При осевом растяжении сварных стыковых соединений со сме­щением кромок напряжения на участке сопряжения основного металла с металлом шва могут значительно превышать номинальное значение в результате появления изгибающего момента от эксцен­тричного приложения усилия. Кроме TOHV при смещении кромок на 25—30% повышение напряжений происходит также из-за увели­чения теоретического коэффициента концентрации формы шва Кф за счет уменьшения радиуса кривизны pmm в зоне сопряжения наплавленного и основного металла. Величина напряжений в зоне сопряжения может быть подсчитана по формуле [5]

^тах — анК,

где 0Н = - рг-,— номинальное значение напряжений, определяемое

•Г о

по сечению основного металла от действующего усилия;

К = КФКса; (2)

К — теоретический коэффициент концентрации сварного стыкового соединения со смещением кромок;1

Кф — теоретический коэффициент концентрации формы стыкового шва (определяется по графику рис. 9);

Ксм=1+ЗЛ;

Кем — теоретический коэффициент концентрации стыко­вого шва, зависящий только от величины смещения кромок;

Д — относительное смещение кромок (величина смеще­ния, отнесенная к толщине листа).

Степень влияния смещения кромок на прочность стыковых соединений зависит главным образом от характера действующих нагрузок, а также от чувствительности металла шва к концентра­ции напряжений.

При статических нагрузках смещение кромок не оказывает существенного влияния на прочность. Так, например, в соедине­ниях низкоуглеродистой стали толщиной 10 мм (сварка с двух сто­рон УОНИИ-13/45), у которых металл шва нечувствителен к кон­центраторам-дефектам при статических нагрузках, смещение кро-

мок величиной до 60% от толщины листа не снижает прочность соединения (рис. 12).

В стыковых соединениях АМгб (металл шва чувствителен к кон - центраторам-дефектам) снижение прочности наблюдается при сме­щении кромок величиной более 25%, причем степень снижения прочности зависит от технологии, сварки и толщины материала. Автоматическая сварка на формирующей подкладке по сравнению со сваркой с двух сторон со смещением кромок в стыковых соедине­ниях АМгб вызывает большее снижение прочности, что объясняется неблагоприятными условиями формирования обратной стороны шва (проплава). При смещении более 25% проплав принимает грибовид­ную форму, которая возникает в результате протекания расплавлен­ного металла под смещенную кромку (рис. 13). Грибовидная форма шва создает более высокую концентрацию напряжений по сравне­нию с нормальной формой шва при отсутствии смещения кромок. Рис. 12 показывает, что влияние толщины в стыковых соединениях сплава АМгб в диапазоне толщин 4—10 мм начинает проявляться при смещении кромок более 30%.

При вибрационных нагрузках смещение кромок стыкового шва оказывает существенное влияние на прочность соединений, причем степень снижения зависит в основном от технологии сварки и вели­чины смещения кромок. Степень снижения выносливости в зависи-

Рис. 13. Форма проплава стыкового шва АМгб толщиной 10 мм при сварке на формирующей подкладке при наличии смещения кромок (авто­матическая сварка в аргоне с присадкой АМгб)

мости от смещения кромок можно оценить теоретически по прибли­женной зависимости [5]

1

(4)

^см *

где /Ссм = 1 + 3 А;

ocR — предел выносливости стыкового соединения со смеще­нием кромок;

о% — предел выносливости стыкового соединения без смеще­ния кромок.

Указанная зависимость показана на рис. 14, где также нанесены экспериментальные значения пределов выносливости (растяжение, R = 0,1, N = 2-Ю6 циклов) стыковых соединений с различной величиной смещения кромок. При пользовании формулой или гра­фиком (рис. 14) для определения степени снижения вибрационной прочности стыковых соединений в зависимости от величины смещения следует иметь в виду, что для стыковых соедине­ний выполненных автоматической сваркой на формирующей подкладке, значения пределов выносливости могут быть не­сколько занижены (при смещении до 20%), что объясняется
повышением коэффициента концентрации формы шва /Сф при нали­чии смещения кромок из-за уменьшения величины pmin. Однако это идет в запас прочности. При изготовлении сварных конструкций

небольшое смещение кромок (до 10%) в отдельных участ­ках шва* как правило, всегда имеет место, особенно при сварке алюминиевых сплавов, поэтому при проектировании конструкций для работы при переменных нагрузках реко­мендуется учитывать фактор смещения кромок, используя формулу (4) или график (рис. 14).

4. ВКЛЮЧЕНИЯ

К дефектам типа вклю­чений относятся шлаковые включения, окисные плен­ки, вольфрамовые включения.

Шлаковые включения могут возникать в процессе ручной сварки качественным электродом и при сварке под флюсом, вольфрамовые включения — при сварке вольфрамовым электродом. Окисные вклю­чения (пленки) могут возникать при всех видах сварки. Шлаковые включения, как правило, не выходят на поверхность и в отличие от непроваров являются объемными включениями, не имеющими опре­деленной геометрической формы, однако во всех случаях имеют острые ответвления, но с радиусом окончания несколько большим, чем у непровара (в 2—3 раза). Окисные включения в сварных швах алюминиевых сплавов имеют вид тонких плоских пленок произволь­ного очертания (рис. 15). По концентрации напряжений окисные включения соизмеримы с непроваром.

Из перечисленных трех типов включений наибольшее влияние на прочность оказывают окисные пленки (в алюминиевых сплавах), которые следует рассматривать как непровары.

Вольфрамовые включения не оказывают существенного влияния на прочность, если они не сопровождаются окисными пленками. Шлаковые включения в сварных соединениях по влиянию на проч­ность занимают промежуточное положение между окисными плен­ками и вольфрамовыми включениями. При вибрационных нагрузках влияние шлаковых включений на предел выносливости, как и для других внутренних дефектов (например, пор), существенно зависит от концентрации напряжений, создаваемой формой шва /Сф.

Размер и количество шлаковых включений в определенных пре­делах не снижают предел выносливости стыковых соединений

с усилением шва и проплавом (табл. 2). Для всех включений, приведенных в табл. 2, кроме сплошной шлаковой линии в середине шва, концентрация напряжений, вызванная формой шва, подавляет концентрацию напряжений от шлаковых включений.

Из табл. 2 следует, что для низкоуглеродистой стали при суммар­ной длине шлаковых включений до 30% от длины шва эффективные коэффициенты концен­трации соответствуют эффективному коэффи­циенту концентрации формы шва (Къ =1,б-г - -5-1,6) и только при на­личии сплошной шлако­вой линии в середине шва эффективный коэф­фициент концентрации составляет 3,1.

Следовательно, в сты­ковых соединениях низ­коуглеродистой стали все дискретные шлако­вые включения (см. табл. 2) при наличии усиления шва и пропла­ва влияния на прочность не оказывают. Шлако­вые включения, так же как и поры, начинают снижать выносливость при коэффициенте кон­центрации формы шва Кф = 1, т. е. в стыковых швах, у которых полно­стью снято усиление шва и проплав (см. табл. 2). В этом случае на снижение прочности начи­нает оказывать влияние размер включения. Если шлаковые вклю­чения не представляют сплошной линии, то количество дискретных включений в середине шва для конструкций, работающих при переменных напряжениях, близких к пределу выносливости, имеет второстепенное значение. Из табл. 2 видно, что с увеличением размера шлакового включения эффективный коэффициент концентра­ции стыкового соединения без усиления увеличивается с 1,25 до 1,4. При сплошной шлаковой линии Кэ ~ 2,5.

Сопоставление данных табл. 2 показывает, что основное влияние на усталостную прочность сварных стыковых соединений со шлако­выми включениями оказывает форма стыкового шва. Это обстоя-

2. Выносливость стыковых соединений со шлаковыми включениями в середине шва (низкоуглеродистая сталь толщиной 12 мм, ручная сварка с двух сторон, база истытаний N — 2- 106 циклов, характеристика цикла R = 0, растяжение)

тельство необходимо учитывать при изготовлении и разработке норм допустимых дефектов сварных конструкций. В первую очередь это относится к стыковым соединениям, сваренным на остающейся подкладке, так как она значительно снижает выносливость по срав­нению с нормальным двусторонним швом. Эффективный коэффициент концентрации в таких соединениях из низкоуглеродистой стали вне зависимости от наличия дефектов в шве (включений, пор) состав­ляет 2,5.