ТЕОРИЯ сварочных процессов

Экспериментальные методы определения сварочных деформаций и напряжений

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Экспериментальные исследования сварочных деформаций и напряжений проводят на образцах, свариваемом объекте или его модели. Используя различные приемы моделирования, можно добиться воспроизведения процессов образования сварочных де­формаций и напряжений на лабораторных образцах небольших размеров вместо реальных сварных конструкций. Правила масш­табного моделирования основаны на подобии модели и натуры [4]: предусматривается изготовление модели из того же металла, что и исследуемый объект, обеспечиваются подобия геометри­ческих параметров сварного соединения, режимов сварки, темпе­ратурных полей, деформаций и перемещений модели и натуры. Этими условиями можно пользоваться для моделирования напря­жений и деформаций при однопроходной и многослойной сварке, а также для моделирования сварочных деформаций и переме­щений, возникающих в процессе электрошлаковой сварки пря­молинейных и кольцевых швов.

Для оценки временных сварочных напряжений используют методы оптического моделирования. Образцы изготавливают из оптически активного материала (поликарбонат или эпоксидная смола) и нагревают. В процессе нагрева регистрируют (визу­ально или фотокиносъемкой) характерные картины светлых и темных полос, возникающих на поверхности пластины при облу­чении монохроматическим источником света. По этим картинам

определяют напряжения в оптически активном материале. Подо­бие термоупругих напряжений модели из оптически активного материала и металлического образца определяется их геометри­ческим подобием, а также подобием полей температур.

Особенность определения деформаций в процессе сварки об­разцов или конструкций — необходимость проведения измерений в высокотемпературных областях.

В процессе сварки измерительные приборы регистрируют на­блюдаемую деформацию, вызванную суммарным воздействием температуры и внутренних сил (рис. 11.7). В соответствии с формулой (11.2) упругие и пластические деформации, вызванные внутренними силами, т. е. сварочными напряжениями, определя­ются как

(11.10)

Из формулы (11.10) следует, что для определения упругих и пластических деформаций, т. е. собственных деформаций, необходимо знать не только наблюдаемые деформации е„, но и свободные температурные деформации есв. Поэтому в про­цессе сварки наряду с регистрацией наблюдаемой деформации на базе измерения предусматривается определение термического цикла на этой же базе (см. рис. 11.7, а). Далее воспроизведением термического цикла на образце из исследуемого металла снима­ют дилатограмму (см. п. 11.2), по которой определяют свобод­ную температурную деформацию єсв Вычитая значения єсв из значений Е„для соответствующих температур, получаем значения собственных деформаций.

В общем случае определения компонентов деформаций в процессе сварки для плоского напряженного состояния необ­ходимо проводить измерения на трех базах: расположенных вдоль шва — 8хн(0, под углом 45° к направлению сварки — єі„(0 и под углом 135° — еа it). Одновременно записывают тер­мический цикл T{t) (см. рис. 11.7,6),

С использованием круговой диаграммы деформации Мора устанавливают связь между угловыми и линейными деформаци­ями:

Уху н— Є ін— 6 2н; Єі/н= Він-)- В2н— EjtB

Таким образом, продольные деформации е*„ измеряют непо­средственно во время эксперимента, а поперечные и сдвиговые деформации гул и ухун вычисляют по экспериментально опре­деленным наблюдаемым деформациям с помощью соотношений

(11.11).

Далее, как указывалось выше, на дилатометре воспроизводят термический цикл сварки T(t) и определяют свободную темпера­турную деформацию Есв (О*

В соответствии с формулой (11.10) в каждый момент времени определяют компоненты собственных деформаций

£jc— £лн £ св;

£у — Єі/н £ св j

Уху^Ухун.

На рис. 11.8 в качестве примера представлены наблюдаемые деформации металла exV(T), єін(Г), є2н(Т) при сварке и дилатограм - ма металла єсв(Т) для соответствующего термического цикла в продольном сечении, расположенном на расстоянии у= 15 мм от оси шва пластины толщиной 6=10 мм из коррозионно - стойкой стали 12Х18Н10Т размером 400X400 мм, проплавляемой посередине неплавящимся вольфрамовым электродом в среде аргона (осв=2,8 • 10~3 м/с), тепловая мощность <7=3670 Вт. Здесь результаты представлены в координатах деформация — температура с равномерной разбивкой температурной оси на стадии нагрева от нормальной до максимальной температуры и на стадии охлаждения от максимальной до нормальной температуры.

Компоненты собственных деформаций е*(7’), є,/Т), у ху(Т) (рис. 11.9) вычисляют по формулам (11.12) с использованием значений наблюдаемых деформаций и свободных температурных деформаций.

По измеренным значениям компонентов собственных дефор­маций можно вычислить собственные напряжения с привлечени­ем расчетного аппарата теории пластичности, так как в общем случае при сварке происходят не только упругие, но и пластиче­ские деформации. Математическая связь между деформациями и напряжениями устанавливается на основе современных теорий пластичности. Для случаев сварки полнее подтверждается тео­рия неизотермического пластического течения, которая позволяет проследить развитие напряжений на всех стадиях нагрева и остывания. Теория течения рассматривает связь между бес-

конечно малыми приращениями деформаций и напряжений. При использовании формул теории течения в практических расчетах бесконечно малые приращения деформаций заменяют конечными приращениями. С этой целью процесс нагрева и охлаждения при сварке разбивают на отдельные участки с интервалом Л7’=25...50 К, начиная от исходной температуры Т перед сваркой. Для каждого интервала разбивки по кривым гх(Т), гу(Т), уХу(Т) вычисляют приращения компонентов деформа­ции Де*, Аеу, куху. Например, для произвольного интервала от состояния (ft — І) до состояния (ft) приращения компонентов деформаций составляют Лещ,), Дє^*), Духу(к) (см. рис. 11.9).

Для расчета компонентов напряжений в пластической об­ласти необходимо задать деформационные характеристики в зависимости от температуры. В первом приближении можно пользоваться идеализированными свойствами материала в виде модели идеального упругопластического материала (см. рис. 11.4). Предел текучести, модуль упругости и коэффициент Пуассона свариваемого материала задают зависимыми от тем­пературы От = ох(Т), Е—Е(Т), v=v(F). В пределах интервала деформирования ((ft—l)...(ft)] свойства материала принимают постоянными, равными значению в точке ft.

Напряжения вычисляют в конце каждого интервала. Напря­жения, полученные в конце предыдущего интервала, служат начальными для рассматриваемого интервала. Напряжения под­считывают по формулам (при вычислении aXt в первой формуле следует брать верхний, a ayt— нижний знак):

AsXt + Агу, + [(1 — (t - i;/£(4 _ i] (aX(l _ l7f - aS(t _,)

Ok =----------------------------------------------------------------------- 1----------------------------------------------- ±

2(1 — va)/£4 +Лбшл./ои

± A4~A%fe + K1+V(*-'))/£(t-')](g«(t-n ' /JJ jgv

2(1+^)/£4 + ЗЛг, пл,/аІ4

T Xyk----------------------------- •

l/Gft + ЗЛе,

ПЛ */g«,

На рис. 11.10 показаны ре­зультаты расчетов компонентов собственных напряжений ах, оу, аху, выполненных в указанной выше последовательности и соот­ветствующих экспериментально определенным значениям собст­венных деформаций ех, гу, уху (см. рис. 11.9).

Для получения более точных количественных значений собст­венных напряжений следует за­кладывать в расчет вместо диаграмм идеального упругопласти­ческого материала реальные характеристики сопротивления металла деформированию с учетом истории нагружения и физи­ческих процессов, происходящих при сварке. Такие характе­ристики сопротивления деформированию в виде термодеформо - граммы получаются при воспроизведении термодеформационного сварочного цикла на образце (см. п. 11.3).

В результате испытания определяется зависимость о, =

= о,($гіешл, Г) — так называемая термодеформограмма, которая характеризует сопротивление металла деформированию в усло­виях сварочного деформационного и термического циклов и отражает совокупное влияние основных физических явлений, сопровождающих сварочный процесс.

Компоненты напряжений второго приближения вычисляют по формулам (11.13) с использованием реальных значений о, из термодеформограммы вместо условных пределов текучести

От»

Результаты расчетов показывают, что второе приближение уже обеспечивает высокую точность и последующее уточнение не требуется.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ

Существующие методы определения остаточных напряжений обычно разделяют на механические и физические. Механические методы основаны на принципе упругой разгрузки объема металла при его освобождении от остаточных напряжений путем раз­грузки. Измеряя деформации, возникающие при разгрузке, мож­но вычислить остаточные напряжения по формулам теории упру­гости. В зависимости от расположения измеряемых баз механи­ческими методами можно определить одно-, двух - и трехосные остаточные напряжения [17].

Физические методы, в отличие от механических, не связаны с обязательным разрушением металла для определения остаточ­ных напряжений. Они основаны на определении изменения

свойств металла под влиянием остаточных напряжений. Если же изменение свойств металла в шве и околошовной зоне вызвано совокупным воздействием физико-химических процессов при сварке и остаточных напряжений, то результаты измерений физическими методами не однозначно характеризуют остаточные напряжения. Ниже перечисляются наиболее распространенные из физических методов, которые могут быть применены в отдельных случаях при определении остаточных сварочных напряжений.

Магнитоупругий метод определения остаточных напряжений основан на зависимости магнитной проницаемости объема метал­ла от значения действующего в данном объеме остаточного напряжения. Этот метод можно использовать лишь для метал­лов, обладающих магнитными свойствами. Достоверные резуль­таты получают при измерении остаточных одноосных напряжений в основном металле сварного соединения. Применение этого метода для определения остаточных напряжений в шве и около­шовной зоне может приводить к заметным погрешностям. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость в шве и около­шовной зоне после сварки изменяется по сравнению с ее значе­нием до сварки не только под действием возникших остаточных напряжений, но и вследствие изменения химического состава шва, роста зерна, изменения структуры околошовной зоны и других явлений.

Ультразвуковой метод определения сварочных остаточных напряжений основан на зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в металлах от напряженного состояния в них. Измеряют скорости распространения ультразвука на отдельном участке металла до сварки и после сварки, и по изме­нению скорости судят о значении остаточного напряжения. При измерении остаточных напряжений в шве и околошовной зоне неоднородность свойств может приводить к погрешностям ре­зультатов Положительным свойством данного метода, так же как магнитоупругого, следует считать мобильность проведения экспериментов, не требующих больших подготовительных работ.

Рентгеновские методы исследования остаточных напряжений основаны на определении расстояния между кристаллографи­ческими плоскостями, т. е. деформации кристаллографической решетки, с помощью измерения угла отражения луча. Остаточ­ные напряжения этим методом можно определить с невысокой точностью и только в тонком поверхностном слое. Для рентге­новских методов исследования остаточных напряжений характер­ны большая трудоемкость и высокая стоимость проведения эксперимента.

Метод определения остаточных напряжений на основе регист­рации твердости используют при исследовании поверхностных напряжений. Разработанные физические основы метода устанав­ливают однозначное влияние одно - и двухосных напряжений на изменение твердости поверхностного слоя. Для участков сварно­го соединения, претерпевших высокотемпературную пласти-

ческую деформацию в процессе сварки, т. е для шва и около­шовной зоны, этот метод измерения остаточных напряжений приводит к погрешностям.