CC BY
27
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
, (1)
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 (рабочих и остаточных) производилось с помощью малобазных тензорезисторов с базой 3 мм, позволяющих значительно уменьшить осреднение резко изменяющихся рабочих и остаточных напряжений вблизи концентратора напряжений (в зоне К на рис 1, б)
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 (с предварительным и без предварительного изгиба)
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 (серия 1); 2 - сварка в свободном состоянии и последующим устранением ОН термообработкой (серия 2); 3 - сварка в свободном состоянии (серия 3); 4 - сварка с предварительным изгибом (серия 4)
