Понимание усталостной прочности сварных конструкций

Причины усталостного разрушения сварных конструкций

Причины усталостного разрушения сварных конструкций в основном включают следующие аспекты:

① Объективно статическая несущая способность сварных соединений, как правило, не слабее, чем у основного металла. Однако при воздействии переменных динамических нагрузок их способность значительно снижается и тесно связана с типом сварного соединения и конструкции. Это является одной из основных причин преждевременного разрушения некоторых конструкций из-за усталости в сварные соединения.

② Рано сварочная конструкция При проектировании основное внимание уделялось статической прочности при нагрузке, игнорируя усталостную прочность. Некоторые конструкции сварных соединений в настоящее время считаются нецелесообразными из-за отсутствия совершенных спецификаций усталостного расчета.

③ Проектировщики и технические специалисты не имеют достаточных знаний о характеристиках усталостной прочности сварных конструкций, что приводит к созданию конструкций, которые часто копируют критерии усталостного расчета и структурные формы других металлических конструкций.

④ Сварные конструкции становятся все более распространенными, а в процессе проектирования и производства наблюдается тенденция к созданию недорогих и легких конструкций, что приводит к увеличению расчетных нагрузок на эти конструкции.

⑤ По мере продвижения сварных конструкций к высоким скоростям и большим нагрузкам, требования к их динамической несущей способности продолжают расти. Однако уровень исследований в области усталостная прочность сварных конструкций остается недостаточным.

2. Причины усталостного разрушения сварной конструкции

2.1 Влияние силы статической нагрузки на усталостную прочность сварной конструкции

При изучении материалов из железа и стали исследователи стремятся к высокой удельной прочности, то есть способности выдерживать большие нагрузки при малом весе. Это позволяет конструкциям иметь большую несущую способность при сохранении прежнего веса или иметь ту же способность при меньшем весе. В результате была разработана высокопрочная сталь, которая может похвастаться высокой усталостной прочностью.

Усталостная прочность цветных металлов возрастает с увеличением статической нагрузки. Однако для сварных конструкций это не так. Усталостная прочность сварных соединений имеет ограниченную корреляцию со статической прочностью основного металла, металла шва, микроструктурой и свойствами зоны термического влияния, а также прочностным соответствием металла шва.

Другими словами, при одинаковых деталях сварного соединения усталостная прочность высокопрочной и низкоуглеродистой стали одинакова, и они демонстрируют одинаковую кривую S-N. Это относится к различным типам соединений, таким как стыковые, угловые и сварные балки.

Мэддокс провел исследование роста усталостных трещин в углеродисто-марганцевой стали с пределом текучести от 386 до 636 МПа, а также металла шва и зон термического влияния, сваренных с использованием шести различных электродов.

Результаты показывают, что механические свойства материала оказывают некоторое влияние на скорость роста трещин, но это влияние не является значительным.

При проектировании сварных конструкций, подверженных знакопеременным нагрузкам, выбор высокопрочной стали не имеет смысла для удовлетворения технических требований. Высокопрочная сталь необходима для основного металла сварного соединения только в том случае, если коэффициент напряжений превышает +0,5, а условие статической прочности играет доминирующую роль.

Причиной таких результатов является наличие дефектов в виде шлаковых клиньев, похожих на подрезы вдоль линии сплавления в носке шва, толщиной от 0,075 мм до 0,5 мм и радиусом вершины менее 0,015 мм. Острые дефекты являются зарождением усталостных трещин, что соответствует стадии образования усталостной трещины.

Поэтому усталостная долговечность соединения при определенной амплитуде напряжения в основном определяется стадией распространения усталостной трещины. Эти дефекты приводят к тому, что для всех сталей, имеющих одинаковую усталостную прочность, независимо от статической прочности основного металла и сварочных материалов, сварные соединения получаются одного типа.

2.2 Влияние концентрации напряжений на усталостную прочность

2.2.1 Влияние типа соединения

К сварным соединениям относятся стыковые, крестообразные, Т-образные и нахлесточные. Эти соединения подвержены концентрации напряжений из-за вмешательства силовой линии передачи.

Интерференция линий напряжений в стыковых соединениях минимальна, что приводит к низкой концентрации напряжений и более высокой усталостной прочности по сравнению с другими соединениями. Однако эксперименты показали, что усталостная прочность стыковых соединений может сильно варьироваться из-за различных факторов, таких как размер образца, форма канавки, метод сварки, тип электрода, положение сварки, форма шва, послесварочная обработка шва и послесварочная термообработка.

Использование постоянной подкладной пластины в стыковом соединении может вызвать значительную концентрацию напряжений на подкладной пластине и снизить усталостную прочность соединения. Усталостные трещины в этом типе соединения возникают в месте соединения сварного шва с опорной пластиной, а не в носке шва, и его усталостная прочность обычно равна усталостной прочности стыкового соединения худшей формы без опорной пластины.

Крестообразные и Т-образные соединения широко используются в сварных конструкциях.

В этих несущих соединениях очевидное изменение сечения при переходе от сварного шва к основному металлу приводит к более высокому коэффициенту концентрации напряжений по сравнению со стыковым соединением, что приводит к более низкой усталостной прочности для крестообразных и Т-образных соединений по сравнению со стыковыми.

Для соединений без фаски, соединенных сварные швы и желобчатых соединений с местным проплавлением сварных швов усталостные разрушения могут возникать в двух слабых звеньях, т.е. в месте соединения основного металла и пальца шва или сварного шва, когда сварной шов передает рабочее напряжение. В поперечных соединениях с проплавлением канавок разрушение обычно происходит только в носке шва, а не в сварном шве.

Усталостная прочность Т-образных и крестообразных соединений, в которых сварной шов не несет рабочей нагрузки, в основном зависит от концентрации напряжений на стыке сварного шва и основной напряженной пластины. Т-образные соединения имеют более высокую усталостную прочность, а крестообразные - более низкую.

Повысить усталостную прочность Т-образных или крестообразных соединений можно с помощью сварки канавок и обработки сварного перехода для создания плавного перехода. Эта мера может значительно повысить усталостную прочность.

Усталостная прочность нахлесточных соединений очень низкая из-за серьезного искажения силовой линии. Использование так называемого "усиленного" стыкового соединения накладных пластин крайне неразумно.

Использование накладной пластины в стыковом соединении значительно снижает его высокую усталостную прочность из-за повышенной концентрации напряжений.

В несущих соединениях накладных пластин усталостные трещины могут возникать в основном металле или в сварном шве. Кроме того, изменение ширины накладной пластины или длины сварного шва приводит к изменению распределения напряжений в основном металле, что влияет на усталостную прочность соединения. Усталостная прочность соединения повышается при увеличении отношения длины сварного шва к ширине накладной пластины, так как это приводит к более равномерному распределению напряжений в основном металле.

2.2.2 Iвлияние формы сварного шва

Независимо от формы соединения, они соединяются двумя типами сварных швов: встык и сварные швы.

Форма сварных швов влияет на коэффициент концентрации напряжений, что приводит к значительным изменениям усталостной прочности.

Форма стыкового шва оказывает наибольшее влияние на усталостную прочность соединения.

(1) Влияние угла перехода

Ямагучи и др. установили связь между усталостной прочностью и углом перехода (внешний тупой угол) между основным металлом и металлом шва.

В ходе испытаний изменялись ширина (W) и высота (H) сварного шва, но соотношение H/W оставалось постоянным, то есть угол включения оставался неизменным. Результаты показали, что усталостная прочность также осталась неизменной.

Однако, когда ширина шва оставалась постоянной, а высота изменялась, оказалось, что увеличение высоты приводит к снижению усталостной прочности соединения. Это, очевидно, связано с уменьшением внешнего угла включения.

(2) Влияние радиуса сварного перехода

Результаты исследований Sander et al. показывают, что радиус сварного перехода также существенно влияет на усталостную прочность соединения. С увеличением радиуса перехода (при неизменном угле перехода) усталостная прочность увеличивается.

Форма сварного шва также оказывает значительное влияние на усталостную прочность соединения. Когда отношение расчетной толщины (a) отдельного сварного шва к толщине листа (b) составляет менее 0,6-0,7, он обычно разрушается в сварном шве. Когда a/b > 0,7, обычно происходит разрушение основного металла.

Увеличение размера сварного шва не может изменить прочность другого слабого участка, т.е. основного металла в конце пальца шва, и поэтому усталостная прочность в лучшем случае не может быть превышена.

Соете и Ван Кромбрюгге провели испытания пластин толщиной 15 мм, сваренных различными филейными швами, под осевой усталостной нагрузкой.

Результаты показали, что при длине ножки шва 13 мм разрушения происходили в основном металле или в носке шва. Если ножка шва была меньше этого значения, в шве возникали усталостные трещины. При размере ножки 18 мм разрушения происходили в основном металле.

Основываясь на этих результатах, они предложили ограничение на размер ножки сварного шва: S = 0,85B, где S - размер ножки сварного шва, а B - толщина листа.

Даже если размер ножки шва достигал толщины листа (15 мм), трещины все равно возникали в сварном шве, что подтверждает теоретические результаты.

2.2.3 влияние дефекты сварки

Существует множество различных виды дефектов в носке шва, что приводит к раннему образованию усталостных трещин и значительному снижению усталостной прочности основного металла (вплоть до 80%).

Сварочные дефекты можно разделить на две категории:

Плоскостные дефекты (такие как трещины и отсутствие плавления) и объемные дефекты (такие как поры и шлаковые включения) имеют разную степень влияния.

Кроме того, влияние дефекты сварки на усталостную прочность соединений зависит от типа, направления и расположения дефектов.

1) Трещина

Трещины при сваркеТакие трещины, как холодные и горячие, являются значительными источниками концентрации напряжений в дополнение к хрупкой микроструктуре и могут значительно снизить усталостную прочность конструкций или соединений.

Предыдущие исследования показали, что в образце стыкового соединения из низкоуглеродистой стали шириной 60 мм и толщиной 12,7 мм при наличии в сварном шве трещин длиной 25 мм и глубиной 5,2 мм (которые занимают около 10% площади поперечного сечения образца) усталостная прочность при переменной нагрузке снижается на 55% до 65% после 2 млн циклов.

2) Неполное проникновение

Важно отметить, что неполное проникновение не всегда считается дефектом, поскольку оно может быть намеренно предусмотрено для определенных соединений, например, для сопел сосудов под давлением.

Дефекты неполного проплавления могут быть поверхностными (односторонний сварной шов) или внутренними (двусторонний сварной шов) и могут быть локальными или общими. Они в первую очередь ослабляют площадь поперечного сечения и вызывают концентрацию напряжений.

Испытания показали, что по сравнению с результатами без таких дефектов усталостная прочность снижается на 25%, то есть воздействие не такое сильное, как при появлении трещин.

3) Неполное слияние

Несмотря на значимость проблемы, исследования по этой теме были ограничены из-за трудностей с подготовкой образцов.

Однако очевидно, что отсутствие сращения является одним из видов плоскостного дефекта и не может быть проигнорировано. Его часто рассматривают как форму неполного прорезывания.

4) Подрезка

Основными параметрами, характеризующими подрезку, являются длина подреза (L), глубина подреза (h) и ширина подреза (W).

В настоящее время основным параметром, влияющим на усталостную прочность, является глубина подреза (h), которая может быть оценена либо глубиной (h), либо отношением глубины к толщине листа (h/B).

5) Стомы

Харрисон проанализировал и обобщил результаты предыдущих испытаний, связанных с объемными дефектами.

Снижение усталостной прочности в первую очередь связано с уменьшением площади поперечного сечения из-за пор. Между ними существует линейная зависимость.

Однако некоторые исследования показывают, что при механической обработке поверхности образца, в результате которой поры оказываются на поверхности или чуть ниже ее, негативное влияние пор возрастает. Они будут служить источником концентрации напряжений и станут отправной точкой для возникновения усталостных трещин.

Это говорит о том, что расположение пор оказывает большее влияние на усталостную прочность соединения, чем их размер, а поры, расположенные на поверхности или под ней, оказывают наиболее значительное негативное влияние.

6) Включение шлака

Исследование, проведенное IIW, показало, что среди объемных дефектов шлаковые включения оказывают большее влияние на усталостную прочность соединений по сравнению с пористостью.

Влияние дефектов сварки на усталостную прочность соединений зависит не только от размера дефекта, но и от различных других факторов, например, поверхностные дефекты оказывают большее влияние, чем внутренние, а плоские дефекты, расположенные перпендикулярно направлению приложения силы, оказывают большее влияние, чем в других направлениях.

Влияние дефектов, расположенных в зонах остаточных растягивающих напряжений, выше, чем в зонах остаточных сжимающих напряжений, а дефекты, расположенные в зонах концентрации напряжений, такие как трещины в носке сварного шва, оказывают большее влияние, чем те же дефекты в однородных полях напряжений.

2.3 Влияние остаточного напряжения при сварке на усталостную прочность

Сварка остаточное напряжение является характеристикой сварных конструкций, которая широко изучается с точки зрения ее влияния на усталостную прочность этих конструкций. Для изучения этого вопроса были проведены многочисленные экспериментальные исследования.

Испытания на усталость часто проводятся путем сравнения образцов с сварочное остаточное напряжение по сравнению с теми, которые подверглись термической обработке для снятия остаточных напряжений. Это связано с тем, что возникновение остаточных напряжений при сварке часто сопровождается изменением свойств материала в результате термический цикл сваркиТермическая обработка не только устраняет остаточные напряжения, но и частично или полностью восстанавливает свойства материала.

Однако из-за непостоянства результатов испытаний существуют различные интерпретации результатов и оценки влияния остаточного напряжения при сварке. Это можно увидеть, рассмотрев ранние и недавние исследования, проведенные различными специалистами.

Например, разные исследователи пришли к разным выводам по результатам испытаний на 2×106 циклов для стыковых соединений с армированием.

Было установлено, что усталостная прочность образца после термической обработки для снятия напряжения на 12,5% выше, чем у того же образца в сваренном состоянии. Однако некоторые исследования показали, что усталостная прочность образцов в сваренном и термически обработанном состоянии была одинаковой, без особых различий. В других исследованиях усталостная прочность увеличивалась после термообработки для снятия остаточных напряжений, но это увеличение было намного меньше, чем 12,5%.

Аналогичные результаты были получены при испытаниях образцов стыковых соединений с поверхностной шлифовкой. Некоторые испытания показали, что усталостная прочность может быть увеличена на 17% после термообработки, в то время как другие не показали никакого улучшения.

Этот вопрос долгое время вызывал недоумение. Однако серия испытаний под переменной нагрузкой, проведенная учеными из бывшего Советского Союза, помогла внести ясность в эту проблему. Особого внимания заслуживает исследование Труфякова о влиянии остаточных напряжений при сварке на усталостную прочность соединения при различных характеристиках цикла напряжения.

Испытания проводились с использованием обычной низколегированной конструкционной стали 14Mn2 и включали в себя поперечный стыковой сварной шов на образце, с одной продольной сварной шайбой, наложенной с обеих сторон.

Одна группа образцов подверглась термообработке для снятия остаточных напряжений после сварки, а другая группа не подвергалась обработке. Сравнительный тест на усталостную прочность проводился с использованием трех коэффициентов характеристики цикла напряжения, r = -1, 0 и +0,3.

При переменной нагрузке (r = -1) усталостная прочность образца со снятым остаточным напряжением была близка к 130 МПа, в то время как у образца без снятия усталостная прочность составляла всего 75 МПа.

При пульсирующей нагрузке (r = 0) усталостная прочность обеих групп образцов была одинаковой и составляла 185 МПа.

При r = 0,3 усталостная прочность образца с остаточным напряжением, устраненным термообработкой, составила 260 МПа, что несколько ниже, чем у образца без термообработки, усталостная прочность которого составила 270 МПа.

Основными причинами этого явления являются:

При высоком значении r, например, при пульсирующей нагрузке (r = 0), усталостная прочность высока, а остаточное напряжение быстро снимается под воздействием высокого растягивающего напряжения, снижая влияние остаточного напряжения на усталостную прочность. Когда r увеличивается до 0,3, остаточное напряжение еще больше уменьшается под нагрузкой, не оказывая влияния на усталостную прочность.

Термическая обработка не только устраняет остаточные напряжения, но и размягчает материал, что приводит к снижению усталостной прочности после обработки.

Это испытание демонстрирует влияние остаточного напряжения и изменений материала, вызванных термическим циклом сварки, на усталостную прочность. Он также показывает, что влияние остаточного напряжения при сварке на усталостную прочность соединения связано с характеристиками цикла усталостной нагрузки. Когда значение характеристики цикла низкое, влияние относительно велико.

Ранее было отмечено, что из-за остаточного напряжения, достигающего текучесть материала в сварном шве, в соединении с постоянным амплитудным циклом напряжений, фактический цикл напряжений вблизи сварного шва опускается ниже предела текучести материала, независимо от исходных характеристик цикла.

Например, номинальный цикл напряжений должен составлять от +S1 до -S2, с диапазоном напряжений S1 + S2. Однако фактический диапазон циклов напряжений в соединении будет составлять от sy (амплитуда напряжений в точке текучести) до SY-(S1 + S2).

Это очень важный фактор, который необходимо учитывать при исследовании усталостной прочности сварных соединений, что привело к тому, что в некоторых нормативных документах циклическая характеристика r заменяется диапазоном напряжений.

Кроме того, размер образца, режим нагружения, соотношение циклов напряжения и спектр нагрузок также оказывают значительное влияние на усталостную прочность.

3. Технологический метод повышения усталостной прочности сварной конструкции

Зарождение усталостных трещин в сварных соединениях обычно происходит в корне шва и в носке шва. Если риск зарождения усталостной трещины в корне шва контролируется, то наиболее уязвимые места в сварных соединениях сосредотачиваются в носке шва.

Существует несколько способов повышения усталостной прочности сварных соединений:

① Уменьшите или устраните дефекты сварки, особенно отверстия;

② Улучшение геометрии носка сварного шва и снижение коэффициента концентрации напряжений;

③ Корректировка поля остаточных напряжений при сварке для получения поля остаточных сжимающих напряжений. Эти методы улучшения можно разделить на две категории, как показано в таблице 1.

Оптимизация процесс сварки не только повышает усталостную прочность сварной конструкции, но и улучшает ее прочность при статических нагрузках и металлургические свойства сварных соединений. Существует огромное количество данных по этой теме, которые здесь повторять не будем.

Таблица 1 Методы повышения усталостной прочности сварной конструкции

Основные методы повышения усталостной прочности сварных соединений подробно рассматриваются в трех частях, при этом основное внимание уделяется технологическим методам.

3.1 MМетоды улучшения геометрии сварного носка и снижения концентрации напряжений

1) TIG Dressing

Исследования показали, что ремонт TIG может значительно повысить усталостную прочность сварных соединений как на внутреннем, так и на международном рынке. Процесс включает в себя использование Сварка TIG для повторного расплавления переходного участка сварного соединения, создавая плавный переход между сварным швом и основным металлом. Это снижает концентрацию напряжений и устраняет небольшие неметаллические шлаковых включений, что приводит к повышению усталостной прочности соединения.

Во время ремонта сварочный пистолет обычно располагается на расстоянии 0,5-1,5 мм от сварочного пальца, а место переплавки должно быть чистым. Предварительная легкая шлифовка улучшит результат.

Очень важно правильно выполнить повторную дугу, если во время переплавки произошло погасание дуги, так как это повлияет на качество переплавленной сварочной фаски. Лучшее положение для повторной дуги обычно находится в 6 мм перед кратером сварочной фаски.

Недавно Международное сварочное общество совместно с научно-исследовательскими институтами в области сварки из нескольких европейских стран и Японии провело единое исследование эффективности методов повышения усталостной прочности соединений. Образцы были подготовлены Британским исследовательским институтом сварки.

Исследование подтвердило, что номинальная усталостная прочность соединения после 2×10⁶ циклов увеличилась на 58% после обработки данным методом. Это номинальное значение усталостной прочности 211 МПа соответствует характеристическому значению (индекс K) 144 МПа. Оно превосходит самое высокое значение усталостной прочности FAT в деталях соединения, установленное Международным сварочным обществом.

2) Обработка

Обработка поверхности сварного шва может значительно снизить концентрацию напряжений и повысить усталостную прочность стыкового соединения. Если сварной шов не имеет дефектов, его усталостная прочность может даже превзойти прочность основного металла. Однако механическая обработка - дорогостоящий процесс, и ее следует выполнять только в том случае, если выгода оправдывает затраты.

В случае сварных швов со значительными дефектами и без подварки дна концентрация напряжений в дефекте или корне шва намного сильнее, чем на поверхности, что делает механическую обработку бессмысленной. При отсутствии проплавления дефекта усталостные трещины не зарождаются в усилении и носке шва, а переходят в корень шва. В таких случаях механическая обработка может фактически снизить усталостную прочность соединения.

Шлифовка только носка шва, а не всего металла шва, также может повысить усталостную прочность соединения. Исследования показали, что точка зарождения трещины в этом случае переносится с носка шва на дефект сварного шва.

Испытания на усталостную прочность, проведенные Макоровым из бывшего Советского Союза на высокопрочной стали (предел прочности при растяжении σb = 1080 МПа), показали, что усталостная прочность поперечных стыковых сварных швов при переменной нагрузке составляет ± 150 МПа после 2×10⁶ циклов в сваренном состоянии. Обработка сварного шва и удаление усиления повысили усталостную прочность до ± 275 МПа, что эквивалентно усталостной прочности основного металла. Локальная шлифовка в носке стыкового шва привела к усталостной прочности ± 245 МПа, что эквивалентно 83% эффекта механической обработки и 65% улучшения по сравнению со сварным состоянием.

Важно отметить, что для обеспечения желаемого повышения усталостной прочности необходимо использовать правильную технику обработки или шлифования.

3) Шлифование шлифовальным кругом

Шлифование шлифовальным кругом, возможно, не так эффективно, как механическая обработка, но все же это полезный метод повышения усталостной прочности сварных соединений. Международное сварочное общество рекомендует использовать высокоскоростной шлифовальный круг с электрическим или гидравлическим приводом со скоростью вращения от 15 000 до 40 000 об/мин, изготовленный из углеродистого вольфрамового материала. Диаметр круга должен обеспечивать глубину и радиус шлифования, равные или превышающие 1/4 толщины листа.

Недавние исследования Международного сварочного общества показали, что номинальная усталостная прочность образца после 2 циклов после шлифования увеличилась на 45%. Номинальное значение усталостной прочности 199 МПа соответствует характерному значению (135 МПа), которое выше, чем самое высокое значение FAT в усталостной прочности деталей соединения, установленное Международным сварочным обществом.

Важно отметить, что направление шлифования должно совпадать с направлением линии напряжения. Шлифование в другом направлении может оставить выемку, перпендикулярную линии напряжения, что эффективно действует как источник концентрации напряжений и снижает усталостную прочность соединения.

4) Специальный электродный метод

Этот метод предполагает разработку нового типа электрода. Его жидкий металл и жидкий шлак обладают высокой смачиваемостью, что увеличивает радиус перехода сварного шва, уменьшает угол в носке шва, снижает концентрацию напряжений в носке шва и повышает усталостную прочность сварного соединения.

Как и при ремонте TIG-сваркой, она имеет сильное предпочтение при определенных положениях сварки, особенно при плоской и филейной сварке, в то время как ее преимущества значительно снижаются при вертикальной, горизонтальной и верхняя сварка.

3.2 MМетод регулировки поля остаточных напряжений для создания сжимающего напряжения

1) Метод предварительной перегрузки

Если к образцу с концентрацией напряжений прикладывается растягивающая нагрузка до тех пор, пока в надрезе не произойдет текучесть, приводящая к некоторой растягивающей пластической деформации, то после разгрузки в месте растягивающей пластической деформации вблизи нагруженного надреза возникнет сжимающее напряжение. Растягивающее напряжение ниже предела текучести будет уравновешено в других участках образца.

При последующих испытаниях на усталость диапазон напряжений образца, подвергнутого такой обработке, будет отличаться от диапазона напряжений исходного образца без предварительной нагрузки и значительно уменьшится. Это может повысить усталостную прочность сварных соединений.

Исследования показывают, что перед вводом в эксплуатацию крупных сварных конструкций, таких как мосты и сосуды под давлением, необходимо провести испытание на предварительную нагрузку. Это позволит повысить их усталостные характеристики.

2) Местное отопление

Локальный нагрев может корректировать поле остаточных напряжений при сварке, создавая сжимающие остаточные напряжения в местах концентрации напряжений, что может повысить усталостную прочность соединения. В настоящее время этот метод применим только для продольных прерывистых сварных швов или соединений с продольными жесткими пластинами.

Для односторонних галтельных пластин место нагрева обычно находится примерно на расстоянии 1/3 ширины пластины от сварного шва. Для двусторонних галтельных пластин место нагрева находится в центре пластины. Это создает сжимающее напряжение в сварном шве, повышая усталостную прочность соединения.

Разные исследователи получили различные результаты при использовании этого метода. Для односторонних пластин усталостная прочность увеличилась на 145-150%, а для двусторонних пластин усталостная прочность увеличилась на 70-187%.

Расположение локального нагрева оказывает значительное влияние на усталостную прочность шва. Точечный нагрев в конце сварного шва вызывает сжимающее остаточное напряжение в надрезе и повышает усталостную прочность на 53%. Однако точечный нагрев в центре образца на том же расстоянии от конца сварного шва имеет тот же металлографический эффект, но вызывает растягивающее остаточное напряжение, что приводит к той же усталостной прочности, что и у необработанного образца.

3) Метод экструзии

Механизм локального выдавливания похож на метод точечного нагрева, поскольку он повышает усталостную прочность соединения за счет создания сжимающего остаточного напряжения. Однако точка действия отличается, и место экструзии должно находиться там, где требуется сжимающее остаточное напряжение.

Метод экструзии оказывает более значительное влияние на образцы из высокопрочной стали, чем на образцы из низкоуглеродистой стали.

4) Метод Гурнерта

Ганнерт предложил метод, позволяющий получить удовлетворительные результаты из-за сложности точного определения положения и температуры нагрева в методе локального нагрева. Ключевым моментом этого метода является нагрев непосредственно надреза, а не окружающей его области, до температуры, которая может вызвать пластическую деформацию, но ниже температуры фазового превращения 55°C или 550°C, а затем быстрое охлаждение.

Позднее охлаждение металла под поверхностью и окружающего металла, который не охлажден, вызывает усадку и создает сжимающее напряжение на охлажденной поверхности. Это сжимающее напряжение может повысить усталостную прочность элемента.

Важно отметить, что процесс нагревания должен быть медленным, чтобы нагреть нижний слой. Ганнерт рекомендует время нагрева 3 минуты, а Харрисон - 5 минут.

Охта успешно предотвратил усталостные трещины в стыковых трубах, используя этот метод. Наружная часть трубопровода нагревалась индукционным методом, а внутренняя охлаждалась циркулирующей водой, создавая сжимающее напряжение в трубопроводе и эффективно предотвращая образование усталостных трещин. После обработки скорость роста усталостных трещин в трубе, сваренной встык, значительно снизилась и достигла той же скорости роста трещин, что и в основном металле.

3.3 Mметоды снижения концентрации напряжений и создания сжимающих напряжений

1) Метод забивания

Наплавка - это метод холодной обработки, который создает сжимающее напряжение на поверхности пальца шва в соединении. Эффективность этого метода зависит от пластической деформации на поверхности пальца шва.

Кроме того, обработка молотком может уменьшить остроту надреза и, следовательно, концентрацию напряжений, что приводит к значительному повышению усталостной прочности соединения. Международное сварочное общество рекомендует давление воздушного молотка 5-6 Па.

Верхняя часть головки молотка должна быть твердой, диаметром 8-12 мм, и рекомендуется использовать четыре удара, чтобы обеспечить глубину забивания 0,6 мм.

Исследования Международного сварочного общества показывают, что для тавровых соединений без нагрузки забивка повышает усталостную прочность на 54% при 2×10⁶ Циклы.

2) Дробеструйное упрочнение

Дробеструйное упрочнение - это еще одна форма удара молотком и один из видов ударной обработки. Эффективность дробеструйного упрочнения зависит от диаметра дроби. Диаметр должен быть не слишком большим, чтобы устранить мелкие дефекты, но и не слишком маленьким, чтобы достичь определенного уровня упрочнения холодной обработкой. Обычно дробеструйное упрочнение может воздействовать на поверхность на глубину в несколько тысячных долей миллиметра.

Исследования показывают, что дробеструйное упрочнение может значительно повысить усталостную прочность соединений из высокопрочной стали, и особенно сильно влияет на аргонодуговая сварка высокопрочных стальных материалов, превосходя даже ремонт TIG. Применение дробеструйного упрочнения также может повысить эффективность ремонта методом TIG.

4. Новейшие технологии для повышения усталостной прочности сварных соединений

4.1 UМетод ультразвуковой ударной обработки

В последние годы ультразвуковое воздействие было разработано как средство повышения усталостной прочности сварных соединений и конструкций. Его механизм схож с механизмом работы молота и дробеструйного упрочнения.

Однако ультразвуковое воздействие имеет такие преимущества, как малый вес, хороший контроль, гибкость и удобство использования, минимальный уровень шума, высокая эффективность, меньшее количество ограничений в применении, низкая стоимость и энергоэффективность. Оно подходит для всех типов соединений и является эффективным методом улучшения усталостных характеристик сварных соединений после сварки.

Исследования проводились с использованием ультразвуковой ударной обработки стыковых и ненесущих продольных угловых соединений различных типичных сварных конструкционных сталей. Затем были проведены сравнительные усталостные испытания как сварных, так и обработанных ударом соединений. Результаты, приведенные в табл. 2, показывают, что усталостная прочность сварных соединений после ультразвуковой ударной обработки увеличилась на 50-170%.

Таблица 2 Сравнение усталостной прочности до и после ультразвуковой ударной обработки

4.2 Lметод точечной сварки полос с фазовым переходом

4.2.1 Pпринцип и разработка повышения усталостной прочности сварных соединений

Сжимающее напряжение может повысить усталостную прочность сварных соединений, что широко обсуждается в литературе. Однако проблема заключается в том, как легко ввести сжимающее напряжение в сварные соединения.

Хорошо известно, что химический состав, содержание сплава и скорость охлаждения могут приводить к различным микроструктурным изменениям в процессе охлаждения материалов из железа и стали. Эти структурные изменения сопровождаются объемным расширением, которое при ограничении может создавать напряжение фазового превращения, приводящее к сжимающему напряжению.

Для металла шва это уменьшает остаточное растягивающее напряжение и даже приводит к остаточному сжимающему напряжению, что улучшает механические свойства сварных соединений.

Сварочный электрод с низкой температурой трансформации (LTTE) - это новый сварочный материал в котором используется напряжение фазового превращения для создания сжимающих напряжений в сварных соединениях и повышения их усталостной прочности.

Еще в 1960-х годах специалисты по сварке в бывшем Советском Союзе предложили метод низкого фазового превращения точечная сварка полоса для повышения усталостной прочности сварных конструкций, хотя термин "полоса для точечной сварки с низким фазовым превращением" в то время не использовался, а просто обозначался как специальный электрод.

Наплавка состав металла в основном состоит из 3-4% Mn для снижения температуры фазового превращения и достижения металлургического фазового превращения. По литературным данным, усталостная прочность небольших образцов после наплавки этими специальными электродами на 75% выше, чем без наплавки.

В последнее время разработка стали с ультранизким содержанием углерода и использование Cr и Ni для снижения температуры мартенситного превращения осаждаемого металла в сварочных материалах привело к быстрому прогрессу в области точечной сварки полосы с низким превращением.

И Япония, и Китай провели обширные исследования в этой области, хотя они все еще находятся на стадии лабораторных работ.

4.2.2 Eвлияние электрода ЛТТЭ на повышение усталостной прочности

Школа материалов Тяньцзиньского университета разработала и оптимизировала сварочный электрод с низкой температурой трансформации (LTTE) и провела обширные испытания на усталость и технологические испытания различных сварных соединений.

(1) Метод ТОТИ

Сварочный электрод с низкой температурой трансформации (LTTE) и обычный электрод E5015 использовались для сварки поперечного стыкового соединения, поперечного соединения без нагрузки, продольного окружного галтельного соединения, продольного параллельного соединения. филейное сварное соединениеи продольного стыкового соединения, соответственно. Было проведено сравнительное испытание на усталость.

Результаты показывают, что усталостная прочность соединения LTTE из пятна фазового перехода сварочный пруток было на 11%, 23%, 42%, 46% и 59% выше, чем у обычного электрода Э5015. Усталостная долговечность была увеличена от нескольких раз до сотен раз.

Таблица 3 Эффект улучшения усталостной прочности различных типов сварных соединений

Поскольку сварочный электрод с низкой температурой трансформации (LTTE) создает остаточное сжимающее напряжение за счет объемного расширения мартенситного превращения при более низкой температуре, величина остаточного сжимающего напряжения тесно связана с ограничением прочности сварного соединения.

Чем сильнее ограничено сварное соединение, тем больше остаточное сжимающее напряжение и тем значительнее повышение усталостной прочности.

(2) Метод правки LTTE для точечной сварки с низким фазовым превращением

Однако добавление дополнительных элементы сплава сварочных материалов для достижения мартенситного превращения при нормальной скорости охлаждения и низкой температуре значительно увеличивает стоимость сварочного электрода с низкой температурой превращения (LTTE). Если все швы в сварной конструкции выполнены с использованием сварочных материалов с низким фазовым переходом, общая стоимость конструкции также будет значительно выше, что делает ее экономически нецелесообразной.

Хорошо известно, что усталостное разрушение в сварных соединениях обычно возникает в носке шва. Если в носке шва создается остаточное сжимающее напряжение, усталостная прочность сварного соединения может быть повышена без использования всех полос точечной сварки с низким фазовым переходом, что снижает стоимость материалов.

Исходя из этой идеи, специалисты Тяньцзиньского университета предложили метод правки носка сварочного электрода с низкой температурой трансформации (LTTE) для повышения усталостной прочности сварных соединений, основываясь на экспериментальных результатах. Сравнение усталостной прочности сварных соединений с правкой LTTE и обычных электродов проводилось на примере двух типов: поперечного соединения без нагрузки и продольного окружного галтельного сварного соединения. Усталостная прочность первых была выше вторых на 19,9% и 41,7% соответственно, что доказывает целесообразность и практичность идеи.

Данное предварительное исследование позволяет более обоснованно применять сварочный электрод с низкой температурой трансформации (LTTE) в инженерной практике.

В то же время, соединение для правки носка сварочного электрода с низкой температурой перехода (LTTE) может также отражать его применение в накладных швах и околонакладных швах.

4.2.3 Aпреимущества и недостатки полосы точечной сварки с низким фазовым переходом

Преимущество:

(1) Метод сварки сварочным электродом с низкой температурой трансформации (LTTE) выполняется в процессе сварки, исключая необходимость в послесварочной обработке.

(2) Метод LTTE не требует специальных навыков работы, что делает его простым и удобным в использовании.

(3) Использование сварочного электрода с низкой температурой трансформации (LTTE) позволяет повысить усталостную прочность сварных соединений. Поскольку на него не влияют термические эффекты последующих сварочных шайб, он хорошо подходит для повышения усталостной прочности скрытых, закрытых, обратных односторонних сварных швов и других швов, которые невозможно обработать после сварки.

(4) Электрод LTTE также может использоваться для ремонта усталостных трещин в сварных конструкциях.

Недостатки:

Добавление в сварочные материалы дополнительных легирующих элементов увеличивает стоимость материалов для сварки электродами с низкой температурой перехода (LTTE), но это можно компенсировать за счет использования правки LTTE и других методов.

5. Заключение

В заключение следует отметить, что требования к динамической несущей способности сварных конструкций возрастают по мере их использования для высокоскоростных и тяжелых нагрузок. Поэтому разработка и использование новых технологий для повышения усталостных характеристик сварных соединений имеет решающее значение для более широкого применения сварных конструкций.

Технология ультразвукового воздействия и использование сварочного электрода с низкой температурой трансформации (LTTE) для повышения усталостной прочности сварных соединений являются важными направлениями исследований в области улучшения усталостных характеристик и технологического процесса сварных конструкций.