Файл: Труфяков, В. И. Усталость сварных соединений.pdf

Глава III.

СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ СОЕДИНЕНИЙ

ВИСХОДНОМ СОСТОЯНИИ

Воснову расчетных сопротивлений или допускаемых напряжений сварных соединений по условиям усталости в настоящее время положены результаты испытаний сварных образцов, повторяющих лишь форму соединения. При их изготовлении не обращалось внимания на оста­ точную напряженность образцов. Как правило, они вы­ резались из общей сварной заготовки, имели небольшое сечение, остаточные напряжения в них не соответство­ вали таковым в реальных соединениях. Испытания про­ водились до полного излома на базе 2 млн. циклов.

После уточнения основных положений методики уста­ лостных испытаний сварных соединений возникла необхо­ димость в проведении значительных экспериментальных работ по оценке выносливости основных видов соедине­ ний с учетом влияния всех основных факторов, определя­ ющих несущую способность реальных конструкций. В этой связи ИЭС им. Е. О. Патона были поставлены си­ стематические испытания, проводившиеся в течение ряда лет. Результаты этих испытаний в сопоставлении с дан­ ными других исследований приводятся ниже.

1. Малоуглеродистые стали

Наиболее полные исследования усталости сварных со­ единений выполнялись на образцах из малоуглеродистых сталей, широко используемых в рассматриваемых конструкциях. Основная цель проведения этих исследований заключалась в получении таких значений пределов выносливости, которые отвечали бы сопротив­ лению усталости реальных соединений, когда остаточная напря­ женность в них достигает максимальных значений. Попутно вы­ яснилось влияние на долговечность соединений химического со­ става стали, способа ее раскисления, термического' упрочнения, режима сварки и вида разделки стыковых швов.

Исследования выполнялись в соответствии с основными положе­ ниями, изложенными в гл. I I . Образцы имели достаточное сечение для того, чтобы остаточные напряжения могли достигать максиму­ ма, а при испытаниях на изгиб не проявился эффект поддерживаю­ щих сил. Чаще всего образцы имели ширину 200 мм и толщину 26— 30 мм. В тех случаях, когда остаточные напряжения не оказывали

78

Стыковые швы обычно V-образной формы выполнялись меха­ низированной сваркой. В образцах толщиной 46 мм была принята Х-образная разделка кромок, а в пластинах толщиной 16лши менее стыки не имели скосов (табл. 14). Каждый образец сваривался

Т а б л и ц а 14. Разделка кромок и режимы сварки

6Сf

отдельно; начало и конец стыкового шва располагались на выводных планках, привариваемых к пластине. После сварки удалялись план­ ки и строгались кромки пластин. Остальные виды соединений сва­ ривались вручную. По качеству соединения удовлетворяли требо­ ваниям, установленным для ответственных конструкций при обыч­ ном способе контроля.

Образцы испытывались при осевом нагружении и на плоский изгиб. Пределы выносливости каждого вида соединения определя­ лись при симметричном и пульсирующем циклах напряжений. Не­ которые соединения дополнительно испытывались при г = +0,3; +0,5 и +0,75.

Переменное осевое нагружение выполнялось на универсальной испытательной машине ЦДМ-200пу с пульсаторами двустороннего действия. Частота нагружения этих образцов равнялась 5 гц.

Для испытания больших образцов на изгиб в ИЭС им. Е. О. Патоиа была изготовлена [156] электромагнитная виброустановка резонансного действия (рис. 49). Машина позволяет испытывать

79

на плоский изгиб консольные образцы сечением до 10 ООО ммг с мо­ ментом инерции до 1 700 ООО мм*. В зависимости от сечения и длины

силами притяжения электромагнита 4, возникающими при прохож­ дении магнитного потока через образец 2. Наибольших размеров они достигают при частотах, близких к собственным частотам ко­ лебания образцов. Вследствие большой индуктивности электро­

Если испытания выполняются при асимметричном цикле напря­ жений, дополнительно включается мощный электромагнит 8, который питается от генератора постоянного тока 7. Этот электро­ магнит создает в образце требуемую постоянную составляющую напряжений. При наложении на нее переменных напряжений полу­ чается требуемый асимметричный цикл. Коэффициент асимметрии зависит от соотношения постоянной и переменной составляющих и может меняться от —1,0 до +0,6. Чтобы избежать наложения двух различных магнитных потоков, к образцу 2 в месте действия электромагнитов крепится стальная пластина 6, являющаяся от­ дельным магнитопроводом (ярмом) одного из электромагнитов. Подбор заданного напряжения осуществляется с помощью электри­ ческих датчиков сопротивления, наклеенных на образец.

Для обеспечения заданного в соединении напряжения на про­ тяжении всего' периода испытаний установка имеет устройство для автоматического поддержания амплитуды колебания образца. Дат­ чиком служат две упругие изолированные пластинки, находящиеся на различных уровнях по высоте (разность уровней 0,1—0,15 мм). При заданной амплитуде колебаний образца его свободный конец контактирует лишь с одной пластинкой. Как только амплитуда колебаний увеличивается и образец начинает контактировать с обеими пластинками, срабатывает реле, включающее привод пол­ зунка реостата, с помощью которого регулируется частота колеба­ ний. Если амплитуда колебаний уменьшается по сравнению с за-

80

данной и образец не контактирует с пластинками, ползунок реоста­ та перемещается в обратном направлении.

Напряжения измерялись проволочными датчиками сопротивле­ ния с базой 10 мм с помощью тензометрической станции УД-ЗМ (ИМАШ). На каждый образец наклеивалось шесть датчиков, по три в одном сечении. Показания датчиков регистрировались по­ очередно, что позволяло увеличить масштаб осциллограмм. По­ следовательное включение датчиков осуществлялось автомати­ чески.

Испытания, как правило, выполнялись непрерывно до образо­ вания усталостных трещин глубиной 2—3 мм. Отдельные образцы имели трещины глубиной 1 и 4 мм. Прекращение усталостных испыта­ ний в стадии развития трещины требует некоторого навыка по ее обнаружению и установлению глубины. Для этих целей ис­ пользовался ультразвуковой дефектоскоп УЗД-7Н. Поскольку места зарождения усталостных трещин в сварных образцах чаще всего известны, объем прозвучивания не был большим. Из несколь­ ких частот, на которые рассчитан прибор, для обнаружения уста­ лостных трещин выбиралась большая, равна 2,5 Мгц. Для лучшего акустического контакта поверхность образца в местах прохождения щупа смачивалась трансформаторным маслом. Особенно тщательно соединение прозвучивалось до испытания. Сигналы на экране осциллографической трубки, появлявшиеся при первоначальном прозвучивании, запоминались или же о них делались пометки на схе­ матическом чертеже соединения. Обычно величина таких сигналов в последующем не возрастала. Появление же нового растущего сигнала с течением времени указывало, что трещина зародилась. Испытания прекращались после того, как сигнал достигал уровня, отмеченного на экране. Уровень устанавливался при тарировании прибора иа пластинах (такой же толщины, как и образец) с канав­ ками определенной глубины или же по размерам усталостных тре­ щин, обнаруженных в предыдущих образцах и замеренных после их долома. Начало прозвучивания и периодичность его проведения после обнаружения трещин зависели от типа образца, уровня на­ пряжений и вида нагружения. Такой метод обнаружения усталост­ ных трещин и определения их размеров достаточно надежен, но не­ сколько громоздок.

Позднее был освоен визуальный способ обнаружения усталост­ ных трещин с помощью керосина и масла. Затекая в усталостную трещину, смесь при каждом цикле нагружения частично выжима­ ется из нее и образует на поверхности образца небольшие пузырь­ ки. Смесь наносится кисточкой и перед наблюдением сдувается. Осматриваемая поверхность должна хорошо освещаться. О глубине трещины судят по интенсивности пузырения. При глубине 1—3 мм пузырьки заметны невооруженным глазом. Состояние поверхности не имеет существенного значения. Этот метод фиксации трещин бо­ лее субъективен. Но при достаточном опыте он дает вполне удов­ летворительные результаты. Замеры, проведенные после раскрытия