Сварные конструкции. Расчет и проектирование

ОБРАЗОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ

Основные понятия и классификация. В теории свароч­ных деформаций и напряжений принято использовать рас­положение осей координат, показанное на рнс. 6.1. Ось Ох направлена вдоль шва; Оу — поперек шва в плоскости пла­стины; Ог — поперек шва в направлении толщины. Соот­ветственно различают напря­жения оя, Оу, ог, хХу, т, я; деформации е*. ву, ег, ухи,

Уяи Уtx и перемещения точек JL тела и по оси Ох; и — по оси

Оу; и/ ___ ПО ОСИ Ог. Рис - 61- Расположение коор-

Расширение и сокращение динатных осей в пластине

металла от неравномерного

нагрева или охлаждения, а также от структурных превра­щений образуют так называемые собственные или внутрен­ние деформации и напряжения при сварке. В отличие от напряжений и деформаций, создаваемых нагрузками, соб­ственные напряжения в деформации существуют в теле при отсутствии каких-либо нагрузок.

Собственные напряжения —это такие на­пряжения, которые существуют в теле при отсутствии приложенных к нему поверхностных или объемных (инер­ционных, гравитационных) сил.

Чтобы более ясно понимать причины образования собст­венных напряжений, рассмотрим различные виды деформа­ций металла.

1. Температурные деформации еа вы­званы изменением размера частиц тела при изменении тем­пературы. К температурным деформациям условно относят также деформации, возникающие в процессе структурных превращений:

еа = аТ, (6.1)

где а — средний коэффициент линейного расширения в интервале изменения температуры от 0 до Т, включающий в себя и влияние структурных превращений, °С'1; Т — изменение температуры в какой-либо точке тела, °С.

Сдвиговые температурные деформации уа в изотропных телах не возникают.

2. Н а б л ю д а е м ы е деформации ен и у„ характеризуют изменения размеров тела — линейных и угловых, которые можно зарегистрировать измерительными приборами. В теории упругости и пластичности нх назы­вают деформациями, не присваивая нм никакого индекса.

3. Собственные (внутренние) деформации состоят из упругих e^,v, Yynp и пластических еиЛ, у„д.

Указанные виды деформаций связаны между собой сле­дующими соотношениями:

P| = fynp *Ь ®пл 4" ®а> (6.2)

Yu 3 Yynp 4" Yai - (6.3)

Если до процесса нагрева или охлаждения в точке тела возникли начальные пластические деформации е„ и у„

* ПЛ Ил *

вызванные предшествующими деформациями, то формулы

(6.2) и (6.3) примут следующий вид:

= супр 4" Д^ш + е0 -+■ ®enji; (6.4)

Yi= Yynp + Дупл + Y«nj> (6.5)

где Депл и Дуод — приращения пластических деформаций на стадии рассматриваемого процесса.

Собственные напряжения классифицируются по раз­личным признакам. По причине, их вызвавшей, они делятся на напряжения: от упругого или пластического механизма деформирования при сборке, монтаже и правке; от упругих и пластических деформаций из-за неравномерного нагрева деталей; от неравномерного изменения объема тела при фа­зовых превращениях. По времени существования они могут
быть временными, существующими в период выполнения технологической операции или протекания физического процесса, и остаточными, устойчиво сохраняющимися в течение длительного периода. Собственные напряжения бывают одноосными (линейными), двухосными (плоскост­ными) и трехосными (объемными). В зависимости от объе­ма, в пределах которого напряжения взаимно уравнове­шены, они называются напряжениями первого рода (мак­рообъем), второго рода (зерно) и третьего рода (кристалли­ческая решетка).

Собственные напряжения первого рода могут быть выражены через упругие деформации:

~ 20 ( %пР + 7=5|Г с*); = 20 ( %.Р + -ПЛЇГ «•):

°* = 20 ( е*Упр + в° )'

Свойства металлов при высоких температурах. Для

вычисления собственных напряжений довольно часто при­ходится использовать характеристики свойств металлов при высоких температурах.

Теплофизические характеристики, такие, как объемная теплоемкость су, теплопроводность л и температуропровод­ность а, берут обычно средними в необходимом интервале температур. В табл. 6.1 указаны их значения для случая сварки металлов. Коэффициенты линейного расширения а также обычно берут средними в некотором диапазоне тем­ператур. Однако в ряде случаев приходится пользоваться дилатограммами — экспериментально полученными графи­ками изменения линейного размера образца оттемпературы (рис. 6.2). В металлах, не испытывающих структурных

превращений, изменение длины образца происходит моно­тонно (рнс. 6.2, а), поэтому используют не мгновенное значение a=de/dT, а принимают а=е/7'—tg 0. В металлах со структурными превращениями, например в углеродистых и легированных сталях, график имеет сложный характер (рис. 6.2, б). При охлаждении металла от максимальной температуры нагрева до точки N — начала структурного превращения — происходит монотонное сокращение об­разца, а затем, несмотря на снижение температуры, его удлинение. После завершения структурного превращения (точка К) образец вновь начинает сокращаться. Положение точек начала Т„ и конца Тн структурных превращений за­висит от химического состава металла и термического цикла охлаждения (скорости охлаждения). Чем выше скорость охлаждения, тем ниже Т„ и Тк. От состава металла и ско­рости охлаждения зависит также деформация структурного превращения ес.

В расчетах сварочных деформаций и напряжений часто используют коэффициент а и обобщенную характеристику а /су. В приближенных расчетах, не связанных с учетом структурных превращений, достаточно пользоваться сред­
ними значениями а (см. табл. 6.1). Обобщенная характери­стика a/су мало изменяется в зависимости от температуры. На рис. 6.3, а, б показаны для низкоуглеродистой и для

a to* i/к м

хромоникелевой стали типа 18-8 зависимости а, су и а/су от температуры, вычисленные как средние значения в диа­пазоне от Т—270 К до соответствующей температуры Г.

с, мп а

Е. МПо 2tof

ино*

1,2 Ю* ■

ею* ью*

Механические свойства металла также зависят от тем­пературы. Модули упругости £ и сдвига G снижаются с ро­
стом температуры, в то время как коэффициент Пуассона (і несколько возрастает (рис. 6.4). Характер зависимости напряжения о от деформации е при растяжении образца изменяется сложно при повышении температуры. Когда материал рассматривают как идеальный упругопластичс - скнй (рис. 6.5), диаграмма может быть описана лишь двумя

характеристиками — модулем упругости Е и пределом текучести от : ет=о1/£.

На рис. 6.6 представлены графики зависимости о, от температуры для некоторых металлов (сплошные линии). Иногда эти сложные графики заменяют схематизирован* ными (пунктирные линии). Для низкоуглеродистой стали предел текучести при изменении температуры от 0. . .500 °С принимают постоянным, а затем понижающимся до 0 при 7=600 ’С. В действительности и при 7>600 °С предел теку­чести металла не равен нулю. Для титанового сплава изменение от принимают в виде одной прямой линии.

Образование напряжений и деформаций при нагреве и остывании. Изучение собственных напряжений при сварке целесообразно начинать с простейших примеров. Рассмот­рим изменение напряжения при нагреве стержня, закреп­ленного по концам (рис. 6.7, а), до 500 °С и последующем его охлаждении. Будем полагать, что модуль упругости Е и предел текучести о, для ннзкоуглеродистой стали изме­няются непрерывно с повышением температуры (см. рис. 6.4 и 6.6). Материал идеальный упругопластическнй (см. рис. 6.5). Напряжения сжатия на рис. 6.6, б будем откла­дывать вниз, а напряжения растяжения — вверх; полные деформации удлинения, равные сумме упругих и пласти­ческих,— вправо, а деформации укорочения — влево. Для определения деформаций будем использовать формулу

(6.2) , а для определения напряжений — формулу

о = £еупр. (6.7)

В закрепленном по концам стержне наблюдаемая дефор­мация еи равна нулю. Поэтому из (6.2) для полной собст­венной де<{юрмацни

е = £тлр+ (6-8)

Так как при нагреве еа>0, то согласно (6.8) е^^р-Ь

+еал<0. Поэтому кривая из точки 0 идет вниз влево.

В расчетах используется действительная зависимость от от температуры, показанная сплошной линией 1 (см. рис. 6.6), изменение модуля упругости Е происходит, как показано на рис. 6.4, коэффициент линейного расширения а принимаем не зависящим от температуры в диапазоне 0.. .600 °С и равным 12- Ю'*’С~1;отсчеттемператур ведется от О °С. Пока напряжение а не достигнет предела текучести в некоторой точке А, соответствующей температуре пример­но 100 °С, пластических деформаций нет. Участок ОА не является прямой линией потому, что по мере повышения температуры модуль упругости Е несколько уменьшается и согласно (6.7) напряжения не зависят линейно от еупр.

В точке А напряжения достигают предела текучести. При дальнейшем повышении температуры напряжение ат, хотя полная деформация е=—еа, возрастает. На участке АВ вследствие падения от напряжение снижается. В точке В нагрев стержня прекращается. В стержне имеются пла­стические деформации еплВ, равные, согласно (6.8),

рплЯ = “ еаЯ~ •'упрв* (в-9)

где еуирВ=— о, я/£в; оГд и Ев — предел текучести и модуль упругости металла при температуре Тв.

При охлаждении отсчет пластических деформаций еил на стадии остывания стержня следует начать заново. Пла­стические деформации еалВ в формуле (6.4) будут играть роль начальных деформаций e0(]j|. Так как наблюдаемая деформация равна нулю, имеем

Vp + Afna® —е, пд = е. (6.10)

На участке ВС напряжения нзменятзнак и, пока полная деформация е<от/£, пластические деформации отсутст­вуют, т. е. Деил=0. В точке С появляются пластические деформации и далее вплоть до полного охлаждения (точка D) напряжения остаются равными пределу текучести ме­талла при соответствующей температуре согласно кривой / (см. рис. .6.6). После полного остывания еа=0. Остаточная пластическая деформация равна алгебраической сумме пластической деформации, возникшей при нагреве, и при­ращения пластической деіформации, возникшей при осты­вании. Согласно формуле (6.9), с учетом еа—0, получим

к»п4 "t" ^Спло= еу°Ро= a*ol^D' (6-11)

Остаточная пластическая деформация отрицательна (де­формация укорочения). Действительно, если конец растя­нутого стержня освободить от закрепления, то стержень сократится по длине на размер o, D/£D. В случае жестко заделанного стержня упругая деформация совпадает по абсолютному значению с пластической деформацией. В слу­чае нежесткой заделкн упругая и пластическая деформации обычно не равны друг другу.

Следует обратить внимание на то, что в случае жестко заделанного по концам стержня, согласно формуле (6.8), по горизонтальной оси на рис. 6.7, б откладывается тем­пературная деформация га=аТ. Если считать значение а в некотором интервале температур постоянным, го горнзон-

Т&льную ось можно рассматривать в некотором масштабе и как ось температур.

Рассмотрим аналогичный процесс нагрева стержня из титанового сплава, изменение предела текучести которого показано на рис. 6.6 и в виде пунктирной линии на рис. 6.7, в. Для титанового сплава проведем построения, аналогичные проведенным для стали (см. рис. 6.7, б). За­кономерность снижения модуля упругости £ с температу­рой у титанового сплава примерно такая же, как у низко - углеродистой стали, но значение его у титанового сплава в два раза меньше. Коэффициент линейного расширения, согласно табл. 6.1, примем 8,5[2]10"* °С-1. Напряжения при нагреве достигают предела текучести в точке А при тем­пературе около 300 °С. На участке АВі будут протекать пластические деформации *. Если процесс нагрева преры­вать при температуре около 600 С и далее стержень охладить, то напряжения на всем участке BxDt нигде не ста­нут равными пределу текучести. Если нагрев завершить при Т«700 °С в точке Ви то при охлаждении в точке С» возни­кают пластические деформации, которые, однако, прекра­щаются в точке К и так как приращение температурной деформации Деа будет меньше приращения Дет=Дох/£, т. е. dtjdT<dir/dT. В этом случае напряжения в стержне хотя и растут, следуя линии K%Dt, но остаются ниже пре­дела текучести металла, в том числе и после полного осты­вания в точке Dt.

В рассмотренных выше случаях стержень был помещен между двумя абсолютно жесткими стенками (рис. 6.7, а) и поэтому наблюдаемая деформация ен была равна нулю. В свариваемых пластинах волокна металла не находятся в условиях жесткой заделки, так как соседние участки метал­ла могут деформироваться. Реальному поведению металла в свариваемых деталях лучше соответствует модель стерж­ня, конец которого прикреплен к пружине, заделанной в жесткую опору. На рис. 6.8, а пружина не напряжена. Если стержень нагреть (рис. 6.8, б), то он удлинится, но наблюдаемая деформация е„ окажется меньше темпера­турной деформации еа, так как пружина оказывает сопро­тивление свободному расширению стержня. Собственная деформация, равная разности наблюдаемой и температур­ной е„—еа, будет отрицательной, что указывает на наличие в стержне сжимающих напряжений. Если эти сжимающие
напряжения достигнут предела текучести, то в стержне будет протекать пластическая деформация осадки. После полного остывания (рис. 6.8, в) стержень окажется короче,

чем он был вначале. Одна­ко пружина не даст стерж­ню занять положение, обозначенное точкой А. По отношению к началь­ному положению в стерж­не будут: пластическая де­формация укорочения еил, возникшая при нагреве и имеющая отрицательный знак; наблюдаемая отри­цательная деформация е„; положительная (по отноше­нию к точке Л) упругая де­формация eynt), которая вы­зовет в стержне остаточные напряжения растяжения

о Ее удр.

Выше были рассмотрены примеры определения на пряжений в стержнях, жестко закрепленных по концам. В некоторых простейших случаях напряжения при сварке могут быть определены точно таким же способом. Напри­мер, с использованием гипотезы плоских сечений могут быть просто определены напряжения в очень широкой пластине, по кромке которой перемещается источник на­грева (рис. 6.9, а). Поперечные сечения /, II, III прини­маем не искривляющимися и не перемещающимися отно­сительно друг друга. Рассматриваем только напряжения ох - В продольных сечениях I, 2 и 3 будут разные терми­ческие циклы, показанные на рис. 6.9, б. . .г. Временные напряжения ох будут зависеть от температуры и характера ее изменения. На рис. 6.9, б в области высоких температур, когда предел текучести близок к нулю, напряжения на участке АВ отсутствуют, далее появляются растягивающие напряжения, которые достигают предела текучести. На рнс. 6.9, в напряжения сжатия в сечении 2 на участке CD равны пределу текучести, затем меняют знак, но в процессе остывания металла не достигают предела текучести. В се­чении 3 максимальные температуры незначительны, напря­жения сжатия не вызывают пластической деформации (рис. 6.9, г), и после полного остывания напряжения ох в
этой точке отсутствуют. Эпюра остаточных напряжений сх в поперечном сечении показана на рис. 6.9, д.

Расчетное определение собственных напряжений. Более сложным является определение сварочных напряжений в случае, когда искривлением сечений можно пренебречь, но взаимные перемещения поперечных сечений в процессе сварки относительно друг друга необходимо учитывать.

Для определения сварочных напряжений в сталях в этих случаях могут быть использованы простейшие графорас­четные методы Г. А. Николаева и Н. О. Окерблома. В этих методах приняты следующие допущения.

1. Рассматривают только продольные напряжения <тх. Поперечные напряжения оу и касательные тх„ считают рав­ными нулю.

2. Поперечные сечения плоские, но могут перемещаться относительно друг друга.

3. Зависимость предела текучести для низкоуглероди­стой стали схематизирована по типу, показанному пунктир­ной линией / (см. рис. 6.6).

4. Материал идеальный упругопластическнй (см. рис. 6.5).

5. Модуль упругости Е постоянен во всем диапазоне температур.

6. Свариваемые пластины, каждая шириной В, считают достаточно длинными (рис. 6.10,6), чтобы можно было использовать квазнстационарное распределение темпера­тур; температура по толщине пластин распределена рав­номерно.

На рис. 6.10, 6 показано квазистационарное распределе­ние температур при сварке длинных в направлении х—х пластин. В методе Г. А. Николаева рассматриваются де­формации и напряжения только в двух сечениях пластины; в сечении /—1, соответствующем наибольшей ширине изо­термы 600 °С, и в сече­нии 2—2 после полного остывания пластины (се­чение 2—2 на рисунке не показано). Считает­ся, что свариваемые встык пластины собраны на прихватках и относи­тельно друг друга не поворачиваются, т. е. это соответствует случаю укладки шва на целую пластину шириной 2В.

Рассмотрим распре­деление собственных на­пряжений и деформаций в сечении /—/, исполь зуя равенство (6.4). Пе­ред сваркой начальные де(}юрмацни е„пд были равны нулю, а темпера­турные в рассматривае­мом сечении га=аТ. Тогда, перенося в левую часть еупр+еил, а в пра­вую часть е„ и меняя знак, получаем

етпи, + ^еіи, —pi, 8а, —

= е„-а7 (6.12)

Решим уравнение (6.12) графически. Возь­мем рядом с сечением /—/ второе сечение /'—/', находящееся от него на расстоянии, равном единице. Температурная деформация выделенной полоски в направлении Ох составит а Т. От­ложим значения величины —аТ, находящейся в правой
части уравнения (6.12), в виде толстой кривой линии вниз как отрицательные (см. рис. 6.10, а). Теперь необходимо определить е„ . Согласно допущению 2, поперечные сече­ния не искривляются, поэтому наблюдаемая деформация ея полоски между /—/ и /'—/' будет одной и той же по всей ширине пластины 2В. Положение линии т—т', опре­деляющей на рис. 6.10, а значение eMi, можно находить путем подбора методом последовательных приближений, исходя из условия взаимной уравновешенности собственных напряжений в пределах поперечного сечения 1—1. Как известно, собственные напряжения при одноосном напря­женном состоянии пропорциональны упругим деформациям о=еупр£. Поэтому достаточно получить уравновешен­ную эпюру упругих деформаций еупр, чтобы иметь уравно­вешенность собственных напряжений. Рассмотрим подроб­но определение упругих и пластических деформаций при произвольно выбранном еН(. После того как проведена ли­ния т—т', показывающая предположительное значение енЬ вниз от т—т' откладывают предельно возможную упругую деформацию еупр=ет—от/£ и проводят горизон­тальную линию ас (eT=const) до 7=500 С (см. рис. 6.6). В диапазоне 500. . .600 °С предел текучести меняется ли­нейно, поэтому на участке се упругая деформация убывает до нуля и остается нулевой при 7>600 С.

На рис. 6.10, а вертикально заштрихована эпюра упру­гих де<}юрмаций; косо — эпюра пластических деформаций.

Если окажется, что эпюра упругих деформаций уравнове - в

шена, т. е. ^ Вул,, di/ = 0, то гПі выбрана удачно. Если - в

нет, то нужно задаваться новым положением линии т—т' и повторить построение.

Наблюдаемая деформация еНі на рис. 6.10, а оказалась положительной и это означает,’ что пластина в процессе нагрева при сварке удлиняется. Упругие деформации удли­нения показаны со знаком плюс, а деформации укороче­ния — со знаком минус. Зоны шириной Ьг испытывают только упругие деформации, зоны Ьг и 6, — упругие и пластические, а зона Ь, — только пластические деформации. Зоны Ьг, bа и b, составляют так называемую зону пласти­ческих деформаций 2Ьа.

Для определения остаточных деформаций и напряжений нужно рассмотреть стадию остывания пластины, т. е. пе­рейти от распределения деформации в сечении /—/ к рас­пределению деформаций в некотором сечении 2—2, условно находящемся при температуре, равной О °С. Для этого сле­дует воспользоваться уравнением (6.4), в котором в ка­честве начальных деформаций будут присутствовать пла­стические деформации, найденные в сечении 1—I. По от­ношению к состоянию в сечении 2—2 состояние в сечении 1—/ является начальным.

Перепишем уравнение (6.4) в другом виде, введя индек­сы для рассматриваемого состояния:

Єтпр.+ ДЄпд.^Є,, —ва, —e„nli. (6.13)

Так как после полного остывания Т=О °С, то еа,=0.

Для определения упругих и пластических деформаций Аепл, воспользуемся графическим методом. Отложим на рис. 6.10, в в виде толстой линии эпюру —ЄопЛі. Начальные деформации е»„Лі=ДеМі в сечении 1—1. Так как пластиче­ские деформации Де,^ были деформациями укорочения волокон металла при нагреве и имеют знак минус, то — el>(U>=»—AeMi будет положительной, поэтому она отложе­на вверх. Искомая деформация евш будет одинакова по всей ширине пластины, так как принята гипотеза плоских сечений. Далее необходимо задаться некоторой отрица­тельной величиной ея>, сдвинув начало координат на линию п—п'. Ординаты кривой kfpj'k' выражают левую часть равенства (6.13), т. е. сумму упругих и приращений пластических деформаций, соответствующих стадии осты­вания. Чтобы получить отдельно значения упругой и пла­стической составляющих, необходимо воспользоваться пре­делом текучести от при комнатной температуре и опреде­лить максимально возможную упругую деформацию eynpimJX=eT. Отложим ет=от/£ на рис. 6.10, в. Тогда косо заштрихованная часть fpf будет выражать приращения пластических деформаций удлинения Aenjtj; возникших при остывании, а вертикально заштрихованная часть

эпюры — упругие деформации. Если окажется, что в

[ ey„p, df/ = 0, то положение линии п—п' выбрано удачно. - в

Если эпюра упругих деформаций, пропорциональных оста­точным напряжениям, не уравновешена, то следует задаться новым положением п—л', т. е. новым eHi. Остаточные пла­стические деформации е11Л ост равны алгебраической сумме пластических деформаций при нагреве ДепЛ) и приращений пластических деформаций при остывании Агпя (эпюра aft'a'):

*ТМ. ОСТ ~ А£ПД, - f (6.14)

Так как в рассматриваемом случае Лелл по модулю больше AenJs, то знак епл вст совпадает' со знаком Аеул. Эю означает, что остаточные пластические деформации представляют собой деформации укорочения.

Метод Г. А. Николаева позволяет получить распреде­ление остаточных напряжении оОСг=еупр>^ и относитель­ное укорочение сваренной пластины ен.’ Как следует из расчета, максимальные остаточные напряжения в низкоуг - лсроднстой стали являются растягивающими, равны пре­делу текучести и наблюдаются в зоне шва и зоне термиче­ского влияния нагревающейся до сравнительно высоких температур. В основном металле, где температура была ниже (200. . .300 °С), остаточные напряжения — сжимаю­щие.

В методе Н. О. Окерблома определение деформаций и напряжений производится в нескольких последовательно расположенных друг за другом сечениях, что позволяет проследить изменение упругих и пластических деформаций в процессе сварки. В первом сечении начальные деформации принимаются равными нулю. В последующих сечениях в качестве начальных деформаций е0(и присутствуют пла­стические деформации, полученные для предыдущего се­чения. Уравнение (6.12) преобразуется к следующему виду для л-го сечения:

eyn|'n "Ь АЄпля = - в»плп» (6 15)

где начальная деформация е0 „лл может быть представлена как пластическая деформация, накопленная на предыду­щих этапах:

п-1

Є. плп = Єплв.,= 2 (6.16)

Переходя от сечения к сечению, можно получить в каж­дом из них распределение упругих деформаций и напря­жений, а также наблюдаемые деформации.

Алгоритм графорасчетных методов относительно несло­жен. При наличии соответствующей программы расчет на­пряжений может быть выполнен достаточно быстро на ЭВМ.

При необходимости можно учесть зависимость модуля упругости Е от температуры, а также структурные превра­щения. В последнем случае температурные деформации га берутся непосредственно с днлатограммы ((at. рис. 6.2, б) при соответствующих температурах.

Точное определение напряжений и деформаций при сварке проводят методами теории пластичности 13), 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 Д7» и находят поле упругих и пластических деформаций. Затем, зная поле пластических деформаций в конце Д/і и приращение температурных деформаций на от­резке времени Д/*, определяют упругие и пластические деформации в конце отрезка времени Дtt. 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 ах, тхр и все компоненты деформации в элементах пластины.

Аналитические методы решения ввиду сложности свароч­ных задач большого распространения не получили.

Экспериментальные методы измерения 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. В качестве измерительных преобразователей перемещений часто используют механические приборы и тензорезисторы, значительно реже — индуктивные и пнев­матические преобразователи. Рассмотрим пример опреде­ления одноосных остаточных напряжений ах в сварной пла­стине (рис. 6.11, а). До разрезки пластины на полосы (рис. 6.11, б) на ней делают специальные отверстия на рас­стоянии Б для установки на них механических измеритель­ных 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 паюсы шириной Ь. Проводят последующие измерения, и по разности показаний приборов определяют деформацию е, и остаточные напряжения:

Можно вырезать поперечную полоску размером Lt (рис. 6.11, в), который не должен быть более Ьа, т. е. ПОЛО­вины ширины зоны пластических деформаций 2Ьа. При этом одноосные напряжения также снимаются достаточно полно.

Для определения двухосных напряжений базы Б квад­ратики при разрезке нужно брать по возможности меньших размеров (рис. 6.11, г) и в общем случае иметь в каждом квадратике не по две, а по три базы (рис. 6.11,5) для определения ах, о „ и тх„. Если есть уверенность, что

касательные напряжения тЛ„ малы, то, чтобы вычислить остаточные напряжения, достаточно измерить возникающие в результате разрезки деформации ех и ev по двум главным направлениям:

°жоег - — £(** + *и)/( 1 — и*);

О, ест + (6.18)

Двухосные остаточные напряжения на поверхности массив­ных тел определяют аналогично описанному выше для пла­стины. Металл вокруг измеренных баз подрезают кольце­вым сверлом или фрезами на глубину, которая составляет не менее 0,6 размера стороны квадрата или диаметра.

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 нз металла вырезают цилиндры диаметром не менее пяти диа­метров отверстий, причем отверстие находится в центре цилиндра. На таком расстоянии 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 деформометра, которые непрерывно регистрируют наблюдаемые деформации е*„, е„н и у*ун - Зачеканеннон в деталь вблизи баз термопарой непрерывно измеряют тем­пературу, затем на дилатометре определяют дилатограмму металла при заданном термическом цикле сварки. Из дила - тограммы получают закон изменения температурной де­формации еа во времени, а по разностям е,„—еа и е„„— —еа находят закон изменения собственных деформаций. Разбивая весь процесс на отдельные отрезки времени At и получая приращения собственных деформаций Ае„ Де„ и Аух„ на каждом из этих отрезков, методами теории пла­стичности вычисляют временные напряжения (31.