Образец для определения механических свойств зоны сплавления сварных соединений алюминиевых сплавов при усталостных испытаниях
Полезная модель относится к области сварки алюминиевых сплавов, а именно, к образцам для определения механических свойств зоны сплавления сварных соединений при усталостных испытаниях. Образец выполнен в виде пластины шириной 5-10 толщин листа по середине которой расположен сварной шов. На границе сварного шва и основного металла выполнен концентратор напряжений в виде сквозного отверстия диаметром (0,12-0,4) h, где h - толщина листа, а ось отверстия направлена под углом 20-28° относительно нормали к поверхности образца.
Заявляемая полезная модель относится к области сварки, а точнее к образцам для определения механических характеристик зоны сплавления сварных соединений, преимущественно листов из алюминиевых сплавов.
Под действием циклических нагрузок сварные соединения алюминиевых сплавов в различных зонах неравнопрочны. Для исследования механических свойств конкретной зоны сварного соединения место разрушения можно заранее предопределить выполнением концентратора напряжений в виде отверстия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели, является образец для испытаний сварных соединений на усталость (ГОСТ 25.502-79. Методы испытания на усталость. С.6. Образец У 11 с центральным поперечным отверстием. Черт.7). При выполнении такого отверстия в зоне сплавления сварного соединения трещина развивается либо по околошовной зоне (если отверстие сверлится с лицевой стороны шва),
либо по металлу сварного шва (когда отверстие выполняется с корня шва). Поэтому концентратор напряжений лишь в приповерхностных слоях совпадает с определенной по поверхности образца зоной. По мере углубления в толщину образца концентратор напряжений отходит от этого направления и последовательно пересекает другие структурные зоны соединения, что снижает объективность и точность оценки механических свойств материала в заданной зоне сварного соединения.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности и объективности оценки механических свойств металла зоны сплавления сварного соединения при усталостных испытаниях.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами: на фиг.1 - показано выполнение концентратора напряжений в виде отверстия в сварном соединении по зоне сплавления; на фиг.2 - представлено влияние диаметра отверстия на характер разрушения сварного соединения под действием циклических нагрузок при усталостных испытаниях; на фиг.3 - приведено распределение долговечности образцов из сплава 1420 при напряжении 310 МПа (1, 2 - для основного металла) и 270 МПа (3, 4 - для сварных соединений).
Заявляемый образец для определения механических свойств зоны сплавления сварных соединений алюминиевых сплавов при усталостных испытаниях выполнен в виде пластины шириной (5-10)h в рабочей части, где h - толщина основного металла 1. По зоне сплавления между сварным швом 2 и основным металлом 1 выполнен концентратор напряжений в виде сквозного отверстия 3 диаметром d (фиг.1). Ось отверстия 3 совмещена с лицевой стороны сварного соединения с зоной сплавления и составляет угол 20-28° с нормалью к поверхности образца. Затем образец фиксируется в зажимах испытательной машины и к нему прикладываются осевые усилия Р, меняющиеся во времени по величине по определенному закону.
Диаметр d и угол наклона оси отверстия 3 к нормали к поверхности образца оказывают существенное влияние на точность и объективность
оценки механических свойств металла зоны сплавления сварного соединения алюминиевых сплавов. Для сварных соединений листов алюминиевых сплавов толщиной до 10 мм установлено, что при угле наклона оси отверстия к поверхности образца менее 20° разрушение при усталостных испытаниях носит комбинированный характер - частично по основному металлу и частично по зоне сплавления сварного соединения. Получаемые значения механических свойств в этом случае ввиду указанного характера разрушения, оказываются выше, чем их реальные значения для металла зоны сплавления.
В случае угла наклона оси отверстия к нормали к поверхности образца более 28° концентратор напряжений существенно затрагивает литой металл шва и получаемые значения усталости сварных соединений оказываются меньше их реальных значений.
Ориентировочное значение угла наклона оси отверстия к нормали к поверхности образца можно оценить по значениям ширины шва В с лицевой стороны соединения и ширины b со стороны проплава = arctg (В - b)/2h
где h - толщина основного металла образца.
На характер разрушения образцов при усталостных испытаниях оказывает диаметр отверстия d. При диаметре отверстия менее 0,12 h (фиг.2а) имеет место смешанное разрушение сварного соединения по металлу зоны сплавления и металлу шва. При диаметре отверстия в пределах (0,12-0,4) h участок разрушения образцов совпадает с зоной сплавления сварного соединения (фиг.2б). Увеличение диаметра отверстия более 0,4 h сопровождается смешанным разрушением по зоне сплавления и по основному металлу (фиг.2в), что приводит к снижению точности, получаемых значений, усталости металла зоны сплавления. сварных соединений.
Таким образом, наиболее высокая точность оценки механических свойств металла зоны сплавления сварного соединения при усталостных испытаниях, достигается при диаметре отверстия в пределах (0,12-0,4) h.
Заявляемый образец был опробован при исследовании долговечности сварных соединений сплава 1420 толщиной 4 мм под действием циклических нагрузок. Сварные соединения были получены автоматической аргоно-дуговой сваркой с присадочной проволокой св.АМг63. Концентратор напряжений в виде отверстия диаметром 1,0 мм выполняли по линии сплавления либо перпендикулярно поверхности образца с лицевой стороны шва, либо под углом 20-28°, в зависимости от размеров сварного шва. Испытания проводили при малоцикловых растягивающих нагрузках с напряжением 270 МПа, что составляет 0,75 от предела прочности сварного соединения. Для оценки влияния формы концентратора напряжений были исследованы образцы из основного металла с отверстием, перпендикулярным поверхности образца и наклоненным под углом 22°. Эти образцы испытывали под действием растягивающих циклических нагрузок с напряжением 310 МПа, что составляет 0,65 предела прочности листового сплава 1420 в состоянии после закалки и искусственного старения.
Результаты испытаний показали, что направление концентратора напряжений влияет на долговечность образцов из основного металла. Образцы с наклонным концентратором выстаивают на 20-30% больше, чем с концентратором, перпендикулярным поверхности образца (фиг.3, кривые 1 и 2).
Долговечность сварных образцов с наклонным концентратором ниже, чем с прямым, так как разрушение первых происходит по зоне сплавления (фиг.3, кривые 3 и 4). Разрушение образцов с прямым концентратором частично происходит по основному металлу, механические свойства которого несколько выше, чем металла зоны сплавления.
Проведенные эксперименты показали, что значения долговечности образцов при разрушении по зоне сплавления меняются в зависимости от места нахождения концентратора. Суммарно полученные результаты представлены в таблице.
ТаблицаВлияние диаметра отверстия и величины угла наклона его оси к вертикали к поверхности образца на значения долговечности металла зоны сплавления сварных соединений сплава-1420 толщиной 4 мм | |||
Диаметр отверстия | Угол наклона оси отверстия к вертикали, град. | Число циклов до разрушения, шт. | |
d, мм | d/h | ||
0,44 | 0,11 | 0 | 26400 |
0,48 | 0,12 | 38200 | |
1,0 | 0,25 | 37800 | |
1,6 | 0,40 | 39400 | |
1,8 | 0,45 | 54600 | |
1,0 | 0,25 | 18 | 45700 |
20 | 39400 | ||
25 | 37800 | ||
28 | 37500 | ||
31 | 24300 |
Следовательно, при исследовании различных зон сварных соединений под действием циклических нагрузок концентратор напряжений в виде отверстия следует выполнять диаметром (0,12-0,4) h и выполнять под углом 20-28° к нормали к поверхности образца.
Образец для определения механических свойств зоны сплавления сварных соединений алюминиевых сплавов при усталостных испытаниях, преимущественно листов толщиной до 10 мм, в виде пластины шириной 5-10 толщин листа, по середине рабочей части которого расположен сварной шов, а на границе сварного шва и основного металла выполнен концентратор напряжений в виде сквозного отверстия, отличающийся тем, что диаметр отверстия задают в пределах (0,12-0,4) h, где h - толщина листа, а ось отверстия наклоняют под углом 20-28° относительно нормали к поверхности образца.