Повышение долговечности сварных стыковых соединений, работающих при циклических нагрузках в двухосном поле напряжений

Введение. Сварные корпусные и оболочковые конструкции, работающие под давлением, широко применяются в судостроении, химическом, энергетическом машиностроении и других отраслях. Снижение металлоемкости подобных конструкций при одновременном повышении их работоспособности является важнейшей задачей [1–4]. Для уменьшения веса конструкций необходимо использовать более прочные материалы при напряжениях, близких к пределу текучести. В этом случае для обеспечения высокой конструктивной прочности выдвигаются особые требования к выполнению сварных конструкций. Другими словами, необходимо разработать мероприятия, повышающие долговечность конструкций до величин, близких к показателям основного металла.

Цель работы — исследование возможностей повышения долговечности сварных соединений, работающих при циклических нагрузках в коррозионной среде (3 % раствор NaCl), с помощью дополнительной обработки швов.

Материалы и методы. Стыковые сварные соединения были выполнены из хромоникельмолибденовой стали. Предварительная термообработка листового материала обеспечивала пределы текучести 900 МПа, 1100 МПа, 1150 МПа. Испытания [5][6] проводились при двухосном поле напряжений и одновременном действии повторных статических нагрузок в коррозионной среде (3 % раствор NaCl). Ручная многопроходная сварка выполнялась низколегированными электродами 48Н11, 48Н13 и аустенитными электродами ЭА 981/15. Разрушение зарождается со стороны растянутых волокон, поэтому напряженное состояние исследовали на растянутой поверхности образца. Напряжения определяли расчетным путем. Измеряли рычажным тензометром Гугенбергера и тензорезисторами с базой 5 мм на расстоянии 10 мм от сварного шва. Если измеренные значения напряжений отличались более чем на 5 % от расчетных, корректировалось давление под образцом.

Разрушение сварных соединений локализуется вдоль линии перехода от основного металла к металлу шва, как показано на рис 1.

Основные причины снижения работоспособности сварных соединений по сравнению с листовым металлом [7–11]:

• геометрическая концентрация напряжений;
• остаточные сварочные напряжения;
• ухудшение структуры и свойств основного металла в околошовной зоне под воздействием термического цикла сварки.

Влияние каждого из этих факторов можно частично или полностью нейтрализовать.

На кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» (МиАСП) ДГТУ в течение многих лет испытывались стыковые сварные соединения высокопрочных сталей с различными способами дополнительных обработок (таблица 1). Опыты соответствовали условиям нагружения реальных конструкций.

Физические и металлургические процессы, протекающие при сварке, не поддаются моделированию в полном объеме. Поэтому испытания проводили на натурных сварных стыковых соединениях при полном сохранении заводской технологии сварки и геометрических параметров соединений. Малоцикловая усталость сварных соединений исследовалась на образцах в виде дисков диаметром 550 мм толщиной 30 мм на установке УДИ-550 [12]. Их шарнирно закрепляли по контуру и нагружали гидростатическим давлением масла. Под действием гидростатического давления диск осесимметрично изгибался. На внутренней поверхности возникали напряжения сжатия, на внешней — напряжения растяжения, на нее воздействовала коррозионная среда — 3 %-ный водный раствор хлористого натрия. Образцы испытывали при повторном статическом нагружении с частотой 10 циклов/мин.

Максимальные напряжения возникали в центральной части образцов. На большой поверхности выше статистическая вероятность возникновения и развития разрушения, что в целом приближает условия испытания с реальными условиям работы нагруженных корпусных конструкций.

Результаты исследования. В таблице 2 приведены результаты испытаний образцов после дополнительной обработки сварных соединений при циклическом нагружении.

Дополнительная обработка сварных соединений 1-м и 4-м способом (таблица 1) уменьшала концентрацию напряжений за счет увеличения радиуса сопряжения металла шва с основным металлом.

2-й способ создавал в зоне сварного шва небольшие сжимающие напряжения, но практически не менял их концентрацию. Альтернатива предложенному способу — прокатка зоны перехода, представленная в [13].

3-й, 5-й и 6-й способы помимо снижения концентрации напряжений, позволяли получать в зоне перехода от металла шва к основному металлу благоприятные остаточные напряжения сжатия.

На рис. 2 а показаны доверительные интервалы (95 %) количества циклов до зарождения разрушения N_з, а на рис. 2 б — интервалы количества циклов до разрушения N_р для сварных соединений (пунктирные линии), выполненных по заводской технологии, и для основного металла (сплошные линии). Интервалы строили по данным таблицы 2.

Представлены области разброса значений сопротивления повреждаемости и долговечности сварных стыковых соединений (рис. 2 а) и основного металла (рис. 2 б) в зависимости от максимальных напряжений при отнулевом пульсирующем цикле нагружения.

Видно, что количество циклов до зарождения разрушения N_з и долговечность сварных стыковых соединений до разрушения N_р (количество циклов до потери герметичности) гораздо меньше, чем у основного металла.

Для определения сжимающих напряжений, которые образовывались в швах в результате обработки, измеряли остаточные напряжения. Этот метод описан в работах [14][15].

В таблице 3 представлены результаты измерений остаточных напряжений в направлении, перпендикулярном оси шва, на поверхности сварных соединений в околошовной зоне.

По данным таблицы 2 и рисунка 3 можно судить об эффективности различных способов дополнительной обработки сварных соединений, работающих при циклическом нагружении.

На рис. 3 показаны результаты испытания образцов стыковых сварных соединений, обработанных разными способами. На рис. 3 а представлены доверительные области разброса значений до зарождения разрушения основного металла и стыковых сварных соединений без дополнительной обработки. На рис. 3 б — те же области до разрушения образцов (до потери герметичности).

Зачистка зоны перехода от металла шва к основному металлу повышает сопротивляемость зарождению разрушения из-за уменьшения концентрации напряжений (таблица 2). Однако этот способ практически не повлиял на характер развития разрушения. Трещины зарождались и развивались вдоль линии сопряжения металла шва с основным металлом.

Аналогичный характер разрушения имеют образцы, у которых граница шва и основного металла переплавлена дугой в аргоне без присадочного металла (4-й способ). Это привело к уменьшению концентрации напряжений. Как следствие, выросла сопротивляемость зарождению разрушения. При этом практически не изменилась сопротивляемость развитию разрушения (рис. 3). 4-й способ по сравнению 1-м более технологичен, т. к. не требует дополнительного оборудования, кроме сварочного.

Дробенаклеп (2-й способ) практически не повлиял на сопротивление повреждаемости, определяемое числом циклов до появления видимой трещины — Nт, но увеличил живучесть — число циклов, которое выдержал образец после образования первой трещины до потери им несущей способности (течи). Это объясняется тем, что дробенаклеп не гарантирует однородности поверхностного деформирования металла, особенно в местах соединения с подрезами, наплывами, кратерами и неплавными очертаниями шва. Именно здесь зарождается разрушение. Однако в местах плавного сопряжения металла шва с основным металлом дробеструйная обработка, вызывающая небольшие напряжения сжатия, препятствовала образованию протяженной магистральной трещины, что увеличило сопротивляемость развитию разрушения.

Для повышения эффективности дробенаклепа предложили 3-й способ. Выполняется абразивная зачистка 1-м способом, а затем дробеструйная обработка. В сравнении со 2-м способом примерно на 20 % увеличилась долговечность образцов до зарождения разрушения и до потери герметичности. Сравнение 1-го и 3-го способа показало, что количество циклов до зарождения разрушения фактически не изменилось, однако количество циклов до разрушения (потери герметичности) увеличилось на 20 %.

5-й способ [16] — оплавление границы шва с присадочной проволокой ЭП-410У диаметром 1,6 мм. При охлаждении (140°С и ниже) галтельные валики претерпевают мартенситные превращения. При охлаждении до комнатной температуры объем суммарно увеличивается на 1,5 % [11]. Как было показано ранее, это приводит к появлению остаточных напряжений сжатия до 300 МПа. Галтельные валики с повышенным удельным объемом способствуют росту сопротивления повреждаемости и развитию разрушения, то есть увеличению живучести. В таких соединениях первые трещины появлялись либо на основном металле, в стороне от шва, либо одновременно вдоль линии перехода от шва к основному металлу (таблица 2). Трещины, обнаруженные на линии сплавления, как правило, развивались с малой скоростью, и к разрушению приводило слияние трещин на основном металле и в сварном соединении. Типичный внешний вид сварных соединений, дополнительно обработанных 5-м способом, после испытания показан на рис. 4.

Рассмотренный вид обработки уменьшает концентрацию напряжений по всей длине шва и создает благоприятные остаточные напряжения сжатия в районе галтельных валиков с повышенным удельным объемом.

Действие сжимающих напряжений тормозит зарождение разрушений. С развитием трещин вдоль галтельного валика действие поперечных напряжений сжатия уже не эффективно и отчасти устраняется. Этим можно объяснить отсутствие влияния валиков повышенного удельного объема на живучесть сварных соединений. Если же разрушение зарождается не на галтельном валике, а на основном металле, живучесть сварных соединений возрастает.

Обработка 5-м способом зоны перехода от основного металла к металлу шва увеличила сопротивляемость зарождению и развитию разрушения примерно в 3–4 раза. При этом топография разрушения заметно изменилась. Первые трещины, как правило, зарождались в основном металле (рис. 4). При наличии плохо заваренных кратеров на лицевой поверхности шва трещины зарождались в этих местах и развивались преимущественно перпендикулярно шву, но и в этом случае сопротивляемость зарождению и развитию разрушения оставалась довольно высокой (таблица 2, 5-й способ).

Поверхностное пластическое деформирование околошовной зоны [12] в стыковых соединениях путем обкатки узкими роликами (6-й способ) позволило довести сопротивляемость зарождению и развитию разрушения до уровня аналогичных характеристик основного металла. Этот вывод подтверждается характером разрушения сварных соединений, выполненных 6-м способом (рис. 5).

Видно, что разрушение зарождалось и развивалось по основному металлу (рис. 5 а, табл. 2 и характер разрушения соединений, показанный на рис. 5 б). Оплавление границы шва и последующая его прокатка между узкими роликами (6-й способ) увеличили сопротивляемость зарождению разрушения примерно в 8 раз, живучесть сварных соединений — примерно в 4 раза.

Обсуждение и заключения

1. В качестве исходных образцов рассмотрели сварные соединения, выполненные по заводской технологии без дополнительной обработки зоны перехода. В этом случае при циклическом нагружении по линии перехода от металла шва к основному металлу наблюдается многоочаговое зарождение усталостных трещин. Они быстро развиваются и объединяются в одну магистральную. Затем она развивается в глубину, что приводит к потере герметичности. Долговечность сварных соединений оказывается в 2–3 раза меньше, чем у основного металла.

2. Задействовали два вида дополнительной обработки:

• зачистка зоны перехода от шва к основному металлу абразивным инструментом (1-й способ);
• переплав зоны перехода от шва к основному металлу неплавящимся электродом, дугой, горящей в среде аргона (4-й способ).

Это позволило увеличить сопротивляемость зарождению разрушения почти в 2 раза. Живучесть этих сварных соединений практически не изменилась.

3. Дробеструйная обработка (2-й способ) практически не сказалась на количестве циклов до зарождения разрушения, но несколько увеличила число циклов до разрушения.

4. Предварительная зачистка абразивным инструментом зоны перехода от металла шва к основному металлу и последующая дробеструйная обработка (3-й способ) почти в 1,5 раза увеличили сопротивляемость сварных соединений зарождению и развитию разрушения.

5. При наплавке галтельного валика материалом с подходящими объемными изменениями (5-й способ) трещины возникают в зоне перехода и в основном металле. При этом примерно в 3–4 раза увеличивается сопротивляемость зарождению и развитию разрушения.

6. Оплавление границы шва без присадочной проволоки (4-й способ) и пластическое деформирование между узкими роликами (6-й способ) обеспечивают рост сопротивления повреждаемости и живучести сварных соединений практически до уровня аналогичных характеристик основного металла.