Сварные соединения при переменных нагрузках

Размеры швов выбирают из условия равнопрочности основного металла и шва при статическом нагружении. Однако при действии переменных нагрузок (обозначим их F − var) прочность сварных соединений снижается.

Эффективными средствами повышения прочности сварных соединений при F – var являются:

1) наклеп поверхности дробью, ультразвуковым ударом специальных головок, чеканка;

2) предварительная подготовка кромок шва (например, в тавровых соединениях со скосами кромок прочность в 1,5 раза выше, чем без разделки кромок);

3) выполнение лобовых швов с отношением катетов 1:3 с плавной формой перехода к основному металлу;

4) отжиг швов для снятия остаточных напряжений и др.

Расчет на сопротивление усталости при F - var проводят путем определения коэффициента безопасности S _σ (или S _τ) в околошовной зоне основного металла и сравнения его с допускаемым [ S _σ] (или [ S _τ]):

S _σ= σ _RK_N /σ_max ≥ [ S _σ], (7)

где σ _R − предел выносливости сварного соединения при асимметричном цикле нагружения с коэффициентом асимметрии R=F _min /F _max;

K_N – коэффициент долговечности; K_N = (N_G / N)^{1/ m} ≥1,

где N − заданное число циклов нагружения;

m = 12/ K _σ − показатель степени в уравнении кривой усталости;

σ_max = (σ _m + σ _a) – максимальное напряжение цикла:

σ _m = σ_max (1 + R) / 2 − среднее напряжение,

σ _a = σ_max (1 – R) / 2 − амплитуда напряжений;

[ S _σ] = 1,4…2,5 – для машиностроительных конструкций.

То же в формуле (7) и для напряжений τ с заменой символов σ на τ.

Для сварных деталей предел выносливости σ _R − максимальное по модулю напряжение цикла, при котором еще не происходит усталостного разрушения до базового числа циклов N_G = 2,7∙10⁶.

Из диаграммы предельных напряжений («Сопротивление материалов»)

σ _R = 2σ_-1св/[1 + ψ_σ – R (1 – ψ_σ)], (8)

где ψ_σ - коэффициент чувствительности сварного соединения к асимметрии цикла: ψ_σ = 0,2 при K _σ < 2; ψ_σ = 0,05 при K _σ ≥2, где K _σ - эффективный коэффициент концентрации напряжений (отношение предела выносливости целого образца к пределу выносливости сварного):

1) для стыковых соединений K _σ = 1,2…1,6 (меньшие значения при автоматической сварке, большие при ручной);

2) для угловых швов нахлесточных соединений:

а) лобовой шов K _σ = 1,6…3,2;

б) фланговый шов K _σ= 3,4…4,4;

3) для тавровых соединений K _σ = 2,5…4;

4) для контактной сварки:

а) точечной K _σ = 7,5…12;

б) шовной K _σ = 5…7,5.

Предел выносливости сварных деталей

σ_-1св= σ_-1 / K _св, (9)

где σ_-1 - предел выносливости основного металла при симметричном цикле. Для стали ориентировочно можно принять σ_-1= 0,43σ_В;

K _св - коэффициент снижения σ_-1 с учетом основных факторов, влияющих на усталость сварного соединения.

В настоящее время наибольший опыт расчетов и нормативов имеется в локомотиво- и краностроении. По их данным

K _св = K _σ∙ K ₁∙ K ₂/(K_d∙K_F), (10)

где K ₁ - коэффициент, учитывающий влияние неоднородности металла свариваемых деталей:

- для проката, поковок, штамповок К ₁ = 1,1;

- для литья К ₁ = 1,2…1,3;

К ₂ - коэффициент, учитывающий влияние габаритных размеров деталей:

− при размерах до 250 мм K ₂= 1;

− при размерах 250…1000 мм K ₂= 1,0…1,2;

К_d - коэффициент, учитывающий влияние длины l сварного шва: для фланговых швов нахлесточного соединения при l = 40…200 мм К_d = 0,91…0,59; для других швов К_d = 1;

К_F - коэффициент, учитывающий качество поверхности сварного соединения:

- для стальных литых деталей после пескоструйной обработки К_F = 0,8

- после грубой механической обработки К_F = 0,8…0,85;

- после чистовой обработки К_F = 0,9.

Наибольшую прочность при F- var имеют стыковые соединения.

Одним из основных факторов, влияющих на ударную выносливость соединения, является очертание шва (плавность перехода к основному металлу). Наиболее действенными способами повышения ударной выносливости является заглаживание швов и мест перехода к основному металлу, а также поверхностный наклеп дробью или плавно молотками. Но при малом количестве циклов эффект применения наклепа уменьшается, наклеп снижает пластичность, что нежелательно для конструкций, работающих при низких температурах, предложен метод аргонодугового оплавления.