книги / Сварка при низких температурах

дами марки ОММ-5; стыковые швы имели дефекты в виде непро­ варов, на 10—15% ослаблявших сечение шва (фиг. 20). Испытания всех образцов этой группы на разрыв при температуре —40° С по­ казали низкую прочность соединений с накладками, близкую к рабочим напряжениям. В образцах с предварительным нагруже­ нием прочность при низкой температуре значительно выше, что объясняется снятием остаточных напряжений в соединении. Такую

Фиг. 20. Образцы без накла­		Фиг. 21. Образец со стыковым
док с поперечным стыковым		швом, перекрытым накладкой,
швом, имеющим	дефекты в	приваренной поперечными и
наплавленном	металле.	продольными швами.

же прочность имеют соединения с зазором между торцами стыкуе­ мых элементов. Соединения со стыковым швом, несмотря на нали­ чие непровара имеют вполне удовлетворительную прочность. Резуль­ таты испытаний образцов первого типа показали недопустимость применения соединений с накладками без стыкового шва. Такие соединения при условии, что зазор между торцами элементов будет не менее 50 мм, могут применяться для неответственных конструк­ ций, работающих при низких температурах. Образцы второго ти­ па изготовлялись из полосовой стали марки М16С толщиной 30 мм в следующих вариантах: стыковой шов перекрыт односторонней накладкой размерами 120X80X12 мм, которая приварена попереч­ ными и продольными угловыми швами, причем поперечный стыко­ вой шов имел дефекты в виде непроваров и трещин (фиг. 21); сты­ ковой шов перекрыт односторонней накладкой, которая приварена только продольными швами,— шов также имел .дефекты в виде непроваров и трещин (фиг. 22); и, наконец, образец-, аналогичный предыдущему, но с накладкой приваренной продольными швами, которые выводились за накладку на расстояние 50 мм (фиг. 23). Сварка образцов этого типа проводилась электродами марки ОММ-5. Испытания образцов второго типа при температуре —40° С, показали, что ни в одном случае усиливающие накладки не предо­ храняли соединений от разрушения по стыковому шву; приварка накладок продольным швом показала худшие результаты, чем при­ варка комбинированными швами. Наихудшие результаты были по­ лучены на образцах последнего варианта (фиг. 23) с длиной про­ дольных швов около 200 мм, что объясняется значительно боль­ шими остаточными напряжениями, создаваемыми длинными продольными швами по сравнению с короткими. Испытания пока­

61

зали, что соединения с поперечными стыковыми швами обеспечи­ вают необходимую прочность и поэтому применение усиливающих накладок нерационально.

Прочность соединений с поперечным стыковым швом, имеющи­ ми дефекты, также достаточно высокая. К аналогичным результа­ там, свидетельствующим о нецелесообразности применения накла­ док в сварных соединениях ответственных конструкций, работаю-

------1-----	1 *	1	L	—	1 ж	1
1	Г1		J	:	1
г			t			~Т
			о			J
г		►!	] _
	600		------	-----	600	---------- *-
Фиг. 22.	Образец	со стыковым	Фиг. 23. Образец со стыковым
швом,	перекрытым	накладкой,	швом,	перекрытый		накладками,
приваренной только		продольными	приваренными		продольными шва-
	швами.				ми.

щих при низких температурах, пришел Д. И. Навроцкий (ЛПИ), проводивший испытания на удар сварных соединений из малоугле­ родистой стали марки Ст.З (спокойной) и некоторых низколегиро­ ванных сталей (в частности марок 20Г и СКС), применяемых в су­ достроении.

На нецелесообразность применения накладок при изготовлении сварных цилиндрических резервуаров также указывает А. С. Фалькевич [169]. Им отмечается, что почти все образующиеся в стыковых швах трещины в практике строительства и эксплуатации сварных цилиндрических резервуаров, наблюдались в соединениях, сварен­ ных с одной стороны и усиленных накладками.

ТАВРОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ИЗ ТОНКОЙ СТАЛИ

Статическая прочность тавровых соединений из тонкой углеро­ дистой стали, встречающихся в корпусах речных судов, резервуа­ ров и т. д., эксплуатирующихся при низких температурах, опреде­ лялась в Институте электросварки [55].

На образцах из малоуглеродистой стали марки МСт.З (ки­ пящая) толщиной от 3 до 10 мм, выполненных сплошными, преры­ вистыми и точечными угловыми швами. Сварка производилась шланговым полуавтоматом, под флюсом ОСЦ-45, электродной проволокой марки Св. 08А диаметром- 1,6 мм. Сила тока, в зависи­ мости от толщины привариваемых ребер, составляла 180—300 а> напряжение 26—30 в и скорость сварки 24—28 м/час. Обр'азцы испытывались на (разрыв -при температурах 0, —20, —40 и —60° С. Было показано, что тавровые соединения, выполненные угловыми односторонними и двусторонними сплошными швами при их распо-

62

ложении поперек силового 'потока при температуре —60° С имеют достаточно высокие значения статической прочности. При темпера­ туре испытания —40° С предел прочности повышался примерно на 11 %• При дальнейшем снижении температуры испытания до —60° С не наблюдалось снижения предела прочности и влияния концент­ рации напряжений на прочность. В температурном интервале от О до —60° С соединения с поперечными односторонними сплошными швами, оказались равнопрочными с такими же соединениями, по­ лученными двусторонними швами. В этом же температурном ин­ тервале относительное удлинение изменялось незначительно, в пре­ делах от 18,8 до 24%. Почти аналогичные результаты были получе­ ны при испытании образцов с продольными сплошными швами. Соединения с прерывистыми швами показали высокую статическую прочность п,ри температурах от 0 до —40°. Дефекты в этих швах (''В виде пор) влияния на прочность не оказали. Тавровые соедине­ ния, выполненные точечными угловыми швами, при температуре —40° С, обладают достаточной высокой прочностью, они равно­ прочны соединениям, полученным прерывистыми швами, но менее пластичны, чем такие же соединения, выполненные сплошными односторонними швами. Концентрация напряжений, вызываемая прерывистыми и точечными швами хотя и снижает пластичность соединений, однако допускает применение сварки в конструкциях с точечными и прерывистыми швами из тонких листов (от 3 до 10 мм), работающих при температурах до —40°С.

СТЫКОВЫЕ И НАХЛЕСТОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Сцелью выяснения целесообразности применения стыковых и нахлесточных соединений при изготовлении резервуаров, эксплуа­ тируемых при температурах ниже —40° С, в Институте электро­ сварки в 1956 г. было проведено исследование статической прочно­ сти .продольных стыковых и нахлесточных соединений из мартенов­ ских и бессемеровских строительных сталей. Образцы для испыта­ ний сваривались автоматической сваркой, трактором ТС-17 под флюсом ОСЦ-45 на переменном токе, электродной проволокой Ов08, на флюсовой подушке или флюсомедной подкладке в случае односторонней сварки.

Сцелью максимального приближения к производственным ус­

ловиям нахлесточные соединения q одной стороны сваривались прерывистым швом, так как при сооружении резервуаров внутрен­ ние швы выполняются прерывистыми. Эти швы выполнялись вруч­ ную электродами типа Э42 или автоматом. Испытание сварочных соединений осуществлялось с помощью 300-тонной разрывной ма­ шины. Результаты испытаний показали, что в горизонтальных сое­ динениях корпуса резервуара весьма рациональной является заме­ на нахлесточного соединения двухсторонними стыковыми. Это под­ тверждается крупным разрушением нахлесточных соединений, вы­ полненных из металла высокого качества. Кроме того, применение

6 3

яахлесточных соединений связано с дополнительной затратой ме­ талла.

Испытания показали, что ударная вязкость металла швов, вы­ полненных двухсторонней сваркой или односторонней (на флюсо­ вой подушке или на флюсомедной подкладке), не имеет сущест­ венной разницы.

к р е с т о о б р а з н ы е с о е д и н е н и я

Д. И. Навроцким в ЛПИ проведено исследование статической прочности сварных изделий с концентрацией напряжений при низ­ ших температурах [107]. Как известно, только концентрация напря­ жений не оказывает существенного влияния на прочность конст­ рукций при статическом нагружении. Однако при сочетании низкой

за

то

Фиг. 24. Образец с крестообразным соединением пп Н. О. Окерблому и Д. И. Навроцкому).

температуры и резкой концентрации напряжений наблюдаются слу­ чаи хрупкого разрушения,- сопровождаемого значительным пони­ жением общей прочности изделий. Для определения в указанных условиях совместного действия низкой температуры и концентра­ ции напряжений было проведено данное исследование с использо­ ванием крупных крестообразных образцов (длиной до 1 ж), изго­ товленных из стали марки Ст.3 для сварных мостов (фиг. 2 4).Ос­ новную испытуемую пластину сечением 16x220 мм сваривали вручную электродами УОНИ-13/45 на постоянном токе. Образцы охлаждались в смеси. бензина с сухим льдом до температуры —68° С. Данные исследования показали, что резкие концентраторы напряжений понижают предел прочности даже при комнатной тем­ пературе. Критическая температура хрупкости при статической на­ грузке для испытуемой стали составляет минус 49±3°С . Эта вели­ чина имеет большое практическое значение, так как крестообразные соединения часто применяются в различных пролетных конструкци­ ях, в частности — в мостовых. Результаты исследования показали, что низкая температура в большей степени влияет на статическую

64

прочность образцов, чем начальные сварочные напряжения. Уста новлено также, что сварочные напряжения при статической нагруз ке как правило, не уменьшают прочности конструкций из малоуг­ леродистой стали, даже в случае действия весьма неблагоприятных для этого факторов, какими являются низкая температура и значи­ тельная концентрация напряжений, обусловленная резким измене­ нием формы сечения элементов.

Дополнительные испытания, проведенные Д. И. Навроцким{108] на образцах из той же стали и примерно тех же толщин, но иной

формы (фиг. 25), с целью

определения

оценки влияния остаточ­

ных

напряжений

вообще,

а

не

только

сварочных

напряжений,

как в предыдущем случае, указа­

ли также на отсутствие зависимо­

сти

статической прочности

эле­

ментов

сварочных

конструкций

из

малоуглеродистой

стали

от

--------- 3 0 0 ------ «и

остаточных

напряжений даже

в

тяжелых условиях

эксплуатации,

1

т. е. при наличии низкой темпе­

г :

—

■

I

ратуры

и высокой

концентрации

1

1

напряжений.

Это

объясняется

______ I

пластической

деформацией

мате­

Фиг.

25.

Образец для

определения

риала

конструкции,

снижающей

влияния

остаточных

напряжений

(по.

напряжения.

Н. О.

Окерблому

и Д. И. Навроц­

Сварка производилась -посто­

кому).

янным

током

электродами

по

сравнению с

электродами

УОНИ-13/55,

обеспечивающими

УОНИ-13/45 более высокую прочность металла шва.

Испытания

производились при температуре +20° и —45° С.

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИИ

Исследование свойств сварных соединений пролетных строений при низких температурах является в течение ряда лет одним из ак­ туальнейших вопросов в мостостроении. Железнодорожные мосты работают в условиях динамических нагрузок, поэтому в исследова­ ниях уделяется особое внимание вибрационной прочности сварных соединений. Вопрос осложняется тем, что сварные соединения кон­ струкций работают в сложных метеорологических условиях, -в том числе при низких температурах. Исследовательские работы по вы­ явлению воздействия низких температур на прочность сварных сое­ динений начали проводить НИИ мостов совместно с ЦНИИ МПС еще в 1950 г. [193], [194]. Проведенные исследования показали, что выносливость сварных соединений из стали марки Ст. 3 в условиях температур порядка —30, —40° С не снижается, т. е. предел вынос­ ливости остается практически таким же, как и при комнатной тем­ пературе.

5 Зак. 737

65

Проведенные НИИ мостов в 1954—1956 гг. лабораторные ис­ следования по установлению влияния низких температур на стати­ ческую и динамическую прочность сварных соединений, применяе­ мых в мостостроении, а также испытания отдельных сварных про­ летных строений поездными нагрузками [149] в условиях естествен­ ных низких температур, позволили внести ясность в целый ряд воп­ росов проектирования и эксплуатации сварных конструкций на мо­ розе. С целью определения влияния низкой температуры на стати­ ческую прочность сварных соединений были проведены при раз­ личных температурах испытания используемых в мостах сварных соединений с различной степенью концентрации напряжений. Испы­ тания проводились на сварных образцах из мостовой стали марки М16С толщиной 16 мм. Автоматическая сварка производилась на автомате АДОЮОО под флюсом АН-348 с использованием проволо­ ки марки СвЬГА, диаметром 5 мм, а ручная — электродами УОНИ-13/45. Результаты испытаний показали, что статическая прочность сварных соединений, обычно применяемых в мостовых конструкциях (стыковое, тавровое и крестообразное), с пониже­ нием температуры несколько повышается. Предел прочности при понижении температуры на каждые 10° С возрастает примерно на 1%, а предел текучести — на 1,5%. В то же время относительное удлинение и относительное поперечное сужение сварных соедине­ ний с понижением температуры уменьшаются, соответственно на 1,5% и на 0,5% при понижении температуры на каждые 10° С.

Таким образом, понижение температуры до —50° С не повышает склонности сварных соединений к хрупкому разрушению.

К аналогичным результатам пришел автор этой книги, прово­ дивший в сварочной лаборатории МВТУ им. Баумана испытания сварных образцов из сталей марок СХЛ-2; 50 и Ст. 3. Ю. П. Са­ таевым при испытании тавровых соединений были получены не­ сколько худшие результаты, объясняемые непроваром корня шва. Наихудшие показатели были получены при испытании образцов с отверстиями, имитирующих клепаные соединения (такие образцы испытывались для сравнения со сварными образцами, отверстие выполняло роль концентратора напряжений). Они показали при испытании низкие пластические свойства и повышенную склонность к хрупкому разрушению. Весьма важные для практики результаты были получены при статических испытаниях крестообразных образ­ цов с повышенной концентрацией напряжений при температурах от + 10 до —60° С [149].

Эти результаты, а также данные Института электросварки им. Е. О. Патона и Ленинградского политехнического института позво­ лили математически связать зависимость критической температуры с коэффициентом концентрации напряжений в сварном соеди-нении

Тк = 183 + 13,3 К,

где Тк — абсолютная критическая температура хрупкости; К — коэффициент концентрации напряжений.

6 6

Эмпирическая формула и построенные графики (фиг. 26) пока­ зывают, что критическая температура сварного соединения связа­ на почти прямолинейно с коэффициентом концентрации напряже­ ний. Это значит, что для каждого сварного соединения (из данной стали) по его коэффициенту концентрации можно найти крити­ ческую температуру хрупкости и тем самым назначить реальные условия работы конструкции. Мерилом концентрации напряжений

°К

Облаем!ь повыше*шя ючности

1,5	2,0	2,5	3,0	3;5
	Коэффициент концентрации

Фиг. 26. Зависимость критической температуры от концентра­ ции напряжений в сварном соединении (по Ю. П. Сатаеву).

является коэффициент концентрации напряжений, который опреде­ ляется как отношение максимального напряжения в месте концент­ рации к среднему напряжению в соединении.

Коэффициент концентрации является отвлеченным числом, не имеющим размерности, зависит от формы выточки или другого концентратора напряжений и не зависит (как указывают В. В. Шеверницкий и Г. В. Жемчужников [190]) от величины внеш­ них усилий, прилагаемых к образцу. Коэффициент концентрации определяется теоретически методами теории упругости или на ос­ нове статических испытаний.

Значение критической температуры дает возможность более обо­ снованно вьгбирать конструкции сварных соединений для мостов в северных широтах. Н. Н. Давидеиковым предложено понятие тем­ пературного запаса прочности или температурного запаса вязкости

Тк\ где Тэ — минимальная температура, при которой эксплуати-

руется мост. По мнению Ю. П. Сатаева, абсолютная величина тем­ пературного запаса прочности должна быть не меньше, чем 1,1. Большого превышения этого отношения над единицей не следует требовать, так как за критическую температуру в данном случар принимается не та, при которой уже происходит хрупкий излом, а

5

67

температура, при которой лишь начинается понижение прочности по сравнению с прочностью при комнатной температуре [149].

Ю. П. Сатаевым приводится следующий пример. Для цельно­ сварного арочного пролетного строения моста через реку макси­ мальная концентрация напряжений достигала 2,95. Зная эту вели­ чину, определяем по графику фи.г. 26 критическую температуру, которая равна 230° К. Минимальная температура работы моста 240° К или —35° С. Тогда температурный запас прочности

Я, = ^ = *2 = 1,04.

Тк 230

Учитывая, что конструкция пролетного строения изготовлена не из спокойной, а из кипящей стали, имеющей более высокую хруп­ кость, предполагают, что трещины, обнаруженные в местах кон­ центрации напряжений, являются следствием недостаточного тем­ пературного запаса прочности. Ю. П. Сатаевым сделан вывод о том, что статическая прочность сварных соединений с высокой концент­ рацией напряжений, обусловленной резким изменением формы, при понижении температуры снижается с уменьшением деформацион­ ной способности. На основе этого дается -практическая рекоменда­ ция о недопустимости применения в ответственных сварных конст­ рукциях соединений с высокой степенью концентрации напряжений. Весьма важным является в данном исследовании установление не­ которых зависимостей (для данной марки стали) между механиче­ скими характеристиками при статических и динамических испыта­ ниях, при температурах от +20 до —60° С. Наличие таких зависи­ мостей дает возможность при ориентировочных расчетах статиче­ ских и динамических характеристик заменять один метод испы­ тания другим в зависимости от имеющейся аппаратуры и конкрет­ ных условий испытания. Следующим не менее ценным результатом исследования является найденная зависимость между порогом хлад­ ноломкости, который определяется по характеру излома образцов типа Менаже при испытании их на ударную вязкость, а также по относительному поперечному сужению при разрыве плоских образ­ цов при комнатной температуре. Это дает возможность определять порог хладноломкости простым испытанием на растяжение и ис­ ключает необходимость использования большого количества об­ разцов типа Менаже.

В одном из научно-исследовательских институтов производи­ лись исследования статической ударной прочности сварных дву­ тавровых балок при нормальной и низких температурах. На стати­ ческий и ударный изгиб испытывались сварные двутавровые балки с вертикальными ребрами жесткости, изготовленные из стали мар­ ки М16С и стали повышенной прочности. Размеры балок прибли­ зительно соответствовали размерам прокатного двутавра N° 30. Сварка осуществлялась с применением проволоки марки Св08А под флюсом .марок АН-348 (для стали М16С) и ОСЦ-45 (для ста­ ли повышенной прочности).

6 8

Ребра жесткости приваривали к стенке балки; после чего произ­ водили окончательную оборку и наложение поясных швов. По дру­ гому варианту ребра жесткости приваривали после сборки и сварки балки поясными швами.

Испытания на статический изгиб производили на 200-тонном прессе при тем-пературе +20 и —50° С, на ударный изгиб — на вер­ тикальном свободно падающем копре мощностью 12 тм при тем­ пературе —40 и —55° С. Было установлено, что напряженное со­ стояние в балках, созданное различной последовательностью при­ варки ребер жесткости, влияет лишь на остаточный прогиб от пер­ вого загружения. Напряженное состояние не сказывается на проч­ ности при статических и ударных испытаниях как при нормальных, так и при низких температурах (в случае, если металл при этих температурах не склонен к хрупкому разрушению). Все балки раз­ рушались от потери устойчивости. Характерно, что несмотря на на­ личие концентраций напряжений, вызванных приваркой ребер же­ сткости не было обнаружено ни трещин, ни надрывов, ни.какихлибо других признаков хрупкого разрушения.

Многолетняя успешная эксплуатация разнообразных и много­ численных сварных конструкций, работающих при низких темпера­ турах, положительные результаты испытаний опытных сварных пролетных строений при низких температурах, а также экспери­ ментальные исследования НИИ мостов показали, что нет необходи­ мости ограничивать возможность сооружения сварных мостов в се­ верных и северо-восточных районах нашей страны, в которых сох­ раняется низкая температура длительное время года. При проекти­ ровании конструкций для эксплуатации необходимо в указанных районах создавать в этих конструкциях достаточный температур­ ный запас прочности; причем обеспечение последнего должно идти не за счет утяжеления конструкции, а за счет понижения концент­ рации напряжений, которое достигается рациональным проектиро­ ванием, в первую очередь созданием плавных переходов, устране­ нием сосредоточения швов, повышением качества сварки и широким использованием других мер технологического и конструктивного характера.

	СТЫКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ СВАРНЫХ ФЕРМ
В	Ленинградском	инженерно-строительном	институте
[103]	было проведено исследование стыковых соединений свар­

ной фермы на уголковых накладках при различных темпера­ турах (до —40°С), на крупных образцах из мартеновской стали Ст. 3, имитирующих действительные условия.

Установлено, что сварное соединение при низких температурах может иметь (в ряде случаев) пониженную статическую проч­ ность и что конструирование подобных соединений должно преду­ сматривать свободу деформаций для возможного перераспреде­ ления усилий.

ЗАРУБЕЖНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Заслуживают внимания проведенные в Калифорнийском уни­ верситете [43] испытания целого ряда больших образцов, имити­ рующих конструкцию угла люка парохода типа «Либерти» с целью изучения влияния различных переменных параметров на эксплуатацию испытываемой сварной конструкции. В качестве переменных параметров брали образцы, сваренные различными электродами, предварительный подогрев и термическая обра­ ботка сварных соединений после сварки. Для сравнения исследо­ вались сварные и клепаные соединения. Наиболее характерным является испытание различных конструкций люков, которые про­ ектировались в виде жесткого или гибкого угла с наименьшей концентрацией напряжений. Результаты исследований показали большое значение масштабного фактора, например, прочность соединения понизилась вдвое при переходе от модели в */4 нату­ ральной величины к натуральной величине. Наилучшие резуль­ таты в отношении повышения прочности получались на образцах с предварительным подогревом. Высокий отпуск сварных соеди­ нений, хотя и снимал остаточные напряжения и немного улучшил структуру металла, но все же давал меньшее повышение проч­ ности по сравнению с предварительным подогревом. Образцы в натуральную величину в большинстве случаев разрушались хруп­ ко. Несмотря на то, что клепаные конструкции показали весьма низкую прочность, работа разрушения оказалась относительно большой; в клепаных соединениях образовавшиеся трещины оканчивались у заклепочных отверстий. Было показано также, что

конструктивными		мероприятиями		можно резко повысить проч­
ность сварных		соединений; лучшие результаты			дали образцы
с гибкими соединениями, а не жесткими.					США) [135],
Пеллини	(лаборатория		военно-морского флота
проводивший	испытания сварных			соединений при	низких темпе­
ратурах, особое внимание			уделил	возникновению	хрупкого раз­
рушения, т. е. образованию			трещин как в сварных швах, так и в

металле свариваемых конструкций. При проектировании сварных конструкций он настоятельно рекомендует учитывать вероятность появления в сварных конструкциях острых надрезов; он указывает

также, что если сталь обладает небольшой ударной вязкостью,
то разрушения	сварных конструкций при низких температурах
-могут произойти	при весьма низких рабочих нагрузках. В случае
-эксплуатации сварных конструкций при температуре нижнего по­

рога хладноломкости способность стали к пластической деформа­ ции весьма ничтожна и поэтому при случайных перегрузках, уда­ рах или при наличии острых надрезов возможно хрупкое разрушение. Для безопасности температура эксплуатации свар­ ной конструкции должна быть выше примерно на 10° С темпера­ туры, соответствующей критическому значению работы разруше­ ния образца.

70