СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ vtiii НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ БАЛОЧНОГО И РАМНОГО ТИПА
Все более широкое использование находят сварные соединения в балочных и рамных металлоконструкциях мостовых подъемных кранов, судов, дизелей, тележек подвижного состава, автомобилей, сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин и других объектов. Изучение прочности этих объектов представляет значительный практический интерес.
Элементы сварных металлоконструкций двутаврового, коробчатого, корытообразного, а также специального профиля формируются из листового и профильного металла или штампованных листовых заготовок. В этих сварных конструкциях находят применение сплошные, прерывистые и точечные швы, выполняемые ручной дуговой сваркой, автоматической сваркой под флюсом и в защитной среде углекислого газа.
ЭЛЕМЕНТЫ СО СПЛОШНЫМИ И ПРЕРЫВИСТЫМИ ШВАМИ
Двутавровые сварные балки постоянного (рис. 84, а) и ступенчатого (рис. 84, б, в) профилей, моделирующие пролетные и концевые балки мостовых кранов, испытывали на усталость на машине типа УП-50 по симметричному циклу при изгибе на базе 2-10® циклов [119]. Материал балок — горячекатаная сталь СтЗсп толщиной 6 мм; содержание элементов (%): 0,14 С; 0,49 Мп; 0,17 Si; 0,027 S; 0,018 Р; 0,05 Сг; 0,06 Ni; 0,12 Си. Механические свойства стали от = 28 кгс/мм2; ав = 42 кгс/мм2; 6 = 35%.
Пределы выносливости балок двутаврового сечения со сплошными швами составляют 13,5—16,5 кгс/мм2 и практически не уступают пределам выносливости балок составного сечения (табл. 38). Усталостная прочность балок с прерывистыми швами на 15—18% ниже, чем со сплошными (серии № 3 и 2). После поверхностного упрочнения начала и конца прерывистых швов перед выносливости балок возрос с 11,5 до 13,5 кгс/мм2 (серия № 4), а усталостные трещины в большинстве случаев проходили по шву.
Результаты испытаний на усталость сварных балок двутаврового сечения [119]
|
В ступенчатых балках высота сечения По длине увеличивается с/г 70 до Я = 116 мм (рис. 84, б) и с h би до Я 120 мм (рис. 84, в). Величину коэффициента концентрации напряжений в зоне перехода от одного сечения балки к другому определяли из отношений геометрических параметров /г/Я и R/h (R — 30 мм — радиус скруглення внешнего пояса балки), которые составили соответственно 0,6 и 0,43. Отношения моментов инерции в месте
J' 294
изменения сечения балок составили-т - ~ - gg - = 3,7 (рис. 84. б) и
Ц-=-Ц-=5 (рис - 84> о)
J X
Резкое изменение жесткости сечений балок на небольшой длине вызывает значительную концентрацию напряжений в сварных поясных швах в зоне криволинейного сопряжения. Так, для ступенчатых балок (рис. 84, б) Ка— 1,5-=-1,9 (см. табл. 38) [123].
Результаты испытаний сварных ступенчатых балок двутаврового сечения (рис. 84, б) свидетельствуют о высокой эффективности поверхностного наклепа швов, повышающего сопротивление уста лости балок в местах большой концентрации напряжений.
Пределы выносливости балок с двусторонними швами, сваренных электродами ДМ-7, повысились на 25—35% (серии № 7 и 8), а для балок, выполненных сваркой в среде С02, — до 40% (серия № 10) по сравнению с пределом выносливости балок с неупроч - ненными швами. В еще большей степени, чем сопротивление усталости, повышается долговечность балок. Так, балка, сваренная в среде С02 в исходном состоянии при а 9 кгс/мм2, выдержала до разрушения N — 2,7- 10б циклов, а после поверхностного упрочнения швов (при том же напряжении) до появления усталостной трещины — 6,4-106 циклов, т. е. в 24 раза больше (рис. 85, б). Для других уровней напряжений долговечность повысилась в 6—9 раз.
Стыковые соединения балок часто используют в элементах сварных мостовых, крановых и других конструкций. Стыки балок выполняют нескольких видов: в одной плоскости, со смещением, с применением отверстий (для получения доброкачественных швов) и без отверстий. Стыки можно сваривать как в заводских, так и в монтажных условиях.
Конструкция стыка существенно влияет на сопротивление усталости балок. Исследовано влияние различных типов стыков балок с целью изыскания наилучших решений, обеспечивающих наибольшую усталостную прочность балок [249, 275].
В работе [249] рассмотрено влияние конструкции сварного стыка на прочность балок из стали ASTM А373 (0,21% С; ав = = 59 кгс/мм2) двутаврового сечения (высотой 300 мм) при изгибе по пульсирующему циклу на базе 2-10® циклов (табл. 39). Стыки балок (тип А, В, D и Е) могут быть осуществлены как в заводских условиях, так и на месте монтажа. Стык типа С применим только для выполнения в заводских условиях. Стык этого типа, в котором
I >— серии испытаний № 5 и 9; // — серия № 6; III — серии № 7 и 10;
IV — серия № 8
сварные швы расположены только на полках, обладает наибольшей усталостной прочностью. Прочность такого соединения почти такая же, как и для поперечных стыковых швов в гладких пластинчатых образцах, нагруженных в осевом направлении.
Образцы типа F, не являющиеся стыковым соединением, испытывали лишь для того, чтобы показать роль самих отверстий без наложения влияния стыковых швов.
Таблица 39
Усталостная прочность балок со сварными стыковыми швами
из стали ASTM А373 (0,21% С; ов — 59 кгс/мм2) [249]
Рис. 86. Сварные дву тавровые балки для испытания на вынос* ливост» с различной формой монтажного стыка:
а — общий стык;
6 — Z образный стык
В работе [275] оценивается прочность при переменных нагрузках сварных двутавровых балок с несущими монтажными стыками различной формы: общий (рис. 86, а) и Z-образный стык (рис. 86, б), выполняемые сваркой в среде С02 (рис. 86). Результаты испытания
балок при изгибе с коэффициентом асимметрии Ra = 0mln 0,2
°max
на пульсаторе ZRM ЮОРи приведены в табл. 40.
Результаты усталостных испытаний двутавровых балок
с монтажными сварными стыками [275]
Таблица 40
|
Рис. 87. Сопоставление изгибной уста-
лостной прочности (при = 0,2) дву-
тавровых балок с различными формами
монтажного стыка. Общий стык:
/— ручная дуговая сварка [249]; 2 — сварка в среде С02 [275]; Z-образный стык; 3 — ручная дуговая сварка [249]; 4— то же [270]; б—сварка в среде С02 [275]
Результаты испытания на усталость заводских и монтажных стыков двутавровых балок указывают на целесообразность использования Z-образного стыка [249, 270, 275]. Сопоставленные экспериментальные данные (рис. 87) также показали, что исследованные стыки балок, сваренные в среде С02, имели большее сопротивление усталости, чем аналогичные стыки, выполненные ручной дуговой сваркой.
Данные исследований Института электросварки им. Е. О. Пато - на [169, 186] и НИИ Мостов, а также практика проектирования и изготовления сварных металлоконструкций мостов в нашей стране показали, что наиболее предпочтительной является конструкция стыка со вставками.
Сварные балки коробчатого сечения постоянного (рис. 88, а) и ступенчатого (рис. 88, б) профилей моделируют пролетные и концевые балки мостовых крапов. Материал балок, методика испытаний, режимы и технология сварки были такие же, как и для рассмотренных выше двутавровых балок [119, 123].
Пределы выносливости балок коробчатого сечения с односторонними швами, выполненными в среде С02, составили 9,5--
14,5 кгс/мм2 (серия № 2, табл. 41). Верхняя граница зоны рассеяния опытных данных для этой серии соответствует положению кривой усталости для балок составного сечения без сварки в рабочей части (серия № 1). При расположении начала или конца шва в зоне высоких рабочих напряжений сопротивление усталости соединений снижалось на 30% (серия № 3), а усталостные трещины образовывались от конца шва (рис. 89).
Подрезы и поры (одиночные и в виде цепочки) в балках с односторонними угловыми швами, сваренных в среде С02, привели к снижению сопротивления усталости на 30% (серии № 4 и 5). К еще большему (на 42%) снижению прочности приводят прожоги (серия № 6). Из намеренно созданных прожогов различных размеров наименьшими (критическими), которые приводили к усталостным повреждениям, оказались прожоги размером 2x7 мм.
Технологические приемы: сварка швов катетом 6 мм в среде СОа «в угол» на основном и форсированном режимах и «е лодочку»,
Рис 89. Расположение усталостных трещин в балках коробчатого сечения: с — трещины от конца швов: тип I — одиночный рабочий шов; типы II — IV— швы, расположенные с зазором; тип V — швы без зазора (трещина в зоне стыковки швов); тип VI — соединитель - т. ый шов в захватной части балки составного сечения; б — трещины: тип VII — по рабочей части; тип VIII — ст галтельного сопряжения полки; тип IX — по полке в захватной части; 1 — основной рабочий шов катетом 6 мм; 2 — соединительный шов катетом 4 мм
Результаты испытания на усталость сварных балок
коробчатого сечения [119]
№ серин |
Тип коробчатой балки |
Способ сварки |
Предел выносливости, кге/мм2 (на базе 2*10® циклов) |
1 |
Составная (рис. 88, а) |
Без сварки |
14,0 |
2 |
Постоянного сечения с односторонними швами каїетом 6 мм (рис. 88, а) |
Полуавтоматическая в среде СОа |
9,5—14,5 |
3 |
То же, с началом и концом шва в рабочей части |
7,5 |
|
4 |
То же, дефекты в виде подреза |
7,5 |
|
5 |
То же, дефекты в виде пор |
7,5 |
|
6 |
То же, дефекты в виде прожога |
5,5 |
|
7 |
То же, швы сварены «в лодочку» |
9,5 |
|
8 |
То же, швы выполнены по форсированному режиму |
9,5 |
|
9 |
То же, с дополнительным двусторонним стыковым швом на полке (рис. 88, б) |
8,0 |
|
10 |
То же, с дополнительными двусторонними стыковыми швами на стенках (рис. 88, в) |
8,5 |
|
11 |
То же, с дополнительными двусторонними стыковыми шва^ ми на стенках и с выкруж ками (рис. 88, г) |
7,5 |
|
12 |
Постоянного сечения с односторонними швами катетом 4 мм (рис. 88, а) |
9,5 |
|
13 |
Постоянного сечения (А = = 100 мм) с односторонними швами катетом 6 мм (рис. 88, а) |
8,5—11,5 |
|
14 |
Постоянного сечения с односторонними швами катетом 6 мм (рис. 88, а) |
Автоматическая под флюсом |
9,5 |
15 |
То же |
Ручная электродами ЦМ-7 |
9,5 |
11 И. В. Кудрявцев |
161 |
№ серии |
Тип коробчатой балки |
Способ сварки |
Предел выносливое 1-й, кгс/ммг (на базе 2-Ю» циклов) |
16 |
Коробчатая ступенчатого сечения с односторонними швами катетом 6 мм (рис. 88, е) |
Полуавтоматическая сварка в среде СОа |
7,5 |
17 |
То же |
9,5* |
|
18 |
То же, с дефектами сварки |
5,0 * |
|
19 |
Ступенчатого сечения с односторонними швами катетом 6 мм (рис. 88, е) |
6,5 ** |
|
20 |
То же |
Ручная электродами ЦМ-7 |
7,5 |
21 |
То же, с дефектами сварки |
6,0 * |
|
22 |
Ступенчатого сечения с односторонними швами катетом 6 мм (рис. 88, ё) * Швы упрочнены пучком проволс ** Отпуск при температуре 620° С, |
)КИ. 3 ч. |
6,5** |
а также сварка швов катетом 4 мм на основном режиме (серии № 2, 7, 8, 12) не изменили сопротивления усталости сварных балок. Пределы выносливости для всех случаев составили 9,5 кгс/мм2.
Предел выносливости балок (серия № 9) с односторонними угловыми швами и двусторонним стыковым швом на полке (см. рис. 88, б) оказался на 16% ниже, чем у балок с угловыми швами, но без стыкового шва. Усталостные трещины у большинства балок начинались по границе стыкового шва с наружной стороны полки, затем проходили по последней и далее переходили на стенку. Сочетание двусторонних стыковых швов на стенках балок коробчатого сечения с односторонними угловыми швами (см. рис. 88, в) снизило сопротивление усталости на 11% (серия № 10). Усталостные трещины возникали поперек углового шва по линии сплавления или на расстоянии 4—8 мм от линии сплавления стыкового шва, а затем переходили на полку и стенки. Только в одном случае излом произошел на расстоянии 70 мм от стыкового шва.
Выполнение фрезерованием выкружек на стенках (см. рис. 88, г) для исключения места пересечения швов не повысило усталостной прочности балок (серия № 11). Более того, предел выносливости у этих балок оказался более низким, чем у балок со стыковыми швами без выкружек. Объясняется это тем, что сварку угловых швов начинали и заканчивали у краев выкружки и усталостные трещины возникали в местах начала и конца углового шва, как и в балках серии № 3 (см. рис. 88).
Предварительные эксперименты показали, что повысить прочность соединении можно созданием деконцентратора, т. е. высвер - ловкой отверстий в стенках балки в месте пересечения швов, а также в зоне конца шва (см. рис. 88, д).
Сопоставление результатов усталостных испытаний балок, сваренных различными способами, показывает, что долговечность балок, выполненных в среде СОа и под флюсом, выше, чем балок, сваренных электродами ЦМ-7 при почти одинаковом минимальном пределе выносливости (около 9,5 кгс/мм2) на базе 2-10® циклов (серии № 2, 14, 15).
Результаты анализа (табл. 42) усталостных повреждений сварных и составных балок коробчатого сечения показывают, что значительное число случаев (43 излома) приходится на конец углового
Таблица 42 Частота разрушений балок коробчатого сечения
|
шва (изломы типа I—VI, см. рис. 89). В 57 случаях изломы происходили от шва по средней части балки (тип VII), от галтельного перехода балки (тип VIII) и по полке в зонах защемления балки в машине (тип IX).
Предел выносливости ступенчатых балок коробчатого сечения (см. рис. 88, е) с поверхностно упрочненными односторонними швами, выполненными в среде С02, по сравнению с исходным состоянием ПОВЫСИЛСЯ на 27% (серия № 17).
В 29 ступенчатых балках коробчатого сечения с односторонними угловыми швами из 78 при изготовлении были допущены сварочные дефекты. При анализе усталостных изломов этих балок на криволинейном участке сопряжения выявились несплавления металла шва с металлом стенки, цепочки пор, одиночные крупные поры и протеки наплавленного металла.
Допущенные при изготовлении балок сварочные дефекты привели к существенному снижению усталостной прочности балок (серии № 18 и 21).
Указанные выше сварочные дефекты являются настолько опасными, что даже поверхностная упрочняющая обработка швов не восстанавливает и не повышает прочности соединений.
Интерес представляют' результаты исследования сопротивления усталости сварных коробчатых балок применительно к рамным конструкциям тележек подвижного состава [236]. Балки, изготовленные из трех разных сортов низкоуглеродистой стали (табл. 43), для сравнения сваривали двумя методами — обычным, г. е. из полок и стенок, и из штампованных корыт (рис. 90). Изучали влияние размера балок (табл. 44), техно-
Рис. 90. Типы профилей испытуе-
мых балок
логии сьарки и концентрации напряжений при испытании пло - ским переменным изгибом (табл. 45).
На основании проведенных исследований авторы отдают предпочтение корытообразным балкам, так как в них отсутствуют швы между полкой и стенкой, в которых выше вероятность непровара.
Из исследованных сталей авторы считают сталь 411458 наиболее подходящей для ответственных динамически нагруженных конструкций, в особенности, если предполагается эксплуатация в условиях низких температур.
Сварные узлы рамных конструкций. Опыты [10] позволяют дать сравнительную оценку усталостной прочности различных конструкций узла соединения лонжерона с поперечными элементами рамы автомобиля или прицепа (рис. 91). Узлы, выполненные из швеллера 155x58x5 мм, длиной 800 мм электродами УОНИ-13/45, испытывали при симметричном изгибе. Наиболее неблагоприятным с точки зрения усталости оказался вариант
Таблица 45 Пределы выносливости балок коробчатых профилей [236]
Обозначения: Г — гладкая полка; О — отверстие в полке диаметром d =* = 0,33; X и V — вид стыкового шва в полке. |
конструкции с приваркой косынки на полку швеллера лобовыми и флаговыми швами. Предел выносливости в этом случае понизился на 70% (табл. 46) по сравнению с исходным швеллером. Наилучшие результаты получены для узла с продольным расположением шва по кромке швеллера и при кольцевой обварке. И все-таки, сопротивление усталости сварных узлов оказывается на 32—34% ниже сопротивления усталости самого швеллера В этом случае весьма эффективным для повышения прочности узлов является поверхностное упрочнение наклепом опасных зон шва и околошовной зоны. Опыты ЦНИИТМАШа показали, что неблагоприятный эффект, вызываемый приваркой на швеллер накладок поперечными швами, полностью устраняется применением поверхностного наклепа. Для швеллеров с накладками, приваренными продольными швами, поверхностное упрочнение не устранило полностью неблагоприятного эффекта накладок, однако весьма значительно (более чем на 75%) повысило предел выносливости швеллеров.
Сварные профили специальной формы. На элементах сварных судостроительных конструкций, состоящих из угольника 80 X
Таблица 46 Результаты испытаний на усталость соединений рамного типа [101
|
Рис. 92. Сварные элементы для иены
танин на выносливость с различ
ными типами угловых швов:
а — двусторонний сплошной с катетом 5 мм; б — односторонний сплошной с катетом 5 мм (со стороны острого ребра угольника); в — односторонний сплошной с катетом 5 мм (со стороны закругления ребра угольника); г — двусторонний прерывистый (цепное расположение — 4-40/120*; 4-75/150; 6-75/150; д — односторонний прерывистый (шахматное расположение — 4-40Z120; 4-75Z150; 6-75Z150; * первой цифрой обозначен катет шва, далее длина и шаг шва)
Рис. 93. Поперечное сечение образцов с прерывистыми швами, различных типов для испытания на выносливость |
К 55x8 мм и листа сечением 150x8 мм (рис. 92) из стали MS14 исследовано 1255] влияние различных типов сварных угловых швов на прочность соединений. Сварку выполняли электродами EsIXs. Испытания проводили на базе 107 циклов при знакопостоянном изгибе R„ —П11~ ■ = 0,24 на 100-тонном пульсаторе.
0тах
Получены следующие значения предела выносливости аг, кге/мм2:
Швы сплошные двусторонние (тип а) и односторонние (тип б
и в — без прихваток) . . .......................................... 21—23
Швы сплошные односторонние (тип бив — с прихватками) 18—19
Швы прерывистые двусторонние (тип г — шахматное расположение) 13—16
Швы прерывистые односторонние переменные (тип д — цепное расположение) ... . .... 6—9
Изучено влияние прерывистых односторонних швов, сваренных под флюсом, на образцах, представляющих собой характерное для судостроения соединение из листового и профильного (80x40x8) металла [234]. Длинную сторону угольника (рис. 93) приваривали различного типа швами к поясу. Сварные образцы
испытывали на 100-тонном пульсаторе на изгиб знакопостоянной нагрузкой при Ra = а-1п = 0,3. Расстояние между опорами
Ощах
1200 мм.
Для образцов с различными типами швов установлены следующие пределы выносливости ог, кгс/мм2:
Шов прерывистый односторонний 4-75/150 Шов прерывистый шахматный 4-75Z150 Шов прерывистый односторонний 4-50/200
Из сопоставления данных работ [234, 255 ] видно благоприятное влияние на усталостную прочность образцов, сваренных шахматным швом 4-75Z150 сварки под флюсом по сравнению с ручной дуговой. Эго относится к прерывистым швам как обладающим увеличенной глубиной проплавления и более благоприятной остаточной напряженностью. Однако в других случаях, как показали исследования Института электросварки им. Е. О. Патона и ЦНИИТМАШа [11У], доброкачественные соединения, выполненные автоматической и ручной сваркой, имеют практически одинаковую выносливость.
Прочность односторонних прерывистых швов 4-75/150 соответствует 17,5—18,5 кгс/мм2 и находится на уровне прочности односторонних сплошных швов, сваренных вручную и имевших с противоположной стороны прихватки (ог — 18-ь 19 кгс/мм2). Значения пределов выносливости при этом получаются в 2—3 раза больше, чем для цепных швов [255 [.
Показано, что шов с размерами 4-75/150 оказывается более приемлемым; швы с большими расстояниями между отдельными участками прерывистого шва следует применять с осторожностью, так как предел выносливости образцов со швами 4-50/200 существенно понизился.
В работе [255 ] рекомендуют использовать сварку под флюсом прерывистыми односторонними швами (на палубе, перегородках и надстройках) взамен применявшихся ранее односторонних швов.