Концентрация напряжений в сварном соединении

Концентрация напряжений в сварных стыковых соединениях, выполненных методами сварки плавлением, вызвана как изменением сечения в зоне соединения, так и шероховатостью поверхности сварного шва.

Для исследования концентрации напряжений, обусловленной шероховатостью чешуйчатой поверхности при растяжении сварного соединения, необходимо провести решение упругой задачи с учетом влияния статистических характеристик поверхности на напряженное состояние.

Ранее было показано [6, 27], что шероховатость поверхности носит случайный характер, следовательно, она в этом случае наиболее полно характеризуется моделью стандартного случайного поля, так, что уравнение поверхности z = f (x, у) представляет собой стационарную случайную функцию координат х, у.

Полагая, что величины шероховатостей малы по сравнению с толщиной листа 8, используем для решения задачи метод малого параметра.

С учетом данных [23, 34, 108] задача сводится к определению напряжений в слое, на поверхности которого действуют касательные напряжения и т^, (рис. 9.3). Толщина слоя, равная сумме толщины листа и толщины валика шва, переменна. Однако ширина шва обычно в 1000—2000 раз больше среднего значения основания микровыступа, так что изменением сечения слоя можно пренебречь. При этом напряжения и x_zy будут стационарными функциями х и у, поскольку таковыми являются производные (dh/dx) и (dh/dy) стационарной случайной функции h. Так как на поверхности действуют две системы касательных напряжений, направленных взаимно перпендикулярно, то расчет можно привести отдельно для каждой из них.

Рис. 9.3. Расчетная схема сварного соединения для определения концентрации напряжений, вызванной шероховатостью сварного шва.

Как обычно, при решении в напряжениях плоской задачи теории упругости необходимо найти функцию напряжений Ф. Напряжения о_х, о_у, t_xz связаны с Ф соотношениями:

Кроме того, напряжения а_х, а_у, т_Х2 удовлетворяют следующим граничным условиям:

Проведя решение в соответствии с [27, 23, 34, 108], получаем выражение для коэффициента концентрации напряжений:

Рассмотрим пример. Найти коэффициент концентраций напряжений в сварных стыковых соединениях листов из сплава 1420.

Фрагменты профилограмм а_м, а^ поверхности сварного шва из этого сплава и соответствующие им корреляционные функции R_x и R_y, построенные численным интегрированием на ЭВМ, приведены также на рис. 9.1 и 9.2. По имеющимся значениям R_x и R_y получаем такие величины коэффициентов а_м, и Ъ:

Подставив эти значения в формулу (9.5), получим коэффициент концентрации напряжений = 2,15.

В табл. 9.2 приведены коэффициенты концентрации напряжений для наиболее типичных случаев сварных стыковых соединений. Концентрация напряжений возникает не только при ослаблении поперечного сечения в местах всевозможных проточек и отверстий, но и в местах усиления. Впервые на это явление было указано Г. Нейбером [35]. Следуя положениям этой работы, рассмотрим концентрации выступа (рис. 9.4), представляющего собой усиление сварного шва. Плоская задача теории упругости может быть решена в напряжениях с учетом [23, 35, 96].

Рис. 9.4. Расчетная схема сварного соединения для определения концентрации напряжений, вызванной изменением сечения соединения.

Таблица 9.2

Расчетные коэффициенты концентрации напряжений, обусловленные шероховатостью поверхности сварного шва.

Примечание: приведены средние данные по трем образцам.

Окончательное выражение, связывающее параметры усиления шва с напряжением, имеет вид.

Графически зависимость наибольшего напряжения, а следовательно, и коэффициента концентраций напряжений представлена на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Зависимость наибольшего напряжения (коэффициента концентрации) от параметра о/р.

Таким образом, определение коэффициента концентрации напряжений сводится к построению контура сварного шва, определению параметров а и р и отысканию по графику (см. рис. 9.5) величины К_а. Результаты геометрических измерений типичных контуров поперечных сечений сварных швов из алюминиевых и магниевых сплавов приведены в табл. 9.3.

Рассмотрим пример. Найти коэффициент концентрации напряжений в стыковом соединении из сплава 1420. Для этого соединения 2а_г = 6,8 мм; 2а₂ = 4,6 мм, а радиус кривизны принимает наименьшее значение порядка 0,55—0,6 мм. Поэтому в этом случае со стороны усиления коэффициент концентрации напряжений принимает значения 1,55—1,65.

Концентрация напряжений реализуется также в точках с наименьшей кривизной контура и со стороны проплава. Для р = 0,5 мм значение коэффициента концентрации напряжений равно 1,5.

Результаты измерений геометрических параметров сварных швов.

Данные табл. 9.4 показывают, что коэффициент концентрации напряжений в значительной степени зависит от метода сварки и марки материала.

Таблица 9.4

Расчетные коэффициенты концентрации напряжений, обусловленные изменением сечения сварного соединения.

Примечание: образцы толщиной 2 мм.

С учетом параграфов 9.1 и 9.2 данной главы, возникающая в тонком приповерхностном слое концентрация напряжений имеет место как в зоне соединения, так и в околошовной зоне. Величина коэффициента концентрации в сварном шве, обусловленная шероховатостью чешуйчатой поверхности, изменяется от 1,2 до 2,3. Концентрация напряжений, обусловленная изменением сечения в зоне соединения, принимает наибольшее значение в точках шва с наименьшей кривизной. Коэффициент концентрации напряжений в этом случае изменяется от 1,25 до 2,5.

В работе [20] предложена полуэмпирическая формула для определения величины К₀:

где R — радиус подреза шва (снизу); t — глубина подреза шва; S — толщина пластин; g — высота верхнего и нижнего валиков.

В соответствии с (9.7) для шва, выполненного ручной сваркой, К_а = 1,75 -5- 1,85, а для шва, выполненного автоматической сваркой, соответственно получим К_а = 1,5 н- 1,55. Полученные результаты дают основание рекомендовать формулу (9.7) для предварительной оценки коэффициента концентрации напряжений, причем результаты (9.7) несколько выше результатов (9.6), так что эта оценка дает запас прочности.

Концентрация напряжений в сварном стыковом соединении обусловлена как изменением сечения в зоне соединения, так и шероховатостью поверхности шва. Для определения полного коэффициента концентрации напряжений необходимо наложить эти факторы, так что коэффициент концентрации напряжений можно принять в виде.

где K_ai — коэффициент концентрации напряжений, обусловленный шероховатостью поверхности шва; К^₂ — коэффициент концентрации напряжений, обусловленный изменением сечения шва.

В большинстве случаев основание валика шва — зона наибольшей концентрации напряжений, и и К_а2 следует вычислять для этой зоны (точки).

Высокие значения коэффициентов концентрации напряжений в сварных стыковых соединениях вызывают необходимость разработки мероприятий по их снижению. Одним из эффективных методов снижения концентрации напряжений является нанесение полимерных покрытий.