Как повысить усталостную прочность сварных соединений

1. Снизить концентрацию напряжений

Усталостные трещины возникают в местах концентрации напряжений в сварных соединениях и конструкциях. Любая мера, позволяющая устранить или уменьшить эти концентрации, может повысить усталостную прочность.

Используйте надёжную конструктивную форму

• Предпочтительно использовать стыковые соединения и свести к минимуму использование нахлесточных соединений. По возможности заменяйте Т-образные или угловые соединения в критически важных конструкциях на стыковые соединения и избегайте расположения сварных швов в углах. Если использование Т-образного или углового соединения неизбежно, применяйте сварку с полным проваром.
• Следует избегать эксцентричной нагрузки. Внутренние силы должны действовать плавно и распределяться равномерно, не создавая вторичных напряжений.
• В местах соединения пластин, имеющих существенно разную толщину или ширину, следует обеспечить плавные переходы. На острых углах и изгибах следует использовать достаточно большие радиусы.
• Следует избегать пространственных пересечений с тремя сварными швами. Сварные швы следует располагать вдали от зон концентрации напряжений и избегать поперечных сварных швов на основных элементах, подверженных растяжению. Если это неизбежно, необходимо обеспечить высокое качество внутренней и внешней поверхности шва и свести к минимуму концентрацию напряжений у основания шва.
• Не оставляйте постоянную подкладку за односторонним стыковым сварным швом в конструкции, подверженной повышенным нагрузкам. Следует избегать прерывистых сварных швов, поскольку в каждом их сегменте в начале и в конце наблюдаются зоны повышенной концентрации напряжений.

Конструкции, подвергающиеся динамическим нагрузкам или эксплуатируемые при низких температурах, требуют более тщательного детального проектирования, чем конструкции, несущие статическую нагрузку при комнатной температуре.

Контроль формы и качества сварного шва

Размеры арматуры при стыковом сварке следует сводить к минимуму, а сварной шов предпочтительно выравнивать или шлифовать до уровня поверхности. Для Т-образных соединений следует использовать вогнутые, а не выпуклые угловые швы. Необходимо обеспечить плавный переход у основания шва, при необходимости шлифуя его или переплавляя методом TIG.

Любой дефект сварного шва приводит к образованию зоны концентрации напряжений. Плоские дефекты — трещины, недостаточная глубина проварки, отсутствие сплавления и подрез — оказывают наибольшее влияние на усталостную прочность. Проектируйте каждый сварной шов таким образом, чтобы обеспечить удобный доступ и качественное выполнение работ, а также устраняйте все дефекты, превышающие допустимые пределы.

2. Настроить поле остаточных напряжений

Остаточное сжимающее напряжение повышает усталостную прочность, тогда как остаточное растягивающее напряжение — снижает её. Благоприятное поле сжимающих напряжений на поверхности или зону концентрации напряжений можно создать путём изменения последовательности сварки или локального нагрева.

В стыковом соединении двутавра на стыке сварной шов 1 испытывает наибольшее изгибающее напряжение. На каждом конце следует оставить небольшой участок углового шва 3 незаваренным, завершить сварку шва 1, а затем завершить сварку стыкового шва 2 на стенке. Усадка шва 2 приводит к тому, что шов 1 находится в состоянии остаточного сжатия. В заключение сваривайте оставленные участки сварного шва 3; их усадка приводит к появлению остаточного сжатия как в сварном шве 1, так и в сварном шве 2. Испытания показали, что такая последовательность увеличивает усталостную прочность по сравнению со сваркой шва 2 до шва 1. Для угловой пластины, соединенной продольными швами, правильно расположенный точечный нагрев в области надреза рядом с концом сварного шва может создать благоприятное остаточное сжатие в зоне концентрации напряжений.

Упрочнение за счет деформации поверхности посредством прокатки, ковки или дробеструйной обработки также позволяет пластически деформировать и упрочнить поверхность соединения, создавая остаточную сжимающую деформацию, которая повышает усталостную прочность.

3. Улучшение микроструктуры и свойств соединений

Для повышения внутренней усталостной прочности основного металла и металла сварного шва необходимо обеспечить более высокое металлургическое качество как самого материала, так и сварной проволоки, а также снизить количество включений. Там, где это целесообразно, термообработка соединения позволяет сформировать благоприятную микроструктуру, что приводит к повышению прочности наряду с пластичностью, ударной вязкостью и усталостной прочностью.

Прочность, пластичность и ударная вязкость должны быть сбалансированы. Прочность противостоит разрушению, однако высокопрочные материалы чувствительны к надрезам. Пластичность поглощает энергию деформации, снижает пиковые напряжения, перераспределяет высокие напряжения и сглаживает вершины надрезов и трещин, благодаря чему их рост замедляется или останавливается. Поскольку пластичность позволяет эффективно использовать прочность, повышение пластичности и ударной вязкости может значительно улучшить усталостную прочность соединений из высокопрочных алюминиевых сплавов.