Усталостная прочность основных несущих элементов может существенно понижаться вследствие присоединения к ним различ­ных конструктивных и связующих элементов (косынок, ребер, соединительных планок, накладок и пр.). В таких случаях свар­ные швы, находящиеся на напряженной детали, не передают на нее нагрузку, но в месте обрыва приваренного элемента создается значительная концентрация напряжений. Конструктивные и свя­зующие элементы можно приваривать внахлестку угловыми, ло­бовыми и фланговыми швами, втавр угловыми поперечными и про­дольными швами, а также стыковыми швами впритык к кромкам листовых элементов.

Для наиболее характерных типов соединений с приваренными элементами в табл. 24 и 25 приведены значения пределов выносли­вости и экффективных коэффициентов концентрации напряжений (рис. 66).

П)^==.

а)

12

д)

«)

І! М I II

Рис. 66. Образцы с присоединенными елементами для испытания на усталость

Сопротивление усталости соединений с приваренными элементами при растяжении-сжатии 8 Марка стали Тип соединения «а ark- кгс/ммг Источник И і= СтЗкп С накладкой, приваренной Лобовы- а) —1,0 2,0 6,6 [41] СтЗсп ми швами внахлестку С накладкой, приваренной фланговы- б) -1,0 3.0 5,3 СтЗсп ми швами внахлестку 9,3 С накладкой, приваренной Лобовы- в) -1,0 1,5 9,6 СтЗсп ми швами внахлестку С накладкой, приваренной встык по г) —1,0 2,9 5,5 кромке 0 11,6 СтЗ С поперечным ребром, приваренным д) -4-0,14 1.9 13,5 [46] угловыми швами с одной стороны ручной дуговой сваркой +0,14 1,7 15 То же, выполнено полуавтомати­ческой сваркой под флюсом с выво- дом шва на планки СтЗ С поперечными ребрами, приварен- е) +0,14 1,9 13,5 [46] ными угловыми швами с двух сто­рон ручной дуговой сваркой +0,14 То же, выполнено полуавтоматиче- 1,7 15 ской сваркой под флюсом с выводом шва на планки

■

Продолжение табл. 24 Марка стали Тип соединения Эскизы по рис. 66 *0 °rk' кгс/мм2 Источник СтЗ С прикреплением фасонок встык к кромкам пластин, обработанных га­зовой машинной резкой (по концам фасонок наплавлены носики, кото­рые затем обработаны наждачным кругом R = 65 мм) ж) +0.14 1.6 15,5 [46] СтЗ С прикреплением фасонок продоль­ными угловыми швами (по концам фасонок наплавлены носики, кото­рые затем обработаны наждачным кругом R = 65 мм) 3) +0,1 1,1 19,5 [46] St52 (ов = 53 кгс/мм2) С поперечным ребром, приваренным с одной стороны угловыми швами (после сварки правка в холодном состоянии) и) —1,0 --0,5 0 15,2 18 25 Опыты Клеппеля BS15 (0,19% С; <тв = 45 кгс/мм2) С продольными ребрами, приварен - ными с двух сторон угловыми швами к) -4,0 -1,0 0 +0,5 1,25—5 2,8 0—5 5 5,0—10,0 [221]

Марка стали	Тип соединения	Эскизы по рис. бб		*<г	Grk* кгс/мм2	Источник
St37 (ов = 43 кгс/мм2)	С поперечным ребром, приваренным с одной стороны угловым швом после зашлифовки	л)	0		20—22	Данные Фолькхорда
	То же, без обработки швов		0		18—21
	С поперечными ребрами, приварен­ными с двух сторон угловыми швами после зашлифовки	м)	0		19—21
	То же, без обработки швов		0		16—18
	С продольными ребрами, приварен­ными с двух сторон угловыми шва­ми после зашлифовки (нагрузка пе­редается через основной элемент)	н)	0		20.5
	То же, без обработки швов.		0		17,5
	С продольными ребрами, приварен­ными с двух сторон угловыми шва­ми, без их механической обваботки (нагрузка передается через основ­ной и присоединенные элементы)	О)	0		18,5
11523.1 (сгв = 52 кгс/мм2) по стандарту ЧССР	С поперечным ребром, приваренным угловыми швами с одной стороны С продольным ребром, приварен­ным швами с одной стороны!	п) р)	1 кгс/мм2 -^сгтах 15.5 кгс/мм2-ї-сттах 1 кгс/мм2-v-Omax 15.5 кгс/мм--ьсгщлх		10,5±9,5 19,0±4,0 5,5±4,5ч- ч-6,5±5,5 19,5^4,5	[232]

Продолжение табл. 24 Мария стали Тип соединения ад ад 3 сі a s 5 о» Ro !<а °rk• кгс/мм2 Источник CJ о ffi С Малоуглеродистая Пластина основного металла, имею- с) 0 17 [267] щая форму сварных образцов С накладкой, приваренной встык по кромке (плавный переход от наклад- т) 0 11 ки к основному элементу, R = = 50 мм) 0 11,8 То же, по концам шва деконцентра- торы с R = 10 мм С накладкой, приваренной встык по Ф) 7,8 кромке 0,1% С С поперечным ребром, приваренным х) -1,0 13,5 * [251] угловыми швами -1,0 То же, швы упрочнены пучком про- 15 * волоки 0 20 * С поперечным ребром, приваренным угловыми швами 0 То же, швы упрочнены пучком про- 25 * волоки BS15 С поперечными ребрами, приварен- Ц) 0 и [227] 0,19% С ными с двух сторон угловыми шва­ми 0 19,2 То же, швы упрочнены поверхно- стным наклепом * Пределы выносливости определены на базе 107 циклов; для всех остальных случаев база испытаний 5ыла 2* 10' циклов.

Сопротивление усталости соединений с приваренными элементами при изгибе Марка стали Тип соединения Эскиз по рис. 65 «о *0 кгс/мма Источник СтЗ Швеллер (№ 24) с накладками, приваренными лобовыми швами То же, швы упрочнены бойком с помошью пневмомолоткэ О) 8,6 ст шах 8,6-г-(Тілах 1,3 16,8 22,4 Данные ЦНИИТМАШа Швеллер (№ 24) с накладками, приваренными фланговыми швами То же, отпуск при температуре 600° С, 2 ч То же, швы упрочнены бойком с помощью пневмомолотка б) 8.6- М7шах 8.6- 5-<ТШах 8.6- Ь ошах >2,8 <8 <11,6 14 СтЗ Пластина с накладкой, приваренной Лобовы- в) 0 18 ** [76] ми швами То же, швы упрочнены бойком с помощью 0 26 ** пневмомолотка М16С Пластина с планками, обваренными по кон- г) -1,0 3,5 * [171] туру 0 6,8 * Пластина с планками, приваренными фланго- д) 0 5,3 * выми швами Пластина с фасонками, приваренными встык е) -1,0 5,2 * 0 10,8 *

Чаї*

Продолжение табл. 25 Марка стали Тип соединения Эскиз по рис. 65 «о Qrki кгс^мм* Источник СтЗ Пластина с накладками, установленными ря­дом с небольшим зазором, с обваркой по кон- ж) -1,0 — 8,5 [79] туру То же, швы упрочнены многобойковым упроч - нителем -1,0 17,5 СтЗ Образец с накладками № 1, приваренными с двух сторон (без термической обработки) То же, отпуск при температуре 600° С 2 ч То же, нормализация при температуре 860— 880° С Нормализация при температуре 860—880° С после приварки накладок № 1, без термиче­ской обработки после приварки накладок № 2 3) О О о о Т ТТ 7 4.3 <3 * 7,5 * 9,5* <3* [85] СтЗ Пластина с односторонним ребром, приварен­ным угловыми швами и) —1,0 0 0 1,4 14 18 (ребро на растя­нутой стоооне) 29 (ребро на сжа­той стороне) [23] СтЗ Брус с ребрами, сваренными с полным про­плавлением к) -1,0 1,3 13,5 *** [115] • Пределы выносливости определены на базе 10’ циклов. ** То же, иа базе 2-10'. *** То же, на базе 10*. Примечание. Во всех остальных случаях база испытаний была 5-Ю* циклов.

Предел выносливости основного несущего элемента может значительно (в 2—4 раза) понизиться в результате присоединения к нему элемента, не передающего усилия. Сварка элементов вна­хлестку фланговыми швами приводит к большему понижению со­противления усталости, чем сварка лобовыми швами.

Б. Н. Дучинский в работе [46] показал, что приварка втавр угловыми швами ребра с одной или с обеих сторон основного эле­мента оказала меньшее влияние на предел выносливости, чем различные способы сварки. Однако известны другие исследования [15, 2021, в которых установлено, что при растяжении-сжатии по симметричному циклу приварка к элементу одного поперечного ребра двумя угловыми швами понизила предел выносливости ос­новного металла на 15 и 18%, а приварка двух ребер четырьмя угловыми швами — на 40 и 47%.

При пульсирующем растяжении (2-10® циклов) предел вынос­ливости для поперечных угловых швов составляет 7—16 кгс/мм2, а для продольных 5,5—10 кгс/мм2 [224].

Стабильность сопротивления усталости соединений с фланго­выми швами в основном связана с неизменностью высоких растя­гивающих остаточных напряжений у концов швов. В то же время в поперечных швах остаточные напряжения меняются в широких пределах [278]. Концентрация напряжений существенно зависит от плавности перехода шва к основному металлу.

Механическая обработка лобовых швов и скос накладок су­щественно снижают величину коэффициента Ко соединения (рис. 67).

Хорошие результаты получены на элементах, моделирующих приварку фасонок горизонтальных связей к поясным листам балок, а также приварку фасонок к растянутой части стенки ба­лок и место обрыва горизонтальных ребер. Концентрацию напря­жений в местах перехода от элемента к фасонке устраняли с по­мощью полного провара фасонки в месте примыкания к элементу, наплавления по концам фасонки носиков и последующей их обра­ботки наждачным кругом (R 65 мм) для обеспечения плавности перехода [20, 46].

Проведенные К. П. Боль­шаковым испытания на пере­менное растяжение сварных элементов из стали М16С (Н-образного сечения, высо-

Рис. 67. Зависимость эффективного коэффициента концентрации напряже­ний от характера механической обра­ботки лобовых швов и накладок (опыты Эфертца):

а шов не обработан; б — шов обра­ботан; в — пластина основного металла; г и д — шов и пластина обработаны
той 160 мм) с фасонками, приваренными встык к кромкам поясов с большим радиусом сопряжения (R = 45 мм) от пояса к фасонке, показали высокую эффективность по снижению концен­трации напряжений. Так, долговечность по трещинообразованию возросла в 6,5—11 раз, а по разрушению — в 5—9 раз. Влияние остаточных напряжений в этих образцах не проявилось [21 ].

Шлифование угловых швов в местах перехода к основному металлу в элементах с поперечными и продольными ребрами (см. рис. 65, л, м, н) повысило предел выносливости на 11— 20%.

Наиболее эффективным средством для повышения усталости сварных элементов с присоединенными элементами следует при­знать применение поверхностного наклепа [76, 79, 227, 251 ]. После поверхностного упрочнения угловых швов предел вынос­ливости пластин с приваренными ребрами при пульсиру­ющем растяжении (см. табл. 24) повысился на 25% [251]

и 75% [227].

Приварка двух накладок, с зазором 20 мм между швами, на пластину (см. рис. 65, ж), имитирующая узел сварной рамы те­лежки подвижного состава, вызывает резкую концентрацию на­пряжений и наводит высокие остаточные напряжения. В этом слу­чае упрочняющий наклеп повышает предел выносливости при изгибе образца (на базе 107 циклов) в 2 раза по сравнению с неу - прочненными образцами [79].

Приварка накладок к полкам швеллера резко снижает уста­лостную прочность элементов. Неблагоприятный эффект, вызывае­мый приваркой накладок лобовыми швами, полностью устраняется применением наклепа швов (см. рис. 65, а). У швеллеров с на­кладками, приваренными фланговыми швами, наклеп повысил пре­дел выносливости более чем на 75%, но не устранил полностью отрицательного влияния сварки (см. рис. 65, б).

Конструкция прикрепления дополнительного поясного листа значительно влияет на сопротивление усталости сварных балок [20, 249]. Сравнительные испытания сварных балок двутаврового сечения из стали СтЗ с различной конструкцией крепления (рис. 68, а - ж) обрываемого поясного листа (без его скоса и со скосом) проводили [20] по числу циклов до разрушения при на­пряжении атах = 17 кгс/мм2 (Ra 0,4—ь0,5). Наиболее высо­

кую усталостную прочность имели балки без скоса листа со швами, обработанными абразивным кругом (рис. 68, в, г, д), не получив­шие разрушений при /V 2-10е циклов, тогда как балки без об­работки шва (рис. 69, а, б) разрушились. Таким образом показано преимущество косых швов по сравнению с прямыми. Скос (не более 1 : 10) поясного листа (см. рис. 68, ж) заметно повышает сопротив­ление усталости балок. ВJpаботе [249] также показано, что пре­дел выносливости сварных балок можно повысить использованием различных форм концов поясных листов и наложением швов (табл. 26).

ПІННІШІЇ. ТТЛ I I 1 III ITT

s)

Рис. 69. Варианты прикрепления поясного листа в сварных балках

Применение скоса в поясных листах (рис. 69) и механической обработки швов приводит к снижению эффективного коэффициента концентрации напряжений и заметно увеличивает усталостную прочность балок из стали St37 (табл. 27).

В результате механической обработки (фрезой R 40 мм) угловых швов на конус (треугольной формы) обрываемого допол­нительного поясного листа элементов Н-образного сечения (вы­сотой 160 мм) из стали М160 [21 ] относительная долговечность образцов по трещинообразованию повысилась более чем в 1,8 раза при пульсирующем цикле и более чем в 11 раз при симметричном цикле. Повышение долговечности было получено при наличии остаточных напряжений. Следовательно, при снижении концен­трации напряжений одновременно уменьшается и вредное влияние на выносливость соединений остаточных напряжений.

При конструировании следует стремиться, по возможности, применять стыковые соединения листов вместо нахлесточных (см. табл. 26 и табл. 28).

Таблица 27 Влияние различной формы концов поясных листов на усталостные характеристики сварных балок (опыты Фолькхарда) Характеристика Тип балки с усилительным поясным листом (по рис. 69) а) б) *) г) Номинальные напряжения (кгс/мм8) в растянутом поясе балки при пуль­сирующем изгибе на базе 2-10® циклов........................................... 10 10-12 15-16 18 Ко... . 2,7 2,5 1,8 1,5

Сопротивление усталости балок с поясными листами,
сваренными встык, при пульсирующем растяжении

(сталь ASTM А 373; 0,22%^С;~о„ =Ч7^кгс/мма)^[249]

Усталостная прочность сварных двутавровых балок сущест­венно зависит от характера расположения швов при вварке ребер жесткости [158]. Самый низкий предел выносливости имели балки с ребрами, приваренными к стенке и обеим полкам (табл. 29). Наилучшие результаты получаются в том случае, если ребра не привариваются к растянутому поясу балки, в особенности, если дополнительно к этому еще не накладываются швы на Уа высоты стенки от растянутого пояса балки.

Предел выносливости балок с вваренными ребрами жесткости можно повысить обработкой швов и околошовной зоны поверх­ностным наклепом. Так, в работе [203] показано, что после дро­беструйной обработки прерывистых швов, приваривающих ребра жесткости, предел выносливости двутавровых прокатных балок (высотой 254 мм) при пульсирующем изгибе на базе 2*10® циклов возрос на 30% по сравнению с балками с неупрочненными швами.