Динамическая прочность сварных соединений.

Анализ разрушений многих устройств[23] показал, что разрушения вызваны либо вибрационными, либо повторно-ударными нагрузками. Одиночные “аварийные “ удары, возникающие в результате случайностей, в расчет принимать не следует.

Очень важным фактором, влияющим на прочность сварного соединения, является качество шва, поскольку каждый дефект в нем является источником концентрации напряжений. Для повышения вибрационной, ударной прочности конструкций необходимо стремиться к расположению сварных узлов в местах с минимальным напряжением. Так, если балка по длине состоит из 2-х частей и должна иметь соединение посередине на участке максимального момента, то рациональнее ее изготовить из 3-х частей и разместить сварные швы в менее напряженных местах. В сварных соединениях можно осуществить более рациональные типы соединений, чем в клепанных и болтовых. При этом необходимо иметь ввиду, что к свойствам стали, предназначенной для сварных конструкций, в связи с термическим воздействием сварки, должны быть предъявлены более высокие требования.

Установлено, что внутренние дефекты, связанные со свойствами электродов, не оказывают заметного влияния на вибрационную прочность сварных соединений из малоуглеродистых и низколегированных сталейсо стыковыми швами. Основным фактором является внешний вид шва, его очертание.

Предел выносливости сварного соединения зависит от абсолютных размеров детали. Чем больше размеры, тем ниже предел выносливости. Существуют две гипотезы, объясняющие эту особенность:

- с увеличением абсолютных размеров увеличивается поверхность с различными дефектами, находящаяся под действием максимальных напряжений. Под действием переменных напряжений в дефектных местах начинается разрушение в виде постепенно развивающихся трещин;

- благодаря механической обработке происходит значительное искусственное упрочнение поверхностных слоев в образцах и образование вблизи поверхности больших остаточных напряжений сжатия. Этот эффект и действие остаточных напряжений в поверхностных слоях значительно повышают выносливость на образцах малых размеров. С их увеличением повышается неоднородность металла по сечению детали, приводящая к снижению предела выносливости.

Кроме концентрации напряжений, на снижение предела выносливости сварных конструкций могут влиять химическая и структурная неоднородность границы сплавления.

Повысить вибрационную прочность сварных соединений из малоуглеродистых и низколегированных сталей можно поверхностной обработкой:

- заглаживание швов и мест перехода к основному металлу посредством механической обработкой (лезвийной или наждачным камнем);

- поверхностный наклеп дробью, обкаткой роликом, обработка пневматическими молотами.

При этом необходимо иметь ввиду, что повысить предел выносливости можно только в случае определенной степени наклепа. Чрезмерный наклеп приводит к снижению предела выносливости.

Термическая обработка в виде нормализации и отпуска практически не дает положительного эффекта.

Длительные наблюдения за сварными конструкциями позволили выдвинуть предположение, что более податливые узлы имеют более высокую вибрационную прочность. Это объясняется их меньшей чувствительностью к концентрации напряжений.

Повысить вибрационную прочность сварных соединений из малоуглеродистых и низколегированных сталей можно следующим образом: 1. Применением косых швов. 2. Выполнением плавных переходов от шва к основному металлу. 3. Выполнение сварных швов с полным проплавлением (на всю толщину стенки). 4. Применение соединений со скошенными накладками и обваркой по всему контуру. 5. Применением стыкового шва вместо соединения внахлестку.

Закрепление теплообменных труб в досках (решетках) трубных (рис.7.10).

В связи с тем, что узлы крепления теплообменных труб работают при значительных температурных, статических и динамических нагрузках к их выполнению предъявляются особые требования.

Опыт изготовления промышленных теплообменных аппаратов из углеродистых и легированных сталей, содержащих стальные трубы, позволил остановиться на следующих необходимых операциях:

1. Подвальцовка на глубину 2-7 мм, т.е. устранение радиального зазора между трубой и ложем отверстия.

Рис. 7.10

Узлы крепления теплообменных труб:

1- доска (решетка) трубная; 2- труба;

3- сварной шов.

2. Обварка по всему периметру выступающего конца трубы.

3. Вальцовка участка трубы за пределами зоны сплавления.

Здесь остановимся на 2-й операции.

Наиболее простым и широко применяемым способом является сварка неплавящимся электродом без присадки. Чаще всего ее выполняют в атмосфере аргона. Такой способ осуществляется путем местного расплавления прилегающих участков соединяемых деталей

Исследования[24] показали, что при сварке перлитных сталей соединение с утопленной в отверстие трубой в 4-5 раз меньше выдерживает термических циклов нагружений, нежели в случае расположения торца трубы заподлицо с “зеркалом” доски трубной или с выступом. Оказалось, что величина выступа влияет на ряд параметром шва:

Рис. 7.11

Дефекты в сварном шве.

(трещина)

(непровар).

- глубина проплавления максимальна при выступе 1- 2 мм и снижается для меньших или бо¢льших его значениях;

- ширина проплавления параболически растет с увеличением размеров выступа трубы;

- величина наплыва экспоненциально растет с увеличением размеров выступа трубы.

Сварку труб с досками трубными с применением присадки производят тогда, когда требуется увеличенное сечение шва или когда сварка без присадки приводит к нежелательным структурным превращениям, ухудшающим прочностные и пластические характеристики соединения. Такая сварка может осуществляться как неплавящимися, так и плавящимися электродами.

Вид дефекта в форме трещины и непроплавления показан на рис.7.11.