автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка методики для исследования релаксации напряжений в точечных сварных соединениях из тонколистовой низкоуглеродной стали

ВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ методов механических испытаний и факторов, влияющих на прочность точечных соединений контактной сварки тонколистовых материалов. Релаксация металлов.

1.1. Строение и механические свойства соединений контактной сварки.

1.2. Прочность соединений, выполненных точечной контактной сваркой.

1.3. Сопротивление усталости сварных соединений, выполненных контактной сваркой.

1.4 Остаточные напряжения при контактной точечной сварке.

1.5. Структурная неоднородность в точечном сварном соединении.

1.6. Релаксация напряжений в металлах.

1.6.1. Явление релаксации напряжений.

1.6.2. Установки, применяемые для испытания на релаксацию при растяжении и изгибе.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка испытательного комплекса и конструкции образца для испытания на релаксацию напряжений в точечном сварном соединении из тонколистового материала.

2.1. Тип и конструкция сварного образца для испытания на релаксацию.

2.2. Разработка испытательного комплекса.

2.3. Акустико-эмиссионный метод регистрации локализованного очага разрушения при исследованиях на релаксационную стойкость точечных соединений.

2.4. Подготовка к проведению экспериментов с использованием акустико-эмиссионного метода контроля.

2.5. Разработка принципиального технологического процесса и оснастки для изготовления верхнего элемента сварного образца.

Выводы к главе 2.

Глава 3 Испытание точечных сварных образцов в условиях релаксации напряжений.

3.1. Методика испытания образцов.

3.2. Результаты испытания.

3.3 Калибровка системы.

3.4. Испытания точечного сварного образца на релаксацию напряжений с применением АЭ метода контроля.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Исследование структурно - механической неоднородности сварного соединения, выполненного точечной контактной сваркой из низкоуглеродистой стали.

4.1. Методика исследования структурной неоднородности.

4.2. Результаты исследования.

4.2.1. Структурная неоднородность сварного соединения

Из однотолщинной стали 08кп.

4.2.2 Структурная неоднородность сварного соединения из разнотолщинной стали 08кп.

4.2.3.Структурная неоднородность сварного соединения из однотолщинных сталей 08 и 20.

4.2.4. Структурная неоднородность сварного соединения из однотолщинной стали 08.

4.2.5. Структурная неоднородность сварного соединения из однотолщинных сталей 08Ю.

Выводы к главе 4.

Оболочковые сварные конструкции из тонколистового материала занимают значительный объем в машиностроительной промышленности. Основными требованиями к этим конструкциям являются - обеспечение прочности и жесткости. Примерами подобного типа изделий являются несущие кузова автомобилей, вагоны железнодорожного транспорта, обшивка сельскохозяйственных машин (комбайны, кабины тракторов) и т. п., при изготовлении которых применяются листы из низкоуглеродистых сталей толщиной от 0,8 -3 мм. Как правило, выше указанные изделия выпускаются в массовом, серийном и мелкосерийном производстве. В связи с этим наиболее распространенным способом сварки является контактная точечная сварка, которая может обеспечить высокую производительность и автоматизацию производства.

При эксплуатации соединения подвергаются воздействию случайных динамических, циклических и статических нагрузок, т.к. рабочие нагрузки имеют сложный характер.

Сварные соединения должны обеспечивать устойчивость и местную жесткость тонкостенных элементов конструкции как при изготовлении так и при эксплуатационных нагрузках. Точечные сварные соединения выполняются с заданным шагом и относятся к соединениям с прерывистыми швами. В реальных условиях в зависимости от схемы нагружения эти протяженные сварные швы работают как на срез (растяжение) так и отрыв (сжатие). При приложении растягивающих напряжений сварная точка работает как связующая между соединенными элементами, и существенных нагрузок не испытывает. Существенно изменяется нагрузка на сварную точку при приложении сжимающих напряжений для нахлесточных соединений тонколистовых материалов.

Вследствие потери устойчивости листов между двумя точками в зоне сварного соединения возникает момент и, как результат, нормальные отрывающие напряжения по площади точки и касательные напряжения по толщине листа на границе ядра (условия близких к испытаниям на отрыв).

В связи с тем, что сжимающие силы могут иметь технологическую природу, в процессе изготовления (плохая сборка, непродуманный порядок наложения сварных точек), а также подобные силы могут возникать при хранении и при эксплутационных нагрузках. Длительное воздействие внешней нагрузки на сварное соединение сопровождается релаксацией напряжений. При которых может произойти либо существенное исчерпание пластичности сварного соединения, или в конечном итоге разрушение. Примеры такого разрушения сварных соединений можно наблюдать в кабинах сельскохозяйственных машин, в несущих узлах кузова легкового автомобиля и т.д.

Поведение сварной точки при относительно невысоких сжимающих нагрузках и длительных периодах воздействия на нее мало изучено. Периодическое приложение относительно малых сжимающих нагрузок длительного действия на сварную точку можно отнести к условиям повторно периодического воздействия, которые могут интенсифицировать релаксационные процессы.

В настоящее время вопрос об общем ресурсе прочности точечного сварного соединения является актуальным. Однако исторически сложилась такая ситуация, когда до настоящего времени нет нормативной документации для количественных оценок свойств сварных соединений воспринимающих длительное воздействие повторно-периодических нагрузок ниже разрушающих усилий. В настоящее время используемый ГОСТ 6996 - 66, дает нормирующую оценку механических (но не эксплуатационных) свойств этих соединений.

Исследование сварной точки в условиях релаксации напряжений дополнят ранее известные методы оценки прочности точечных соединений выполненных контактной сваркой. Изучение вопроса о поведении сварной точки в условиях релаксации напряжений, необходим для выбора оптимальной технологии сварки и сборки с целью повышения работоспособности сварных конструкций. А также изучить закономерности поведения точечного сварного соединения тонколистового материала при повторно - периодическом воздействии эксплутационных нагрузок. Полученные результаты позволят расширить область применения точечного соединения в ответственных конструкциях.

В связи с выше изложенным актуальность проблемы не возникает сомнения.

Целью настоящей работы является определение основных факторов влияющих на поведение сварного соединения в условиях релаксации напряжений под действием внешних нагрузок.

Практические результаты работы заключаются в том, что

1. В разработке испытательного комплекса и научно обоснованной методики для оценки релаксационной стойкости в точечных сварных соединениях из тонколистовых материалов.

2. Сформулированы основные принципы системного подхода к изучению свойства зоны термического влияния с учетом термического цикла.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 2 Международных конференциях. Содержание диссертации изложено в 9 публикациях и отражено в научно-технических отчетов.

Экспериментальная часть работы была выполнена в лаборатории кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» Московского государственного индустриального университета.

ВЫВОДЫ К РАБОТЕ

1. Анализ литературных источников показал, что поведение точечного сварного соединения из тонколистовых материалов в условиях релаксации напряжения практически не изучен.

2. Разработана методика, испытательный комплекс и конструкция образца для исследования поведения тонколистового точечного сварного соединения в условиях релаксации напряжений при испытании точеного соединения на отрыв.

3. Предложена повторно - периодическая схема нагружения, обеспечивающая уменьшение сроков испытаний при обеспечении условий протекания релаксации напряжений (ограниченной ползучести).

4. Характер протекания процессов релаксации напряжений в точечном сварном соединении и в основном металле имеет одни и те же закономерности.

5. Установлено, что при испытании на релаксацию напряжений точечного сварного соединения из низкоуглеродистой стали толщиной от 0,8 до 1,5 мм в различных сочетаниях, разрушение происходит как в зоне термического влияния с внутренней поверхности (порядка в 80% случаев), так и от концентратора напряжения в ядро (примерно в 20% случаев) при условии, что размеры ядра точки соответствовали ГОСТ15878-79.

6. Определен предел релаксации напряжений в точечном сварном соединении методом акустической эмиссии, который совпадает со скачкообразным падением нагрузки на сварной точке.

7. Установлено, что ответственным за разрушение сварного соединения является участок зоны термического влияния с максимальным относительным разбросом микротвердости.

155

8. Причиной разрушения является накопление микропластических деформаций при релаксации напряжений, происходящее на участке неполной перекристаллизации в зоне термического влияния с высокой неоднородностью механических свойств и приводящее к образованию микротрещин с внутренней поверхности.

9. Причиной появления зон с высокой неоднородностью механических свойств является структурная неоднородность, которая определяется особенностью термического цикла, с высокими скоростями нагрева и охлаждения (от несколько сотен до десятков тысяч градусов в секунду), малым временем пребывания металла в температурных условиях перекристаллизации, смещением вверх точек Асз. И как следствие этого неполной аустенизации и образование закалочных, перлитных структур и исходной ферритной компоненты.

10.Практический эффект работы заключается в разработке методики и испытательного комплекса для оценки времени образования первой трещины t„.t. В настоящее время для сварных соединений таких методик не существует. Разработанная методика является базой для развития научных работ по изучению релаксационной стойкости сварных соединений из различных материалов от низколегированных до высокопрочных сложнокомпонентных сталей широко применяемых в конструкциях летательных аппаратов.

1. Кочергин К. А. Контактная сварка. Л.: Машиностроение, 1987. - 240 е.: ил.

2. Орлов Б. Д., Дмитриев Ю.В., Чакалаев А. А. и др. Технология и оборудование контактной сварки. М.: Машиностроение, 1975.-535с.

3. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т./ Редколл. Г.А. Николаев (перед.) и др.-М.: Машиностроение, 1978-Т.1/ Под ред. Н.А. Ольшанского. 1978.-504 с.

4. Никололаев Г.А., Куркин С.Н., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций: Учеб. пособие. М.: Высш. школа, 1982. - 272 е., ил.

5. Контроль точечной и роликовой электросварки / Б.Д. Орлов, П.Л. Чу-лошников, В.Б. Вердянский, А.Л. Марченко. -М.: Машиностроение, 1973.-304с.

6. Сварные соединения. Методы определения механических свойств: ГОСТ 6996-66.-Введ. С 03.1966 N4736 С 01.01. 1967г.- Сб. «Сварка, пайка и термическая резка металлов». Часть 5. М., «Издательство стандартов», 1979. С. 218 -266

7. Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчет и проектирование. М.: Высшая школа, 1990. - 446 с.

8. Гуляев А.И. Технология точечной и рельефной сварки сталей (в массовом производстве). М.: Машиностроение, 1969. - 240 с.

9. Майзель B.C., Навороцкий Д.И. Сварные конструкции. Л.: Машиностроение, 1973. - 304 с.

10. Оценка прочности сварных точечных нахлёсточных соединений.//Random fatigue of spot welded lap joints. Overbeeke J. L. "Metal Constr.", 1979, 11, № 2, A 81,83

11. Усталостная прочность точечных соединений и их улучшение холодной обработкой. Aoyama Shigetsune, Fujimoto Masao.- "Дзайрё, .J. Soc. Mater. Sci. Jap.", 1971, 20, № 217, 1094-1100

12. Циклическая прочность точечных сварных соединений из низкоуглеродистой стали. Kumakura Shigenori, Nasu Yasuo, Takeda Takenobu, Sato Takeo. -"Ёсэцу гаккайси, J. Jap. Weld. Soc.", 1979, 48, № 7, 482-488

13. Статическое и усталостное разрушение соединений, полученных точечной сваркой. Rupture statique ou par fatigue des assemblages par points de soudure. El Fatmi Rached, Ladeveze Pierre. "C. R. Acad, scl", 1984, 8йг. 2, 298, № 17, 721-724

14. Способ определения выносливости точечных соединений. A fatigue life prediction method for tensile-shear spot welds. Wang P.C., Corten H.T., Lawrence F.V. "SAE Techn. Pap. Ser.", 1985, № 850370, 8 pp., ill.

15. Измерение Усталостных трещин в точечных сварных швах. The measurement of fatigue cracks at spot-welds. Cooper J.F., Smith R.A. "Int. J. Fatigue", 1985, 7,№3, 137-140

16. Статистическое изучение распределения Усталостной долговечности в точечных сварных соединениях. Sakai Tatsuo, Kikuchi Toshiro, Fudjitani Keizo, Ta-naka Tsuneshichi. "Дзайрё, J. Soc. Mater. Sci., Jap.", 1986, № 393, 571-577

17. Метод испытаний на усталость соединений, полученных точечной контактной. сваркой. Method of fatique testing for spot welden[d] joints. -S. I., s.a. 12 е.: ил. (IIW Doc.; № III-WG7-46-85

18. Сопротивление усталости точечных сварных соединений низкоуглеродистой стали /Березиенко В.П., Попковский В.А., Емельянов С.Н., Дьяченко В.И. // "Автомат, сварка", 1991, № 9, с. 13-16, 18

19. Сопротивление деформированию и разрушению механически неоднородных сварных соединений при малоцикловом нагружении /Даунис М.А., Браженас А.П. //"Проблемы прочности.", 1984, № 2, 3742

20. Влияние сварочных остаточных напряжений на скорость распространения Усталостной трещины /Mori Takeshi, Horikawa Kohsuke //"Ёсэцу гаккай ром-бунсю, Quart. J. Jap. Weld. Soc.", 1983, 1, № 3, 436443

21. Сварка и свариваемые материалы: В 3 х т. ТII. Технология и оборудование. Справ, изд./ Под ред. В.М. Ямпольского. - М.: Изд - во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. 574 с.

22. Навроцкий Д. А. Расчет сварных соединений с учетом концентрации напряжений. Л.: Машиностроение, 1968. - 170 е.: ил.

23. Денисов Б. С., Бяков Л. И, Мейлах А. И., Дубинская О. А. Концентрация напряжений в точечных сварных соединениях панелей самолета // Авиационная промышленность. 1988. №1. - С. 6 - 7

24. Труфяков В. И. Усталость сварных соединений. Киев: Наук. Думка, 1973.-216 с.

25. Золотарев Б. Б., Сагалевич В. М. Повышение усталостной прочности точечных сварных соединений II Сварочное, производство. 1954. - № 7.-С. 10-13.

26. Роговин Д. А. Повышение усталостной прочности соединений, выполненных контактной сваркой с одновременной проковкой // Тр. ВНИ-ИПТмаш.- 1968.-Вып. 4.-С. 91 131.

27. Поле остаточных напряжений при контактной точечной сварке/ Поп-ковский В. А., Березиенко В. П.// Автомат, сварка.—1987.—№ 8.—С. 10—14.

28. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975541 с.

29. Давиденков Н.Н. и др., Упругое последействие в струнах. Журнал технической физики, т. IV, вып. 2, 1934.

30. Механические аспекты точечной сварки термообработанных низкоуглеродистых стальных листов. Chandel R. S. Garber S. Mechanical aspects of spotwelded joints in heat-treated low-carbon mild-steel sheets. "Metals Technol." 1977, 4, №1,37-44

31. Проблемы свариваемости при точечной (контактной) сварке тонколистовой не слоистой стали . Hittsattaruuskysymyksia pistehitsattaessa paallystamatonta ohutlevyterasta. "Hitsausteknikka," 1971. 22, №5, 114120

32. Структурные изменения при точечной сварке тонких листов из нелегированной стали. Eichhorn F., Kunsmann A. Gefugebeeinflussung beim PunktschweiBen von Feinblechen aus unlegierteu Shahlen. "Ind. - Ans.", 1971, 93, №87, 2175-2178

33. Контактная рельефная сварка инструментальной стали У8 со сталью СтЗ. Ловчев Г.Г., Венгрии А.И, Катюшин Ю.И, Трач Е.Е. "Сварочное производство", 1975, №3, 46 - 47.

34. Точечная сварка низкоуглеродистой стали. Rivelt R. M, Taylor J.L. Sport welds in mild steel. "Metal Constr.", 1976, 8, №3, 101 - 103

35. Свариваемость при точечной сварке сталей с повышенным содержанием фосфора. Spot weldability of repho

36. Конторова Т. А. ЖТФ, 1940, т. X, с. 886

37. Борздыка А. И. Релаксация напряжения в металлах и сплавах. Изд. 2 -е, пререраб. И доп. М, « Металлургия», 1978. 256 с

38. ГинцбургЯ. С. Ограниченная ползучесть деталей машин. -JL: Машиностроение, 1968.-184 с

39. ГинцбургЯ. С. Изв. вузов. Чёрная металлугия, 1962, № 7.

40. Никитина JI. П. -Заводская лаборатория, 1961, № 6; 1963, № 11.

41. Курдюмов Г. В., Перкас М. Д. Доклады АН СССР, 1952, вып. 87, с. 47

42. Давиденков Н. Н. и др., Упругое последействие в струнах. Жур нал технической физики, т. IV, вып. 2, 1934.

43. Гинцбург Я. С. Релаксация напряжений в металлах. -M.-JL: Машгиз, 1957. -170с.

44. Либерман Л. Я. -Котлотурбостроение, 1953, № 2; Металловедение и термичес-кая обработка, 1956, № 4; 1962, № 4; Заводская лаборатория, 1966, №9.

45. Либерман Л. Я, Волкова Н. В. -Заводская лаборатория, 1961, № 6.

46. Никитина Л. П. — «Заводская лаборатория», 1961, № 6; 1963, №11. 108. Новые материалы для энергомашиностроения, — М.: Машгиз, 1959.

47. Т. И. Волкова. Установки, применяемые для испытания на релаксацию: «Релаксация и ползучесть металлов»/ Под редакцией С. И. Матвеева.- М.МАШГИЗ, 1952 №45 С. 81-87

48. В. И. Смирнов, Материал для пружин лабиринтовых уплотне-ний.»Советское Котлотурбостроение» № 7, 1938.

49. В. И. Смирнов, Релаксационные испытания пружинной стали. „Заводская лаборатория" № 5, 1945.

50. В. И. Смирнов, Исследование ряда сталей для пружин лабиринтовых уплотнений. „Советское котлотурбостроение" № 1, 1939.

51. В. И. Смирнов и К. И. Судницына, Исследование релаксации ряда пружинных сталей, „Советское Котлотурбостроение" № 2, 1945.

52. И. А. Од инг, Основы прочности металлов паровых котлов, турбин и турбогенераторов, Госэнергоиздат. 1949.

53. Винокуров В. А. Отпуск сварных конструкций для снижения напряжений. М.: Машиностроение. 1973. 215 с. с ил.

54. Структура и свойства новых жаропрочных материалов. М., Машгиз, 1959 (ЦНИИТмаш. Сб. № 105). 255 с. с ил.

55. Гецов Л. Б. — «Проблемы прочности», 1969, № 5, с. 34—38.

56. Борздыка А. М. — «Проблемы прочности», 1972, №9, с. 53—55.

57. Борздыка А- М. — «Заводская лаборатория», 1973, №12, с. 1514—1517.

58. Борздыка А. М--«Проблемы прочности», 1974, № 1, с. 49—51.

59. Хейн Е. А. — «Инженерный журнал», 1966, № 2, с. 103—105.

60. Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры ГОСТ 15878-79. Введ. С 28 мая 1979 г. N 1926. С 01-07-1980

61. Дорофеев А.Н. Расчет прочности сварных точечных соединений. М.-, Машиностроение, 1964.

62. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т./Редкол.: Г.А. Николаев (пред.), и др. М.: Машиностроение, 1979-Т.З./Под ред. В. А Винокурова, 1979.-567с.

63. Кардашов Д. А. Конструкционные клеи. М.: Химия, 1980. 288с

64. Винокуров Е. Ф, Балыкин М. К., Голубев И. А. и др. Справочник по сопротивлению материалов. М.: Наука и техника, 1988. 464 с.

65. Баранов В. М., Карасевич А. М., Кудрявцев Е. М. и др. Диагностика материалов и конструкций топливно-энергетического комплекса.— М.: Энергоатомиздат, 1999. — 360 е.: ил. Табл. 20. Ил. 47.

66. Палей М. М. Технология производства приспособлений, прессформ и штампов. М., «Машиностроение», 1971, 344 с.88.0динг И. А., Сорокин О. В. и Сазонова Н. Д. -ДАНАН СССР, 1953, т. 92, № 3.

67. Бабич В. К., Гуль Ю. П., Долженков И. Ё. Деформационное старение стали. Изд-во «Металлургия», 1972, с. 320.

68. Аснис А. Е. Динамическая прочность сварных соединений из малоуглеродистой и низколегированных сталей. М.: «МАШГИЗ», 1962. 171 с.

69. РД 03-131-97 "Сосуды, аппараты, котлы и технологические трубопроводы. Акустико-эмиссионный метод контроля". Введен с 01.01.97. -М.: Госгортехнадзор, 1996. - 78 с.

70. Механические испытания зоны термического влияния (сварного соединения). Klausnitzer Е., Belicic М. Stand der mechanischen Prjfung von Wormeeinflusszonen.-In "Reaktortagung, Hannover? 1978"/- Bonn,1978, 81-84

71. Слиозберг C.K. Влияние режима точечной сварки малоуглеродистой стали на структуру металла точки. «Автогенное дело» 1951, №2 7-9с

72. Контактная точечная сварка тонкого листа углеродистой стали Lam-iere sottili d'acciaio non legato saldate elettricmente. - "Lamiera", 1977, 14, №12, 70-72

73. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников ГОСТ 9450 76, Введ. 01-01-1977. Изменение текста документа 01-051992 Издательство стандартов. 1993 г.

74. Сталь . Эталоны микроструктуры. ГОСТ 8233-56 Введ. 1.7.1957. Издательство стандартов. 1957г.

75. Вентцель Е.С. Теория вероятностей.- 4-е изд. М.: Наука, 1969.- 576 с.

76. Гельман А. С. Технология оборудование контактной электросварки. М.: Теория сварочных процессов/Под ред. В. В. Фролова. М.: Высшая школа, 1988. 559 с.

77. Сталь углеродистая качественная конструкционная. Общие технические условия ГОСТ 1050-88 Утвержден: Госстандарт СССР 4.11.1988. Начало действия: 01.01.1991.

78. Ю1.Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951.-269 с

79. Лахтин Ю. М., Леонтьев В. П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов М.: Машиностроение. 1980.- 493с., ил.

80. Методы выявления и определения величины зерна ГОСТ 5639-82. -Введ С.01.01.83 М.: Издательство стандартов, 1988 г.

81. Болховитинов Н. Ф. и Болховитинова Е. Н. Атлас макро- и микроструктур металлов и сплавов М.: МАШГИЗ 1959.-88с., ил.