Стыковые соединения занимают наибольшую долю4 в общем объеме сварных конструкций. При производстве стыковых соединений используют различные способы сварки (ручную дуго­вую, автоматическую под флюсом, в углекислом газе, стыковую контактную, трением, электрошлаковую, электронно-лучевую) и разные конструкционные стали различной толщины.

Заметная доля при изготовлении сварных конструкций мостов, кранов, тележек подвижного состава, различных строительных сооружений и транспортных средств отводится соединениям вна­хлестку. Соединения такого типа обладают, как правили, сильной концентрацией напряжений и поэтому оценка их сопротивления усталости имеет особо важное значение.

СВАРНЫЕ СТЫКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Сварные соединения при статической нагрузке часто равно­прочны основному металлу, потому что усиление шва увеличивает поперечное сечение элемента, а концентраторы напряжений не проявляются в столь резкой форме, как это имеет место при ци­клических или ударных нагрузках. Прочность соединений при переменных нагрузках, как правило, оказывается пониженной по сравнению с основным металлом. Причиной снижения проч­ности являются наличие неблагоприятных сварочных остаточных напряжений и концентраторов напряжений, создаваемых формой соединения и технологическими дефектами.

Соединения встык по сравнению с другими типами соединений обладают повышенной прочностью, характеризуются менее рез­ким изменением геометрической формы и меньшей концентрацией напряжений. По усталости стыковых соединений имеется большое количество экспериментальных данных. Наиболее типичные результаты исследований усталости соединений с поперечными швами встык, выполненных на протяжении последних 20 лет, и приводятся в табл. 8 (рис. 34 и 35). В сводную таблицу вклю­чены значения пределов выносливости основного металла и

Рис. 35. Образцы" и элементы "для испытания на «стыковых соединений, выполненных электрошлаковой сваркой

Способ сварки	Сварочные материалы	Марка стали	--------------------------------- 1 Предел прочности <7В, КГС/ММг	Размер сечения, мм	Предел ВЫ - I носливости основного металла *, кгс/мм2
Ручная дуговая	Электроды 1 ЦМ-7	10	42,7	8X20 (рис. 34, а)	37,6 |
То же	Электроды УОНИ-ІЗ/55		44,1	5X30 (рис. 34, б)	| 20,2 і
Ручная дуговая; V-об - разная разделка кромок	Электроды УОНИ-13/Б5		54,1	65X75 (рис. 34, з)	18,5
Ручная дуговая в го­ризонтальном поло­жении; К-образная разделка кромок	Электроды ЦУ-3	22 К	54,1	65X75 (рис. 34, и)	18,5
Ручная дуговая; дву­сторонняя разделка кромок	Электроды ЦЛ-25	0Х12НДЛ	72.6	50X75 (рис. 34, к)	14.5
То же	Электроды УОНИ 10X13 (13НЖ)	0Х12НДЛ	72,6	50X75 (рис. 34, к)	14,5
То же	Электроды УОНИ-13/55, облицовка перед сваркой стали 0Х12НДЛ проволокой ЦУ-2ХМ	0Х12НДЛ и 15Г2ВЛ	72,6 74,2	Б0Х 75 (рис. 34, к)	14,5

GO

 

Способ сварки	Сварочные материалы	Марка стали	Предел прочности С, кгс/.чм!	Размер сечения, мм	Предел ВЫ­НОСЛИВОСТИ основного металла *, кгс/мм2
Ручная дуговая	Электроды с рутиловым покрытием	37 по стан­дарту МС 6280—65. спокойная кипящая	48,0 41,7	Толщина 15 мм		і
Руная дуговая (дву­сторонняя)	Электроды УОНИ-13/55	09Г2С	50,6- 51,7	6X40 (рис. 34, в)	33,5
Ручная дуговая в нижнем положении	Рутиловые электроды Е319	BS15 (С=0,18%)	48	12,7Х 102 (рис. 34, ж) и 12,7X64 (рис. 34, с)	25 (с про­катной окалиной) 29,9 (с механи­чески обрабо­танной поверх­ностью)
Автоматическая под флюсом (X-образная разделка кромок)	Проволока Св-08ГА, флюс OCLL-45	15ХСНД (НЛ-2)	56,4	30X80 (рис 34, л)	24.1 (с прокат­ной ока­линой) 32.2 (с обрабо­танной поверх­ностью)
То же		М16С	43	Толщина 40 мм	23,5 (с прокат­ной ока­линой) 28,2 (с обрабо­танной поверх­ностью)

	Состояние (обработка) после сварки	Вид нагружения	Предел выносливости, кгс/мм2, на базе циклов	Источник
10е	2-Ю»	1 5-Ю»	10»
	Исходное	Растяжение		22-23 19-20			[74]
	Исходное Наклеп многобойковым упрочнителем Усиление снято резцом	Растяжение, 2 кгс/ммг-4- _‘ашах		16.5 — 18.5 22.5 22.5			[124]
—	Исходное состояние (кром­ки под сварку обработа­ны механическим спосо­бом) Исходное (кромки под свар • ку обработаны машинной газовой резкой) Исходное (кромки под свар­ку обработаны ручной га­зовой резкой) Отпуск при температуре 650° С Усиление снято механиче­ской обработкой с после­дующим ручным шлифо­ванием То же и отпуск при темпе­ратуре 650° С	Растяжение.		18 15.7 15.7 18 25 25			[261]
Исходное (с нарушением технологических допу­сков на форму усиления шва) Образцы с плавным очерта­нием поверхности шва Механическая обработка перехода от основного ме­талла к наплавленному Образцы с полностью обра­ботанной поверхностью шва	Растяжение, Ra = 0,06		12 23,5 24.4 32.4			[29]
	Шов с высотой валика 2 мм и плавным перехо­дом Шов с высотой валика 5 мм и резкими переходами Тс же, с исправлением пе­реходов местной обработ­кой Шов с поверхностью, обра­ботанной шлифованием	Растяжение, Ra = 0,14		23.5 15,0 23.5 28.2			[112] .

ч о £ sg* So. Гй и С ct>

Сварочные материалы	Марка стали
Способ сварки
10Г2СД
Автоматическая под флюсом (Х-образная разделка кромок)
Толщина 32 мм
М16С	44,8
30X200 (рис. 34, н)
Проволока Св-08ГА, флюс АН-348	14Г2
59,6
20X200 (рис 34, к)
14ГС 51,0
Проволока Св-08ГА, Ллюс АН-348
20X200 (рис 34, н)
62,2
Проволока Св-08ГА, флюс АН-348	І5ГС
20X200 (рис 34, н)
19Г
Проволока СВ-08ГА, флюс АН-348	50,1
20X200 (рис. 34, н)
10Г5СД
Проволока Св-08ГА, флюс АН-348	51,8
26 X 200 (рис. 34, н)
Проволока Св-08ГА, флюс АН-348	09Г2С	51,8
26X200 (рис. 34, н)
61,5
Проволока Св-ЮНМ, флюс АН-22	10Г2С1 (закалка с температу- рой £20° С в воду, отпуск при 650“ С)
26X200 (рис. 34, н)

 

Состояние (обработка) после сварки	Вид нагружения «о	Предел выносливости, кгс/мм*, на базе циклов	Источник
ю«	2-Ю»	5-10®	10’
Сварное соединение с ме­стной обработкой по­верхности шва Сварное соединение с пол­ностью обработанной по­верхностью шва	Растяжение, RQ = 0.09		29.8 35.8			ГП2]
	Изгиб, R0 - +0,3				7 *• 12,8 ** 18 **	[171]
	Изгиб,		9,7 **			[35]
	Изгиб, «ш=-1		9,1 **			[35]
Исходное	Изгиб		10,0 **			[35]
	Изгиб,		8,9 **			[35]
	Изгиб, *« = -'•				7,0 ** 15,5 **	[35]
	Изгиб, «а = -' v = °				7,7 ** 15,5 **	[35]
Исходное Высокий отпуск	Изгиб, *« = -'				6.7 ** 9.8 **	[35]

5 И. В. Кудрявцев

65

Способ сварки	Сварочные материалы	Марка стали	Предел прочности в, кгс/мме	2S а ag « а* С, о	Предел вы­носливости основного металла *, кгс/ммв
Автоматическая под флюсом (X-образная разделка кромок)	Проволока Св-ЮНМ, флюс АН-22	10Г2С1 (закалка с температу­рой 920 °С в воду, отпуск при 650 °С)	62,7	26X80 (рис. 34, м)	28
	Проволока СВ-08ГА. флюс АН-348	10Г2СД термически упрочненная	55,3	26x200 (рис. 34, м)
	Проволока Св-08ГА, флюс АН-348	10ХСНД термообра­ ботанная	60,1	26X200 (рис. 34, и)
	Проволока Св-ОвГА, флюс АН-348	15ХСНД	58.4	30X200 (рис. 34, н)
	Проволока Св-08ХМФ, флюс АН-22	15ХГ2СМФР нормализо­ ванная	76,2	30X200 (рис. 34, н)
	Проволока Св-08А, флюс АН-348А	09Г2С	50,6— 51,7	6X40 (рис. 34, в)	33,5
Автоматическая одно­сторонняя на флю­сомедной подкладке	Проволока Св-08ГН, флюс ОСЦ-45	09Г2	56,5	8X35 (рис. 34, д)	22
Автоматическая одно­сторонняя на мед­ном скользящем ползуне	Проволока Св-08ГН, флюс ОСЦ-45	09Г2	56,5	8X35 (рис. 34, д)	22
Автоматическая под флюсом		BS1S (С=0,18%)	48	12,7Х 101,6 (рис. 34, ж) 12,7X63,5 (рис. 34, с)	25 (с про­катной окалиной) 29,9 (с механи­чески обрабо­танной поверх­ностью)

Состояние (обработка) после сварки	Вид j нагружения «о	Предел выносливости, кгс/мм*, на базе циклов	Источник
10*	2-Ю*	5-Ю»	10»
Исходное Усиление снято наждачным кругом	Растяжение, «а=°		14 28			Опыты ИЭС им. Е. О Па - тона
Исходное	Изгиб, «а 1				6,7 **	Г35]
Изгиб, «а= 0		7,8 ** 16 **,			Г35]
Изгиб, «о=		7 **			[35]
Изгиб, «а - -1				7,2 **	[35]
Растяжение, 2 кгс/мм*-г - “атах		20,5			[124]
Изгиб,		20,5			[163]
Изгиб,		12,5			[163]
V-образной стык на мед­ной подкладке с усиле­нием, отпуск при темпе­ратуре 650° С X-образный стык с усиле­нием, отпуск при темпе­ратуре 650° С Х-образный стык с усиле­нием, отпуск при темпе­ратуре 650° С V-образный стык на медной подкладке, усиление сня­то механической обработ­кой с последующим руч­ным шлифованием, отпуск при температуре 650° С Х-образный стык, усиление снято механической обра­боткой с последующим ручным шлифованием, от­пуск при температуре 660° С	Растяжение, *в-°		10,2 11 17,3 25 25			[261]

Способ сварки	Сварочные материалы	Марка стали	Предел прочности сг, кгс/мм2	Размер сечения, мм	Предел вы­носливости основного металла *, кгс/мм2
Автоматическая под флюсом (двусторон­няя)		BS15 (0,20% С, 0,02% Si)	48	Толщина 11.4 мм	30,2
То же		Низколе­гированная (0,11% С, 0,24% Si, 1,28% Ми. 0,27% Ni, 0,56% Сг, 0,30% Мо, 0,12% V)	78,5	Толщина 11,4 мм	52
В углекислом газе (V-образная раздел­ка кромок)	Проволока Св-08Г2С диаметром 1,6 ММ	22К	54,1	65X75 (рис. 34, з)	18,5
В углекислом газе		37 по стандарту МС 6280—65 (ВНР) спокойная кипящая	47.5 41.5	Толщина 15 мм
В углекислом газе (двусторонняя)	Проволока Св-08Г2С	09Г2С	50,6 — 51.7	6X40 (рис. 34, в)	33,5
В углекислом газе (V-образная раздел­ка кромок)	Проволока 8Mn2Si	11523.1 (по стандар­ту ЧССР)	52	8X70 (рис. 34, г)	24—26 (с прокат­ной ока­линой)
Электрошлаковая	Проволока Св-10Г2, флюс ФП-7	22К	45,6— 48,7	а = 20	18,5— 21.5

Состояние (обработка* после сварки	Вид нагружения *<х	Предел выносливости, кгс/мм2, на базе циклов	Источник
10*	2-Ю»	5-Ю6	10’
Исходное Усиление снято Создание вогнутой формы у кромок шва с помощью аргонной горелки и прут­ка из мягкой стали	Растяжение, *0 = °		12,6 29,3 28.2			[235]
Исходное Усиление снято Создание вогнутой формы у кромки шва с помощью аргонной горелки и прут­ка из мягкой стали	Растяжение, 0		15,7 50,6 44			[235]
Отпуск при температуре 620° С Усиление снято резцом, от­пуск при температуре 620° С	Изгиб, «с	13,5 14 5				[114]
Исходное »	Растяжение		19—20 15			[74]
Исходное	Растяжение, 2 кгс/мм2 ч - ^0шах		18,5— 20,5			[124]
Исходное Исходное (на медной под­кладке) То же	Растяжение, 1 кгс/мм2 ч - “^0шах 1 кгс/мм2 ч- ~ат ах 15 кгс/мм2 ч- “0тах				10.5 ± +9,5 -т-11,5 ± +0,5 8,5 ±7,5 19.5 ± ±4,5-т - 4-20,5 ± ±5,5	[232]
Образцы вырезаны из свар­ной пластины, подвер­гнутой нормализации при температуре 920° С и отпуску при 650° С	Изгиб, % = -'				17,5	[159]
Образцы вырезаны из свар­ной пластины, подвер­гнутой индукционному на­греву током промышлен­ной частоты (нормализа­ция и отпуск)				17,5 — 19,5	[88?

Способ сварки	Сварочные материалы	Марка стал*	Предел прочности а, кгс/мм?	Размер сечения, мм	Предел вы­носливости основного металла *, кгс/мм2
' • ектрошлаковая	Проволока Св-15Г, флюс ФЦ-7	2К	45.6 — 48.7	50X75 (рис 35, ?)	15,5 — 16,5
	Проволока Св-10Г2, флюс ФЦ-7			d = 150 (рис. 35, ж)	13,7 — 15.2
				d = 200 (рис. 35, я)	16,6
				200Х 200 (рис. 35, е)	14,5
	Проволока СВ-10Г2, флюс АН-8	35Л	50,4 — 51,3	d = 20	11,5 — 14,5
				d = 200 (рис 35, я)	7,5-10,5
	Проволока Св-10Г2, флюс ФЦ-7	22 К и 20ГСЛ	46.8 52.8	50X75 (рис. 35, 5)	' 15,5 15,5 — 16,5

	Состояние (обработка) после сварки	Вид нагружения «о	Предел выносливости, кгс/мм2, на базе циклов	Источник
10"	2-10»	5-10е	10’
	Исходное Отпуск при температуре 650° С, 2 ч Нормализация при 920° С. 1 ч Наклеп бойком с помощью пневмомолотка Усиление снято резцом То же, отпуск при темпера­туре 650° С, 2 ч Усиление снято резцом, нормализация при темпе­ратуре 920° С. 1 ч и от­пуск при 650° С, 2 ч Усиление снято резцом и наклеп с помощью пнев момолотка	Из іиб,				8,5 11,0 11.5 17.5 14.0 15.5 14.0 17,2	[90]
	Образцы вырезаны из свар­ной плиты Образцы вырезаны из свар­ной плиты после ее норма­лизации при температуре 930—940° С	Изгиб, «о = -1				>13,5 14,7	[88]
	Образцы вырезаны из свар­ной плиты				оо15,0
	Образцы вырезаны из свар­ной плиты Образцы вырезаны из свар­ной плиты после ее норма­лизации при температу­ре 930—940° С и отпуска при 620° С				13.5 12.5
	Образцы вырезаны из свар­ной плиты Образцы вырезаны из свар­ной плиты, прошедшей нормализацию при темпе­ратуре 870—900° С и от­пуск при 600—680° С	Изгиб,				14,5 — 15,5 >15,5	[87]
	Образцы вырезаны из свар­ной плиты Образцы вырезаны из свар­ной плиты, прошедшей нормализацию при темпе­ратуре 870—900° С и от­пуск при 600—680° С			*	>7,5 >7,5
	Нормализация и отпуск	Изгиб, «О—1				16,0	[95]

Сварочные материалы Марка стали Предел прочности сгв, кгс/мм2 Размер Тсечения, мм Предел вы­носливости основного металла, кгс/мм2 Проволока Св-08ХГ2СМ? флюс АН-348-А 16ГНМ 56,9 62X75 (рис. 35, д) 2Г,5 — 22,5 Проволока Св-18ХМА, флюс АН-8 15ГН4М 76,9 50X75 (рис. 35, д) 25.5 Проволока СВ-10Г2, флюс АН-8 34 ХМ 76,5 50X75 (рис. 35. д) 20,5 Проволока Св-10Г2, флюс АН-8 40ХН 82,0 77,9 50X75 (рис. 35, д) 21.5 16,5 — 16.5 Проволока СВ-10Г2, флюс АН-22 Проволока (Ni—Мо) 08ГДНФЛ 45,4 34X50 (рис. 35, б) ІЗ,3 Проволока (0,13% С), флюс G50 0,19% С, 0,66% Мп, 0,06% Si 44,7 20X40 (рис. 35, о) 25 BS15 (С—0,19%) 44,2 38X70 (рис 35, в) 25

Способ сварки

Электрошлаковая

 

	Состояние (обработка) после сварки	Вид нагружения «о	Предел выносливости, кгс/мм8, на базе циклов	Источник
10е	2-Ю6	5-Ю'	10’
	Отпуск при температуре 650—660° С, 5 ч Нормализация при 930° С, 2 ч, охлаждение до 500° С, со скоростью 100 град/ч; отпуск при 650—660° С	Изгиб, «а 1	20.5 22.5				[118]
	Нормализация при темпе­ратуре 650° С, затем при 83 0—860° С и отпуск при 590—610° С	Изгиб, «а - 1				24,5	[95]
	Нормализация при темпе­ратуре 570—590° С, за­тем при 840—910° С и от­пуск при 560—600° С	Изгиб, «а = -‘				19,5	[95]
	Закалка при температуре 830—850° С в масло, от­пуск при 500—550° С Нормализация при темпе­ратуре 830—850° С, от­пуск при 580—620° С	Изгиб, *с--‘				19,0 18,5	[95]
Усиление снято То же Усиление снято, нормализа­ция при температуре 950° С, 2 ч и отпуск при 650° С, 4 ч	Изгиб, *с = -'		17 16 20			[176]
Исходное Усиление шва снято	Растяжение		14 28			[198]
	Исходное, хороший про­филь усиления шва То же (плавящийся элек­трод) Исходное, плохой профиль усиления Усиление снято (плавя­щийся электрод)	Растяжение, «о =0		20 18 11 25,5			[22*]

размеров и базе испытаний, что и для соответствующих сварных соединений. II ИЮ.

стыковых соединений различных конструкционных сталей (с пре­делом прочности в широком интервале — ав = 42 ч-82 кгс/мм2). Соединения выполнены ручной дуговой, автоматической под флю­сом, полуавтоматической в углекислом газе и электрошлаковой сваркой. Размер сечения плоских и цилиндрических образцов и элементов варьируется в пределах от.5x30 мм (лабораторные образцы) до весьма крупных элементов — валы диаметров 150 и 200 мм и пластины сечением 200x200 мм.

Предел выносливости стыковых соединений в исходном состоя­нии, сваренных различными способами на малоуглеродистых ста­лях, составляет 40—64% (табл. 8) предела выносливости основного металла.

В еще большей мере снижается прочность стыковых соедине­ний для низколегированных и среднелегированных сталей.

Сопротивление усталости необработанных стыковых соедине­ний низколегированных сталей практически не зависит от режима автоматической сварки и сварочных материалов (электродной про­волоки и флюса) [35].

При выполнении стыковых соединений прежде всего стремятся обеспечить полный провар и получить металл с необходимыми механическими свойствами, без сварочных дефектов. Внешней форме шва обычно уделяется меньшее внимание. Вместе с тем проч­ность стыковых соединений в значительной степени определяется формой и внешними размерами сварного шва. Особенно резкое понижение прочности отмечается для тех соединений, в которых усиление шва выполнено с резким переходом к основному металлу, вследствие чего создается значительная концентрация напряжений.

Так, если образцы из соединения, выполненного электрошла­ковой сваркой на мягкой стали, с хорошим профилем усиления шва имели предел выносливости 20 кгс/мм2 ([228], то при небла­гоприятном профиле усиления шва (в результате несовпадения медных ползунов) предел выносливости образцов составил всего лишь 11 кгс/мм2 (рис. 36), т. е. понизился на 45% (см. табл. 8).

Конструкция медных подкладок и ползунов при электрошла­ковой и автоматической сварке влияет на формообразование шва, определяя геометрческую форму сопряжения шва с основным ме­таллом, и, в конечном счете, на прочность сварного соединения при переменных нагружениях.

Форма и внешние размеры шва характеризуются следующими параметрами: высотой усиления h, шириной шва b и углом 0° между касательной к усилению шва и поверхностью пластины.

В работе [261 ] решающим фактором, определяющим сопро­тивление усталости сварных соединений с сохраненным усилением шва, считают угол усиления, образованный между плоскостью пластины и касательной к усилению шва в месте соединения с пла­стиной. Этот угол меняется по длине шва, особенно для соедине­ний, выполненных ручной дуговой сваркой. Разрушение обычно происходило в точке с минимальным углом усиления. Установлена

Рис. 36. Результаты усталостных испытаний образцов соединений прокатной стали, выполненных электрошлаковой сваркой: а — с усилением шва; б — со снятым усилением шва; 1 и 3 — хоро­ший профиль усиления; 2 — неблагоприятный профиль усиления; 3 и 4 — сварка плавящимся электродом; 5 — соединение из литой и прокатной стали (л — излом по литой стали, ш — излом по шву)

экспериментально количественная зависимость между углом в усиления шва и сопротивлением усталости стыкового соединения [261 ] при 2 . 106 циклов (рис. 37).

Зафиксированный разброс опытных данных для ручной дуго­вой сварки составил приблизительно 15°; в пластинах, сваренных автоматически, разброс был несколько меньше. Все опытные точки заключены в полосу разброса. За два верхних предела (при 0 = 180°) приняты максимальные напряжения для гладких пластин с прокатной окалиной и без нее. Образцы для испытания на выносливость вырезали из общих сварных заготовок, поэтому остаточных напряжений в них либо вовсе не было, либо они были невысокими [163, 261, 274]. Полученные закономерности могут существенно измениться при наличии в образцах с не снятым уси­лением шва высоких сварочных остаточных напряжений.

Экспериментально получена зависимость числа циклов нагру­жения при знакопостоянном растяжении Ra ^0,1 для двух уров­ней напряжения (а0 = 18 и а0 = 22 кгс/мм2) от формы усиления стыкового шва (рис. 38) Образцы были изготовлены из соединений стали с 0,26% С толщиной 10 мм, выполненных автоматической сваркой под флюсом Pie 18 UP, проволокой 10Мп4 с двусторонним наложением шва. Как видно из рис. 38, большая долговечность относится к сварным образцам с формой^шва, имеющей большее отношение blh [274].

В принятой программе испытаний была охвачена вся область напряжения дуги UR (от 25 до 45 В), что позволило установить ко­личественную, закономерность влияния сварочного напряжения на форму усиления шва. Вопросы экономичности сварных кон­струкций освещены в работе [265].

Весьма высокие механические свойства сварных соединений достигнуты при автоматической односторонней стыковой сварке с обратным формированием шва на флюсо-медной подкладке, имею­щей водяное охлаждение [163]. Пределы выносливости соединений с поперечными швами стали 09Г2, выполненных односторонней сваркой на флюсо-медной подкладке, оказались выше предела выносливости соединений, выполненных односторонней сваркой на медном скользящем ползуне и двусторонней автоматической сваркой под флюсом (с^ == 13 кге/мм2). По величине они близки к пределу выносливости образцов основного металла (см. табл. 8).

Результаты статистической обработки (около 500 замеров) параметров h, Ъ и R усиления сварных швов, выполненных на флюсо-медной подкладке и медном скользящем ползуне, показали характерный для этих способов сварки весьма плавный переход от шва к основному металлу. Радиусы сопряжения при этом со­ставляли Я ^ 8 т-10 мм, тогда как при автоматической сварке под флюсом R = 0,4-^-2 мм [1631.

В табл. 9 сопоставляются теоретические коэффициенты кон­центрации напряжений поперечных стыковых швов для рассмот-

Таблица 9 Теоретический коэффициент концентрации напряжений для поперечных стыковых швов [163] Сварка автоматическая Сторона шва “о Односторонняя.................... На флюсо-медной подкладке Односторонняя............................... На медном скользящем ползуне Двусторонняя под флюсом. . Лицевая Обратная Лицевая Обратная 1,15 1,4 1,25 1.9 1,3-2,9

рениых способов сварки, определенные расчетным и эксперимен­тальным путем (на поляризационной установке).

Поперечные стыковые швы с усилением, выполненные ручной дуговой сваркой на мягких сталях в положениях, отличных от нижнего, могут иметь пределы выносливости ниже 15 кгс/мм2.

Максимальные напряжения при пульсирующем цикле на базе 2 • 106 циклов для соединений с поперечными швами на пластинах толщиной 22 мм составили [2611: пластины, сваренные в нижнем положении, 22 кгс/мм2 (100%); пластины, сваренные в нижнем положении с одной стороны и в потолочном с другой, 11,8— 14,2 кгс/мм2 (53—64%); монтажные швы в вертикальных пласти­нах, сваренные в вертикальном и горизонтальном положениях, 11- 12,9 кгс/мм2 (50—56%).

Эти результаты интересны тем, что они подчеркивают роль наружного контура усиления швов при определении прочности поперечных стыковых соединений, выполненных в различных пространственных положениях. Однако указанная зависимость сопротивления усталости соединений от положения, в котором выполнялась сварка, является лишь косвенной и определяется различными возможностями получения соединений надлежащего качества.

Об усталости стыковых соединений, выполненных на арматур­ных стержнях (крупного сечения) сваркой трением, контактным способом и ванной сваркой, можно составить представление по опытным данным, приведенным в табл. 10.

Сваркой трением и ванной сваркой можно получить сварные соединения, обладающие большим сопротивлением усталости, чем сварные соединения, выполненные контактной сваркой.

Результаты испытания (на базе 5-10® циклов) на усталость прутков 0 16 мм стали 20, сваренных трением и контактным спо­собом, приведены ниже [33].

Вид сварки спри сим­

метричном из­гибе, кгс/мм*

Контактная сопротивлением. 12,5

Контактная оплавлением ~13

Трением

п = 1200 об/мин; Рн = 4 кгс/мм2; („ - 6 с 15

п — 2800~об/мин; Рн = 4 кгс/мм2; /н 2 с 21

При механической обработке шва заподлицо с пластиной для соединений из мягкой стали можно значительно повысить предел выносливости сварного соединения (на 40—57%) и в ряде случаев довести его до уровня основного металла [22, 87, 88, 124, 176, 198, 228, 235, 2611.

Образцы больших сечений (200 x 200 мм и диаметром 150 и 200 мм с точеной поверхностью), вырезанные из толстых плит, сваренных электрошлаковым способом, практически равнопрочны по усталости с аналогичными образцами основного металла как

Результаты испытания на усталость арматурных стержней 0 40 мм, сваренных встык различными способами [22] на стали 35ГС (ав = 66 кгс/мм*) Объект испытания Предел ВЫНОСЛИВОСТИ, кгс/мм* на базе 2-10е циклов при Ra 0 0,14 0,2 0,5 Целые стержни Сваренные стержни: контактной сваркой оплавле- 20,9 24,2 34,1 нием............................................. многоэлектродной ванной свар­кой в медной форме с глубокой канавкой для усилений (в гре­бенке пять электродов УОНИ 12,5 14,9 24,9 13/55А) То же, по обточенные после свар­ки. ванной многоэлектродной свар­кой с кольцевым валиком с плавным переходом в зоне сплавления (наплавка элек­тродами УОНИ-13/55А) . ванной сваркой в медной глад­кой форме (без канавок для усилений) ...... 6,3 17 13,4 14,9 7,7 19 15 17,6 17,7

для стали 22К, прошедшей обработку давлением, так и для литой стали 35Л [87, 88].

Когда между отливками или отливками и прокатными элемен­тами имеются механически обработанные электрошлаковые швы, то дефекты в лигой стали являтся критическими для усталостной прочности сварных соединений [87, 176, 228]. В этом случае механические свойства металла электрошлакового шва выше, чем литой стали, и усталостные разрушения проходят по стали.

В элементах сварных конструкций при наличии концентратора напряжений, вызванного сохраненным усилением шва, остаточные растягивающие напряжения могут вызывать заметное (на 30—40%) снижение сопротивления усталости сварных стыковых соединений (стали 22К и 16ГС) [90, 169]. Для повышения усталостной проч­ности сварных соединений в таких случаях обычно применяют термическую обработку.

Однако не во всех случаях термическая обработка приносит пользу. Например, термическая обработка (650° С) для снятия напряжений в сварных стыковых соединениях (рис. 34, ё) из мяг­кой стали не оказала влияния на усталостную прочность незави­симо от того, снималось ли усиление шва или нет. Неправильное проведение термической обработки может вызвать снижение прочности, если поверхность металла обезуглероживается. При

данных’испытаниях некоторые образцы подвергали длительному нагреву при температуре 650° С, и металл был обезуглерожен на глубину 1,6 мм. В этом состоянии сопротивление усталости і лад­них пластин и сварных соединений понизилось соответственно на 12,5 и 17,5% [261].

Термическая обработка не оказала также никакого влияния на усталостные свойства соединений мягкой стали и увеличила всего на 11 % усталостную прочность соединений из низколегиро­ванной стали с высоким сопротивлением разрыву [25].

Низколегированные стали с высоким сопротивлением разрыву находят ограниченное применение в сварных металлоконструк­циях, так как усталостная прочность соединений из этих сталей не выше усталостной прочности соединений из мягких сталей. Предполагали, что в этом повинен металлургический фактор. Низкая усталостная прочность соединений из низколегированных сталей не является следствием проявления остаточных сварочных напряжений или несколько более высокой чувствительности к на­дрезу зоны термического влияния. Прочность определяется сте­пенью концентрации напряжений, вызываемой формой усиления шва. Когда степень концентраций мала (в результате механичес­кого удаления усиления шва или при обеспечении плавного пере­хода шва к основному металлу путем наложения шва с помищью аргонной Гирелки), то можно получить пределы выносливости сварных соединений, соизмеримые с пределом выносливости мало­углеродистой и низколегированной сталей [29, 112, 235] (см. табл. 8).

Испытания стыковых швов со снятым усилением показали, что зона термического влияния без надрезов не является сама по себе слабой под усталостными нагрузками [235]. Однако концентрация напряжений на кромке усиления шва влияет на зону термической обработки. Отсюда понятна важность определе­ния усталости этой зоны в условиях, когда она имеет надрезы. Теоретический коэффициент концентрации напряжений, опреде­ленный фотоупругим методом, составил у кромки соединения со стыковым швом аа = 2,75 (большое усиление) и а0 = 3,0 (малое усиление).

Применяя номограмму Нейбера, выбрали три профиля с надре­зами, чтобы получить коэффициенты аа — 1,5; 2,7 и 4,0 в образ­цах шириной 10 мм. Надрезы были глубиной 1,5 мм и радиусом соответственно 4; 0,76 и 0,26 мм с углом 45°. Вследствие наличия надрезов усталостная прочность сварных пластин из низколеги­рованной и мягкой сталей оказалась пониженной по сравнению с основным металлом.

По мере увеличения а0 значения усталостной прочности изде­лий из мягкой и низколегированной сталей сближаются (рис. 39). Кривые были экстраполированы за значение а0 4,0 для тоге, чтобы показать, что при aG > 5,0 (рис. 40) разница в усталостной прочности этих двух сортов стали становится меньше 3 кге/мм2.

Эффективным для повышения сопротивления усталости сты­ковых соединений низколегированной 16ГНМ и среднелегирован­ных 15ГН4М, 34ХМ, 40ХН сталей является сочетание механичес­кой зачистки усиления шва и термической обработки, применяе­мой для снятия сварочных остаточных напряжений и улучшения структуры металла околошовной зоны. В этом случае соединения, выполненные электрошлаковой сваркой, практически не уступают основному металлу [95, 118].

А. Е. Аснис с сотрудниками производил усталостные испытания стыковых соединений (сталь СтЗпс, б = 14 мм) при симметричном изгибе [4]. Автоматическую сварку производили под флюсом АН-348А проволокой Св-08А. Образцы после полного остывания дополнительно наплавляли продольными валиками при vCB = = 34 м/ч. Из результатов испытаний (рис. 41) следует, что отпуск при температуре 650° С не увеличивает предела выносливости. Для сравнения на рис. 41 приведены результаты испытаний таких же образцов, подвергнутых по границам ’швов аргоно-дуговой обработке [3]. Эта обработка позволила повысить предел вынос­ливости образцов на 75%. Авторы приходят к выводу, что в тех случаях, когда применяют отпуск для сварных конструкций из низкоуглеродистых или слаболегированных сталей (для умень­шения опасности хрупких разрушений или предотвращения не­желательных короблений), целесообразно не превышать темпера­туру в 520— 550° С.

В ряде других экспериментальных исследований, и в частности, на сферических сосудах давления, отпуск приводил к заметному положительному эффекту (см. гл. X).

Исключительно эффективно применение поверхностного пла­стического деформирования шва и околошовной зоны сварных со­единений, особенно для необработанной поверхности швов [56, 105, 124]. В результате этой обработки в поверхностных слоях металла наводятся благоприятные остаточные сжимающие напря­жения.

Поверхностный наклеп швов на крупных образцах из соедине­ний, выполненных электрошлаковой сваркой и не проходивших механической и термической обработки, повысил в 2 раза их пре­дел выносливости, который оказался равным пределу выносли­вости образцов основного металла [90].

Использование в соединениях кипящей стали вместо спокой­ной приводит к понижению сопротивления усталости соединений. Так, в работе [74] отмечается, что пределы выносливости в этом случае понизились на 14% для соединений, сваренных рутиловыми электродами, и на 21—25% для соединений, выполненных в угле­кислом газе.

Кроме того, кипящие стали обладают пониженным сопротивле­нием хрупким разрушениям и в связи с этим в ответственных кон­струкциях не применяются.

Исследованиями ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко и ИЭС им. Е. О. Патона была показана возможность применения полуспокой - ной стали в сварных конструкциях, работающих при переменных нагрузках. Результаты этих исследований послужили основанием действующих в настоящее время «Рекомендаций по расширению применения полуспокойной стали в промышленности и строитель­стве», утвержденных Госкомитетом по науке и технике.

В сварных кнструкциях следует, по-возможности, избегать пересечении швов. В. И. Труфяков в работе [171] показал, что у пластин стали М16С с пересекающимися поперечным и продоль­ным швами (рис. 42) предел выносливости на базе 107 циклов ниже на 29% (при симметричном цикле) и на 17% (при пульсирующем цикле ) по сравнению с пределом выносливости аналогичных пла­стин с поперечным стыковым швом.

Рис. 41. Кривые выносливости плоских образ-
цов:

I — исходное состояние; 2 — отпуск при тем-
пературе 650* С; 3 —- аргонодуговая сварка

Рис. 42. Пластина с пересекающимися швами
для испытания на усталость

81

Нахлесточные соединения с угловыми швами имеют сравни­тельно низкую усталостную прочность, что показано многочислен­ными исследованиями [41, 46, 47, 111, 171, 180, 221, 223, 235].

В отличие от стыковых нахлесточные соединения имеют более высокую концентрацию напряжений. Значения коэффициентов аа, полученных на фотоупругих моделях с одинаковой толщиной на­

рис. 43. Эскизы образцов соединений внахлестку дли испытания на усталость

Теоретические коэффициенты концентрации напряжений в нахлесточных соединениях с лобовыми швами Величина ас Форма углового шве (рис. 43, б) у кромки у корня Угол 30° . . 2,5 2,5 Угол 45° ... 3,5 3,5 Угол 45°, шов с непроваром 4,0 4,0 Угол 45°, шов с глубоким проваром Тангенциальный вогнутый профиль. 3,0 3,0 1,5 3,5 Нетангенциальный вогнутый профиль 3,0 4,0 Выпуклый профиль... 4,0 4,0

кладок и основной пластины и различной формой углового шва, приведены в табл. 11 [235].

Коэффициент концентрации напряжений аа у кромки наружной поверхности углового шва в зависимости от профиля шва изме­няется в пределах от 1,5 (для вогнутого профиля шва, расположен­ного по касательной к основному листу) до 4,5 (для выпуклого профиля).

В сводной табл. 12 даны значения предела выносливости для нахлесточных соединений при наличии лобовых или фланговых швов, а также комбинированных соединений с фланговыми и ло­бовыми швами различной формы шва и дополнительными после сварки обработками.

В табл. 13 указаны значения предела выносливости и коэффи­циента Ка для нахлесточных соединений стали М16С (рис. 44).

Размеры сварных швов, характер их расположения, а также геометрия соединяемых элементов существенно влияют на сопро­тивление усталости нахлесточных соединений. Анализ данных по­зволяет получить общее представление о сопротивлении усталост­ному разрушению нахлесточных соединений.

Большинство образцов, результаты испытания которых здесь рассматриваются, были изготовлены ручной дуговой сваркой. Наи­более низкая прочность отмечается для соединений с фланговыми швами [41, 47, 111, 171, 180, 221]. Разрушение таких соединений в большинстве происходит по концу шва. Механическая обра­ботка концов фланговых швов не приводит к существенному изме­нению прочности соединения [47] и ее применение нецелесооб­разно.

Прочность соединений с лобовыми швами несколько выше сое­динений с фланговыми швами. На сопротивление усталости свар­ных соединений влияет форма и размеры лобового шва [46, 47].

Введение пологих катетов угловых швов приводит к некоторому снижению концентрации напряжений [235] и повышению уста-

00

•е»

Результаты испытания на выносливость сварных нахлесточных соединений Марка стали Тип сварного нахлесточного соединения Вид нагрузки 1 і л q fe«s “ * 5 If в и 5 Предел выносли­вости, кгс/мм2 на базе циклов Источник 5 О Я а, я н £• ss| • я* •&ия •&SS sf 2-Ю' 5-Ю» 10’ СтЗ С лобовыми швами: соотношение катетов 1 : 2 а) Растяжение, Ra = +0,14 10,9 [46] механически обработанными (соотно­шение катетов 1 : 3) Ra =—1.0 R(j = +0,14 Ra =+0,5 6,0 11,3 17,0 механически обработанными при утолщенных накладках (соотноше­ние катетов 1 : 3,8} Ra — —1)0 Ra =+0,14 14.0 22.0 сваренными электродами УОНК-13/45 (соотношение катетов 1 : 3) выполненными сваркой под флюсом ОСЦ-45 (соотношение катетов 1 : 3) сваренными электродами УОНИ-13/45 и механически обработанными (соот­ношение катетов 1 : 2) Растяжение, Rc = —1,0 Ra ~ —1,0 Ra= -1,0 2,6 3,3 1,9 10.4 8,5 13.5 [47]

Продолжение табл. 12 Марка стали Тип сварного нахлесточного соединения Рис. 43 Вид нагрузки Эффективный коэф­фициент концентра­ции напряжений Ка Предел выносли­вости, кгс/мм2 на базе циклов Источник 2-Ю* 5-Ю* 10’ СтЗ С фланговыми швами сваренными электродами УОНИ-13/45 То же, с механически обработанны­ми швами С фланговыми и лобовыми (со сторо­ны привариваемого элемента) швами С фланговыми и лобовыми (со сторо­ны фасонки) швами ж) ж) з) Растяжение, Ra = +0,14 Ra~ +0,14 Ra h0,14 Ra = +0,14 Ra -0,5 3.5 3.2 2.2 2.5 2.5 —8 8,6 12 10.7 6.9 [47] ГО С лобовыми швами То же, отпуск при температуре 600е С, 2 ч С лобовыми швами, упрочненными бойком с помощью пневмомолотка д) Изгиб, 2 кгс/мм3 — оmax 10.5 10.5 16,9 Опыты ЦНИИТМАШа С фланговыми швами То же, отпуск при температуре 600° С, 2 ч С фланговыми швами, упрочненными бойком с помощью пневмомолотка е) Изгиб, 2 кгс/мм2-і-отах 10.5 10.5 13.2 СтЗ С лобовыми швами г) Растяжение, Rc= -1.0 Ro= 0 2,6 2,2 5,1 Ю,' [41]

Рис. 44. Эскизы образцов с лобовыми швами /*,ля испы-
тания на усталость

лостной прочности. Особенно эффективно применение пологих швов в сочетании с их механической обработкой [46, 47 ].

Так, Б. Н. Дучинский [47] достиг 100%-ного увеличения усталостной проч­ности сварных образцов путем шлифова­ния шва (1 : 3,8) до вогнутого профиля по сравнению с треугольным профилем (см. рис. 43, а). При этом предел вынос­ливости соединений с накладками, прива­ренными лобовыми швами, оказался на уровне предела выносливости пластин основного металла.

Однако практическое использование этих рекомендаций затруднено вследствие значительного увеличения ширины шва.

Кроме того, толщина накаладок была увеличена в 2 раза по сравне­нию с требуемой по условиям прочности. В этом случае пропадает основное преимущество сварного соединения с накладками — про­стота его изготовления. При оценке указанного метода повыше­ния несущей способности соединений целесообразно сопоставлять достигаемый прочностной эффект с затратами, вызванными до­полнительными операциями. Приварка накладок лобовыми швами на стыковое соединение не только не усиливает сварного соедине-

Таблида 13 Пределы выносливости сварных нахлесточных соединений из стали М16С при пульсирующем растяжении [46] Рис. 44 Тип образца Предел выносли­вости на базе 2-10» циклов кгс/мм2 % Из основного металла. . . 1.0 20,0 100 а) С фланговыми швами. . ... 3,0 6,7 33,5 б) С лобовыми швами (соотношение ка­тетов 1:1) ...................... 2,5 8,0 40,0 в) То же (соотношение катетов 1 : 2) 2,1 9,7 48,5 г) То же и механическая обработка швов 2,0 10,2 51,0 д) Соединение встык, усиленное наклад­ками с лобовыми швами. . . 2,1 9,7 48,5 е) С лобовыми швами при утолщенных накладках и механической обра­ботке швов (соотношение кате­тов 1 : 3,8) 1.0 20,0 100

ния, а, напротив, вызывает значительное понижение усталостной прочности (см. табл. 13). В комбинированных соединениях с флан­говыми и лобовыми швами, последние способствуют более благо­приятному распределению напряжений и повышению (на 34—50%) предела выносливости [41,47,180].

Вместе с тем при числе циклов до разрушения 2 • 10е предел выносливости пластин, сваренных комбинированными швами, составлял 30—45% от предела выносливости цельной пластины [47, 180].

Высокий отпуск, примененный после сварки, не изме­нил усталостной прочности нахлесточных соединений (см. табл. 12).

Отмечается [235] благоприятное влияние на усталость свар­ных соединений с лобовыми швами обработки поверхности шва с помощью аргонной горелки и сварного прутка из мягкой стали [235 ]. В этом случае в результате сглаживания профиля у кромки углового шва уменьшилась концентрация напряжений и усталост­ный излом сместился с кромки шва на корень. 1

Для нахлесточных соединений весьма эффективен поверхност­ный наклеп, после которого усталостная прочность возрастает на 26% для соединений с фланговыми швами и на 61 % - с лобовыми (см. рис. 43, д, е).

Несколько небольших серий испытаний образцов с фланговыми швами позволили получить сравнительные данные, показывающие влияние на сопротивление усталости соотношения ширины на­кладки (или расстояния между фланговыми швами) и длины шва (табл. 14).

Было испытано по три образца каждого типа при постоянной амплитуде напряжения 12,6 кгс/мм2 и пульсирующем растяжении на базе 2 • 106 циклов. При постоянном уровне переменного напря­жения и одинаковой толщине накладки увеличение длины шва ведет к заметному повышению числа циклов до разрушения [111, 221].

Таблица 14 Влияние ширины накладки и длины шва на усталостные характеристики сварного соединения с фланговыми швами (см. рис. 43, е) Ширина накладки В, мм Длина шва 1 мм 1/д Средняя долговечность при 103 циклах Источник 229 102 0,44 43 [111] 152 102 0,67 156 [111] 102 102 1,0 176 [111] 89 102 1,15 180 1221] 229 267 1,17 195 [111]

Рис. 45. Влияние толщины накладки на проч - ность соединений внахлестку с лобовыми

швами Л*

------------------------------------------- 30

При постоянной же длине шва долговечность сварных образцов возрастает с уменьшением ширины накладки. Для конструкторских J5 р азработок рекомендуется 1111,

221] отношение 1/В^ 1, однако 10 в этом предложении нет полной уверенности ввиду ограниченности ° данных, на котором основывается эта рекомендация.

Влияние толщины накладки на усталостную прочность соеди­нений с лобовыми швами [235] показано в табл. 12 и на рис. 45.

Использование в нахлесточных соединениях с угловыми швами, работающих при переменных нагрузках, низколегированной стали высокой прочности (либо термически обработанной кон­струкционной стали) в большинстве случаев не давало сущест­венного преимущества по сравнению с углеродистой конструк­ционной сталью [111].