В. Ф. Лукьянов, Ю. Г. Людмирский, В. В. Напрасников // Заводская лаборатория. - 1986. - № 7. - С. 63-65.

Материал поступил в редакцию 23.12.2011.

References

1. Issledovanie malociklovoj ustalosti svarny'x soedinenij tipa «wary'sh-list»: otchyot о NIR, xozdogovor № 1173/792-77 / Yu. G. Lyudmirskij i dr.; RISXM. — Rostov-na-Donu, 1978. — In Russian.

2. Luk'yanov, V. F. Ispy'taniya e'lementov korpusny'x konstrukcij pri dvuxosnom napryazhyonnom sostoyanii / V. F. Luk'yanov, Yu. G. Lyudmirskij, V. V. Naprasnikov // Zavodskaya laboratoriya. — 1986. — № 7. — S. 63—65. — In Russian.

DESIGN OF WELDED JOINTS PROVIDING LOW-CYCLE FATIGUE AT THE LEVEL OF BASE METAL V. F. Lukyanov, Y. G. Lyudmirskiy, D. V. Rogozin

The test data of welded joints with butt and fillet welds on low-cycle fatigue under biaxial tension in the corrosive environment are considered. Some constructive techniques for improving the fatigue strength of welded joints through changing the weld geometrical parameters are offered.

Keywords: welded joints, durability, design, low-cycle fatigue, tests.