|
| |
|
Слаботочка Книги Переходя от сечения к сечению, можно получить в каждом из них распределение упругих деформаций и напряжений, а также наблюдаемые деформации. Алгоритм графорасчетных методов несложен при составлении программы для ЦВМ, что позволяет быстро решать подобные задачи. При необходимости можно учесть зависимость модуля упругости Е от температуры, а также структурные превращения. В последнем случае температурные деформации берутся непосредственно с дилатограммы (см. рис. 7.2, б) при соответствующих температурах. Точное определение напряжений и деформаций при сварке проводят методами теории пластичности [3], как правило, с использованием метода конечных элементов на мощных ЭВМ. Все тело рассматриваемой пластины разбивают на конечные элементы, более мелкие в зоне нагрева и более крупные в малонагретых частях пластины. Процесс сварки разбивают на небольшие отрезки времени. Сначала напряжения и деформации вычисляют в конце первого отрезка времени Mi и находят поле упругих и пластических деформаций. Затем, зная поле пластических деформаций в конце Mi и приращение температурных деформаций на отрезке времени М, определяют упругие и пластические деформации в конце М. Решение продолжают до получения установившегося характера напряжений и деформаций при сварке пластины. В этом методе могут быть учтены любые изменения свойств металла, вызванные изменением температуры и пластической деформацией. Метод позволяет получить напряжения о, Оу, ху и все компоненты деформации в элементах пластины. Аналитические методы решения ввиду сложности сварочных задач большого распространения не получили. § 5. Экспериментальные методы определения сварочных напряжений Существуют экспериментальные методы определения остаточных напряжений: рентгеновский, магнитный, ультразвуковой и механические. Чаще используют механические методы, которые основаны на измерении деформаций металла при освобождении его от остаточных напряжений. Сварочные напряжения определяют, например, для анализа напряженного состояния при исследовании выносливости соединений, сопротивляемости разрушению при наличии трещин, коррозионной стойкости, а также в целях установления эффективности использованных методов снижения собственных напряжений при сварке, после сварки или термической обработки и для определения усадки и возникающих при этом перемещений. В качестве измерительных преобразователей перемещений часто используют механические приборы и тензорезисторы, значительно реже - индуктивные и пневматические преобразователи. Рассмотрим пример определения одноосных остаточных напряжений Ох в сварной пластине (рис. 7.10, а). До разрезки пластины на полосы (рис. 7.10, б) на ней делают специальные отверстия на расстоянии Б для установки на них механических мерительных приборов или наклеивают тензорезисторы. Размер баз Б несуществен (обычно 10- 100 мм), так как предполагают, что напряжения в этом случае достаточно мало изменяются по длине. Чтобы учесть возможный изгиб, снимают показания приборов с двух сторон пластины. Затем пластину режут на полосы шириной Ь. Проводят последующие измерения и по разности пока- "1 заний приборов определяют деформацию &х и остаточные напряжения: Можно вырезать поперечную полоску размером Lj (рис. 7.10, в), который не должен быть более Ьп. т. е. половины ширины зоны пластических деформаций 2Ь„. При этом одноосные напряжения также снимаются достаточно полно. Для определения двухосных напряжений базы Б и квадратики при разрезке нужно брать по возможности меньших размеров (рис. 7.10, г) и в общем случае иметь в каждом квадратике не по две, а по три базы (рис. 7.10, д) для определения о, Оу и Тху Если есть уверенность, что касательные напряжения Гху малы, то, чтобы вычислить остаточные напряжения, достаточно измерить возникающие в результате разрезки деформации Ех И Ёу ПО двум главным направлениям: а. = -£(е, + це,)/(1-ц); Оуо.т = - Е{Еу + 11Ех)/{1-Ц). (7.17) Двухосные остаточные напряжения на поверхности массивных тел определяют аналогично описанному выше для пластины. Металл вокруг мерительных баз подрезают по кольцу кольцевым сверлом или по квадрату фрезами на глубину не менее 0,6 размера стороны квадрата или диаметра.
Рис. 7.10. Расположение мерительных баз и тензодатчиков при определении остаточных сварочных напряжений: а - одноосные напряжения ох в пластине; б - разрезка на полосы, в - вырезка поперечной полосы, г - разрезка на квадраты с измерением в двух направлениях, д - разрезка на квадраты с измерением в трех направлениях вблизи шва Для определения остаточных напряжений в глубине металла сверлят тонкие глубокие отверстия и размещают в них измерительные преобразователи в различных направлениях. Производят начальные измерения, а затем из металла вырезают цилиндры диаметром не менее пяти диаметров отверстий, причем отверстие находится в центре цилиндра. В этом случае напряжения не искажены сверлением отверстия. Повторные измерения позволяют определить необходимые для подсчета трехосных напряжений деформации. Временные напряжения в процессе сварки определяют, устанавливая на поверхность детали три близко расположенных деформо-метра, которые непрерывно регистрируют наблюдаемые деформации ех„, и Уху„- Зачеканенной в деталь вблизи баз термопарой непрерывно измеряют температуру, затем на дилатометре определяют дилатограмму металла при заданном термическом цикле сварки. Из дилатограммы получают закон изменения температурной деформации во времени, а по разностям е. - и Ву - находят закон изменения собственных деформаций. Разбивая весь процесс на отдельные отрезки времени и получая приращения собственных деформаций Ае, АВу и Ауху на каждом из этих отрезков, затем методами теории пластичности вычисляют временные напряжения [3]. § 6. Распределение сварочных нш1ряжений в сварных соединениях Современные представления о распределении собственных напряжений в сварных соединениях сложились на основе экспериментальных и расчетных данных. Поля этих напряжений крайне многообразны и изменчивы от случая к случаю. Наиболее стабильный характер имеют остаточные напряжения вдоль швов Oj.. В образцах толщиной до 15-20 мм, сваренных за 1-3 прохода плавлением, структурные превращения в которых завершаются при высоких температурах, распределение напряжений имеет вид, показанный на рис. 7.11. В низкоуглеродистых и аустенитных сталях максимальные напряжения Ох наблюдаются в шве и вблизи него. Они примерно равны пределу текучести. В титановых и алюминиевых сплавах максимальные напряжения могут составлять (0,5 -i- 0,8) о, а иногда и ниже. Более высокие напряжения возникают при сварке мощными источниками с высокой скоростью. В зоне, несколько меньшей зоны пластических деформаций, действуют растягивающие напряжения. За пределами этой зоны напряжения обычно сжимающие и мало меняются по ширине пластины. Из-за искривления пластин во время сварки или от изгиба напряжения Ох вдалеке от оси шва могут быть близкими к нулю или даже растягивающими. Структурные превращения, если они происходят при температурах ниже 300-400 °С, существенно изменяют характер напряжений в зоне пластических деформаций (рис. 7.12). Центральная часть - шов и околошовная зона - испытала при нагреве и остывании структурные превращения (рис. 7.12, а), которые завершило 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 [65] 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 |