ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЗОНЫ СПЛАВЛЕНИЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Заявляемая полезная модель относится к области сварки, а точнее к образцам для определения механических характеристик зоны сплавления сварных соединений, преимущественно листов из алюминиевых сплавов.
Под  действием  циклических  нагрузок  сварные  соединения алюминиевых сплавов в различных зонах неравнопрочны. Для исследования механических свойств конкретной зоны сварного соединения место разрушения можно заранее предопределить выполнением концентратора напряжений в виде отверстия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, является образец для испытаний сварных соединений на усталость (ГОСТ 25.502-79. Методы испытания на усталость. С.6. Образец У 11 с центральным поперечным отверстием. Черт.7). При выполнении такого отверстия в зоне сплавления сварного соединения трещина развивается либо по околошовной зоне (если отверстие сверлится с лицевой стороны шва),
либо по металлу сварного шва (когда отверстие выполняется с корня шва). Поэтому концентратор напряжений лишь в приповерхностных слоях совпадает с определенной по поверхности образца зоной. По мере углубления в толщину образца концентратор напряжений отходит от этого направления и последовательно пересекает другие структурные зоны соединения, что снижает объективность и точность оценки механических свойств материала в заданной зоне сварного соединения.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности и объективности оценки механических свойств металла зоны сплавления сварного соединения при усталостных испытаниях.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами: на фиг.1 - показано выполнение концентратора напряжений в виде отверстия в сварном соединении по зоне сплавления; на фиг.2 - представлено влияние диаметра отверстия на характер разрушения сварного соединения под действием циклических нагрузок при усталостных испытаниях; на фиг.3 - приведено распределение долговечности образцов из сплава 1420 при напряжении 310 МПа (1, 2 - для основного металла) и 270 МПа (3, 4 - для сварных соединений).
Заявляемый образец для определения механических свойств зоны сплавления сварных соединений алюминиевых сплавов при усталостных испытаниях выполнен в виде пластины шириной (5-10)h в рабочей части, где h - толщина основного металла 1. По зоне сплавления между сварным швом 2 и основным металлом 1 выполнен концентратор напряжений в виде сквозного отверстия 3 диаметром d (фиг.1). Ось отверстия 3 совмещена с лицевой стороны сварного соединения с зоной сплавления и составляет угол 20-28° с нормалью к поверхности образца. Затем образец фиксируется в зажимах испытательной машины и к нему прикладываются осевые усилия Р, меняющиеся во времени по величине по определенному закону.
Диаметр d и угол наклона оси отверстия 3 к нормали к поверхности образца оказывают существенное влияние на точность и объективность
оценки механических свойств металла зоны сплавления сварного соединения алюминиевых сплавов. Для сварных соединений листов алюминиевых сплавов толщиной до 10 мм установлено, что при угле наклона оси отверстия к поверхности образца менее 20° разрушение при усталостных испытаниях носит комбинированный характер - частично по основному металлу и частично по зоне сплавления сварного соединения. Получаемые значения механических свойств в этом случае ввиду указанного характера разрушения, оказываются выше, чем их реальные значения для металла зоны сплавления.
В случае угла наклона оси отверстия к нормали к поверхности образца более 28° концентратор напряжений существенно затрагивает литой металл шва и получаемые значения усталости сварных соединений оказываются меньше их реальных значений.
Ориентировочное значение угла α наклона оси отверстия к нормали к поверхности образца можно оценить по значениям ширины шва В с лицевой стороны соединения и ширины b со стороны проплава α = arctg (В - b)/2h
где h - толщина основного металла образца.
На характер разрушения образцов при усталостных испытаниях оказывает диаметр отверстия d. При диаметре отверстия менее 0,12 h (фиг.2а) имеет место смешанное разрушение сварного соединения по металлу зоны сплавления и металлу шва. При диаметре отверстия в пределах (0,12-0,4) h участок разрушения образцов совпадает с зоной сплавления сварного соединения (фиг.2б). Увеличение диаметра отверстия более 0,4 h сопровождается смешанным разрушением по зоне сплавления и по основному металлу (фиг.2в), что приводит к снижению точности, получаемых значений, усталости металла зоны сплавления. сварных соединений.
Таким образом, наиболее высокая точность оценки механических свойств металла зоны сплавления сварного соединения при усталостных испытаниях, достигается при диаметре отверстия в пределах (0,12-0,4) h.
Заявляемый образец был опробован при исследовании долговечности сварных соединений сплава 1420 толщиной 4 мм под действием циклических нагрузок. Сварные соединения были получены автоматической аргоно-дуговой сваркой с присадочной проволокой св.АМг63. Концентратор напряжений в виде отверстия диаметром 1,0 мм выполняли по линии сплавления либо перпендикулярно поверхности образца с лицевой стороны шва, либо под углом 20-28°, в зависимости от размеров сварного шва. Испытания проводили при малоцикловых растягивающих нагрузках с напряжением 270 МПа, что составляет 0,75 от предела прочности сварного соединения. Для оценки влияния формы концентратора напряжений были исследованы образцы из основного металла с отверстием, перпендикулярным поверхности образца и наклоненным под углом 22°. Эти образцы испытывали под действием растягивающих циклических нагрузок с напряжением 310 МПа, что составляет 0,65 предела прочности листового сплава 1420 в состоянии после закалки и искусственного старения.
Результаты испытаний показали, что направление концентратора напряжений влияет на долговечность образцов из основного металла. Образцы с наклонным концентратором выстаивают на 20-30% больше, чем с концентратором, перпендикулярным поверхности образца (фиг.3, кривые 1 и 2).
Долговечность сварных образцов с наклонным концентратором ниже, чем с прямым, так как разрушение первых происходит по зоне сплавления (фиг.3, кривые 3 и 4). Разрушение образцов с прямым концентратором частично происходит по основному металлу, механические свойства которого несколько выше, чем металла зоны сплавления.
Проведенные эксперименты показали, что значения долговечности образцов при разрушении по зоне сплавления меняются в зависимости от места нахождения концентратора. Суммарно полученные результаты представлены в таблице.
ТаблицаВлияние диаметра отверстия и величины угла наклона его оси к вертикали к поверхности образца на значения долговечности металла зоны сплавления сварных соединений сплава-1420 толщиной 4 мм
Диаметр отверстия
Угол наклона оси отверстия к вертикали, град.
Число циклов до разрушения, шт.
d, мм
d/h
0,44
0,11
0
26400
0,48
0,12
38200
1,0
0,25
37800
1,6
0,40
39400
1,8
0,45
54600
1,0
0,25
18
45700
20
39400
25
37800
28
37500
31
24300
Следовательно, при исследовании различных зон сварных соединений под действием циклических нагрузок концентратор напряжений в виде отверстия следует выполнять диаметром (0,12-0,4) h и выполнять под углом 20-28° к нормали к поверхности образца.