Главная       Продать работу       Заказать работу       Блог       Контакты       Оплата       О нас       Как мы работаем       Регистрация       Вход в кабинет
Тех. дипломные работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   электроснабжение
   пищевая промышленность
   водоснабжение
   газоснабжение
   автоматизация
   теплоснабжение
   холодильники
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. курсовые работы
   автомобили
   спец. техника
   станки
   тех. маш.
   строительство
   детали машин
   электроснабжение
   газоснабжение
   водоснабжение
   пищевая промышленность
   автоматизация
   теплоснабжение
   ТММ
   ВСТИ
   гидравлика и пневматика
   машиностроение
   др. тех. специальности

Тех. дополнения
   Отчеты
   Расчетно-графические работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Чертежи и 3D моделирование
   Тех. soft
   Рефераты
   Общий раздел
   Технологический раздел
   Конструкторский раздел
   Эксплуатационный раздел
   БЖД раздел
   Экономический раздел
   Экологический раздел
   Автоматизация раздел
   Расчетные работы

Гум. дипломные работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. курсовые работы
   педагогика и психология
   астрономия и космонавтика
   банковское, биржевое дело
   БЖД и экология
   биология и естествознание
   бухгалтерский счет и аудит
   военное дело
   география
   геология
   государство и право
   журналистика и СМИ
   иностранные языки
   история
   коммуникации
   краеведение
   кулинария
   культура и искусство
   литература
   экономика и торговля
   математика
   медицина
   международное отношение
   менеджмент
   политология
   музыка
   религия
   социология
   спорт и туризм
   таможенная система
   физика
   химия
   философия
   финансы
   этика и эстетика
   правознавство

Гум. дополнения
   Отчеты
   Расчетные работы
   Лекции
   Задачи
   Лабораторные работы
   Литература
   Контрольные работы
   Сочинения
   Гум. soft
   Рефераты

Рефераты
   Авиация и космонавтика
   Административное право
   Арбитражный процесс
   Архитектура
   Астрология
   Астрономия
   Банковское дело
   Безопасность жизнедеятельнос
   Биографии
   Биология
   Биология и химия
   Биржевое дело
   Ботаника и сельское хоз-во
   Бухгалтерский учет и аудит
   Валютные отношения
   Ветеринария
   Военная кафедра
   ГДЗ
   География
   Геодезия
   Геология
   Геополитика
   Государство и право
   Гражданское право и процесс
   Делопроизводство
   Деньги и кредит
   ЕГЭ
   Естествознание
   Журналистика
   ЗНО
   Зоология
   Издательское дело и полиграф
   Инвестиции
   Иностранный язык
   Информатика
   Информатика, программировани
   Исторические личности
   История
   История техники
   Кибернетика
   Коммуникации и связь
   Компьютерные науки
   Косметология
   Краеведение и этнография
   Краткое содержание произведе
   Криминалистика
   Криминология
   Криптология
   Кулинария
   Культура и искусство
   Культурология
   Литература : зарубежная
   Литература и русский язык
   Логика
   Логистика
   Маркетинг
   Математика
   Медицина, здоровье
   Медицинские науки
   Международное публичное прав
   Международное частное право
   Международные отношения
   Менеджмент
   Металлургия
   Москвоведение
   Музыка
   Муниципальное право
   Налоги, налогообложение
   Наука и техника
   Начертательная геометрия
   Оккультизм и уфология
   Остальные рефераты
   Педагогика
   Политология
   Право
   Право, юриспруденция
   Предпринимательство
   Прикладные науки
   Промышленность, производство
   Психология
   психология, педагогика
   Радиоэлектроника
   Реклама
   Религия и мифология
   Риторика
   Сексология
   Социология
   Статистика
   Страхование
   Строительные науки
   Строительство
   Схемотехника
   Таможенная система
   Теория государства и права
   Теория организации
   Теплотехника
   Технология
   Товароведение
   Транспорт
   Трудовое право
   Туризм
   Уголовное право и процесс
   Управление
   Управленческие науки
   Физика
   Физкультура и спорт
   Философия
   Финансовые науки
   Финансы
   Фотография
   Химия
   Хозяйственное право
   Цифровые устройства
   Экологическое право
   Экология
   Экономика
   Экономико-математическое мод
   Экономическая география
   Экономическая теория
   Этика
   Юриспруденция
   Языковедение
   Языкознание, филология

Главная > Тех. дипломные работы > машиностроение
Название:
Забезпечення ресурсу експлуатації зварних металоконструкцій з технологічними дефектами при їх циклічному навантаженні

Тип: Магистр
Категория: Тех. дипломные работы
Подкатегория: машиностроение

Цена:
1 грн



Подробное описание:

Тема: Забезпечення ресурсу експлуатації зварних металоконструкцій з технологічними дефектами при їх циклічному навантаженні
Зміст
Введення
1. Технічне зварювання
1.1. Зварні конструкції в народному господарстві
1.1.1. Значення зварювання у народному господарстві
1.1.2. Технологія виробництва зварних конструкцій — особливості та основні етапи
1.1.2.1. Особливості зварних конструкцій.
1.1.2.2. Технологія виготовлення зварних конструкцій.
1.2. Методи зварювання. Обладнання та інструмент
1.2.1. Газове зварювання металів
1.2.2. Електрошлакове зварювання
1.2.3. Точкове зварювання
1.2.4. Ударне зварювання
1.2.5. Лазерне зварювання
1.2.6. Зварювання ультразвукове
1.2.7. Зварювання тертям
1.3. Сили, розрахунки сил, які навантажують зварні конструкції
1.3.1. Розрахунок зварних стикових з’єднань
1.3.2. Розрахунок кутових зварних з’єднань
1.3.3. Конструктивні вимоги до зварних з’єднань
2. Проблеми експлуатації зварних конструкцій пов’язаних з технологією виготовлення
2.1. Тріщини (гарячі, холодні), не проварні, не правельні матеріали та інше
2.2. Розвиток дефектів зварних з’єднань в процесі циклічного і статичного навантаження. Планова циклічна довговічність зварних з’єднань (наприклад: шпильок кріплення мостового полотна залізничних мостів)
2.3. Висновки по розділу
3. Методи розрахунку ресурсу зварних з’єднань металоконструкцій
3.1. Розрахунок зварних з’єднань при статичному навантаженні з урахуванням дефектів і без дефектів
3.2. Розрахунок зварних з’єднань при циклічному та динамічному навантаженні з урахуванням дефектів і без дефектів
4. Поєднання процесів зварювання та паяння для ремонту і підвищення експлуатаційних характеристик рамних конструкцій при циклічному навантаженні
4.1. Вплив заліковування тріщин мідними сплавами на міцність рамних конструкцій
4.2. Комбінованні технологій ремонту тріщин рамних конструкцій
4.3. Інженерна методика виконання робіт з підсилення або ремонту рамних конструкцій
4.4. Витривалість нових та відремонтованих рамних конструкцій
4.5. Висновки до розділу
Висновок
Література


Введення
Експлуатація різних рамних конструкцій повсякчас поєднується з необхідністю протидії впливу як прогнозованих так і не прогнозованих навантажень. При цьому часто навантаження та відповідні внутрішні напруження концентруються на локальних ділянках, які характерні саме для цих умов експлуатації, схем агрегатування тощо. Тому нерідко на таких ділянках мають місце пошкодження у вигляді мікротріщин, деформацій та руйнувань. Досвід ремонту або підсилення таких ділянок рамних конструкцій які працюють в циклічному навантеженні виявив такі проблеми:
– невизначеність розташування ділянок, які потребують більш ретельного діагностування під час технічного огляду рамниз конструкцій;
– недовговічність ділянок конструкцій рам, відновлених за відомими технологіями зварювання;
– виникнення нових тріщин та корозійних ушкоджень, як правило, на невеликій відстані від відремонтованої ділянки, виконаних, особливо, засобами зварювання;
– недостатність конкретних рекомендацій та технологій виконання робіт з підсилення або ремонту пошкоджених ділянок рамних конструкцій з врахуванням конструктивних особливостей та умов експлуатації.
Аналіз робіт, виконаних у зазначеному напрямку, показав необхідність заповнення прогалин у дослідженнях процесів ремонту та підвищення ресурсу рамних конструкцій, розробки на цій основі практичних рекомендацій та технологій відновлювальних та ремонтних робіт.
Актуальність теми. Проблема надійності рамних конструкцій актуальна для всіх видів галузей народного господарства. В Україні ця проблема особливо гостра: будівництво, вантажні автомобілі, спецтехніка що працюють у важких рельєфних і кліматичних умовах, їх основні елементи, що сприймають навантаження, переважно виготовляються із сталі.
Провідними факторами впливу на довговічність є пошкодження рами тріщинами та корозією.
Результатом недооцінки провідних факторів та процесів руйнування є використання нераціональних технологічних операцій виготовлення, технічного обслуговування та ремонту рамних конструкцій.
Для підвищення рівня проектування процесів ремонту необхідні розробки більш досконалих методів розрахунку, які враховують реальні умови експлуатації та технологію виготовлення, переобладнання чи попереднього ремонту конструкцій. Особливо це стосується рам, виготовлених або відремонтованих з використанням процесів зварювання, яке викликає зміни структури та фізико-механічних властивостей матеріалу деталей. Ці зміни до цього часу мало враховуються під час розробки технологічних процесів ремонту рамних конструкцій внаслідок недостатньої дослідженості цих питань, що часто призводять до непередбачуваних поломок.
Внаслідок дії в процесі експлуатації засобів транспорту статичних, циклічних та динамічних навантажень на рамні конструкції виникають тріщини та інші пошкодження на певних локальних ділянках.

Проблемою ремонту небезпечних зон рамних конструкцій шляхом встановлення елементів підсилення, а також відновлення таких зон із зародженими тріщинами, є небезпека пошкодження основного металу за рахунок негативних процесів, які можуть мати місце під час зварювання, як основного методу ремонту. До таких негативних факторів відносять потужні теплові поля від зварювальної дуги, напруження та деформації, що виникають при цьому тощо. Потужні теплові поля можуть викликати у зоні термічного впливу перерозподіл хімічних елементів та рекристалізацію матеріалу рамної конструкції. Тому дослідження в межах розв’язання означеної проблеми є актуальними. Розгляду цих актуальних проблем і присвячена магістерська робота.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Технічне зварювання
1.1. Зварні конструкції в народному господарстві
1.1.1. Значення зварювання у народному господарстві
Важливою науково-технічною проблемою є створення економічних, надійних і довговічних зварних конструкцій, що можуть працювати на землі, під водою і в космосі, при великій різниці температур, в агресивних середовищах і при інтенсивному опромінюванні. За допомогою зварювання і споріднених технології створюється більше половини валового національного продукту промислово розвинутих країн. У зварювальному виробництві зайнято близько 5 млн. людей, переважна більшість яких (70-80%) виконують електродугові процеси.
Основою зварювального виробництва є зварювання плавленням. Техніка і технологія цього процесу постійно вдосконалюються. На ринку зварювального обладнання перше місце займає апаратура для дугового зварювання. Зростає виробництво апаратури для зварювання порошковими і суцільними дротами при зменшенні частки обладнання для ручного дугового зварювання покритими електродами. У промислово розвинених країнах частка металу наплавленого ручним дуговим зварюванням, зменшилась майже в 3 рази і становить 20-30%, в інших країнах таке зниження менш інтенсивне.
Друге місце займає виробництво обладнання для контактного зварювання. При цьому частка обладнання для газового зварювання і різання зменшується. У світовій практиці останнім часом почали широко використовувати інверторні джерела живлення, що мають великі можливості для автоматичного керування зварювальними процесами.
Розширюються галузі застосування лазерних технологій, зокрема потужних діодних зварювальних лазерів з високим К.К.Д. Широкі можливості використання електронно-променевого зварювання, яким за один прохід можна зварювати метали товщиною до 200-300 мм. Для розвитку важкого машинобудування велике значення має електрошлакове зварювання при виготовленні крупногабаритних товстостінних виробів. Успішно розвивається контактне зварювання (роликове, точкове й рельєфне).
Розвиток електронної техніки й приладобудування призвів до створення ультразвукового, дифузійного, пресового та зварювання інших видів. Забезпечення з'єднань високої якості у складних умовах вимагає вдосконалення техніки та засобів підготовки до ремонтного зварювання.
Невід'ємною частиною зварювального виробництва є наплавлення, для якого використовують 8-10% електродів і суцільних дротів та 30% порошкових дротів від загального об'єму зварювальних матеріалів. Удосконалюються технології нанесення спеціального та захисного покриття методами плазмодугового, електронно-променевого, газотермічного й динамічного напилення. Особливе значення мають технології склеювання. Створено значну кількість клеєвих композицій, які дають можливість з'єднувати одно- та різнорідні матеріали.
Актуальною залишається проблема зварювання нових матеріалів на основі заліза, міді, нікелю, алюмінію, титану та ін. В Інституті електрозварювання ім. Є. О. Патона знайшли нове рішення покращення зварюваності перспективних сплавів алюмінію й титану. Створені нові технології, що дають можливість одержання зварних з'єднань товщиною 0,5-1000 мм. Для одержання нероз'ємних з'єднань із різнорідних матеріалів (сталь, титан, мідь, алюміній, сталь,


алюміній та ін.) перспективними є такі процеси; зварювання магнітно-імпульсне, зварювання вибухом, дифузійне зварювання, паяння, склеювання, механічні (штепсельні) з'єднання.
У виробництво впроваджені нові технології для зварювання полімерів і композитів на їх основі, зварювання труб із термпластів, які використовуються при спорудженні газо- й водопроводів та інших комунікацій. Перспективними є з'єднання цих матеріалів за допомогою ультразвукового зварювання, зварювання тертям і струмами високої частоти.
Значно розширилися можливості підводного зварювання та різання, які використовуються на глибинах декількох десятків метрів. Для цього використовують зварювання плавкими і неплавкими електродами, лазерне випромінювання. Розробляються нові механізовані способи зварювання й різання, а також обладнання, які були б придатні для використання на кілометровій глибині для прокладання газо- і нафтопроводів по дну океанів.
Важливою проблемою є застосування зварювальних технологій у космічному просторі, де перспективним способом вважається електронно-променеве та лазерне зварювання. Інститутом електрозварювання ім. Є. О. Патона разом з НВО «Енергія» проведені експерименти електронно-променевого зварювання, різання, паяння й нанесення покриття у відкритому космосі, при яких були вивчені особливості одержання зварних з'єднань в умовах вакууму та мікрогравітації у оцінені можливості людини у скафандрі виконувати функції зварника.
Зварювання та споріднені технології будуть і надалі інтенсивно розвиватися, оскільки вони є ключовими для ведучих галузей сучасної промисловості.
1.1.2. Технологія виробництва зварних конструкцій — особливості та основні етапи
Зварні металоконструкції давно знайшли своє застосування в будівельній галузі, у машинобудуванні, автомобільній промисловості і в інших сферах виробництва. З кожним роком виробництво зварних конструкцій показує, що все збільшуються темпи розвитку — і причина цього полягає в тому, що споживачі зрозуміли всі переваги металевих конструкцій, вироблених з допомогою зварювання.
До переваг зварних конструкцій відноситься:
- висока якість і міцність з'єднання;
- надійність;
- зручність застосування;
- довгий термін служби;
- невелика вага;
- економія металу.
Якщо ж говорити про недоліки зварних металевих конструкцій, то до них можна віднести нестійкість металу до корозії. Але сучасні технології виготовлення металоконструкцій і способи обробки металу дозволяють легко справитись з цією проблемою.
1.1.2.1. Особливості зварних конструкцій.
Зварні конструкції характеризуються максимально міцним з'єднанням окремих деталей

між собою, так як технологія виробництва зварних конструкцій заснована на литті частин конструкцій в одне ціле на молекулярному рівні. Метал на гранях деталей розплавляється до рідкого стану, і таким чином відбувається обмін молекулами. У результаті виходить конструкція по своїй міцності максимально близька до міцності цілісної деталі.
Ще однією особливістю зварних конструкцій є те, що для їх виготовлення потрібно менше металу, ніж для виготовлення конструкцій, з'єднаних за допомогою заклепок або литих сполук. Причому, економія може досягати досить значних обсягів — до 20%, а це означає, що зварне з'єднання можна вважати ефективним не лише з точки зору витрат матеріалів, але і з точки зору вартості всієї металоконструкції. Тобто виходить, що виготовлення металоконструкцій з допомогою зварного з'єднання економічно володіє більшою рентабельністю, ніж будь-які інші конструкції.
Є у зварних конструкцій і ще одна відмітна риса, що логічно випливає з попередньої особливості — вони важать менше, ніж конструкції, зроблені методом лиття або зібрані з допомогою заклепувального з'єднання. І при цьому по своїй міцності вони нітрохи не поступаються, а навіть перевершують ці види конструкцій.
1.1.2.2. Технологія виготовлення зварних конструкцій.
Технологія виробництва зварних конструкцій включає в себе кілька основних етапів. Для виготовлення таких конструкцій можна застосовувати різні методи зварювання — від автоматичної і напівавтоматичного до ручного електродугового. Зварювання може вестися в середовищі захисних газів, під флюсом і т. д. Способи зварних з'єднань також можуть бути різними — таврових, торцевими, стиковими, кутовими і т. д.

Рис. 1. Зварні з'єднання
Першим етапом виробництва зварних конструкцій є підготовка всієї технічної документації, необхідної для створення деталі, до якої висуваються певні вимоги.

Рис. 2. Комп'ютерна модель зварної конструкції
Також важливим етапом виробництва зварних конструкцій є підготовка окремих деталей до зварювання. І тут найбільшу увагу слід приділяти підготовки кромок деталей. Кромки сточуються під певним кутом — і зробити це можна як за допомогою шліфувальної машини, так і за допомогою звичайного напилка. Форма оброблення кромок також може бути різною, але найбільш ефективною вважається Х-подібне оброблення. Справа в тому, що саме такий підхід до оброблення кромок може гарантувати максимально низький обсяг наплавленого металу, одержуваного в процесі розігрівання кромок деталей, а це значить, що і якість одержуваного з'єднання буде вище.
Одним з важливих етапів при виробництві зварних конструкцій є їх складання. Це не тільки процес, який вимагає великої уваги, але та робота, яка володіє великою трудомісткістю — наприклад, якщо виробництво конструкції носить індивідуальний характер, то процес складання може займати до 50% всього часу її виготовлення. Справа в тому, що саме від якості складання залежить подальша якість зварного з'єднання. Основними вимогами, що пред'являються до складання зварної конструкції, є:
- точність відповідно розмірам, зазначеним у проектній документації;
- правильне розташування зазорів та їх постійні розміри;
- точне розташування деталей конструкції, в повній відповідності з проектною документацією;
- точність площин конструкції і кутів, під якими вони перетинаються;
- забезпечення мінімально можливого допуску зміщення деталей, якщо проводиться їх стикове з'єднання.
У висновку потрібно зазначити, що розробка технології виробництва зварної конструкції проводиться індивідуально для кожної окремої подібної конструкції у відповідності з технічною документацією, вимогами, що пред'являються до готового виробу, а також наявними в розпорядженні виробника обладнанням.
1.2. Методи зварювання. Обладнання та інструмент
Зварюванням називається технологічний процес утворення нероз’ємних з’єднань за рахунок сил взаємодії атомів (молекул) в місці, де з’єднуються матеріали. Для виникнення цих


сил взаємодії атоми чи молекули треба наблизити до відстані, достатньої для прояву міжмолекулярного щеплення. Практично це можна здійснити або шляхом розплавлення металу в місці з’єднання деталей, або шляхом стиснення деталей. У залежності від цього всі види зварювання розподіляються на дві основні групи: зварювання плавленням і зварювання тиском (пластичним деформуванням).
Історично першим виникло зварювання шляхом плавлення. Після відкриття електричної дуги Петровим у 1882 р. російський інженер Н. Н. Бенардос запропонував спосіб зварювання, при якому метал плавився за рахунок електричної дуги, яка виникає між електродом і металом деталей, які зварюються. В полум’ї дуги виникає температура близько 2000 — 3000 °С, яка і спричиняє плавлення металу в зоні з’єднання.
В запропонованому Н. Н. Бенардосом способі зварювання (рис. 3.) дуга виникає між деталями 1 та вугільним електродом 3, а зварювальна ванна заповнюється розплавленим металом, який утворюється з присадочного дроту 2.

Рис. 3.
Проте цей спосіб виявився незручним і малоефективним. У 1888 р. російський інженер Н. Г. Слов’янов запропонував вугільний електрод замінити на стальний, який одночасно служить і присадочним металом (рис. 4).

Рис. 4. Схема зварювання металевим електродом відкритою дугою: 1 виріб; 2 — зварний шов; 3 — шлакова кірка; 4 — зварочна ванна; 5 — рідкий шлак; 6 — захисна атмосфера; 7 — електрод; 8 — обмазка електрода.
Це вдалося зробити завдяки тому, що стальний електрод, був покритий спеціальною обмазкою, яка сприяє горінню дуги та захищає розплавлений метал і шов від впливу кисню повітря. З того часу цей спосіб зварювання принципово не змінювався, хоч і відбулось багато удосконалень.
Для більш глибокого розуміння електродугового зварювання треба з’ясувати фізичні основи виникнення і горіння електричної дуги.


У звичайних умовах гази складаються з нейтральних атомів і молекул. Тому газ не проводить електричний струм, тобто є ізолятором. Під дією температури чи значного електричного поля газ можна іонізувати. При цьому від нейтральних молекул відриваються електрони, в результаті чого створюються носії струму — позитивні іони та електрони. Проте електрони у вільному стані тривалий час не можуть існувати, вони «прилипають» до нейтральних молекул і створюють негативні іони. Таким чином, під дією тепла, у просторі можна створити носії струму, а значить, забезпечити умови для проходження електричного струму. Середовище з іонізованим газом утворює плазму, яка при відносно низьких температурах називається електричною дугою. Процес запалення дуги при зварюванні починається з короткого замикання електрода з металом, який зварюється. Струм короткого замикання миттєво розплавляє метал у точці дотику електрода до місця з’єднання. При цьому між електродом і металом утворюється перемичка з рідкого металу. Метал перегрівається, закипає, пари металу та повітря іонізуються. В цей момент віддаляють електрод від металу. Перемичка розплавленого металу розривається і утворюється електрична дуга.
Електрична дуга складається з трьох частин: катодної області, стовпа дуги та анодної області (рис. 5).
Стовп дуги з газовою плазмою знаходиться в термодинамічній рівновазі. Напруга електричного поля у стовпі дуги відносно невелика. Проте в електродних областях, в зв’язку з утворенням об’ємних електричних зарядів (додатнього біля катоду і від’ємного біля аноду), напруга різко збільшується.

Рис. 5.
Електричні характеристики дуги визначають вимоги до зварювального обладнання і, перш за все, до зварювального транс форматора Залежність між напругою і струмом виражається вольт-амперною характеристикою дуги (рис. 6).

Рис. 6. Струм дуги, А

 

На рисунку показана статична характеристика дуги при зміні зварювального струму в широкому діапазоні. При відносно малому струмі (область 1) напруга дуги зменшується із збільшенням струму. При цьому статична характеристика має падаючий характер. Це пояснюється тим, що із збільшенням струму збільшується електропровідність і переріз стовпа дуги, а значить, зменшується спад напруги у ньому в той час, як сума катодної і анодної напруги не змінюється.
Із збільшенням струму (область 2) електропровідність стовпа дуги майже не змінюється, а переріз зростає пропорційно струму. Напруга залишається майже постійною, опір стовпа змінюється пропорційно струму, а спад напруги в стовпі не залежить від зміни струму. Ця область відповідає режиму ручного зварювання металів.
При великому струмі (область 3) поперечний переріз стовпа дуги не може зрости, бо катодна пляма вже займає всю поверхню торця електрода. Температура стовпа та електропровідність дуги дещо збільшується, але опір змінюється мало. Спад напруги в стовпі дуги росте із збільшенням струму. Ця область відповідає зварці закритими (під флюсом) та захищеними (у газах) дугами, тобто при автоматичному зварюванні.
Для забезпечення горіння дуги потрібний зварювальний трансформатор або генератор. Значно частіше користуються трансформатором. Зварювальний трансформатор повинен відповідати ряду вимог. По-перше, його вольт-амперна характеристика, на відміну від силового трансформатора, повинна бути крутопадаючою і перетинати вольт-амперну характеристику дуги на початку другої зони (рис. 7).

Рис. 7.
По-друге, конструкцією трансформатора повинно бути передбачено регулювання зварювального струму. Взагалі, є декілька способів регулювання зварювального струму. Одним з поширених є зміна числа витків первинної обмотки та послідовне і паралельне підключення вторинної обмотки.
Ефективним є спосіб переміщенням вторинної обмотки відносно первинної. В цьому способі використовується вплив розсіяного магнітного поля первинної обмотки на вторинну. За конструкцією обмотки робляться рознесеними, завдяки чому магнітне поле замикається не тільки по осердю, а й розсіюється. Коли вторинну обмотку наближують до первинної, то вплив магнітного поля збільшується — струм росте, і навпаки.
Крім того, регулювати струм можна дроселем, шляхом використання струму самоіндукції. Дросель — це довга котушка з дроту, в середині якої знаходиться стальне осердя. Вона підключається послідовно в коло вторинної обмотки. Змінючи зазор в осерді, можна збільшувати або зменшувати зварювальний струм (рис. 8).

Рис. 8.
Досить часто для регулювання зварювального струму використовують активний опір. У коло вторинної обмотки включають котушку з дроту, який має великий опір. Змінюючи число витків в котушці, змінюють зварювальний струм.
З поширенням напівпровідникових приладів почали розробляти схеми електронного регулювання зварювального струму, в яких використовуються тиристори.
Зварювальний трансформатор підключається до мережі 220 В або 380 В. На виході з трансформатора максимальна напруга 60 — 70 В. Вона забезпечує стабільне горіння дуги та є небезпечною при роботі.
Для зварювання постійним струмом крім трансформатора потрібен випрямляч, або генератор.
Електродугове зварювання здійснюється спеціальними електродами. Стальні електроди мають довжину 250 — 450 мм і діаметр 1 — 12 мм. Їх виготовляють із стального електродного дроту. Маркують буквами та цифрами. Букви Зв. відповідають слову «зварювальний». Цифри показують наявність вуглецю у відсотках. Наступні букви та цифри показують вміст різних легуючих елементів. Вуглецеві електроди маркуються — Зв0,8; Зв0,8Г; ЗвІ0Г2С; леговані — ЗвІ8ХМА; ЗвІ0Х5М; високолеговані — Зв0,7ХІ8Н9.
За призначенням електроди розділяються на електроди для зварювання конструкційних, теплостійких і високолегованих сталей і електроди для наплавки поверхонь. Електроди для зварювання конструкційних сталей позначають буквою Е та цифрами, які показують міцність металу в кгс/мм2 — Е42, Е34. У маркуванні електродів для зварювання теплостійких сталей вводяться букви, які вказують на вміст легуючих елементів — ЕХМ, ЕХМФБ та ін. Електроди для зварювання високолегованих сталей класифікуються по структурі і складу металу зварювального шва. Тому в позначення їх додатково вводять букви, які вказують на структуру електродів — ЕА-ЗМ6, ЕФ-13 та ін. (А — аустенітна, Ф — феритна).
Електроди, які застосовуються для ручного зварювання, покриваються обмазкою. При автоматичному зварюванні обмазку замінюють флюсами. Призначення обмазки та флюсів — захищати розплавлений метал і шов від впливу повітря та стабілізувати горіння дуги.
Розрізняють два види електродних обмазок: тонкі (товщина шару 0,1 — 0,4 мм) і товсті (товщина шару 0,6 — 3 мм). Перші використовуються при зварюванні маловідповідальних виробів з вуглецевої сталі, другі — при зварюванні відповідальних виробів. До складу товстої обмазки входять шлакоутворюючі речовини (польовий шпат, титанова і залізна руда, кварцевий пісок), газоутворюючі речовини (крохмаль, борошно з деревини, харчове борошно), розкислювачі (феросіліцій, феромарганець, алюміній) та стабілізуючі горіння дуги (лужні метали).
Різні метали по різному зварюються, одні краще, інші гірше. Технологічна властивість матеріалів, яка характеризує здатність до утворення зварних з’єднань, називається зварюваність. Її оцінюють, як по близькості властивостей металу зварного шва до властивостей металу, який зварюється, так і по схильності до утворення дефектів (тріщин, шлакових включень тощо).

 

Ідентичність структури основного металу і зони з’єднання свідчить про хорошу зварюваність. Якщо у зоні зварного шва утворюються нові фази (особливо крихкі інтерметаліди), загартовані ділянки та ін., зварюваність є поганою. У такому разі можливе утворення гарячих та холодних тріщин. Перші виникають в зоні шва в процесі кристалізації металу в рідко-твердому стані, а другі — в зоні термічного впливу вже в твердому стані в період завершення охолодження або після зварювання. При електродуговому зварюванні біля шва утворюються зони термічного впливу (рис. 9).

Рис. 9.
Шов 1 має дендритну (деревоподібну) будову, яка характерна для лиття. В зв’язку з високою швидкістю охолодження в зернах ділянки 2 може відбутись гартування металу. Ця ділянка має високу крихкість і низькі механічні властивості.
Ділянка 2 — 3 характерна перегрівом металу. Більші зерна аустеніту захоплюють менші, що сприяє росту зерна. На ділянці 3 — 4 створюється нормалізована структура, яка переходить на ділянці 4 — 5 в структуру з неповною перекристалізацією. Рекристалізаційне зерно буде на ділянці 5 — 6. При температурі 200 — 500 °С відбуватиметься процес старіння — закріплення атомами впровадження дислокацій, які викликають зменшення їх рухливості та підвищення крихкості. Це відповідає ділянці 6 — синеломкості.
Властивості зварних нероз’ємних з’єднань залежать не тільки від металу, електродів, режиму зварювання, а й від вибору зварних з’єднань та швів.
На практиці найбільш часто використовуються такі зварні з’єднання (рис. 10): встик (а), внахльостку (б), таврові (в), кутові (г) та бокові (д).

Рис. 10.

 


При стиковому зварюванні кромки попередньо обробляють. Якщо зварюють тонкий метал, то кромки загинають (Рис. 10, е). При товщині металу до 8 мм зварювання проводять без розводки кромок при зазорі до 2 мм. Метал з товщиною 8 — 15 мм зварюють з односторонньою V-подібною розділкою кромок (рис.10, з). Якщо метал має товщину 15 — 20 мм, то застосовують Х-подібну розділку кромок (рис. 10, и).
Зварні шви підрозділяються по розташуванню у просторі на нижні, горизонтальні, вертикальні та стельові; по протяжності — на суцільні і переривні; по відношенню і напрямку діючих на них зусиль — на флангові, торцеві або лобові, косі та комбіновані.
На практиці широко застосовується ручне зварювання. Його можна використовувати при зварюванні вуглецевих, легованих і високолегованих сталей, а також чавунів, мідних та алюмінієвих сплавів. Ручним зварюваннням можна проводити зварювання в любих просторових положеннях, любі конфігурації і довжини шва. Особливо широко воно використовується при монтажних роботах. Проте ручне зварювання малопродуктивне і потребує значних зусиль та уваги від зварника. Тому на машинобудівних підприємствах, в умовах ремонтних майстерень часто використовують автоматичне зварювання, при якому забезпечується автоматичне запалення дуги, підтримується стабільний режим горіння дуги під час зварювання, витримується заданий напрям руху по виробу, механізується подача електродного дроту.
При автоматичному зварюванні під флюсом дуга виникає між виробом 1 і голим електродним дротом 2 (рис. 11).

Рис. 11.
Дуга горить під шаром флюсу 3, який поступає в зону зварювання з бункера. Частина його розплавляється і утворює на поверхні розплавленого металу ванну рідкого металу. Розплавлений метал швидко кристалізується і утворює шов 4, який покритий шлаковою кіркою 5. Шлакова кірка захищає шов від впливу повітря, покращує умови кристалізації металу, знижує внутрішні напруги. З часом її легко видаляють.
Автоматичне зварювання під флюсом проводять спеціальними зварювальними головками або самохідними тракторами, які переміщуються безпосередньо по виробу.
Крім автоматичного зварювання під флюсом широко застосовується зварка в захисних газах. При цьому зона зварювання, електрична дуга та електрод захищаються газом (аргоном, гелієм, вуглекислим газом), який захищає розплавлений метал від атмосферного впливу. Таке зварювання може відбуватись у спеціальній камері або за допомогою струменя захисного газу.
Дугове зварювання в середовищі захисного газу має ряд переваг над іншими видами зварювання:
1. Висока якість зварних з’єднань.
2. Відсутність необхідності застосування флюсів, а значить, наступної очистки швів від шлаків.
3. Забезпечення незмінності хімічного складу металу шва.

 

4. Наявність концентрованого джерела тепла, що забезпечує малий термічний вплив на метал виробу.
5. Можливість з’єднання металів товщиною від 0,1 до 1000 мм.
6. Можливість спостережень за дугою.
7. Висока продуктивність і можливість автоматизації процесу.
Останнім часом в умовах ремонтних майстерень широко застосовується напівавтоматичне зварювання з використанням вуглекислого газу. Проте таке зварювання можна застосовувати тільки для сталей.
1.2.1. Газове зварювання металів
Після електродугового зварювання друге місце за поширенням має газове зварювання. Це теж спосіб нероз’ємного з’єднання деталей шляхом плавлення металу. Але при газовому зварюванні метал нагрівають високотемпературним полум’ям, яке виникає при горінні горючого газу в атмосфері кисню.
В якості горючих газів можна використати природні гази, пари бензину та гасу, нафтові гази, ацетилен тощо. Проте найбільшого поширення набув газ ацетилен, оскільки він має найбільшу теплотворну здатність і дає найвищу температуру при горінні — 3200 °С. Ацетилен може використовуватись у балонах або вироблятись під час зварювання у спеціальних генераторах з карбіду кальцію.
Газовий генератор представляє собою стальний балон 1, який зверху герметично закривається кришкою (рис. 12).

Рис. 12.
У балон заливається вода. У воду опускається металічна сітка з карбідом кальцію (корзина) 2 і щільно закривається кришкою. У результаті взаємодії карбіду кальцію з водою утворюється газ ацетилен, який через водяний клапан 3 поступає до горілки. Водяний клапан запобігає проникненню полум’я і киснево-ацетиленової суміші в генератор при зворотному ударі, який може виникнути при неправильному поводженні з горілкою. Зворотній удар виникає, коли швидкість виходу газової суміші стає меншою, ніж швидкість її горіння. Якщо при зворотному ударі полум’я або кисень проникне в ацетиленовий генератор, то відбудеться вибух.
Водяний клапан представляє собою посудину з водою, через яку відбувається з’єднання газового генератора з горілкою. Ацетилен перш ніж потрапити до горілки проходить через воду, яка знаходиться у водяному клапані. При зворотному ударі у клапані різко зростає тиск газу, що спричинює проникнення води у газопідвідну трубку — газ тимчасово перестає поступати з генератора до газового клапану. Зворотний удар припиняється.

 

Кисень для зварювання використовується з спеціальних балонів, які пофарбовані у блакитний колір.
Водяна ємність балону біля 40 л і при тиску 150 ат вміщує біля 6000 л кисню.
Балони з киснем вибухонебезпечні. Не можна допускати забруднення балону, особливо його вентиля маслом та жиром, які можуть самозагорятись в присутності кисню. Тому при роботі з киснем треба дотримуватись правил безпеки.
Для пониження тиску газів на виході з балону та підтримання робочого тиску застосовують газові редуктори. Редуктор має два манометри, один з яких показує тиск газу у балоні, а другий — тиск газу на виході з редуктора.
Для отримання полум’я використовують зварні горілки. Вони можуть бути низького і середнього тиску. В горілках середнього тиску змішування газів забезпечується завдяки достатньо великому тиску ацетилену. В горілках низького тиску змішування газів здійснюється примусовим засмоктуванням ацетилену. Кисень, виходячи з горілки, створює розрідження, завдяки якому всмоктується ацетилен. Така горілка називається інжекторною (рис. 13).

Рис. 13.
Експлуатація. Кисень під тиском поступає в пальник і через ніпель, регулюючий вентиль і трубку 1 подається до інжектора 3. Кисень, ви ходячи з конуса 3, створює розрідження в камері 4, що спричиняє всмоктування ацетилену через ніпель і вентиль 2. В камері 5 ацетилен змішується з киснем. Утворена горюча суміш через наконечник 6 поступає до мундштука 7. Підпалена суміш дає полум’я. Ацетилено-кисневе полум’я складається з трьох зон (рис.14).

Рис. 14.
В першій зоні 1 (ядро) відбувається поступове нагрівання до температури запалення газової суміші, яка надходить з мундштука. В зоні 2 (зварна зона) відбувається згоряння ацетилену в присутності кисню, який є в суміші. Температура в цій зоні найбільша. В зоні 3 (факел) відбувається горіння ацетилену за рахунок кисню повітря. У залежності від співвідношення кисню і ацетилену полум’я може бути нормальним, окислювальним і

 

навуглецьовувальним. В нормальному полум’ї співвідношення кисню з ацетиленом майже однакове. Таким полум’ям користуються при зварюванні більшості сталей. В окислювальному полум’ї кисню більше ніж ацетилену. Воно має блакитний відтинок і чітко виділене ядро. Його використовують тільки при зварюванні латуні. При надлишку ацетилену полум’я є навуглецьованим. Воно коптить, видовжується і набуває червонуватого відтінку. Ним зварюють чавуни та кольорові метали.
Суттєвою різницею між газовим зварюванням і дуговим є більш плавне нагрівання металу, це дає можливість зварювати тонкий листовий метал.
При зварюванні кольорових металів, наприклад, алюмінієвих та мідних сплавів, застосовують флюси. Для зварювання міді та її сплавів використовують кислі флюси (бура або бура з борною кислотою). При зварюванні алюмінієвих сплавів застосовують безкисневі флюси на основі фтористих, хлористих солей літію, калію, натрію і кальцію.
Газове різання металу полягає у спалюванні металу у струмені кисню. Процес різання починається з нагрівання металу до температури загорання металу. Нагрівання здійснюється підігрівальним полум’ям. Коли температура металу досягає необхідного значення, пускається струмінь ріжучого кисню, який потрапляє на нагрітий метал і запалює його. Утворені при згоранні окисли видуваються із зони різання струменем кисню.
Газове різання металів може здійснюватись при виконанні таких вимог:
а) температура плавлення металу повинна бути вище температури його загорання в кисні;
б) температура плавлення окислів металу повинна бути нижче температури плавлення металу та температури, яка наявна в процесі різання;
в) кількість теплоти, яка виділяється при горінні металу в кисневому струмені, повинна бути достатньою для підтримання процесу різання;
г) теплопровідність металу не повинна бути дуже високою;
д) окисли повинні легко видуватись струменем кисню.
Аналіз зазначених вище вимог свідчить про те, що найкраще ним задовольняє різання заліза і маловуглецевих сталей. При вмісті вуглецю більше 0,7% процес газового різання ускладнюється, оскільки підвищується температура згорання металу і досягає температури плавлення. Вміст легуючих компонентів не повинен перевищувати більше 5%.
Чавуни, мідні та алюмінієві сплави не піддаються нормальному різанню. Чавуни мають температуру загорання, яка рівна температурі плавлення. Високолеговані сталі та алюмінієві сплави вкриті тугоплавкою плівкою окислів. Мідні сплави мають високу теплопровідність.
Ріжуть метал за допомогою спеціальних різаків. Конструкція різака відрізняється від газової горілки тим, що в нього наконечник утворює прямий кут з корпусом різака. Крім того, різак має додаткову трубу для подачі ріжучого кисню. Мундштук різака має центральний отвір для подачі ріжучого кисню (рис. 15).

Рис. 15.

 

Різання металів може бути ручним та машинним, напівавтоматичним та автоматичним.
У машинобудуванні часто виникає необхідність у зварюванні масивних деталей по значним площинам. Зварити такі деталі електродуговим або газовим зварюванням по всій площині неможливо. Це можна зробити електрошлаковим зварюванням (рис. 16).
1.2.2. Електрошлакове зварювання
При електрошлаковому, зварюванні розплавлення основного металу 2 і присадочного 4 здійснюється за рахунок теплоти, яка виділяється при проходженні електричного струму через розплавлений флюс. При цьому шар розплавленого флюсу (шлаку) є захисним середовищем від впливу повітря. Рідкий метал 5 до кристалізації в зоні зварювання утримується спеціальними мідними повзунами 3.


Рис. 16.
Технологія електрошлакового зварювання полягає в слідуючому. Крупногабаритні деталі розташовують на необхідній відстані. Зазор між деталями обмежують мідними повзунами 3. В зазор засипають порошкоподібний шлак. До однієї деталі 2 під’єднують електрод, а другий електрод встановлюють у шлак до дна. Цим електродом доторкуються до деталі 2, що викликає електричну дугу. Вона розплавляє шлак. Розплавлений шлак гасить дугу. Оскільки розплавлений шлак проводить електричний струм, то електричне коло не розривається. Струм, який проходить через шлак, утворює значну кількість тепла, якого достатньо для плавлення електроду і оплавлення стінок деталі, які з’єднаються. Після кристалізації розплавленого металу утворюється надійний шов. Якщо одного електроду недостатньо для утворення шва, можна використати декілька.
При контактному зварюванні нероз’ємність з’єднання досягається нагрівом місця з’єднання струмом до пластиного або рідкого стану з послідовним стискуванням.
По виду зварного з’єднання контактне зварювання може бути точкове, стикове та шовне (роликове) (рис. 17).
1.2.3. Точкове зварювання
При точковому зварюванні (рис. 17, б) використовується зварювання способом внахльостку. Підготовлені до зварювання деталі 2 стискуються електродами 3, які виготовлені з міді або мідних сплавів. Потім включається струм, який нагріває метал у місці з’єднання. Розплавлений метал утримується в ядрі до кристалізації. Після кристалізації розплавленого металу утворюється міцне з’єднання деталей. Режим точкового зварювання вибирається, виходячи з товщини зварюваних деталей.

Рис. 17.
При стиковому зварюванні деталі з’єднуються по всій площині їх дотику (рис. 17, а). Розділяють стикове зварювання оплавленням та опором. При зварюванні методом оплавлення торці заготовок нагрівають до оплавлення, а при зварюванні опором — до пластичного стану, а потім стискують (осаджують).
Технологія зварювання відбувається так. Зварювані деталі 2 розміщують між затискачами (електродами) які підключені до вторинної обмотки трансформатора 4. Лівий зажим закріплений на нерухомій відносно станини 3 плиті 1, а правий зажим — на плиті 6, яка може переміщуватись по направляючій станини.
При зварюванні опором заготовки стискуються невеликими зусиллями. Потім включається струм, метал нагрівається до пластичного стану. Далі деталі стискуються. Після охолодження місце з’єднання зачищається.
При шовному зварюванні (рис. 17, в) між зварюваними деталями утворюється шов, створений рядом точок, які частково перекриваються між собою. Електродами в даному разі служать ролики 1. Як і у випадку точкового зварювання, метал нагрівається імпульсами струму. Ролики для шовного зварювання виготовляють з металів, які мають високу електропровідність і достатню жаростійкість.
Роликовим зварюванням, зварюють баки, батареї для опалення будинків, труби тощо.
Цей метод зварювання полягає у використанні тепла, яке виділяється при згоранні термітної суміші.
На практиці найбільш поширеними є суміші, виготовлені з порошків алюмінію або магнію. Алюмінієвий терміт включає 20 — 23 % алюмінію і 77 — 80 % залізної окалини. При нагріванні за допомогою термосірників або електричної дуги до температури 1230 — 1280 °С алюмінієвий терміт загорається. При горінні терміту відновлюється залізо, яке заповнює зазор між кромками деталі, які зварюються. На рис. 18 показано зварювання рейок.

Рис. 18.

 

Місце зварювання рейок з двох сторін закривається спеціальною формою. Над місцем з’єднання встановлюється тигель, в який засипається терміт. Після запалювання терміту відбувається виділення заліза, яке стікає в зазор між рейками. Розплавлений метал оплавляє краї рейок і кристалізується. В результаті отримується міцне з’єднання по всьому перерізу.
При цьому виді зварювання з’єднання відбувається за рахунок тепла, яке виділяється при терті між собою деталей та їх стисненні. Одна з деталей обертається навколо своєї осі, а інша притискується до неї. Завдяки тертю поверхні деталей нагріваються на певну глибину. Потім перша деталь зупиняється, а друга до неї міцно притискується. Відбувається міцне з’єднання.
1.2.4. Ударне зварювання
Зварювання тертям здійснюють на токарному, свердлильному, фрезерному верстатах та на спеціальному обладнанні.
Зварювання тертям використовують при виготовлені ріжучого інструменту, різних валів, штоків з поршнями, пуансонів тощо.
Так, при виготовленні свердла великого діаметру хвостовик приварюють до його робочої частини. Це значно економить витрату дорогостоячого металу.
Цей спосіб зварювання заснований на використанні енергії направленого вибуху. Його використовують при з’єднанні масивних плит. Суть способу можна зрозуміти з рисунку (рис. 19).

Рис. 19.
Дві заготовки розташовуються під кутом одна до іншої. Одна з них нерухома. На рухому заготовку кладуть вибухівку. При вибуху рухома заготовка нахльостується на нерухому. Тиск, який при цьому виникає, надає імпульсу заготовці швидкість співударяння заготовок може досягати 1000 м/с. Співударяння деталей викликає пластичне точіння металу в їх поверхневих шарах, а на окремих ділянках спостерігаються зони, які нагріті до оплавлення. За рахунок цього відбувається міцне і надійне з’єднання деталей.
1.2.5. Лазерне зварювання
Суть цього методу зварювання полягає у використанні тепла світлового променя, який виробляє оптичний прилад лазер. Промінь лазера особливий. В нього електромагнітні коливання когерентні та абсолютно паралельні між собою, що дає можливість за допомогою оптичної системи зфокусувати його в дуже малій точці. Це дає можливість зконцентрувати енергію променя на невеликій площині та отримати температуру, достатню для плавлення металу.
Зварювання лазерним променем можна здійснювати через оптичне прозоре середовище. Це дає можливість зварювати деталі у вакуумі. В балоні з скла розміщують деталі для зварювання. З нього відкачують повітря, а потім на місце зварювання спрямовують лазерний промінь і деталі зварюють. Звичайно таким методом зварюють дуже малі деталі для електронного обладнання, спеціального обладнання. Велика густина потужності, локальність нагріву, мала зона термічного впливу зменшує деформацію виробів і дозволяє виконувати зварювання біля термочутливих елементів електронних схем.
При зварюванні електронним променем зварювання відбувається методом плавлення металу деталей, які з’єднуються. Тепло для розплавлення металу виділяється при бомбардуванні його потоком електронів.

 

Потік електронів створюється спеціальною електронною пушкою. Катод пушки, завдяки термоелектронній емісії, створює хмарку електронів, які анодними напругами розганяються до великої швидкості. При ударі електронів по поверхні металу їх кінетична енергія перетворюється в теплову, що спричиняє значне нагрівання металу.
Таке зварювання можливе лише у вакуумі, бо потоку електронів можна надати великої швидкості тільки у вакуумі. Звідси виникає і використання зварювання електронним променем.
При електронно-променевому зварюванні забезпечується велика концентрація нагріву, температура в точці зварювання досягає температури випаровування металу. Це дозволяє здійснювати свердління таких матеріалів, як сапфір, рубін, алмаз, тверде скло тощо. Завдяки високій густині енергії електронний промінь може забезпечити глибоке проплавлення місць з’єднань.
При цьому методі зварювання джерелом тепла є плазма — високоіонізований газ, який має великий запас енергії. Плазма утворюється у спеціальних пристроях — дугових плазмових головках.
Значного застосування, крім зварювання, плазма знайшла для наплавки різних матеріалів, переважно карбідів вольфраму та інших тугоплавких металів. За допомогою плазми також можна створювати захисні покриття, які працюють у агресивних середовищах при високих температурах та високих швидкостях газових потоків.
Плазмою можна здійснювати випаровування металів, виготовляти дрібнодисперсні порошки металів.
1.2.6. Зварювання ультразвукове
Зварювання ультразвуком здійснюється за рахунок взаємодії на деталі ультразвукових коливань та невеликих стискуючих зусиль. Схема зварювальної установки показана на рисунку 20.

Рис. 20.
Джерелом ультразвукових коливань є магнітострикційний генератор 5. Передача навантаження і вібрації до деталей 3, які зварюється, відбувається наконечником 2. Стискуються деталі гідравлічною, пневматичною або механічною системами 4.
Під дією ультразвуку створюються зсувні напруги, забезпечується руйнування тонких плівок, відбувається нагрів місця з’єднання. При досягненні певної температури і під дією стискуючого зусилля матеріал пластично деформується. При наближенні поверхонь на відстань дії міжатомних сил деталі міцно з’єднуються.
Ультразвуком добре зварюється мідь, алюміній і багато інших пластичних матеріалів. Важливою особливістю ультразвукового зварювання є можливість приварювати тонкі листи металу до товстих. Наприклад, можна приварювати тонкі спіральні ребра до стержнів, тонкі гофрировані листи до товстих деталей.Ультразвуковим зварюванням можна з’єднувати не тільки метали, а й пластичні маси.

 

Паяння металів — це процес нероз’ємного з’єднання металічних деталей, який ґрунтується на властивості розплавленого присадочного металу (припою) змочувати нагріті до температури плавлення їх поверхні. Після остигання розплавленого припою створюється міцне нероз’ємне з’єднання, яке не потребує наступної обробки. Міцність зщеплення припою з поверхнями деталей залежить від фізико-хімічних процесів, які відбуваються в зоні контакту, від металічних властивостей припою та ретельності підготовки поверхні деталей, які з’єднуються.
У залежності від температури плавлення припої розділяють на легкоплавкі (м’які), які мають температуру плавлення до 400 °С, і тугоплавкі (тверді), які мають температуру плавлення вище 500 °С.
Для паяння майже всіх металів використовують олов’яно-свинцеві припої марок ПОС 90, ПОС 40, ПОС 30, які мають відповідно 90, 40 і 30% олова.
Щоб захистити нагрітий основний метал і розплавлений припій від окислення, а також розчинити утворені оксиди та сприяти розтіканню рідкого припою по поверхні місця паяння, застосовують такі флюси, як каніфоль і хлористий цинк або суміш хлористого цинку з хлористим амонієм. Крім того можна застосувати ортофосфорну або саліцилову кислоту. Часто при виконанні монтажних з’єднань використовують каніфоль без будь-яких добавок. М’які припої виготовляють у вигляді прутиків, дроту, порошку тощо. Нагрівають деталі звичайно паяльниками, газовими паяльниками, зануренням у розплавлений припій, покритий зверху флюсом.
Паяння м’якими припоями широко застосовують у радіоелектронній галузі, побуті тощо.
Серед тугоплавких припоїв широко використовують мідно-цинкові та срібні припої з добавками олова, марганцю, алюмінію, заліза та інших металів.
Мідно-цинкові припої випускають трьох марок: ПМЦ-36 — для паяння латуні, яка має 60 — 68 % міді; ПМЦ-48 — для паяння мідних сплавів, які включають більше 68 % міді; ПМЦ-48 — для паяння бронзи, міді та сталі.
Тверді припої поділяють на тугоплавкі (875 — 1100 °С) і легкоплавкі (до 875 °С).
Найбільш поширеними флюсами при паянні твердими припоями є бура (Na2B4O7), борна кислота та їх суміші. Щоб під час паяння бура не закипала її спочатку прожарюють.
При паянні твердими припоями місця з’єднання нагрівають газовими горілками, електричною дугою, струмом високої частоти тощо.
Паянню добре піддаються всі вуглецеві та леговані сталі, у тому числі нержавіючі та інструментальні, тверді сплави, сірі та ковкі чавуни, кольорові метали і їх сплави, благородні метали. Значно гірше паяти алюміній і його сплави. Ці метали паяють безфлюсовим способом за допомогою тертя або використовують спеціальні флюси. Паяння за першим способом виконують цинковим або цинко-олов’яним припоєм, а окисні плівки під час паяння видаляють шабером чи дротяною щіткою. При другому способі, який забезпечує значно більшу міцність з’єднання, використовують активні флюси і як припій — мідно-кремнієвий сплав на алюмінієвій основі.
1.2.7. Зварювання тертям
Для зварювання тертям використовують перетворення механічної енергії в теплову, а здійснюють це відносним обертанням і взаємним тертям з'єднуваних торцевих поверхонь. Зварювані вироби нагріваються до пластичного стану, після чого їх стискують осьовим зусиллям. Цим способом з'єднують у стик здебільшого вироби круглого перерізу, наприклад труби, стрижні, деякі різальні інструменти, які виготовляють з однорідних і різнорідних чорних і кольорових металів або їхніх сплавів і різних пластмас. Якщо поперечний переріз деталей відрізняється від кола, то використовують зворотно-поступальний рух однієї деталі (рис. 21, а). При зварюванні деталей обмеженої довжини обертають одну (рис. 21, б) або обидві (рис. 21, в) деталі. Коли


вироби мають велику довжину і їх обертання утруднене, можна використовувати проміжну вставку, яка обертається (рис. 21, г).
Для зварювання тертям використовують переобладнані токарні, свердлильні та інші металорізальні верстати, а також спеціалізовані зварювальні машини.
Тиск осадки не перевищує 25 МПа при зварюванні легких і пластичних металів і 250 МПа − при зварюванні найтвердіших металів.
За продуктивністю зварювання тертям не поступається перед контактним зварюванням оплавленням, а в економічному відношенні воно навіть вигідніше, ніж контактне, оскільки в цьому разі споживана потужність приблизно в 10 разів менша. Спосіб зварювання тертям простий, легко піддається автоматизації і програмному керуванню.

Рис. 21. Основні методи зварювання тертям
1.3. Сили, розрахунки сил, які навантажують зварні конструкції
У сучасній практиці застосовують в основному електродугове зварювання (ручне, напівавтоматичне, автоматичне), електрошлакове та газоелектричне.
1) Ручне електродугове зварювання універсальне, має досить широке застосування під час виготовлення та монтажу, а особливо під час виконання ремонтних робіт, може виконуватись у будь-якому просторовому положенні. Недоліками є невелика глибина проплавлення основного металу внаслідок незначної сили струму, мала продуктивність і невисока стабільність процесу. В ручному зварюванні використовують електроди:
а) Э42, Э46 - дають міцність шва відповідно Rwun = 410 МПа (42 кгс/мм2) і Rwun = 450 МПа (46 кгс/мм2); їх використовують для зварювання елементів, що виконані із сталі Run  400 МПа;
б) Э50 - Rwun  490 МПа (50 кгс/мм2) - для сталей з Run  590 МПа;
в) Э42А, Э46 А, Э50 А - літера «А» означає, що дані електроди мають метал з підвищеною пластичністю, яка характеризується відносним видовженням і підвищеною ударною в’язкістю;
г) Э60, Э70, Э85 - відповідно Rwun = 590 МПа (60 кгс/мм2), Rwun = 685 МПа (70 кгс/мм2), Rwun = 835 МПа (85 кгс/мм2) - для сталей з Run  635 МПа.
Електроди виготовляють із спеціальним покриттям - обмазкою, яка призначена для захисту розплавленого металу від проникнення в нього з повітря шкідливих домішок (кисню, азоту, водню, сірки), для легування металу шва, а також для стабілізації горіння дуги.
2) Перевагами автоматичного зварювання є глибоке проплавлення елементів, що з’єднуються, внаслідок значної (600...1200А і більше) сили струму, а також висока продуктивність процесу. Електродом для автоматичного зварювання служить спеціальний непокритий обмазкою дріт діаметром d = 2...5 мм, який, розмотуючись з бухти, безперервно подається до зварювального автомату, що переміщується вздовж шва. Для запобігання контакту

розплавленого металу з повітрям використовують сипучий матеріал певного хімічного складу, який називають флюсом. Флюс повністю покриває кінець електродного дроту в місці горіння дуги і, таким чином, ізолює його від повітря. Крім того, флюс легує розплавлений метал речовинами, які в ньому містяться. При цьому отримують рівний шов, метал якого має дуже малу кількість шкідливих домішок і відрізняється високою щільністю та високими механічними характеристиками (міцність шва не нижча за міцність основного металу). Недоліками такого зварювання є складність його застосування під час виконання швів на вертикальних поверхнях і стелі, а також великі розміри обладнання, що обмежує його використання під час виконання монтажних робіт. Для автоматичного зварювання використовують дріт марок:
а) Св-08, Св-08А (Rwun = 410 МПа ) і Св-08ГА (Rwun = 450 МПа) для зварювання елементів із сталей з Run  400МПа;
б) Св-10ГА, Св-08Г2С, Св-08Г2СЦ (Rwun = 490 МПа) і Св-10НМА, Св-10Г2 (Rwun = 590МПа) для сталей з Run  590МПа;
в) Св-08ХН2ГМЮ (Rwun = 685 МПа) для сталей з Run  635 МПа.
3) Напівавтоматичне зварювання використовують у випадках, коли застосування автоматичного зварювання є неможливим внаслідок великих габаритів обладнання. У цьому випадку електрод у вигляді тонкого (d = 2 мм) дроту автоматично подається до місця зварювання по шлангу за допомогою ручного утримувача, а флюс висипається в місце накладання шва із спеціальної лійки. Електрод переміщують вручну. У напівавтоматичному зварюванні використовується порошковий дріт, який представляє собою згорнуту в трубку стальну стрічку, всередині якої знаходиться флюс. Такий дріт дає можливість виконувати якісне зварювання за будь-якого розташування швів у просторі. Марки порошкового дроту ПП-АН3 і ПП-АН8 з Rwun = 490 МПа для сталей з Run  590 МПа.
4) Електрошлакове зварювання виконують непокритим електродним дротом під шаром розплавленого шлаку. Цей вид зварювання в основному використовують для виконання вертикальних з’єднань елементів товщиною 20 мм і більше.
5) Газоелектричне зварювання проходить в середовищі активного (вуглекислий) або інертних (аргон, гелій) газів, струмінь яких направляється до місця зварювання спеціальним пристроєм, охоплює електродний дріт з усіх боків і, таким чином, ізолює місце зварювання від навколишнього середовища.
Зварювання в середовищі вуглекислого газу застосовують для маловуглецевих сталей і виконують голим електродним дротом d = 1,4...2 мм за постійного струму зворотньої полярності. Вуглекислий газ за високої температури активно взаємодіє із сталлю, окислює її, що компенсується підвищеним вмістом розкислювачів в електродному дроті. Таке зварювання дає можливість отримувати високоякісні зварні з’єднання за високої продуктивності процесу незалежно від положення швів у просторі.
В середовищі інертного газу найчастіше зварюють легкі алюмінієві сплави.
Матеріали для зварювання приймають відповідно до табл. 1 залежно від групи конструкцій; кліматичного району; класу сталі; виду зварювання (під флюсом, в середовищі вуглекислого газу, покритими електродами).

1.3.1. Розрахунок зварних стикових з’єднань
Згідно з нормами проектування [9] розрахунок зварних стикових з’єднань на центральний розтяг або стиск необхідно виконувати за формулою
; (1)
або , (2)
де t - найменша товщина елементів, що з’єднуються, lw - розрахункова довжина шва (рис. 22).
Формулу (2) використовують у випадках розрахунку елементів із запровадженням розрахункового опору Ru.
а) б)

Рис. 22. До визначення розрахункової довжини стикового шва
а) у з’єднанні без технологічної планки;
б) у з’єднанні з технологічною планкою
Табл. 1. Матеріали для зварювання, які відповідають сталі
Матеріали для зварювання

Групи конструкцій кліматичних районах

Сталі
під флюсом у вуглекислому газі (за ГОСТ 8050-85) або в його суміші з аргоном (за ГОСТ 10157-79*) Покритими електродами типів за ГОСТ 9467-75*
Марки
флюсів (за ГОСТ 9087-81*) зварювального дроту (за ГОСТ 2246-70*)
2, 3 і 4 - у всіх районах, крім I1, I2, II2 і II3 С235, С245, С255, С275, С285, 20, ВСт3кл, ВСт3пс, ВСт3сп АН-348-А, АН-60 Св-08А, Св-08ГА Э42, Э46


1 - у всіх районах; 2, 3 і 4 – в районах I1, I2, II2 і II3

 

С345, С345Т, С375, С375Т, С390, С390Т, С390К, С440, 16Г2АФ, 09Г2С

АН-47, АН-43, АН-17-М, АН-348-А1

Св-10НМА, Св-10Г22, Св-08ГА2, Св-10ГА2

Св-08Г2С

Э50

С345К, С235, С245, С255, С275, С285, 20, ВСт3кл, ВСт3пс, ВСт3сп АН-348-А, АН-348-А Св-08Х1ДЮ, Св-08А, Св-08ГА Св-08ХГ2СДЮ, Св-08Г2С Э50А3, Э42А, Э46А
С345, С345Т, С375, С375Т, 09Г2С АН-47, АН-43, АН-348-А1 Св-10НМА, Св-10Г22, Св-08ГА2, Св-10ГА2 Э50А

С390, С390Т, С390К, С440, 16Г2АФ АН-47, АН-17-М, АН-348-А1 Св-10НМА,Св-10Г22, Св-08ГА2, Св-10ГА2 Э50А

С345К АН-348-А Св-08Х1ДЮ Св-08ХГ2СДЮ Э50А3
С590, С590К, С590КШ АН-17-М Св-08ХН2ГМЮ, Св-10НМА Св-10ХГ2СМА, Св-08ХГСМА, Св-08Г2С Э60, Э70
1 Використання флюсу АН-348-А вимагає проведення додаткового контролю механічних властивостей металу шва під час виконання з’єднань елементів всіх товщин для конструкцій в кліматичних районах I1, I2, II2 і II3 і товщин більш ніж 32 мм - в решті кліматичних районів.
2 Не використовувати в поєднанні з флюсом АН-43.
3 Використовувати тільки електроди марок ОЗС-18 і КД-11.
Примітки: 1. Дріт марки Св-08Х1ДЮ постачається за ТУ 14-1-1148-75, марки Св-08ХГ2СДЮ - за ТУ 14-1-3665-83. 2. За відповідного техніко-економічного обгрунтування для зварювання конструкцій дозволяється використовувати зварювальні матеріали (дроти, флюси, захисні гази), які не вказані в даній таблиці. При цьому механічні властивості металу шва, що виконується з їх використанням, повинні бути не нижче властивостей, які забезпечуються використанням матеріалів згідно даної таблиці.
Розрахунковий опір стикових зварних з’єднань стиску, розтягу та згину за межею текучості Rwy приймають залежно від способу контролю якості шва (іншими словами, якості контролю стану шва) за табл. 2.
При цьому обов’язковим є правильний вибір матеріалів для зварювання (див. табл. 1) та повне проварювання товщини елементів, що з’єднуються.


Табл 2. Розрахункові опори стикових з’єднань Rwy і Rw
Напружений Контроль якості швів
стан фізичний візуальний
Стиск Rwy = Rу Rwy = Rу
Розтяг (Rwu = Ru ) Rwy = 0,85Rу
Згин
Зсув Rws = Rs Rws = Rs

Розрахункові опори стикових з’єднань елементів, які виконані із сталей з різними розрахунковими опорами, слід приймати як для стикових з’єднань елементів, які виконані із сталей з меншим значенням Ry.
Якщо стикове з’єднання виконується швом, що виводиться на технологічну планку, і застосовується фізичний контроль якості швів, то розрахунок такого з’єднання непотрібний. Якщо ж з’єднання виконується без виносу шва на планку і (або) застосовується візуальний контроль якості шва, то розрахунок необхідний.
Розрахунок стикових з’єднань на дію різних силових факторів виконується за умовою розрахунку відповідних перерізів швів на відповідні силові фактори за формулами розрахунку елементів і їх перерізів з підстановкою Rwy або Rwu в розрахункові формули (табл. 3). Якщо напруження у шві, що визначені за формулами табл. 3, перевищують значення Rwyc (або Rwuc/u), то стиковий шов виконують навскіс, що дозволяє збільшити його довжину. Найчастіше кут закладання шва приймають 1:2 (рис. 2). Якщо кут   65о, то шов не розраховують, а якщо  > 65о - розрахунок обов’язковий. У цьому випадку:
; (3)
, (4)
де - розрахункова довжина косого шва.

 

 

 

Табл. 3. Формули для розрахунку стикових з’єднань
№ з/п Напружений стан Схема прикладання зусиль Формула для розрахунку

1

 

2

 

3

 

4


5

6
Осьовий розтяг
або стиск

Згин

 

Зріз (зсув)

 

Розтяг (стиск) зі згином

Зріз зі згином

Розтяг (стиск) із зрізом і згином

 

 



Рис. 23. Косий стиковий шов


1.3.2. Розрахунок кутових зварних з’єднань
Основні передумови для розрахунку швів
1) Поперечний переріз шва приймається у вигляді умовного рівнобедреного прямокутного трикутника, вписаного у зварний шов з висотою катетів Кf, що дорівнюють висоті шва (рис. 3).
2) Залежно від конкретних умов роботи шви можуть руйнуватися в двох перерізах: по металу шва (1-1) та по металу границі сплавлення (2-2) (див. рис. 24).

Рис. 24. Схема зварного з’єднання з кутовими швами
3) Розміри поперечних перерізів швів визначаються за двома даними: lw і fKf (для перерізу по металу шва) або lw і zKf (для перерізу по металу границі сплавлення), де lw – розрахункова довжина шва, f і z – коефіцієнти переходу від катета шва Kf до ширини відповідної площини руйнування (визначаються за табл. 4 залежно від виду зварювання, положення шва у просторі та катету шва). Площа поперечного перерізу шва Аwf = lwfKf i Awz = lwzKf.
4) Кутові шви працюють в умовах складного напружено-деформованого стану, оскільки крім розтягуючих зусиль і сил зсуву (зрізу), виникає ще і згинаючий момент. Але найслабшим місцем роботи кутового шва є його робота на зсув (зріз). Тому кутові шви та з’єднання завжди руйнуються від зсуву. Це дає можливість призначати без огляду на діючі силові фактори (M, Q, N та їх комбінації) єдиний розрахунковий опір: Rwf – для перерізу по металу шва і Rwz – для перерізу по металу границі сплавлення:
; (5) і , (6)
де Rwun - нормативний опір металу шва за тимчасовим опором (табл. 5); wm - коефіцієнт надійності за матеріалом шва: wm = 1,25, якщо Rwun  490 МПа і wm = 1,35, якщо Rwun  590 МПа; Run - тимчасовий опір сталі розриву (табл. 2 дод. 1).

 


Табл. 4. Коефіцієнти f і z
Вид зварювання, якщо діаметр зварювального
Положення шва
Коефіцієнт Значення коефіцієнтів f і z за катетів швів, мм
дроту d, мм 3-8 9-12 14-16 18 і >
Автоматичне, В човник f 1,1 0,7
якщо d = 3...5 z 1,15 1,0
Нижнє f 1,1 0,9 0,7
z 1,15 1,05 1,0
Автоматичне В човник f 0,9 0,8 0,7
та напівавто- z 1,05 1,0
матичне, якщо d = 1,4...2 Нижнє, горизонтальне, f 0,9 0,8 0,7
вертикальне z 1,05 1,0
Ручне, напівавтоматичне дротом суцільного перерізу, В човник, нижнє, горизонтальне,
f
0,7
якщо d < 1,4 або порошковим дротом вертикальне, стельове
z
1,0

5) Несуча здатність з’єднання на кутових швах втрачається за одночасного руйнування всіх швів, що складають з’єднання. Таким чином, несуча здатність з’єднання дорівнює сумі несучих здатностей всіх швів у цьому з’єднанні:
а) по металу шва ; (7)
б) по металу границі сплавлення N  zKflwRwzwzc , (8)
де wf і wz - коефіцієнти умов роботи швів (табл. 6).

 


Табл. 5. Нормативні та розрахункові опори металу швів зварних з’єднань з кутовими швами
Зварювальні матеріали Rwun, Rwf,
тип електроду марка дроту МПа (кгс/см2) МПа (кгс/см2)
Э42, Э42А Св-08, Св-08А 410 (4200) 180 (1850)
Э46, Э46А Св-08ГА 450 (4600) 200 (2050)
Э50, Э50А Св-10ГА, Св-08Г2С, Св-08Г2СЦ, ПП-АН8, ПП-АН3 490 (5000) 215 (2200)
Э60 Св-08Г2С*,
Св-08Г2СЦ*,
Св-10НМА, Св-10Г2 590 (6000) 240 (2450)
Э70 Св-10ХГ2СМА,
Св-08ХН2ГМЮ 685 (7000) 280 (2850)
Э85  835 (8500) 340 (3450)
* Тільки для швів з катетом Кf  8 мм в конструкціях із сталі з межею текучості  440 МПа (4500 кгс/см2).

Табл. 6. Коефіцієнти wf і wz
Коефіцієнт Кліматичний район
І1 ,І2 ,ІІ2 ,ІІ3 (-40 > t  -65) решта (t  -40)
wf 0,85 для металу шва з Rwun = 410 МПа (4200 кгс/см2) 1
wz 0,85 для всіх сталей 1

6) Для кутових швів, розміри яких встановлені відповідно до розрахунку, в елементах із сталі з межею текучості до 285 МПа слід застосовувати електроди або зварювальний дріт згідно з табл. 5, для яких Rwf повинен бути більшим за Rwz, а у випадку ручного зварювання - не менше ніж в 1,1 рази перевищувати Rwz, але не перевищувати значень Rwzz/f ; в елементах із сталі з межею текучості більшою за 285 МПа допускається застосовувати електроди або зварювальний дріт, для яких виконується умова
Rwz < Rwf  Rwzz/f. (9)


Під час вибору електродів або зварювального дроту слід враховувати групи конструкцій і кліматичні райони згідно з табл. 1.
7) В крокв’яних фермах стержні решітки із парних кутиків прикріплюють до фасонок фланговими кутовими швами (рис. 25). При цьому зусилля між швами біля пера та біля обушка кутика розподіляються пропорційно їх відстаням до осі стержня.


а) б) в)
Рис. 25. Прикріплення стержнів ферм із парних кутиків до фасонок
а) прикріплення рівнополицевих кутиків (шви біля обушка сприймають зусилля 0,7N,а біля пера - 0,3N, де N - зусилля в стержні);
б) прикріплення нерівнополицевих кутиків вужчою полицею (відповідно 0,75N і 0,25N);
в) прикріплення нерівнополицевих кутиків ширшою полицею (відповідно 0,65N і 0,35N)
Максимальний катет шва біля обушка складає Кfo = 1,2tmin, де tmin - товщина тоншого з елементів (полиці кутика або фасонки); максимальний катет шва біля пера Кfn = tfL - 1 мм, якщо tfL  6 мм; Кfn = tfL - 2 мм, якщо tfL =7...16 мм; Кfn = tfL- 4 мм, якщо tfL>16 мм, де tfL- товщина полиці кутика.
Розрахунок зварних з’єднань у випадку прикладання різних за характером зусиль виконується за формулами, наведеними в табл. 7.
Табл. 7. Формули для розрахунку зварних з’єднань з кутовими швами
№ з/п Напружений стан Схема прикладання зусилля Формули для розрахунку
1 2 3 4

1
Розтяг (стиск)

 


2
Згин


(Wwf і Wwz - це сумарні моменти опору всіх швів, що складають з’єднання)

3
Зріз (зсув)

4 Зріз + згин

5 Розтяг (стиск) + зріз + згин

За одночасної дії M, Q і N знаходять геометричну суму дотичних напружень

оскільки напрямки wfN (wzN) і wfM (wzM) паралельні, а напрямок wfQ(wzQ) перпендикулярний до них
Примітка. lw - сумарна розрахункова довжина зварних швів

 

 

 

1.3.3. Конструктивні вимоги до зварних з’єднань
1) Мінімальний катет шва Kfmin приймається з розрахунку, але не менше значень, що наведені в табл. 8.
Табл. 8. Мінімальні катети швів
Вид з’єднання Вид зварювання Межа текучості сталі, МПа Мінімальні катети швів Кf, мм, за товщини товщого з елементів, що зварюються, t, мм
(кгс/см2) 4-5 6-10 11-16 17-22 23-32 33-40 41-80
Таврове До 430 (4400) 4 5 6 7 8 9 10
з двосто-роніми Ручне Біл.430 (4400)
до 530 (5400) 5 6 7 8 9 10 12
кутовими швами; Автоматичне та напівавто томатичне До 430 (4400) 3 4 5 6 7 8 9
внапуск і кутове Біл.430 (4400)
до 530 (5400) 4 5 6 7 8 9 10
Таврове з односторонніми кутовими швами Ручне До 380 (3900) 5 6 7 8 9 10 12
Автоматичне та напівавтоматичне 4 5 6 7 8 9 10
Примітки: 1. В конструкціях із сталі з межею текучості більшою за 530 МПа (5400 кгс/см2), а також із всіх сталей, якщо товщини елементів більші за 80 мм, мінімальні катети кутових швів приймаються за спеціальними технічними умовами. 2. В конструкціях групи 4 мінімальні катети односторонніх кутових швів потрібно зменшувати на 1 мм, якщо товщини елементів, що зварюються, до 40 мм включно, і на 2 мм, якщо товщини елементів більші за 40 мм.
1. Максимальний катет шва Кf max не повинен перевищувати 1,2t, де t – товщина найтоншого елемента.
2. Мінімальна розрахункова довжина зварного шва повинна бути не меншою за 4fKf і не меншою за 40 мм. Мінімальна конструктивна довжина шва складає мм (для елементів ферм найменша довжина флангових швів мм).
3. Максимальна розрахункова довжина шва повинна бути не більшою за 85fKf, за винятком швів, в яких зусилля сприймається по всій їх довжині. Максимальна конструктивна довжина шва lwmах= =85fKf + 10 мм. Довжини швів приймають кратними 10 мм.
4. Довжина напуску lн повинна бути не меншою за п’ять товщин найтоншого із елементів, що з’єднуються, тобто lн  5t.

 

5. Співвідношення розмірів катетів кутового шва слід приймати, як правило, 1:1. Якщо товщини елементів, що з’єднуються, різні, то можна приймати шов з неоднаковими катетами, у цьому випадку катет, що лягає на товстіший елемент, повинен відповідати вимогам п.2.
В конструкціях, що сприймають динамічні та вібраційні навантаження, а також в таких, що зводяться в кліматичних районах I1, I2, II2 і II3, кутові шви слід виконувати з плавним переходом до основного металу в разі обгрунтування розрахунком на витривалість або на міцність з урахуванням крихкого руйнування.


2. Проблеми експлуатації зварних конструкцій пов’язаних з технологією виготовлення
2.1. Тріщини (гарячі, холодні), не проварні, не правельні матеріали та інше
2.1.1. Гарячі тріщини у зварних з'єднаннях
2.1.1.1. Поняття і типи гарячих тріщин
Гарячі тріщини є одним з видів високотемпературних міжкристалічних руйнувань. Вони можуть виникати при несприятливому поєднанні факторів, пов'язаних з пониженням деформаційної здатності металу внаслідок наявності в структурі легкоплавких евтектик, дефектів кристалічної будови, виділення крихких фаз, а також під дією зовнішніх і внутрішніх напружень.
Розрізняють наступні типи гарячих тріщин: кристалічні або ліквіційні, підсолідусні і подвалкові. Кристалічніе гарячі тріщини утворюються при температурі, що перевищує температуру солідуса. Полігонізаційні тріщини з'являються після завершення первинної кристалізації внаслідок виникнення в структурі вторинних полігонізіційних границь. Дефекти типу гарячих тріщин виявляються як в металі шва, так і в металі околошовної ділянки ЗТВ поблизу лінії сплавлення. Згідно з існуючими уявленнями, розвиненими в роботах Н.Н. Прохорова і його співробітників, технологічна міцність в процесі кристалізації визначається температурним інтервалом крихкості металу (ТІК), його пластичністю і темпом деформації в ТІК.
2.1.1.2. Причини виникнення гарячих тріщин
Виникнення зварювальних деформацій (і напруг) обумовлено концентрованим місцевим нагріванням при зварюванні і має місце завжди. Це пов'язано з тим, що нагрівається обсяг металу при зварюванні завжди знаходиться в закріпленні сусідніми не нагріваємими обсягами металу і змушений зазнавати пластичні деформації. Це, в свою чергу, при охолодженні призводить до виникнення силових напружень і додаткових деформацій.
Зміна міцності та пластичності металу при кристалізації і подальшому охолодженні відбувається в певному температурному інтервалі. Мінімальні значення цих показників відповідають температурному інтервалу крихкості ТІК. Найменша пластичність металу δmin в цьому інтервалі температур зазвичай припадає на завершальну стадію процесу кристалізації. Різниця між найменшою пластичністю δmin і лінійної усадкою сплаву в температурному інтервалі хрупкості характеризує запас пластичності
A = δmin-ε або запас його деформаційної здатності. При зварюванні деформація Δ металу шва в процесі кристалізації визначається не тільки його усадкою ε, але і усадкою прилеглих до нього ділянок основного металу. Залежно від форми, розмірів, міцності зварного з'єднання, режимів та технології зварювання, деформація Δ металу шва до кінця процесу кристалізації може виявитися менше, дорівнює або більше δmin. В останніх двох випадках утворення гарячих тріщин буде неминучим.
2.1.1.3. Причини і механізми виникнення гарячих тріщин
Головною причиною утворення гарячих тріщин є втрата здатності до деформації металу. У процесі зварювання закристалізований метал шва знаходиться під впливом розтягуючих напружень, що виникають і розвиваються в зварному з'єднанні внаслідок вільної усадки шва і

охолоджуваних ділянок нерівномірно нагрітого основного металу. Під дією цих напруг метал шва деформується, а при недостатній деформаційної здатності руйнується. Крихке міжкристалічне руйнування (утворення гарячих тріщин) відбувається, якщо напруги при охолодженні наростають інтенсивніше, ніж міжкристалічна міцність металу шва. При менш інтенсивному зростанні напруги зварні шви не руйнуються.
При кристалізації метали проходять стадію твердожидкого стану. При об'ємі рідкої фази, достатньому для вільного пересування в проміжках між зростаючими кристалами, пластичність двофазного металу висока, так як повністю визначається властивостями рідини. Із збільшенням об'єму твердої фази циркуляція рідини поступово ускладнюється і після утворення каркаса кристалітів повністю припиняється. Деформація металу в цьому стані призводить до крихкого руйнування за міжкристалічним прошаркам, в яких ще не закінчений процес кристалізації. Пластичність металу падає до малих значень (десяті частки відсотка), і опір руйнуванню стає нікчемним.
У процесі подальшого охолодження в'язкість і поверхневий натяг прошарків підвищуються, а їх міцність зростає до таких значень, які виявляються вище критичного значення сколюючих напружень металу кристалітів. При цьому метал деформується за рахунок внутрікристалічних зрушень, внаслідок чого пластичність різко зростає, а характер руйнування замість міжкристалічного стає внутрікристалічним.
Поверхня зламу гарячих тріщин має матово-жовтуватий колір, а в разі попадання повітря в тріщину поверхня покривається оксидами коричнево-синюватого кольору.
Деформації в твердому металі реалізуються за відомими механізмами: двійникування, внутрізернового ковзання (що приводить до появи ліній зсуву) і межзернового прослизання, що супроводжується появою сходів по межах зерен. У такій же послідовності зростає роль цих складових деформацій при підвищенні температури металу і зменшення швидкості деформації, причому з підвищення температури опір деформації прикордонних ділянок зерен падає більш інтенсивно, ніж внутрізернових обсягів, а запас межзернової пластичності помітно нижче, ніж внутрізерновий. Тому при високих температурах звичайним є межзернового руйнування при меншій пластичності. Якщо після затвердіння чистих металів теоретично можна розглядати їх деформування тільки в однофазному твердому стані, то зазвичай застосовуються для сплавів доводиться рахуватися з наявністю при кристалізації двофазного твердожидкого стану (рис. 1).
Чим менше температурний інтервал крихкості, чим більше мінімальна пластичність в цьому інтервалі, чим менше швидкість деформації, тим вище запас деформаційної здатності зварного з'єднання і ймовірність утворення гарячих тріщин менше.
По мірі зниження температури метал змінює свій стан з рідкого в жидкотверде, потім твердожидке і, нарешті, тверде. Як правило, пластичність (або точніше величина, зворотна в'язкості) рідини досить велика.


Рис. 1
При появі роз'єднаних кристалів твердої фази (рідко-твердий стан) пластичність помітно зменшується, але залишається досить високою, що визначається в основному рідкою фазою. Коли при подальшому зниженні температури зростаючі кристаліти зростаються, утворюючи загальний каркас, роз'єднуючий в тій чи іншій мірі залишаються обсяги рідкої фази, пластичність в основному визначається цим кістяком твердої фази. Однак при його руйнуванні (розриви) достатня кількість рухомої рідини може заповнювати ці розриви - «заліковувати» їх в процесі тривалої кристалізації. При зменшенні кількості рідкої фази і її розташуванні в обсязі двофазного сплаву у вигляді плівок між кристаллітами деформаційна здатність сильно знижується (головним чином проти зсуву, зберігаючи високу міцність на відрив) і роз'єднані (розірвані) кристаліти «не заліковуються». При повному затвердінні пластичність однофазного твердого металу значно зростає.
Хоча прямих експериментальних визначень деформаційної здатності різних металів і сплавів в області високих температур дуже небагато, в цілому схематично її можна охарактеризувати - суцільною лінією на рис. 2.
Найбільш низьку (але завжди наявну) пластичність метали мають в твердожидком стані, в якому після утворення загального каркаса твердої фази починається і усадка із зміною обсягу і лінійних розмірів, які визначаються температурним коефіцієнтом лінійного розширення.
Область зниженої пластичності в процесі кристалізації поблизу так званого «реального» солідуса називається температурним інтервалом крихкості (ТІК).
Величина ТІК залежить від діаграми стану сплаву. Наприклад, для двокомпонентного сплаву з евтектикой температурні області різного стану в залежності від кількості другого компонента показано на рис. 4 суцільними лініями. (А - рідина; В - рідко-твердий стан; З - твердожидке стан; нижче З - твердий стан.)

 


Рис. 2
Збільшення швидкості охолодження (швидкості кристалізації), характерною, зокрема, і для зварювальних умов, призводить до зниження рівноважних критичних температур, до більш низьким її значенням, причому особливо сильно знижується температура солідуса. Загальний характер такого зниження показаний на рис.2 штриховими лініями. Як правило, це призводить до розширення області твердожидкого стану (внаслідок збільшення інтервалу те - То), до розширення ТИХИЙ і збільшення ймовірності отримання руйнувань (тріщин) при твердожидком стані металу. Такі гарячі тріщини називаються кристаллизационными.
Розширює інтервал твердожидкого стану і ряд домішок, наявних у реальних сплавах, зокрема ліквідовують. Так, при наявності достатньої кількості сірки в сплавах на залізній основі евтектики Fе - FеS і особливо Fе - FеО - FеS значно знижують температуру «реального» солідуса (приблизно до 1000 °С), що призводить до значного інтервалу ТІК, майже в 500 °С (на рис.1 це розширення ТІК умовно показано штриховою лінією 4.)
Ще більше може розширюватися область плівкового розташування залишкових кількостей рідини при наявності N і S (температура плавлення цієї евтектики ~ 644 °С). Такі сплави дуже схильні до утворення кристалізаційних тріщин.
Проте досить значна пластичність - деформаційна здатність, що купується при завершенні затвердіння, не завжди за міру охолодження зберігається високою. Вона може знову знижуватися. Пояснення такого зниження пластичності при температурах трохи нижче солідуса пов'язано з двома гіпотезами: полігонізації та міграції границь зерен.
Перша гіпотеза базується на тому, що в результаті кристалізації в металі утворюється велика кількість дефектів будови (вакансії в решітці, дислокації - лінійні недосконалості кристалічної будови). Поява дислокації визначається разорієнтуванням при зрощенні кристалітів і внутрікристалічних блоків, пластичною деформацією при охолодженні і виходом гвинтових дислокації на поверхню зерен - V підкладок, на яких ростуть кристаліти в процесі твердіння.
При підвищених температурах дислокації володіють високою рухливістю внаслідок як зовнішніх напружень, так і взаємодії між власними полями напружень. Енергетично найбільш ймовірно розташування дислокації у вигляді стінок, які ділять кристаліт на частини, що сполучаються один з одним під невеликим кутом (зазвичай менше 1°). Створені в процесі охолодження стінки дислокації призводять до утворення нових, вторинних кордонів, які визначають і зниження деформаційної здатності металу при високих температурах.
Друга гіпотеза базується на тому, що оскільки внутрішня енергія в металі зменшується при зменшенні довжини кордонів зерен, в цілому існує тенденція до загального скорочення довжини цих кордонів. В результаті одні зерна за рахунок поглинання сусідніх виростають, що можливо


при більш високих температурах, коли дифузійна рухливість атомів досить значна. За рахунок міграції меж у них йде накопичення недосконалостей і домішкових атомів, що призводять до зниження деформаційної здатності металу (сплаву) внаслідок вичерпання запасу міжзернової пластичності в процесі пластичної деформації при охолодженні.
Наявність у закристалізованому металі двох, що відрізняються твердих фаз (наприклад, в сталях аустеніту і фериту) з обох гіпотез є перешкодою для появи нових кордонів і у зв'язку з цим немає помітного зниження пластичності металу по мірі зниження температури нижче солідуса. Тому таке зниження деформаційної здатності найбільш характерно для чистих металів і однофазних твердих розчинів, що виходять в результаті первинної кристалізації.
Зниження деформаційної здатності металу в зв'язку з утворенням нових границь зерен при підсолідусних температурах може не забезпечити тих деформацій, які накопичуються в результаті зниження температури і сприяють утворенню гарячих підсолідусних (іноді званих полігонізаційними) тріщин. Загальний характер можливих варіантів зміни деформаційної здатності металу в процесі його охолодження при температурах нижче солідуса показаний на рис. 2 штрих-пунктирними лініями 2, 3, з яких лінія 3 визначає найбільше зниження плапластичності в цих умовах. Опірність підсолідусних тріщин також пов'язана з діаграми стану сплаву. Гарячі як кристалізаційні, так і підсолідусні тріщини мають міжкристалічний характер. Йде руйнування між зернами, по межах зерен. Схематична оцінка опірності (або схильності) металу гарячим тріщин може бути здійснена зіставленням його деформаційної здатності в області високих температур і тих фактичних деформацій, які відбуваються і накопичуються в цей період охолодження металу.
Одним з найбільш надійних способів виключення гарячих тріщин в металі швів є вибір металу з підвищеною стійкістю проти таких руйнувань. Це досягається або підвищенням деформаційної здатності металу в області температур можливого виникнення тріщин, або забезпеченням «заліковування» їх при достатній кількості рухомого рідкої фази.
Дуже важливими з цього погляду є кількість легкоплавких евтектик в кристалізуючому металі і величина його температурного інтервалу крихкості. Загальна залежність впливу елемента, збільшує кількість легкоплавких евтектик в сплаві, на зміну його схильність до утворення гарячих тріщин зображена на рис 4. Ліва частина цієї залежності вказує на посилення ймовірності утворення таких тріщин у міру збільшення елемента, що дає легкоплавку евтектику, так як зростає кількість рідких прошарків між кристалами при кристалізації, вони настільки роз'єднують кристаліти, що деформаційна здатність сплаву падає. При значному збільшенні такого елемента в сплаві кількість евтектики виявляється достатнім для заповнення («заліковування») утворюються стійкість сплаву проти утворення кристалізаційних тріщин, зростає.



Рис. 3
Слід зазначити, що збільшення вмісту цього елемента в сплаві для підвищення стійкості проти утворення тріщин у шві застосовується далеко не завжди, так як такий сплав може мати властивості, неприпустимими з точки зору експлуатаційних вимог до конструкції. Наприклад, при високому вмісті сірки в сталі можна виключити кристалічні тріщини, але механічні властивості таких швів виявляться досить низькими.
Зазвичай або знижують концентрацію шкідливих домішок, що створюють небезпечні кількості легкоплавких евтектик, або пов'язують їх в тугоплавкі міцні з'єднання, зменшуючи тим самим і кількість евтектики. Так, наприклад, при дуговому зварюванні низьковуглецевої сталі залежність утворення тріщин у швах від змісту S, і Мп показана на рис. 4. З цієї залежності випливає, що вуглець посилює шкідливий вплив сірки, а марганець його послаблює. Це позитивний вплив марганцю визначається зв'язуванням їм сірки в тугоплавке з'єднання МпЅ і зменшенням кількості легкоплавких евтектик Fе - FеS від кількості, що залишилася, не пов'язаної марганцем сірки.

Рис. 4
До утворення кристалізаційних та підсолідусних тріщин схильні однофазні сплави, наприклад аустенітні сталі та нікелеві сплави. Значно підвищується опірність утворення гарячих тріщин при зварюванні у разі наявності в металі другої фази (зазвичай фериту, іноді карбідів). Феритної фаза при цьому подрібнює структуру, краще розчиняє шкідливі домішки (S, P, Si і ін), додатково скріплює аустенітні зерна.
Загальний характер зміни схильності до утворення гарячих тріщин в зварних швах хромонікелевих сталей і нікелевих сплавів від співвідношення в металі Сг до Ni (складів,

перерахованих в еквівалентні - замінюючі - кількості ферритизатора Сг і аустенізатора Ni) показаний на рис. 5.

Рис. 5
Таким чином, виявляється можливим підбирати такі склади зварювальних матеріалів, які при досить високих експлуатаційних властивостях володіють необхідною стійкістю проти утворення гарячих тріщин при зварюванні.
Як технологічний прийом для виключення (обмеження) гарячих тріщин застосовують попередній підігрів (для низько і середньолегованих сталей), зварювання на жорстких режимах (для аустенітних сталей), а також обирають режими, що забезпечують сприятливу форму шва, тобто співвідношення ширини і глибини шва (шару шва) Так, при одному і тому ж складі металу шви з глибоким проплавленням при малій ширині (тобто при малому значенні b/h - рис. 6, а) більш схильні до гарячих тріщин, ніж шви з відношенням b/h = 1,5-3. Для оцінки схильності металу швів до утворення гарячих тріщин існує ряд проб і методик. Технологічні проби засновані головним чином на встановленні зрівнюючі характеристики по опірності металу швів, виконаних різними зварювальними матеріалами у співставних умовах (розміри і форми зразка, режими зварювання тощо). Кількісні, методики засновані на отриманні при порівняльних випробуваннях чисельних показників опірності (або схильності) металу швів до утворення гарячих тріщин. Вони здійснюються у вигляді серії випробувань з отриманням чисельного показника стійкості, зазвичай швидкості додаткового примусового деформування зварюваного зразка в період кристалізації певної ділянки зварювальної ванни і наступного охолодження.


Рис. 6
2.1.2. Природа і причини утворення холодних тріщин (XT)
Холодні тріщини (XT) об'єднують категорію тріщин в зварних з'єднаннях, формальними ознаками яких є поява візуально спостережуваних тріщин практично після охолодження з'єднання; блискучий кристалічний злам тріщин без слідів високотемпературного окислення. XT — локальні крихкі руйнування матеріалу зварного з'єднання, що виникають під дією власних зварювальних напруг. Розміри XT сумірні з розмірами зон зварного з'єднання. Локальність руйнування пояснюється частковим зняттям напруги при утворенні тріщин, а також обмеженістю зон зварного з'єднання, в яких можливе розвиток тріщин без додаткового припливу енергії від зовнішніх навантажень.
Характерними рисами більшості випадків виникнення XT є наступні:
• наявність інкубаційного періоду до утворення вогнища тріщин;
• освіта тріщин відбувається при значеннях напруг, що становлять менше 0,9 короткочасної міцності матеріалів в стані після зварювання.
Ці особливості дозволяють віднести XT до сповільненого руйнування матеріалу.
До утворення XT при зварюванні схильні вуглецеві та леговані сталі, деякі титанові та алюмінієві сплави.
При зварюванні вуглецевих і легованих сталей XT можуть утворитися, якщо стали зазнають часткову або повну загартування. Тріщини виникають в процесі охолодження після зварювання нижче температури 150°С або протягом наступних декількох діб. XT можуть утворюватися у всіх зонах зварного з'єднання і мати паралельне або перпендикулярне розташування по відношенню до осі шва. Місце утворення і напрямок тріщин залежать від складу основного металу шва, співвідношення компонент зварювальних напруг та деяких інших обставин. У практиці холодні тріщини у відповідності з геометричними ознаками і характером зламу отримали певні назви: «відкол» — поздовжні в ЗТВ, «відрив» — поздовжні в зоні сплавлення з боку шва (аустенітного), «частокіл» — поперечні у ЗТВ та ін (рис. 1). Найбільш частими є XT виду «відкол».


Освіта XT починається з виникнення вогнища руйнування, як правило, на границях аустенітних зерен на околошовній ділянці ЗТВ, що примикають до лінії сплавлення (рис. 2). Протяжність вогнищ тріщин становить кілька діаметрів аустенітних зерен. При цьому руйнування не супроводжується помітною пластичною деформацією і спостерігається практично крихке. Це дозволяє віднести XT до міжкристалічному крихкому руйнуванню. Подальший розвиток вогнища в мікро - і макротріщину може носити змішаний або внутрізерновий характер.

Рис. 1. Вид холодних тріщин в зварних з'єднаннях легованих сталей: 1 - "відкол"; 2 - "частокіл"; 3 - "відрив"; 4 - поздовжні в шві;

Рис. 2. Міжкристалічний характер руйнування на ділянці вогнища холодної тріщини (А) і змішаний на ділянці її розвитку (В)
Зазначені вище закономірності послужили підставою для формулювання можливих механізмів руйнування при утворенні вогнищ XT. Ці механізми в різних варіантах включають два основних процеси: низькотемпературну повзучість і дифузійний перерозподіл водню.
Низькотемпературна повзучість реалізується шляхом розвитку мікропластичної деформації (ППД) у прикордонних зонах зерен. МХД зумовлено наявністю в структурі свіжозакаленої сталі незакріплених, здатних до ковзання крайових дислокацій при дії порівняно невисоких напруг. Особливо висока щільність дислокацій у мартенситі безпосередньо після дії термічного циклу. Величина ППД лежить в діапазоні 10-6-10-4 і проявляється при напругах вище межі непружність σa (або мікроскопічного межі текучості) (рис. 3). МПД є термічно активований процесом, тобто її швидкість залежить від температури і величини прикладених напруг. Після «відпочинку» здатність загартованої сталі до МПД зникає. Кінцеві висока твердість і межа плинності загартованої сталі — результат старіння, при якому відбувається закріплення дислокацій атомами вуглецю. Особливості розвитку МПД досить добре пояснюють наведені вище закономірності уповільненого руйнування.


При тривалому навантаженні по межах зерен розвивається локальна МПД. В результаті останньої реалізується міжкристалічного руйнування за схемою Зинера—Стро, що передбачає відносне проковзування і поворот по межах зерен (рис. 4).

Рис. 3. Характер деформування свіжозакаленої сталі; σa — мікроскопічний межа текучості

Рис. 4. Схема Знигера—Стро утворення тріщин при прослизанні по межах зерен
Дія дифузійного водню при утворенні XT найбільш відповідає одному з механізмів оборотної водневої крихкості. Її особливість полягає в тому, що в умовах повільного навантаження джерела водневої крихкості утворюються внаслідок дифузійного перерозподілу водню і зникають через деякий час після зняття навантаження. Різновидом оборотної крихкості є воднева статична втома, яка проявляється при тривалому дії постійних напруг, що перевищують деяку критичну величину. Для опису процесу руйнування використовуються різні механізми: молекулярного тиску, адсорбційний, максимальних тривісних напруг та ін При цьому важлива роль відводиться взаємодії водню з дислокаціями.
Основними факторами, що зумовлюють утворення XT, є:
• структурний стан металу зварного з'єднання, що характеризується наявністю складових мартенситного і бейнітного типу (Ѕд, розміром дійсного аустенітного зерна (d3);
• концентрація дифузійного водню в зоні зародження вогнища тріщини (Нд);
• рівень розтягуючих зварювальних напруг I роду (σсв).

Рис. 5. Критична поверхню (CDEFG), відповідна поєднанню факторів, що зумовлюють схильність сталей до холодних тріщин при зварюванні; OA — відсутність тріщин; AB — утворення тріщин
Критичне структурно-водневе і напружений стан в ЗТВ, що обумовлює утворення XT, може бути описано регресійними рівняннями, отриманими статистичною обробкою результатів випробувань на уповільнене руйнування. Критеріями критичного стану є критичні значення одного з факторів тріщиноутворення (Ѕкр, Нд.кр, σр.кр) при обліку діючих значень інших факторів. Рівняння Ѕкр, Нд.кр, σр.кр являють собою сімейство поверхонь у координатах Ѕкр, Нд.кр, C при σсв/σ0,2=const (рис. 5). Простору нижче цих поверхонь з певною ймовірністю відповідає відсутність XT в ЗТВ зварного з'єднання, вище — їх утворення.
Освіта XT можливо також при зварюванні деяких α і α+β титанових сплавів. Механізм і причини утворення тріщин в титанових сплавах менш досліджені, ніж для випадку зварювання легованих сталей. Встановлено, що вони мають характер уповільненого руйнування. При цьому період до руйнування значно більше, ніж у сталей, і може досягати кількох десятків діб. Освіта тріщин пов'язана з метастабільним станом металу шва і зони термічного впливу після зварювання, що обумовлює їх знижену пластичність.
Схильність технічного титану і меншлегуючих α-сплавів до XT пов'язують з інтенсивним зростанням зерна при зварюванні і насиченням газами (Н2, С2, N2) понад допустимої концентрації. Водень, що має знижену розчинність в α-фазі (до 0,001 %), здатний утворювати крихкий гідрид титану. Останній утворюється зі значним позитивним об'ємним ефектом (15,5%) і поряд з охрупчуванням металу може призвести до підвищення рівня мікронапружень 2-го роду. Водень також здатний адсорбуватися на межі зерен, знижуючи їх когезійну міцність. Відзначено, що дія водню посилюється при одночасному насиченні металу зварного з'єднання киснем і азотом. Уповільнений характер руйнування, очевидно, пояснюється дифузійним перерозподілом водню та релаксаційними процесами в зонах локального дії піків мікронапружень, в тому числі і по межах зерен.

Схильність до XT спостерігається у α+β-сплавів титану, легованих головним чином евтектоіднообразуючими β-стабілізуючими елементами (Fe, Сг, Мп і ін). Освіта тріщин пов'язують з виділенням у процесі фазових перетворень крихких фаз. В процесі охолодження після зварювання при розпаді β-фази можливе утворення метастабільних α', β(ост) і тендітною ω-фаз, а також крихких інтерметалічних сполук. Утворення інтерметалідів можливо при переході метастабільних фаз з часом у стабільний стан. Виділення ω-фази і інтерметалідів на межах зерен веде до зниження пластичності і підвищення схильності до утворення XT.
Зростання зерна у зазначених сплавах обмежений у зв'язку з відносно високою концентрацією легуючих елементів. Охрупчуваючу дію водню виявляється меншою мірою у цих сплавів у порівнянні з α-сплавами, оскільки розчинність водню в β-фазі на кілька порядків більше, ніж у α-фазі. Уповільнений характер руйнування, очевидно, пояснюється розвитком у часі перетворень в метастабільних фаз та релаксаційними процесами в зонах дії міжфазних напруг на межах зерен.
Схильність до XT спостерігається при зварюванні деяких високолегованих термоупрочняємих алюмінієвих сплавів систем Al—Mn—Zn і Al—Zn—Mg—Сі. Природа і механізм утворення тріщин ще недостатньо досліджені. Їх виникнення пов'язують з виділенням тендітних інтерметалічних фаз в процесі старіння при охолодженні при зварюванні і в післязварний період. В результаті дисперсійного твердіння має місце відносне зміцнення тіла зерна по відношенню до прикордонних зон. В процесі релаксацій зварювальних напруг відбувається локальне накопичення пластичних деформацій на межах зерен, їх перенапруження і уповільнене руйнування.
2.1.3. Зварювання вугільним і графітовим електродом.
При зварюванні вугільним електродом захисна атмосфера, яка містить СО2, СО і пари вуглецю, створюється за рахунок поступового обгорання і випаровування електрода. Однак для відповідальних робіт її недостатньо. У таких випадках вдаються до додаткових коштів, що підсилює газовий захист зони зварювання. Зварювання вугільним електродом може бути використаний для зварювання та наплавлення сталі, чавуну, твердих сплавів, алюмінію, міді й інших кольорових металів. В даний час вугільні електроди застосовуються значно рідше, ніж вольфрамові.
2.1.4. Зварювання вольфрамовим електродом
При зварюванні вольфрамовим електродом, вольфрам плавиться у дузі, але при правильно підібраному режимі відбувається лише незначне розплавлення кінця електрода, витрата електродного стрижня не перевищує 1 - 2 см за годину горіння дуги. Нагрітий вольфрамовий електрод інтенсивно окислюється на повітрі, тому вольфрамові електроди можуть працювати лише в захисному газі, не реагуючому з вольфрамом. Найбільш високу якість зварювання неплавким електродом і тривалий термін служби вольфрамового електрода забезпечує застосування інертних газів - аргону і гелію. Зазвичай зварювання ведеться на постійному струмі прямої полярності (мінус на вольфрамовому електроді). Пальник для зварювання вольфрамовим електродом в інертних газах (газоелектричного зварювання) легкий, компактний і зручний в роботі. Газоелектричне зварювання, як ручне, так і автоматичне та напівавтоматичне, широко застосовується для з'єднання невеликих листів металу (до 5 - 6 мм) і дуже малої товщини (менш 0,1 мм). Процес відрізняється чистотою, у зварювальній ванні не вноситься ніяких забруднень, а

інертний газ створює надійний захист від впливу атмосферного повітря; температура "полум'я" при зварюванні вольфрамовим електродом може доходити до 30 000 ° С. Тому цей спосіб дуже зручний при зварюванні високоякісних, особливо чистих металів і сплавів, рідкісних, тугоплавких і високоактивних металів, а також нержавіючих, жаротривких та інших спеціальних високолегованих сталей, благородних металів, титану, вольфраму, молібдену, цирконію, ніобію та ін; в цих випадках досить висока вартість інертних газів не має особливого значення. Першим за часом способу зварювання вольфрамовими електродами в захисному газі була атомноводородне зварювання, що з'явилося в 20-х роках нашого століття.
2.1.5. Зварювання порошковим дротом.
Зварювання порошковим дротом - це спосіб механізованого зварювання, при якому захист і легування металу шва проводиться за рахунок шихти, вміщеній в самому дроті, що складається зі сталевої оболонки та неметалічного сердечника.
З одного боку, зварювання порошковим дротом - це різновид зварювання під флюсом, так як на поверхні шва утворюється шлаковая кірка, а процес зварювання механізований. З іншого боку - ця зварювання нагадує зварювання штучними електродами, тому що склад шихти може бути підібраний аналогічно обмазці електродів і дозволяє не тільки захищати розплавлений метал, але і легувати його, що практично неможливо при зварюванні під флюсом і в захисних газах.
2.1.6. Технологія зварювання вугільними і графітовим електродом
Вугільні електроди складаються з аморфного електротехнічного вугілля у вигляді стрижнів круглого перерізу діаметром 6 ... 18 мм, довжиною 250 ... 700 мм з гладкою чорною поверхнею. Кінець електрода заточують під кутом 60 ... 70 °, а для зварювання кольорових металів - під кутом 20 ... 40 °.
Графітові електроди складаються з кристалічного вуглецю-графіту, мають темно-сірий колір з металевим блиском. Матеріал електрода м'який і легко ріжеться. Графітові електроди при зварюванні дають кращі результати, ніж вугільні.
Для вугільних електродів температура плавлення 3800°С і температура кипіння 4200°С, тому практично не вдається спостерігати процес плавлення, а видно повільне випаровування.
Для чистого вуглецю температура плавлення 3500°С, температура кипіння 3467°С, тому він не плавиться.
Процес зварювання вугільними електродами має особливості:
- зварювання можна вести тільки на прямій полярності (мінус на електроді), а при зворотній полярності відбувається недостатньо стійке горіння дуги, погане формування шва, коксування наплавленого металу, електрод сильно нагрівається на великій довжині і відбувається збільшення його випаровування;
- в процесі зварювання дуга чутлива до різних зовнішніх впливів: вітру, потокам газів, магнітною дутью;
- коефіцієнт корисної дії дуги при зварюванні вугільним електродом нижче, ніж при

зварюванні металевим плавким електродом.
Вугільні електроди можуть успішно застосовуватися для зварювання тонколистового металу, заварки дефектів металевого лиття, зварювання кольорових металів і наплавлення твердих сплавів.
Зварювання вугільним електродом тонколистового металу може бути наступними способами:
- без присадочного металу, з подачею в дугу присадочного металу;
- з попередньою укладкою на місце шва присадочного металу.
Зварювання без присадочного металу полягає в оплавленні дугою крайок деталей, що зварюються. Цей спосіб набув найбільшого поширення.
Без присадочного металу можуть зварюватися з'єднання встик листів товщиною 1 ... 2 мм з відборткою крайок, приєднання штампованого днища до корпусу ємності, кутові з'єднання, з'єднання внахлест, різні з'єднання з куточків, швелерів, смуг.
Зварювання з подачею присадочного металу в дугу може проводиться за однією з двох схем - лівий або правий спосіб за рис. 2.1, а і б.

Рис. 2.1. Способи зварювання вугільним електродом з подачею присадочного металу в дугу: а - "лівий" спосіб; б - "правий" спосіб
При зварюванні з подачею присадочного металу в дугу зварювальник тримає у лівій руці присадний пруток, в правій - тримач з вугільним електродом.
При "лівому" способі присадний пруток розміщують між електродом і основним металом, полум'я дуги направлено на основний метал (рис. 2.1, а).
При "правому" способі присадний пруток розміщують між наплавленим валиком шва і вугільним електродом, полум'я дуги направлено на розплавлений метал.
При цьому способі нагрівання більш концентрований, і зварювання можна виробляти на великих швидкостях, але при цьому є ймовірність пропалів (рис. 2.1, б).
"Лівий" спосіб частіше застосовується на практиці, а "правий" спосіб використовують для зварювання металу великої товщини. Зварювання з попередньою укладанням прутків або смужок може застосовуватися для виробництва стикових і кутових швів з листів великої товщини (рис. 2.2). При цьому виходить посилення шва за рахунок сплавлення крайок листів, що зварюються і присадочного прутка або смужки.

Рис. 2.2. Зварювання вугільним електродом з попередньою укладкою прутків і смужок: а - односторонній стиковий шов з укладанням прутка; б - те ж, з укладанням прутка і підкладкою смужки під шов; в - двосторонній стиковий шов з укладанням смужок з обох сторін; г - те ж, з укладанням смужки в зазор між зварюються листами; д - односторонній кутовий шов з укладанням прутка.
При зварюванні вугільним електродом зварювальний струм підбирають залежно від товщини металу та виду зварного з'єднання, діаметр електрода - залежно від товщини листів, що зварюються так, щоб електрод не розігрівали по всій довжині до світло-червоного розжарювання, коли він швидко витрачається.
2.1.7 Технологія зварювання вольфрамовим електродом
Особливості зварювання вольфрамовим електродом на постійному струмі.
Технологічні властивості дуги, при зварюванні вольфрамовим електродом, значною мірою визначаються родом і полярністю зварювального струму. При прямій полярності на виробі виділяється до 70% теплоти дуги, що забезпечує глибоке проплавлення основного металу. При зворотній полярності напруга дуги вище, ніж при прямій полярності. На аноді - електроді виділяється велика кількість енергії, що призводить до значного його розігріву і можливого оплавлення робочого кінця. Зважаючи на це допустимі щільності зварювального струму знижені.
Особливості зварювання вольфрамовим електродом на змінному струмі.
При використанні змінного струму полярність вольфрамового електрода і вироби змінюється з частотою струму. Тому кількість теплоти, що виділяється на вольфрамовому електроді і виробі, приблизно однаково. Електропровідність дуги різна в різні напівперіоди полярності змінного струму. Вона вище в ті напівперіоди, коли катод на електроді (пряма полярність) і дуговий розряд відбувається в основному за рахунок термоіонній емісії зважаючи на високу температуру плавлення і відносно низькою теплопровідності вольфраму. У напівперіоди, коли катод на виробі, електропровідність дуги нижче, напруга, необхідний для порушення дуги, вище, тому її збудження відбувається з деяким запізненням.
Відповідно з різною напругою дуги в різні напівперіоди змінного струму різна і величина зварювального струму, тобто в зварювального кола з'являється постійна складова струму. У даному випадку ми маємо справу з випрямляючим (вентильним) ефектом розглянутого типу дуги, викликаним відмінністю теплофізичних властивостей електрода і виробу. Величина постійної складової залежить від величини зварювального струму, швидкості зварювання, що зварюється металу і т. д. Її наявність погіршує якість зварних швів на алюмінієвих сплавах і знижує стійкість вольфрамового електрода. Для зменшення величини постійної складової струму застосовують різні способи.
Зварювання вольфрамовим електродом зануреною дугою.
Цікавим різновидом застосування вольфрамового електрода є зварювання зануреною дугою, при якій використовують електрод підвищеного діаметра і підвищений зварювальний струм. З'єднання збирають встик без оброблення крайок, без зазору.
Зварювання порожнистим вольфрамовим електродом у вакуумі.
Іншим різновидом зварювання вольфрамовим електродом є зварювання порожнистим вольфрамовим електродом у вакуумі. Порушення і підтримання дуги у вакуумі 10 ~ 3 мм рт. ст. представляє певні труднощі, так як тліючий розряд переходить на стінки камери. Подача в розглянутому способі зварювання дозованого кількості газу в порожнину електрода стабілізує катодна пляма на внутрішній поверхні електрода. Переміщення катода з внутрішньої порожнини викликає розігрів електрода до яскравого світіння. При силах струму понад 50 А дуга представляє собою блакитнуватий розряд, циліндричний за формою на всій довжині дуги.
Можна припускати, що газ, що подається в порожнину електрода, іонізуючи, набуває властивості плазми. Кількість газу, що подається в порожнину електрода, має забезпечувати тиск газу в камері менше 50 мм рт. ст. При великих тисках катодна пляма виходить на торець електрода і хаотично переміщається по ньому. Тиск у камері 10 ~ 2 мм рт. ст. при витраті газу 0,01-0,1 л/хв. створює найкращі умови підвищення концентрації дугового розряду. Застосування подібного способу зварювання має певні металургійні переваги, так як сприяє видаленню газів з розплавленого металу і зменшує чад легуючих елементів. Цим способом можна зварювати різні метали і сплави товщиною до 15 мм.
Способи запалювання дуги.
Існує 2 способи запалювання дуги: контактний (дуга між електродом і виробом виникає в результаті короткого замикання електроду на виробі) і безконтактний (дуга запалюється за допомогою високочастотного розряду, який створюється осцилятором) (Додаток А).
Рух запальником.
Здійснюють тільки один рух - уздовж осі шва. Відсутність поперечних коливань призводить до того, що шов стає вужчий, ніж при зварюванні покритими електродами. Щоб метал шва не насичувався киснем або азотом повітря, треба стежити, щоб кінець присадочного дроту і W-електрод постійно знаходився в зоні захисного газу. Щоб уникнути розбризкування металу кінець дроту подають у зварювальну ванну плавно. Про ступінь плавлення судять за формою ванни розплавленого металу. Хорошому проплавленню відповідає ванна, витягнута в бік напряму зварювання, а поганому - кругла або овальна. Зварювання зазвичай виконують справа наліво. При зварюванні без присадочного матеріалу електрод розташовують перпендикулярно до поверхні металу, що зварюється, а з присадним матеріалом під кутом. Присадний пруток переміщують попереду пальника без поперечних коливань (рис.2.3).

Рисунок 2.3. Рух запальником

Рух присадочним дротом (рис. 2.4).
При наплавленні валиків горизонтальних швів у нижньому положенні присадочні дроті надають два напрями руху: вниз і поступовий уздовж країв, що зварюються. Це треба робити так, щоб метал рівними порціями надходив у зварювальну ванну. Закінчення зварювання та заварювання кратеру виконують, зменшуючи величину струму реостатом, включеним послідовно в зварювальне коло.

Рисунок 2.4. Рух приладочним дротом
Зварювання таврових, кутових та хлестових швів.
Горизонтальні шви виконують справа наліво "від себе" і "на себе". Зліва направо вести зварювання незручно. W-електрод направляють точно в кут. Присадочний дріт подають попереду пальника, коливальних рухів пальником і дротом не здійснюють(Рис. 2.5).
При зварюванні вертикальних швів електрод направляють точно в кут під нахилом до вертикальної площини. Присадний дріт подають зверху.
Зварювання стельових швів ведуть "на себе ". Пальник тримають майже вертикально. Присадний дріт розташовують перед пальником. Розплавлений метал утримується тиском дуги (Рис. 2.5).

Рисунок 2.5. Зварювання таврових, кутових та хлестових швів.
Зварювання стикових швів в потолочному положенні.
1. Пальник підносять до поверхні металу, запалюють дугу, а потім встановлюють пальник під кутом до деталі, що зварюється.
2. У зону горіння дуги подають присадочний дріт, але не розплавляють її, поки не утворюється зварювальна ванна розплавленого металу.
3. Після утворення зварювальної ванни вводять кінець присадочного дроту в зону

плавлення.
4. Розплавляють кінець дроту так, щоб під тиском зварювальної дуги розплавлений метал попадав у зварювальну ванну. У міру плавлення присадочного дроту формують зварний шов, для чого пальник переміщають уздовж з'єднання і знову подають присадний дріт у зону плавлення (Рис. 2.6).

Рисунок 2.6. Зварювання стикових швів в потолочному положенні.
Зварювання стикових швів в вертикальному положенні.
Без присадочного дроту зварюють кореневі шви товстих листів металу з обробленням країв. Металу кромок достатньо для формування шва. Стикові з'єднання листів тонкого металу зварюють з присадочним дротом, так як металу для формування шва не вистачає. Пальник розташовують під кутом до зварюваного виробу і переміщають її поступально без поперечних коливань, а присадний дріт подають по траєкторії 1-6 (Рис. 2.7).

Рисунок 2.7. Зварювання стикових швів в вертикальному положенні.
2.1.7 Технологія зварювання порошковим дротом
Порошковий дріт виготовляється методом профілювання або волочіння зі сталевої стрічки
холодного прокату. При згортанні сталева стрічка заповнюється сумішшю порошкоподібних матеріалів, які є розкислюючих, шлакообразующим, газотвірними, легуючими і стабілізуючими складовими при горінні зварювальної дуги.
Порошковий дріт може класифікуватися за такими ознаками:
- за характером захисту (без захисту та з захистом вуглекислим газом);
- по поперечному перерізі;
- за призначенням (для зварювання або наплавлення);
- за складом порошкоподібного осердя;
- в залежності від марки металу, що зварюється;
- за технологічними особливостями для зварювання в різних просторових положеннях.
Порошковий дріт у процесі зварювання повинна забезпечувати легке збудження та стабільне горіння зварювальної дуги, а також санітарно-гігієнічні умови. Зварювання порошковим дротом повинна забезпечувати високу продуктивність процесу і необхідні механічні властивості металу зварного шва. Основною перевагою порошкового дроту є можливість виконання коротких швів, що необхідно при виконанні монтажних робіт. До порошковим проволокам, застосовуваним при зварюванні без захисту газу, відносяться ПП-АН1, ПП-АН2, ПП-АНЗ, ПП-АН7, також ПП-2ДСК, ЕПС-15 / 2, а з захистом вуглекислого газу - ПП-Ан4, ПП -АН8.
За складом порошкоподібного сердечника порошкові дроти можуть бути наступних типів: рутилові (кислі), карбонатно-флюорітні і рутил-карбонатнофлюорітні.
За технологічними особливостями порошкові дроти в даний час можна розділити для зварювання в нижньому положенні і для зварювання в нижньому і вертикальному положеннях. Порошкові дроти для зварювання у всіх просторових положеннях знаходяться в стадії розробки.
При зварюванні порошковим дротом застосовують різні рухи електроду. Стикові шви можуть виконуватися кутом назад або вперед або зворотно-поступальним рухом електрода. При випадкових обривах дуги або порушенні подачі дроту зварювальну дугу необхідно порушувати на відстані 10-15 мм від місця обриву і після запалювання перенести її на незаплавленний кратер. Таврові шви виконують петлеподібним і зворотно-поступальним рухом пальника.
Зварювання порошковим дротом може виконуватися в двох варіантах: без додаткового захисту і з додатковим захистом. Додатковий захист зварювальної дуги вуглекислим газом збільшує продуктивність зварювання і покращує зовнішній вигляд швів, а також різко знижує розбризкування і схильність швів до пористості, вона розширює діапазон робочих напруг і струмів. Застосування порошкового дроту з додатковим захистом вуглекислим газом дозволяє підвищити механічні властивості швів. Для зварювання в С02 розроблені дві марки порошкового дроту ПП-Ан4 (типу Е50А) і ПП-АН8 (типу Е46). Без додаткового захисту порошковий дріт
всередині має шихту, яка і забезпечує хіміко-металургійну обробку зварювальної ванни. Дроту з внутрішньою захистом можуть бути з сердечником наступних типів: рутиловим, карбонатно-

фтористим і рутил-карбонатно-фтористим. Дроту рутилового типу ПП-АН1, ПП-1ДСК і інші мають наплавлений метал, близьке до напівспокійної сталі, і містять значну кількість водню і кисню. Дроту карбонатно-фтористого типу мають добре розкисленний метал шва з невеликим вмістом водню.
Захист металу від азоту і кисню повітря в дротах рутилового типу виконується за допомогою органічних матеріалів, які в процесі плавлення дроту, розкладаючись, утворюють газовий захист (оболонку). Атмосфера дуги містить значну кількість водню і парів води, в результаті чого вміст водню в зварних швах високий. При підвищенні величини зварювального струму кількість водню в металі шва і вміст азоту зменшується, а кисню збільшується. На підвищених токах при зварюванні дротами рутилового типу з'являється схильність до утворення пористості в зварних швах, яка пов'язана з умовами виділення водню і азоту з зварювальної ванни. Якщо швидкість росту бульбашок газів менше швидкості просування зони кристалізації ванни, то в цьому випадку бульбашки не встигають спливти і у швах утворюються пори. Введення в зварювальну ванну кремнію зменшує швидкість росту бульбашок, тобто знижує пористість. Знизити пористість можна шляхом створення умов для поглинання водню на стадії краплі та інтенсивного його виділення з ванни до початку кристалізації. У порошкових дротах це вирішено шляхом введення в сердечник мінералів, що мають у своїй структурі кристалізаційну воду, що попереджає також відновлення кремнезему сердечника і перехід кремнію в метал. З цієї ж причини не виникає пористість при зварюванні по іржавому металу. Підвищення вмісту водню та зниження вмісту кремнію у ванні покращують процес виділення газів і забезпечують видалення значних кількостей водню і азоту з зварювальної ванни до моменту її кристалізації.
При зварюванні порошковими дротами карбонатнофтористого типу основною причиною утворення пористості, є перенасичення металу азотом і воднем, що відбувається в результаті недосконалості захисту розплавленого металу від повітря, а також пов'язане з коливаннями режиму зварювання. Поліпшення умов захисту металу досягається зміною конструкції порошкового дроту. Наприклад, дроту двошарової конструкції забезпечують надійніший захист у порівнянні з трубчастими. Запобігання пористості металу шва при підвищенні вмісту азоту можна домогтися шляхом введення в дріт активних нітрідообразуючих елементів - титану або алюмінію. Легування дроту титаном або алюмінієм переводить значну кількість азоту в стійкі нітриди і попереджає виділення бульбашок газу. Титан і алюміній, а також їх нітриди, перебуваючи в зварних швах в значних кількостях, знижують пластичність металу. Введення титану і алюмінію в дріт трубчастої конструкції для попередження пористості рекомендується для зварювання одношарових швів і в тих випадках, коли вимоги до пластичності металу невеликі. При високих вмістах титану, алюмінію та азоту в металі шва можливе утворення тендітних структур. Тому легування металу титаном або алюмінієм сприятливо лише до певних концентрацій цих елементів в зварному шві. Найбільш надійні шляхи зниження поглинання азоту металом зварного шва - це застосування двошарової конструкції дроту, або додатковим захистом зони зварювання вуглекислим газом. Джерелами водню в зоні дуги при зварюванні порошковими дротами можуть бути волога матеріалів сердечника дроту, волога і іржа на металі, мастило на поверхні дроту. Для зниження вмісту водню у вихідних матеріалах проводиться сушіння і прокалка матеріалів сердечника, прокалка готового дроту з метою видалення мастила і т. п.
2.1.8 Режими зварювання (графітовим, вугільним, вольфрамовим електродом та порошковим дротом)


Режими зварювання графітовим, вугільним, вольфрамовим електродом.
Вибір параметрів режиму.
Рід і полярність струму. Більшість сталей і металів зварюють на постійному струмі прямої полярності. Зварювання алюмінію, магнію та берилію здійснюють на змінному струмі.
Зварювальний струм визначається діаметром W-електрода, його маркою і матеріалом виробу, що зварюється. Величина струму залежить не тільки від діаметра електрода і марки сталі, але й від роду і полярності струму (Табл. 2.1 – 2.2)
Таблиця 2.1
Діаметр електроду, мм Змінний струм Постійний прямої полярності Постійний зворотної полярності
1-2 20-100 65-160 10-30
3 100-160 140-180 20-40
4 140-220 250-340 30-50
5 200-280 300-400 40-80
6 250-300 350-450 60-100
Таблиця 2.2
Метал Товщина металу, мм Діаметр електроду, мм
Кольоровий 1 1,5
2 2
4 3
5-6 4
7 і більше 5
Вуглеродисті, конструкційні і нержавіючі сталі, жароміцні сплави 0,5 1
1 1,5
2 2
3 3
4 4
5 і більше 6

Напруга на дузі залежить від її довжини. Рекомендується вести зварювання на мінімально короткій дузі, що відповідає зниженій напрузі на ній. При підвищених напругах збільшується ширина шва, зменшується глубина проплавлення і погіршується захист зони зварювання. Оптимальна довжина дуги складає 1,5-3 мм, що відповідає напрузі на дузі 11-14 В.
Швидкість зварювання визначають на око залежно від розмірів і форми одержуваного шва.
Витрата захисного газу вибирають таким, щоб зберігався ламінарний потік струменя газу, що надійно захищає зварювальну ванну.
Відстань між кінцем електроду та торцом сопла – випуск електроду – при зварюванні стикових з’єднань повинен становити 3-5 мм., а углових та таврових – 5-8 мм. (Рис.2.2)

Рисунок 2.8. Відстань між кінцем електроду та торцом сопла
Режими зварювання вуглеводистих і низьколегованих сталей графітовим, вугільним, вольфрамовим електродом:
• Зварювальний струм – від 70 до 140 А.
• Діаметр електроду – 2 – 5 мм.
• Режими зварювання алюмінію і його сплавів:
• Зварювальний струм – від 70 до 350 А.
• Діаметр електроду – 2 – 6 мм.
• Режими зварювання міді і його сплавів:
• Зварювальний струм – від 120 до 230 А.
• Діаметр електроду – 2 – 6 мм.
• Режими зварювання порошковим дротом.
Вибір марки і діаметра порошкового дроту визначається маркою зварюваної сталі, вимогами до якості металу шва і зварного з'єднання, положенням швів у просторі та іншими умовами зварювання. При цьому враховуються технологічні особливості застосування дроту і її можливості за режимами зварювання та продуктивності, економічна доцільність. Обраний для використання дріт підлягає обов'язковій перевірці. Перевіряється відповідність коефіцієнта заповнення встановленим нормам, регламентованим технічними умовами.
Основні вимоги до зварювально-режимних властивостей порошкових дротів наступні: дуга повинна легко запалюватися і горіти рівномірно, без надмірного розбризкування металу і шлаку, наплавлений метал повинен рівномірно покриватися шлаком, який після охолодження повинен легко віддалятися і не повинен мати пір, тріщин і шлакових включень.


Зволоження сердечника дроту неприпустимо. Дріт, сердечник якої зволожився при зберіганні, слід прожарити при температурі 230-250оС протягом 2-3 ч. Останнє не рекомендується робити для дротів рутил-органічного типу, що містять органічні матеріали. Поверхні деталей, що зварюються перед зварюванням повинні бути очищені від бруду, масла, іржі.
Прихватки при складанні виробів необхідно виконувати або електродами з якісною обмазкою, або порошковим дротом.
Зварювання порошковим дротом виконують на постійному струмі зворотної полярності. Перед зварюванням необхідно провести настройку режиму стосовно до наміченого об'єкту зварювання. Настройку режиму зварювання роблять у такій послідовності: спочатку вибирають необхідну швидкість подачі дроту для отримання заданого струму, а потім встановлюють середнє значення напруги дуги в рекомендованому діапазоні і відповідний даному режиму витрата газу, якщо зварка виконується у вуглекислому газі. Підтримуючи рекомендований виліт, виробляють дослід зварювання. За необхідності коректують встановлений режим.
До загальних правил режиму зварювання, якими слід керуватися, можна віднести наступні:
1. При зварюванні стикових з'єднань порошковий дріт повинен розташовуватися майже перпендикулярно виробу: кут її відхилення від вертикального положення не повинен перевищувати 15 °. При виконанні таврових і з'єднань внапуск необхідно витримати вказаний кут нахилу електрода по напрямку зварювання, а кут між вертикальною площиною (стінкою тавра) і дротом повинен бути в межах 30-45 °.
2. При багатошаровому зварюванні перед накладенням кожного наступного шару рекомендується очистити попередній шар від шлаку. Слід враховувати, що виконання за один прохід швів катетом більше 10-12 мм недоцільно. Для швів більше 6-8 мм рекомендуються плавні поперечні коливання електрода.
3. При випадковому обриві дуги або порушенні подачі дроту порушувати дугу слід на відстані 10-15 мм від місця обриву і після запалювання перенести її на незаплавлений кратер.
Зварювання слід припиняти різко обриваючи дугу, щоб уникнути подовження вильоту.
Необхідно запобігати будь-яку можливу причину коливання режиму зварювання: нестабільну подачу дроту по шлангу напівавтомата, неправильне маніпулювання електродом, значні коливання мережевої напруги і т. д. Не рекомендується виконувати зварювання напівавтоматом із зношеним мундштуком або наконечником мундштука.
Причиною пористості можуть бути завищений струм, мала напруга дуги, неякісна збірка металоконструкцій, підвищений вміст вуглецю і кремнію в основному металі.
Техніка зварювання дротами різних типів має свої особливості. Наприклад, при зварюванні дротами рутил-органічного типу необхідно підтримувати виліт 15-20 мм. Зварювання на великому вильоті призводить до перегріву дроту, погіршення механічних властивостей металу шва, виникнення пористості. У разі підвищеного вмісту вуглецю та кремнію в зварюваної сталі зварювання слід припинити після плавного подовження дуги, в іншому випадку можливі здуття і пори в кратері шва. Зварювання дротом карбонатно-флюорітного типу проводиться при вильоті 30-50 мм. У випадку недостатньо гарної підготовки виробів під зварювання чи невдалої збірки
заварити зазор простіше при збільшеному вильоті електродного дроту. При наявності забруднень і невеликого шару окалини на поверхні металу, що зварюється появу дефекту можна попередити зниженням напруги на дузі.
Режим зварювання дротами різних типів має свої особливості. Наприклад, при зварюванні дротами рутил-органічного типу необхідно підтримувати виліт 15-20 мм. Зварювання на великому вильоті призводить до перегріву дроту, погіршення механічних властивостей металу шва, виникнення пористості. У разі підвищеного вмісту вуглецю та кремнію в зварюваної сталі зварювання слід припинити після плавного подовження дуги, в іншому випадку можливі здуття і пори в кратері шва. Зварювання дротом карбонатно-флюорітного типу проводиться при вильоті 30-50 мм. У випадку недостатньо гарної підготовки виробів під зварювання чи невдалої збірки заварити зазор простіше при збільшеному вильоті електродного дроту. При наявності забруднень і невеликого шару окалини на поверхні металу, що зварюється поява дефекту можна попередити зниженням напруги на дузі до мінімального рекомендованого.
Зварювання вертикальних швів рекомендується виконувати порошковим дротом діаметром 2,3 мм і менше. Напрямок зварювання при виконанні вертикальних швів - знизу вгору. При такому способі за один прохід можна виконувати шви катетом до 10 мм. При зварюванні на вертикальній площині необхідно надавати електроду плавні коливальні рухи. Це забезпечує сприятливу форму валика. При маніпулюванні електродом слід уникати обривів дуги, так як це може привести до появи дефектів у шві.
До особливостей застосування порошкового дроту з додатковим захистом вуглекислим газом слід віднести наступні:
1. Зварювання рекомендують застосовувати в закритих приміщеннях. На відкритих майданчиках і монтажі зварювання можлива при дотриманні запобіжних заходів, що запобігають здування захисного газу.
2. Зварювання на вильоті 35-40 мм потрібно виконувати з таким розрахунком, щоб відстань від кінця дроту до зрізу сопла було в межах 15-25 мм. При використанні не прокаленого дроту зварювання необхідно виконувати на підвищеному вильоті до 50 мм. У цьому випадку наконечник мундштука слід застосовувати меншої довжини.
Пористість у швах при зварюванні у вуглекислому газі може бути викликана:
- підвищеною вологістю сердечника дроту або наявністю рясного шару мастила на поверхні дроту;
- наявністю на зварюються крайках іржі, окалини, вологи та інших забруднень;
- великою кількістю домішок (головним чином вологи та повітря) у вуглекислому газі;
- порушенням рекомендованих режимів зварювання;
- недосконалим захистом зони зварювання вуглекислим газом (попадання повітря в зону
зварювання внаслідок недостатнього або надмірного витрати газу, велику відстань між соплом пальника і виробом, надмірно великий кут нахилу пальника щодо виробу, підсмоктування повітря

через не щільності в пальнику і газової магістралі, ексцентричне розташування дроту щодо сопла пальника, знос мундштука і пов'язане з цим порушення співвісності газового недосконалою захистом зони зварювання вуглекислим газом (попадання повітря в зону зварювання внаслідок недостатнього або надмірного витрати газу, велику відстань між соплом пальника і виробом, надмірно великий кут нахилу пальника щодо виробу, підсмоктування повітря через не щільності в пальнику і газової магістралі, ексцентричне розташування дроту щодо сопла пальника, знос мундштука і пов'язане з цим порушення співвісності газового потоку і стовпа дуги, турбулентне витікання газу з пальника).
Виконання режимних рекомендацій гарантує високу якість швів і продуктивність при різноманітних умовах здійснення зварювальних робіт порошковим дротом.
2.1.9. Характеристика матеріалів
Зварювальні матеріали - це загальний термін, під яким розуміють витратні матеріали, використовувані в процесі зварювання. Залежно від виду зварювання в якості зварювальних матеріалів можуть бути використані флюси, дріт, електроди, присадні прутки, захисні гази, керамічні підкладки та ін..
Зварювальні флюси - різні порошкоподібні або пастоподібні речовини. Їх призначення різна, залежно від способу зварювання. Наприклад, при електрошлаковому зварюванні використовуються гранульовані зернисті флюси, що утворюють розплав з хорошими струмопровідними характеристиками. Такі ж флюси застосовуються для захисту дуги і зварювальної ванни, а також для запобігання розбризкування металу при дуговому електрозварюванні. При газовому зварюванні використовуються порошкові або пастоподібні флюси. За допомогою флюсів у цьому виді зварювання відбувається очищення поверхні металу деталей, що з'єднуються.
Основна роль зварювальних електродів - подача електроживлення для нагріву в точку зварювання. Крім того, за допомогою електродів можна істотно змінювати хімічний склад зварного шва чи виробляти легування металу, що зварюється в точці зварювання. При дуговому зварюванні зазвичай використовуються плавлючі електроди, до яких відноситься зварювальний дріт (він буває суцільний і порошковий), присадні прутки, зварювальні стрічки та пластини. Якщо зварювальний процес передбачає плавлення, то за допомогою таких електродів вводиться присадний матеріал.
Керамічні підкладки стали використовуватися у зварюванні відносно недавно для забезпечення високої якості зварювального шва і створення зворотного валика. Керамічні підкладки універсальні - їх можна застосовувати при будь-яких типах зварювання і в будь-яких положеннях зварюваних матеріалів, навіть при виготовленні вигнутих швів.

2.1.9.1. Характеристика газів для зварювання неплавкими електродами
Зварювання неплавким електродом в якості основного газу застосовується аргон - інертний газ, не здатний до хімічних реакцій і практично не розчинний у металах. Аргон вважається найбільш доступним і порівняно дешевим серед інертних газів. Будучи важчим за повітря, він добре захищає дугу і зону зварювання. Дуга в аргоні відрізняється високою стабільністю. Аргонодугове зварювання застосовують для з'єднання легованих сталей, кольорових металів і їх сплавів, її виконують постійним і змінним струмом. Аргон є основою захисним середовищем при зварюванні алюмінію, титану, рідкісних і активних металів. Газоподібний аргон зберігається і транспортується в сталевих балонах (за ГОСТ 949-73). Балон з чистим аргоном забарвлений в сірий колір, з написом "Аргон чистий" зеленого кольору. Вживання газових сумішей замість технічно чистих газів аргону або гелію в деяких випадках підвищує стійкість горіння зварювальної дуги, зменшує розбризкування металу, покращує формування шва, збільшує глибину спротиву, а також впливає на перенесення металу.
Суміш з 90% аргону і 10% водню вживається при зварюванні тонкого металу, забезпечуючи збільшення швидкості зварювання, зменшення зони термічного впливу. Суміш аргону з 10 - 12% азоту дозволяє уникнути попередньої термообробки, забезпечуючи корозійну стійкість металу шва. Добавка до аргону невеликої кількості кисню або іншого окисного газу істотно підвищує стійкість горіння дуги і покращує якість формування зварних швів. Для поліпшення боротьби з пористістю до аргону іноді додають кисень у кількості 3-5%. При цьому захист металу стає більш активним. Чистий аргон не захищає метал від забруднень, вологи та інших включень, що потрапили в зону зварювання з зварюваних кромок або присадочного металу. Кисень, вступаючи в хімічні реакції з шкідливими домішками, забезпечує їх вигоряння або перетворення в сполуки, що спливають на поверхню зварювальної ванни.
Застосування суміші аргону і вуглекислого газу (зазвичай 18-25%) ефективно при зварюванні низьковуглецевих і низьколегованих сталей. У порівнянні зі зварюванням у чистому аргоні або вуглекислому газі легко досягається перенесення електродного металу. Зварні шви більш пластичні, ніж при зварюванні в чистому вуглекислому газі. У порівнянні зі зварюванням у чистому аргоні менше ймовірність утворення пір. Газова суміш аргону з киснем зазвичай використовується при зварюванні легованих і низьковуглецевих сталей. Додавання до аргону кисню дозволяє запобігти пористість. Наявність кисню в дузі сприяє дрібнокрапельному переносу електродного металу.
Гелій використовується порівняно рідше. Гелій може застосовуватися в якості інертного захисного газу при зварюванні нержавіючих сталей, кольорових металів і сплавів, хімічно чистих й активних матеріалів. Гелій легший за повітря, що ускладнює захист зварювальної ванни, і, отже, вимагає більшої витрати на захист. У порівнянні з аргоном він забезпечує більш інтенсивний нагрів зони зварювання. Він має високу теплопровідність, має високий потенціал іонізації, тому при зварюванні в гелії збільшується температура дуги, напруга. Часто використовується суміш 70% аргону і 30% гелію. Газоподібний гелій зберігається і транспортується в сталевих балонах (згідно з ГОСТ 949-73). Балон пофарбований у коричневий колір, з написом "Гелій" білого кольору. При зварюванні міді захисним газом служить азот, так як по відношенню до міді він є інертним газом.

 

2.1.9.2 Обладнання для зварювання неплавкими електродами
Зварювальні пальники (Рис. 2.9).
Ручний пальник для дугового зварювання в захисних газах служить для жорсткого фіксування W-електрода в певному положенні, підведення до нього електричного струму, подачі захисного газу в зону зварювання та охолодження струмоведучих частин повітрям або водою. Пальники для зварювання в монтажних умовах і при знижених температурах мають природне повітряне охолодження і розраховані на струм до 150 А.

Рисунок 2.9. Пальники
Балон складається з сталевого безшовного циліндричного корпусу зі сферичним днищем, на який напресований башмак.

Рисунок 2.10. Балон

Редуктор призначений для пониження тиску газу, що надходить з балона.

Рисунок 2.11. Редуктор
Джерело живлення забезпечує роботу в неперервному і імпульсному режимах зварювання.

Рисунок 2.12. Джерело живлення
2.1.10. Інструменти, обладнання та пристосування при зварювальних роботах
Для виконання зварювальних робіт зварник повинен мати певний набір інструментів і приладдя.
Електродотримачі. Це один з основних інструментів електрозварника, від якого багато в чому залежать продуктивність і безпечні умови праці. Елетродотримач повинен бути легким (не більше 0,5 кг) і зручним, мати надійну ізоляцію, не нагріватися при роботі, забезпечувати швидке і надійне закріплення електрода. Залежно від способу кріплення електродів розрізняють засувні, пасатижні, ексцентрикові і інші електродотримачі. Найбільш поширені пасатижні електродотримачі (Рис 2.8).


Рисунок 2.8. Електродотримач пасатижний: 1- захисний ковпачок пружини; 2- пружина; 3- важіль з верхньою лещатою; 4- теплоізоляційний захист; 5- нижня лещата; 6- конус різьбової втулки.
Щитки та шоломи. Це обладнання виготовляють відповідно до ГОСТ 12.4.035-78 з струмонепровідних матеріалів - фібри або пластмаси. Маса щитка не повинна перевищувати 0,48 кг, шолома - 0,6 кг. Їх внутрішня поверхня повинна бути гладкою, матовою, чорного кольору. Щиток складається з корпусу з оглядовим вікном і ручки, що має круглий поперечний переріз і довжину не менше 120 мм. Шолом представляє собою захисне пристосування, що надягається зварником на голову. Він складається з корпусу з оглядовим вікном і наголовника, який повинен забезпечувати два фіксованих положення корпуса: опущене (робоче) і відкинуте назад.
Для захисту очей від шкідливих випромінювань щитки і шоломи забезпечені світлофільтрами типу С темно-зеленого кольору, які випускають (замість світлофільтрів типу Е) 13 класів для зварювання із застосуванням струмів силою 13 ... 900 А.
Для захисту світлофільтру від бризок металу використовують покривні органічні скла, які в міру пошкодження замінюють новими (Рис. 2.9).

Рисунок 2.9. Щитки (а) та шоломи (б).
Зварювальні дроти. Струм від силової мережі підводиться до зварювальних апаратів по проводах марки КРПТ. Від зварювальних апаратів до робочих місць зварювальний струм

надходить за гнучким проводу марки ПРГ, АПР або ПРГД з гумовою ізоляцією. До електродотримача повинен бути підключений гнучкий мідний дріт марки ПРГД довжиною не менше 3 м.
Довжина проводів від зварювальних апаратів до робочого місця не повинна бути більше 30 ... 40 м, тому що при великій довжині проводів напруга в них значно падає, що призводить до зменшення напруги дуги. Для з'єднання зварювальних проводів застосовують спеціальні муфти, мідні наконечники і болти. Температура нагріву проводів не більше 70 ° С.
Одяг зварника. У комплект одягу входять куртка, брюки та рукавиці. Куртку і штани шиють з брезенту, сукна або азбестової тканини. Одяг із прогумованого матеріалу не застосовують, оскільки її легко пропалити нагрітими металевими частинками. Штани повинні прикривати взуття для запобігання ніг від опіку. Рукавиці можуть бути брезентовими або робочими.
Додатковий інструмент зварника. Для зачищення країв перед зварюванням і видалення з поверхні швів залишків шлаку застосовують сталеві щітки - ручні або з електроприводом. Остиглий шлак з поверхні шва видаляють молотком-шлаковідділювачем.
Для під'єднання "маси" до заготівлі служать гвинтові або пружинні затиски, в які струмопровідний дріт впаюють високотемпературним припоєм або закріплюють механічно.
Для клеймування швів, вирубки дефектних місць, видалення бризок і шлаку застосовують відповідно клейма, зубила і молотки. Складальні операції перед зварюванням виконують за допомогою шаблонів, схилів, лінійок, косинців і спеціальних пристосувань. При монтажних зварювальних роботах зварювальники використовують надягають через плече брезентові сумки, в які поміщають електроди.
2.1.11. Охорона праці при виконання зварювальних робіт
У ГОСТ 12.0.002-74 дані наступні визначення: "Техніка безпеки - це система організаційних і технічних заходів і засобів, що запобігають впливу на працюючих небезпечних виробничих факторів" та "Охорона праці - це система законодавчих актів і відповідних соціально-економічних, технічних і гігієнічних і організаційних заходів, що забезпечують безпеку, збереження здоров'я і працездатності людини в процесі праці ".
Розглянуті методи зварювання вимагають дотримання певного комплексу правил техніки безпеки і охорони праці, які повинні знаходити відображення в технологічних картах і строго дотримуватися при виконанні зварювальних робіт. Для всіх зазначених методів зварювання плавленням в тій чи іншій мірі існує можливість небезпечних впливів на зварювальника у зв'язку з наступними чинниками:
1) ураження електричним струмом при дотику людини до струмоведучих частин електричного кола;
2) ураження променями електричної дуги очей і відкритої поверхні шкіри;
3) опіки від крапель металу і шлаку при зварюванні;
4) отруєння шкідливими газами, що виділяються при зварюванні і при забрудненні

приміщень пилом і випарами різних речовин;
5) вибухи через неправильне поводження з балонами стисненого газу або із-за виробництва зварювання в ємностях з-під горючих речовин, або виконання зварювання поблизу легкозаймистих і вибухонебезпечних речовин;
6) пожежі від розплавленого металу і шлаку в процесі зварювання;
7) травми різного роду механічного характеру при підготовці важких виробів до зварювання і в процесі зварювання.
Як свідчать статистичні дані, 80% травм зварників пов'язано з транспортними операціями важких металевих виробів.
Запобігання небезпеки ураження електричним струмом. При зварюванні плавленням використовують джерела струму з напругою холостого ходу UKX = 45 - 80 В при постійному струмі Uхх = 55 - 75 В при змінному струмі, Uxx = 180 - 200 В при плазмовому різанні. Тому джерела живлення повинні мати автоматичні пристрої, що відключають їх протягом не більше 0,5 с при обриві дуги.
Враховуючи непостійну величину електричного опору людського тіла (так, при сухій шкірі, наприклад, опір становить 8000-20000 Ом, а при вологих руках, пошкодженнях шкіри опір знижується до 400-1000 Ом), безпечними вважають напругу не вище 12 В (переносне освітлення). Якщо зварювальник працює в тісному приміщенні, може мати більшу площу контакту з металевою поверхнею, з метою зменшення небезпеки ураження електричним струмом, слід дотримуватись таких заходів:
1. Надійна ізоляція всіх, проводів, пов'язаних з живленням джерела струму і зварювальної дуги, заземлення корпусів зварювальних апаратів. Заземленню підлягають: корпуси джерел живлення, апаратного ящика, допоміжне електричне обладнання. Переріз заземлювальних проводів повинна бути не менше 25 мм2. Підключенням, відключенням та ремонтом зварювального обладнання займається тільки черговий електромонтер. Зварювальникам забороняється виконувати ці роботи.
2. Застосування в джерелах живлення автоматичних вимикачів високої напруги, які в момент холостого ходу розривають зварювальний ланцюг і подають на утримувач напруга 12 В.
3. Надійний пристрій електродотримача з гарною ізоляцією, яка гарантує, що не буде випадкового контакту струмоведучих частин електродотримача зі зварюваних виробом або руками зварника (ГОСТ 14651-69). Електродотримачі повинен мати високу механічну міцність і витримувати не менше 8000 затисків електродів.
4.Работа у справному сухому спецодязі і рукавицях. При роботі в тісних відсіках і замкнутих просторах обов'язково використання гумових калош і килимків, джерел освітлення з напругою понад 6-12 В.
2.1.12. Заходи промислової санітарії, техніки безпеки та протипожежної безпеки
Промислова санітарія - система організаційних заходів і технічних засобів, спрямованих на запобігання або зменшення впливу на працюючих шкідливих виробничих факторів. Практичні

заходи щодо оздоровлення умов праці грунтуються на гіг. нормативах для виробничих приміщень (оптимальна і допустима температура, відносна вологість і швидкість руху повітря, гранично допустимі концентрації шкідливих газів, парів і пилу в повітрі промислових приміщень, гранично допустимі рівні шуму і вібрації та ін.)
Контроль за виконанням сан. норм і правил при проектуванні, будівництві і реконструкції промислових підприємств (попереджувальний сан. нагляд), а також поточний сан. нагляд за сан. станом промислових підприємств та умовами праці на цих підприємствах здійснюють органи державного сан. нагляду. Сан. нагляд на промисловому підприємстві здійснюють санітарні лікарі з гігієни праці та їх помічники спільно з цеховими лікарями медсанчастин або з персоналом здоровпунктів і технічними інспекторами профспілкових органів з контролю за охороною праці і технікою безпеки.
Основними документами є "Санітарні норми проектування промислових підприємств" (CH 245-71), загальнодержавні "Будівельні норми і правила" (БНіП), "Санітарні правила організації технологічних процесів і гігієнічні вимоги до виробничого обладнання" № 1042-73, стандарти з безпеки праці, а також санітарні правила, що стосуються конкретних галузей промисловості і виробництва, інструкції та методичні листи, в яких викладаються вимоги до окремих технологічних процесів, обладнання та матеріалів. У цих документах викладені основні вимоги до вибору промислового майданчика, розташуванню на ній виробничих і допоміжних будівель, до їх влаштування і обладнання (опалення, освітлення, вентиляція, водопостачання і каналізація), а також вимоги, спрямовані на обмеження шуму, вібрації, впливу на працюючих ультразвуку, пилу, токсичних газів, іонізуючих випромінювань, нормалізацію мікроклімату та інших шкідливих виробничих факторів.
Проведення електрозварювальних і газорізальних робіт на тимчасових місцях дозволяється лише після вжиття заходів, які унеможливлюють виникнення пожежі:
- очищення робочого місця від горючих матеріалів, захисту горючих конструкцій;
- забезпечення первинними засобами пожежегасіння /вогнегасниками, ящиком із піском та лопатою, відром з водою, які вказуються в наряді – допуску.
Після закінчення електрозварювальних і газорізальних робіт виконавець зобов’язаний ретельно оглянути місце їх проведення, за наявності горючих конструкцій полити їх водою, усунути інші ймовірні причини виникнення пожежі.
Технологічне обладнання, на якому передбачається проведення електрозварювальних і газорізальних робіт, слід привести до пожежовибухонебезпечного стану до початку цих робіт (видалити пожежовибухонебезпечні речовини та відкладення, відключити діючі комунікації, виконати безпечними методами очищення, прошпарення й промивання, забезпечити вентиляцію та контроль за повітряним середовищем тощо).
Щоб унеможливити потрапляння розпечених часток металу в суміжні приміщення, на сусідні поверхи та розташоване поряд устаткування, всі оглядові, технологічні й вентиляційні люки, монтажні та інші отвори в перекриттях, стінах і перегородках приміщень, де проводяться вогневі роботи, закривають негорючими матеріалами.
Приміщення, в яких імовірне скупчення парів легкозаймистих і горючих рідин та горючих

газів, перед проведенням електрозварювальних і газорізальних робіт мають бути ретельно провентильовані.
Під час перерв у роботі, а також наприкінці робочої зміни електрозварювальна апаратура має відключатися, в тому числі від електромережі; газорізальна - також має відключатися, а шланги - від’єднуватися й звільнятися від горючих газів. Після закінчення робіт усю апаратуру устаткування прибирають у спеціально відведені місця.
У разі проведення електрозварювальних робіт у вибухопожежонебезпечних та пожежонебезпечних приміщеннях зворотним проводом від зварювального виробу до джерела зварювального струму може бути лише ізольований провід, причому за якістю ізоляції він не повинен поступатися прямому провідникові, приєднуваному до електродоутримувача.
У разі зміни електродів їхні залишки (недогарки) слід класти у спеціальний металевий ящик, установлюваний біля місця зварювальних робіт. Перед зварюванням електроди необхідно просушити за температури, вказаної в паспорті на конкретний тип електродного покриття. Покриття електродів має бути однорідним, щільним, без здуття, напливів і тріщин.
Щодня після закінчення роботи слід очищати агрегати та пускову апаратуру. Температура нагрівання окремих частин зварювального агрегату (трансформаторів, підшипників, щіток, контактів вторинного кола та ін.) не повинна перевищувати 75 С
Балони з газом під час їх зберігання, транспортування й експлуатації слід захищати від дії сонячного проміння та інших джерел тепла.
Балони, що встановлюються у приміщеннях, розміщають на відстані, не менше: від приладів опалення та печей - 1,0м, від джерел тепла з відкритим вогнем – 8м.
2.2. Розвиток дефектів зварних з’єднань в процесі циклічного і статичного навантаження. Планова циклічна довговічність зварних з’єднань (наприклад: шпильок кріплення мостового полотна залізничних мостів)
У традиційних розрахунках вважається, що руйнування тіла відбудеться, як тільки в деякій точці відповідна комбінація параметрів  ij , ij  , T і t досягне критичного значення. При цьому сам процес руйнування не розглядається. При такому підході проблема міцності визначається вибором моделі і критерію руйнування. Критерій вибирають виходячи з фізичних міркувань про можливість руйнування, зокрема, найбільше нормальне напруження, найбільше дотичне напруження, питому енергію формозміни. Вибір критерію залежить від матеріалу, який вважається однорідним і бездефектним.
Між тим досвід експлуатації зварних конструкцій свідчить що місцеві дефекти, такі як тріщини, включення, непровари, різні зміни форми, приводять до місцевих змін поля напружень, що може привести до розвитку тріщин.
Таким чином, методи розрахунку за узагальненими критеріями можна використовувати лише в конструкціях, виготовлених без дефектів, які можуть бути виявлені методами контролю. Якщо ж дефекти мають місце, то для коректного розрахунку необхідно знайти їх вплив на міцність конструкцій.


Особливості зварювального процесу і зварних з'єднань викликають появу значної кількості дефектів, зокрема:
1. Структурні зміни у шві і біля шовній зоні;
2. Інтенсивне газовиділення, яке приводить до появи пустот в об'ємі;
3. Внесення у шов неплавних неметалічних включень;
4. Поява оксидних плівок;
5. Інтенсивні деформації;
6. Явища усадки розплавленого матеріалу;
7. Непровари, підрізи і інші технологічні дефекти;
8. Пластичні деформації і пов'язані з ними залишкові напруження, перерозподілення водню, посилення корозії;
9. Появу концентрації напружень, обумовленої як порушеннями технології, так і дефектами проектування. Розглянемо вплив деяких з цих особливостей на міцність докладніше.
1. Поява об'ємного напруженого стану у шві і біляшовній зоні і пов'язана з цим стисненість пластичних деформацій приводять до появи залишкових напружень. Вплив залишкових напружень є особливо суттєвим, коли пластичність матеріалу недостатня. У цьому випадку оцінюючи міцність конструкції необхідно враховувати суму залишкових і робочих напружень.
2. Знеміцнення матеріалу в районі зварного шва. Покращення властивостей шва за рахунок легіруючих добавок не приводить до покращення властивостей біляшовної зони і це треба враховувати при розрахунках і вибору небезпечних точок.
3. Температурний вплив приводить до зниження механічних властивостей міцності матеріалу при підвищенні температури і зниження характеристик пластичності при зниженні температури. Зниження пластичних властивостей матеріалу при наявності залишкових напружень може спричинити утворення і розвиток тріщин.
4. Під дією поля напружень в об'ємі матеріалу відбувається міграція атомів водню у місця з великим напруженнями розтягу, що приводить до зменшення пластичних властивостей матеріалу і, як правило, його крихкому руйнуванню. Скупчення молекулярного водню спричиняє додаткові напруження і зниження енергії розриву атомних зв'язків, що приводить до утворення тріщин навіть при малих навантаженнях.
5. Нейтронне випромінювання впливає на зниження пластичних властивостей матеріалу, підвищуючи температуру, при якій матеріал становиться крихким.
6. Залишкові напруження приводять до різкої інтенсифікації процесів корозійного розтріскування матеріалів, які працюють у агресивному середовищі.
7. Швидкість деформування впливає на рівень границі пластичності, що зв'язано небезпекою крихких руйнувань.

8. Циклічні навантаження підвищують чутливість матеріалу до мікро- і макроконцентрацій напружень, які мають місце при нераціональній конструкції зварних з'єднань, наявності дефектів від порушення технологічних процесів зварювання і збирання. Фізичні процеси, які відбуваються в матеріалі при знакозмінних навантаженнях можна уявити так. На першій стадії при прикладенні знакозмінних деформацій і наявності зварювальних деформацій накопичується дефекти, пов'язані зі зміцненням окремих зон матеріалу, зниженням їх пластичності і, як наслідок, утворенням мікротріщин. На другій стадії різкий концентратор напружень у вершині тріщини і циклічне навантаження приводять до розширення зони зміцнення і розвитку тріщини. На третій стадії розвитку тріщини матеріал миттєво руйнується. Втомні тріщини частіше усього зароджуються на лінії сплавлення шва з основними металом, що часто пояснюється наявністю різкого переходу від основного метала до шва. Коефіцієнти концентрації напружень у зварних швах знаходяться у межах 1,3 – 2,3. Різкі концентратори можуть більше ніж у 3 рази зменшити втомну міцність зварних з'єднань. Зрозуміло, що стикові шви створюють меншу концентрацію ніж напусткові. У більшості випадків зменшення залишкових напружень підвищує границю витривалості.
У загальному випадку для розрахунку на витривалість можна використовувати таку формулу (Труфяков В.И. Усталость сварных соединений. – К.: наук. думка, 1973. – 216с.)
n=(σ-1)/(Kσa+ψσm)
де n - запас міцності;
 1 - границя витривалості стандартного зразка при осесиметричному циклі;
m - середнє напруження циклу;
a - амплітуда напружень циклу;
Ψ=(2σ-1-σ0)/ σ0
0 - максимальне напруження при пульсуючому циклі
K=βk((K1K2)/(γm))η
де k - ефективний коефіцієнт концентрації напружень;
K1 , K2 , m ,  - коефіцієнти, враховуючі видповідно неоднорідність матеріалу, внутрішні напруження, стан поверхні, масштабний фактор;
 - коефіцієнт, враховуючий вплив відхилень від технології виготовлення деталі. Коефіцієнти К і  визначають за результатами випробувань зварних зразків.
9. Тріщини у зварних швах.
Найбільший впливають на статичну, динамічну і втомлену міцність зварних з'єднань тріщини. У зварних з'єднаннях бувають гарячі тріщини, які виникають у процесі зварювання, і холодні, які з'являються у процесі охолодження шва. У багатьох випадках гарячі тріщини розміщуються поперек зварного шва і проходять у зону термічного впливу. Ці тріщини виникають у процесі зварювання за 3-5 см позаду дуги, де матеріал ще не витяг затвердіти і має невелику міцність, а у шві за дугою зростають напруження розтягу. Поява тріщини зменшує

напруження до нуля. З проходженням дуги далі знову з'являються і зростають розтягуючі напруження, досягають границі міцності металу при високій температурі шва, виникає тріщина, і все починається спочатку. У результаті поперечні гарячі тріщин періодично з'являються по довжині шва. Матеріали з такими властивостями відносять до таких, що важко зварюються. Процес можна зробити більш безпечним використовуючи підігрів шва або до, або у процесі зварювання.
Поява холодних тріщин обумовлена великими розтягуючими залишковими напруженнями і структурними перетвореннями у шві і біля шовної зони при охолодженні шва. Зменшення залишкових напружень і збільшення пластичності матеріалу шва зменшує небезпеку появи холодних тріщин. Появу тріщин можуть спричинити оксидні прошарки вздовж лінії сплавлення шва з основним металом. Ці крихкі прошарки при зовнішніх напруженнях розтягу перпендикулярних до шва руйнуються з утворенням тріщин паралельних до шва. Причинами появи тріщин також можуть стати порушення технології зварювання, які приводять до непроварів, внутрішніх пор і пустот і т.п. Оскільки виготовлення конструкції без дефектів практично неможливо, дуже важливо оцінити працездатність конструкції з дефектами. Такий аналіз допомагає провести механіка руйнування, у якій розглядаються умови появи і розвитку тріщин.
Невдало підібраний матеріал, порушення правил конструювання зварних конструкцій, порушення технології їх виготовлення і монтажу сприяють появі тріщини у конструкції. Наявність різних концентраторів, які при відповідних напруженнях можуть стати початком тріщини, переводить конструкцію у пацієнта механіки руйнування, коли основними питаннями стають питання зростання або зупинки тріщини, часу її розвитку до критичних значень. Появу тріщини у зварному з'єднанні можна пояснити на такому модельному прикладі (рис. 11.1 ). Припустимо, що у розтянутій напруженнями  пластині внаслідок процесів, що відбулися при реалізації технологічного процесу, з'явився невеликий жорсткий прошарок довжиною 2а (рис.2.1, а). На першій стадії навантаження пластини у зоні прошарку утворюється зона концентрації напружень. При цьому основний матеріал знаходиться під дією розтягуючих напружень, а матеріал за жорстким включенням – під дією стискаючих (рис. 2.1, а). Аналогічна картина має місце при розтягу пластин вздовж шва з так званим підсиленням, яке теж створює аналогічний ефект концентрації. Зростання напружень  може привести до відриву прошарку від основного матеріалу спочатку у зоні концентрації, а потім і по усій довжині 2а.

Рис. 2.1 Етапи розвитку тріщини: а – утворення концентрації
напружень; в –утворення тріщини; в – розвиток тріщини.
На цій стадії утворюється джерело пружної хвилі, яка рухається від країв до середини прошарку. Хвиля розповсюджується по пластині несучи інформацію про появу дефекту.

 


На другій стадії стискаючі напруження перерозподіляються і становляться розтягуючими, збільшуючись за величиною (рис. 2.1, б).
Третя стадія – стадія розвитку тріщини, яка розвиваючись приводить до руйнування матеріалу (рис. 2.1, в).
У залежності від матеріалу (крихкий, пластичний, в’язкопружний) процеси руйнування принципово відрізняються. У першому випадку під дією нормальних напружень тріщина розвивається до критичних розмірів без суттєвої деформації. У другому випадку критерієм руйнування є розкриття тріщини, перевищення якого приведе до критичного розкриття. У третьому випадку матеріал витримує значні пружні деформації, і тріщина перетворюється у еліптичний отвір. Руйнування відбудеться, коли деформації у районі концентратора перевищать допустимі.
Таким чином маємо три етапи руйнування матеріалів з дефектами стану твердих включень:
1. Стадія утворення концентратора біля твердого включення;
2. Стадія відриву твердого включення і перерозподілення напружень зі збільшенням концентрації;
3. Зростання і розкриття тріщини з наступним руйнуванням.
2.2.1. Постановка задач теорії руйнування для зварних з'єднань
Задачі теорії руйнування для зварних конструкцій у більшості випадків формулюють так: для заданого зварного з'єднання з тріщиною або системою тріщин встановити закономірність їх розповсюдження у силовому полі зварювальних напружень, а також встановити можливість розповсюдження тріщин заданої початкової довжини.
В окремих випадках можуть бути поставлені і інші задачі: визначення траєкторії тріщини, швидкості розповсюдження, можливості розгалудження та ін.
Коефіцієнти інтенсивності визначаються як сума коефіцієнтів від зовнішніх навантажень і від залишкових зварювальних напружень. При цьому необхідно прийняти до уваги зміну поля залишкових напружень при прикладенні зовнішніх сил, що при невизначеності початкового поля напружень є дуже складною задачею. Обчислення коефіцієнтів інтенсивності при заданих тільки залишкових напруженнях може бути виконано чисельними способами зважаючи на складність геометричної форми з'єднання. Можна також при відомому аналітичному розв'язку для поля залишкових напружень скористатися формулами для тріщини у нескінченній пластині, навантаженої напруженнями σy(x), τxy(x) на берегах.
KI=(1/√πl)∫σy(x) (√(1≠x)/(1≠x))dx
KII=(1/√πl)∫τy(x) (√(1≠x)/(1≠x))dx
При значних пластичних деформаціях необхідно використовувати критерій розкриття берегів тріщини у її вершині. При використанні цього деформаційного критерію необхідно визначити три величини: довжину пластичних зон на продовженні тріщини у заданому силовому полі; розкриття  тріщини у вершині; критичне розкриття с  для даного матеріалу і умов руйнування.
Окремі приклади розрахунку параметрів KI у силовому полі залишкових напружень наведено у [ Б.С.Касаткін та ін. Напряжения и деформация при сварке. К.: вища школа 1987 р.]
Питання проектування і аналіз особливостей функціонування зварних з'єднань, а також проблеми міцності і руйнування зварних конструкцій докладно розглянуто у книжці [Винокуров. Сварные конструкции.].
Забезпечення міцності конструкції і необхідного терміну її функціонування тісно пов'язане

 

з недопущенням утворення і розвитку тріщин. Запобігти крихкому руйнуванню можна за рахунок впровадження відповідних заходів. Одним з важливих способів попередження крихкого руйнування є використання матеріалу, в'язкість якого після відповідної термічної обробки буде достатньою для зупинки або попередження появи тріщини.
Важливо, щоб при збільшенні швидкості розповсюдження тріщини збільшувався опір матеріалу крихкому руйнуванню. Експерименти по руйнуванню матеріалів і композиції багатошарової структури показали можливість зупинки тріщини, яка іде перпендикулярно шарам.
При використанні крихких матеріалів можна передбачити конструктивні заходи, зокрема, за рахунок правильного розподілення матеріалу з високим опором крихкому руйнуванню у місцях можливої появи тріщин. Це, зокрема, вставки матеріалів, які зупиняють тріщини, джерела нагріву, які підвищують температуру на заданій ділянці. Ірвін (1966 р.) встановив, що мінімальна ширина полоси, яка зупиняє тріщину, повинна дорівнювати подвійному розміру зони біля зварного шва, у якій є високі залишкові напруження. При відсутності залишкових напружень Ірвін пропонує приймати ширину рівною 2r  4B, де r - розмір пластичної зони , B - товщина пластини .
Другим фундаментальним напрямком, а у перспективі головним, є забезпечення правильної технології виготовлення і необхідної конструктивної форми зварних конструкцій. Основною вимогою до проекту є зменшення концентрації напружень, які виникають внаслідок неправильних конструктивних рішень. У цьому випадку необхідно проектувати вузли, які можуть бути виготовлені з мінімальним ризиком появи тріщин, забезпеченням зручного огляду і відсутністю концентраторів які приведуть до появи тріщин при експлуатації.
Для ілюстрації можливості покращення конструктивних рішень на рис. 2.2,а наведено конструкції суден типу "Ліберті", четверта частина руйнувань яких починалася у кутах люків. Конструкція мала багато гострих кутів, а використання накладних листів під палубою викликало концентрацію напружень, обумовлених наявністю додаткових зварних швів. У цій конструкції концентраторами напружень були ділянки зварних швів з частковим проваром, які поводили себе як тріщини.

Рис.2.2 Конструкції кутів люків у суднах типу “Ліберті” (а) і “Вікторі” (б). З часом конструкція люків значно покращилась.
В результаті при 224 аваріях суден "Ліберті" відбулося тільки одна аварія суден типу "Вікторія", у яких конструкція люків виконувалась за схемою рис.2.2,б.
У багатьох випадках концентрація напружень виникає внаслідок різкої зміни поперечних перерізів. Раціональні конструкції мають плавні переходи від одного перерізу до другого (рис.2.3). Крім цього зварні шви повинні бути віднесенні від місця зміни перерізів на достатню відстань. Концентрацію напружень викликає і різниця у жорсткостях елементів що зварюється (рис.2.4).

 



Рис.2.3 Раціональна конструкція з’єднання листів різної товщини. (1 – стиковий шов, 2– уклон не менше 1:5

Рис.2.4 Неправильна (а) і правильна (б) схеми з’єднання жорстких і податливих елементів конструкції.(1– нижня балка; 2– тріщина; 3 –стінка; 4 – бракета; 5 – ребро жорсткості.
Концентрація напружень і залишкові напруження часто є наслідком неправильного технологічного процесу виготовлення конструкції. Відсутність цих дефектів досягається застосуванням відповідної технології зварювання, вибором матеріалу електрода, попереднім і подальшим нагрівом, проведенням зварювання у зручних умовах, дотриманням необхідних параметрів струму і напруги. В усіх випадках замість кутових і фалангових швів необхідно передбачити стикові шви. Не рекомендується приварювати додаткові деталі у місцях високих напружень.
У деяких випадках доцільно розглянути можливість реалізації способу перенапруження при якому конструкція навантажується великими (субкритичними) навантаженнями, особливо у випадках, коли неможливо застосувати термообробку для зменшення рівня залишкових напружень.
2.2.2. Методи зупинки руху тріщини
Спробуємо розібратися в тому, що робити з конструкцією, яка містить небезпечний дефект. В статичному випадку можна подумати про ремонт конструкції (що іноді виявляється теж складною в інженерному і в теоретичному плані задачею), в динамічному ж випадку проблема набагато ускладнюється, адже йдеться про гальмування (протягом мікросекунд) тріщини, що рвонулася з величезною швидкістю, в умовах, мабуть, ударних навантажень. Складається враження про принципову неможливість гальмування швидкого лавиноподібного розповсюдження тріщини, яке почалося. Проте положення тут не зовсім безнадійне. По-перше, для тріщин, що розвиваються, можна влаштувати пастки, які впіймають тріщину, що біжить, а, по-друге, на сучасному етапі розвитку електроніки можна говорити про сенсорні системи, які здатні вчасно помітити таку тріщину, включити обчислювальні пристрої прогнозування її руху, а потім і якийсь механізм гальмування руйнування. Звичайно ж, побудова простих пасток, зупиняючих руйнування, простіше і дешевше, але створення надійних протиаварійних, хай і дорогих, систем, є життєво важливою задачею, особливо тоді, коли йдеться про унікальні споруди і (або) про безпеку людей. Проблема гальмування швидких тріщин активним впливом за командою датчиків, виявивши її лавинообразний потік, - справа недалекого майбутнього. Уже сьогодні в цій галузі ведуться інтенсивні дослідження. По-перше, трещину можна зупинити

 

тепловими джерелами; виявляється, вона, як мономолекула, литячому на світ, повертая в нагріту, а значить, більш в'язкою, область. По-друге, використовуючи ту властивість тріщини, що вершина її є концентратором-концентратором не тільки механічних напруг, але й електричної електрики, можна затримати тріщину імпульсом струму. Дело в тому, що останній викликає розігрів і навіть відливання матеріалу в оточенні вершин тріщини. По-третє, діюча на швидку тріщину пружними хвилями, можна завести її ветвитися, а кожне зведення - це зниження швидкості іноді на кілька кілометрів в секунду, вплоть до повної зупинки. В арсеналі наукових потужних електричних та магнітних полів, інші більш екзотичні засоби впливу.
Зупинимося на деяких проблемах ремонту. В цій області одним з найбільш широко поширених методів є установка додаткових ребер жорсткості, у деяких конструкціях їх називають стрингерами. Крім підвищення стійкості, вони можуть забезпечити безпеку дефектної конструкції. Звичайно ж, стрингери часто встановлюють наперед, створюючи перешкоди на можливому шляху розповсюдження тріщин в «вразливих» місцях конструкції. Найбільш широко використовують стрингери у конструкціях літаків, суден, оболонок різного призначення.
2.2.3. Конструкційне гальмування тріщини (ребра жорсткості).
Одній з найважливіших характеристик опору матеріалу тріщинообразованню є величина граничного навантаження пов'язана з початком розвитку тріщини, який часто ототожнюється з поняттям повного руйнування. Проте це справедливо тільки у разі лавиноподібного нестійкого розповсюдження. У багатьох випадках взаємодії тріщин з перешкодами і межами, а також в задачах взаємодії систем тріщин, як показують експерименти, на значній ділянці зміни навантаження розвиток тріщини протікає стійко. Очевидно, що наявність стійких тріщин в конструкціях і спорудах, працюючих часто в певних режимах зміни зовнішніх навантажень, набагато менш небезпечно, а штучне посилення таких споруд (за рахунок постановки заклепок, пластин же стрингерів, висвердлювання отворів на шляху розповсюдження тріщин і т. д.) може значно продовжити їх «життя». Для запобігання катастрофічного розвитку тріщини і руйнування конструкцій і споруд тріщини підкріплюють ребрами жорсткості, перешкоджаючими їх розповсюдженню (мал. 2.1).

Рис. 2.5 Панель з приклепаними ребрами жорсткості.
Можлива наступна найпростіша схематизація цій задачі. Нескінченна пластина одиничної товщини з тріщиною довжини 2l розтягується на нескінченності однорідним напруженням 0 (рис. 2.5б); дія підкріплюючих ребер замінюються чотирма симетрично розташованими зосередженими силами Р, прикладеними в місцях розташування найближчих до тріщини заклепок; величина сил Р вважається заданою. Можливе і подальше ускладнення запропонованої тут схематизації, оскільки величина сил Р цілком визначається пружною і геометричними характеристиками задачі, що розглядається, і величиною розтягуючого навантаження 0. Надалі значення сил Р визначається в залежності від параметрів задачі. Проте для спрощення в першому

 

наближенні ввжатимемо сили Р заданими. Як показують оцінки, дією більш віддалених заклепок можна нехтувати. Перше питання, яке тут виникає: яким повинно бути відношення відстані між заклепками до відстані між ребрами? Виявляється, якщо це відношення перевищує 0,45, то ординати кривої залежності критичного напруження від довжини тріщини — монотонно зменшуються і руйнування відбувається так само, як в задачі Гріффітса (рис.2.6). Із збільшенням розтягуючого навантаження довжина тріщини не змінюється, поки навантаження залишається менше критичного значення, відповідного вибраній довжині тріщини. По досягненні критичного значення навантаження тріщина починає рости, і тіло руйнується (перший рисунок). Проте, якщо заклепки відстоять один від одного достатньо близько по вертикалі, на кривій з'являється ділянка зростання (рисунки з другого по четвертий). Відзначимо на кривій точку локального максимуму С, абсциса якого с, локального мінімуму б і точку, де ордината кривої дорівнює висоті точки локального максимуму. Розглянемо варіант, коли значення початкової довжини лежить між а і b (другий рисунок). В цьому випадку розмір тріщини не змінюється поки навантаження не досягне критичного значення А. Тоді при найменшому перевищенні навантаження тріщина збільшується стрибком і переходить в інший, стійкий стан, відповідний тому ж значенню навантаження АВ, після чого стійко розвивається із зростанням навантаження ВС до - максимального значення С.

Рис.2.6
Післе цього тріщина починає катастрофічно рости і тіло руйнується. Розглянемо наступний варіант: значення початкової довжини тріщини розташовано між в і с (третій малюнок). Розмір - тріщини не змінюється, поки навантаження не досягне критичного значення А; далі тріщина розвивається стійко, і все йде так само, як у попередньому випадку. Останній варіант: початкова довжина тріщини більше, ніж відстань між ребрами, і на графіку позначається точкою, що лежить правіше с. Коли навантаження досягає критичного значення А, тіло руйнується, як і в першому випадку (останній малюнок). Повернемо увагу на другий і третій випадки. Тут, поки навантаження лежить в проміжку між висотами точок локального мінімуму і локального максимуму кривої, довжина тріщини є неперервною функцією прикладеного навантаження. Тіло не руйнується і здатне сприйняти зростаючу навантаження, незважаючи на зростання тріщини. Граничне значення навантаження, визначаюче міцність конструкції, яка розглядається, однакове для всіх значень початкової довжини тріщини в діапазоні а-с. Цей приклад показовий в тому відношенні, що механіка руйнування вказує універсальну характеристику міцності, незалежну від початкової довжини тріщини. Таку характеристику бажано вводити при розрахунках на міцність. Сучасні судна проектуються з розрахунку на безпечну роботу за наявності тріщин метрової довжини, навіть для літаків докритичними є

 

тріщини завдовжки в декілька сантиметрів. Невиявлення їх при огляді можливе тільки при халатності з боку обслуговуючого персоналу. Так що «сенсаційні» повідомлення газет, радіо і телебачення про виявлення тріщин (ймовірно, докритичних), наприклад, у фюзеляжах літаків, можуть справити враження тільки на людей, не знайомих з механікою руйнування.
Разом із звичайними стрингерами можуть застосовуватися і так звані накладки-дублери або ремонтні накладки, приварені, приклеєні або приклепані до конструкції. У багатьох випадках вони, крім гальмування тріщин, можуть забезпечувати також герметичність, місцеву міцність конструкції, захист від корозії і т. п., тобто виконувати відразу декілька корисних функцій, відновлюючи пошкоджену конструкцію. Особливо перспективними в цьому відношенні представляються накладки з армованих пластиків. Про ефективність ремонтної накладки можна зробити висновок за результатами чисельного розрахунку коефіцієнта інтенсивності напружень у тонкому листі з приклепаною прямокутною накладкою шириною 2в і заввишки 2h (рис.2.6). На рис. 2.7 представлено безрозмірну залежність коефіцієнта інтенсивності напружень (коефіцієнт інтенсивності в непідкріпленому листі) від довжини тріщини. Вони показують, що тільки накладка, цілком закриваюча тріщину, може істотно понизити коефіцієнт інтенсивності, причому у такому з’єднанні кращі результати забезпечуютья більш жорсткими накладками. Зазначимо, що краще встановлювати заплати симметрично з обох боків листа, інакше з'являються згинальні напруження, які можуть понизити або ліквідувати зовсім підкріплюючий ефект накладки.

Рис.2.7
До позитивних результатів можуть привести і протилежні дії — не посилення дефектної конструкції, а її «ослаблення»— висвердлювання додаткових, розвантажуючих отворів у вершинах тріщини. Звичайно мова йде, про розвантажуючий отвір, який просвердлено у кінчику тріщини після її виявлення. Ефективність такого відомого на практиці прийому визначається різного роду чинниками: усуненням сингулярності напружень і самого пошкодженого матеріалу в кінчику тріщини; появою залишкових стискаючих напружень у процесі холодної обробки і зменшенням чутливості матеріалу до концентрації напружень і т.п. Відомо, що коефіцієнт концентрації напружень визначається в основному довжиною концентратора і радіусом кривизни його контура в точці дії максимальних напружень. Це дозволяє у ряді випадків при

Рис.2.8 Коефіцієнти інтенсивності напружень у пластині з тріщиною і ремонтною накладкою: а) вплив размірів накладки; 1 — Н/b = 0,6; 2 — Н/b = 1; 3—H/b = 2, б) вплив жорсткості заклепок (накладка квадратна); 1 — абсолютно жорсткі; 2, 3, 4 — податливість заклепок збільшується, в) вплив жорсткості накладки; 1 — більш жорстка; 2 — менш жорстка.
визначенні концентрації напружень дійсний концентратор замінити на еквівалентний, для якого відомо розв’язок, зокрема на еліпсоподібний концентратор.
Можна ввести поняття «еквівалентного еліпса» (еквівалентний еліптичний виріз), яке дозволяє визначити максимальний коефіцієнт концентрації напружень для концентратора у вигляді тріщини з отворами на кінцях у нескінченній (напівнескінченній) пластині при розтягу. Навколо концентратора описується еліпс (напівеліпс) з великою віссю (напіввіссю), яка дорівнює довжині концентратора, і мінімальним радіусом кривизни у вершині тріщини, рівним радіусу отвору. На рис. 2.9 наведено коефіцієнти концентрації напружень на контурі розвантажуючого отвору, отримані при розв’язанні відповідних задач методами теорії пружності і за формулою «еквівалентного еліпса», що має такий вигляд [Партон В.З., Морозов Е.М.,1975р.]:
Kt=1+2√(l/r)+l

Рис. 2.9 Коефіцієнти концентрації напружень біля розвантажуючих отворів: а) внутрішня тріщина б) крайова тріщина. Тут суцільна лінія — розрахунок методами теорії пружності; пунктирна – методом еквівалентного еліпса.

 


Представлені графіки свідчать про прийнятну в практичних розрахунках апроксимацію Кт за формулою (2.3). Для посилення розвантажуючої дії отворів іноді в них з натягом вставляють шайби, заклепки або болти, які викличуть стиск в оточуючому матеріалі. Річ у тому, що один з найефективніших методів боротьби з появою і рухом тріщин — створення в матеріалі стискаючих напружень, які перешкоджають підведенню енергії до вершин тріщини. Іншим відомим методом гальмування і, може бути, зупинки тріщини, який лежить в основі багатьох технічних рішень, є створення на шляху рухи тріщини межі розділу. На такій межі зв'язки між частинками тіла ослаблені, а саме це збільшує в'язкість матеріалу, і його опір розповсюдженню тріщин. Ми, розглядаючи концентрацію напруження біля еліптичного отвору, бачили, що, крім максимума напружень нормального розриву у вершині тріщини, на деякому відстані перед її кінцем спостерігається пік розтягуючих напружень в напрямі, паралельному лінії тріщини. Цей пік у декілька разів менше (в ізотропному матеріалі приблизно в 5 разів), але цих напружень може бути достатньо для того, щоб викликати поперечний розрив на межі розділу, який піймає основну тріщину і, затупив її, загальмує.
В біологічних матеріалах, наприклад, в кістці або в деревині може бути безліч внутрішніх поверхонь розділу які не ослабляють матеріал в цілому, а зміцнюють його роблячи в'язким. Проблема гальмування швидких тріщин активною дією за командою датчиків, що знайшли її лавиноподібний політ, — справа недалекого майбутнього. Вже сьогодні в цьому напрямі ведуться інтенсивні дослідження. По-перше, тріщину можна зупиняти тепловими джерелами; виявляється, вона, подібно метелику, що летить на світло, повертає в нагріту, а значить, більш в'язку, область. По-друге, використовуючи те властивість тріщини, що вершина її є концентратором не тільки механічних напружень, але і електричного струму, можна загальмувати тріщину імпульсом струму. Річ у тому, що останній викликає розігрівання і навіть оплавлення матеріалу в околиці вершини тріщини. По-третє, діючи на швидку тріщину пружними хвилями, можна примусити її гілкуватися, а кожне галуження — це зниження швидкості іноді на декілька кілометрів в секунду, аж до повної зупинки. В арсеналі учених могутні електричні і магнітні поля інші більш екзотичні засоби дії.
Планова циклічна довговічність зварних з’єднань (наприклад: шпильок кріплення мостового полотна залізничних мостів)
Мета. Для визначення умов використання приварної шпильки при будівництві та ремонті залізничних мостів провести комплекс відповідних досліджень.
Методика. Дослідження визначення опору втомі зварних зразків зварних конструкцій здійснювалося шляхом їх втомних випробовувань при віднульовому циклічному розтягуванні. Для випробувань використані модельні зразки зварного з’єднання шпильки кріплення плит БМП з балкою таврового перерізу, а також виконано чисельний аналіз таких з’єднань.
Результати. Приведені результати досліджень опору втомі нової конструкції кріплення залізобетонних плит безбаластного мостового полотна (БМП) залізничних мостів із застосуванням приварних шпильок.
Наукова новизна. Показано, що дана конструкція є перспективною, але її впровадження потребує удосконалення технології зварювання та використання нових матеріалів для прокладного шару при кріпленні плит БМП.
Практична значимість.
Встановлена циклічна довговічність зварних з’єднань шпильки із сталі 09Г2С з верхнім поясом таврової балки виготовленої з маловуглецевої сталі Ст3сп та низьколегованої сталі 09Г2С, які отримані дугоконтактним зварюванням.

 


Нарівні з методиками збільшення ресурсу самих зварних з’єднань, збільшення тріщино-стійкості можна добитись шляхом вдосконалення конструкції мостового полотна [6]. Суттєвий вплив на довговічність прогонових будов має конструкція мостового полотна, вкладеного на прогонову будову [4]. Звісно, статичну складову тимчасового навантаження на прогонову будову конструкція мостового полотна не змінить, але певний поглинаючий динамічний ефект чи мінімальну позацентровість передачі зусилля на балки – це те, що ми можемо вимагати від тої чи іншої конструкції мостового полотна, поряд з такими параметрами, як мінімальна вартість чи зручність експлуатації. Перспективним напрямком покращення технічних характеристик споруд, що перебувають у експлуатації, є поступова заміна мостового полотна на дерев’яному брусі мостовим полотном на залізобетонних плитах, яке має у порівнянні з останнім високу стабільність положення елементів і тривалий термін експлуатації; захищає від забруднення і корозії верхні пояси балок і в’язі між ними; є економічним за сумарною вартістю виготовлення, укладання та експлуатації протягом терміну служби мосту.
Проте, конструкція мостового полотна на залізобетонних плитах (рис. 1) не позбавлена окремих недоліків, до яких в першу чергу слід віднести недоліки вузла кріплення залізобетонної плити до стальної балки прогонової будови.
Розташування високоміцних шпильок кріплення плити з ексцентриситетом по відношенню до вертикальної стінки поздовжньої балки обумовлює циклічні навантаження в останній від дії рухомого складу, та призводить до зародження тріщин втоми типу T4, T9.

Рис 1. Конструкція мостового полотна на залізобетонних плитах:
1 – контркутник; 2 – плита мостового полотна; 3 – колійна
рейка; 4 – прокладний шар; 5 – головна або поздовжня
балка; 6 – високоміцна шпилька; 7 – отвір для шпильки;
8 – полімерний дюбель із колійним шурупом

Очевидно, що розміщення шпильок для прикріплення плит безбаластного мостового
полотна у площині вертикальної стінки можливе лише за умови застосування зварного з’єднання. Найбільш оптимальним для використання у зазначеній конструкції вбачається приварювання шпильок методом витягнутої дуги.
Мета. Більш доцільним з міркувань організації робіт із заміни мостового полотна у обмежене «вікно» є використання приварної шпильки, при цьому стандартні деталі кріплення залізобетонних плит не потребують переробки.
Поряд з цим даний тип зварного з’єднання відсутній у вітчизняних та зарубіжних нормативних документах по розрахунку на втому, тому для з метою визначення умов його використання при будівництві та ремонті залізничних мостів проводиться комплекс відповідних досліджень.
Методика. Дослідження визначення опору втомі зварних зразків зварних конструкцій ІЕЗ ім. Є. О. Патона здійснювалося шляхом їх втомних випробовувань при віднульовому циклічному розтягуванні. Для випробувань використані модельні зразки зварного з’єднання шпильки

 

кріплення плит БМП з балкою таврового перерізу розмірами 260×110×110 мм були виготовлені у
відповідності з захватними пристроями випробувальної машини ЦДМ-10пу за креслеником (рис. 2) по два зразки з циліндричною (а) та призматичною (б) захватними частинами.

Рис. 2. Кресленик модельного зразка зварного
з’єднання з циліндричною (а) та призматичною (б)
захватними частинами
Шпилька для кріплення плит БМП Ø22 мм з сталі 09Г2С приварювалась дуго контактним зварюванням по центру пластини із сталі 09Г2С розмірами 110×110×30 мм, яка імітувала суцільний горизонтальний пояс зварної таврової балки. Загальний вигляд зразків представлено на рис. 3 і 4.

Рис. 3. Загальній вид зварного модельного зразка для
втомних випробовувань

Рис. 4. Фото приварки шпильки кріплення плит
БМП до суцільної пластини
Встановлення опору втомі зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП з балкою таврового перерізу, горизонтальний пояс якої є суцільним, проводилось на модельних зразках при віднульовому циклі навантаження з максимальним зусиллям 6 тс схема навантаження модельного зразка відповідає схемі навантаження високоміцних шпильок при закріплені плит БМП в

 

прогонових будовах залізничних мостів, які експлуатуються, Зазначене зусилля та визначено
згідно з розрахунком та підтверджено дослідженнями на натурних конструкціях для прокладного шару, який складається з дерев’яної прокладки (дубова дошка 200×40 мм) та гумової прокладки (200×8 мм). Зазначена конструкція прокладного шару, на сьогодні є основною, при будівництві та ремонті залізничних мостів залізниць України.
Втомні випробовування зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП з балкою таврового перерізу, горизонтальний пояс якої є суцільним при віднульовому циклічному розтягуванні виконувались на гідропульсаторній випробувальній машині ЦДМ-10пу, яка дозволяє досягати максимального зусилля в умовах змінного навантаження ±10 тс. Фотографію зварного зразка у випробувальній машині ЦДМ-10пу під час випробовувань на втому наведено на рис. 5.

Рис. 5. Зразок зварного з’єднання у випробувальній машині ЦДМ-10пу під час випробовувань на втому
Частота випробовувань складала 5 Гц. Втомні випробовування проводили до повного
руйнування зразків.
Результати. Руйнування всіх зразків відбулося по зварному з’єднанню. Результати втомних випробовувань приведені в табл. 1. Як видно з результатів випробувань, циклічна довговічність зразків знаходиться в межах від 759000 до 1056000 циклів змін напружень.
Таблиця 1. Результати втомних випробовувань зварних з’єднань
№ зразка Кількість циклів до руйнування N
1 1056000
2 965800
3 835000
4 759000
Проведено фрактографічний аналіз місць руйнування зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП з пластиною, яка імітувала суцільний пояс балки таврового перерізу. Фотографія типових внутрішніх дефектів в зварних з’єднаннях приведено на рис.6.

Рис. 6. Внутрішні дефекти зварювання (пори та несплавлення) в третьому зразку
Встановлені значення довговічності випробовуваних зразків (табл. 1) обумовлені наявністю в них внутрішніх дефектів, таких як пора по центру зразка та непровар по контуру.

 


Наявність таких дефектів в зразках свідчить про можливі відхилення технологічних параметрів зварювального процесу, викликаних впливом зовнішніх чинників або недостатнім відпрацюванням технології зварювання.
При навантаженні модельного зразка з сталі 09Г2С зусиллям 6 тс максимальні напруження у робочому перерізі привареної шпильки Ø 22 мм дорівнюють 160 МПа. Таким чином, при якісній приварці шпильки Ø 22 мм напруження у робочому перерізі 160 МПа (з’єднання наванта жено зусиллям 6 тс) будуть відповідати границі витривалості стикового зварного з’єднання з коефіцієнтом концентрації напружень Ka = 1,1...1,3 при ймовірності руйнування 50 %. Для наочності на рис. 7 наведені результати втомних випробовувань всіх чотирьох зразків зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП з пластиною, яка імітувала горизонтальний пояс балки таврового перерізу. Наявність внутрішніх дефектів призводить до того, що циклічна довговічність зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП пластиною при заданому максимальному прикладеному зусиллі 6 тс менше необхідної довговічності 2×106 циклів.

Рис. 7. Крива втоми стикових зварних з’єднань низьколегованих сталей 09Г2С і 15ХСНД при віднульовому циклічному розтягуванні [1, 2] та результати втомних випробовувань зразків зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП з балкою таврового перерізу, горизонтальний пояс якої є суцільним
Таким чином можна зробити висновок, що застосування приварних шпильок в прогонових будовах залізничних мостів можливе за умови зменшення напружень у робочому перерізі шпильки за рахунок збільшення діаметру шпильки та зменшення розмахів напружень за рахунок застосування інших конструкцій прокладного шару під плитою БМП.
При збільшенні діаметру шпильки з 22 мм до 24 мм, максимальні напруження у робочому перерізі знизяться з 160 МПа до 120 МПа, Розрахунковий опір втомі стикових зварних з’єднань при 95 % ймовірності їх неруйнування, згідно [1, 3], складає 114 МПа. Отже, використання приварних шпильок діаметром до 24 мм для кріплення плит БМП в прогонових будовах залізничних мостів без зменшення розмахів напружень в робочому перерізі, не забезпечить 95 % ймовірності їх неруйнування.
За даними натурних вимірів розмахи навантажень, які діють на приварну шпильку можна суттєво зменшити шляхом збільшення жорсткості прокладного шару, зокрема завдяки застосуванню безусадочних скоротвердіючих сумішей.
Модельні зразки зварного з’єднання шпильки кріплення плит БМП з верхнім поясом
таврової балки розмірами 260×130×130 мм були виготовлені згідно з креслеником (рис. 8). У
порівнянні із зразками, що досліджувались на першому етапі, діаметр шпильки збільшено до
24 мм.



Рис. 8. Кресленик модельних зразків зварного з’єднання шпильки кріплення плит БМП з верхнім поясом таврової балки з маловуглецевої сталі Ст3сп (а) та низьколегованої сталі 09Г2С (б)
Оскільки розмах напружень в шпильках закріплення плит БМП залежить від виду та властивостей конструкційного матеріалу прокладного шару, то випробовування на втому приварних шпильок проводили за наступною методикою.
Циклічну довговічність зварних з’єднань шпильки досліджували при різних розмахах
навантажень. Максимальне прикладене навантаження для всіх розмахів навантажень складало 6 тс, що відповідало зусиллю затягування шпильок при монтажі плит БМП. Початкове мінімальне прикладене навантаження складало 0 тс, що відповідало повному розвантаженню шпильки. Втомні випробовування проводили до напрацювання 5×106 циклів змін напружень. Якщо при заданому розмаху навантаження відбувалось передчасне руйнування двох зразків при довговічностях менших 5×106 циклів, то розмах навантаження зменшували на 1 тс за рахунок збільшення мінімального навантаження. Схематичне зображення розмахів навантаження при випробовуваннях на втому приведено на рис. 9.
Втомні випробовування модельних зразків зварного з’єднання шпильки кріплення плит БМП з верхнім поясом таврової балки виконували на гідропульсаторній випробувальній машині ЦДМ-10пу. Результати втомних випробовувань приведені в табл. 2, а на рис. 10 представлена відповідна крива втоми зварних з’єднань шпильки.

Рис. 9. Схематичне зображення розмахів навантаження при випробовуваннях на втому
зварних модельних зразків

 

 

 

 

Таблиця 2. Результати втомних випробовувань зварних модельних зразків з маловуглецевої сталі Ст3сп

зразка Характеристики циклу
змінного навантаження Кількість
циклів до руй-
нування N
Pmax , тс Pmin , тс
1 6 0 433500
2 6 0 371600
3 6 1 1011900
4 6 1 863000
5 6 2 1757600
6 6 2 2873300
7 6 3 >5000000
8 6 3 >5000000


Рис. 10. Крива втоми зварних з’єднань шпильки з маловуглецевої сталі
Як видно з табл. 1 та рис. 10 циклічна довговічність випробуваних зразків перевищує
значення 5×106 циклів змін напружень при розмахах навантажень P 3 тс і нижче.
Проведено фрактографічний аналіз місць руйнування зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП з верхнім поясом таврової балки. Фотографії місць злому зварних з’єднань приведені на рис.11.

Рис. 11. Зломи зварних модельних зразків № 3 (а) та № 4 (б)
Наявність таких внутрішніх дефектів, як пори та несплавлення (див. рис. 11, б) знижує
циклічну довговічність зварних з’єднань (довциклів змін напружень, а зразка № 4 – 863000 циклів змін напружень).
За аналогічною методикою проведено втомні випробовування. зварних модельних зразків з низьколегованої сталі (див. рис. 1б).
Результати втомних випробовувань приведені в табл. 3, а на рис. 12 представлена відповідна крива втоми зварних з’єднань шпильки.

 


Таблиця 3. Результати втомних випробовувань зварних модельних зразків з низьколегованої сталі 09Г2С

зразка Характеристики циклу
змінного навантаження Кількість
циклів до руй-
нування N
Pmax , тс Pmin , тс
1 6 0 782400
2 6 0 499800
3 6 1 623600
4 6 1 1326100
5 6 2 4080800
6 6 2 1062500
7 6 3 2873300
8 6 3 >5000000


Рис.12. Крива втоми зварних з’єднань шпильки з низьколегованої сталі
Як видно з табл. 2 та рис. 12 циклічна довговічність зразків з сталі 09Г2С має більший
розкид у порівнянні з довговічністю зварних з’єднань з сталі Ст3сп і перевищує значення 5×106 циклів змін напружень при розмахах навантажень ∆P нижчих за 3 тс.
Проведено фрактографічний аналіз місць руйнування зварних з’єднань шпильки кріплення плит БМП з верхнім поясом таврової балки. Фотографії місць злому зварних з’єднань приведені на рис. 13.

Рис. 13. Зломи зварних модельних зразків № 5 (а) та № 6 (б)
Наявність таких внутрішніх дефектів, як пори та несплавлення до 4-х разів знижує циклічну довговічність зварних з’єднань (довговічність бездефектного зразка № 5 – 4080800

 

циклів змін напружень, а зразка № 6 – 1062500 циклів змін напружень).
Особливості руйнування досліджених зразків як з маловуглецевої сталі Ст3сп так і з низьколегованої сталі 09Г2С вказують на необхідність подальшого відпрацювання технології
зварювання шпильок кріплення плит БМП з верхнім поясом таврової балки, для отримання бездефектних зварних з’єднань.
Чисельне дослідження напружено-деформованого стану шпильки кріплення плит мостового полотна з врахуванням різних типів прокладного шару
Напружено-деформований стан елементів мостового полотна у вихідному стані та під час проходження рухомого складу залежить вид прокладного шару між плитою БМП та тавровою балкою. Метою даного чисельного розрахунку було дослідження напружено-деформованого стану приварної шпильки в залежності від типу прокладного шару між плитою БМП та тавровою балкою. Тобто завдання полягало в визначенні рівнів напружень в затягнутій шпильці, які мають місце під час проходження рухомого складу. Всі чисельні розрахунки проводилися в програмному комплексі midas Civil з використанням методу скінченних елементів [2].
При проведенні чисельних досліджень були прийняті наступні положення:
– залізобетонна плита БМП мала типові геометричні розміри за [3];
– в якості прокладного шару між плитою БМП та тавровою балкою розглядалися два конструктивних рішення: транспортерна стрічка з деревиною та монолітний бетон;
– діаметр приварної шпильки 24 мм, початкове зусилля затягування 6 тс;
– осьове навантаження від залізничного транспорту 30 тс.
Досліджувалися наступні чотири прокладних шари між плитою БМП та тавровою балкою: деревина 40 мм та транспортерна стрічка 10 мм (рис. 14, а), деревина 70 мм та транспортерна стрічка 10 мм (див. рис. 14, б), монолітний бетон 40 мм (див. рис. 14, в) та монолітний бетон 70 мм (див. рис. 14, г). У всіх розрахункових схемах ширина елементів прокладного шару складала 200 мм.

 


Рис. 14. Розрахункові схеми мостового полотна з різними типа прокладного шару
Для визначення розмахів напружень (навантажень) в шпильці при різних типах прокладного шару розрахункові моделі апроксимувалися скінченими елементами у вигляді чотиригранника.
Властивості матеріалу прокладного шару (складових) мостового полотна, які були прийняті в чисельному розрахунку наведено у табл. 4.
Фрагменти розрахункових моделей наведено на рис. 15. Початкове затягування шпильки із зусиллям 6 тс задавалося у вигляді переміщення на відповідну величину, що дозволило зімітувати обтискання залізобетонної плити БМП і елементів прокладного шару. При цьому зни-ження зусиль розтягу (розвантаження шпильки) здійснювалося за рахунок прикладання розподіленого навантаження на поверхню плити БМП від тиску колеса залізничного транспорту.
В розрахункових моделях в якості граничних умов вводилася заборона лінійних та кутових переміщень вузлів на нижній поверхні прокладного шару (рис. 16).
Проведено розрахунки напружено-деформованого стану приварної шпильки при досліджуваних (рис. 14) типах прокладного шару між плитою БМП та верхнім поясом таврової балки. На рис. 17 та рис. 18 наведені ізополя напружень в приварній шпильці у вихідному стані та під час проходження рухомого складу при прокладному шарі з транспортерної стрічки і деревини та монолітного бетону, відповідно.

 

Таблиця 4. Властивості матеріалів прокладного шару між плитою БМП та верхнім поясом таврової балки
Матеріал Елемент мостового полотна Значення модуля пружності E ,
МПа Значення
коефіцієнту
Пуассона,
ν
Діапазон
значень Розрахункове
значення
Бетон Плита БМП 3×104 0,2
Бетон Елемент прокладного шару 3×104 0,2
Деревина поперек волокон Елемент прокладного шару 500…1000* 750 0,16
Транспортерна стрічка Елемент прокладного шару 7…14** 10 0,5
Сталь Шпилька 2,1×105 0,3


Рис. 15. Фрагменти розрахункової моделі при різних типах прокладного шару:
а – прокладний шар з деревини та транспортерної стрічки; б – прокладний шар з монолітного бетону

Рис. 16. Схематичне зображення граничних умов, які мали місце у розрахунковій моделі

Рис. 17. Ізополя напружень в приварній шпильці у вихідному стані (а, б) та під час проходження рухомого складу (в, г): а, в – прокладний шар з транспортерної стрічки 10 мм та деревини 40 мм; б, г – прокладний шар з транспортерної стрічки 10 мм та деревини 70 мм

Рис. 18. Ізополя напружень в приварній шпильці у вихідному стані (а, б) та під час проходження рухомого складу (в, г): а, в – прокладний шар з монолітного бетону 40 мм;
б, г – прокладний шар з монолітного бетону 70 мм
Як видно з рис. 17 а, б та рис. 18 а, б при затягуванні шпильки на 6 тс незалежно від прокладного шару між плитою БМП та верхнім поясом таврової балки в перерізі шпильки виникають напруження розтягу ≈130 МПа. Під час проходження рухомого складу напруження в шпильці зменшуються до ≈40 МПа при про кладному шарі з транспортерної стрічки та деревини, і до ≈110 МПа при прокладному шарі з монолітного бетону. При цьому із збільшенням товщини дерев’яного бруса з 40 мм до 70 мм напруження в шпильці знижуються на 7 % (див. рис. 17 в, г), а з збільшенням товщини монолітного бетону з 40 мм до 70 мм напруження в шпильці знижуються на 5 % (див. рис. 18, в, г).

Рис. 19. Схематичне зображення розмахів навантаження в шпильці при прокладному шарі з транспортерної стрічки та деревини

Рис. 20. Схематичне зображення розмахів навантаження в шпильці при прокладному шарі з монолітного бетону
Схематичне зображення розмахів навантаження в шпильці при двох типах прокладного шару між плитою БМП та верхнім поясом таврової балки показано на рис. 19 і 20.
2.3. Висновки по розділу
1. У результаті досліджень експериментально встановлена циклічна довговічність зварних з’єднань шпильки із сталі 09Г2С з верхнім поясом таврової балки виготовленої з маловуглецевої сталі Ст3сп та низьколегованої сталі 09Г2С, які отримані дугоконтактним зварюванням. Для забезпечення циклічної довговічності >5×106 циклів змін напружень зварного з’єднання шпильки з верхнім поясом таврової балки за даною технологією необхідно, щоб розмах експлуатаційних навантажень не перевищував 3 тс (при максимальному зусиллі 6 тс).
Необхідна довговічність з’єднання забезпечується при умові його без дефектності.
2. Чисельними дослідженнями напружено-деформованого стану елементів мостового
полотна у вихідному стані та під час проходження рухомого складу підтверджено, що розмах експлуатаційних навантажень в приварній шпильці суттєво залежить від прокладного шару між плитою БМП та балкою. Використання в якості прокладного шару між деревини не дозволяє забезпечити необхідну циклічну довговічність зварних з’єднань 5×106 циклів змін напружень (розмах навантажень в приварній шпильці ≈4 тс). Використання в якості прокладного шару між плитою БМП та тавровою балкою монолітного бетону товщиною 40
мм або 70 мм дозволяє знизити розмах навантажень в приварній шпильці до 1 тс, що гарантовано забезпечить циклічну довговічності зварних з’єднань 5×106 циклів змін напружень.
3. З метою запобігання появи технологічних дефектів доцільно додатково відпрацювати технологічні параметри зварювання та їх контролю для отримання якісних зварних з’єднань приварки шпильки до верхнього поясу поздовжньої балки.

 

3. Методи розрахунку ресурсу зварних з’єднань металоконструкцій
3.1. Розрахунок зварних з’єднань при статичному навантаженні з урахуванням дефектів і без дефектів
Принципи розрахунку зварних з’єднань при статичному навантаженні. Як було показано вище, умова досягнення граничного стану ( умова міцності ) має вид:
σекв.≤σгр. ст.
де σекв - напруження еквівалентні напруженому стану,
σгр. ст. - граничні напруження.
Для визначення напруження σгр. ст. розглянемо поведінку металу при його статичному навантаженні. Для цього проводиться стандартне випробування, в результаті якого одержують діаграму розтягування. На рис. 1.40 приведена діаграма характерна для пластичного металу, у даному випадку сталі. Ця діаграма добре відома з курсу "Опір матеріалів". Її аналіз побудовано на припущенні, що метал є однорідним. Реально метал не є однорідним хоча б виходячи з того, що його структура багатофазна. Розглянемо поведінку реального металу.

Рис. 1.40 Діаграма розтягування пластичного металу
На діаграмі розрізняють чотири характерних ділянки: 0-1; 1-2; 2-3; 3-4. Розглянемо напружено-деформований стан реального металу на цих ділянках. Нехай реальний метал має структуру перліт + ферит. Тоді в перший момент при навантаженні на ділянці 0-1 деформація буде концентруватися в найбільш пластичному об’ємі, тобто в зерні фериту. Ця деформація пластична і повинна була б збільшити розміри зерна фериту. Але така деформація неможлива, оскільки зерно фериту оточене більш твердими зернами перліту.
Таким чином, одночасно відбувається пластична деформація зерен фериту і пружна деформація зерен перліту. Оскільки пластична деформація зерен фериту реалізуватися не може, у зернах фериту накопичується потенційна енергія, а на ділянці 0-1 діаграми фіксується тільки пружна деформація. В міру збільшення навантаження зростає і запас потенційної енергії. Таким чином, хоча на ділянці 0-1 реально має місце пружна і пластична деформація, але в цілому метал поводиться як пружне тіло (рис. 1.41,а). Крім того, на цій ділянці для збільшення деформації необхідне пропорційне додавання зовнішньої енергії за рахунок навантаження .


На ділянці 1-2 запас потенційної енергії вже такий, що долається опір зерен перліту і ця енергія починає трансформуватися в деформацію. При цьому збільшення деформації відбувається як у результаті прикладеного навантаження так і за рахунок раніше накопиченої енергії. Тобто має місце пружно-пластична деформація і метал поводиться як пружно-пластичне тіло (рис.1.41,б).
У точці 2 починається інтенсивне виділення енергії, метал деформується без збільшення навантаження, тільки за рахунок реалізації пластичного деформування. У точці 3 запас енергії цілком вичерпаний. Тобто, на ділянці 2-3 має місце в чистому вигляді пластична деформація, і метал поводиться як пластичне тіло (рис. 1.41,в).

Рис. 1.41
Починаючи з точки 3 для збільшення деформації знову необхідна енергія за рахунок додаткового навантаження.
Таким чином, при статичному навантаженні починаючи з точки 2 у металі має місце пластична деформація, яка, по-перше, протікає без збільшення навантаження і, по-друге, приводить до вичерпання пластичних властивостей металу й утворення залишкової деформації.
Оскільки на процес пластичного деформування важко впливати, а також з огляду на те, що для більшості конструкцій утворення залишкових деформацій неприпустиме, у практиці інженерних розрахунків на міцність за граничний стан при статичному навантаженні приймається утворення в металі пластичного стану, тобто напруження в конструкції не повинні перевищувати значення межі текучості σгр. ст.≤σт.
Методика розрахунку згідно граничного стану та згідно граничних напружень. Умови утворення пластичного стану інваріантні через напружений стан наведені раніше.
Згідно євростандарту DIN 18.800, при проектуванні (розрахунках ) конструкцій повинна витримуватися наступна умова міцності:
Rd≤Sd
де Rd - розрахункове значення навантаження,
Sd - розрахункове значення напруження.
Навантаження виникає в конструкції чи в її елементах у результаті впливу нормальних сил, моментів, поперечних сил. Розрахункове значення навантаження визначається за формулою:
Rd = Fγf


де F - нормативний силовий чинник навантаження ,
γf - коефіцієнт надійності деталі (коефіцієнт перевантаження), що враховує просторову і часову розкиданість впливу силового чинника. Значення коефіцієнта γf наведене в довіднику.
Значення розрахункового напруження визначається як:
Sd = Mγm
де М - опір деталі, що залежить: від геометричних розмірів деталі (геометрична характеристика Г перерізу ), механічних властивостей металу (межа текучості металу σт) ,
γm - коефіцієнт надійності деталі, що враховує розкиданість величин опору (коефіцієнт умови навантаження).Значення коефіцієнта γm наведене в довіднику.
Геометричною характеристикою перерізу Г може бути площа поперечного перерізу А у випадку впливу нормальної сили, чи момент інерції перерізу I або момент опору W у випадку дії моменту.
В загальному випаду умова граничного стану прийме вид:
Fγf≤Гγm σт
Запишемо цю умову для випадку дії нормальної сили N, тоді Г = А:
Nγf≤Aγm σт
Перепишемо цю умову як:
(N/A) = σт(γm/γf)
де (N/A) = σ – напруження в деталі,
σт(γm/γf) = R
R - розрахунковий опір металу. Тоді умова міцності буде мати вид:
σ≤ R
Аналогічну залежність можна одержати й у випадку навантаження згинальним моментом М. Тоді геометричним фактором опору буде момент інерції I або опору W перерізу, тобто:
Mγf≤Wγm σт
M/W≤ σт(γm/γf)
Таким чином, в загальному випадку умова досягнення граничного стану, тобто умова відсутності пластичних деформацій буде мати вигляд:
σ≤ R

У тих випадках, коли неможливо визначити коефіцієнти γm і γf застосовують методику складання умови міцності, приймаючи за критерій досягнення граничного стану так звані граничні напруження. Умова міцності записується у вигляді нерівності σ≤[σт]

де [σт] – граничні напруження
[σт] = σт/К
де К - коефіцієнт запасу міцності, К>1. Якщо елемент працює на зріз, то умова міцності в загальному виді буде:
τ≤Rзр;
τ≤[τ];
Rзр = 0,65R;
[τ] = 0,65[σ]
Тобто, принципово, розрахунок за граничними напруженнями нічим не відрізняється від розрахунку за граничним станом, оскільки в обох випадках критерієм міцності є значення межі текучості. Відмінність полягає тільки в мірі зниження цієї величини.
Призначення граничних напружень або розрахункового опору для зварних з'єднань. Беручи до уваги той факт, що зварні з'єднання характеризуються наявністю механічної неоднорідності (м'який прошарок) яка знижує характеристики міцності зварного з'єднання, а також з метою забезпечення однакової міцності зварного з'єднання і основного металу, значення розрахункових опорів і граничних напружень для зварних з'єднань приймають:
Rзв = kR;
[σ]зв = k[σ]
де k - коефіцієнт зменшення значень розрахункових опорів і граничних напружень для зварних з'єднань (k≤1 ) Він залежить, в основному, від технології зварювання. Деякі значення для Rзв і [σ]зв в наведені в довіднику.
3.2. Розрахунок зварних з’єднань при циклічному та динамічному навантаженні з урахуванням дефектів і без дефектів
Значна частина руйнування металоконструкцій викликається втомою зварних з'єднань під впливом перемінних у часі навантажень. Частка руйнувань внаслідок втоми продовжує зростати, складаючи приблизно 30% загального числа передчасних ушкоджень і відмовлень зварних металоконструкцій.
Основні положення міцності і довговічності металів при перемінних навантаженнях залишаються справедливими й у відношенні зварних з'єднань.
Разом з тим, останнім властиві такі специфічні особливості, як характерна форма з'єднань і швів ( наявність концентраторів напружень, неоднорідність напруженого стану), неоднорідність

механічних властивостей, можливість виникнення при зварюванні технологічних дефектів, значні залишкові напруження.
Основні характеристики циклічного навантаження. Циклічне (багаторазове) навантаження супроводжується періодичною зміною напружень, сукупність послідовних значень яких за один період їх зміни при регулярному навантаженні називається циклом напружень. (рис. 1.82).
Основними характеристиками циклу напружень є:
Період циклу (Т) – час одного циклу напружень.
Максимальне напруження циклу (σmax, τmax) – найбільше за алгебраїчним значенням напруження циклу.
Мінімальне напруження циклу (σmin, τmin) - найменше за алгебраїчним значенням напруження циклу.

Середнє напруження циклу (σm, τm)– постійна (позитивна або від’ємна) складова циклу напружень, яка дорівнює алгебраїчній полусумі максимального і мінімального напруження циклу
σm = (σmax + σmin)/2
τm = (τmax + τmin)/2
Амплітуда напружень циклу (σa, τa) – найбільше числове позитивне значення змінної складової циклу напружень, що дорівнює піврізниці максимального і мінімального напружень циклу
σa = (σmax + σmin)/2
τa = (τmax + τmin)/2
Розмах напружень циклу (2σa, 2τa) – алгебраїчна різниця максимального і мінімального напружень циклу.
Kоефіцієнт асиметрії циклу напружень (R) – відношення мінімального напруження циклу до максимального
Rc = σmin/ σmax
Rτ = τmin/ τmax

В залежності від коефіцієнту асиметрії циклу напружень (R) розрізняють такі цикли напружень (рис. 1.83)
Симетричний цикл напружень — цикл, у якого максимальні і мінімальні напруження однакові за абсолютним значенням, але протилежні за знаком (для г R= -1).
Асиметричний цикл напружень – цикл, у якого максимальні і мінімальні напруження мають різні абсолютні значення (для а - ∞≤R≤1, для ж -1≤R≤0 ).

Знакозмінний цикл напружень – цикл напружень, що змінюються за величиною і за знаком ( для в - ∞≤R≤1, для д -1≤R≤0).
Віднульовий цикл напружень – знакопостійний цикл напружень, що змінюються від нуля до максимуму ( для б R= - ∞для е R=0 ).
Втома металів. Для визначення напружено-деформівного стану металу, кінетики розвитку пружнопластичного деформування і оцінки умов досягнення його граничного стану при циклічному навантаженні використовують діаграму циклічного деформування. На рис 1.76 представлена схема такої діаграми для знакозмінного навантаження. Ділянка ОА діаграми відображає пружнопластичне деформування металу до заданого програмою випробування напруження межі σ0≥ текучості σ0,2 (точка А). В точці А починається розвантаження і має місце пружне деформування до напруження σl0,2 (межа текучості при стисканні). При досягненні напружень σl0 (точка С )починається пружне розвантаження в області стискання до точки D. Ділянка діаграми АВС відповідає першому півциклу навантаження, а ділянка СD - початку другого півциклу. Діаграма ОАВСD в цілому це діаграма циклічного деформування за перший цикл навантаження. Відрізок ВD- циклічна пластична деформація за перший півцикл, а відрізок ОD = ∆eпл - накопичена в першому циклі одностороння пластична деформація, з реалізацією якої під час великої кількості циклів пов’язують руйнування внаслідок втоми, тобто як результат вичерпання пластичних властивостей металу.

Рис. 1.84 Діаграма циклічного деформування при знакозмінному навантаженні

Найчастіше руйнування внаслідок втоми зароджується в мікро- або макрооб’ємах, де в процесі циклічного навантаження має місце пружнопластична деформація металу. ( в окремих зернах з високою пластичністю, наприклад в зернах фериту, в зонах концентрації напружень та інш.). Втома матеріалів і зварних з'єднань — процес багатостадійний. Він починається з поступового нагромадження необоротних фізико-механічних змін у матеріалі, що викликають утворення мікротріщин. Потім деякі з них при своєму подальшому розвитку утворять макротріщину. Макротріщина на певній стадії свого поширення викликає повне руйнування виробу, елемента чи конструкції . Зовнішній вигляд руйнування внаслідок втоми також істотно відрізняється від розриву, що викликаний статичним навантаженням. Руйнування звичайно починається з поверхні металу і відбувається без видимої попередньої макропластичної деформації, сліди її виявляються лише в окремих зернах. За своєю раптовістю і небезпекою руйнування від втоми порівнянне тільки з миттєвим крихким. В зламі від втоми виділяють три основні зони: чисто зону від втоми, які характеризується наявністю макро-і мікросмуг втоми , що спостерігаються в електронному мікроскопі; зону змішаного руйнування (як результат локальних руйнувань попереду тріщини), яка складається з крихких ділянок і смуг втоми, і зону долома.
На відміну від статичного руйнування виробу руйнування від втоми дуже чутливе до стану поверхні металу, концентрації напружень, залишкових напружень. Подряпини, тріщини, опіки від зварювальної дуги, корозійні ушкодження істотно змінюють опір утоми матеріалу. Різкі зміни перетину елемента, різного роду вирізи, отвори, переходи зварних швів на основний метал, дефекти металу швів — потенційні місця передчасного зародження тріщин від втоми.
Опір металів циклічному навантаженню. Одним з основних показників опору втоми є циклічна довговічність N — число циклів напружень чи деформації, витриманих об’єктом (зразком, елементом, виробом), що навантажується до утворення тріщини від втоми певних розмірів (довжини, глибини) чи до повного руйнування. Зв'язок між максимальними напруженнями (деформаціями) циклу (σmax i εmax ) або розмахами напруження (деформації) (2σa i 2εa) і циклічною довговічністю, встановлений за параметром середнього напруження циклу (тобто при σa = const) чи за параметром коефіцієнта асиметрії циклу напружень (Ra = const) і наведений графічно, являє собою криву втоми (рис. 1.85).

Рис. 1.85 Повна крива втоми.
У напівлогарифмічних координатах чи логарифмічних крив у втоми зазвичай апроксимують двома відрізками прямих: одним крутопадауючим, іншим – горизонтальним.
Крива втоми (крива Велера) є основною характеристикою опору матеріала чи зварного з’єднання в пливу перемінних напружень. На кривій втоми розрізняють дві ділянки. Ділянка АВ – область руйнування при порівняно в исоких рівнях напружень (від до , внаслідок дії яких руйнування ма є місце при обмеженій кількості циклів навантаження (від 100 до 105 ). Ця обдасть зветься мадоцикловою. При порівняно низьких рівнях напружень (ділянка ВСD ) утворення макротріщин і повне руйнування зразків відбувається після дуже великого числа циклів нав антаження, аж до 107 ....108 циклів і біль ше. Ця область називається багатоцикловою.
Прийнято вважати, що вона починається від 5 x104 циклів змін напружень. У районі 2 x 106 циклів крива втоми біль шості сталей і зварних з'єднань починає переходити в горизонталь (СD). Напруження , що відповідає горизонтальній ділянці кривої втоми, служить найважливішим її параметром — границею витривалості (витривалість – здатність чинити опір втомі). Напруження нижче не призводять до руйнування від втоми при як завгодно великому числі циклів навантаження.
Опір багатоцикловому руйнуванню. Для оцінки характеристик опору втомі при багатоцикловому навантаженні (число циклів 104 ...105 ) прийнято в икористовувати значення границі ( межі ) витривалості - напруження, що відповідають точці
перелому кривої втоми NG (див. рис. 1.77 ). В машинобудуванні прийнято NG = 2 циклів. При подаль шому збіль шенні кі лькості циклів навантаження значення границі витривалості практично не змі нюється, тобто = const. Беручи до уваги, що в машинобудуванні конструкції проектуються для експлуатації при N NG, як критерій міцності використов ують саме значення границі витривалості. На значення впливає багато факторів в тому числі і обумовлені зварюванням.
Вплив деяких факторів на опір втомі зварних з’єднань. Характер циклічного навантаження. З метою в ивчення границь витривалості в за лежності від характеристики циклу навантаження будують так звану діаграму в итривалості Сміта, подану у схематизованій формі на рис.1.86.
Рис.1.86 Діаграма Сміта.
Вона дає можливість на підставі експериментального в изначення границі
витривалості при симетричному циклі , елементарно по діаграмі знайти границі
витривалості при будь-якому циклі . Обґрунтуванням до цього служить положення, що для ряду матеріалів руйнування визначається головним чином діапазоном змін напружень у той час як постійна складова не має істотного
вплив у. Діаграма може бути використана до того, як абсцис
відкладаються значення середніх напружень циклу , по осі ординат — напруження і . Під кутом 45° до осі абсцис проводиться пряма.
Амплітуди відкладаються симетрично щодо цієї прямої. Прямі перетинаються в точці К, що характеризує цикл із нескінченно малою амплітудою. Умовно приймають, що ця точка відповідає межі міцності . відрізок ОА виражає значення границі витривалості при симетричному циклі. При цьому 0. У біль шості випадків користуються ділянкою діаграми з напруженнями, що не перевищують границі текучості . З точки D з координатами проводять горизонтальну пряму до перетинання з прямою АК у точці N. Цю точку проектують на пряму А'К (точка М).
Ламана лінія АNОМА' в иражає схематизовану діаграму втоми в межах пружних деформацій. Відрізок ВC виражає значення границі в итривалості при пульсуючому циклі . Проведемо з точки О пряму під довільним кутом до осі абсцис, тоді

За цим відношенням для заданого циклу R знаходять . Точка Р визначає значення границі витривалості при заданому циклі навантаження.
У машинобудуванні нерідко границю витривалості зварних з'єднань при циклі R визначають у такий спосіб. Експерименталь ним шляхом отримують границю витривалості при циклі R стандартного зразка. Визначають границю витривалості при тому же циклі проектованого зварного з'єднання . Знаходять відношення

. Перебудовують діаграму Сміта в масштабі витривалості для будь-якого циклу R.

по ній визначають границю

На рис 1.87. показана діаграма залежності від характеристики циклу R.
Рис.1.87
Оскільки найменше значення при симетричному циклі (R= -1), то випробування на втому проводять саме для цього циклу навантаження.
Концентрація напружень від зварювання. Як було показано, джерелом концентрації напружень у зварних з'єднаннях є форма з'єднання і різного виду зварювальні технологічні дефекти. Під концентрацією напружень розуміють місцеве підвищення напружень у зонах різкої змі ни перетину тіла, наприклад поблизу отворів, вирізів, переходів зварних швів на основний метал, дефектів металу і зварних з'єднань. Кількісно концентрація напружень у пружній області оцінюється теоретичним коефіцієнтом концентрації , що залежить від геометричних параметрів концентратора:
, ,
де — максимальні напруження в зоні концентрації; — номі нальні напруження.
Фактичне зниження границь витривалості зразків чи елементів конструкцій під впливом концентрації напружень (на прикладі нормальних напружень) оцінюється ефектив ним коефіцієнтом концентрації напружень
,
де — границя витривалості гладкого зразка; — теж саме, для зразка з концентратором напружень.
Границі в итривалості зварених зразків помітно нижче відповідних значень, отриманих на зразках основного металу зі штучними концентраторами напружень у тому ж діапазоні зміни коефіцієнта (рис. 1.88).

Рис. 1.88

З підвищенням рівня концентрації напружень зростає різниця між границею витривалості зразка з надрізом і границею в итривалості зварного з'єднання. Ця різниця може досягати значення 50—80 МПа і бути порівнянною з падінням опору втомі, яке викликається концентрацією напружень, обумов леною тільки геометрією концентраторів зварного з'єднання. Отже, вплив концентрації напружень як одног о з основних факторів, що в изначають довговічність з'єднань, в иявляється в сполученні з дією інших факторів — насамперед залишкових зварювальних напружень.
Залишкові зварювальні напруження. Після зварювання в зварному з'єднанні утворюються залишкові напруження з різною інтенсивністю компонентів напруженого стану. Значення залишкових напружень в окремих точках може досягати величини границі (межі ) текучості.
У сталях залишкові напруження дуже стабільні в часі. Їхня релаксація протікає вкрай повільно і складає кі лька відсотків. У той же час значення і розподіл залишков их напружень істотно змі нюються під в пливом зовнішнього навантаження. Високі рівні залишков их напружень, що розтягують, приводять до появи пластичних деформацій у зоні шва навіть при незначному зов нішньому навантаженні, викликаючи змі ну в ихідного поля напружень.
Виконані дослідження на основі неруйнуючого ультразв укового методу контролю напружень показали, що в багатоцикловій області навантаження змі на залишкових напружень відбувається, головним чином, при першому циклі навантаження. Наступні цикли викликають значно менші змі ни, і рівень залишков их напружень можна вважати практично сталим. Сталий рівень залишкових напружень залежить від значень і характеру розподілу вихідних залишкових напружень, амплітуди й асиметрії циклу зовнішнього навантаження, а також концентрації напружень, обумов леної типом з'єднання і формою шва.
За схемою ідеаль но пружного-пластичного матеріалу після першого циклу зовнішнього навантаження залишкові напруження в зоні концентратора складуть
,
а при відсутності концентратора
.
Якщо біля краю гладких пластин залишкові напруження розтягу зменшуються до нульових значень при , то в зонах концентраторів, наприклад при =2,5, для цього досить рівня напружень, рівного 0,4 (рис.1.89). Подаль ше підв ищення

зовнішнього навантаження, особливо у випадку дуже гострих концентраторів, приводить до формування стискаючих залишков их напружень

Рис. 1.89
У рамках прийнятої розрахункової моделі другий і наступний цикли навантаження при тому ж рівні номі нальних напружень будуть проходити при пружному деформуванні матеріалу по всьому перетину зварного елемента і не приведуть до змі ни залишков их напружень у зварних пластинах з концентраторами і без них. У дійсності цикли навантаження, що мають місце за першим, приводять до незначної змі ни залишкових напружень. Це обумов лено, мабуть, недосконалою пружністю матеріалу, а також можливою змі ною його в ластивостей з ростом числа циклів навантаження. Оскільки така зміна невелика (зв ичайно не перевищує 10—30 МПа), то в інженерних розрахунках кількістю циклів можна зневажити.
При циклічному навантаженні зварного з'єднання рівень напружень у зоні зварного шва під впливом вихідних залишкових напружень змі нюється. Унаслідок цього змінюється й опір утоми зварного з'єднання. При наявності концентраторів напружень і зі зниженням рівня зовнішніх навантажень залишкові напруження підсилюють свою дію. У дослідженнях, виконаних у ІЕЗ ім. Е. О. Патона АН України, роль залишков их напружень розтягу, оцінювалася шляхом зістав лення крив их втоми однотипних зразків з високими і низькими залишковими напруженнями. У зонах концентраторів напруження наводилися шляхом виконання наплавлень або точковим нагріванням. В обох випадках залишкові напруження в зонах концентраторів досягали межі текучості основного металу. У зразках з отворами межа в итривалості на базі 2 x10е циклів унаслідок вплив у залишков их напружень зменшилась вдвічі. Приблизно таке ж зниження опору втоми під впливом залишкових напружень спостерігалося і при в ипробуванні зварних зразкі в.
Виявилося, що довговічність для зразків з невисокими залишковими напруженнями набагато біль ша ніж для зразків з високими вихідними залишковими напруженнями.
В усі х дослідженнях спостерігалася та ж сама закономірність: при напруженнях 180...200 МПа, тобто близьких до межі текучості основ ного металу, опір втоми зразків з високими залишковими напруженнями був практично однаковим. Зі зниженням рівня перемінних напружень дія залишкових напружень підсилювалася і рівною мірою знижувалася довговічність зварних і незварних зразків.
Неоднозначність прояву залишкових зварювальних напружень на різних рівнях навантаження зв'язана з їхньою релаксацією і неоднаковими сталими значеннями на кожному з цих рівнів. При рівнях номінальних напружень, близьких до границі витривалості, значення сталих залишкових напружень у зонах концентраторів зварних з'єднань досить високі. У цих умовах залишкові зварювальні напруження істотно знижують опір втомі

з'єднань. З ростом зовнішнього навантаження рівень сталих залишков их напружень унаслідок їхньої релаксації зменшується. У результаті цього відбувається зближення кривих втоми з'єднань із залишковими напруженнями розтягу і без них.
З тих же причин роль залишков их напружень зменшується з підвищенням асиметрії циклу зовнішнього навантаження. Найбіль шою мірою вплив залишков их напружень на опір втомі зварних з'єднань в иявляється при симетричному циклі навантаження. З ростом значень коефіцієнта асиметрії циклу різниця границь витривалості зварних з'єднань із залишков ими напруженнями і без них зменшується. Інтенсив ність впливу залишкових напружень розтягу залежить також від характеру передачі зусилля і виду напруженого стану. Про це, зокрема, можна судити за результатами дослідження на вигин і в игин із крутінням зварних зразків Концентрація напружень і залишкові напруження у них створювалися швами, що перетинаються.
Зіставлення границь витривалості зразків у в ихідному стані, після нормалізації і високого відпуску показує, що при плоскому напруженому стані (в игин із крутінням),
коли головні напруження мають різні знаки, вплив залишкових напружень позначається сильніше, ніж при лінійному напруженому стані (в игин). У той же час в плив концентрації напружень біль ше в иявляється при вигині, ніж при чистому зсуві.
Таким чином, ступінь впливу залишкових напружень розтягу залежить від виду з'єднання, асиметрії циклу, напруженого стану і характеру передачі зусиль. У ряді випадків цей вплив може бути порівняний з ефектом концентрації напружень.
Неоднорідність механічних властивостей. Зварні з’єднання характеризуються значною неоднорідністю механічних в ластивостей в напрямку перпендикулярному шв у, яку прийнято зображувати у вигляді м’якого або твердого прошарку. Численні дослідження опору зварних з’єднань втомі показали, що хімічна, структурна, механічна неоднорідності, пов’язані з утворенням зварних швів практично не впливають на границю в итривалості з’єднань з низьковуглецевих, низьколег ованих та високоміцних сталей при багатоцикловому навантаженні.
Розрахункова оцінка опору втомі. Розрахункову оцінку опору втомі проводять двома шляхами — за граничними напруженнями і за коефіцієнтом запасу міцності.
Згідно першої методики умову міцності складають використов уючи значення амплітудних напружень циклу, тобто:
і ,
де , - максималь не номіналь не значення амплітуд напружень при навантаженні, і - границя в итривалості для циклу з характеристикою R.
Як і у в ипадку статичного навантаження введемо в умов у міцності (за нормальними напруженнями ) коефіцієнт запасу міцності n 1 і помножимо чисельник і знаменник на ( межа текучості )
.
Оскільки , і позначаючи , перепишемо цю умов у як:

При одночасному в иникненні нормальних s і дотичних напружень t еквівалентна амплітуда може бути в изначена по формулі
По суті ми маємо умову міцності для випадку статичного навантаження, але значення граничних напружень зменшене на коефіцієнт 1 завжди ). Тобто коефіцієнт - це коефіцієнт зменшення граничних напружень при багатоцикловому навантаженні по відношенню до статичного навантаження, який для певного металу
залежить від значення границі витривалості .
Отже, при розрахунках на втому при багатоцикловому навантаженні основ ним
завданням є в изначення коефіцієнта зниження граничних напружень , який в основному залежить від значення границі в итривалості . Аналіз факторів, що впливають на границю в итривалості показує, що домінуючими з них є характер циклічного навантаження, наявність концентрації напружень і механічні в ластивості металу (голов ним чином ). Сучасні методики розрахунку дозволяють оцінити їх вплив кі лькісно. Інші фактори маловпливові або їх в плив кі лькісно неможливо оцінити .
Згідно стандартної методики для багатоциклового навантаження
,
де а і в – коефіцієнти, що залежать від конце нтрації напружень (ефективного коефіцієнта концентрації напружень ) і в ластивостей металу (класу сталі), R – характеристика циклу навантаження. Значення коефіцієнтів а і в в изначають за додатком 4.

У додатку 5. наведені приклади розподілу елементів по групах в залежності від ефектив ного коефіцієнта концентрації напружень .
Згідно іншої методики міцність при циклічному навантаженні оцінюється величиною коефіцієнта запасу nr шляхом порівняння його з граничним значенням r.
Умова міцності має в ид
.
Для практичних розрахунків рекомендуються наступні формули визначення коефіцієнта запасу міцності
за нормальними напруженнями
,

за дотичними напруженнями
,
де , - коефіцієнт в пливу асиметрії циклу,
К е, К е– ефективний коефіцієнт концентрації напружень з урахуванням особливостей зварного з’єднання (таблиця 2.7. ), , – амплітуда пульсуючого циклу (визначається за діаграмою Сміта ); .
При одночасній дії нормаль них і дотичних напружень коефіцієнт запасу визначається за формулою
.
Заходи підвищення опору втоми зварних з’єднань. Майже усі способи підвищення опору втомі зварних з’єднань спрямовані на зменшення в пливу концентрації напружень. На практиці в икористовують наступні заходи.
Поверхнева обробка зварних швів. Вона має за мету забезпечення плав ного переходу металу шва до основного металу. Цю операцію виконують, застосовуючи механічну обробку або аргонодугов у, чи повітряно-плазмов у обробку.
Механічна обробка в иконується ручним абразив ним інструментом чи спеціальними фрезами. Випуклість стикового шва знімається повністю або ретель но обробляється перехідна зона. Після такої обробки концентрація напружень відсутня майже повністю. Границя в итривалості зварних з’єднань встик після механічної обробки різко зростає і практично досягає рівня границі в итривалості основного металу.
Ефективність механічної обробки значно менша у випадку обробки таврових з’єднань і з’єднань внакладку. Підвищити опір таврових з’єднань на 5...25% можливо лише у випадку, коли з’єднання виконані з повним проваром кореню шва з одночасним забезпеченням плав ного переходу шва до основного металу. Механічна обробка мало ефектив на для з’єднань внакладку з лобовими швам и.
Аргонодугова і повітряно - плазмова обробка полягають в утворенні плав ного переходу від шва до основного металу шляхом оплав лення границь шва неплавким вольфрамовим електродом в середовищі аргону без присадкового дроту. У порівнянні з механічною обробкою аргонодугова обробка має практично однакову ефективність.
Ефективність повітряно-плазмової обробки не відрізняється від аргонодугової.
Термообробка (високий відпуск ). Цей в ид оброки застосов ують головним чином для зменшення негативного вплив у залишкових напружень розтягу у зонах поблизу концентраторів, що утворились внаслідок зварювання. Найбіль ш ефектив на термообробка у випадку навантаження симетричним циклом, а зі зростанням значення R (характеристики циклу, зменшення асиметрії ) ефектив ність термообробки падає.
При високих значеннях R термообробка внаслідок падіння міцності металу може
призвести і до зниження опору втоми. З зростанням концентрації напружень (з’єднання внакладку, таврові з’єднання зі швами, що безпосередньо передають навантаження ) різниця між границями в итривалості з’єднань, що пройшли термообробку і без такої, зменшується.
Одноразове або вібраційне навантаження конструкцій. Воно полягає у короткочасному навантаженні конструкції навантаженням, що перебіль шує робоче з метою зменшення залишкових напружень розтягу особливо поблизу концентраторів. Таку обробку рекомендують використов увати замість термообробки для крупногабаритних конструкцій ( резервуари, підкранові балки і інші). Ефективність способу залежить від значення напружень від перевантаження, типу зварного з’єднання та часу обробки ( для вібраційної обробки).
Поверхневий наклеп. Поверхневе пластичне деформування швів і прилеглих до нього зон призводить до підвищення опору втомі зварних з’єднань до рівня опору основного металу. Цю операцію в иконують за допомогою спеціального пневматичного бойкового інструменту, застосовуючи вибухов у локаль ну обробку або прокатку роликами. Крім наклепу, така локаль на обробка викликає утворення на поверхні, що обробляється, напружень стиску, які позитивно впливають на опір втомі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4. Поєднання процесів зварювання та паяння для ремонту і підвищення експлуатаційних характеристик рамник конструкцій при циклічному навантаженні
4.1. Вплив заліковування тріщин мідними сплавами на міцність рамних конструкцій
Необхідно відзначити, що найбільш прогресивний напрямок збільшення довговічності та експлуатаційних властивостей деталей машин полягає в комбінуванні технологій зварювання та заліковування тріщин, які утворились в процесі експлуатації. Пропонується використовувати для цього супутніх до зварювання технологій. Це дозволяє найбільш повною мірою задовольнити сучасні запити практики.
Даний підрозділ присвячений вивченню та дослідженню можливостей реалізації процесу зміцнення пошкоджених рам шляхом заліковування тріщин заповненням їх розплавами міді та розробці методів поєднання зварювання з паянням припоями на основі міді.
Для проведення експериментальної частини досліджень виготовлено сталеві зразки (рис. 4.1) з тріщинами та установку (рис. 4.2), яка дозволила реалізувати технологію запаювання тріщин сплавами на основі міді [122].

Рисунок 4.1 – Креслення дослідного зразка

Рисунок 4.2 – Схема установки для відновлювального зміцнення:
1 – деталь, 2 – флюс 3 – мідний лист, 4 – підставка, 5 – камера нагрівання, 6 – трубка для підведення захисного газу, 7 –заглушка, 8 – затискач, 9 –термопара
Деталі з тріщинами 1 запаковували в мідний лист 3 і розміщували на керамічній підкладці 4 у камері 5, нагрівання якої проводилось постійним струмом через затискачі 8. Пропускання аргону через камеру нагрівання 5 проводилось через трубку для підведення захисного газу 6 та отвір у заглушці7. Температура нагрівання камери вимірювалась термопарами та фіксувалась.
Для усунення негативного впливу розбіжності у температурах плавлення, різниці в теплопровідності і теплоємності між залізом та міддю, високої спорідненості міді до кисню, її високої рідкотекучості, схильності до пористості та появи крихкої евтектики Сu + Сu2O, процес відновлювального зміцнення проводився в захисному середовищі аргону. Обробка тривала 1 годину при плавному збільшенні температури до 1200°С. Після відновлювального зміцнення проводились випробування зразків на розрив.
Фізико-хімічні властивості Сu та Fe близькі (будова кристалічної решітки, атомні радіуси і т. д.), що дає можливість отримання сполук міді (мідних сплавів) з залізом (сталлю) [86]. При кімнатній температурі залізо з міддю утворює тверді розчини заліза в міді (ε-фаза, вміст Fe ≤ 0,2%), міді в α- залізі (0,3% Сu) і суміші цих розчинів (α + ε). Розчинність міді в α-залізі менша, ніж у γ-залізі. При 20 °С за рівноважних умов у α-залізі розчиняється менше 0,3% Сu. При 850 °С максимальна розчинність міді в δ-, γ- і α-залізі становить відповідно 6,5, 8 і 1,4%. Розчинність заліза в міді зменшується зі зниженням температури з 4% при 1094 °С до 0,4% при 750 °С, а при 650 °С падає до 0,2% і з подальшим зниженням температури змінюється незначно.

 

Процес контактування сталі з рідкою міддю (мідними сплавами) супроводжується міжкристалітним проникнення міді в сталь (МКП). Механізм МКП пояснюється на основі уявлень про адсорбційне зниження міцності, міжзернову корозію і дифузію під впливом поля напружень, розклинювальну дію рідкої міді [93]. На рисунку 4.3 показано заповнені мідним сплавом тріщини у вигляді «клинів», що мали місце на дефектній поверхні відновлюваної деталі. Глибина залікованих тріщин сягає кількох міліметрів.

Рисунок 4.3 – Міжкристалітне проникнення міді в сталь
Вважається, що це істотно знижує механічні властивості сталі (σ0,2, σв, σ-1, δ) і, особливо, пластичні. Для перевірки запасу міцності зони з тріщиною нами проведено випробування на розривну міцність зразків з тріщинами після заліковування тріщин мідними сплавами. Виявлено, що руйнування зразків, що піддавались обробці, відбувалось поза зоною зміцнення (рис. 4.4).

Рисунок 4.4 – Зразки після випробування на розрив


У технічно чистому залізі аустеніт існує в інтервалі температур 910– 1401° C; а у вуглецевих сталях – при температурах не нижче 723°C. У легованих сталях аустеніт може існувати і при набагато нижчих температурах. В сталях, що містять інші метали (крім заліза, леговані сталі), атоми металів заміщають атоми заліза в кристалічній решітці і виникає твердий розчин заміщення. Для вуглецевих сталей, що використовувались в експерименті, легувальні елементи пропонується вводити у вигляді порошку, що додається до флюсу.
Нікель, наприклад, стабілізує аустенітну фазу. Присутність нікелю у кількості 8–10% призводить до того, що аустенітна фаза зберігається і при кімнатній температурі.
Присутність хрому та нікелю при плавленні міді у контакті зі сталлю або при зварюванні сплавів на мідній основі у зоні сплавлення спричиняє утворення прошарків кристалізаційного і дифузійного характеру.
При переході в зону сплавлення значної кількості хрому утворюються, так звані, дендритні кристалізаційні прошарки. Чим більше дендритних включень перейшло на границю сплаву, тим більш висока його міцність і тим менша пластичність дифузійного шару. Розглядаючи фазову будову кристалізаційних прошарків можна сказати, що вони представляють собою пересичений твердий розчин α-заліза. Причому, дендрити заліза мають вигляд витягнутих кристалів, розташованих перпендикулярно напрямку тепловідведення при зміцненні.
Регулювання складу та кількості легувальних елементів у флюсі дозволяє керувати механічними властивостями поверхневих шарів. Так границя сплавлення між сталлю і міддю з включенням фази, збагаченої хромом та міддю, в залежності від часу обробки, може сягати 200 мкм (рис. 4.5), і змінювати форму від ідеально рівної до помітно хвилястої (рис. 4,6). Причому, кількість міді в складі γ-фази складає 7% мас. З боку сталі, що примикає до межі, розмір зерна збільшується в межах зони з шириною 1...2,5 мм. Мікротвердість зони сплавлення досягає 580...620 кгс/мм2. Крім того, відомо [101], що в системах з таким вмістом міді спостерігається підвищення ступеня гетерогенності за рахунок утворення додаткової фази на основі міді (ε-бронзи).
Погіршує взаємну розчинність заліза і міді наявність у сталі вуглецю, а покращує марганець і кремній. Марганець знижує критичну точку А3 і розширює область α-твердого розчину, в якому мідь розчиняється в значно більшій кількості, а кремній розкислює зварювальну ванну і зміцнює зерна твердого розчину.


Рисунок 4.5 – Розміри границі сплавлення між сталлю і міддю

Рисунок 4.6 – Мікроструктура границі сплавлення
Аналізуючи вплив поверхневого дифузійного легування з одночасним запаюванням втомних тріщин на довговічність, було встановлено, що основна дія поверхневого зміцнення полягає в затримці розвитку тріщин.
4.2. Комбінованні технології ремонту тріщин рамних конструкцій
Необхідно відзначити, що найбільш прогресивний напрямок збільшення довговічності та експлуатаційних властивостей рам автомобілів полягає в комбінуванні технологій ремонту тріщин, які утворились в процесі експлуатації, методами зварювання з різними процесами зміцнювальних технологій. Це дозволяєповною мірою задовольнити сучасні запити виробництва.
Підсилення та ремонт зон рам з зародженими тріщинами можливе шляхом встановлення (приварювання) додаткових елементів. Така технологічна схема ремонту забезпечує необхідні характеристики міцності, але її недоліком є ослаблення металу в зоні температурного впливу та зменшенням у цій зоні корозійної стійкості. Дані недоліки можна усунути шляхом використання технології, яка поєднує процеси зварювання та паяння. Технологія передбачає використання припоїв з необхідною

 

температурою плавлення для підвищення міцності зварних з’єднань внапуск, а також підвищення корозійної стійкості навколошовної зони. Особливістю є те, що припій встановлюється між основними елементами, які зварюються, та розплавляється за рахунок тепла, що виділяється в процесі зварювання [123] (рис. 4.7).


Рисунок 4.7 – Спосіб зварювання внапуск
Дослідженнями [124, 125] встановлено, що відновлення та зміцнення сталевих конструкцій шляхом заліковування пошкоджень сплавами на основі міді забезпечує гальмування тріщин, помітно збільшує їх живучість.
В якості припоїв для проведення експериментів нами використано мідь ГОСТ 859–66 та сплави міді з цинком, марганцем та іншими елементами. Мідь у чистому вигляді в розплавленому стані характеризується високою рідкотекучістю, добре змочує поверхню сталей, твердих сплавів, нікелю та нікелевих сплавів; затікає в найтонші капілярні зазори і дає міцні та пластичні паяні з'єднання.
Мідно-цинкові припої є подвійними сплавами міді та цинку в різних співвідношеннях. Діаграма стану сплавів системи мідь – цинк наведена на рис. 5.8. Найбільш цікавими є сплави, що містять менше 34% Zn і мають однофазну структуру α-твердого розчину. Зі збільшенням вмісту цинку пластичність припоїв знижується, викликаючи окрихчування паяних з'єднань.
а) б)


Рисунок 4.8 – Діаграма стану сплавів системи: а) мідь – цинк; б) мідь – марганець
Поряд з добрими технологічними властивостями як припою, мідно- цинкові сплави мають високу корозійну стійкість [126]. Припої, що мають структуру a-твердого розчину, зберігають достатню міцність навіть в умовах низьких температур. Недоліком цих припоїв є випаровування цинку від високих температур, що погіршує умови роботи з ними.
Припої на основі сплавів міді з марганцем мають порівняно низьку температуру плавлення, достатньо високу міцність і пластичність. Припої цієї системи не набули поширення, але вони дуже перспективні, так як паяні ними конструкції мають більш високу міцність на температурах 500 – 600 °С в порівнянні зі з’єднаннями, які запаяні мідно-цинковими припоями.
На кафедрі технології підвищення зносостійкості ВНТУ розроблено спосіб зварювання внапуск, який передбачає розміщення паяльного матеріалу на основі міді між деталями, що зварюються, в зоні температурного поля, де забезпечується його розплавлення (див. рис.4.7). На спосіб отримано патент на корисну модель [123].
Необхідною умовою реалізації описаного вище способу є обґрунтований вибір чи розрахунок параметрів процесу зварювання-паяння, при яких відбудеться повне розплавлення припою і утворюватиметься якісне з’єднання деталей.
Для цього необхідно визначити: режими зварювання, враховуючи товщину профілю рами в зоні приварювання hо та накладки hн; склад паяльного матеріалу; товщину hп та ширину b смужки припою; її віддаль від зварного шва a, в залежності від глибини проплавлення та геометрії шва в поперечному перетині. Допустимий зазор між деталями регламентується ГОСТ 5264–80 та залежить від товщини деталей і може становити до 2 мм, чого достатньо для встановлення паяльного матеріалу.
Визначення оптимальних режимів комбінованого зварювання доцільно проводити методом моделювання процесу із використанням спеціалізованого програмного забезпечення на основі кінцево-елементного аналізу. Розроблено модель, яка дозволила аналізувати в часі теплові поля в процесі зварювання та охолодження деталі, а саме визначати зміни температур в різних точках об‘єму матеріалу деталі та припою.
Перевірка адекватності та настроювання моделі виконувались шляхом проведення натурного експерименту [127]. За аналогічною схемою вимірювались температури в точках Т1-Т5 моделі по довжині пластини припою і точках Т5-Т10 по її ширині (рис.4.9).


Рисунок 4.9 – Модель для визначення параметрів процесу зварювання-паяння
Розроблена комп’ютерна модель конструкції у вигляді двох пластин товщиною 5 мм та смужки припою 5х1мм і заданих режимів зварювання дозволила отримати термограми для вказаних точок (рис. 4.10). З графіка видно, що температура в точці Т1 є мінімальною і досягає значення 932 °С на третій секунді після початку зварювання. Для забезпечення повного розплавлення припою його температура плавлення повинна бути дещо меншою.

Рисунок 4.10 – Температури у точках навколошовної зони (модельні розрахунки)
Для вибору припою доцільно використати діаграму стану, з якої видно, що така температура є достатньою для розплавлення припою із концентрацією компонентів, що відповідає області діаграми стану сплаву Cu- Zn, розташованої праворуч від лінії Сп.І (див. рис. 4.8 а). У випадку використання припою на основі міді з марганцем слід обрати сплав із проміжку між лініями Сп. II-III (див. рис. 4.8 б).
Для розплавлення припою із заданою концентрацією компонентів, у відповідності до експлуатаційних вимог, змінювали (розраховували) режими зварювання (силу


струму, швидкість, кут нахилу електроду). У випадках, коли повне розплавлення припою за рахунок тепла, що виділялось при зварюванні, ставало неможливим, конструкція попередньо підігрівалась. Макрошліфи з‘єднань, отриманих при різних режимах, наведені на рисунку 4.11. У всіх випадках мідь повністю розплавилась, заповнивши проміжок між деталями зі сторони зварного шва.

Рисунок 4.11 – Макрошліфи паяно-зварних з‘єднань

а) б)
Рисунок 4.12 – границі сплавлення між сталлю і міддю: а) із сторони зварного шва; б) із протилежної сторони від зварного шва
Мікроструктурний аналіз зони сплавлення між сталлю і міддю показав наявність чіткої границі без включень і несплавлень. У деяких випадках виявлено взаємопроникнення металу зварного шва і припою (рис. 4.12 а). Проте, таке перемішування локальне, не поширюється у глиб зварного шва і, тому, не впливає на механічні властивості з‘єднання. Інший край мідного припою (рис. 4.12 б), за рахунок високої рідкотекучості та сил поверхневого натягу, розтікається на певну відстань по поверхні сталі, тим самим забезпечуючи їй додатковий корозійний захист.
Для визначення запасу міцності зразків, заварених за описаною вище технологією, нами було проведено випробування на розривній машині. Оскільки чітких стандартів щодо проведення випробувань зварних з’єднань внапуск знайдено не було, вирішено використати відомі методики випробувань, що подібні з умовами роботи конструкції, описані в [112]. Схеми випробовувань показано на рисунку 4.13.


Рисунок 4.13 – Схеми випробувань: а- зсув, б- позацентровий розтяг

Рисунок 4.14 – Границі сплавлення між сталлю і міддю
В результаті випробувань на зсув встановлено, що руйнування усіх зразків відбувалось поза зварним швом та зоною запаювання, у зоні температурного впливу. У випробуваннях на позацентровий розтяг виявлено, що руйнування місця зпаювання має в’язкий характер, відбувається по криволінійній поверхні і, в деяких місцях, проходить по основному металу деталі без руйнування припою, що свідчить про високу міцність такого з‘єднання.
Разом з тим, при використанні технології зварювання з супутнім паянням для ремонту не виключена можливість попадання мідного припою в зварний шов. Тому нами проведено дослідження впливу такого легування зварного шва на зміну механічних властивостей, а саме на показники ударної в‘язкості зварних з‘єднань. Такого роду інформація є досить важливою при реалізації зварювання-паяння, оскільки потрібно знати як зміняться властивості зварного з’єднання в результаті попадання до нього припою та сил адгезії, що виникають при розплавленні припою.
В даній роботі виконані дослідження впливу вмісту міді в шві на ударну в'язкість зварених зразків. Визначення ударної в’язкості проводили за ГОСТ 9454-78. Легування шва проводили шляхом розміщення мідного припою у вигляді смужки між зварними деталями, яка в процесі зварювання розплавлялась (рис. 4.15). Кількість міді у зварному шві регламентувалась шириною пластинки припою і коливалась в межах до 4%.


Рисунок 4.15 – Схема легування шва
Зварювання проводили на прямій полярності електродом УОНИ 13/45 та в середовищі вуглекислого газу дротом Св 08Г2СА.
Наявність мідного припою не погіршувало процесу зварювання і не змінювало формоутворювання шва та його геометрії. Дослідження кратерів, що навмисне не заварювались при ручному дуговому зварюванні, показало наявність в центрах поодиноких дефектів (пор, дрібних тріщин) у місці підтікання припою. При напівавтоматичному зварюванні в середовищі СО2 мали місце магістральні тріщини, що заходили на певну відстань в зварний шов. Тому, зварювання в середовищі СО2 не рекомендується застосовувати, а подальші випробування таких зразків не проводились.

а) б)
Рисунок 4.16 – Кратер зварного шва: а) ручного дугового зварювання; б) напівавтоматичного в середовищі СО2.


Після зварювання проводили виготовлення зразків для визначення ударної в’язкості та супутньо проводили макроаналіз поперечного перерізу зварних швів, який показав повне розплавлення припою у зразках з вмістом міді до 2%. На межі 2% виявлено ледь помітне випотівання міді по кореню шва. Із збільшенням частки міді її надлишки накопичуються в корені шва, заповнюючи зону непровару. На всіх зразках не виявлено дефектів.

а) б) в)
Рисунок 4.17 – Макрошліфи швів з часткою припою в зварному шві: а) 0.68%; б) 2.05%; в) 2.09%.
Випробування на ударну в'язкість проводилися на маятниковому копрі моделі 2010 КМ – 30 з енергією удару 300 Дж. Значення ударної в'язкості для зразків, заварених без припою та з різною кількістю припою, наведено в табл. 4.1
Таблиця 4.1 – Значення ударної в'язкості

Об'ємна частка припою % 0 0,68 1,36 2,05 2,73 3,41 4,09
КС зразка №1, кГ•м/см2 5,4 3,4 3 2,4 3,8 2,2 4,4
КС зразка №2, кГ•м/см2 4,4 3,4 1,6 3,8 3,6 1 5,8
КС зразка №3, кГ•м/см2 5,6 2,2 3,6 3,4 3 7,8 2,8
Середнє значення 5,13 3 2,73 3,2 3,47 3,67 4,33

Із усередненого графіку (рис. 4.18) видно, що із збільшенням частки припою у зварному шві до 1,36% відбувається зменшення ударної в'язкості. Проте, із подальшим збільшенням частки припою показники ударної в'язкості зростають.


Рисунок 4.18 – Залежність ударної в’язкості зварного шва від об’ємної частки припою у ньому
Кількість введеного припою обмежувалась можливістю його повного розплавлення. При повторенні експерименту із збільшенням вмісту мідного припою до 8% руйнування відбувалось не по зварному шві, а по зоні термічного впливу і коливалося в межах 4,6 ... 5,1 кГ•м/см2.
4.3. Інженерна методика виконання робіт з підсилення або ремонту рамних конструкцій
В умовах масового виробництва машин (транспортних, технологічних або спеціального призначення) практично неможливо достатньо точно оцінити та врахувати умови експлуатації та зовнішні фактори впливу на конструкцію. Крім того, виникає необхідність у встановленні додаткового обладнання, що створює навантаження, які не були враховані в проекті серійної машини. Такі обставини змушують розглядати питання можливості реалізації поставлених задач або розробки заходів щодо підсилення окремих ділянок несучої системи.
Для забезпечення якісного підсилення рам засобів транспорту запропоновано тристадійний алгоритм:
1. Моделювання рамної конструкції та оцінка навантажень з визначенням проблемних ділянок на основі використання комп’ютерної техніки та пакетів прикладних програм (ППП).
2. Вибір виду та параметрів елементів підсилення (накладок) та структури технологічного процесу їх встановлення.
3. Розрахунки параметрів та реалізація технологічних процесів підсилення рамних конструкцій транспортних засобів.
Перша стадія може проводитись без залучення транспортного засобу і складається з етапів:

- На основі технічної документації, схем, креслень та баз данних будується 3D-модель рами транспортного засобу. Для її побудови можна використати переважну більшість CAD-систем, зокрема КОМПАС-3D, AUTOCAD, SolidWorks або модуль програм кінцево-елементного аналізу. Після закінчення побудови моделі, її необхідно зберегти у одному із форматів, що розпізнає програма кінцево-елементного аналізу, наприклад igs, sat чи x_t.
- Для використання побудованої моделі в подальших розрахунках особливо важливим є виділення місць дії силових впливів та їх напрямів, що виникають в процесі експлуатації (зони рами з експлуатаційними навантаженнями). Практично це місця кріплення кузова, елементів підвіски, додаткового навантажувально-розвантажувального обладнання тощо.
- Для подальших досліджень 3D-модель рами імпортується в середовище пакету прикладних програм (ППП) кінцевоелементного аналізу. Матеріалам, з яких виготовлені елементи моделі, автоматично присвоюються стандартні фізико-механічні властивості. Тому на даному етапі необхідно корегувати властивості матеріалу деталей, що аналізуються, (густину, коефіцієнти теплопровідності, міцність, модулі пружності тощо) або обрати матеріал із бази даних програми із наперед визначеними властивостями.
- Після створення твердотільної моделі генерується її кінцево- елементний аналог, тобто сітка вузлів та елементів. Кількість скінчених елементів, на які розбивається 3-D аналог деталі, впливає на тривалість розрахунків програми і, найголовніше, на точність отриманих результатів. Більш детальне розбиття деталі, тобто більша кількість скінчених елементів, підвищує точність розрахунків, проте значно збільшує час їх виконання.
- Проводиться визначення навантажень, яким піддається конструкція рами в типових умовах експлуатації. Кількість варіантів типових умов експлуатації відповідає кількості задач, що необхідно розв’язати в середовищі ППП.
- Результатом розв’язку цих задач є картини полів напружень та деформацій рами в типових умовах експлуатації. Вона дає можливість робити висновки про величину та знак напружень, що виникають в матеріалі рами, а також виділити зони, які працюють з мінімальним запасом міцності.
На даному етапі пропонується виконати підготовчі операції (за необхідності), очищення та дефектування визначених зон рам. Дефектування пропонується проводити із застосуванням оптичної, флуоресцентної, ультразвукової та іншої апаратури. За наявності дефектів рамної конструкції у вигляді тріщин їх пропонується ремонтувати.
- З врахуванням попередньо отриманих даних про поля напружень визначають форму (переріз) та розміри елементів підсилення. Форма обирається таким чином, щоб забезпечити повне перекриття зон, які працюють з граничними навантаженнями і мінімізувати залишкові напруження від зварювання. Це досягається за рахунок вибору оптимального перерізу профілю, та забезпечення округлень контурів.
- Після визначення параметрів елементів підсилення визначають структуру основних операцій підсилення. На цьому етапі приймаються рішення про необхідність дублюючих елементів підсилення, схему їх приварювання, необхідність корозійного захисту тощо
Розрахунки режимів приварювання елементів підсилення пропонується проводити з врахуванням умов експлуатації та структури технологічного процесу встановлення.
- Виявленні в процесі діагностування тріщини заварюються. Для цього проводять підготовку тріщин до заварювання, яка, за необхідності, включає такі операції: забезпечення доступу до місця зварювання, виправлення та закріплення у правильному положенні елементів рами автомобіля, визначення видимого кінця тріщини, свердління отворів по кінцях тріщини та розроблення крайок тріщини. Тріщину необхідно засвердлювати у вершині свердлом діаметром 3 мм, розроблення крайок тріщини проводити під кутом 60˚ на глибину до половини товщини матеріалу деталі, також проводити зачистку крайок тріщини шириною 20 мм сталевою щіткою. Під час заварювання наскрізних тріщин на конструкціях рам з товщиною стінки більше 8 мм їх обробляють Х-подібно. Заварювання тріщини рекомендується виконувати електродуговим зварюванням електродами УОНІ 13/55 ГОСТ 9467-75 на постійному струмі при зворотній полярності.
- У випадку дублювання приварюваних накладок для підсилення рекомендується реалізувати технологію попереднього і супутнього підігрівів. Для цього накладки встановлюють таким чином, щоб відстань між їх контурами становила близько 20 мм, а приварювання проводять короткими швами у шаховому порядку. Довжина шва визначається товщиною стінки рами. Для рам з товщиною стінки 5 мм і потужністю процесу зварювання 20 Вт/мм2 довжина однієї ділянки шва повинна становити не більше 100 мм, при збільшенні товщини на 1 мм довжину ділянки шва необхідно зменшувати на 10 мм. Час зміни положення зварювальника при цьому незмінний і складає 30 секунд.
- Шляхом використання раціональної техніки виконання зварювальних робіт можливо отримати залишкові напруження, які будуть частково компенсувати експлуатаційні. Це реалізується, наприклад, шляхом вибору бокового кута нахилу електрода під час виконання з’єднань внапуск. Він може змінюватись в межах 30...60° і частково визначає характер залишкових напружень після зварювання. Тому, якщо зварювання проводять на профільованих ділянках з напруженнями розтягу, кут нахилу повинен бути близьким 30˚або 60˚, з напруженнями стиску – 45˚.
- За необхідності додаткового підсилення ділянки рами, де виконують зварювання, та забезпечення її корозійного захисту, під час встановлення накладок, пропонується використовувати зварювання з супутнім паянням. Для цього за схемою, показаною на рис. 4.7, встановлюється смужка припою паралельно до зварного шва. Товщина смужки припою обирається в межах 0,5 ... 1,5 мм в залежності від рекомендованого гостом зазору. Ширина смужки визначається можливістю її розплавлення в процесі зварювання і залежить від матеріалу припою (температури плавлення, теплопровідності), режиму зварювання, товщини стінок рамної конструкції і елементів підсилення тощо.
- Для випадку приварювання накладки товщиною 5 мм в таблицях 4.2, 4.3 наведені дані щодо вибору ширини смужки припою, яка залежить від кута нахилу електроду та товщини стінки рамної конструкції. Товщина смужки припою при цьому становить 1 мм, потужність зварювання 37 Вт/мм2. Зварювання проводити електродом діаметром 4 мм на постійному струмі прямої полярності.

 

Таблиця 4.2 – Ширина смужки припою з Тпл=800 ˚С

Кут α˚ Товщина стінки лонжерона рами, мм
5 6 7 8 9 10 12
Ширина смужки припою з Тпл=800 °С, мм
30˚ 5,2 4,5 3,8 3,5 3,2 3 3
35˚ 5,3 4,6 3,9 3,5 3,2 3 3
40˚ 5,4 4,7 4,1 3,6 3,2 3 3
45˚ 5,6 4,8 4,2 3,6 3,2 3 3
50˚ 6 4,9 4,5 3,7 3,2 3 3
55˚ 6,6 5,1 4,8 3,8 3,3 3,1 3
60˚ 8,2 6,5 5,3 4 3,4 3,1 3

Таблиця 4.3 – Ширина смужки припою з Тпл=600 °С

Кут α˚ Товщина стінки лонжерона рами, мм
5 6 7 8 9 10 12
Ширина смужки припою з Тпл=600 °С, мм
30˚ 9,2 7,1 6,7 6,2 5,7 5,2 5,1
35˚ 9,5 7,6 6,9 6,3 5,8 5,2 5,1
40˚ 10 8,4 7,2 6,4 6 5,3 5,1
45˚ 10,5 9 7,6 6,8 6,3 5,4 5,1
50˚ 11 9,7 8 7,3 6,6 5,5 5,2
55˚ 12 10,3 8,9 7,9 6 5,7 5,2
60˚ 13 12 10 8,5 7,6 6 5,2

Для більшої товщини стінок вузла рами розрахунки не проводились, оскільки ширина смужки припою, що може бути розплавлена, практично не змінюється.
Після ремонту та підсилення ушкодженої ділянки рамної конструкції провести контроль якості виконаних робіт.

Далі наведено приклад виконання робіт з ремонту та підсилення рамної конструкції. Діагностуванням небезпечних з позиції виникнення пошкоджень ділянок виявлено дефект у вигляді поперечної тріщини, яка починалася від крайки нижньої полиці вузла рами і проходила до його середини.
Тріщина заварювалась згідно наведеної вище технології (рис. 4.19). Після заварювання тріщини встановлювали підсилювальну накладку (рис. 4.20), товщина якої становила 6 мм. В загальному випадку товщина накладок може коливатись в межах 2-8 мм, в залежності від конструкції, що ремонтується, та умов її роботи.
Накладку встановлювали симетрично відносно завареної тріщини. Перед встановленням накладки зварний шов зачищали, а на накладку встановлювали пластинки припою. Накладку в зборі прихоплювали в 3-4-х місцях і потім приварювали за описаною вище технологією.


Рисунок 5.19 – Заварена тріщина

Рисунок 4.20 – рамний вузол з привареною накладкою
Протягом експлуатації транспортного засобу проводились систематичні огляди відремонтованої ділянки рами. Після 4 років роботи, а це біля 300 тис. км. пробігу, встановлено, що розроблена технологія забезпечує високу міцність відремонтованих конструкцій.

 

 

4.4. Витривалість нових та відремонтованих рамних конструкцій
Випробовування рам в зборі та їх окремих вузлів і деталей знакозмінним вигином або знакозмінним крученням здійснювалося, головним чином, на стендах з використанням резонансного принципу. В окремих випадках навантаження здійснювалося за допомогою гідропульсаційних установок.
Для перевірки ефективності різних способів ремонту були обрані два найбільш часто виникаючі дефекти: тріщина в середній частині поздовжньої балки від вигину і тріщина поздовжньої балки від кручення в вузлі першої поперечки.
Ушкоджені тріщинами рами умовно поділили на 2 групи. При ремонті першої групи рам використали технологію заварювання тріщин з дотриманням рекомендацій описаних в підрозділах 3.2-3.3.
Дефекти другої усували за такою технологією: визначали границі тріщини; просвердлювали отвори діаметром 5 мм на відстані 10 мм від видимої границі тріщини по лінії її напрямку; зачищали поверхні по обидва боки тріщини на ширині 20 мм наждачним кругом з гнучким валом; обробляли кромки тріщини під кутом 90° на глибину 4 мм; заварювали тріщини електродами УОНИ-13/55, діаметром 3 мм і постійним струмом силою 110-120 А; зачищали шов врівень з основним металом; приварювали трикутну накладку електродом тієї ж марки діаметром 5 мм при силі постійного струму 200-220 А.
Крім того, для частини рам першої і другої групи використовували технологію зварювання з супутнім паянням.
Рами в зборі після усунення пошкоджень в середній частині поздовжніх балок (лонжеронів) випробовували на стенді за методикою, описаною в розділі 2. Результати випробовувань та величини прикладених навантажень занесені в таблицю 4.4.

Таблиця 4.4 – Результати випробувань на стенді

Випробувані рами Рамний вузол максимальна напруга циклу,кг/мм2
згин максимальна напруга циклу,кг/мм2
кручення Кількість циклів до руйнування,
2 Відремонтована, зміцнена супутнім
запаюванням 17,5 2,0 753
1 21,0 3,5 1852
2 Відремонтована, зміцнена не 17,5 2,0 607
1 21,0 3,5 1281
2 Відремонтована, зміцнена не 17,5 2,0 816
1 21,0 3,5 1107
2 Відремонтована, зміцнена не 21,0 3,5 920
1 17,5 2,0 1452
2 Відремонтована, зміцнена супутнім запаюванням 21,0 3,0 1192
1 17,5 2,0 1867
2 Відремонтована, зміцнена супутнім запаюванням 17,5 2,0 920
1 21,0 3,5 1590,0
1 Нова 18,5 3,5 2364,1
1 Нова
Перша ступінь випробування 18,0 3,5 1500,0
Друга ступінь випробування 22,5 4,5 513,3
1 Нова
Перша ступінь випробування 18,0 3,5 1467,7
Друга ступінь випробування 22,5 4,5 561,6

Якщо ж порівняти довговічність відремонтованих і нових балок, то виявиться, що за умов виконання усіх рекомендацій, запропонованих вище, ресурс рами вдається збільшити на 70-72%.
Аналіз даних таблиці 4.4 утруднений через те, що перетин нових балок і балок відремонтованих був неоднаковий. Для полегшення аналізу, дані таблиці 4.4 представлені у вигляді діаграми (рис. 4.21), в якій висота стовпчиків пропорційна кількості циклів до руйнування.

 

Рис. 4.21 – Напрацювання нових та відремонтованих рам
З діаграм видно суттєву перевагу нових балок 13, 14 15, хоча їх випробовування, як було зазначено, проводилось при більш важкому режимі навантаження. Та, мабуть, при однаковому режимі випробування ця перевага виявилося б більш чіткою, як ми це помітили при розгляді результатів випробування на кручення. Разом з тим, на діаграмі добре виявляється перевага відремонтованих і зміцнених запаюванням балок 1, 2, 3 (у I групі) і 7, 8, 9 (в II групі) у порівнянні з такими ж незміцненими балками 4, 5 і 6 (у I групі) і 10,11, 12 (у II групі).
В цілому, отримані результати підтверджують можливість використання розглянутих технологій на ремонтних виробництвах, разом з тим, вони показують, що зміцненням супутнім запаюванням можна істотно підвищити втомну міцність відремонтованих рам.
4.5. Висновки до розділу
Розглянута технологія заліковування тріщин мідними сплавами. Доведено позитивний вплив цього процесу на міцність та довговічність пошкоджених тріщинами сталевих деталей.
Встановлено, що заліковування тріщин мідними сплавами забезпечує необхідну розривну міцність зон сталевих конструкцій, що піддавались обробці.
Розроблено технологію та ряд практичних рекомендацій щодо використання зварювання з одночасним паянням, яке реалізується за рахунок тепла зварювальної дуги та припоїв на основі міді, для проведення ремонту поперечних тріщин рам транспортної техніки, шляхом встановлення підсилювальних накладок.

Наведена методика, що ґрунтується на використанні програм кінцево- елементного аналізу, дає можливість визначати раціональні параметри режиму зварювання з супутнім паянням.
Відновлювання та зміцнення сталевих конструкцій шляхом використання зварювання і супутнього паяння з використанням припоїв на основі міді окрім підвищення характеристик міцності такого з’єднання забезпечує корозійний захист зони термічного впливу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Висновок
У магістерській роботі розв’язано актуальну науково-технічну задачу збільшення терміну експлуатації рамних конструкцій за рахунок вдосконалення технології їх ремонту та відновлення. Теоретичними і експериментальними дослідженнями отримані такі наукові результати:
- Для виявлення розташування та розмірів ділянок рамних конструкцій, з циклічними напруженнями, що можуть викликати появу тріщин, доцільно використовувати метод кінцево-елементного аналізу. Встановлено, що об’єм матеріалу деталей, в яких виникають такі напруження, становить біля 12–14% від об’єму металу усієї конструкції рами.
- На основі проведеного комплексного аналізу типової конструкції, доведено можливість та доцільність ремонту рамних конструкцій, пошкоджених наскрізними поперечними тріщинами.
- Розроблено моделі у середовищі програм кінцево-елементного аналізу, що дають можливість чітко визначати найбільш раціональні параметри підсилюючих елементів. Для рамних конструкцій швелерного типу доцільними є накладки у формі трапеції, які, по можливості, дублюються, причому обидві мають однакову конфігурацію, а розміри відрізняються на величину, що залежить від параметрів зон термічного впливу.
- Експериментально та в середовищі програм кінцево-елементного аналізу досліджено теплові процеси ремонту рами та їх вплив на поточні напруження та деформації. Наведена методика мінімізації напружень та деформацій на етапах розробки технологічного процесу ремонтного зварювання. При проведенні перевірки адекватності результатів дослідження похибка складає менше 5%.
- З використанням розробленої моделі у середовищі програм кінцево- елементного аналізу встановлено, що відстань між зварними швами накладок, що дублюються з обох сторін пошкодженої тріщинами деталі металоконструкції, повинна визначатись в залежності від режимів зварювання та параметрів рамних конструкцій. Для дослідженої конструкції рами з товщиною 8 мм рекомендується накладати паралельні шви на відстані 20 мм.
- Дослідження теплових процесів встановлення накладок на ушкоджених ділянках рами показало концентрацію напружень біля гострих кутів елементів підсилення. Встановлено, що найбільш ефективними з точки зору формування напружень та досягнення максимальної надійності є накладки із округленням гострих кутів. Для досліджуваної конструкції необхідний радіус округлення становить 15-20 мм.
- Використання методики мінімізації напружень та деформацій на етапах розробки технологічного процесу ремонтного зварювання, що передбачає приварювання накладок короткими швами у шаховому порядку, забезпечило зниження на 15% поточних напружень і на 12% деформацій.
- Встановлено різний вплив техніки виконання швів, зокрема просторового положення електрода під час приварювання елементів підсилення, на НДС рами в залежності від її профілю. Для рам з П-подібним профілем зменшення напружень та деформацій забезпечує зварювання з кутом нахилу електроду біля 60˚.
- Доведено можливість та доцільність поєднання процесів зварювання та паяння за

- рахунок тепла, що виділяється в процесі горіння дуги. Застосування такого зварювання з використанням припоїв на основі міді для проведення ремонту поперечних тріщин рам що несуть циклічне навантаження, шляхом встановлення підсилюючих накладок, підвищує напрацювання конструкції на 15-20%.


- Відновлювання та зміцнення рам шляхом використання зварювання з одночасним паянням за рахунок тепла процесу зварювання з використанням припоїв на основі міді окрім підвищення характеристик міцності такого з'єднання забезпечує корозійний захист зони термічного впливу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Література
1. Алаи С. И. Технология конструкционных материалов / Под ред. А. Н. Ростовцева — М.: Просвещение, 2006. — 302 с.
2. Гуляев А. П. Металловедение. — М.: Металлургия, 2007. — 456 с.
3. Дьогтєв Г. Ф. Матеріалознавство. — К.: Вища школа, 2005. — 350 с.
4. Основы материаловедения / Под ред. И. И. Сидорина. — М.: Машиностроение, 2006. — 439 с.
5. Травин О. В., Травина Н. Г. Материаловедение. — М.: Металлургия, 2009. — 382 с.
6. Технология конструкционных материалов / Под ред. Г. А. Прейса. — К.: Вища школа, 2001. — 390 с.
7. Александров О.Г. та ін. «Будова та експлуатація устаткування для зварювання плавленням». Навч.
8. Гуменюк І.В. Обладнання і технологія газозварювальних робіт: Підручник / І.В. Гуменюк і Васьків . &ndash; К.: Грамота, 2005, 272 с.
9. Рыбаков В.М. Дуговая и газовая сварка: Учеб.для сред. ПТУ- 2-е изд., перероб. &ndash; М.: Вышс.шк. 1986-208 с.
10. Гушеюк І.В. Технологія електродугового зварювання: Підручник / І.В. Гуменюк, О.В. Гуменюк. &ndash; К.: Грамота, 2006. &ndash; 512 с.
11. Результати випробувань мостового переходу через ріку Нижня Терса на 251 км ПК6 (непарної колії) лінії Дніпропетровськ – Чаплине Придніпровської залізниці [Текст]. Мостовипробна станція ЦП. Київ, 2010.
12. Інструкція з укладання та експлуатації безбаластного мостового полотна (БМП) на залізобетонних плитах. Нормативно-технічне видання [Текст]. Київ, 2006. – 100 с.
13. Справочник по сопротивлению материалов [Текст] / Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. – Київ : Наук. думка, 1988. – 736 с.
14. Полимеркомпозиционный подстилающий слой под плитами безбалластного мостового полотна. Организация сотрудничества железных дорог. Памятка P 773-11 [Текст].
15. Звіт про науково-дослідну роботу «Проведення досліджень роботи приварних шпильок кріплення безбаластного мостового полотна з урахуванням сумісності металу » [Текст].
16. Линник, Г. О. Експериментальні дослідження несучої здатності повздовжніх балок залежно від типу мостового полотна [Текст] / Г. О. Линник, О. Л. Закора, В. В. Марочка // Зб. Теорія і практика будівництва. – Львів : НУЛП, 2010. – № 662. – с. 193-195.
17. Линник, Г. О. Дослідження місцевих деформацій бетонного прокладного шару при використанні мостового полотна на плитах БМП [Текст] / Г. О. Линник // Теорія і практика будівництва. – Львів : НУЛП, 2013. – № 662. – с. 293-296.


Додаток А
Project
First Saved Monday, July 02, 2012
Last Saved Thursday, September 18, 2014
Product Version 13.0 Release

Contents
• Units
• Model (A4, B4)
o Geometry
 30 gr
o Coordinate Systems
o Mesh
 Refinement
o Transient Thermal (A5)
 Initial Temperature
 Analysis Settings
 Loads
 Solution (A6)
 Solution Information
 Result Charts
 Temperature
 Probes
o Static Structural (B5)
 Analysis Settings
 Imported Load (Solution 1)
 Imported Body Temperature
 Fixed Support
 Solution (B6)
 Solution Information
 Results
 Probes
• Material Data
o Structural Steel
Units
TABLE 1
Unit System Metric (mm, kg, N, s, mV, mA) Degrees rad/s Celsius
Angle Degrees
Rotational Velocity rad/s
Temperature Celsius

Model (A4, B4)
Geometry


TABLE 2
Model (A4, B4) > Geometry

Object Name Geometry
State Fully Defined
Definition
Source H:\Ansys Vork\exp 3 ugol\KOMPAS\xt\30 gr.x_t
Type Parasolid
Length Unit Meters
Element Control Program Controlled
Display Style Part Color
Bounding Box
Length X 125, mm
Length Y 85, mm
Length Z 11, mm

Properties
Volume 85527 mm³
Mass 0,67139 kg
Scale Factor Value 1,
Statistics
Bodies 1
Active Bodies 1
Nodes 11690
Elements 5799
Mesh Metric None
Preferences
Import Solid Bodies Yes
Import Surface Bodies Yes
Import Line Bodies No
Parameter Processing Yes
Personal Parameter Key DS
CAD Attribute Transfer No
Named Selection Processing No
Material Properties Transfer No
CAD Associativity Yes
Import Coordinate Systems No
Reader Save Part File No
Import Using Instances Yes
Do Smart Update No
Attach File Via Temp File Yes
Temporary Directory F:\Documents and Settings\Administrator\Local Settings\Temp
Analysis Type 3-D
Mixed Import Resolution None
Enclosure and Symmetry Processing Yes
TABLE 3
Model (A4, B4) > Geometry > Parts
Object Name 30 gr
State Meshed
Graphics Properties
Visible Yes
Transparency 1
Definition
Suppressed No
Stiffness Behavior Flexible
Coordinate System Default Coordinate System
Reference Temperature By Environment
Material
Assignment Structural Steel
Nonlinear Effects Yes
Thermal Strain Effects Yes
Bounding Box
Length X 125, mm
Length Y 85, mm
Length Z 11, mm
Properties
Volume 85527 mm³
Mass 0,67139 kg
Centroid X 3,1338 mm
Centroid Y -2,5022 mm

Centroid Z -3,3927 mm
Moment of Inertia Ip1 409,51 kg•mm²
Moment of Inertia Ip2 867,5 kg•mm²
Moment of Inertia Ip3 1267,2 kg•mm²
Statistics
Nodes 11690
Elements 5799
Mesh Metric None
CAD Attributes
PartTolerance 0,000001

Coordinate Systems

TABLE 4

Model (A4, B4) > Coordinate Systems > Coordinate System
Object Name Global Coordinate System
State Fully Defined
Definition
Type Cartesian
Coordinate System ID 0,
Origin
Origin X 0, mm
Origin Y 0, mm
Origin Z 0, mm
Directional Vectors
X Axis Data [ 1, 0, 0, ]
Y Axis Data [ 0, 1, 0, ]
Z Axis Data [ 0, 0, 1, ]

Mesh

TABLE 5
Model (A4, B4) > Mesh

Object Name Mesh
State Solved
Defaults
Physics Preference Mechanical
Relevance 0
Sizing
Use Advanced Size Function Off
Relevance Center Coarse
Element Size Default
Initial Size Seed Active Assembly
Smoothing Medium
Transition Fast
Span Angle Center Coarse
Minimum Edge Length 1,e-001 mm
Inflation
Use Automatic Inflation None
Inflation Option Smooth Transition
Transition Ratio 0,272
Maximum Layers 5
Growth Rate 1,2
Inflation Algorithm Pre
View Advanced Options No
Advanced
Shape Checking Standard Mechanical
Element Midside Nodes Program Controlled

Straight Sided Elements No
Number of Retries Default (4)
Extra Retries For Assembly Yes
Rigid Body Behavior Dimensionally Reduced
Mesh Morphing Disabled
Defeaturing
Pinch Tolerance Please Define
Generate Pinch on Refresh No
Automatic Mesh Based Defeaturing On
Defeaturing Tolerance Default
Statistics
Nodes 11690
Elements 5799
Mesh Metric None
TABLE 6
Model (A4, B4) > Mesh > Mesh Controls
Object Name Refinement
State Fully Defined
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry 61 Faces
Definition
Suppressed No
Refinement 1

Transient Thermal (A5)

TABLE 7
Model (A4, B4) > Analysis

Object Name Transient Thermal (A5)
State Solved
Definition
Physics Type Thermal
Analysis Type Transient
Solver Target Mechanical APDL
Options
Generate Input Only No
TABLE 8
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Initial Condition
Object Name Initial Temperature
State Fully Defined
Definition
Initial Temperature Uniform Temperature
Initial Temperature Value 22, °C

 

 

 

TABLE 9
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Analysis Settings
Object Name Analysis Settings
State Fully Defined
Step Controls
Number Of Steps 8,
Current Step Number 8,
Step End Time 31,6 s
Auto Time Stepping Program Controlled
Initial Time Step 3,95e-002 s
Minimum Time Step 3,95e-003 s
Maximum Time Step 0,395 s
Time Integration On

Solver Controls
Solver Type Program Controlled
Radiosity Controls
Flux Convergence 1,e-004
Maximum Iteration 1000,
Solver Tolerance 0,1
Over Relaxation 0,1
Hemicube Resolution 10,
Nonlinear Controls
Heat Convergence Program Controlled
Temperature Convergence Program Controlled
Line Search Program Controlled
Nonlinear Formulation Program Controlled
Output Controls
Calculate Thermal Flux Yes
Calculate Results At All Time Points
Analysis Data Management
Solver Files Directory H:\Ansys Vork\exp 3 ugol\UGOL_files\dp0\SYS-10\MECH\
Future Analysis None
Scratch Solver Files Directory
Save MAPDL db No
Delete Unneeded Files Yes
Nonlinear Solution No
Solver Units Active System
Solver Unit System nmm
TABLE 10
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Analysis Settings Step-Specific "Step Controls"
Step Step End Time
1 3,95 s
2 7,9 s
3 11,85 s
4 15,8 s
5 19,75 s
6 23,7 s
7 27,65 s
8 31,6 s

 

 

 

 

 

TABLE 11
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Loads
Object Name Convection Heat Flux Convection 2 Heat Flux 2 Convection 3
State Fully Defined
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry 1 Face
Definition
Type Convection Heat Flux Convection Heat Flux Convection
Film Coefficient 9,e-007 W/mm²•°C (step applied) 9,e-007 W/mm²•°C (step applied) 9,e-007 W/mm²•°C (step applied)
Ambient Temperature Tabular Data Tabular Data Tabular Data
Suppressed No
Magnitude 20, W/mm² (step applied) 20, W/mm² (step applied)
Solution (A6)

TABLE 23
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution
Object Name Solution (A6)
State Solved
Adaptive Mesh Refinement
Max Refinement Loops 1,
Refinement Depth 2,
Information
Status Done
TABLE 24
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Solution Information
Object Name Solution Information
State Solved
Solution Information
Solution Output Solver Output
Update Interval 2,5 s
Display Points All
TABLE 25
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Solution Information > Result Charts
Object Name Temperature - Global Maximum Temperature - Global Minimum
State Solved
Scope
Scoping Method Global Maximum Global Minimum
Definition
Type Temperature
Results
Minimum 296,24 °C 3,928 °C
Maximum 1475,8 °C 23,852 °C
FIGURE 17
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Solution Information > Temperature - Global Maximum

 

FIGURE 18
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Solution Information > Temperature - Global Minimum


TABLE 26
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Results
Object Name Temperature
State Solved
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry All Bodies
Definition
Type Temperature
By Time
Display Time Last
Calculate Time History Yes
Identifier
Results
Minimum 23,852 °C
Maximum 1475,8 °C
Minimum Value Over Time
Minimum 3,928 °C
Maximum 23,852 °C
Maximum Value Over Time
Minimum 296,24 °C
Maximum 1475,8 °C
Information
Time 31,6 s
Load Step 8
Substep 16
Iteration Number 125

 

FIGURE 19
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Temperature

TABLE 28
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Probes
Object Name Temperature Probe Temperature Probe 2 Temperature Probe 3 Temperature Probe 4 Temperature Probe 5
State Solved
Definition
Type Temperature
Location Method Geometry Selection
Geometry 1 Vertex
Options
Display Time End Time
Spatial Resolution Use Maximum
Results
Temperature 232,39 °C 197,63 °C 156,23 °C 118,91 °C 92,203 °C
Maximum Value Over Time
Temperature 361,25 °C 209,28 °C 156,23 °C 118,91 °C 92,203 °C
Minimum Value Over Time
Temperature 22, °C
Information
Time 31,6 s
Load Step 8
Substep 16
Iteration Number 125

 


FIGURE 20
Model (A4, B4) > Transient Thermal (A5) > Solution (A6) > Temperature Probe


Static Structural (B5)

TABLE 29
Model (A4, B4) > Analysis

Object Name Static Structural (B5)
State Solved
Definition
Physics Type Structural
Analysis Type Static Structural
Solver Target Mechanical APDL
Options
Environment Temperature 22, °C
Generate Input Only No

TABLE 30
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Analysis Settings
Object Name Analysis Settings
State Fully Defined
Step Controls
Number Of Steps 8,
Current Step Number 8,
Step End Time 31,6 s
Auto Time Stepping Program Controlled
Solver Controls
Solver Type Program Controlled
Weak Springs Program Controlled
Large Deflection Off
Inertia Relief Off
Restart Controls
Generate Restart Points Program Controlled
Retain Files After Full Solve No
Nonlinear Controls
Force Convergence Program Controlled
Moment Convergence Program Controlled
Displacement Convergence Program Controlled
Rotation Convergence Program Controlled
Line Search Program Controlled
Stabilization Off
Output Controls
Calculate Stress Yes
Calculate Strain Yes
Calculate Contact No
Calculate Results At All Time Points
Analysis Data Management
Solver Files Directory H:\Ansys Vork\exp 3 ugol\UGOL_files\dp0\SYS-11\MECH\
Future Analysis None
Scratch Solver Files Directory
Save MAPDL db No
Delete Unneeded Files Yes
Nonlinear Solution No
Solver Units Active System
Solver Unit System nmm

 

 


TABLE 31
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Analysis Settings Step-Specific "Step Controls"
Step Step End Time
1 3,95 s
2 7,9 s
3 11,85 s
4 15,8 s
5 19,75 s
6 23,7 s
7 27,65 s
8 31,6 s
TABLE 32
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Imported Load (Solution 1)
Object Name Imported Load (Solution 1)
State Fully Defined
Definition
Type Imported Data
Interpolation Type Mechanical Results Transfer
Suppressed No
TABLE 33
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Imported Load (Solution 1) > Imported Body Temperature
Object Name Imported Body Temperature
State Solved
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry 1 Body
Definition
Type Imported Body Temperature
Suppressed No
Source Environment Transient Thermal (A5)
Display
Active Row 1
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Imported Load (Solution 1) > Imported Body Temperature
Step Active Source Time (s) Analysis Time (s)
1 Yes 3,95 3,95
2 Yes 7,9 7,9
3 Yes 11,85 11,85

4 Yes 15,8 15,8
5 Yes 19,75 19,75
6 Yes 23,7 23,7
7 Yes 27,65 27,65
8 Yes 31,6 31,6
TABLE 34
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Loads
Object Name Fixed Support
State Fully Defined
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry 1 Face
Definition
Type Fixed Support
Suppressed No

Solution (B6)

TABLE 35
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution

Object Name Solution (B6)
State Solved
Adaptive Mesh Refinement
Max Refinement Loops 1,
Refinement Depth 2,
Information
Status Done
TABLE 36
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Solution Information
Object Name Solution Information
State Solved
Solution Information
Solution Output Solver Output
Newton-Raphson Residuals 0
Update Interval 2,5 s
Display Points All

 

 

 

 

 

TABLE 37
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Results
Object Name Total Deformation Directional Deformation Directional Deformation 2 Directional Deformation 3 Normal Elastic Strain
State Solved
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry All Bodies
Definition
Type Total Deformation Directional Deformation Normal Elastic Strain
By Time
Display Time Last
Calculate Time
History Yes
Identifier
Orientation X Axis Y Axis Z Axis X Axis
Coordinate
System Global Coordinate System
Results
Minimum 0, mm -1,778e-002 mm -0,20716 mm -9,1687e-002 mm -4,526e-003

mm/mm
Maximum 0,24777 mm 0,20081 mm 8,4241e-002 mm 0,14942 mm 8,0829e-003
mm/mm
Minimum Value Over Time
Minimum 0, mm -3,1233e-002
mm -0,20716 mm -9,5928e-002 mm -7,4867e-003
mm/mm
Maximum 0, mm -1,4288e-002
mm -6,2362e-002 mm -7,7997e-002 mm -4,4534e-003
mm/mm
Maximum Value Over Time
Minimum 0,15647 mm 6,5165e-002 mm 7,3621e-002 mm 0,12304 mm 3,151e-003
mm/mm
Maximum 0,27634 mm 0,20081 mm 0,10564 mm 0,14942 mm 8,0829e-003
mm/mm
Information
Time 31,6 s
Load Step 8
Substep 1
Iteration Number 8
Integration Point Results
Display Option Averaged
FIGURE 25
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Total Deformation

 

 

 

TABLE 42
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Normal Elastic Strain
Time [s] Minimum [mm/mm] Maximum [mm/mm]
3,95 -4,4534e-003 3,7619e-003
7,9 -4,8386e-003 4,6921e-003
11,85 -5,1844e-003 3,7097e-003
15,8 -5,6821e-003 3,4092e-003
19,75 -6,2448e-003 3,151e-003
23,7 -7,4867e-003 3,6803e-003
27,65 -5,4586e-003 5,9525e-003
31,6 -4,526e-003 8,0829e-003

TABLE 43
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Results
Object Name Normal Stress Normal Stress 2 Normal Stress 3
State Solved
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry All Bodies
Definition
Type Normal Stress
Orientation X Axis Y Axis Z Axis
By Time
Display Time Last
Coordinate System Global Coordinate System
Calculate Time History Yes
Identifier
Integration Point Results
Display Option Averaged
Results
Minimum -1266,8 MPa -1411,2 MPa -759,34 MPa
Maximum 1740,8 MPa 240,17 MPa 620,07 MPa
Minimum Value Over Time
Minimum -1969,9 MPa -1764,7 MPa -876,16 MPa
Maximum -1081,9 MPa -1411,2 MPa -759,34 MPa
Maximum Value Over Time
Minimum 732,92 MPa 198,46 MPa 201,29 MPa
Maximum 1740,8 MPa 327,69 MPa 620,07 MPa
Information
Time 31,6 s
Load Step 8
Substep 1
Iteration Number 8
FIGURE 30
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Normal Stress

TABLE 47
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Probes
Object Name Deformation Probe Deformation Probe 2 Deformation Probe 3 Deformation Probe 4 Deformation Probe 5
State Solved
Definition
Type Deformation
Location Method Geometry Selection
Geometry 1 Vertex
Options
Result Selection Total
Display Time End Time
Spatial Resolution Use Maximum
Results
Total 6,5955e-002
mm 4,8135e-002 mm 3,4169e-002 mm 2,3375e-002 mm 1,4627e-002 mm
Maximum Value Over Time
Total 6,5955e-002
mm 4,8135e-002 mm 3,4169e-002 mm 2,3375e-002 mm 1,4627e-002 mm
Minimum Value Over Time
Total 9,4092e-003
mm 5,3884e-003 mm 3,0713e-003 mm 1,8935e-003 mm 1,0699e-003 mm
Information
Time 31,6 s
Load Step 8
Substep 1
Iteration Number 8

 

 

 

 

 

 

 

FIGURE 33
Model (A4, B4) > Static Structural (B5) > Solution (B6) > Deformation Probe


Material Data
Structural Steel


TABLE 48
Structural Steel > Constants
Density 7.85e-006 kg mm^-3
Coefficient of Thermal Expansion 1.2e-005 C^-1
Specific Heat 4.34e+005 mJ kg^-1 C^-1
Thermal Conductivity 6.05e-002 W mm^-1 C^-1
Resistivity 1.7e-004 ohm mm
TABLE 49
Structural Steel > Compressive Ultimate Strength


TABLE 50
Structural Steel > Compressive Yield Strength

TABLE 51
Structural Steel > Tensile Yield Strength

TABLE 52
Structural Steel > Tensile Ultimate Strength

TABLE 53
Structural Steel > Isotropic Secant Coefficient of Thermal Expansion

 

 

 

 


TABLE 54
Structural Steel > Alternating Stress Mean Stress
Alternating Stress MPa Cycles Mean Stress MPa
3999 10 0
2827 20 0
1896 50 0
1413 100 0
1069 200 0
441 2000 0
262 10000 0
214 20000 0
138 1.e+005 0
114 2.e+005 0
86.2 1.e+006 0
TABLE 55
Structural Steel > Strain-Life Parameters
Strength Coefficient MPa Strength Exponent Ductility Coefficient Ductility Exponent Cyclic Strength Coefficient MPa Cyclic Strain Hardening Exponent
920 -0.106 0.213 -0.47 1000 0.2
TABLE 56
Structural Steel > Isotropic Elasticity
Temperature C Young's Modulus MPa Poisson's Ratio Bulk Modulus MPa Shear Modulus MPa
2.e+005 0.3 1.6667e+005 76923

 




Комментарий:

Магистр полный, Все есть!


Рекомендовать другу
50/50         Партнёрка
Отзывы