Пути повышения конструктивной прочности сварных конструкций

Пути повышения конструктивной прочности

Пути повышения конструктивной прочности могут быть различными в зависимости от того, какое предельное состояние ограничивает работоспособность сварной конструкции.

Например, если предельным состоянием является наступление текучести в расчетном сечении элемента, то следует стремиться к обеспечению так называемой равнопрочности, т.е. сварные соединения должны иметь достаточные сечения и высокие механические свойства, чтобы общая текучесть в них наступала не ранее, чем в основных элементах.

Распространенным случаем неравнопрочности сварных соединений является пониженное значение предела текучести металла шва или околошовной зоны, по сравнению с исходным основным металлом. Устранение такой неравнопрочности достигается различными способами. Возможно некоторое увеличение сечения стыкового шва за счет величины. усиления. Такой путь иногда используют в алюминиевых сплавах. В угловых швах это осуществляется простым увеличением катета шва. Неравнопрочность шва или околошовной зоны может быть устранена за счет так называемого контактного упрочнения. Если при сварке получить незначительную, по сравнению с толщиной металла, ширину разупрочненной зоны, то при совместном деформировании этой зоны с более прочными соседними участками металла в ней появляются (благодаря касательным напряжениям) трехосные напряжения, затрудняющие пластическую деформацию.

Распространен способ термической обработки сварных соединений в целях повышения предела текучести слабых зон. Если разупрочнение наступило при снятии наклепа основного металла во время сварки, то возможно его восстановление путем холодной пластической деформации (прокатка, проковка). В некоторых случаях, когда расчет изделий из малопластичных металлов произведен по предельному состоянию наступления текучести, следует для обеспечения необходимой конструктивной прочности устранять концентраторы или уменьшать их остроту. В противном случае прежде, чем в расчетном сечении наступит текучесть, может произойти разрушение металла в концентраторе.

Снижение концентрации напряжений в сварных соединениях может быть осуществлено на различных этапах создания сварной конструкции. На стадии проектирования это достигается назначением рациональных сопряжений элементов, преимущественным использованием стыковых соединений, выбором материалов, мало чувствительных к различным концентраторам. В процессе изготовления сварных конструкций решающее значение имеет культура производства и качество использованных технологических процессов. Отсутствие в конструкции различного рода дефектов в виде непроваров, трещин, несплавлений и т.п. практически обеспечивает снижение опасной для прочности концентрации напряжений. Послеоперационный контроль сварных соединений и качественное устранение замеченных дефектов также являются важным этапом снижения концентрации напряжений в изделиях.

Наиболее жесткие требования к качеству технологических процессов и конструктивному оформлению изделия должны предъявляться, если в качестве предельного состояния принимается достижение а при одноосном нагружении или давлении р_max в сосудах давления. Аналогичные требования должны предъявляться также, если нормальная работа изделия ограничена предельным состоянием наступления разрушения в какой- либо отдельной зоне конструкции. В этом случае мерой запаса прочности, т.е. мерой способности конструкции сопротивляться наступлению разрушения, является величина упруго-пластической деформации основных несущих элементов, предшествующая моменту разрушения.

Основные пути повышения конструктивной прочности для таких изделий должны быть направлены на увеличение способности конструкции пластически деформироваться без разрушения. Они заключаются в следующем:

1. Получение сварных соединений с наименьшим различием механических свойств в отдельных зонах. Например, недостаточная пластичность металла шва или околошовной зоны может явиться причиной разрушения сварной конструкции при значениях нагрузок, меньше расчетных. 

2. Всемерное уменьшение остроты концентраторов. Данное требование особенно существенно для конструкций, работающих при переменных нагрузках или в условиях низких температур. Уменьшение остроты концентраторов может быть достигнуто рациональной формой сварных швов и соединений, механической обработкой, прокаткой швов в целях их заглаживания.

3. Устранение вредного влияния пластической деформации и деформационного старения. Это может быть достигнуто путем правильного назначения величины пластической деформации при холодной гибке и штамповке, выполнением пластических деформаций при высоких температурах, выбором последовательности сборочно-сварочных операций, исключающих попадание резких концентраторов в зону пластических деформаций от сварки; проведением высокого отпуска после сварки.

4. Снятие растягивающих остаточных напряжений и создание благоприятных полей сжимающих напряжений. Данные меры особенно полезны для конструкций, работающих при переменных нагрузках.

5. Конструктивное оформление сварных изделий, обеспечивающее снижение рабочих напряжений в зонах концентраторов и в зонах с пониженными прочностными и пластическими свойствами металла. Например, создание в зоне стыкового шва в сосудах местного утолщения основного металла.

6. Устранение сварочных деформаций (перемещений), искажающих проектные формы изделий. Например, в сосудах давления нарушение правильных геометрических форм приводит при повышении давления к преждевременной пластической деформации металла.

В некоторых сварных конструкциях стремятся устранить возможность распространения разрушения, вызывающего разделение конструкции на части. Такие меры принимаются в сварных судах, крупных емкостях для хранения различных продуктов, магистральных трубопроводах. Чтобы предотвратить наступление такого предельного состояния, заканчивающегося обычно крупной аварией, в конструкциях на пути возможного разрушения создают участки с повышенными вязкими свойствами металла. Работа, необходимая для продвижения трещины по такому участку, значительно больше, чем в остальных зонах. Поэтому запас накопленной в конструкции энергии, частично освобождающейся при разрушении, оказывается недостаточным и трещина останавливается. Возможно также использование клепаных соединений, расположенных на пути предполагаемого распространения трещины. Опыт показывает, что трещина, достигнув заклепочного шва, в этом случае не переходит с одного листа на другой.

Основными путями повышения гарантии от сквозных разрушений являются:

а) устранение причин, вызывающих начало разрушений;

б) применение материалов, разрушение которых происходит с большими затратами энергии;

в) понижение энергоемкости конструкций, например, путем снятия остаточных напряжений или уменьшением допускаемых напряжений.

Имеется также ряд других приемов, обеспечивающих повышение устойчивости сварных элементов: изменение частоты собственных колебаний конструкций, повышение коррозионной стойкости и т.п.

При определении конструктивной прочности изделий путем их испытаний в первую очередь необходимо четко регистрировать наступление тех предельных состояний, на которые рассчитана сварная конструкция. Например, при испытании сварных соединений, расчет которых произведен по предельному состоянию наступления текучести, необходимо определять нагрузки, вызывающие наступление текучести расчетного элемента. В качестве дополнительных характеристик часто регистрируют разрушающие нагрузки или величину пластической деформации.

При испытании сварных конструкций, работоспособность которых ограничена разрушением, за основную характеристику их качества должна приниматься величина средней упруго-пластической деформации расчетного элемента, предшествующая разрушению.

В случае испытаний при переменных нагрузках работоспособность также ограничивается разрушением, поэтому за характеристику качества конструкции должно приниматься количество циклов до появления трещины при заданных уровне и характере изменения напряжений.

Испытания на конструктивную прочность должны по возможности проводиться в условиях, наиболее полно отражающих реальные условия эксплуатации: температуру, характер действия нагрузок, качество изготовления сварной конструкции. В тех случаях, когда не представляется возможным осуществить полную идентичность конструктивного оформления испытуемого образца и реального изделия, а также условий нагружения, должна быть разработана специальная система расчленения конструкции на узлы с поэтапным исследованием их прочности в условиях, близких к реальным. Испытанию сложных и дорогих натурных изделии должны предшествовать испытания отдельных конструктивных элементов.