1. Термическая обработка. Многие конструкции из малоугле­родистых и низколегированных сталей после сварки подвергают высокому отпуску. Обычно высокий отпуск применяют для сниже­ния деформации конструкций в процессе их механической обра­ботки, вылеживания и эксплуатации, а также для повышения ра­ботоспособности конструкций при переменных нагрузках.

Еще 10—15 лет назад в отдельных работах выражали сомнения о влиянии остаточных напряжений на прочность сварных соеди­нений. Однако сейчас не существует сомнений в их значитель­ном влиянии [9] [48 , 49, 82 , 85, 98, 146, 169, 172, 174, 187].

Наиболее надежным методом снижения остаточных напряже­ний в сварных изделиях является высокий отпуск. Отпуск может оказывать как положительное, так и отрицательное воздействие на сопротивление усталости соединений, поскольку эффективность определяется результирующим влиянием двух факторов: сниже­нием вызванных сваркой остаточных напряжений и разупрочне­нием металла шва и околошовной зоны. Поэтому отпуск не во всех случаях может являться средством повышения прочности соедине­ний [30, 31, 127].

В одних случаях отпуск может повысить сопротивление уста­лости, а в других является бесполезным или даже приводит к сни­жению его [81 ].

Применение высокого отпуска для стыковых соединений стали 22К с необработанными швами, выполненными электрошлаковой и ручной дуговой сваркой, привело к повышению предела выносли­вости при симметричном изгибе (на образцах толщиной 50 и 65 мм) на 30—55% [90, 114]. Большое повышение выносливости (на 70—100%) было достигнуто при симметричном изгибе пластин из стали 14Г2 и М16С, в которых дополнительно к стыковому попе­речному шву наплавляли продольные валики для создания значи­тельных остаточных напряжений [171, 174].

Представляют интерес проведенные в ИЭС им. Е. О. Патона исследования подобных образцов из стали 14Г2 с пересекающимися швами, позволившие установить области рационального примене­ния высокого отпуска в зависимости от характеристики цикла переменных напряжений. Как видно из результатов указанных исследований (рис. 138), при симметричном цикле (Rc = —1) большим сопротивлением усталости обладают образцы, прошедшие высокий отпуск. При пульсирующем цикле (Ra = 0) выносливость тех или иных образцов практически одинакова, а при асимметрич­ном цикле (Ro = 0,3) образцы в состоянии после отпуска имели несколько меньшую выносливость, чем исходные образцы.

Высокий отпуск повышал прочность и других видов соедине­ний: крупных моделей приварного двустороннего штуцера на 49% [116]; балок из стали СтЗ коробчатого сечения, сваренных электрозаклепками в среде СОа — на 96% [121]; трубы с трубной доской на 12% [116].

Сопротивление усталости при знакопостоянном растяжении швеллеров с накладками, приваренными фланговыми швами, после отпуска повысилось на 45% (опыты ЦНИИТМАШа).

Высокий отпуск не привел к изменению прочности образцов с повышенной концентрацией напряжений — соединений внахле­стку как с лобовыми, так и фланговыми швами и валиков с при­варенными втулками.

Известны примеры понижения прочности соединений в резуль­тате применения высокого отпуска. Например, при симметричном изгибе балок из стали СтЗ двутаврового и коробчатого сечений после отпуска предел выносливости понизился на 10—13% [122].

Понижение прочности после отпуска происходило для нахле - сточных соединений швеллеров с фланговыми швами (рис. 139) при пульсирующем цикле напряжений [174].

Усталостные испытания в ВНР двенадцати продольных свар­ных балок тележек дизель-поезда (шесть балок в исходном состоя­нии и шесть балок подвергнуты высокому отпуску) на стенде, обо­рудованном гидроцилиндрами, показали, что балки без термиче­ской обработки при одинаковых нагрузках выдержали несколько большее число циклов, чем балки после высокого отпуска [74].

Испытания на усталость пластин из стали Юкп и СтЗ с попереч­ным швом, имитирующих узел приварки фланца к колену ресивера тепловозного двигателя, показали, что отпуск после сварки понизил предел выносливости [129]. Предел выносливости валиков с про­дольной двусторонней наплавкой после отпуска понизился на 20%.

Вопрос о целесообразности высокого отпуска следует решать с учетом формы конструкции, технологии сварки, характера распределения остаточных напряжений и условий эксплуатации.

Применение высокого отпуска для снятия остаточных напряже­ний в конструкциях из малоуглеродистых и низколегированных сталей с целью повышения их выносливости целесообразно лишь в тех случаях, когда можно ожидать значительного влияния оста­точных напряжений на прочность (при высокой концентрации напряжений, в случае объемного напряженного состояния).

Сварочные остаточные напряжения практически не влияют на циклическую прочность элементов, изготовленных из вязких ма­териалов, если в конструкции отсутствуют конструктивные и тех-
гологические концентраторы напряжений. Роль напряжений усиливается при увеличении хрупкости материала и степени кон­центрации напряжений.

В работе [31 ] указывается, что в отдельных случаях при сварке малоуглеродистых и низколегированных сталей, когда отсут­ствую'! острые концентраторы напряжений, а конструкции экс­плуатируются при температурах 0 +50° С и не работают в кор­

розионных средах, отпуск рекомендуется отменить.

Эти рекомендации распространяются на детали кузнечно-пре - совых машин, прокатного оборудования, тяжелых фрезерных и протяжных станков и др.

При сохранении отпуска продолжительность его предлагается назначать по релаксационным кривым, но не только в зависи­мости от толщины металла [30, 31 ].

На основании исследований [27, 28 ] отменена термическая об­работка сварных блоков тепловозных дизелей. Принятая техноло­гия сварки без термической обработки, как показала практика, обеспечивает необходимую статическую и усталостную прочность соединений.

Опыт Ленинградского металлического завода также позволил сделать вывод, что для многих деталей, свариваемых из стали СтЗ, целесообразно отказаться от термической обработки [92]. Так, на­правляющий конус, находящийся в эксплуатации на одной из ГЭС, не подвергался после сварки термической обработке.

Очень остро решался вопрос о термической обработке для кон­струкций, изготовленных с применением электрошлаковой сварки. Серьезным недостатком электрошлаковой сварки является интен­сивный рост зерна в околошовной зоне, что требует нормализации конструкций для измельчения зерна как в этой зоне, так и в ме­талле шва [130, 194]. Кроме того, в соединениях, выполненных электрошлаковой сваркой, ударная вязкость металла шва и уча­стка крупного зерна в околошовной зоне ниже, чем требуется по техническим условиям.

Для решения вопроса об упрощении термической обработки соединений, выполненных электрошлаковой сваркой, были прове­дены широкие исследования влияния технологических и металлур­гических факторов на работоспособность соединений при статиче­ских, переменных и ударных нагрузках.

В ЦНИИТМАШе были проведены исследования при знако­переменных нагрузках на образцах крупных размеров (сечением 200x200 мм и диаметром 150 и 200 мм) из прокатной 22К и литой 35Л сталей. Было установлено, что термическая обработка соеди­нений этих сталей электрошлаковой сваркой не является необхо­димой для повышения усталости в тех случаях, когда зона шва подвергается механической обработке [87, 88, 91 ].

Эти рекомендации были реализованы при изготовлении рамных конструкций мощных гидравлических штамповочных прессов уси­лием в 75 000 т.

Для оценки влияния механической неоднородности соедине­ний, выполненных электрошлаковой сваркой, на их стойкость против хрупкого разрушения в ЦНИИТС были проведены ударные испытания на изгиб ненадрезанных образцов сечением 90x90 мм при положительной и отрицательной температурах из соедине­ний литой стали 08ГДНФЛ и 25Л и поковок из стали 08ГДНФ Испытания проводили на копре с вертикально падающим с высоты 10,4 м бойком весом 1 т [75].

Наряду с этим, на образцах Менаже определяли свойства ме­талла шва и околошовной зоны.

Было показано, что ударная вязкость металла шва и около­шовной зоны не может служить единственным критерием для оценки работоспособности соединения, она зависит также и от соотношения пределов текучести металла в различных зонах со­единения. Таким образом, механическая неоднородность соеди­нения с электрошлаковыми швами не является препятствием для получения соединений с высокой работоспособностью. В соот­ветствии с этим в ЦНИИТС были даны рекомендации по элек­трошлаковой сварке судовых деталей типа штевней, боллеров, релей и др. Из сталей 08ГДНФЛ, 08ГДНФ, 20Л, 25Л и Ст5 без нормализации.

В течение ряда лет в ИЭС им. Е. О. Патона проводят работы в направлении изучения возможности отказа от нормализации для конструкций из широкого круга сталей, изготовленных с при­менением электрошлаковой сварки. Изучают статистические дан­ные об изготовлении и эксплуатации конструкций, выполненных электрошлаковой сваркой без нормализации [160, 166, 167].

К настоящему времени в Советском Союзе изготовлены де­сятки тысяч тонн самых разнообразных конструкций, не подвер­гавшихся нормализации, а в отдельных случаях и высокому от­пуску. Без нормализации, но с отпуском для снятия остаточных напряжений были изготовлены станины ковочно-штамповочных прессов, обечайки и бандажи цементных печей [166], сосуды высо­кого давления [160], нефтехимическая аппаратура [167] и др.

В Великобритании [108] и ЧССР [245, 246] также проводятся работы по изысканию технологии электрошлаковой сварки сосудов высокого давления без нормализации.

Новая технология, получившая название электрошлаковая сварка с «контролем» зерна в околошовной зоне, обеспечивает приемлемые механические свойства соединения без их нормали­зации [108]. Фирма «Бабкок—Уилкокс» практически полностью отказалась от нормализации сварных сосудов высокого давления и ограничивается лишь высоким отпуском.

2. Методы, основанные на создании в зоне концентрации на­пряжений сжимающих остаточных напряжений. Имеются пять методов создания благоприятных остаточных сжимающих напряже­ний в сварных конструкциях.

1. Предварительная перегрузка. Элемент с концентратором напряжений нагружают до появления текучести в надрезе. При снятии нагрузки в зоне надреза возникают остаточные напряже­ния противоположного знака. Таким образом, перегрузка при рас­тяжении вызывает в надрезе сжимающие остаточные напряжения.

Г. А. Николаев исследовал снятие остаточных напряжений в пластинах с наплавленным на кромку валиком и в балках путем приложения к ним растягивающей нагрузки. Остаточные напряже­ния почти совершенно исчезли после приложения нагрузки, вызы­вающей напряжения порядка 23 кгс/мм2.

Несмотря на эффективность этого метода, имеются и существен­ные недостатки. При перегрузке сварной конструкции нельзя достичь напряжений, равных пределу текучести во всех узлах. Кроме того, такая перегрузка может привести к уменьшению спо­собности к пластической деформации сварного соединения.

Опытами ИЭС им Е. О. Патона установлено, что можно до­биться заметного увеличения усталости соединений при предва­рительных перегрузках, вызывающих номинальные напряжения меньше предела текучести [174].

В работе [174] показано, что в результате предварительной нагрузки (до 22 кгс/мм2) образцов сечение 70 X12 мм из стали 14Г2 с пересекающимися швами их предел выносливости при симметрич­ном цикле повысился на 50% по сравнению с исходным после сварки состоянием. Трехкратная предварительная перегрузка до 17 кгс/мм2 повысила сопротивление усталости при осевой пульси­рующей нагрузке соединений швеллеров из стали СтЗкп с фланго­выми швами (см. рис. 157) на 45%.

Предварительную перегрузку использовали в Японии для повы­шения прочности сварных сосудов. Никольс предлагает предвари­тельной статической перегрузкой повышать стойкость сварных конструкций к хрупкому разрушению [262].

2. Местный нагрев. В ЧССР Пухнером [146, 267] предложено повышать прочность соединений мостовых конструкций с помощью местного нагрева. В зоне соединений, где сварочные растягиваю­щие остаточные напряжения имеют значительные величины, наво­дятся сжимающие остаточные напряжения от местного нагрева.

Опыты проводили на стыковых, соединениях из стали с св — = 37 кгс/мм2, не подверженных непосредственной нагрузке (рис. 140). Эти соединения отличаются низкой несущей способ­ностью (табл. 65) независимо от конструкции прикрепления план­ки — с необработанной планкой (тип Д) или имеющей большой радиус закругления (тип С) и механически обработанный переход (тип В). Исследовали также влияние приварки аналогичных пла­нок на балки. Образцы типа Е были подвергнуты местному нагреву кислородно-ацетиленовой горелкой. Центр зоны нагрева был рас­положен на расстоянии, равном V3 ширины полосы от конца шва, а ее диаметр составил около 35 мм. Температуру нагрева (—700° С) контролировали при помощи термического мела.

Рис. 140. Образцы для испытаний пульсирующим
растяжением и изгибом

Метод местного нагрева в исследо­ванных случаях оказался весьма эффек­тивным (табл. 65) для повышения проч­ности при переменных нагрузках.

О. Пухнер на примере испытания образцов, имитирующих угловое свар­ное соединение с нагруженным прива­ренным листом (рис. 141), также пока­зал высокую эффективность местного нагрева и для соединений, непосред­ственно передающих нагрузку [1461.

Значительное повышение сопротив­ления усталости соединений в резуль­тате местного нагрева было достигнуто на образцах типа 1, 2, 3 (рис. 142) из малоуглеродистой стали BS.15 [225]. Прочность при знакопостоянном растяжении на базе 2 • 10е циклов после местного нагрева образцов 1 возросла с 3,9 ± ±3,9 до 8,6 ± 8,6 кгс/мм2, у образцов 2 — с 3,15 ± 3,15 до 9,5 ± 9,5 кгс/мм2 и у образцов 3 — с 3,15 ± 3,15 до 8,3 ± 8,3 кгс/мм2.

Таблица 65 Предел выносливое] л полос и балок с приваренными к ним планками (при 2.10е циклов нагрузки) [146] Тип образца по рис. 140 ат ± аа' кгс/мм' Растяжение полос Изгиб балок А 12,5— 10,5 12=1= 10 В 7,5±5,5 6,5±4,5 С 7,52:5,5 — D 6±4 6.52:4,5 Е 11±9 F 12—10 10,52:8,5

Исследовательские работы в Британской сварочной ассоциации [221] на образцах, показанных на рис. 140, подтвердили резуль­таты Пухнера [146] и показали также, что этот метод может быть применен и к угловым сварным соединениям. В опытах [221 ], проведенных на двух сериях образцов (см. рис. 66, к), местный нагрев вызывал в одних случаях сжимающие, а в других — растя­гивающие остаточные напряжения в зоне шва (рис. 143, б, в). Образцы с растягивающими остаточными напряжениями имели ту же прочность, что и образцы в состоянии после сварки, тогда как образцы с сжимающими остаточными напряжениями показали повышение прочности на 50%.

Одна из основных трудностей этого метода заключается в вы­боре соединений, пригодных для обработки. При нагреве зон, смежных с надрезом, уравновешивающие сжимающие остаточные напряжения должны быть наложены на надрез, так чтобы они дей­ствовали параллельно рабочим напряжениям. Поэтому этот метод не пригоден для обра­ботки соединений с по­перечными швами.

Рис. 143. Места обработки после
сварки образцов с продольными
ребрами и распределение оста-
точных напряжений:

а — местное обжатие; бив —
местный нагрев (I — точечное
обжатие; 2 — точечный нагрев)

Определять положение зон местного сосредоточенного нагрева даже в простых случаях приходится по интуиции, и очень трудно бывает определить положение зон нагреьадля сложных соедине ний. Кроме того, даже небольшое смещение зоны нагрева от ее оптимального положения существенно влияет ьа эффектив­ность метода.

На образцах с фланговыми швами (см. рис. 65, 5) при местном нагреве (с помощью контактной машины) вблизи концов фланговых швов не удалось достичь повышения сопротивления усталости 1174]. В этих опытах местный нагрев производили, по-видимому, слишком близко к концам фланговых швов.

Эффективность метода в значительной степени определяется соблюдением параметров местного нагрева.

Н. А. Клыков предложил рациональные параметры местного нагрева и разработал рекомендации по технологии его выпол­нения [71].

Г. К - Евграфов и В. О Осипов с целью перераспределения остаточных напряжений в сварных соединениях, вместо нагрева круговой локальной площадки предложили нагревать прямоуголь­ные зоны металла вдоль приваренного элемента. При увеличении зоны подогрева отмечается более стабильное перераспределение остаточных напряжений. Нагрев осуществляли ацетилено-кисло­родным пламенем газовой горелки до температуры 300—550° С [48, 49].

Оценку эффективности разработанной технологии подогрева проводили на сварных образцах стали СтЗ и М16С на пульсаторе при omln = 385ч-435 кгс/см2 и ота>: = 1500ч-1700 кгс/см2 [48]. Образцы представляли собой полосы толщиной 10 мм с прива­ренными в средней части и у кромки планками и продольными ребрами по оси образца. Долговечность образцов, у которых у кон­цов швов были наведены сжимающие напряжения, повышалась в 2—7 раз по сравнению с образцами, не обработанными местным подогревом. Предел выносливости образцов из стали Ml6С с кон­центраторами напряжений в околошовной зоне в виде круглых отверстий повысился более чем на 22% в результате местного подогрева в указанной зоне.

Особое внимание уделяли характеру изменения наведенных местным нагревом напряжений под действием статических и пере­менных нагрузок. Опыты показали, что в элементах и образцах из сталей СтЗ и М16С, подвергнутых растяжению статической на­грузкой до напряжений 20 кгс/мм2, сжимающие остаточные напря­жения в зонах местного подогрева не изменяют своего знака и остаются достаточно большими по величине. Последующие (более 1 млн. циклов) переменные нагрузки, не превышающие по вели­чине статическую нагрузку, не вызвали заметного изменения величины остаточных напряжений.

Эти опыты подтверждают высокую устойчивость остаточных напряжений и их влияние на усталостную прочность соединений.

Местный подогрев был применен для перераспре­деления остаточных напря­жений элементов пролет­ного строения железнодо­рожного моста таким обра­зом, что в зонах опасных концентраторов напряже­ний вместо растягивающих остаточных напряжений стали действовать сжимаю­щие [49].

На каждой полке рас­коса и стойки подогревали по две зоны (рис. 144) газовой горелкой, перемещаемой по волнообразной траектории со средней скоростью около 100 мм/мин. На участках концов фланговых швов вместо значительных растягивающих оста­точных напряжений (22 и 18,5 кгс/ммг) были получены высокие сжимающие напряжения (—14,3 и —6,7 кгс/мм2). Созданное бла­гоприятное напряженное состояние в зонах опасных концен­траторов напряжений способствовало повышению прочности элементов.

3. Местное обжатие. Этот способ, предложенный в Велико­британии [221, 222], заключается в сжатии металла, лежащего около концентратора напряжений между круглыми штампами, до такой степени, чтобы произошло общее течение материала между штампами. При этом возникают сжимающие остаточные напряже­ния. Линия, соединяющая центр сжатой точки с концентратором напряжений, параллельна направлению приложенных напряже­ний (см. рис 143, а). Этот способ широко исследовали в Британ­ской сварочной ассоциации [221] на образцах с приваренными продольными ребрами (см. рис. 66, к). Испытания проводили при четырех коэффициентах асимметрии цикла RB — 0,5; 0; —1; —4 и трех различных распределениях остаточных напряжений:

в состоянии после сварки, со снятием напряжений и при­менением местного обжатия. Полученные результаты [221 ] показаны в виде диаграммы Гудмана (рис. 145). Сопротивле­ние усталости образцов повы-

Рис. І45. Результаты усталостных испыта
ний для образцов с продольными ребрами
и различным распределением остаточных
напряжений:

/ — в состоянии поставки; 2 — точечный
нагрев; 3 — местное обжатие

силось примерно в 3 раза при симметричном цикле и в 2 раза при пульсирующем цикле напряжений по сравнению с исходным после сварки состоянием.

В ИЭС им. Е. О. Патона [174] проводили исследования на образцах трех типов: швеллере, приваренном к планкам фланго­выми швами (см. рис. 43, к), пластине со стыковым швом и пластине с приваренными с двух сторон поперечными ребрами. Пластическое обжатие выполняли на прессе. Использовали пуансоны различной формы и размеров. Так, для образцов с фланговыми швами приме­няли конусообразный пуансон диаметром 20 мм. Обжатие выпол­няли вблизи концов швов как на швеллере, так и на планке. Давле­ние на пуансон 28 тс, нагрузку поддерживали в течение 30 с.

В пластинах с приварными поперечными ребрами использо­вали пуансоны диаметром 10 мм, а для пластин со стыковым швом — пуансон в виде полосы шириной 5 и длиной 80 мм. На этих пластинах проводили линейное обжатие в виде узкой полосы (шириной 10 и 5 мм) на всю длину шва, что достигали последова­тельным перемещением пуансона. Таким образом, деформирован­ные участки металла перекрывались. Обжатые участки металла были расположены вдоль шва на расстоянии 1—3 мм.

После местного пластического обжатия предел выносливости образцов из стали СтЗкп с фланговыми швами повысился на 70% (см. рис. 139). Долговечность пластин из стали 10Г2С1 с попереч­ными ребрами и пластин со стыковым швом после линейного обжа­тия увеличилась в 5—10 раз. Пределы выносливости повысились на 40—110%.

Метод местного обжатия более доступен для контроля, чем то­чечный нагрев. При этом можно видеть место обработки, правиль­ность нагрузки, измерить остаточное вдавливание.

Однако для осуществления местного обжатия еще не создано достаточно удобного производственного оборудования.

4. Поверхностный наклеп. Поверхностное пластическое де­формирование металла шва и околошовной зоны упрочняет слои металла и наводит в них благоприятные сжимающие остаточные напряжения.

Этот метод упрочнения соединений особенно большое развитие получил в Советском Союзе, чему способствовали широкие научно - исследовательские работы, ведущиеся на протяжении последних двадцати лет в ЦНИИТМАШе [54, 56, 84, 90, 101, 116, 119— 124], ЦНИИ МПС [76, 77, 78, 156], МИИТ [12, 13], ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко и в других организациях [19. 40, 105, 129, 191].

Поверхностное упрочнение пластическим деформированием исследовали на сварных соединениях и элементах конструкций самого разнообразного вида с различными типами швов и из раз­личных материалов в зависимости от степени концентрации напря­жений, остаточной напряженности, вида и характеристики пере­менных напряжений, а также температурных условий.

Известны различные методы пластического деформирования говерхностного слоя металла: дробеструйный наклеп, обкатка роликами, чеканка.

Дробеструйный наклеп позволяет получить глубину наклепан­ного слоя до 0,5—0,8 мм. При обкатке роликом крупных деталей при больших давлениях на ролик глубина наклепа достигает не­скольких миллиметров. Для чеканки используют различные кон­струкции пружинных и пневматических устройств со сфериче­скими или бочкообразными ударниками. Эти устройства предна­значаются главным образом для получения большой глубины на­клепанного слоя (от 3—5 до 20—30 мм) для крупных изделий.

В последнее время получили распространение пневматические унрочнители с бойками в виде пучка проволоки [172] (диаметром 2—3 м и длиной 120—150 мм). Глубина наклепа таким многобойко- вым упрочнителем достигает 2—3 мм для мягкой конструкционной стали.

В сводной табл. 66 приведены данные по эффективности по­верхностного наклепа необработанных швов для различного вида соединений (стыковые, впритык, внахлестку, с присоединенными элементами, штуцерные) и характеристик переменной нагрузки. Для стыковых соединений, выполненных ручной дуговой и элек - трошлаковой сваркой, с сохраненным усилением шва поверхност­ная обработка шва и околошивной зоны обеспечила повышение прочности на 36—106% при изгибе и растяжении для различных асимметрий цикла.

Поверхностный наклеп весьма эффективен для стыковых соеди­нений стали 09Г2С толщиной 6 мм, сваренных по грунтованной поверхности [124]. Пределы выносливости возросли: на 23% для соединений, сваренных электродами УОНИ-13/55, на 32% для соединений, выполненных автоматической сваркой под флюсом, и на 65% для соединений, сваренных в среде СОа. Эффективность наклепа для соединений внахлестку с лобовыми швами выше, чем с фланговыми.

Для прикреплений конструктивных и связующих элементов, вызывающих повышенную концентрацию напряжений, поверхно­стный наклеп существенно повышает сопротивление усталости соединений при различных асимметриях цикла. Для некоторых сварных узлов, например для зоны металла, находящейся между двумя близко расположенными швами накладок, поверхностный наклеп является практически единственным способом упрочне­ния. Весьма заметное (па 66—75%) повышение усталостной проч­ности достигнуто наклепом швов для соединений труб в трубной доске и крупных штуцерных узлов (см. табл. 66).

Испытаниями на усталость при несимметричном изгибе (Ra =

0,5) натурных полых осей с приваренными фланцами было уста­новлено повышение прочности осей в результате наклепа в зоне приварок на 70% [144].

Поверхностный наклеп весьма эффективен для наиболее небла­гоприятных режимов нагружения (при симметричном цикле и асим­метричных циклах со средними растягивающими напряжениями).

Как показано в работе [81], поверхностный наклеп приводит к возникновению сжимающих остаточных напряжений или, дру­гими словами, снижает уровень средних растягивающих напря­жений и, следовательно, увеличивает предельную амплитуду цикла, как это следует из известной диаграммы Смита для кон­струкционных сталей.

Эффективность наклепа возрастает при увеличении степени концентрации напряжений, вызываемой наложением швов. Так, у образцов из стали 40 с втулками, приваренными круговыми шва­ми, эффективный коэффициент концентрации напряжений в зави­симости от конструкции приварки изменялся в пределах Ко = = 2,0-н4,0. После поверхностного упрочнения швов пределы вы­носливости образцов возросли соответственно на 90—260% (наи­больший эффект отвечает элементам с большим Ко)-

Наплавка на цилиндрические образцы диаметром 60 мм и валы диаметром 180 м из стали 40 проволокой соответственно Св-08А и 12Х18Н9Т снижает сопротивление усталости в 3 раза [40, 92, 94]. Причиной этого снижения является совместное действие растягива­ющих остаточных напряжений и дефектов сварки. При наплавке по образующей осевые напряжения составили +40 кгс/мм2, а танген­циальные + 12 кгс/мм2; при кольцевой наплавке как осевые, так и тангенциальные напряжения составили +20 кгс/мм2 [40]. После обкатки роликом валиков, наплавленных по образующей, в поверх­ностном слое образца были наведены сжимающие остаточные на­пряжения—осевые (—44 кгс/мм2) и тангенциальные (—39 кгс/мм2). В результате этого предел выносливости образцов возрос на 75%.

У валов диаметром 180 мм с кольцевой наплавкой после об­катки роликом предел выносливости повысился по сравнению с ис­ходным состоянием на 116% [92, 94].

Высокая эффективность наклепа установлена не только для соединений из малоуглеродистых сталей, но и для соединений из низколегированных [76, 203] и среднелегированных [155] ста­лей, а также и титановых сплавов [191 ].

Использование поверхностного пластического деформирования металла шва и околошовной зоны позволило получить равнопроч­ные с основным металлом стыковые соединения со снятым усиле­нием из нержавеющей стали 0Х12НДЛ и сталей различного класса (0Х12НДЛ и 15Г2ВЛ) применительно к гидравлическим турбинам. Пределы выносливости при симметричном изгибе об­разцов сечением 50x75 мм по сравнению с исходным состоянием (с усилением шва) повысились на 123—222% [56].

Исследованиями [76, 119, 121, 123, 126, 140, 203] установ­лено, что наклеп является эффективным средством повышения со­противления усталости сварных балок (табл. 67) с различного типа швами и присоединенными элементами.

16 И. В. Кудрявцев

Рис. 146. Сварные балки для испытания на усталость: а — с двусторонними сплошными швами; б — с ребрами жесткости, приваренными пре­рывистыми швами

Эффективность поверхностного наклепа необработанных швов
для сварных балок

Таблица 67 Тип балки Обозначение на рисунке Обработка после сварки Коэффициент асимметрии цикла R Предел вы­носливости при изгибе на базе 2-Ю6 циклов Источник S 55 *->. о и. * % Двутаврового сечения с двусторонними сплошными швами, выполненными элек­тродами УОНИ-13/45 146, а Исходное состояние 0,25 12,0 100 [76] Бойком с помощью пневмомолотка 22,0 183 Двутаврового сечения с двусторонними пре­рывистыми шахмат­ными швами, выпол­ненными электродами ЦМ-7 84, а Исходное состояние 1,0 11,5 100 [122] Многобойковым уп - рочнителем в зо­нах окончания шва 13,5 117 Двутаврового сечения с двусторонними то­чечными шахматными швами, сваренными в среде СОв 95 Исходное состояние — 1,0 10,5 I 100 [122] Многобойковым уп - рочнителем 11,5 по Бойком с помощью пневмомолотка 13,5— 15.5 128 - 147 Коробчатого сечения, сваренные электроза­клепками в среде СОа 100 Исходное состояние — 1,0 5,5 100 [121] Многобойковым уп - рочнителем 9,5- 10,5 173 — 191 Ступенчатые двутавро­вого сечения с дву­сторонними швами, і выполненными элек­тродами ЦМ-7 84, б Исходное состояние — 1,0 8,5 100 [123] Многобойковым уп - рочнителем 9,5- 11,5 112- 135 Бойком с помощью пневмомолотка 10,5 124

Тип балки	Обозначение на рисунке	Обработка после сварки	м X _ О к	Предел вы­носливости при изгибе на базе 2* 10е циклов	Источник
к S3 . —с n to я HftJ л ^ YS Ч S К *	S S о U X	%
Ступенчатые двутавро в ого сечения с дву­сторонними швами, сваренными в сре­де со2	84, 6	Исходное состояние	— 1,0	7,5	100	[1231 [119]
Многобойковым уп - рочнителем	10,5	140
То же, с односторонни­ми швами, сваренны­ми в среде С02	88, е	Исходное состояние	— 1,0	7,5	100
Многобойковым уп - рочнителем	9,5	127
То же, с дефектами сварки	То же	<5,0	67
Ступенчатые коробча­того сечения с одно­сторонними швами, выполненными элек­тродами ЦМ-7	88, е	Исходное состояние	-1,0	7,5	100	[119]
То же, с дефектами сварки	Многобойковым уп - рочнителем	<6,0	80
Коробчатого сечения с накладкой толщиной 20 мм, приваренной к растянутому поясу	147, а	Исходное состояние	0,25	11,2	100	L140]
Многобойковым уп - рочнителем	13,3	119
Коробчатого сечения с накладкой толщиной 80 мм	147, а	Исходное состояние		12,3	100	[140]
Многобойковым уп - рочнителем	0,25	13,5	111
Коробчатого сечения с двумя накладками разной толщины, приваренными к рас­тянутому поясу	147, б	Исходное состояние		8,2	100	[140]
Многобойковым уп - рочнителем	0,25	12,0	146
Коробчатого сечения с накладкой толщиной 20 мм, приваренной к растянутому поясу	14/, а	Исходное состояние	0,25	12,5	100	[140]
Многобойковым уп - рочнителем	17,2	138
Двутавровая с ребрами жесткости, приварен­ными прерывистыми швами	146, 6	Исходное состояние		10,1	100
Дробью	0 1	13,2	130	[203]

Примечание. Балки по рис. 84, а, б; 88, е, 95, 100, 146, а: 147, а, б изготовлены из стали СтЗсп; балки по рие. 147, а — из стали 10Г2С1 и балки по рис. 146, б — из стали BS.968.

При обработке швов многобойковым упрочняющим инструмен­том в некоторых случаях не достигали заметного изменения проч­ности сварных элементов. Так, после поверхностного упрочнения угловых швов в пластинах с приваренным поперечным ребром (см. табл. 66) предел выносливости при растяжении-сжатии повы­сился только на 11% 1261]. Обработка многобойковым упрочни - телем угловых точечных швов в двутавровых балках [122] повы­сила их предел выносливости лишь на 10% (табл. 67), что нахо­дится в пределах рассеяния результатов испытаний.

При такой же обработке прерывистых швов в аналогичных балках предел выносливости возрос только на 17%.

В этих примерах внешняя форма швов не позволила обеспечить должное качество упрочнения. Наиболее опасная зона трудно­доступна для многобойкового инструмента, состоящего из пучка проволоки. Следовательно, для достижения желаемого эффекта упрочнения очень важен правильный выбор упрочняющего ин­струмента. Для указанных сварных швов и соединений использо­вание многобойкового инструмента было нерациональным.

Применение сферического бойка для упрочнения угловых то­чечных швов повысило прочность балок на 28—47% (см. табл. 67).

Вместе с тем для сварных балок с электрозаклепками, также обладающими высокой концентрацией напряжений, применение для упрочнения пучка проволоки оказалось чрезвычайно эффек­тивным. Поверхность электрозаклепки была легкодоступна для обработки, поэтому параметры наклепа были регламентированы и стабильны. Сопротивление усталости в этом случае повысилось на 73—91% (см. табл. 67).

Низкие минимальные значения и существенный разброс эффек­тивности наклепа многобойковым упрочнителем наблюдали при испытаниях ступенчатых балок двутаврового сечения (12—35%) [123] и коробчатых балок (рис. 147) с приваренными накладками (11—38%) [149].

Причина отмеченного явления не совсем ясна. Но эффектив­ность наклепа для повышения прочности соединений определяется качеством наклепа и самого сварного шва.

Видимо, в обоих случаях результаты наклепа были не ста­бильны — не были соблюдены необходимые глубина и степень наклепа металла и не была достигнута равномерная обработка наплавленных слоев. При использовании многобойкового упрочни - теля для каждого конкретного сварного объекта, вида и формы шва важное значение имеет правильный выбор энергии удара, диаметра проволоки и их числа в пучке, а также оптимальный ре­жим упрочнения.

Так, испытания на усталость пластин с двумя наваренными накладками (см. рис. 66, ж) показали [79], что при использовании проволоки диаметром 3 мм и энергии удара 0,6 и 1,2 кгм пределы выносливости образцов возросли на 35%, а при диаметре проволоки

Рис. 147. Конструкция сварных балок для испытания на усталость и расположение зон обработки сварных швов [140/: а — балки с одной накладкой толщиной 20 или^80 мм; б — балки с двумя накладками (толщиной 20 и 80 мм); в — зона поверхностного упрочнения многобойковым упрочните - лем; г — зона аргоно-дуговой обработки

1,8 мм, энергии удара 0,97 кгм предел выносливости образцов по­высился на 106% (см. табл. 66).

Если же в швах имеются внутренние сварочные дефекты, то упрочняющая обработка швов может оказаться бесполезной или привести к отрицательным результатам, так как при наведении в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений вну­тренние дефекты оказываются в поле растягивающих остаточных напряжений. Так, пределы выносливости ступенчатых балок ко­робчатого сечения (см. рис. 88, е) с дефектами в швах на криволи­нейном участке сопряжения (несплавление металла шва с метал­лом стенки, цепочки пор, одиночные крупные поры) после упроч­нения швов на указанном участке понизились на 20—33% по сравнению с балками в исходном состоянии (см. табл. 67). Еще большая разница (47%) отмечается при сравнении этих балок с балками, поверхностно упрочненными качественными швами.

Для элементов, работающих при переменных нагрузках, опас­ным является повреждение основного металла дуговым разрядом. В этом случае [285 ] наклеп также восстанавливает прочность по­врежденного металла до уровня основного. Так, если предел выносливости при пульсирующей нагрузке плоских образцов (35x12 мм) стали St.42 составил 19,2 кгс/мм2, а для образцов с участком, поврежденным дуговым разрядом, 8,6 кгс/мм2, то после дробеструйного обдува со стороны поврежденной поверхности предел выносливости образца составил 17,9 кгс/мм2, при двусто­ронней дробеструйной обработке образцов — 19,4 и пескоструй­ной обработке 18,7 кгс/мм2.

И. И. Луневский показал, что контактная стыковая сварка понизила на 30% предел выносливости рессорных листов автомо­биля ЗИЛ-164, а дробеструйный наклеп полностью его восстано­вил. После пробега автомобилями от 23,5 до 51 тыс. км в карьерах и в условиях бездорожья не были обнаружены повреждения рес­сорных листов, подвергнутых дробеструйному наклепу после сварки, зачистки и термической обработки. Сварка более чем в в 3 раза снизила долговечность рамы автомобиля ЗИЛ-164, после наклепа долговечность рам повысилась в 2—3 раза.

До недавнего времени существовало мнение, что поверхностный наклеп, повышая прочность соединений, может оказать отрица­тельное влияние на их сопротивляемость хрупким разрушениям в условиях эксплуатации при низких температурах и ударных на­грузках. В ЦНИИ МПС и ЦНИИСК проведены исследования со­противления поверхностно наклепанных элементов усталостным и ударно-усталостным нагрузкам при отрицательных темпера­турах.

Выполненные в ЦНИИСК исследования стержневой сварной арматуры из стали 10Г2Т и сварных натяжных траверс из стали СтЗ позволяют утверждать, что наклеп швов в условиях отрица­тельной температуры существенно повышает сопротивление цикли­ческим растягивающим и изгибающим нагрузкам при асимметрич­ном режиме нагрузки.

Испытания балок коробчатого сечения с приваренными наклад­ками показали [77], что при базе испытаний 65 тыс. нагружений повторным ударом ударная долговечность после поверхностного наклепа при температуре испытания —40° С и номинальных на­пряжениях ниже предела текучести (о = 0,8от) заметно возросла. Это позволило широко использовать поверхностный наклеп для упрочнения сварных швов рам тележек подвижного состава.

Поверхностное пластическое деформирование благоприятно влияет на сопротивление усталости соединений также и в условиях коррозионных воздействий. Так, по данным М. И. Клестова [70], пределы выносливости при симметричном изгибе сваренных пла­стин (сечение 6Х 10 мм), испытывавшихся в морской воде, повыси­лись в результате дробеструйного наклепа приблизительно в 2 раза (табл. 68).

Следует, однако, отметить, что эффективность поверхностного пластического деформирования (ППД) для деталей, работающих на усталость в коррозионной среде, сильно снижается с увеличе­нием срока коррозионного воздействия. Так, после выдержки в морской воде в течение 6 мес. стыковые соединения, упрочненные дробью, понизили предел выносливости с 15 до 10 кгс/мм2. Однако

Пределы коррозионной выносливости (на базе 107 циклов) сварных соединений корпусной стали аустенитного класса (частота 1000 циклов в минуту) Тип соединения Пределы выносливости образцов, кгс/мм2 °-iynp исх до упрочнения после упрочнения (Лыковое 6,7 15,0 2,24 Тавровое 6,5 12,5 1,92 Наплавка 6,2 10,5 1,75 Бонка 3,2 6,1 1,90

и это пониженное значение предела выносливости для упрочнен­ных образцов превышает в 1,5 раза предел выносливости соответ­ствующих неупрочненных образцов. Понижение эффекта упроч­нения в связи с длительной выдержкой в коррозионной среде объяс­нено автором частичным стравливанием деформированного по верхностного слоя. По данным того же автора, упрочнение дробью соединений судовых корпусов наиболее эффективно при окраске корпусов с установкой протекторной защиты. Соединения судовых корпусов упрочняли дробеструйным пневматическим аппаратом АД-1 с отсосом отработавшей дроби. Контроль процесса осущест­вляли визуально сравнением с эталонными пластинами.

С ростом размеров сварных деталей эффективность наклепа не только не уменьшается, но сохраняется или даже возрастает (см. рис. 33). Об этом свидетельствуют также результаты усталостных испытаний образцов диаметром 180 мм с наплавками, моделирую­щих гребные валы [92, 94]; секций крупных сварных коленчатых валов из стали 34ХН1М с шейками диаметром 192 мм [155]; круп­ных сварных штуцерных узлов [116]; натурных полых осей полу­прицепов с приваренными фланцами [44]; двутавровых балок вы­сотой 255 мм с приваренными ребрами [203] и др.

Это позволило уверенно использовать поверхностный наклеп для упрочнения натурных сварных конструкций

Интерес представляют полученные в ЦНИИ МПС результаты эксплуатационной проверки эффективности наклепа, проведенной на одном из поездов. В четырех рамах тележек швы в опасных зо­нах были обработаны многобойковым упрочнителем. Результаты эксплуатации показали, что наклеп позволяет, по крайней мере, в 4 раза увеличить долговечность сварных конструкций подвиж­ного состава [78].

Проведенными в МИИТе [12] стендовыми вибрационными ис­пытаниями рам тележек подвижного состава установлено, что в результате поверхностного наклепа сварных швов и околошов- ных зон усталостная прочность рам повысилась на 30—40%.

Обработка сварных швов и ребер масляных ванн дизелей много - бойковым инструментом на Коломенском тепловозостроительном заводе обеспечила повышение долговечности изделия в 1,5—2 раза [109].

Обследования 25-ти мостовых кранов тяжелого режима работы показали, что на концевых балках с поверхностно упрочненными пучком проволоки сварными швами в зоне крепления букс ходо­вых колес не было трещин усталости после 1500 ч эксплуатации, тогда как краны с неупрочненными швами в 40% случаев имели повреждения от усталости [123].

Положительные результаты промышленного опробования поз­волили уверенно рекомендовать многобойковые инструменты для упрочнения сварных швов лопаток роторов дымососов энергобло­ков мощностью 300 мВт на Конаковской, Черепетской, Придне­провской ГРЭС и на Барнаульском котельном заводе [86, 109]; для упрочнения швов тележек вагонов на Рижском вагонном за­воде [79] и на Мытищинском машиностроительном заводе [59]; для мостовых кранов на Узловском машиностроительном за­воде им. Федунца [123]; для рабочих колес гидротурбин [54, 56] и в ряде других случаев [109].

Таким образом, анализ и обобщение многочисленных экспери­ментальных данных позволяют заключить, что метод поверхност­ного наклепа является весьма эффективным, сравнительно про­стым и наиболее универсальным средством повышения усталостной прочности сварных конструкций.

5. Импульсивная обработка. В ИЭС им. Е. О. Патона предло­жено использовать энергию взрыва малыми зарядами для локаль­ного пластического деформирования околошовной зоны сварного соединения и создания в местах высокой концентрации напряже­ний сжимающих остаточных напряжений [110, 175].

На сварных швах вдоль зоны сплавления помещали насыпное взрывчатое вещество — гексоген. Для смягчения удара взрывной волны между гексогеном и поверхностью металла наносили слой пластилина толщиной 2 мм. Гексоген при­крепляли к образцам также с помощью пла­стилина (рис. 148).

Эффективность импульсивной обработки изучали при усталостных испытаниях образ­цов из малоуглеродистой, низколегированной и высокопрочной сталей на плоский изгиб при симметричном, пульсирующем и асимме­тричном циклах (табл 69),

Рис. 148. Образец с поперечными угловыми швами (о) и рас-
положение зарядов (б):

/ — шов; 2 — слой пластелина; Я — заряд гексогена:
4 *— электродетонатор

Эффективность импульсной обработки сварных соединений при изгибе на базе 107 циклов [ПО, 175] Вид соединения Марка стали Повышение (%) предела выносливости соединений после обработки при да = —1 *• = о о* II Of Пластина с двумя поперечными СтЗ 88 45 _ ребрами, приваренными с 10Г2С1 75 — — обеих сторон (см. рис. 148) М16С — 57 — 14ХМНДФР — — 33 Пластина с двумя накладками (длиной 525 мм), приверенными с обеих сторон продольными швами (тип образцов см. на рис. 65, д) М16С 118 73

Твердость в поверхностном слое металла после взрыва возрас­тала на 45—60% по сравнению с исходной. В зависимости от вели­чины заряда глубина наклепанного слоя составила 1—3 мм. Долговечность образцов после импульсивной обработки возрас­тала в 5—10 раз.

Указанными исследованиями установлена высокая эффектив­ность импульсивной обработки металла околошовной зоны ма­лыми зарядами взрывчатых веществ для рассмотренных типов со­единений в широком диапазоне изменения коэффициентов асим­метрии цикла.

Метод импульсивной обработки сварных соединений для повы­шения их усталостной прочности следует признать весьма перспек­тивным.

Работа [173] позволила заключить, что импульсивная обра­ботка практически не снижает стойкости соединений против хруп­ких разрушений.

Указанный метод обработки может оказаться наиболее произво­дительным и дешевым по сравнению с другими методами. Однако для установления рациональных областей применения импульсив­ной обработки требуется дальнейшее уточнение параметров обра­ботки и проверка ее эффективности в зависимости от вида соедине­ния, типа шва, способа сварки и рода материала.