ЭКК сварных соединений

В этом параграфе приведены данные об ЭКК сварных соединений по данным некоторых опубликованных экспериментальных исследований (И. В. Кудрявцев, Н. Е. Наумченков, «Усталость сварных конструкций» и Г. А. Николаев и др. «Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций»), В параграфе 7.1 приведены экспериментальные данные об ЭКК типовых узлов сварных судовых конструкций. Эти коэффициенты интегрально учитывают многочисленные влияющие на циклическую прочность сложных конструкций факторы — вид напряженного состояния, геометрию, остаточные напряжения, виды сварочных швов, технологические особенности и т. п. Одним из наиболее существенных из перечисленных факторов является наличие сварочных швов. Поэтому есть смысл рассмотреть отдельно вопрос об ЭКК различного вида сварных соединений и сопоставить их с ЭКК конструкций, чтобы оценить степень влияния сварки на циклическую прочность конструкций в сопоставлении с другими факторами.

Приведем некоторые общие соображения в отношении циклической прочности сварных соединений. При действии переменных нагрузок следует отдельно рассматривать прочность швов и прилегающего к ним металла. В большинстве случаев в стыковых соединениях разрушение наступает в околошовной зоне. Это объясняется наличием концентрации напряжений от швов с необработанной поверхностью, а также структурными изменениями в материале.

При наличии технологических дефектов (шлаковых включений, пор, оксидов, трещин, непроваров и т. п.) прочность сварных соединений при переменных напряжениях резко падает. Даже небольшой непровар корня шва образует надрез (концентрация напряжений), что может существенно снижать циклическую прочность.

Большое влияние на циклическую прочность оказывает очертание поверхности швов. У выпуклых стыковых швов она ниже, чем у гладких; весьма хорошие результаты получаются при снятии усилений стыковых швов или при их обработке, обеспечивающей плавный переход от шва к основному металлу.

Прочность при переменных нагрузках тавровых соединений в значительной степени зависит от подготовки кромок. Экспериментально доказано, что предел выносливости таврового соединения, сваренного с подготовкой кромок, выше, чем у того же соединения без подготовки. Причиной этого является концентрация напряжений из-за непровара кромок. При сварке тавровых соединений под флюсом глубина проплавления больше, что улучшает работу соединений.

Циклическая прочность нахлесточных соединений и соединений с накладками низка из-за повышенной концентрации напряжений в соединениях этого типа. Она возникает в основном металле вблизи угловых швов, между швами, в поперечных сечениях самих швов, а также по длине швов из-за неравномерного распределения усилий.

Обратимся к результатам циклических испытаний конкретных видов швов.

Стыковые швы являются одними из основных в судовых конструкциях. С их помощью осуществляется формирование полотнищ перекрытий (наружной обшивки, переборок палуб, платформ и т. д.), а также соединение длинных непрерывных связей, изготовленных из сварных или прокатных профилей. С учетом того, что многие из названных связей обеспечивают общую прочность корпуса, к прочности стыковых швов должны предъявляться особенно строгие требования. В табл. 7.2.1 приведены ЭКК для нескольких видов стыковых швов листовых конструкций, изготовленных из обыкновенной углеродистой и низколегированной сталей при отнулевом (в области растяжения) цикле нагрузки. Очевидно, что влияние концентрации напряжений снижается при обеспечении за счет обработки плавности перехода от шва к основному металлу. Наилучшие показатели получаются в случае полного снятия усиления шва.

Таблица 7.2.1

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений стыковых сварных соединений.

Нахлесточные швы не так распространены в судовых конструкциях, как стыковые, однако для них характерна более высокая концентрация напряжений. Такие швы встречаются, например, в кничных соединениях (узел IV на рис. 7.1.1) или в узлах пересечения балок разного направления (узлы 4, 5, 7, 8 и 10 в табл. 7.1.3). В табл. 7.2.2 приведены ЭКК для нескольких видов нахлесточных соединений при отнулевом цикле нагрузки.

Таблица 7.2.2

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений нахлесточных сварных соединений для малоуглеродистой и низколегированной сталей.

Видно, что для этого типа соединений ЭКК минимум в два раза выше ЭКК стыковых соединений. При этом наибольшая концентрация напряжений (К_е = 4,0 -г- 4,9) имеет место в нагруженных продольной силой сварных тавровых профилях при обрыве пояска (второе сверху соединение), т. е. подобные узлы, достаточно часто встречающиеся в судовых конструкциях (например, рис. 2.1.2, обрыв пояска непрерывного комингса), требуют к себе особого внимания.

Переход от наиболее неблагоприятного симметричного вида цикла к отнулевому ведет к снижению ЭКК. Например, для соединения встык пластин из СтЗ с помощью двух накладок, приваренных лобовыми швами (третий узел в табл. 7.2.2) при симметричном цикле К_е = 2,6, а при отнулевом в области растяжения цикле — К_е = 2,3, т. е. приблизительно на 15% ниже.

Видно, что фланговые швы создают более высокую концентрацию напряжений, чем лобовые. В то же время работоспособность фланговых швов при циклических нагрузках зависит от длины швов, от ширины накладок и расстояния между швами.

Таблица 7.2.3

Эффективные коэффициенты концентрации напряжений тавровых сварных соединений.

Величины ЭКК тавровых соединений занимают промежуточное положение между стыковыми и нахлесточными швами (табл. 7.2.3). Сопротивление усталости тавровых соединений существенно зависит от глубины проплавления. Непровар корневой части шва приводит к заметному снижению усталостной их прочности.

Очевидно, что независимо от вида сварного соединения определяющую роль в его циклической прочности играет наличие концентрации напряжений, величина которой определяется геометрическими и технологическими факторами. Влияние концентраторов на прочность при переменных нагрузках наглядно видно на рис. 7.2.1, где изображены различные виды сварных соединений в сопоставлении с их пределами выносливости при испытаниях в условиях отнулевого цикла.

Рис. 7.2.1. Пределы выносливости сварных соединений из стали 35 при отнулевом цикле:

• 1 — целая полоса; 2 — полоса с отверстием; 3 — соединение с лобовыми швами;
• 4 — шов обработан, подварен; 5 — шов не обработан, подварен;
• 6 — шов без подвара; 7 — крестовое соединение, швы не обработаны; 8 — то же, швы обработаны; 9 — соединение с заклепками; 10 — поперечный валик без обработки; 11 — косой стыковой шов, обработан; 12 — то же, не обработан, подварен; 13 — фланговые швы, обработаны

Сопоставляя ЭКК сварных соединений с ЭКК типовых узлов судового корпуса (см. параграф 7.1), можно заметить, что их величины достаточно близки друг к другу. Отсюда следует, что именно сварные соединения в составе узлов судового корпуса определяют их циклическую прочность. Таким образом, при проектировании судовых конструкций, работающих в условиях переменного нагружения, основное внимание необходимо уделять оптимальному проектированию сварных соединений, их конструктивному оформлению, технологии и контролю качества.