Сварные конструкции (часть 1) (1085844), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

Отрицательное влияние термического цикла на околошовную зону может проявляться в росте зерна вблизи линии сплавления, понижении пластичности металла в зоне, испытавшей перекристал­лизацию, понижении прочности в зоне высокого отпуска, если основной металл перед сваркой находился в термически обрабо­танном состоянии. Степень указанных воздействий может меняться в зависимости от термического цикла сварки, химического состава стали и ее термической обработки до сварки. Прочность сварных стыковых соединений может зависеть от концентрации напряжений в месте перехода от шва к основному металлу, а также от абсолют­ных и относительных размеров зон с различными свойствами (мяг­кие и твердые прослойки). Следует отметить, что чем выше уровень прочности основного металла и его чувствительность к концентра­торам напряжений, тем труднее обеспечить в конструкции равнопрочность сварного соединения и основного металла. В этих слу­чаях может потребоваться как термическая обработка сварного соединения, так и его механическая обработка для уменьшения концентрации напряжений или даже термомеханическая обработка соединений, заключающаяся в пластической деформации металла сварного соединения перед термической обработкой.

Закономерности протекания пластической деформации и разру­шения стыковых соединений при их нагружении весьма близки к рассмотренным в § 3 для соединений с прослойками. Влияния, вносимые концентрацией напряжений, как правило, несущественны, если рассматривается поведение стыкового соединения с полным проваром из пластичных металлов и при однократном статическом нагружении. Высокопрочные материалы, которые весьма чувстви­тельны к концентрации напряжений, разрушаются обычно в зоне перехода от шва к основному металлу, где имеется концентрация напряжений.

§ 5. Механические свойства стыковых сварных соединений из цветных сплавов

Получить равнопрочные сварные соединения из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов сложнее, чем из сталей. Во многих случаях соединения из этих сплавов оказываются неравнопрочными с основным металлом.

Алюминиевые сплавы. На механические свойства сварных со­единений из алюминиевых сплавов оказывают существенное влия­ние степень защиты зоны расплавленного металла от воздуха, ко­личество содержащихся в защитном инертном газе примесей кисло­рода и азота, состав присадочной проволоки, степень очистки основного металла и присадочной проволоки от окислов и загрязнении, способ сварки, толщина металла.

Для сплавов невысокой прочности, а также для сплавов, нахо­дящихся в ненаклепанном состоянии, предел прочности сварных
соединений приближается к пределу прочности основного металла.

Некоторые алюминиевые сплавы свариваются, будучи в накле­панном состоянии. Термическое воздействие сварки снимает наклеп в широкой зоне, вследствие чего прочность таких соединений оказывается на уровне отожженных и горячекатаных сплавов (рис. 3.18). Восстановить прочность таких соединений можно только

за счет пластической деформации

металла специальной прокаткой

роликом сварных соединений.

В алюминиевых сплавах, которые в исходном состоянии терми­чески упрочнены, соединения после сварки существенно уступают по прочности основному металлу. Термической обработкой и ста­рением удается заметно повысить прочность сварных соединений и приблизиться к уровню прочности основного металла (рис. 3.19). После полной термической обработки сплава Д20 прочность свар­ного соединения составляет 90—95 % от прочности основного ме­талла. В соединениях из разнородных сплавов прочность зависит от менее прочного сплава и присадочного металла.

Большинство алюминиевых сплавов хорошо свариваются кон­тактной сваркой. Современное оборудование и технология обеспе­чивают соединение деталей из алюминиевых сплавов малой и сред ней толщины (рис. 3.20). Прочность на отрыв из-за высокой концентрации напряжений заметно ниже прочности на срез.

Магниевые сплавы. Прочность сварных соединений магниевых сплавов также составляет 70—100 % от прочности основного ме­талла. П римерно равнопрочными основному металлу оказываются со­единения из термически неупрочняемых магниевых сплавов типа МА2-1. Для других сплавов прочность соединений может быть по­вышена применением присадочных материалов, измельчающих структуру металла шва, например с добавками редкоземельных элементов, а также термической обработкой. Уровень прочности и пластичности сварных со­единений некоторых магниевых сплавов показан на рис. 3.21.

Титановые сплавы. Пре­дел прочности титановых сплавов в зависимости от ле­гирования и термической об­работки в основном колеблет­ся от 500 до 1300 МПа. Для большинства титановых спла­вов средней прочности харак­терна относительно невысо­кая пластичность по углу загиба (α≤80÷100°)и относительному удлинению (δ₅ = 8÷15 %).

з.мм

Рис. 3.20. Разрушающие усилия Р на срез (а) и на отрыв (б) для сварных то­чечных соединений в зависимости от тол­щины металла s:

/ — АМц; 2 — АМгЗ: 3 — АМг5; 4 ~ АМгб;

5 — АМгб1; 6 — Д16АМ. Д20АМ; 7 — Д16АТ.

B95TI

Прочность сварных соеди­нений, как правило, близка к прочности основного метал­ла. Пластичность сварных соединений зависит от соста­ва и структуры шва, а так­же от характера структурных превращений в околошовной зоне под влиянием термиче­ского цикла сварки. Литая структура шва понижает его пластичность, но ее можно повысить соответствующим выбором присадочного металла и последующей термиче­ской обработкой: отжигом, закалкой со старением, не­полным отжигом для сниже­ния остаточных напряжений. Пластичность околошовной зоны существенно зависит от структуры сплава. Сплавы c α -структурой (ВТ1, ВТ5), не изменяющие ее при сварке, а также сплавы с небольшим содержанием B-фазы (ОТ4, ВТ4, ВТ20, АТ2, АТЗ, АТ4) имеют после сварки достаточную пластичность свар­ного соединения. Мартенситные титановые сплавы (ВТ6, ВТ14, ВТЗ-1) после сварки имеют низкую пластичность и подвергаются отжигу.

Для некоторых цветных сплавов, в частности алюминиевых, с целью обеспечения равнопрочности основного металла и сварного соединения, но главным образом для уменьшения массы, делают утолщение металла в зоне сварного соединения. Это можно достичь

J1OU

МА9

МА!

МЛ2-1

МАВ МАП

Рис. 3.21. Пределы прочности и угол загиба сварных соединений магниевых сплавов:

О_ — предел прочности основного металла; а_в — предел проч­ности сварного соединения; а — угол загиба сварного соедине­ния

осадкой краев листа перед сваркой, но обычно механическим или химическим фрезерованием производят утонение всех участков сварной конструкции до или после сварки, исключая зону разупроч­нения.

§ 6. Прочность и пластичность угловых швов

Угловые швы работают в крайне разнообразных условиях дей­ствия нагрузок. В тавровых соединениях они могут выполняться как с полным, так и с неполным проваром. В нахлесточных соеди­нениях угловые швы в зависимости от направления сил работают либо как лобовые, либо как фланговые, а в некоторых случаях вос­принимают комбинированные нагрузки.

Распределение напряжений в угловых швах крайне неравно­мерно, непровары при ограниченной пластичности металла шва могут существенно влиять на их прочность. У соединений пластич­ных металлов разрушению предшествует существенная пластическая деформация, что позволяет оперировать средними по сечению напря­жениями и влияние концентраторов напряжений во внимание не принимать.

Рассмотрим вначале прочность и пластичность угловых швов, выполненных из пластичных металлов, по свойствам близким основному металлу. Как показывают экспериментальные данные, в этом случае наибольшие пластические деформации при нагрузке и последующее начальное разрушение возникают вблизи такого се­чения On (рис. 3.22), в котором интенсивность напряжений σi. вы­численная по средним напряжениям, является максимальной. Угол, образованный этой плоскостью с осью Оу, обозначим φ. Для опре­деления положения этой плоскости вычислим напряжения σi. Сила Р в общем случае может быть направлена произвольно. Раз­ложим силу Р на две составляющие: Р_х, направленную вдоль угло­вого шва, и Рα, расположенную в плоскости yz. Сила Р_х вызывает касательные напряжения τ_х вдоль шва. Определим длину отрез­ка ОА при равных катетах К шва:

(3.18)

О А = K/√2 cos (φ - 45^е)]. Касательные напряжения в плоскости On

τ_х =√2 Р_х cos (φ - 45^е)/(Kl) (3.19)

где l— длина шва.

Наибольшие касательные напряжения τ_х будут в сечении с φ = 45°; они составят

τ_хmах = √2Pх/(К1).(3.20)

Определим средние напряжения в шве от силы Рα. В сечении On, расположенном под углом φ, будут воз­никать как нормальные а_а, так и касательные г_а напряжения.

Рис. 3.22. Разложение силы Р на составляющие Р_х и Р_а для
определения положения плоскости On с максимальной ин-
тенсивностью напряжений σi

Проекция силы Рα на ось On будет уравновешена касательными напряжениями т_а, а проекция силы Рα на перпендикулярную к On ось будет уравновешена нормальными напряжениями σα . Проекция силы Рα на ось On, обозначенная Р_т, равна

Р τ= Рα cos (180° - α - φ) = -- Р_а cos (α + φ). Касательные напряжения

τα == - √2 Рα cos (α + φ) cos (φ - 45°)/(Kl).

Именно в этом сечении начнутся и будут интенсивно развиваться пластические деформации по мере роста нагрузки. В соседних

у частках также будет развиваться пластическая де-

формация по мере упроч­нения металла в наиболее нагруженном сечении. На рис. 3.23 показаны линии одинаковых интенсивностей пластических дефор­маций εi_пл , полученные

Рис. 3.23. Линии одинаковых интенсивкостей пластических деформаций е₍- в углоиом тав­ровом шве

расчетом по теории тече­ния. Видно, что они сгу­щаются вблизи максималь­но нагруженного сечения Он. Если металл находит­ся в вязком состоянии, то последующее разрушение происходит в основном по этой же плоскости On. По мере снижения вязкости металла характерно откло­нение плоскости последу­ющего разрушения в сто­рону, обеспечивающую преобладание нормального отрыва, т. е. к линии Ok, несмотря на то что эта плоскость менее нагружена.

Прочность угловых швов зависит от свойств металла и направ­ления нагрузки Р (см. рис. 3.22). Прочность шва увеличивается по мере перехода от схемы нагружения шва на срез к схеме нагруж ения на отрыв. Наименьшую прочность угловые швы имеют когда сила Р направлена вдоль шва (угол γ = 0). Наибольшая проч­ность будет при v = 90°, а = 45°; наименьшее сечение при этом

Рис. 3.24. Результаты испытаний сварных соединений с угловыми швами в за­висимости от направления нагрузки, определяемого углами а и у:

а — испытания на прочность; б — испытания на пластичность

работает на разрыв. Следует отметить, что в этом случае попереч­ного утонения швов, как при растяжении гладких образцов, не наблюдается. На рис. 3.24 показаны результаты испытаний угловых швов на прочность и на пластичность, когда углы а и у направления нагрузки изменялись от 0 до 90°. Коэффициент увеличения проч­ности С=Pразр/Pразр.фл выражает отношение прочности угловогошва при произвольном направлении нагрузки к прочности фланго­вого шва. Пластичность металла шва оценивали как ε_пл = Δ_пл/BK, где Δ_пл — пластическое перемещение в угловом шве, предшеству­ющее его разрушению; BK—наименьшее сечение шва. Значение Д_пл определялось измерением перемещения одной детали образца относительно другой в направлении приложения силы Р. Сварные соединения выполнялись на СтЗпс проволокой Св-08 под флюсом АН-348А «в лодочку» и имели швы с катетом К = б мм.

Характеристики

Список файлов книги