Прочность соединений титана ВТ1Д, выполненных точечной и роликовой сваркой

Канд. техн. наук Б.Д. Орлов, инж. П.Л. Чулошников и канд. техн. наук М.А. Эльяшева (НИАТ)

 

В настоящей работе приведены некоторые данные о прочности точечных и роликовых соединений титана ВТ1Д.

Как известно, титан ВТ1Д обладает рядом свойств, выгодно отличающих его от других материалов. Основными из этих свойств являются: относительно высокая прочность, малый удельный вес и высокая сопротивляемость коррозии. Кроме того, титан ВТ1Д хорошо сваривается точечной и роликовой сваркой на стандартном сварочном оборудовании, применяемом для сварки сталей. Исходя из перечисленных свойств титана, можно предположить, что он во многих случаях способен с успехом заменить сталь 1Х18Н9, обеспечив при этом экономию в весе конструкции. В связи с этим авторами при проведении механических испытаний сварных образцов титана ВТ1Д были испытаны аналогичные образцы из нагартованной нержавеющей стали 1Х18Н9-Н. Это позволило получить сравнительные данные по прочности сварных соединений этих материалов. В ходе работы были проведены статические и усталостные испытания сварных образцов. Типы и форма образцов были выбраны исходя из наиболее распространенных типов соединений, выполняемых точечной и роликовой сваркой. На рис. 1 приведены образцы, применявшиеся при механических испытаниях. Образцы сваривались внахлестку одной точкой (тип I а) и роликовым швом (тип I б). Образцы типа II представляли собой полосу, к которой одной точкой приваривалась квадратная накладка, и образцы типа III — две полосы, которые сваривались между собой тремя связующими точками. Для испытания сварной точки на отрыв и на скручивание применялись крестообразные образцы. Образцы для испытаний вырезались из листа ВТ1Д толщиной 1,7 мм ( кг/мм2, ) и листа 1Х18Н9-Н толщиной 1,55 мм ( кг/мм2). Точечная сварка образцов производилась на машине типа МТП-75 с прерывателем ПИТ-50, роликовая сварка — на машине типа МШП-150 с прерывателем ПИШ-100. В обоих случаях прерыватели были укомплектованы автоматическими стабилизаторами сварочного тока типа РАСТ-4а конструкции НИАТ. Это обстоятельство обеспечивало стабильное качество сварки образцов. Режимы сварки приведены в табл. 1.

 

 

Рис. 1. Типы образцов, применявшихся при статических и усталостных испытаниях точечных и роликовых соединений

 

Таблица 1

Материал и толщина, мм

Вид сварки

Сварочный ток, кА

Длительность сварочного импульса, сек

Длительность паузы, сек

Усилие сжатия электродов, кг

Форма электродов или роликов

ВТ1Д

1,7+1,7

Точечная

8,0

0,24

-

375

Сферическая, диаметр электрода 20 мм, радиус сферы 100мм

1Х18Н9-Н

1,5+1,5

8,5

0,22

-

450

ВТ1Д

1,7+1,7

Роликовая

9

0,2

0,32

500

Сферическая, радиус сферы 100мм

1Х18Н9-Н

1,5+1,5

10

0,1

0,1

600

Примечание. Листы титана ВТ1Д перед сваркой подвергались травлению. Листы стали 1Х18Н9-Н зачищались в местах сварки наждачной бумагой. Скорость роликовой сварки для титана ВТ1Д – 0,6 м/мин; для стали 1Х18Н9-Н – 0,8 м/мин.

 

Статические испытания. При испытаниях на срез одноточечных образцов (типа Iа) из титана ВТ1Д происходит вырыв точки из листа по околошовной зоне. На рис. 2 показан характер разрушения такого образца.

 

 

Рис. 2. Характер разрушения одноточечного образца (тип I а) из титана ВТ1Д при испытаниях на статический срез.

 

При испытании образцов из стали 1Х18Н9-Н сварные точки разрушались со срезом. Следует отметить, что, несмотря на значительную разницу в прочности основного металла ВИД и 1Х18Н9-Н, прочность точек на срез в обоих случаях оказалась приблизительно равной и составляла в среднем 1400…1600 кг. Последнее обстоятельство можно объяснить частичным разупрочнением нагартованной стали при сварке.

При испытании на разрыв образцов типа I б из титана, выполненных роликовой сваркой, разрушение происходило как по целому листу, так и по околошовной зоне. При этом прочность сварных соединений равна или несколько меньше прочности основного материала. На результатах испытаний сильно сказывается точность установки образца в губках разрывной машины — при наличии перекоса разрушение (вследствие малой пластичности в зоне сварки) происходит по переходной, зоне.

Разрушение образцов из стали 1Х18Н9-Н, выполненных роликовой сваркой, происходит обычно по околошовной зоне. Последнее объясняется, по аналогии с точечной сваркой, частичным разупрочнением стали в околошовной зоне.

Разрушение при растяжении образцов из титана с накладкой (типа II) и связующими точками (типа III) происходит по целому листу.

Образцы с накладкой (тип II) из стали также разрушались по целому листу за счет усиления шва накладкой.

Стальные образцы со связующими точками (тип III), как и следовало ожидать, разрушались по зоне сварки (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Разрушение точечных образцов при растяжении.

Образцы типа III из стали 1Х18Н9-Н

 

Кроме испытания точечных образцов на срез, было проведено испытание крестообразных одноточечных образцов на отрыв. Разрушение таких образцов, выполненных из титана и стали, происходило с вырывом точек по околошовной зоне. Отношение нагрузки при отрыве к нагрузке при срезе для сварных точек на образцах из титана оказалось равным 0,25, а для стальных образцов 0,60…0,63.

Данные по статической прочности сварных соединений, выполненных из титана ВИД и стали 1Х18Н9-Н, приведены в табл. 2.

 

Таблица 2

Тип соединения

Вид сварки

Материал

Напряжение в листе при разрушении, кг/мм2

Разрушающая нагрузка на точку, кг

Характер разрушения

Образец из основного металла

ВТ1Д

1Х18Н9-Н

73…80

98…100

_

По листу

Тип Iа

Точечная

ВТ1Д

34…39,5

1400…1650

Вырыв точки

1Х18Н9-Н

33…38

1440…1625

Срез точки

Тип Iб

Роликовая

ВТ1Д

77…78

По основному материалу или околошовной зоне

1Х18Н9-Н

82,5…85,5

По околошовной зоне

Тип II

Точечная

ВТ1Д

77…78

По листу

1Х18Н9-Н

96…98

Тип III

 

ВТ1Д

79

1Х18Н9-Н

95,5…99,5

По околошовной зоне

Образец для испытания сварной точки на отрыв

 

ВТ1Д

365…390

Вырыв точки

1Х18Н9-Н

950…980

 

Для оценки механических и главным образом пластических свойств литого металла ядра сварной точки было проведено испытание сварных точек на скручивание.

Испытание на скручивание позволяет определить прочность литого металла ядра сварной точки на срез при разрушении и пластические свойства этого металла.

Максимальное напряжение среза для литого металла точки 1Х18Н9-Н составляло 52…58 кг/мм2, для титана ВТ1Д 70…75 кг/мм2. Угол, соответствующий наибольшей деформации, для стали 1Х18Н9-Н был равен 24°, для титана ВИД — 3°.

Усталостные испытания. Испытания на усталость проводились при асимметричном цикле растяжения с показателем асимметрии цикла, равным

 

,

 

где  - нижний предел цикла;  - верхний предел цикла.

Испытания проводились на машинах резонансного типа с частотой 2000…2500 циклов в минуту.

Усталостная прочность определялась как отношение нагрузки, действующей на данное соединение, к площади поперечного сечения образца. База испытаний принималась равной 107 циклов. Для испытаний применялись образцы из титана ВИД и нержавеющей стали 1Х18Н9-Н (см. рис. 1).

При испытании образцов типа 1а и 1б из ВТ1Д и 1Х18Н9-Н разрушение происходит по околошовной зоне (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Усталостное разрушение образцов титана ВИД, сваренных внахлестку (тип I):

а — точечная сварка; б — роликовая сварка.

 

В процессе испытаний было установлено, что разрушение сварного точечного соединения начинается у стыка листов в местах концентрации максимальных напряжений.

В ходе дальнейших нагружений образовавшаяся трещина распространяется по околошовной зоне или по основному металлу вверх и выходит на поверхность листа. На рис. 5 дана фотография макроструктуры сварной точки титана ВТ1Д с усталостной трещиной в основном материале.

 

 

Рис. 5. Усталостная трещина в точечном соединении титана ВТ1Д.

 

Характер разрушения образцов типа II аналогичен образцам типа I. Усталостная трещина возникает в околошовной зоне и распространяется на всю ширину образца. В образцах типа III усталостное разрушение происходит в одном листе, разрушение второго листа носит статический характер.

Значения усталостной прочности сварных соединений приведены в табл. 3. Усталостные кривые образцов показаны на рис. 6.

 

 

Рис. 6. Кривые усталости сварных соединений титана ВТ1Д и стали 1Х18Н9-Н.

 

Испытания показывают, что наблюдаемое снижение предела усталости сварных соединений (по сравнению с пределом усталости основного металла) происходит главным образом в результате местной концентрации напряжений у периферии точки, связанной с конструкцией нахлесточного соединения и формой образцов. От действия растягивающих усилий в зоне концентрации напряжений появляются изгибающие усилия, деформирующие участок нахлестки образца и стремящиеся произвести вырыв сварной точки. Такого явления, как правило, не наблюдается в реальных условиях из-за общей жесткости конструкции. Вследствие этого можно предположить, что значения предела усталости в реальных конструкциях будут значительно выше, чем полученные значения на образцах.

 

Таблица 3

Тип соединения

Вид сварки

Материал

Усталостная прочность, кг/мм2

Характер разрушения

Образец из основного металла

-

ВТ1Д

26…27

По листу

1Х18Н9-Н

62

Тип I а

Точечная

ВТ1Д

2…2,5

По околошовной зоне

1Х18Н9-Н

2…2,5

Тип I б

Роликовая

ВТ1Д

7…8

1Х18Н9-Н

7…8

Тип II

Точечная

ВТ1Д

12

1Х18Н9-Н

15

Тип III

ВТ1Д

14

1Х18Н9-Н

28

По листу

 

Статические испытания на сжатие сварных панелей. Для сравнительных испытаний на сжатие были изготовлены панели, состоящие из листа толщиной 1,5 мм и гнутого профиля толщиной 2 мм, приваренного к листу точечной сваркой. Панели изготовлялись из трех марок материала: титана ВТ1Д, нержавеющей нагартованной стали 1Х18Н9-Н и дуралюмина Д16Т. Высота панелей 150 мм, ширина 80 мм

Испытание панелей производилось на 30-тонном гидравлическом прессе. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

 

Таблица 4

Материал панели

Сечение панели, мм

Все панели, г

Разрушающая нагрузка, кг

Удельная нагрузка,      кг/мм

Средняя удельная нагрузка, отнесенная к весу панели,  кг/г

Характер разрушения

ВТ1Д

ВТ1Д

ВТ1Д

387

385

385

200

23200

24200

22400

60

63

58

116

Хрупкое разрушение

1Х18Н9-Н

1Х18Н9-Н

1Х18Н9-Н

379

366

377,6

340

14500

14200

13500

38,5

39

36

41,5

Пластинчатое разрушение

Д16Т

Д16Т

Д16Т

337

348

338

90

7400

7800

7200

22

22,5

21

83

 

Выводы

1. Статическая прочность точечных и роликовых соединений титана ВТ1Д при растяжении (срезе) достаточно высока и не уступает аналогичным соединениям из нержавеющей нагартованной стали 1Х18Н9-Н, несмотря на то, что прочность основного материала ВТ1Д ниже прочности стали 1Х18Н9-Н в среднем на 25%.

2. Пониженная прочность точечных соединений из титана ВТ1Д по сравнению со сталью 1Х18Н9-Н наблюдается при испытании сварных точек на отрыв.

3. Усталостная прочность нахлесточных точечных и роликовых соединений титана и стали (тип I а, I б) практически одинакова. Усталостная прочность образцов из титана со связующими точками (тип III) в 2 раза ниже прочности аналогичных образцов из стали. Последнее обстоятельство объясняется малой пластичностью титана ВТ1Д и, следовательно, пониженной способностью к перераспределению напряжений в многоточечных соединениях.

4. Точечные сварные соединения в комбинации листа с профилем (панели) из титана ВТ1Д хорошо работают на сжатие, однако, их разрушение имеет хрупкий характер.

 

Источник: журнал «Сварочное производство» № 5, 1957 г.

Это интересно

Современная архитектура позволяет использовать балконные ограждения, изготовленные из любых конструкционных материалов, главное, что бы они отвечали всей архитектонике фасада. Наиболее популярным и технологичным материалом на сегодняшний день является металл. Балконные ограждения, изготовленные из металла, обладают высокой прочностью и долговечностью, позволяют использовать комбинации с другими материалами, например со стеклом. В частности использование стекла в ограждении придает конструкции легкость, воздушность. Использование кирпича или бетона в балконном ограждении позволяет ощутить монументальность и незыблемость конструкции. Очень элегантно сочетаются дерево и кованая конструкция в ограждении. В конечном итоге, самое главное в архитектуре, что бы конструкция вызывала восхищение и позитивные эмоции.

Карта