СУДОСТРОЕНИЕ 1'2004
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ВЛИЯНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ВИБРООБРАБОТКИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННУЮ НАДЕЖНОСТЬ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Ю. А. Зимницкий, канд. техн. наук (ФГУП ЦНИИ им. академика
А. А. Крылова), В. Н. Хвалынский, канд. техн. наук
(ФГУП ЦНИИТС) УДК 629.12.011:620.17
Анализ показывает, что основной причиной эксплуатационных повреждений корпусных конструкций являются коррозионно-механические разрушения. Механизм таких повреждений может быть усталостным, коррозионно-усталостным (наиболее характерен для конструкций из сталей низкой и средней прочности), коррозионно-статиче-ским (характерен для случаев применения высокопрочных сталей при нарушении оптимальной коррозионной защиты конструкций). Эксплуатационные повреждения вызваны, как правило, влиянием двух причин: высоким уровнем локальной концентрации напряжений и деформаций при приложении эксплуатационной нагрузки и высоким уровнем остаточных напряжений, обусловленных проведением различных технологических операций при изготовлении конструкций, т. е. влиянием конструктивных и технологических факторов.
Технологические факторы оказывают существенное влияние на долговечность сварных конструкций. Если сама технология не обеспечивает требуемый ресурс, то применяют дополнительные технологические меры для его повышения, основными из которых являются [1, 2]:
снижение концентрации эксплуатационных напряжений путем механической зачистки сварных соединений или оплавления границ сварных швов вольфрамовым электродом в среде аргона, а также обязательного соблюдения оптимальных геометрических параметров сварных швов;
уменьшение влияния остаточных сварочных напряжений растяжения или создание напряжений сжатия на поверхности конструкций специальной обработкой зоны сварных соединений.
С этой целью применяют обработку поверхности дробью или с помощью много-бойковых пневматических молотков и механических быстровращающихся щеток, а также ультразвуковую обработку, повышающую предел выносливости или циклическую долговечность конструкций [3]. Количественные оценки повышения работоспособности конструкций с помощью названных методов у
разных авторов неоднозначны. Например, по данным [4], повышение предела выносливости Aor низкоуглеродистых и низколегированных сталей (при коэффициенте асимметрии цикла Ra = 0) для стыковых сварных соединений составляет величины, указанные в табл. 1.
В последнее время все более широкое применение для стабилизации размеров и снижения остаточных напряжений находит низкочастотная виброобработка (НВО) конструкций на резонансных частотах [5—7]. В работе [6] отмечается влияние НВО на стабилизацию размеров сварных конструкций из алюминиево-магниевых сплавов: уменьшаются остаточные сварочные деформации, снижается объем необходимой тепловой и холодной правки на 50—70%. Применение НВО в целях вибрационного снижения напряжений в последнее время рассматривается как альтернатива снятию напряжений термообработкой, однако ее влияние на работоспособность сварных конструкций изучено еще недостаточно. Уменьшение остаточных сварочных деформаций и напряжений еще не означает увеличение долговечности этих конструкций. В работе [8] указывается, что применение НВО недопустимо для сварных конструкций, имеющих оставшиеся незамеченными внутренние дефекты в сварных швах. При этом такие дефекты сварки могут, не препятствуя эксплуатации конструкций, резко снизить их ресурс после применения НВО. Это является серьезным недостатком применения виброобработки для стабилизации размеров и формы корпусных конструкций.
Цель настоящей работы — экспериментальная оценка влияния НВО на долговечность корпусных конструкций из применяемой в судостроении стали Д-40 с пределом текучести os = 400 МПа. Оценка проводилась на опытных конструкциях, изготовленных по принятой в судостроении технологии. Образцы представляли собой фрагмент судового перекрытия, содержащего стыковое сварное соединение, собранное и сваренное по различным вариантам технологии при различных конструктивных решениях. Габариты их были выбраны с учетом осо-
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2004
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
яаап
Рис. 1. Эскиз образца опытной конструкции:
1 — лист обшивки, 5 = 6 мм; 2 — ребро жесткости; 3 — перекрестная связь; 4, 5 — пла-тики, 5 = 10 мм; № 1, 2, 3 — обозначение шва
бенностей оборудования для испытаний на циклическую прочность (машина МП-800). Для наиболее полного моделирования технологии они были изготовлены из собранной и предварительно сваренной крупногабаритной опытной конструкции, состоящей из стального листа размерами 6х2000х6000 мм и приваренных к нему ребер жесткости из поло-собульба № 935 и перекрестной связи из полособульба № 1646 по ГОСТ 9235.
Сборка, сварка и контроль сварных соединений образцов выполнялись на «Адмиралтейских верфях» в соответствии с требованиями действующей нормативной технической документации.
Для испытаний на циклическую прочность были изготовлены образцы двух конструктивных типов (рис. 1). В образцах I типа (два экземпляра) стыки обшивки и набора были разнесены между собой, а в образцах II типа (три экземпляра) — совмещены. Сборка и сварка стыковых соединений каждого типа образцов выполнялась по двум вариантам технологии: по первому собирали и сваривали стык обшивки, затем стыки балок набора, последними сваривали недоваренные участки набора с обшивкой (образец I); во втором варианте прежде всего выполняли сборку и сварку стыков балок набора, затем сварку стыка обшивки и в последнюю очередь — сварку недоваренных участков набора с обшивкой (образец I'). Сборку и сварку частей образцов II типа (стыки обшивки и балок набора совмещены) выполняли аналогично образцам I типа (образцы II, II' и II"). Один из образцов II типа (образец II" — см. табл. 2) был подвергнут НВО до испытаний на усталость с целью повышения работоспособности. Виброобработка проводилась с помощью технологического комплекса ВТУ-600 (рис. 2) согласно требованиям [9]. Образцы испытывались на машине МП-800, и по результатам сравнения испытаний оценивалось влияние НВО на циклическую прочность корпусных конструкций.
Цикл нагружения принимался близким к отнулевому. Коэффициент асимметрии цикла составлял Ra~ 0,15. При этом сначала максимальная нагрузка (в течение первых 3500 циклов нагружения) соответствовала напряжениям в обшивке образцов ~ 280 МПа. Циклические испыта-
ния при такой нагрузке позволяют достаточно быстро выявить какие-либо скрытые дефекты, имеющиеся в конструкции. Осмотр образцов проводился через каждые 500 циклов нагружения. Далее максимальная нагрузка уменьшалась до значения, соответствующего напряжениям в обшивке ~ 220 МПа, а образцы осматривались через 1000 циклов нагружения. Частота воздействия нагрузки составляла от 5 до 8 циклов в минуту, что было близко к частоте нагружения конструкций в период их эксплуатации.
Вывод образцов на начальный уровень нагружения, а также кон-
троль за идентичностью их нагружения в процессе испытаний осуществлялся путем тензометрирования. Тензорезисторы были установлены на обшивке каждого образца в средней его части; расстояние от резистора до края обшивки 50— 60 мм (рис. 3). Из-за конструктивных особенностей испытательной машины МП-800 для симметрии нагружения одновременно испытывались два образца. При этом разность показаний тензорезисторов, расположенных на левом и правом краях образцов, не превышала 10% номинального значения деформации. В ходе испытаний фиксирова-
Таблица 2
Таблица 1 Повышение предела выносливости низкоуглеродистых и низколегированных сталей после различных видов обработки (расчетное число циклов N = 2х106)
Вид обработки AGr, %
Механическая зачистка Аргонодуговая обработка Поверхностный наклеп многобойковым устройством и т. п. Ультразвуковая ударная обработка 20—95 35—280 35—55 40—60
Результаты испытаний образцов
Тип конструкции и особенности изготовления Количество циклов, отработанных до разрушения конструкции Район разрушения
I. С разнесенными стыками обшивки и набора I'. С разнесенными стыками обшивки и набора II". С совмещенными стыками обшивки и набора, прошедший НВО 100732 89509 21500 Трещина в сварном шве захватной части образца Разрушение по основному металлу в районе сопряжения прямолинейной и криволинейной части образца из-за подреза (вырыва) Начало трещины в сварном шве соединения перекрестной связи с обшивкой, с переходом на основной металл зоны термического влияния (рис. 4)
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2004
Рис. 2. Технологическая система для проведения НВО сварных конструкций и изделий машиностроения:
1 — вибратор; 2 — пульт управления
Рис. 3. Внешний вид образца, установленного на испытательную машину
лось число циклов нагружения, соответствующее моменту, когда образец разрушится или потеряет свою несущую способность. Результаты испытаний опытных конструкций, выдержавших наименьшее количество циклов нагружения, представлены в табл. 2
Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы: циклическую прочность опытных конструкций, представляющих собой полунатурный фрагмент судового перекрытия в районе стыкового соединения и выполненных в полном соответствии с принятой технологией (образцы 1 и 1', см. табл.2) следует признать достаточно высокой, так как они выдержали не менее 90 000 циклов нагружения, что соответствует аналогичным данным ресурсных испытаний похожих конструкций (60—
Рис. 4. Трещина в сварном соединении перекрестной связи с обшивкой при наличии внутреннего дефекта шва, появившаяся при испытаниях на циклическую прочность
80 тыс. циклов нагружения), опубликованным в работе [10];
НВО может снизить циклическую прочность корпусных конструкций при наличии в сварных швах дефектов, допускаемых правилами контроля (см. табл. 2, образец 2''). Это подтверждается и известным положением о превращении пор и шлаковых включений в сварных швах в трещины и последующем их развитии до наступления водотеч-ности корпуса при действии циклических нагрузок, как это указано, например, в работе [11];
необходимо выполнить дополнительные исследования по о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.