Расчет сварных соединений на усталостную прочность

9. Расчет сварных соединений на усталостную прочность

Детали машин и оборудования, при изготовлении которых используется сварка, имеют ряд особенностей, приводящих к необходимости выделения их в особую группу при рассмотрении вопросов прочности.

К этим особенностям относятся:

- повышенная концентрация напряжений в сварных соединениях;

- остаточные напряжения, возникающие при сварке;

- различие механических свойств металлов основного, сварного шва и переходной зоны;

- наличие дефектов сварки (непровары, подрезы, холодные и горячие трещины, поры и т.п.).

В неблагоприятных случаях пределы выносливости сварных деталей при симметричном цикле могут снижаться до значений 15…20 МПа при пределе выносливости основного металла 200…300 МПа.

На рис. 31 показано распределение напряжений в стыковых швах без наличия и при наличии дефектов, а также теоретические коэффициенты концентрации напряжений  для этих случаев.

Рекомендуемые материалы

Наклеп поверхности после удаления утолщения сварного шва (например, чеканкой) позволяет существенно повысить предел его  выносливости или даже уравнять его с пределом выносливости основного металла.

В лобовых швах (рис.32), расположенных перпендикулярно направлению действующей нагрузки, может возникать очень резкая концентрация напряжений.

Вследствие неравномерного нагрева деталей при сварке, возникающих при этом пластических деформаций сжатия в зоне шва, а также возможных фазовых превращений, связанных с изменением объема, в сварных деталях возникают значительные остаточные напряжения. В зоне шва эти напряжения являются растягивающими и могут достигать предела текучести основного металла.

Рис.31. Распределение напряжений в стыковых швах:

а – шов без дефектов (=1,3…2,5);

 б – шов с непроваром (>1,7…2,0);

                                           в – шов с подрезом (>1,5…20,0)

Рис.32. Распределение напряжений в швах соединений в тавр:

а) без скоса кромок;

б) двухсторонний скос кромок;

в) со скосом кромок и механической обработкой швов

На рис. 32:

а) =3,38; =2,4…2,6;

б) =1,17; =1,2…1,4;

в) =1,1; =1,1…1,2.

Остаточные напряжения приводят к деформации конструкции (короблению) и хрупкому разрушению, снижают сопротивление усталости.

Влияние остаточных напряжений на сопротивление усталости сварных соединений связано с характером диаграммы предельных амплитуд при симметричных циклах (см. рис. 7). Постоянные во времени остаточные напряжения , складываясь с рабочими напряжениями , изменяющимися, например, по симметричному циклу, образуют асимметричный цикл со средним напряжением  и амплитудой . Если остаточные напряжения являются растягивающими, то рабочая точка на диаграмме от симметричного цикла сдвигается вправо в сторону меньших амплитуд. Относительное уменьшение предельной амплитуды при  составляет

                            .               (131)

При  =0,2 и  получается, что остаточные напряжения могут снижать предел выносливости сварного соединения более чем на 20…30%.

Для уменьшения остаточных напряжений применяют отжиг или отпуск сварных соединений. Однако при этом может происходить разупрочнение металла шва и околошовной зоны, приводящие к снижению сопротивления усталости. Результирующий эффект зависит от суммарного влияния этих факторов.

С повышением абсолютных размеров свариваемых элементов (ширины и толщины пластин) увеличиваются остаточные растягивающие напряжения, что приводит к дополнительному снижению пределов выносливости, т.е. к влиянию масштабного фактора. В качестве примера в табл. 12 представлены пределы выносливости стыковых соединений из углеродистой стали М16С (s_в=420 МПа).

В настоящее время разработаны и широко применяются в промышленности конструктивные и технологические методы повышения сопротивления усталости сварных соединений.

В табл.13 приведены обобщенные данные о повышении пределов выносливости (%), в результате применения различных технологических методов поверхностного упрочнения сварных соединений из низкоуглеродистых

Таблица 12

* - Образцы помимо стыкового шва имели продольно наплавленный валик

и низколегированных сталей (расчетное число циклов ). Из табл.13 видно, что в ряде случаев пределы выносливости могут быть повышены на 100…280 %. Особенно эффективными методами являются механическая и аргонодуговая обработки швов, а также поверхностное пластическое деформирование швов и околошовной зоны.

                                                                                     Таблица 13

Примечание. Приведенные данные в числителе относятся к повышению пределов выносливости при r= -1; в знаменателе - при r=0

Для определения запаса усталостной прочности может быть использована формула

,                                  (132)

где    =0,1…0,2 для низкоуглеродистых сталей;

=0,2…0,3 для среднеуглеродистых сталей.

.

В краностроении расчет сварных конструкций при переменных нагрузках выполняют по допускаемым напряжениям, которые получают путем умножения допускаемых значений напряжений при статических нагрузках [s] на коэффициент g, получаемый опытным путем:

                            ,                           (133)

где a и b – коэффициенты, характеризующие материал.

В краностроении:

- для углеродистой стали a=0,6; b=0,2;

- для низколегированной стали a=0,9; b=0,3.

Верхние знаки в знаменателе дроби формулы (133) соответствуют расчету при растягивающих, а нижние – при сжимающих значениях s_max в цикле напряжений.

Если конструкция рассчитывается на ограниченный срок службы, то вводится уточнение

                                               ,                                   (134)

где    N_р – число циклов отработки конструкции за установленный срок службы ();

Вам также может быть полезна лекция "8.5 Художественная культура и искусство".

         u=.

Для предварительной оценки значения N_р можно пользоваться нормами для крановых конструкций, установленными Европейской административной федерацией, в зависимости от вида нагружения:

- случайное, периодическое ……………………6,3*10⁴;

- постоянное неинтенсивное……………………2,0*10⁵;

- постоянное интенсивное………………………6,3*10⁵;

- непрерывное очень интенсивное………………2,0*10⁶.