Содержание к диссертации
Введение
Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. Применение сварки в несущих рамных конструкциях 8
1.2. Развитие дуговой точечной сварки 17
1.3. Прочность точечных соединений 23
Выводы, цель и задачи исследования 30
Глава II. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ДУГОВОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ 33
2.1. Особенности термического цикла и расчет параметров процесса сварки 33
2.2. Технология элекгродуговой точечной сварки под флюсом толстолистового металла... 43
2.3. Структура и физико-механические свойства металла шва и зоны термического влияния. 57
2.4. Стойкость металла шва и зоны термического влияния против хрупкого разрушения 66
2.5. Напряженное состояние точечного соединения 81
2.6. Контроль качества точечного соединения... 89
2.7. Оборудование для автоматической сварки... 96
Выводы 101
Глава III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ТОЧЕЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
3.1. Прочность точечных соединений 104
3.2. Некоторые факторы, влияющие на работоспособность сварных точечных соединений 112
3.3. Расчет прочности точечных соединений с учетом эффекта трения 120
Выводы 128
Глава ІV. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 129
4.1. Расчет прочности многоточечных соединений рамных конструкций 129
4.2. Напряжения в концевой части рамы железнодорожной цистерны 135
4.3. Работоспособность рамы железнодорожной цистерны при повторно-ударных нагрузках 144
4.4. Промышленное применение и экономическая эффективность технологии дуговой точечной сварки 155
Выводы 162
Общие выводы 164
Список основной использованной литературы 167
Приложение 185
- Применение сварки в несущих рамных конструкциях
- Особенности термического цикла и расчет параметров процесса сварки
- Прочность точечных соединений
Введение к работе
Перевод народного хозяйства страны на рельсы интенсивного развития требует, как указывалось на Июньском /1983 года/ Пленуме ЦК КПСС, "...создания машин, механизмов и технологий как сегодняшнего, так и завтрашнего дня".
Сварка как основной технологический процесс широко применяется в машиностроении. Несмотря на это, многие рамные конструкции тракторов, автомобилей, грузовых вагонов, цистерн, локомотивов, угольного обогатительного оборудования и т.д. выпускаются промышленностью в клепаном исполнении. Анализ производства и эксплуатации конструкций показал, что клепаные рамы быстро теряют жесткость, имеют недостаточную долговечность и обладают повышенной металлоемкостью и трудоемкостью в процессе производства. При неблагоприятном сочетании действующих нагрузок в условиях низких температур имеют место хрупкие разрушения, что снижает экономическую эффективность использования машин.
Повысить прочность клепаного соединения не представляется возможным, так как увеличение количества рядов заклепок и их диаметра приводит к еще большему ослаблению соединяемых элементов отверстиями под заклепки.
Ремонт поврежденных рам является трудоемкой и дорогостоящей операцией, а постановка усиливающих накладок ведет к увеличению массы машины.
Одним из перспективных направлений в создании долговечных и экономичных рам - применение сварных соединений вместо клепаных. Сварные конструкций сохраняют жесткость в течение всего срока службы изделия, а процесс сварки менее трудоемкий и поддается автоматизации.
В связи с интенсивным освоением районов Сибири и Дальнего Востока страны важное значение приобретает создание рамных конструкций о повышенной работоспособностью при низких температурах /минус 40...60°С/ эксплуатации. Опыт применения сварки в ответственных конструкциях, испытывающих действие динамических нагрузок, показал, что в последних происходит накопление усталостных повреждений, образование и развитие трещин. При низких температурах это приводит к хрупкому разрушению конструкций.
Решать данную проблему, по нашему мнению, целесообразно с учетом снижения трудоемкости изготовления конструкций путем использования дуговой точечной сварки. Этот способ сварки более производителен, чем дуговая сварка прерывистыми и сплошными швами. Использование автоматических установок может значительно повысить эффективность этого прогрессивного способа сварки. Кроме того, дуговая точечная сварка имеет ряд достоинств. Это относительно простое оборудование /по сравнению с контактной точечной сваркой/, несложная технология сборки и сварки, отсутствие повышенных требований к поверхностям соединяешх элементов, малые остаточные деформации /І87.
Несмотря на большое количество выполненных работ применение дуговой точечной сварки еще не соответствует возможностям и преимуществам которые может дать данный способ. Это объясняется тем, что ряд вопросов, связанных с разработкой технологии сварки толстолистовых элементов, все еще остается изученными недостаточно, а некоторые аспекты работоспособности несущих рамных конструкций в северном исполнении требуют дополнительных исследований .
Настоящая работа посвящена решению одной из актуальных задач по разработке технологического процесса дуговой точечной сварки толстолистовых элементов и созданию на его основе несу - 6 щих рамных конструкций в северном исполнении.
В работе предложен и исследован способ дуговой точечной сварки, позволяющий существенно улучшить структуру и механические свойства металла шва и околошовной зоны, снизить склонность сварного соединения к хрупкому разрушению. Разработана технология сварки толстолистовых элементов, создано оборудование для автоматической дуговой точечной сварки, разработан способ контроля качества соединения. Установлено влияние направления прокатки на ударную вязкость металла околошовной зоны и предел выносливости соединения. Рассмотрено влияние химсостава металла шва и расчетного диаметра точки на прочность соединения. Уточнен расчет многоточечных соединений толстолистовых элементов с учетом эффекта трения и разработана улучшенная конструкция консольной части рамы железнодорожного вагона с повышенной несущей способностью. Исследована прочность рамных конструкций при статических и динамических нагрузках и показано использование разработанного способа дуговой точечной сварки в рамах, соединительных балках железнодорожных цистерн и прицепов разбрасывателей органических удобрений.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- способ и технология двухцикловой дуговой точечной сварки;
- расчет прочности точечных соединений толстолистовых элементов с учетом эффекта трения;
- экспериментальные исследования статической и динамической прочности несущих рамных конструкций, выполненных с использованием дуговой точечной сварки.
Работа выполнена в Институте электросварки им.Е.О.Патона АН УССР в 1980 - 1984 гг.
Автор считает своей приятной обязанностью выразить искреннюю признательность и благодарность научному руководителю доктору технических наук А.Е.Аснису за повседневное внимание и помощь в выполнении настоящей работы.
Применение сварки в несущих рамных конструкциях
На основании работ, проведенных в указанных институтах, опубликовано большое число статей и отдельных монографий, посвященных проектированию и изготовлению сварных конструкций. Сле-дует особо отметить труды Е.О.Патона, А.Е.Асниса,С.В.Вертинского, В.А.Винокурова, Б.Н.Горбунова, Б.С.Касаткина, И.В.Кудрявцева, Г.П.Михайлова, Г.А.Николаева, Н.О.Окерблома, В.И.Труфякова и др. /5,7.10,12,64,65,66,80,96,103,104,114,115,120,139/. Благодаря этим работам широко применяются сварные конструкции ответственного назначения.
На Минском автозаводе по результатам совместных работ с И Э С им.Е.О.Патона спроектированы и серийно изготавливаются специальные большегрузные прицепы и полуприцепы грузоподъемностью до 60 тв северном исполнении. Благодаря использованию стали повышенной прочности и рационализации конструкций несущих элементов долговечность сварных рам повышена до списания транспортных средств, металлоемкость снижена в среднем на 30$, а трудоемкость изготовления уменьшилась на 25$ /"38 У.
На Ленинградском, Рижском, Калининском вагоностроительных заводах применена сварка вместо клепки для крепления упоров автосцепного устройства на рамах пассажирских вагонов /"71 У.
Как показал опыт эксплуатации замена клепаного соединения сварным повысила долговечность концевой части рамы и обеспечила безремонтность узла в течение всего срока службы вагона.
Вместе с тем, до настоящего времени, узел крепления упоров автосцепного устройства в рамах грузовых вагонов, цистерн, локомотивов, изготавливается в клепаном исполнении. Это приводит к повреждению рам /трещины хребтовых балок/, причем более 85$ всех повреждений имеют место в ее концевой части в зоне установки упоров автосцепки в сечениях,проходящих по заклепочным отверстиям. Тензометрические исследования, выполненные во ЕНИИЖГ показали, что концевая часть хребтовой балки всех основных типов грузовых вагонов не обладает достаточной прочностью при продольных нагрузках + Р = 2,5 МН, так как заклепочные соединения приводят к появлению высоких напряжений в отдельных ее зонах. Кроме того, заклепочные соединения ограничивают конструктивное совершенствование самих упоров автосцепки, а рама вагона обладает повышенной металлоемкостью и трудоемкостью в процессе производства.
Во ЕНИШТ разработана приварная конструкция упоров автосцепного устройства применительно к рамам грузовых железнодорожных вагонов. Однако конструкция упоров и крепление их угловыми швами к JL-образному сечению хребтовой балки имеет повышенную трудоемкость при изготовлении, что сдерживает их внедрение в массовое производство.
Кроме того, широкому внедрению сварки все еще препятствует склонность сварного соединения к хрупкому разрушению при низких температурах эксплуатации и относительно высокая трудоемкость изготовления рамных конструкций. Поэтому представляет интерес рассмотреть возможность применения точечной сварки, как одного из менее трудоемких способов соединения элементов, для несущих рамных конструкций. Тем более, что в отечественной и зарубежной литературе все чаще появляются сообщения о практическом применении в конструкциях кранов, турбин, котлов, судов, автомобилей, вагонов и т.д. дуговой точечной сварки /"24,30,31,76,82, 124,150,1517.
Особенности термического цикла и расчет параметров процесса сварки
Тепловое воздействие сварочной дуги на основной металл должно обеспечить надлежащее сплавление свариваемых деталей и наиболее благоприятный термический цикл для металла шва и околошовной зоны. Недостаточное тепловложение может привести к несплавлению электродного металла с вертикальной стенкой отверстия /при сварке через отверстие в верхнем элементе/, а также к образованию закалочных структур, резко снижающих прочность и стойкость сварного точечного соединения против хрупкого разрушения. Избыточный прогрев приводит к сквозному проплавленню изделия, росту кристаллитов шва и зерна околошовной зоны, что снижает стойкость соединения против хрупкого разрушения при низких температурах.
Таким образом необходимо разработать способ дуговой точечной сварки с оптимальным термическим циклом, обеспечивающим полное сплавление электродного металла с основным, отсутствие закалочных структур, а также перегрев металла шва и околошовной зоны.
Опыт эксплуатации ответственных сварных конструкций, испытывающих действие статических и динамических нагрузок, показывает, что разрушение точечных соединений /рис.2.1/ происходит, как правило, по границе сплавления в плоскости контакта соединяемых элементов /в дальнейшем называем критической областью/. Свойства металла критической области, в значительной мере, определяют прочность точечного соединения.
Улучшить структуру и физико-механические свойства критической области можно путем нормализации изделия. Однако наиболее простым способом является обеспечение оптимального термического цикла сварки в процессе формирования точки.
Разработан способ двухцикловой дуговой точечной сварки.Особенность его состоит в том, что весь процесс выполняется за два цикла. За первый цикл формируется часть объема точки /40...70 %/ /рис.2.2,а/. Сварка ведется при повышенном тепловложении /Ісв 1200 А; (7Д= 32...38 В/, что обеспечивает /при указанном ниже соотношении между диаметром электрода и отверстия/ сплавление жидкого металла с вертикальной стенкой отверстия и формирование расчетного диаметра точки. Имеет место интенсивный рост кристаллитов шва и зерна околошовной зоны. Процесс прекращается и критическая область соединения остывает до температуры окончания перлитного превращения / кг / для полного распада аустенита на феррито-лерлитную составляющую /для большинства углеродистых и низколегированных сталей эта температура составляет 600...530 С/.
По окончании паузы начинается второй цикл процесса, который протекает до полного формирования точки /рис.2.2,б/. Происходит перекристаллизация зоны А и термическая обработка остальной части соединения, причем параметры процесса сварки устанавливаются из условия нормализации участка Б, где расположена и критическая область.
Варьируя режимами сварки, продолжительностью циклов, а соответственно и расстоянием от дуги до критической области /Zt/t обеспечивается ее повторный /вторым циклом/ нагрев до температуры выше Ас3 /1000 - 1200 0/ с последующим остыванием. В критической области образуется нормализованная структура металла шва и околошовной зоны.
При образовании жидкой сварочной ванны имеет место сложная схема распространения тепла. Даже для твердого теплопроводяще-го тела возможность теоретического исследования процесса нагрева ограничивается условно принятой схемой формы изделия и характером распределения источника тепла, трудностью учета зависимости тешгафизических свойств металла от температуры, влияния случайных отклонений режима сварки от принятого расчета. Поэтому исследование термического цикла по формулам для твердого теплопроводящего тела требует обязательной проверки и корректировки в соответствии с данными эксперимента.
Прочность точечных соединений
Прочность соединений при динамических нагрузках/циклических и ударных/ является одной из основных характеристик, по которой определяют целесообразность применения того или иного способа сварки в несущих рамных конструкциях. Для решения вопроса о целесообразности применения способа двухцикловой дуговой точечной сварки в ответственных конструкциях проведены сравнительные испытания образцов из стали 09Г2Д ГОСТ 19282-73 на усталость. Образцы /рис.3.1,а/ состояли из двух элементов, соединенных между собой дуговой точечной сваркой на режимах табл.2.1 за один и два цикла.
Испытания проводили на машинах системы Н.Н.Афанасьева рис.3.1,оу, работающих по схеме чистого изгиба,при симметричном или ассиметричном цикле нагружения. К преимуществам таких машин следует отнести высокую стабильность амплитуды перемещения образцов в течение всего срока испытаний и высокую надежность в эксплуатации. Для установления заданного уровня напряжений в образцах во время испытаний обычно используется метод тензометри-рования при котором определяют деформацию крайних волокон образца механическим тензометром или тензорезисторами сопротивления /"143У. В работе для установления уровня напряжений в.образцах применялись механические тензометры. При испытании определялось число циклов до разрушения образца, база испытаний - 5.10 циклов. Разрушение соединения происходило, как правило, от границы сплавления в плоскости контакта соединяемых элементов /рис. 2.1/. Результаты испытаний показаны на рис.3.2 .
Видно, что предел выносливости при симметричном цикле нагружения образцов, выполненных за два цикла, на 20-25 % выше, чем за один цикл. Более высокая циклическая прочность точечного соединения при двухцикловой сварке объясняется однородной структурой металла шва, околошовной зоны и высокими физико-механическими свойствами критической области сварного соединения. Это позволяет рекомендовать технологию двухцикловой дуговой точечной сварки для конструкций, эксплуатирующихся при переменных нагрузках.
Для сравнения сварных и клепаных соединений дополнительно были проведены усталостные испытания образцов /рис.3.1/ на изгиб. Анализ работы заклепочных соединений позволяет заключить, что за критерий выхода конструкции "из строя" следует считать не разрушение /это крайняя мера/, а ослабление /расшатывание/ заклепок, что равноценно выходу конструкции "из строя" /"140./. Поэтому за критерий нарушения соединения с заклепками при испытании на изгиб принималось падение напряжений в образце на 10 МПа. Дальнейшие испытания не целесообразны, так как напряжения в образце падают /за счет растяжения заклепки/, а разрушение не происходит. Результаты испытаний представлены на рис.3.2, от. куда видно, что предел выносливости образцов с заклепками значительно ниже, чем со сварными точками.
