СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ

МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Существуют физические и механические методы определения остаточных напряжений [34]. Наибольшее распространение по­лучили механические методы.

Большинство механических методов определения остаточных напряжений основано на полном или частичном освобождении металла от остаточных напряжений путем его разрезки. Так как разгрузка металла от напряжений происходит упруго, то по изме­ренным деформациям, используя соотношения теории упругости, можно вычислить напряжения.

Методы различаются между собой расположением измеряемых баз, последовательностью операций измерений и разрезки, а также

тензометрами, которые применяются для регистрации деформаций металла. Расположение и величина баз должны назначаться в за­висимости от ожидаемого характера распределения остаточных напряжений.

Определение одноосных сварочных напряжений. Проще всего определять одноосные остаточные напряжения, постоянные по толщине или изменяющиеся по линейному закону. Напряжения вдоль шва (рис. 119, а) в средней части пластины изменяются не-

значительно по длине шва, поэтому размер мерительной базы L можно выбирать в широких пределах. На выбор длины меритель­ной базы влияет способ разрезки металла. Если применяется раз­резка типа «гребенки», то длина базы разрезки L может быть до­статочно большой (рис. 119, б). Не следует назначать в зоне, где напряжения резко изменяют свою величину, большую ширину базы Ьб, так как вследствие осреднения напряжения не будет опре­делена граница изменения знака напряжений. Базы измеряют с двух сторон пластины точно посередине фибра до и после раз­резки металла.

Тензометры могут быть электрические (проволочные) и механи­ческие. Недостаток проволочных тензометров заключается в том, что они несъемные и требуют защиты от механических поврежде­ний и попадания жидкости. Съемные механические тензометры [19] удобны в работе, но обладают меньшей точностью. Повышения точности можно достигнуть увеличением базы LM (рис. 119,6). На рис. 120 показан механический съемный деформометр конструк­ции МВТУ им. Баумана с базой 100 мм (базу можно уменьшить перестановкой ножки 1 вплоть до 10 мм); уравновешивание прибора при этом достигается контргрузом. Ножки 1 и 2 при­бора имеют на концах припаян­ные шарики, которые входят в конусные отверстия на металле.

Ножка 2 ррисоединена к при­бору через шарнир 3, устрой­ство которого показано в верх­ней части на рис. 120. В момент установки прибора на базовые отверстия шток 4 индикатор­ной головки 5, имеющей цену деления 0,002 нли 0,001 мм, оттянут винтом 6.

После установки прибора на отверстия шток 4 спускают вин­том 6 до упора в винт 7. Изме­рения производятся несколько раз. Нормальный разброс пока­заний прибора при повторной установке на базу не превы­шает 1 мкм. Для контроля установки шкалы индикаторной головки, исправности прибора и для учета температурного влияния используют так называемые эталонные базы на отдельной пластинке, на которых периоди­чески проверяют прибор.

Одноосные напряжения можно определить путем вырезки полоски небольшой ширины (см. рис. 119, є). Следует различать базу измерения LM и базу разрезки Ln. Применение малой базы LM еще не означает, что улавливаются пики напряжений непосред­ственно в зоне измерений. Величина регистрируемой деформации зависит часто не только и не столько от базы измерения, сколько от базы разрезки. В этом принципиальное отличие определения оста­точных напряжений от определения рабочих напряжений в деталях. Чем больше размер Ln по сравнению с 2Ьп, тем ниже точность опре­деления остаточных напряжений. Если принять кривую растяги­вающих напряжений на эпюре рис. 119, а за полуволну синусоиды,

то можно оценить возможную погрешность измерений напряжений Ln

по отношению,

1оп

/ nLny

Vx - S. (206)

ист ост 384 v '

где ®хост — остаточные продольные напряжения;

охдст — остаточные напряжения посередине полоски, не сня­тые после разрезки.

Остаточные напряжения вычисляют по формуле

= (207)

где є — относительная деформация фибра металла, возникшая в результате разрезки.

Для определения остаточных напряжений в сварных балках, в пластинах, сваренных по краю, и других протяженных элемен­тов часто пользуются методом последовательного удаления слоев, разработанным под руководством Н. Н. Давиденкова. После уда­ления очередного слоя f определяют прогиб балки, а затем и вели­чину напряжения в данном слое [33].

В тонких пластинах вследствие потери устойчивости происхо­дит их искривление в двух направлениях. Эпюра остаточных напряжений существенно зависит от того, при каком положении пластины произведен начальный замер после сварки. Часто началь­ный замер перед разрезкой производят в пластине, зажатой между жесткими плитами. Однако даже значительные усилия не могут возвратить пластине совершенно плоскую форму, поэтому не удается точно определить величину усадочного усилия. Если же замеры произвести до сварки, а конечные после разрезки, то по­лученные деформации будут выражать остаточные пластические деформации, по которым можно просто определить величину уса­дочного усилия.

Определение двухосных сварочных напряжений. Для опреде­ления двухосных остаточных напряжений на пластинах, так же как и одноосных, измерения тензометрами следует производить с двух сторон пластины. Если известны направления главных осей, то измерения достаточно выполнить в двух направлениях, на­пример в продольном и поперечном (см. рис. 119, в). Разрезать пластины можно либо на полоски, либо на квадратики. Для полу­чения более плавных эпюр иногда располагают серии баз со сдвигом (см. рис. 119, г).

Остаточные напряжения вычисляют по формулам;

„ Е (ех + Пег/).

а*ост - 1-^5'" ’

= _ £(в„+ цвД 209)

уост 1 — |д, а v 7

где ех и гу — относительные деформации фибров металла в на­правлении ОХ и ОУ, возникшие в результате разрезки.

Если направления главных осей неизвестны, измерения про­изводят по крайней мере в трех направлениях, используя либо розетку датчиков (рис. 121, а), либо механический тензометр (рис. 121, б). В зависимости от углов, под которыми располагаются оси тензометров или баз, формулы для определения напряжений и направлений главных осей будут различными. Разрезку металла для освобождения его от напряжений можно производить полыми сверлами.

До сих пор рассматривались случаи определения напряжений в пластинах небольшой толщины.

Для определения двухосных напряжений на поверхности мас­сивных тел используют схемы расположения баз, показанные на рис. 119, г или на рис. 121. Металл обычно прорезают на глубину h хх 0,6d, где d — расстояние между кромками реза. При этом дальнейшее углубление реза не вызывает каких-либо дополнитель­ных деформаций на поверхности металла. Это, однако, не означает, что все напряжения в поверхностных слоях полностью сняты. Степень полноты снятия напряжений зависит от характера их изменения в направлении толщины (рис. 121, в): при плавном изме­нении они снимаются практически полностью. Уменьшение базы измерений позволяет определять напряжения при больших гра­диентах их изменения в направлении оси OZ. Другие методы опре­деления остаточных двухосных напряжений не получили широкого распространения [34].

Механический съемный тензометр позволяет определять осе­симметричные остаточные напряжения в точечных сварных соеди­нениях. Деформации измеряют с двух сторон листа и для надеж­ности в двух направлениях на некоторой произвольно выбранной, но симметрично расположенной относительно сварной точки, базе Б. Путем последовательного рассверливания центрального

6 В. А. Винокуров 169

отверстия и использования зависимостей теории упругости нахо­дят распределение остаточных напряжений ог и ot в сварной точке. При сверлении первого отверстия принимается, что в центральной части ar — ot. Метод аналогичен методу Закса [124].

Определение трехосных остаточных напряжений. Определение трехосных остаточных напряжений наиболее сложно. Существует несколько разработанных и опробованных методов определения трехосных остаточных напряжений.

Метод Закса [124] позволяет определять остаточные осесим­метричные напряжения в телах круглой цилиндрической формы. Для сварных соединений осесимметричное распределение напряже­ний не характерно и встречается в практике крайне редко, напри­мер при заварке отверстия в плите или цилиндре. С некоторыми допущениями, существенно снижающими точность определения напряжений, метод Закса может быть применен также для нахож­дения трехосных напряжений в стыковых сварных соединениях круглых стержней. Определить напряжения в протяженных свар­ных швах методом Закса не представляется возможным.

Метод Гуннерта [120], основанный на поверхностных изме­рениях деформаций, заключается в том, что напряжения ох, оу и ог определяют в поперечных и продольных сечениях шва. Свар­ной образец разрезают на две части поперек шва. Затем на образо­вавшиеся поперечные сечения наносят серии баз под съемный меха­нический деформометр в виде конусных углублений: на одно сече­ние базы наносят в направлении ОУ, на другое — в направлении OZ. После начальных измерений металл возле баз подрезают на некоторую глубину и проводят конечные измерения. Другой об­разец, сваренный в тех же условиях, разрезают вдоль шва по оси соединения. На образовавшиеся сечения наносят базы, располо­женные вдоль оси ОХ. Затем металл вблизи баз также подрезают.

При таком способе разрезка сварного соединения, выполняе­мая до начального измерения, вызывает сильное искажение на­пряжений ох и оу вследствие их перераспределения из-за снятия нормальных и касательных напряжений в сечениях. Сам Гуннерт указывает, что такие измерения «не отображают остаточные на­пряжения, действительно имеющие место в трехосной системе напряжений, а лишь дают представление об интенсивности и рас­пределении их в этой системе».

Метод Гуннерта, основанный на измерении деформаций в глу­бине металла, фактически позволяет определять двухосные на­пряжения ох и о у на глубине, где ог мало. Метод состоит в измере­нии баз до и после подрезки металла путем введения ножек при­бора в глубокие отверстия. К недостаткам этого метода следует отнести технические трудности в измерении деформаций в глубине металла из-за малой жесткости ножек прибора и невозможности контроля качества базовых мест на большой глубине. Этим мето­дом напряжения определяли до глубины 36 мм [121 ].

Метод определения средних трехосных напряжений [60]. Пред­ложенный автором метод определения средних напряжений яв­ляется приближенным [12]. В сварном стыковом шве обычно разли­чают остаточные напряжения (рис. 122, а): ох — вдоль шва; Оу — поперек шва в плоскости пластины; ог — поперек шва по толщине пластины.

В общем случае каждый из компонентов изменяется по тол­щине пластины. Любую функцию изменения компонента по тол­щине можно представить в виде суммы трех составляющих (рис. 122, б): постоянной составляющей по толщине (оХо, оУе, аг„); линейно изменяющейся по толщине (oXt, оУі и aZl); остаточ-

а — образец для испытаиий; б — разделение напряжений

ной составляющей компонента напряжений (оХк, оУк, о2к). Дан­ным методом определяют распределение напряжений оХо, оУо, <Ь0 и oXt в шве, околошовных зонах и в основном металле по всей длине прямолинейного сварного соединения. В швах, выполненных электрошлаковой сваркой, оУі и равны нулю вследствие сим­метрии поля напряжений относительно плоскости XOY. При многослойной сварке разделка обычно закрывается равномерно по длине шва. Очевидно, что оУі здесь близко к нулю. Прибли­женно в этом случае можно считать для упрощения oZl ^ 0. Напряжения Охк, оУк и оХк данным методом не определяются.

Метод определения остаточных напряжений состоит в следу­ющем. Из сварного образца длиной I параллельно шву вырезают полосы толщиной 10—15 мм (см. рис. 122, а). Ширина вырезанной полосы равна толщине образца. Перед вырезкой деформометром или проволочными датчиками измеряют базы вдоль полос с обеих сторон и скобой с индикаторной головкой по толщине. После раз-

резки часть напряжений в полосах снимается. Повторными изме­рениями находят деформации верхних баз еХд, нижних баз — гХн и толщины — ег. По деформациям вычисляют напряжения [34].

Примеры конструкций мерительных скоб, расположения баз и результатов измерений можно найти в работе [60] (рис. 123, а, б).

Метод определения трехосных напряжений с помощью глубо­ких сверлений. Метод заключается в определении деформаций

Рис. 124. Расположение отвер­стий для тензометров (а, б) и конструкция тензометра (в) для определения остаточных напря­жений в глубине металла

металла с помощью тензометров, устанавливаемых в глубине ме­талла в отверстиях малого диаметра. Деформации определяют по результатам измерений до и после разрезки металла. Из теории упругости известно, что для определения всех составляющих объ­емного поля напряжений в какой-либо точке необходимо измерить деформации в шести направлениях. Если известны направления главных осей напряжений, то достаточно произвести измерения в трех направлениях. В сварных швах направления главных осей, как правило, известны. Это оси OX, OY и OZ (см. рис. 122).

Отверстия для установки тензометров могут быть расположены различными способами (рис. 124, а). При больших размерах ис­следуемых образцов отверстия 1 и 2 в направлениях X и Y свер­лить трудно. Их можно расположить под некоторыми углами

к главным осям, например под углом 45° (отверстия 4 и 5). Тензо­метры регистрируют деформации в направлении осей отверстий. При таком расположении отверстий

= Вуі = 1і+І£. (210)

Зная величины главных деформаций ех, еу и ег, можно вы­числить остаточные напряжения.

Для исследования напряжений в швах весьма большой тол­щины, когда представляют интерес также напряжения на других уровнях, а не только по оси шва, количество и расположение от­верстий может быть иным (рис. 124, б).

Тензометры следует располагать по возможности ближе друг к другу, чтобы образовать как бы розетку для измерения объемных напряжений. С другой стороны, при малом расстоянии между от­верстиями возможна разгрузка металла от соседнего отверстия. Чтобы влияние отверстий друг на друга было незначительным, расстояние между ними следует назначать (8—10) d0, где d0 — диаметр отверстия. Конструкция тензометров может быть различ­ная [16]. Из конструкций тензометров, устанавливаемых на резьбе, наиболее простой является представленная на рис. 124, в. Болт с двумя наклеенными по бокам проволочными тензометрами ввин­чен с натягом в резьбовое отверстие. Благодаря натягу тензометр может регистрировать деформации укорочения и удлинения ме­талла. Тензометр может представлять собой также проволочный датчик сопротивления, установленный на эпоксидной смоле.

Сверление вызывает искажение напряжений вблизи отверстия. Возможные погрешности, вызываемые сверлением отверстия d0 — — 8 мм при диаметре столбика 40 мм [18], оказываются не более 6%. Для определения трехосных напряжений можно пользоваться одним отверстием, помещая в него розетку датчиков или даже се­рию датчиков.