автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Опiр втомi зварних з'еднань при циклiчному стисненнi з урахування залишкових напружень й засоби збiльшення довговiчностi конструкцiй

АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ Інститут електрозварювання їм. Є. О. Патона

На правах рукопису

ДОБИКІНА Олена Костянтинівна

ОПІР ВТОМІ ЗВАРНИХ З’ЄДНАНЬ ПРИ ЦИКЛІЧНОМУ СТИСНЕННІ З УРАХУВАННЯМ ЗАЛИШКОВИХ НАПРУЖЕНЬ Й ЗАСОБИ ЗБІЛЬШЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ КОНСТРУКЦІЙ

05.03.06-

технологія і машини зварювального виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук

Київ 1993

Роботу виконано в Інституті електрозварювання ім. Є. О. Штона АН України й на 00 "НКМЗ" (м. Краматорськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук МІХЗЄВ Е П.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук ГАРФ ,

• доцент, кандидат технічних наук

ЄЬЕЛЬЯНОВ O.A.

Головне підприємство: УкрНДІпроекгстадьконструкція ■ (М.ЙГІВ)

Захист дисертації відбудеться "¿У " ІМШТНвіааз р. на засіданні спеціалізованої вченої ради (К 016.08.01) при Інститут електрозварювання ім. Є. О. Патона АН України (252650, ■ Київ 5, .4£Ш вул. Бокенка, 11).

Ваш відгук на автореферат ( 1 примірник, завірений печаткоп просимо надіслати за еказаною вище адресою. -

З дисертацією можна ознайомитись у науково-техничній бібліотец Інституту електрозварювання іи. Є. О. Патона АН України.

Автореферат розісланий " &Ь " 6&№W/f 1993 р.

5

Нестеренков

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ '

Актуальність. Зварні елементи металоконструкція машин і споруд в багатьох випадках при експлуатації підпадають під вплив ціклічно-го стиснення.' їх надійність та довговічність визначаються, головним чином, опором зварних з'єднань руйнуванням від втоми. Практика експлуатації цілого ряду зварних металоконструкція (стріли екскаватор ів-драглайнів, прольотні будови залізничних та автодорожних мостів, підкранові балки та ін. ) показує, щр незважаючи на виконання вимог норм проектування та розрахунку на втому, у стистнутих зварних вузлах нерідко виникають та розповсюдлуються тріщини втоми. В деякій мірі це обумовлено тим, ер вітчизняні норми базуються на недостатньо обгрунтованих даних про опір втомі зварних з'єднань при циклічному стисненні, а такок тим, ер регламентовані розрахункові методики не враховують ролі ряду головних факторів, ер визначать опір втомі зварних з’єднань конструкцій, які сприймають дію стискуючих навантажень. Подібні недоліки власткзі й зарубістім нормам проектування зварних конструкцій. У зв’язку з цим постанов!» екс-пзрія'знтальних та теоретичних досдідгзнь, спрямованих на визначення закономірностей опору втомі зварні« з'єднань при циклічному стисненні. з урахуванням конструктивно-технологічних факторів, ср відоб-ралують працездатність конструкцій, розробка методів розрахункової оцінгаї мея витривалості з’єднань, обгрунтування областей застосування найбіліа ефективних способів збідьсзннл циклічної довговічності з’єднань, с актуальним завданням проблеми удосконалення зварних конструкцій. •

Ійта роботи. На основі експериментальних та теоретичних досдід-гань встановити загальні закономірності опору втомі зварних з’єднань в умовах циклічного стиску в залегності від величини та знаку залишкових зварних напружень (33Н), властивостей матеріалу, вида зварних з'єднань, регешів навантажування; розробити мзтод розрахуй-твого в ¡із наче пня і'.ех витривалості зварних з'єднань з урахуванням 33Н, концентрації нолруглнь (КН) та асиметрії циклу; дослідити ефективність конструктивно-технологічних засобів ПІДВИСОІПШ опору втомі зварних елементів під вплітом стискуючих иаванталвнь та визначити галузі їх раціонального застосування. ,

' Ивтодп дослідження. Для .експериментальних дослідгзнь вибранії зварні зразки, які відтЕоркоть не лише иаспгтаб, мзтеріал, еид з'єднання, технологій зварювання та зварювальні матеріали, а Я за-лиапсову капругйішість, ло відповідає реальним конструтаіям. зокрема, стрілам ексваваторів-драглайнів виробництва 00 "ІПО.В". При випробуваннях на птоку зварних зразків па кагзші УРС 200/20 кд;:т-

1

роль діючих напружень здійснювали методом тензометрії. Для вимірювання вихідних т дослідження кінетики полів залишкових напружень в процесі циклічного навантаження зварних зразків використовувались методи руйнувальної тензометрії та незруйновний акустичний спосіб. Обробка експериментальних даних та побудова діаграм*граничних напружень (ДГН) для області циклічного стиснення здіснюезлись на ПЕОМ.

Наукова новина. На основі результатів експериментальних та теоретичних досліджень встановлени нові закономірності опору втомі зварних з’єднань конструкцій при циклічному стисненні. Показано, до превалюючим фактором, що знижує опір втомі зварних з'єднань при досліднених режимах навантаження, є розтягуючі 33Н. У тих випадках, коли останні досягають граничних значень ( <Зост=(5т), величина КН, обумовлена типом з’єднеінь, практично не змінює циклічну довговічність та межи витривалості зварних з’єднань. Зі зниженням величини розтягуючих 33Н починає у значній мірі проявлятися роль КН в процесах етоми зварних з’ єднань. При цьому, характер впливу КН на опір втомі з’єднань стає подібним із вплиеом КН в умовах зиакозмін-ного чи розтягуюючого навантаження.

Застосування незруйновного акустичного методу виміру 33Н показало, що при номінальних напруженнях, які відповідають багатоцик-лоеій області навантаження стисненням ( (Зпііп=0,3.. .0,4. (5т), 33Н

розтягування в більшості видів зварних з’єднань не релаксують.

Розроблено розрахункову методику визначення -витривалості зварних з’єднань в області стиснення з урахуванням спільного впливу 33Н, КН та асиметрії циклу чі прогнозування ефективності зміцнюючих обробок. Обгрунтовані значення роорахункоЕОГО опору етомі зварних з’єднань при циклічному стисненні, дано оцінку ефективності конс-труктивкоттехнологічних засобів збільшення довговічності конструкцій. . ‘ '

Практична цінність. Розроблена розрахункова методика дозволяє з достатньою для практики проектування точністю встановлювати значення меж витривалості зварних з’єднань в залежності від рівня 33Н, КН та асиметрії циклу стосовно умов навантаження циклічним знако-сталим чи переважним стисненням. Розрахункова методика опробувана-при оцінюванні циклічної довговічності зварних з’єднань і вузлів стиснених поясів стріл екскаваторів-даглайнів виробництва 00 "НКМЗ".

Обгрунтовано доцільність застосування двох засобів зміцнення (термічна та ультразвукова обробки), які груктуются на перерозподілі 33Н, шр забезпечують суттєве підвищення опру втомі зварних 'єднань. На 00 "НКМЗ" пройшла дослідно-промислову перевірку і за -проваджується у виробництво ультразвукова ударна обробка зварних

з'єднань мріл екскаваторів-драглайнїв.

Розроблений і захищений авторським свідоцтвом ' конструктивний засіб регулювання загального напруденкого стану зварних несучих елементів нижніх поясів стріл екскаватори:-драглайнів, пр виключа-

- ють зруйнування від втоми зварних з’єднань в процесі єксплу-таційних циклічних стискуючих навантажень. На основі цього винаходу розроблено технічний проект нової стріли екскаватора-драглаіїна ' ЕШ 12/100.

. Експериментально обгрунтовано доцільність використання в екскаваторах- драг лайнах стріл із гратчастим! стисненими поясами, як менш металомістких. Економічний ефект у результаті переходу на нову конструкцію стріли в машині ЕШ 12/100 порівняно з базовою моделлю ЕИ 10/100 становитиме приблизно 2,5 млн. крб. за цінами 1992 року. Часткова _ участь автора - 25Z.

На захист виносяться, загальні закономірності опору втомі зварних з’єднань при циклічному стисненні, визначені у взаємозв’язку з умовами проявлення ефектів КН та ЗНН; встановлено особливості кінетики 83Н в залежності від величини зовнішнього стискаючого навантаження й типу зварного з’єднання; результати експериментальних досліджень опору втомі зварних з’єднань при циклічному стисненні, одержані з урахуванням конструктивно-технологічних факторів, які визначають'працездатність реальних конструкцій; розрахункова методика встановлення меж витривалості зварних з'єднань е області стиснення з урахуванням 33Н, КН та асиметрії циклу; обгрунтування областей застосування конструктивно-технологічних засобів підвищення опору втомі елементів зварних конструкцій, які сприймають в умовах експлуатації дію циклічного стиснення.

Апробація роботи. Основні полонення роботи докладалися та обговорювалися на всесоюзній нараді "Міцність і надійність екскаваторів для відкритих гірних робіт" (Красноярськ, 1988р.), 1-й Шмшродній конференції молодих фахівців в галузі зварювання та сшлпк технологій (Київ, 1989р.),' Ніітлародній конференції "Зварні конструкції" (Шив, 1990р.). В цілому робота обговорювалася на семінарі у відділі міцності та тематичному семінарі "Зварні конструкції" ІЕЗ ім. 0.0. Патона ЛН України (Київ, 1892р.).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викхадено в п’ятьох публікаціях, захищено одним авторським свідоцтвом.

Обсяг та структура дисертаційної роботи. Дисертація складаєтся зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку літератури (105 найменувань), додатка, має 123 сторінки мзташоштсігого тексту, 51 ілюстрацій, 12 таблиць. ■ .

З

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано доту, показано наукову "овину і практичну цінність роботи, викладені основні положення, ¡цр виносяться на захист.

. В першій главі розглянуто й проаналізовано на основі літературних даних причину руйнування від втомленості зварних'елементів металоконструкція, щр зазнають в умовах експлуатації дію повторно-вмінного стиснення; розглянуто наявні методи розрахунку на втому зварних з’єднань, принципи призначення розрахункових опорів втомі зварних з'єднань стосовно умов стиснення; представлено огляд і аналіз раніше проведених досліджень опору втомі зварних з'єднань в області переважного стиснення; обгрунтовано й сформульовано мету і завдання дослідження. -

У другій главі викладено методику випробувань на втому. Наведено результати експериментальних досліджень опору втомі зварних з’єднань при циклічному стисненні. Викладено методику виміру полів 33Н у зварних з’єднаннях, а також показано результати досліджень, кр дозволили визначити закономірності зміни • 33Н в умовах дії циклічного стиснення.

У третій главі обгрунтовано вихідні положення методики розрахункової оцінки меж витривалості зварних з’єднань в області цикліч-

ного стиснення; узагальнено результати експериментальних досліджень

3 позицій запропонованого підходу до оцінки спільного впливу ЗЗН.КН та асиметрії циклу на опір втомі зварних з'єднань при циклічному стисненні; наЕедено розрахункові'співвідношення для визначення граничних напружень цикла зварних з’єднань при циклічному стисненні; дане обгрунтування-доцільності застосування конструктивно-технологічних засобів підвищення опору втомі зварних з’єднань.

У четвертій главі обгрунтовано значення розрахункового опору втомі зварних з’єднань у вихідному стані і після додаткових зміцнюючих обробок. Дано рекомендації з пригоду застосування технологічних -і.' .конструктивних засобів підвищення опору втомі зварних в’єднань застосовно умоЕ повторно-змінного стиснення. Наведено, приклади практичної реалізації на 00 "НКЮ" результатів роботи (стріла іссіуаватора-драглайна). ‘ \

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ ■ •

Значна частина елементів зварних машинобудівних та будівельних метадоконструкцій експлуатується в умовах повторно-змінного стиснення. Несуча здатність таких конструкцій визначається головним чином опором зварних з'єднань руйнуванням від втоми. У відомій літературі, керівних техничних матеріалах і нормативних документах немае

4 ’

достатньо обгрунтованих даних як про опір втомі вварних елементів, щр експлуатуються в умовах повторно-змінного стиснення, так і про конструкторсько-технологічні засоби підвищення опору ВТОМІ зварних а’єднань і елементів. Як показує практика експлуатації ма~ шинобудівельних та будівельних зварних конструкцій, вказані дані необхідні для забезпечення необхідної надійності та довговічності подібних конструкцій. ' ^

На сьогодення існує відносно обмежений обсяг експериментальних досліджень (Gurney Т. R. , Oliver R , Ritter W., Дучинський Б. it, Гу-зевич Ю. Д.), вір стосуються вказаної галуаі досліджень. Так, наприклад, у роботах Gurney Т. R. показано, що при віднульовому розтягу та стисненні межи витривалості однотипних зварних з'єднань однакові. Крім того, для зварних з’єднань з граничним рівнем розтягуючих 33Н та КН сСб-1,7 та 2,5 при віднульовому стисненні отримано значення меж витривалості ІІОШІа та 65МШ. відповідно. В той же час у дослідженнях, проведених на 00 "НКІВ", одержана приблизна рівність меж витривалості зварних з'єднань з різно» КН (ofg=1.4

і 2,5) при і?£=10: <Од=200Ша та 193МПа. У каталозі Oliver R. , Ritter V. систематизовано великий обсяг еспериментальних даних стосовно опору втомі зварних з'єднань в області переважливого стиснення, який свідчить про значне розсіяння меж ' витривалості зварних з’єднань, але не пояснює його причин і, крім того, не дає можливості виявити загальні закономірності огору втомі зварних з’єднань в області циклічного стиснення. Дучинським В. М. запропонована побудова ДГН на основі прямолінійної екстраполяції ліній граничних-напружень із області розтягу в область стиснення та проведено ряд експериментів, результати яких'узгоджуються іа запропонованими ДГа Проведені зіставлення результатів досліджень Ілінойського університету в цій галузі також не суперечать ДГН, побудованим на основі прямолінійної екстраполяції. Однак на 00 "НКМЗ" експериментально отримані криві втоми двох типів зварних з’єднань, щр показують суттєве збільшення значень граничних амплітуд ( при зростанні абсолютного зичення середніх напружень циклу в області стиснення) порівняно з ДГН, рекомендованими Дучинським Б. М. Крім того, використання вказаних ДГН може привести до погрішностей при визначенні меж витривалості зварних з'єднань, оскільки ці діаграми не враховують особливостей опору втомі зварних з’єднань в умовах дії циклічного стиснення,, обумовлених впливом основних факторів: ЮТ,

33Н та асиметрії циклу, Таким чином, простежуються значні супереч-пості результатів досліджень, а також пояснень особливостей процесів втоми у визваних умовах навантаження.

Запобігання руйнуванню алементів зварних конструкцій від втоми пріл ДІЇ змінного стиснення, підвищення 'іх несучої вдатності при одночасному зниженні металомісткості може бути досягнуте на основі удосконалення розрахункових методів, використання в практиці проектування експериментально обгрунтованих даних про опір втомі зварних стиснених елементів, їх раціонального конструктивного оформлення, а також застосування ефективних засобів підвищення опору втомі зварних елементів конструкцій. . .

Таким чином, зстакоііленля загальних закономірностей опору втомі аварних з’єднань в умовах переважного стиснення і використання в розрахунках обгрунтованих значень меж витривалості зварних з’єднань, які враховують вплив 33Н, КН та асиметрії циклу, е актуальним завданням. .

На основ, аналізу-літературних даних, а також виходячи з вимог проектування та експлуатації зварних конструкцій, сформульовані основні завдання дисертаційно; роботи: провести -експериментальні дослідження опору втомі при циклічному стисненні'ОСНОВНИХ ТИПІВ зварних з’єднань; з результатів проведених експериментальних досліджень-визначити загальні закономірності опору втомі стиснених зварних елементів, в тому числі виявити роль основних факторів, ідо визначають опір зварних з’єднань руйнуванням від втоми в умова;: вказанного навантаження; опрацювати метод розрахункового визначення ■ меж витривалості з урахуванням основних факторів' - 33Н, КН та асиметрії циклу; експериментально оцінити ефективність конструктивно-техноло-гичних ■ засобів підвищення опору втомі зварних з’єднань при цикліч-комі стисненні; обгрунтувати значення розрахункових опорів втомі зварних з’єднань елем« конструкцій, що сприймають циклічне

стиснення.. ' ' '

Виконаний комплекс експериментальних досліджень містив в собі апробування на втому основних типів зварних з'єднай? (матеріал СтЗ Тс*. ІОХСНЛ) та вимірювання полів 33Н, в тому числі й іх кінетику при циклічному навантаженні. ' '

Випробування на втому здійснювались на дослідній установці УРС 200/20 а використанням вЕарних зразків, кожен з яких містив до чотирьох типів аварних з’єднань, характерних зварним вузлам стріл еке.їаватсрів-драглайнів, і відображав не лише конструктивну форму, але й високу залишкову напруженість реальних зварних елементів конструкцій.

Прийнята методика експериментальних досліджень дозволила отримати не лишг! порівняльні дані про опір втомі зварних з'єднань ь різ-иомглітмою Кіі у ході випробування одного зразка, але й суттєво ско-6

ротити обсяг і час проведення випробувань. .

Отримані результати, експериментальних досліджень дали можливість встановити, що основним фактором, який визначає опір втомі зварних з'єднань при дії стискуючих навантажень, е 33Н розтягу в зонах концентраторів. КН у вказаних умовах стає другорядним фактором.

Особливо слід відзначити, що зварні з’єднання з відносно малою КН<А5=1,4 (фасонка, приварена у стик) незалеиио бід режимів навантаження в усіх випадках мали трівдіни від втоми в зонах 'КН. Доречі, навіть зменшення КН ( пристрій радиусів біля кінців фасонок) не виключаю утворення тріщин від втоми. В той те час в зварних з’єднаннях з більшою КН (поздовжнє ребро0(3 =2,33) тріщини від втоми виникали не завжди, а останні з’єднання кали набагато більиу довговічність, и і я перші. Це зумовлено тим, що зварні з’єднання а поз-довжним ребром мали знижені. S3H розтягу порівняно із з'єднаннями першого виду.

Аналіз рані ке отриманих результатів випробувань на втому виявив значний розкид довговічностей і кек витривалості різких видів зварних з'єднань при циклічному стисненні. В ході виконаних досліджень показано, ео даний розкид пов’язаний з підвищеною чутливістю зварних з'єднань в-умовах стиснення’до рівня 33Н в зонах КН.

Найбільш вазяливога особливістю, встановленою в результаті проведених випрбувань на втому при циішчнону стисненні, є те, с-о при R$=3,0... 3,3 в жодному з дослідкешіх зварних з’єднань в інтервалі зміни коефіцієнта концентрації від 1,32 до 2,5 грі ціни від втоми не виникали.

Частина зразків з чотирма досліджуваними видами з'єднань випробувалась у стані після термообробки (високе відпускання) та ультразвукової ударної обробки, заснованих на зніманні та перерозподілі ЗЗІІ Тим чином досліджено вплив одного з основних' фаеторів (33Н), що визначав опір зварних з’єднань руйнуванням від втоми при стискаючих навантаташшх. Результати випробувань на вт^му показали, ш в жодному з дослідгяних зварних з’єднань тріщжи від втоми не спостерігались при навантаженні стисненням ад до (о win = - ЯООШа.' Одержані результати підтвердили, цо домінуючим фаіпором* який визначне опір втомі зварних з’єднань у вказаних умовах навантаження, є 331L

Паралельно з випробуваннями на втому в аналогічних зразках виконано вимір полів 33Н незруйповним ультразвуковим методом. Епери? отримані закономірності перерозподілу 33Н під дією циклічних стис-капчих навантажень. Вимірвзались початкові 83Н, а такс*, ті, які

встановилися після-навантаження зовнішнім стисненням різного рівня, іф викликає номінальні напруження фтіп=0,40т; 0,78 (5 т; 0,9 6т. Рівень навантаження <5шгі=0,4 б т відповідав напруженням, при яких в досліджуваних зонах зразка 'зароджувалися й поширювалися тріщини від втоми в ході випробувань при віднульовому стисненні. Встановлено, шр зміна початкового рівня ІЗЗН відбувається при перших циклах навантаження. З підвищенням рівня зовнішнього стискаючого навантаження інтенсивність амінення початкових 35Н зростає. Зміненая початкового рівня '33Н розтягу під дією зовнішнього навантаження стисненням відбувається головним чином за рахунок зміни зрівноважуючих іх початкових 33Н стиснення. Останні змінюються лише тоді, коли сума напружень від зовнішнього навантаження стисненням й ЗЗЕ стиснення перевищує межу текучості матеріалу при стисненні’.

У всіх дослідаваних типах заврних з’єднань після навантаження стисненням до (5шп=0,4(3т 33Н розтягу в зонах концентраторів повністю не знімаються. При цьому в окремих типах з’єднань 33Н розтягу змінюються незначно та зберігають початковий рівень (мал. 1,а). Тому е, ході випробувань на Етому даних зразків при віднульовому циклічному стисненні з напруженнями <3шіп=-1й0... -ІЄОМПа ь цих з’єднаннях тріщини від втоми зароджувались і розповсюджувались в полях 33Н розтягу. Вказана особливість, яка складається в тому, що для багатьох досліджуваних типів зварних з’єднань при навантаженні стисненням в інтервалі номінальних напружень, що відповідають багатоцикловій об-

вузлах: а - фасонка, приварена у стик; б - поздовжнє ребро, приварене вугловим швом по контуру. 1 - початкові 33Н; 2-4 -

- 33Н, що встановилися після зовнішнього навантаження етне-неинлм -1 бОМПа; -270МПа; -350ША відповідно. ■

ласті (<5min-0,3. • • 0,4<3т), ЗЭН ровтягу практично не вмішаються, врахована в розрахунковій методиці визначення меж витриьалості зварних з'єднань.

їй збільшенням рівня навантаження стисненням до Сзгп»п=0,У5 *0т та (зіггіп=0,9 Sт у більшості типів зварних з'єднань залишкові напруження розтягу знімаються і навіть переходять у стискаючі (мал. 1,6). Однак в зварних елементах реальних конструкцій такі рівні наванталэння стисненням в переважній більшості випадків не припускаються із-аа обмежень за крітеріем стійкості несучих елементів. Більш того, навантаження стисненням до граничного рівня, близького з напруженнями, рівними границі текучості основного металу, не гарантує знімання 3SH розтягу в зонах КИ, наприклад, біля фасонки, приварекой у стик (мал. і,а).

В окремих типах зварних вузлів, наприклад, прикріплення тра-пецієвидно'і фасонки у стик, 33Н розтягу в зонах концентраторів не знімаються навіть після навантаження стисненням високого рівня

0,9бг. Обумовлено це тим, шр початкові 5ЭН стиснення мають порівняно низьки рівні, та зони 'їх розподілу значно віддалени від зон концентрації робочих напружень, lía прикладі цього з’єднання досить переконливо підтверджується компенсаційний характер амінення 33Н розтягу при зовнішньому навантаженні елементів конструкцій стисненням.

Проведенні дослідження показали, в;о в усіх випадках тріщини від етоми утворюються біля КН,розташованих в зонах 33Н розтягу В зонах 33Н стиснення тріщини від втоми не зароджувались.

Встановлені особливості перерозподілу 33Н в елементах конструкцій при зовнішньому-навантаженні стисненням необхідно враховувати при оцінці 'іх впливу на опір втомі зварних з’єднань.

На основі результатів випробувань на втому і встановлених особ- • лиьостей перерозподілу 33Н запропоновано розрахункову методику визначення мек витривалості зварних з’єднань, що сприймають .циклічне навантаження стисненням, побудованої на таких вихідних положеннях: '

- змінення 33Н розтягу має головним чином компенсаційний хапактер, тобто 33Н розтягу змішоі-лься внаслідок релаксаці'і 33Н стиснення, яка відбувається в тому випадку,коли сумарні напруження від зовнішнього стискаючого навантаження і початкових 33Н стиснення в зоні концентратора перевищують межу текучості при стисненні;

- оскільки при навантаженні стисненням в інтервалі номінальних напружень що відповідаюсь баготоциклоній області (0,3... 0,4 €> тї, 33Н розтягу u більшості випадків практично не релаксують,то цілком і’ри-

9

пустиш чх початковий рівень при наступному циклічному навантажиш стисненням ввалити встановленим;

- опір втомі зварного з’єднання можна розглядати як. опір втомі гладкого зразка, напрукений стан якого в процесі навантаження відповідає напруженному стану зварного з’єднання в зоні КН з урахуванням ЗЗЕ Тоді за граничні значення напружень зварного з'єднання мокна прийняти граничні напруження в мзталі, що відповідає за властивостями дчслідзкуваній зоні з'єднання при відповідних параметрах зовнішнього навантаження. .’

Рівняння ліній граничних напружень в області стиснення отримані на основі аналізу дійсних циклів з урахуванням 33Н в зонах КН в зварних з’єднаннях та лінеаризованих ДГН основного металу- і мають вигляд: ■ .

д& 1?ек= <ов+6-</<о в ; вііп і! ‘ номінальні мінімальні та середні напруження циклу; <0 ост - залишкові зварювальні напруження; теоретичний коефіцієнт концентрації напружень; (Ойо- номінальні напруження з урахуванням коефіцієнта асиметрії циклу; ¡3(5 - коефіцієнт асиметрії циклу; *ОЕ - тимчасовий опір основного металу; 64- межа витривалості основного металу при симетричному ЦИКЛІ.

На мал. 2 зображені отримані у відповідності а рівняннями (1),(2) лінії граничних напружень зварних з’єднань сталі 10ХСНД при властивих для реальних аварних конструкцій значеннях коефіцієнта концентрації і двох рівнях ЗЗЕ розтягу, рівних <5т та 0,25 <5т. .

Отримані граничні напруження циклу однотипних зварних з’єднань СтЗ та 10ХСНД з 83Н розтягу, рівними <5т, практично співпадають. Результати випробувань на втому також не показують суттєвої рівниці в межах витривалості. • ' . .

Побудовані на основі розрахункових співвідношень (і),(2) ДГН циклу "ідчать про те," щр значення меж' витривалості зварних з’єднань при циклічному стисненні у - великій мірі визначаться рівнем початкових 33Н розтягу. Окрім того, при циклічному 'Стисненні 33Н розтягу можуть змінювати опір втомі зварних з’єднань в більшії мірі, ній КН,обумовлена формою з'єднання: з'єднання з підвищеною КН 10 • ' ’

(1)

або

Сзіл,fifia -ISO’ -гоо -ISO

Нал. 2. ДГН зварних з’єднань сталі' 10ХСНД: 1-3,- при рівні 33Н <5ост=й (от - 400Ша та відповідних Об(>-1,32;1,б9; 2,33; Г-3’- при рівні 0ОСТ= =0,25С)т=100Ша й тих жеоЛг ; 4 - лінія мінімальних граничних напружень основного металу; та - межі за-

стосовності рівнянь (1), (,2) за І?е для бост=С5т й 0,25<5т

ВІДПОВІДНО.

«у

(oía =2,33) та низьким рівнем 33Н розтягу мають вищі межі вктири-ралості (приблизно 210!Я1а при R<j =íco), анід з'єднання із зними-нгію KHÍoÍG^l,32), але високим рівнем початкових 33Н розтягу (приблизно НОМПа при Rg=ioo). Результати випробувань на втому показали, щр й довговічність аа моментом зародження трівдіни від втоми у з'єднань з вищій КН та низкими 33Н розтягу більша, ніж у з’єднань з малою КН, але високими 33Н розтягу. •

Крім того, різниця (за абсолютною величиною) між меками витривалості зварних з'єднань з різними КН і високими 53Н стає (¿subnota, ній різниця між межами витривалості зварних з'єднань в низькими 33Н розтягу.

При граничному рівні 33Н розтягу межі витривалості зварних з'єднань незначно змінюються в залежності від КН. Гіри <0ост= <3 т змінення ci G от 1,32 до 2,33 веде до зниження межі витривалості з’єднань сталі 10ХСНД лише на ЄОМПа, а з’єднань сталі СтЗ -на 45 Ша. При 33Н розтягу <Зост--0,25С>т підвищення КН з 1,32 до 2,33 викликав зниження меж витривалості зварних г’зднань сталі 10ХСНД на 1621Ша, а сталі СтЗ - на 99ИПа. .

Зіставлення експериментальних даних і ДГН н області стиснення, одержаних аналітичним шляхом, свідчить, гір розрохуніазві дані цілком узгоджуй ьси о результатами експериментів інших досліджень. Зокрема, на ї’-чл. З показані межи витривалості зваріих з'єднань ds “2,0 та 1,7 з і, аничним рівнем 33Н розтягу, одержаним Гчпіеу R. (Д) •, межі витривалості зварних з'єднань з високими ййП розтягу в оо-H3JC КН та 1,4), одержаними на ОО'ЧПМЗ" ( Q і. ^

Аналіз результатів випробувань на ьтому у зіставленні в запрпо-нованою методикою розрахунку меж витривалості- зварних з’єднань показує:

1) в умовах циклічного стиснення характерна значна різниця між граничними напруженнями однотипних з’єднань, яка пов’язана перш за псе з рівнем сталих 33Н розтягу у зонах КН (мал. 3);

2) при дп циклічного стиснення з коефіцієнтом асиметрії циклу

К £ -3... 1 в усіх типах зварних з’єднань ( навіть у з'єднаннях з великою КН с^с#-Е,5 та граничним рівнем початкових 33Н розтягу (д’т) виникнення тріщин від втоми виключається аж до рівня мінімальних напружень циклу (эпцп= - 6т (мал. 3). - ..

О Мал. 3. Зіставлення результатів випробувань на втому та розрахункових ДГН:

■50 ОМ - лінія граничних напружень основного металу (сталь ІОХСВД); 1-3 - лініч граничних напружень *и зварних з’єднань відповідно о/с = =1,32;2,0;2,33 та <?5ост= От; І’-З’- те ж при <сіост=0,2ЬОт; 150 О - руйнувань немає в жодному і а з’єднань;

О - руйнування є хоча б в одному ■ія із з’єднань на заданому режимі навантаження;

О - руйнування є, але не на усіх 25о зразках.

•300

■350 -

Запропонована та експериментально обгрунтована розрахункова методика дозволяє визначати значення . меж витривалості пооброблених ВЕ-арних з'єднань при знакосталому циклічному стисненні в залежності від величини 33Н розтягу, КН та коефіцієнта ас і метрі! циклу Ии .

При визначенні меж витривалості необроблених згарних з’єднань в раитиці проектування зварних елементів, що сприймають циклічне стиснення, напевне, доцільно виходи:-! із заданих (в залежності від відповідальності зварних елементів) значень ЗЗН в зонах КІІ. Для особливо відповідальних зварних елементів, в'яких при експлуатації ТРІЩИНИ ВІД ВТОМИ НепрЯІіусТИМІ і ГфИ Г;И.'!Н;."'-'Я,!! мед 12 .

витривалості з'єднань sa формулою доцільно приймати граничний рівень ЗЗН розтягу, рівним меді ‘ текучості основного матеріалу +<3т. ' ‘ • •

В області асіметрії циклу з Rq¡ =+со до Rg=-1 рекомендовано обчислювати некі витривалості необроблених зварних з’єднань виходячи з ліній граничних напружень, на основі прямолінійної апроксимації шляхом з'єднання на ДГН крапок, цр відповідають значенням меж витривалості зварних з'єднань з високим рпнем ЗЗН розтягу при віднульовому стисненні та при симетричному циклі (мал. 4). •

Мал. 4. Визначення мех витривалості зварних з’єднань в області перевак-ного стиснення в мєлах асиметрії циклу навантажений з Н<з =~1 до Rg =

=і со : і- лінія граничних напружень в області знакосталого стиснення;

2 - те х в області переважного стиснення з Й<з=-1 до Rq-=ío° .

Рівняння ліні'і граничних напружень для області переважного стиснення R g ■=+ о° : ^

(Z ;_________<3-<(cœc>)

^ -<?4оо iaG-4icatiir межі витривалості зварного з’єднання при віднульовому стискаючому та симетричному циклах.;

і ґгіг, Mñaf

Встановлені експериментально та обгрунтовані з позицій розрахункової, методики особливості опору втомі зварних з’єднань в області циклічного стиснення дозволили-рекомендувати як конструктивний засіб підвищення опору втомі зварних елементів стріли екскаватора- драг лайна попередив (додаткове) дотиснення останньої, цо забезпечує більш сприятливу асиметрію циклу у зварних вузлах. На основі результатів експериментальних досліджень встановлено й обгрунтовано значення коефіцієнту асиметрії циклу Res =3,0, при якому виникнення тріщин від втоми у зварних з’єднаннях навіть з граничними рівнями ЗЗН розтягу, виключається. Стосовно гратчастих конструкцій стріл великої довжини екскаваторів-драглайнів на цій основ, запропоновано засіб збільшення довговічності зварних вузлів стріли екскаватора- драг лайна ЕШ 12/100, який захищено авторським свідоцтвом 1 використано при проектуванні ртріли нового типу. - ■ ’

Встановлені в даній роботі'закономірності опору втомі зварних з’єднань при циклічному стисненні обумовлюють принципові ВІДМІНИ у ' • 13

підході до вибору й обгрунтуванню засобів обробок, спрямованих на Підвищення опору втомі' конструкцій порівняно з умовами навантаження з’ єднань переважним розтягом. Це зумовлене насамперед тим, що при циклічному стисненні опір зварних з’єднань руйнуванням від втоми визначається головним чином величиною ЗЗН розтягу. Роль КН при цьому стає другорядною. Виходячи з цього, засоби підвищення опору втомі зварних з’єднань несучих елементів конструкцій, навантажуваних в умовах експлуатації змінним стисненням, повинні базуватися насамперед на зніманні ЗЗН розтягу та ‘іх перерозподілі.- Найбільш ефективними технологічними засобами підвищення опору втомі зварних елементів конструкцій, що експлуатуються в умовах циклічного стиснення, е високий відпуск та ультразвукова ударна обробка. ■ ВИСНОВКИ '

1. Встановлено, що опір зварних з’єднань руйнуванням від втоми при циклічному стисненні визначається головним чином величиною 33;> розтягу в зонах КН. При рівні вихідних ЗЗН розтягу, що досягає макі текучості (.'--.теріалу, межи витривалості .зварних з’єднань практично не залежать від ¡и, тобто фактор' КН у вказаних умовах на-вантатаиня стає другорядним. Вплив КН на опір втомі зварних з’єднань при циклічному, стисненні збільшується із зменшенням рівня ЗЗН розтягу. Зміненая рівней початкових та усталених ЗЗН розтягу в зонах КН веде не лише до значного розсіяння довговічностей та меж витривалості, але й визначає можливість ініціювання або виключає виникнення ггріиии від втомі при тих самих режимах, навантаження, або наявність тріїцин від гтоми з меншою КН та меншім розмахом напружень та їх відсутність при більших значеннях КН та розмахах напружень. ,

к. У всіх випадках тріщини від втоми утворюються біля КН, роз\ ташованих в зонах сталих ЗЗН розтягу. В зонах ЗЗН стиснення Тріцини від втоми не зароджувалися. Дальшій розвиток трівдін спостерігався як в зонах розтягуючих, так і стискаючих ЗЗН.

3. Змінений ЗЗН розтягу при зовнішньому навантаженні стисненням має компенсаційний характер, тобто суттєве зниження ЗЗН розтягу спостерігається псе у тих випадках,коли діючі напруження стиснення викликають релаксацію ЗЗН стиснення. Для деяких типів зварних з’єднань при навантажиш стисненням в інтервалі номінальних напру кень, го відповідають багатоцикловій області (-12РМПа... -ІбОМПа, тобто ^ ’.'..0,4 бт), ЗЗН розтягу практично не змінюються. Більш того, навантакення стисненням до рівня, близького до напружнь. рівних мекі текучості основного металу, не гарантує знімання Р-г розтягу в зонах КН в багатьох типах зварних з’єднань.

14 '

А. Розроблена методика розрахункової оцінки меж витривалості зварних з’єднань при циклічному стисненні з урахуванням ЗЗІІ, КН та асиметрії циклу узгоджується з одержаними у роботі результатами випробувань на втому і може бути використана в інженерній практиці при призначенні розрахункового опору втомі зварних з’єднань, що сприймають в умовах експлуатації дію змінного стиснення.

5. На основі результатів випробувань на втому зварних зразків та моделей гратчастих конструкцій встановлено, ¡ц при циклічному стисненні з коефіцієнтом асиметрії циклу К<5 =3,0... 3,3 в усіх досліджуваних зварних з’єднаннях тріщиш від втоми не зароджуються аж до рівней мінімальних напружень циклу <опіг>=-21 Ої.Ша 0,88 <3 т -для СтЗ та бт:п=-240МПа«0,бЗ<от-Для 10ХСНД. Аналіз, проведений з використанням розробленої розрахункової методики-, також показав, що в умовах иіклічного стиснення з коефіцієнтом асиметрії циклу Р^-3,3 ...1,0 у всіх досліджуваних типах зварних з'єднань (навіть з максимальною. КН та граничним рівнем 33Н розтягу) ініціювання тріщин від втоми практично виключається аж до рівня мінімальних напружень циклів (отіп=- 6т (де - <5 т - межа текучості основного металу при стисненні). ■

. 6. Виходячи із встановлених закономірностей опору втомі звгр.іих

з’єднань при циклічному стисненні. обгрунтованії загальні принципи й обумовлен.'. значення розрахункових- опорів втомі для основних типів зварних з’єднань. . . •

Експериментально встановлено, що стосовно умов циклічного стиснення технологічні засоби підвищення опору втомі зварних з’єд--нань, побудовані на перерозподілі чи усунені 33Н розтягу в зонах КН (ультразвукова ударна обробка та високий відпуск)’.виключають утворення тріщин від втоми і рекомендуються для практичного використання. ■ -

8. Обгрунтовано доцільність використання в екскаваторах-втаг-лайнах стріл із гратчастими стисненими поясами, іір відрізняються зниженою металомісткістю порівняно з трубчастими. З урахуванням встановлених закономірностей опору втомі зварних з’єднань запропоновано конструктивний засіб підвищення циклічноі довговічності стиснених зварних вузлів, побудований на регулюванні загального напруженого стану несучих елементів шляхом їх попереднього (додаткового) дотиснення, наприклад, стягуючими канатами.

Основний зміст дисертації викладений у роботах:

1 Р’гіенко А. Г., Добшшна Е. К. Сопротивление усталости сварншс соединений и несущая способность сварных конструкций при циклическом сжатии //Новые технологии і материалы в тяжелом машиностроении.

16

- Киев: КЭС АН Украины, 1987, - о. 99-104 - ДСП.

. 2. Добыкина Б. ”. Особенности сопротивления усталости сварных соединений в условиях циклического сжатия //Тез. докл. I Междунар. конф. молодых специалистов в области сварки и смежных технологий, 16-20 мая 1989г.- Киев: КЭС АН Украины, 1989, - с. 221-222.

3. Буренко А. Г. .Добыкина Б. К. Особенности сопротивления усталос-

ти сварных соединений при циклическом скатки // Тез. докл. Междунар. конф."Сварные конструкции",24-28 сенг. 1990гч. -Киев: ИЭС АН Украины, 1990 - с. 148-149. ‘

4. Добыкина Е. К., Буренко А. Г., Ґуща О. И., Михеев П. П., Кот Е Г. Особенности перераспределения остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях при циклическом сжатии // Техническая диагностика и неразрушащий контроль - 1992, N 1, с. 38-43.

- Б. Добыкина Е. К., Буренко А. Г. ,. Шхеев IL П., Кудрявцев Е Ф. Влияние остаточных напряжений на сопротивление сварных соединений разрушению при циклическом сжатии //Автомат, сварка,1992,N1,с. 11-14 ' б. Буренко А,Г., Добыкина.Е.К., ЙихвОв П.П., -Кудрявцев Ю.Ф. Особенности усталостного разрушения сварных соединений при циклическом сжатии// Автомат.сварка/ 1993, й I, с.7-12. '

7. Буренко Л.Г., Добыкина Е.К., Михеев П.П., Кудрявцев Ю.Ф. Расчетное определенна пределов выносливости сварных соединений при циклическом сжатии// Автомат.сварка, 1993, & 2, q. 16-18.

8. Буренко А.Г., Добыкина Е.К., Михеев П.П., Кудрявцев Ю.5. .

Повышение сопротивления усталости, несущих элементов сварных конструкций при циклическом -сжатии// Автомат.сварка, 1993, Ъ Ъ, \ C.S-I2. . • ‘ .

£3. А. С. 1650880 СССР, f.!M Е 02 F 3/48"Способ повышения несущей способности решетчатой стрелы экскаватора-драглайна"/ А. Г. Буренко, Е А. Стецюк, Е. К. Добыкина, А. И. Марченко, Е Н. Синицын. Опубл. 25.05.1991, Вол. N 19.

Особистий внесок автора. В 111 узагальнені наявні результати випробувань на втому е області циклічного стиснення. В С2-53 пред ■ставлені особливості опору втомі зварних з'єднань в області стиснення, показана особлива роль 33Н розтягу при даних умовах наванта-Еішя, систематизовані- результати виконаних експеримэнталышх дослідкань при стисненні з урахуванням впливу основних факторіє: 23Н, КН та асимзтрп циклу; запропоновано розрахункову методику вкз-

начення мєн витривалості зварних' з’єднань при циклічному стисненні. Б [63 рекомендовані конструктивно-технологічні засоби підвищення опору втомі несучих елементів зварних конструкцій, шр сприймають ДІЮ циклічного стиснення.

ПІдп. до друку 26.07.53. Форкат-бОхв^/Іб. Пап. о4с. №2. Офс.срук. У*. друк. арк. 0,93. У*. вербо-відб. 1,16. 05г.-єнд. ерк . 0,96. Тиране 100 прим. Зам. 398. Беаковтогиа.

ТЕЗ їм. Е.О.Латона. 252650 Київ 5. МСП, вуя. Горького, 69. ПОД ТЕЗ їм. Є.О.Петона. 252650 Київ 5, МСП, еул. Горького, 69.