Стыковая сварка плоских элементов обычно осуществляется с дополнительной подваркой корневой части шва, чтобы ликвиди­ровать непровары и шлаковые скопления в металле шва.

При изготовлении сварных конструкций из труб или полых цилиндрических деталей кольцевой стыковой шов оказывается односторонним вследствие невозможности подварки его корневой части. К, таким конструкциям относятся роторы турбин, толсто­стенные трубопроводы, резервуары, полые оси, различного рода трубные конструкции, применяемые в крано - и мостостроении, и т. п.

Сравнительно мало исследований посвящено оценке усталости стыковых односторонних соединений. Между тем изучение поведе­ния таких соединений при осевой нагрузке или переменном изгибе представляет большой интерес, так как в этих случаях повышается опасность разрушения со стороны корневой стороны шва. Состоя­ние зоны корня шва имеет преобладающее влияние на усталостную прочность односторонних соединений.

Для получения высоких механических свойств, и особенно прочности соединений с односторонними швами, требуется каче­ственное выполнение корневого шва. Недостатки в конструктивно­технологическом исполнении корневой зоны шва в односторонних соединениях могут привести к значительному снижению устало­стной прочности соединений. Так, прочность при плоском перемен­ном изгибе труб из мягкой стали, сваренных с одной стороны (2 • 106 циклов), при некачественно выполненных швах резко понижалась по сравнению с цельными трубами [257]:

При ручной дуговой сварке с неполным

проплавлением.......................................... — 2 кгс/мм2

То же, с полным проплавлением (шов

плохого качества) ..................................... 4,4 кгс/мм2

Цельная труба................................................ 12,3—17,8 кгс/мм2

В ЦНИИТМАШе были проведены широкие исследования уста­лостной прочности односторонних соединений образцов значитель­ных размеров [55]. Прочность односторонних соединений стали 34ХМ определяли при плоском симметричном изгибе (107 циклов) на образцах-погонах сечением 50x75 мм и длиной 535 мм, пригото­вленных как из кованых плит размером 800 x 280 x 80 мм, так и из сварной трубной заготовки диаметром 440 мм. После ковки плиты и поковки трубной заготовки подвергали термической обработке: закалка при температуре 860—870° С в масло, отпуск при 535— 600° С. Сварку производили с предварительным и сопутствующим нагревом до температуры 300—400° С. Сваренные плиты и трубная заготовка проходили отпуск при температуре 600° С, 6 ч.

Сварные соединения пластин в корневой части шва имели следующие виды разделок: без подкладки — нормальный стык (рис. 78, а); корытообразную подкладную планку (рис. 78, б); медную подкладную трубу (рис. 78, в); плоскую подкладную планку (рис. 78, г); замковое соединение (рис. 78, 5).

Из сварной трубной заготовки вырезали образцы-погоны (рис. 79) с сохраненным подкладным кольцом и с подкладным кольцом, удаленным механической обработкой. Многослойную

Рис. 78. Виды разделок для односторонней сварки пластин: а — нормальный стык; б — с корытообразной планкой; в — с медной подкладной трубой; г — с плоской планкой; д — замковое соединение

Рис. 79. Схемы вырезки образцов для испытания на усталость из сварной трубной заготовки

сварку трубных и пластинчатых заготовок выполняли электро­дами ЦЛ-30. В трубной заготовке корневую часть шва выполняли электродами ЦУ-1 (с целью уменьшения концентрации напряже­ний в корне шва), дающими мягкую основу (ст 38 кгс/мм2; ав = 53 кгс/мм2).

Сварные пластины с различными конструктивными элемен­тами разделок под шов перед испытаниями подвергали визуаль­ному осмотру и электромагнитной дефектоскопии. При этом на образцах с замковым соединением, медной трубой и плоской под­кладной планкой были обнаружены значительные технологические дефекты. В пластинах с замковым соединением не был сохранен зазор 5x1,5 мм, который, по мнению конструкторов, должен был играть роль сборника шлаков.

Образцы с медной подкладной трубой и плоской подкладной планкой имели трещины. На образцах с медной подкладной трубой трещины проходили от корня шва в месте сопряжения с трубой, распространяясь по высоте шва. На образцах с плоской подклад­ной планкой трещины располагались в средней части шва. На каждом образце было по две-три трещины протяженностью 5— 7 мм. Плоская подкладная планка оказалась приваренной непарал­лельно плоскостям образца, причем планка упиралась боковыми стенками в вертикальный вырез разделки. Медная подкладная труба не сопрягалась по всей своей поверхности с закруглениями разделки и, кроме того, при сварке была сильно подплавлена.

Пределы выносливости соединений, выполненных односторон­ней сваркой на толстостенных пластинчатых или трубных заготов­ках из стали 34ХМ, оказались значительно (на 54—83%) снижен­ными по сравнению с основным металлом (табл. 34). Эффективные коэффициенты Ка для односторонних соединений с рассмотрен­ными вариантами корневых сечений шва изменяются в довольно широких пределах (2,1—5,9).

Предел выносливости и эффективный коэффициент концентрации напряжений для различных конструкции соединений стали 34ХМ Объект испытаний Предел выносли­вости при симметричном изгибе «с* Вид заготовки кгс/мм* % °~lk Основной металл 21,5 100 — Трубная 8.5 39.5 2,5 <10 <46,5 >2,1 Основной металл 20,5 100 — Пластинчатая 9,5 46,4 2,2 7,5 36,6 2,7 5,5 26,8 3,7 4.5 3.5 21,9] 17,1 4,6 5,9

Пониженные показатели усталостной прочности указанных соединений не следует относить за счет плохой свариваемости стали 34ХМ. Опытами [95] показана равнопрочность соединений стали 34ХМ, выполненных электрошлаковой сваркой на аналогич­ных образцах сечением 50x75 мм (см. табл. 8) с соответствующей термической обработкой.

Наиболее низкие значения предела выносливости (3,5—

5,5 кгс/мм2) относятся к образцам пластин с замковым соедине­нием, плоской подкладной планкой и с медной подкладной трубой и являются следствием наличия в них указанных выше грубых дефектов изготовления. Предел выносливости образцов из трубной заготовки с подкладным кольцом составил 8,5 кгс/мм2. Между подкладным кольцом и основным металлом наблюдаются щелевид­ные зазоры, идущие к вершине шва.

Кроме того, в изломах образцов были дефекты в виде непровара и отдельных пор, расположенные в непосредственной близости

ОТ Подкладного кольца, которые были обнаружены до изготовле­ния образцов при ультразвуковом контроле трубных заготовок.

Очаги усталостных разрушений зарождались в зонах концен­трации напряжений со стороны корня шва от подкладного кольца, и трещины распространялись по металлу шва (рис. 80). Самое высокое значение предела выносливости (10 кгс/мм2) из всех рас­смотренных вариантов соединений было получено на образцах - погонах из трубной заготовки со снятым усилением шва.

Разрушения образцов этой серии происходили во всех случаях по металлу шва со стороны его вершины. При этом в изломал некоторых образцов были выявлены дефекты, расположенные главным образом в вершине шва.

Низкое (в 2 раза меньшее) значение прочности образцов со снятым подкладным кольцом в сопоставлении с прочностью основ­ного металла может быть объяснено наличием указанных техно­логических дефектов, а также разницей прочностных свойств и структурных состояний основного и направленного металлов. Помимо указанных факторов, на снижение сопротивления уста­лости соединения, по-видимому, неблагоприятное влияние оказала «мягкая» основа наплавленного металла в корне шва.

Основной металл после ковки подвергали закалке с отпуском, металл же шва — лишь отпуску для снятия остаточных напряже­ний. В последнем случае отсутствовала перекристаллизация литого наплавленного металла, имеющего неблагоприятную структуру.

Рис. 80. Усталостная трещина на образце из трубной сварной заготовки с сохраненным подкладным кольцом

Сварной шов

Рис. 81. Трубные образцы для испытания на усталость:

а — основного металла; б ~~ соединения с подкладным непроплавляемым
кольцом (/) и с присадочной плавящейся вставкой (//)

Предел выносливости образцов си снятым подкладным кольцом (<10 кгс/мм2) мало отличался от предела выносливости соедине­ния с нормальным стыком (а_х = 9,5 кгс/мм2).

Результаты проведенного исследования указывают на необхо­димость тщательного контроля при изготовлении односторонних соединений, с тем чтобы не допускать отступлений от конструк­тивно-технологических решений корневых сечений стыкового шва [55]. Только в этом случае можно рассчитывать на создание сварных конструкций из среднелегированной стали 34ХМ, обла­дающих достаточно высокой усталостной прочностью.

При хорошем качестве корневой части одностороннего кольце­вого стыкового шва можно достигнуть равнопрочности соединений с основным металлом. Ниже это будет показано на ряде опытных данных.

Так, предел выносливости образцов диаметром 28/16 мм (рис. 81) из никелевого сплава ХН70ВМЮТ (ЭИ765) с проплавляе­мой подкладной вставкой из проволоки Х15Н65М15 (ЭИ-367), выполненных электродами ЦТ-28 и ЦТ-31, после соответствующей термической обработки (см. табл. 35) был доведен до уровня предела выносливости образцов основного металла (16,5 кгс/мм2) [89 ]. Конструкция сварного стыка с подкладным кольцом обладает меньшей работоспособностью, чем конструкция стыка с пропла­вляемой в среде аргона вставкой. Предел выносливости образцов с непроплавленным кольцом, сваренных электродами ЦТ-28

(после отпуска при температуре 800° С, 10 ч), составил 10 кгс/мм2 (табл. 35), т. е. на 32—36% ниже, чем для образцов, сваренных с проплавляемой вставкой.

Для соединений! с подкладными кольцами могут быть получены устойчивые усталостные свойства, тогда как для односторонних соединений без подкладок при полном проплавлении прочность соединения в большой степени зависит от мастерства сварщика.

Результаты испытания при плоском симметричном изгибе пяти различных серий труб диаметром 168/148 мм из мягкой стали, сваренных па подкладных кольцах, показали, что предел выно­сливости при 2-106 циклов составил 6 кгс/мм2, или около 35% от предела выносливости цельной трубы [259]. Усталостные разру­шения возникали со стороны корня шва от подкладного кольца Аналогичные результаты были получены для соединений труб, выполненных дуговой сваркой без подкладного кольца при условии достижения полного проплавления. В одной серии, где добивались получения корневого валика со сквозным проплавлением, предел выносливости был получен 8 кгс/мм2 (50% выносливости основного металла).

При испытаниях на симметричный изгиб труб диаметром 276/266 мм из мягкой стали (а. — 28 кгс/мм2) с U-образными стыками, сваренными на стальном подкладном кольце, полоса разброса предела выносливости при 2-Ю6 циклов составила 6,6—8,2 кгс/мм2 [241 ]. Существенного различия в усталостных свойствах для трех исследованных типов электродов (рутиловые, иизководородные и с железным порошком) не наблюдалось. При пульсирующем растяжении трубы с такими швами имели уста­лостную прочность при 2-Ю® циклов 14,5 кгс/мм2.

Соединение корня шва и подкладного кольца являлось местом появлення усталостной трещины.

При обеспечении более гладкого профиля корня шва и приме­нении керамически покрытого подкладного кольца или подкладки из песка можно добиться повышения прочности трубных соедине­ний. Так, более низкое значение предела выносливости полосы разброса, полученной при симметричном изгибе труб с такими швами, составила при 2-10® циклов 11,5 кгс/мм2, т. е. на 75% выше, чем для труб со стыками, сваренными на стальном подклад­ном кольце. Можно добиться одинаковой долговечности для - шва и остальной части трубы при использовании труб с утолщенными в результате обжатия концами. При этом площадь поперечного сечения шва и трубы можно регулировать и таким образом умень­шить напряжения в стыковых швах.

Ценные сведения получены в работе [207] при исследовании усталостной прочности односторонних соединений труб, выполнен­ных различными способами сварки (табл. 36). При долговечности в пределах 105 —107 циклов не наблюдали различия в усталостной прочности при симметричном круговом изгибе стыковых соедине­ний труб диаметром 114/102 мм, длиной 3050 мм для сталей двух

Сопротивление усталости труб, сваренных встык различными способами [207] Способ сварки d j кгс/мм2, при числе циклов 10е 2-10* 102 Аргоиодуговая вольфрамовым элек­тродом с подкладным кольцом с на­несенным керамическим слоем тол­щиной 0,ЗЕ мм................................. 12,1 11,3 11 Аргонодуговая вольфрамовым, элек­тродом с плавящейся вставкой. . 9,8 9,5 9,5 Дуговая в среде С02 с подкладным кольцом с нанесенным керамиче­ским слоем толщиной 0,35 мм 10,2 7,9 5,5

сортов: от -= 25 кгс/мм2, ав 46 кгс/мм2 и ат - 36 кгс/мм2, ав = 57 кгс/мм2. Усталостная прочность сварных труб указанных сталей в большей степени зависит от геометрической формы корне­вой зоны шва и от дефектов сварки, чем от различия в составе или прочностных свойствах наплавленного металла.

Для труб, сваренных с помощью аргонодуговой сварки воль­фрамовым электродом, корни шва с подкладными кольцами с нане­сенным керамическим слоем показали более высокую усталостную прочность, чем швы, выполненные с плавящейся вставкой. Трубы с корнем шва, полученным при сварке в С02 с подкладным кольцом с нанесенным керамическим покрытием, имеют более высокую усталостную прочность при долговечности менее 10е циклов по сравнению с трубами, выполненными аргонодуговой сваркой с вольфрамовым электродом с плавящейся вставкой.

Сравнение этих опытных данных с данными, полученными на сварных трубах при переменном плоском изгибе при 2» 10е циклов [257], показывает, что: а) трубы, сваренные с помощью аргоно­дуговой сварки вольфрамовым электродом, с подкладными коль­цами с нанесенным керамическим покрытием или с плавящимися вставками, имеют более высокую прочность, чем трубы, сваренные с одной стороны с помощью ручной дуговой или газовой сварки со стальными подкладными кольцами (6,3 кгс/мм2) или без них (4,4—7,9 кгс/мм2 — сварные швы соответственно плохого и хоро­шего качества), и б) при оптимальных условиях сварки стыковые швы с подкладными кольцами с нанесенным керамическим покры­тием фирмы Serbex могут иметь прочность, близкую к прочности гладких труб из мягкой стали, испытуемых подобным образом. Предел выносливости гладких труб из мягкой стали при плоском переменном изгибе при 2-Ю6 циклов составил 12,3—17,8 кгс/мм8. Следует иметь в виду, что испытания труб при плоском переменном изгибе дают более высокие значения прочности, чем при круговом переменном изгибе.

Рис. 82. Натурные образцы сварных колен для испытания на усталость. а — с изгибом в плоскости оси колена; б - с изгибом вне плоскости оси колена

В работе [243] описано исследование прочности соединений колен из мягкой стали (0,11% С; ств 43 кгс/мм2), выполненных ручной дуговой сваркой электродами Е319, при знакопеременном изгибе в двух плоскостях и пульсирующем давлении. Испытания трубных колен (рис. 82) при знакопеременном изгибе проводили при частоте 200 кол/мин. Перед испытанием во внутритрубный объем подавали воздух под давлением 0,7 кгс/см2. Спад давления в процессе испытания свидетельствовал о возникновении сквоз­ного разрушения в образце, что являлось сигналом к прекраще­нию испытания. Испытания с пульсирующей нагрузкой осуще­ствляли при давлении до 420 кгс/мм2 и пульсации 100 цикл/мин. Первый прорыв жидкости свидетельствовал о начале разрушения колена.

Во всех случаях трубные колена со сварными швами оказались менее работоспособными, чем колена, гнутые из целых труб (табл. 37).

Прочность сварных колен с условным радиусом по нейтрали R 228 мм испытанных на базе 3,5 ■ 104 циклов знакопеременным изгибом в плоскости оси колена, равна не менее 56% прочности таких же колен без сварных швов. Трехстыковые колена имеют несколько большую прочность, чем двухстыковые.

Опытами не выявлено снижения прочности сварных трубных колен в условиях действия знакопеременного изгиба из плоскости оси колена при снижении условного радиуса с 228 до 140 мм. Снижение прочности сварных колен по сравнению с гнутыми из целых труб тем больше, чем выше уровень напряжений в местах стыковки сегментов колен.

Усталостная прочность при внутреннем пульсирующем давле­нии на базе 106 циклов у двухстыковых сварных колен составляет 73% от прочности аналогичных по форме несварных колен.