Изысканием и совершенствованием методов повы­шения прочности сварных конструкций в нашей стране занимается ряд организаций: ИЭС им. Е. О. Патона, ЦНИИТМАШ, МВТУ им. Н. Э. Баумана, Институт металлургии им. А. А. Байкова, ЦНИИ МПС, Всесоюзный научно-исследовательский институт транспортного строительства (ЦНИИС), МИИТ, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, ЛИИ им. М. И. Калинина, НИИ мостов, Челябинский политехнический институт и др.

Этим вопросам большое внимание уделяется и за рубежом.

Известные способы повышения сопротивления усталости соеди­нений можно разбить на следующие основные четыре группы.

1. Конструкционные методы. Суть этих методов заключается в рациональном проектировании сварных конструкций, создании конструктивных форм, обеспечивающих максимальное устранение концентрации напряжений в соединениях и конструкциях.

2. Технологические методы, регулирующие остаточные напря­жения. В связи с неблагоприятным влиянием сварочных растяги­вающих остаточных напряжений на усталостную прочность соеди­нений во многих случаях возникает необходимость в снятии напря­жений или хотя бы в уменьшении их неблагоприятного проявления. Для этого используют различные технологические приемы, целью которых является наведение в наиболее опасных местах соедине­ний благоприятных сжимающих остаточных напряжений.

3. Специальные защитные методы. Эти методы основаны на на­несении защитных антикоррозионных покрытий.

4. Технологические методы, регулирующие состав и структуру зоны соединения. Технологическими приемами сварки (оптималь­ное проведение температурного цикла, рациональная последова­тельность выполнения сварочных операций, правильный подбор сварочных материалов, применение предварительного и сопут­ствующего подогрева и др.) можно существенно воздействовать на остаточную напряженность, состав и структуру зоны соединения, с тем чтобы достичь оптимальных значений прочности.

Концентрация напряжений является главной причиной, вы­зывающей резкое понижение прочности соединений по сравнению с основным металлом. Экспериментально показано, что при устра­нении концентрации напряжений можно добиться существенного повышения прочности соединений 187 , 88, 90, 114, 224, 228, 249, 261].

1. Механическая обработка швов фрезой, резцом или абра­зивным кругом, обеспечивающая плавное сопряжение шва и основ­ного металла, способствует устранению концентрации напряже­ний в соединениях и тем самым повышению их сопротивления усталости. Особенно эффективна механическая обработка для сты­ковых соединений, предел выносливости которых после механиче­ской обработки шва возрастает на 40 -60%, а в ряде случаев до­стигает уровня предела выносливости основного металла [29, 87, 88, 90, 112, 114, 124, 176, 228, 235, 261].

Так, по нашим опытным данным, образцы особо крупных раз­меров (сечением 200x200 и диаметром 150 и 200 мм), приготовлен­ные из кованых или литых плит сталей 22К и 35Л толщиной 250— 350 мм, выполненных электрошлаковой сваркой (с механически обработанными швами), равнопрочны по усталости аналогичным образцам основного металла прокатной стали 22К и литой стали 35Л [87, 88]. Механическая обработка швов соединений вна­хлестку, втавр и с присоединенными элементами менее эффек­тивна для повышения их прочности, чем для стыковых соеди­нений. Механическая обработка фланговых швов в нахлесточном соединении существенно не изменяет прочность соединения [121.

В нахлесточных соединениях с лобовыми швами было достиг­нуто 100%-ное увеличение прочности лишь в результате примене­ния дополнительных конструктивно-технологических приемов: использования пологих швов (соотношение катетов 1 : 3,8), уве­личения вдвое против расчетных норм толщины накладок и прида­ния шву вогнутого профиля при его шлифовании [46].

При весьма тщательной механической обработке мест перехода от шва к основному металлу в ряде случаев достигли существенного (на 58—93%) повышения предела выносливости при растяжении- сжатии тавровых соединений [15, 106). Вместе с тем зачистка шва абразивным кругом в соединении впритык повысила предел вы­носливости при симметричном изгибе лишь на 10% [86].

Известны случаи, когда механическая обработка поверхности шва даже несколько понижала выносливость соединения. Так, в ЦНИИТМАШе было показано, что крупные штуцерные соедине­ния (см. рис. 70) после отпуска при t = 620° С имели предел вы­носливости при изгибе 13,7 кгс/мм2 (на базе 10е циклов), в то время как после тщательной механической обработки после отпуска эти соединения имели предел выносливости 12,3 кгс/мм2, т. е. на 10% ниже [116]. В процессе механической обработки всей поверхности

швов, имевших после сварки выпуклые очертания, было придано швам очертание с плавными переходами от патрубка к пла­стине, что потребовало удаления большого количества на­плавленного металла. Поэтому обрабатывали в два этапа: вначале пневматическим зубилом, а затем тщательно шлифовали абразив­ным кругом на станке. Указанное снижение выносливости, видимо, следует объяснить наведенными в процессе шлифования растяги­вающими остаточными напряжениями.

После шлифования угловых швов в местах перехода к основ­ному металлу в элементах с поперечными и продольными ребрами (см. рис. 66, л, м, н) предел выносливости соединений повысился только на И-—20%. Эффективно используют механическую обра­ботку угловых швов на конце обрываемого дополнительного пояс­ного листа в сварных пролетных строениях железнодорожных мостов [21] и в элементах тележек подвижного состава [56].

Швы в сварных изделиях обрабатывают либо на станочном оборудовании, либо вручную шлифовальными кругами или пнев­матическим зубилом, а в ряде случаев изготовляют для этой цели специальное оборудование.

Так, например, потребовалось специальное станочное обору­дование при обработке поверхности электрошлаковых швов в свар­ных пластинах (длиной до 30 м и массой более 100 т) рамной кон­струкции штамповочного гидравлического пресса усилием 75 000 т. На заводах химического машиностроения используют фрезерный трактор [58 ] для снятия усиления с внутренних продольных швов обечаек диаметром от 2400 мм и более.

Механическую обработку швов в сварных конструкциях ши­роко применяют в машиностроении, судостроении, в мостострое­нии и многих других отраслях промышленности.

2. Рациональное проектирование сварных конструкций. Сле­дует придавать важное значение конструктивному оформлению сварных соединений. В этой связи с целью повышения усталости сварных конструкций могут быть использованы следующие меры.

Податливость сопрягаемых элементов. Эксперименты и дли­тельные наблюдения за сварными рамными конструкциями подвиж­ного состава в эксплуатации позволили установить, что имеется определенная связь между прочностью и податливостью соедине­ния [12].

Удачное конструктивное решение узлов сварной конструкции позволяет в ряде случаев значительно повысить их прочность. Так, в продольных балках рам тележек электровоза, характери­зующихся резким перепадом жесткости на сравнительно неболь­шой длине, увеличение длины участка с меньшей жесткостью с 210 до 860 мм привело к повышению предела выносливости на 50% [12]. В [работе, проведенной в МИИТе, при испытании рам тележек прицепного вагона дизель-поезда были получены значения предела выносливости а_, = 2,8 ^-4 кгс/мм2 [12]. В указанной конструкции имело место резкое изменение

жесткостей продольной балки на небольшой длине, что и обусло­вило значительную концентрацию напряжений.

В измененной конструкции балки (уменьшили отношение мо­ментов инерции до 1,06 раза) предел выносливости повысился и составил о л = 6,3 кгс/мм2.

О благоприятном влиянии податливости на прочность конструк­ции свидетельствуют результаты исследований, проведенных в ЦНИИТМАШе на крупных сварных композитных газотурбин­ных роторах [89] Результаты испытания на усталость пяти моде­лей ротора (диаметром 245/220 мм), имевших резкие концентра­торы напряжений в подкорневой полости шва и выполненных с меньшей податливостью сопрягаемых элементов (см. рис. 102, а), показали, что они имеют небольшие разрушающие напряжения 3,4—5,1 кгс/мм2 при долговечности 1,8 10е—2-Ю7 циклов.

Модели ротора с большей податливостью сопрягаемых элемен­тов и сварными стыками без подкорневой полости (см. рис. 102, б и 104) обладали наибольшей выносливостью. Так, один образец разрушился при о = 12 кгс/мм2 по разнородному шву после 0,7 млн. циклов. До этого образец выдержал без повреждения 50 млн. циклов при напряжениях в разнородном шве а = 3,4; 6,5; 8 и 10 кгс/мм2. Второй образец выдержал без повреждения 40 млн. циклов при напряжениях в разнородном шве о = 3,4; 6,5 и 8 кгс/мм2 и разрушился по разнородному шву при о = 10 кгс/мм2 после 4,7 млн. циклов.

Различная конструкция прикрепления дополнительного пояс­ного листа в сварных балках. При использовании рациональной формы окончания поясного листа, различных расположений швов, скоса в поясных листах и механической обработки швов можно добиться существенного повышения прочности сварных балок (табл. 26; 27 и рис. 68 и 69) [20, 21, 156, 249].

Конструкция корневой части шва в односторонних стыковых соединениях. На прочность односторонних стыковых соединений решающее влияние оказывает качество выполнения корневой зоны шва. Концентрация напряжений в этой зоне соединения может быть весьма значительной при отсутствии проплавления корневой зоны шва, неблагоприятной его форме и наличии дефектов сварки. Конструктивно-технологические недостатки в выполнении корне­вой зоны шва в односторонних соединениях значительно снижают прочность [55, 257].

Наиболее высокой прочности односторонних соединений (в ряде случаев приближающейся к прочности основного металла) можно достигнуть при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом с плавящейся вставкой и при аргонодуговой сварке вольфрамовым электродом с подкладным кольцом и нанесенным керамическим слоем или подкладкой из песка [89, 207, 241, 257, 259].

Сварные соединения с конструктивным непроваром. Усталость соединений втавр в значительной степени зависит от глубины проплавления соединяемых элементов. Технологический непровар

15 И. В. Кудрявцев

ь корневой части шва резко снижает сопротивление усталости соединения. Поэтому обычно дляснижения коэффициента концен­трации напряжений в корневой зоне шва стремятся к созданию сквозного проплавления. Вместе с тем для полного проплавления при больших толщинах металла (^100 мм) возникают трудности в получении качественного шва. Кроме того, при сварке могут визникать большие деформации в связи со значительным в этом случае объемом наплавленного металла. Могут также иметь место случайные непровары, понижающие работоспособность соедине­ния.

Поэтому в соединениях большой толщины (втавр, а также и сварных штуцерных узлах) рационально применение частичного скоса кромок с сохранением непроваренной щели, отрицательное влияние которой может быть скомпенсировано некоторым увели­чением усиления шва. Заранее предусмотренный конструктивный непровар (непроваренная щель, достигающая V2—V3 толщины элемента) облегчает качественное выполнение шва и учитывается при расчесах на прочность.

По выполненным в ЦНИИТМАШе исследованиям предел вы­носливости тавровых соединений (из листа толщиной 40 мм) с не­проваренной щелью, составляющей V 2 толщины элемента, при симметричном изгибе на базе 10е циклов составил = = 12,8 кгс/мм2, в то время как для аналогичных моделей со сквоз­ным проплавлением а_г — 9,8 кгс/мм2. Наиболее несущей способ­ностью при плоском изгибе обладали модели штуцеров с трубами, вваренными с двух сторон в пластину толщиной 115 мм (см. рис. 70) без проплавления в средней части на величину 1/3 и V2 от толщины пластины. Прочность указанных моделей штуцеров оказалась на 22—40% выше прочности моделей с приварными двусторон­ними штуцерами (табл. 30) [116].

Вместе с тем, конструктивный непровар в стыковом соединении существенно влияет на сопротивление усталости не только при переменном растяжении, но и при переменном изгибе. При нали­чии конструктивного непровара, составляющего 40% толщины элемента, прочность стыкового соединения из стали 0Х12НДЛ толщиной 50 мм при симметричном изгибе на базе 107 циклов понизилась на 70—75% [57].

В данном случае усиление шва было снято, и непровар (моде­лирующий соединение лопасти к выступам, так называемым «пень­кам» обода рабочего колеса гидротурбины) оказал влияние на со­противление усталости как концентратор напряжений.

Другие конструктивные меры. В сварных конструкциях сле­дует избегать деталей и узлов, вызывающих значительную кон­центрацию напряжений и неблагоприятное распределение напря­жений. Сварные швы не следует располагать в наиболее напряжен­ных участках конструкции.

В сварных конструкциях следует шире применять стыковые соединения, обладающие наибольшей прочностью при перемен - пых нагрузках. Совершенно нецелесообразно использовать для усиления стыкового шва дополнительные накладки, так как при таком «усилении» прочность стыкового соединения очень сильно падает [112]. Следует также по-возможности избегать пересечения поперечного стыкового шва продольным швом. Наличие на пла­стине из стали М16С пересечения поперечного шва продольным вызывало понижение предела выносливости при 107 циклов на 29% (при симметричном цикле) и на 17% (при пульсирующем цикле) по сравнению с пластинами, имеющими только поперечный стыковый шов [171]. балки коробчатого сечения, содержащие пересечения стыковых швов (на полке или на стенках) с угловыми швами, имеют пределы выносливости при изгибе на базе 2 • 106 цик­лов на 11—16% ниже, чем у балок без пересечения швов [119].

Следует избегать применения прерывистых швов в элементах, испытывающих значительные переменные напряжения. Так, пре­дел выносливости сварных двутавровых балок из стали СтЗ с пре­рывистыми швами на 15—18% ниже, чем балок со сплошными швами [119].

При проектировании сварных конструкций, подвергающихся воздействию переменных нагрузок, следует по-возможности пре­дусматривать выполнение сварки в нижнем положении.

Следует избегать приварки каких-либо вспомогательных дета­лей к элементам, работающим при переменных напряжениях.

Деконцентр шпоры напряжений. Устройство искусственных деконцентраторов в виде выкружек и отверстий в местах образо­вания высокой концентрации напряжений, вызванной сваркой (около начала и конца шва, в местах пересечения швов и т. д.) (см. рис. 66, у, рис. 88, д), в некоторых случаях приносят заметную пользу [119, 267]. Деконцентраторы напряжений для этой цели используют в отечественной авиационной промышленности, в также в промышленности США, ФРГ и других стран.