Рис. 3. Виды перемещений в элементах сварных конструкций

£,% f,6 1,2 0,3 0,ii- О £,% 1,1 0,8 0,и О

а) 5)

Рис. 4. Характерные дилатограммы сталей:

а - аустенитной; б - перлитной

£-10, а-10 /кгс/мм

бт, кгс/мм

0,JS OjJO

0,2S

600 °c

Рис. 5. Зависимости E, G vi \x от температуры для стали СтЗ

Рис. 6. Зависимость Ох от температуры для некоторых материалов;

/ - низкоуглеродистая сталь; 2 - титановый сплав; -- действительные

зависимости - - схематизированные зависимости

теплоемкость су и коэффициент температуропроводности а) необходимы для определения температурных полей при расчетах сварочных деформаций и напряжений. Их обычно выбирают средними, ,рриентируясь на некоторую условную температуру (табл. 1). КоэффигШбнть! линейного расширения а также принимают средними в некотором диапазоне температур. При более точных расчетах напряжений, а также в случае определения временных деформаций и напряжений используют дилатограммы (рис. 4), полученные при термических циклах, соответствующих определенным точкам сварного соединения. Положение точек начала и конца Гк структурных превращений зависит от химического состава металла, скорости охлаждения и напряженно-деформированного состояния.

1. Теплофизические коэффициенты для некоторых металлов

Типичные зависимости модулей упругости Е, G н коэффициента Пуассона х от температуры представлены на рис. 5. В ряде расчетных методов материал рассматривают как идеально упругопластический. Зависимости предела текучести от температуры для некоторых металлов представлены на рис. 6. В процессе сварки металл испытывает сложное воздействие изменяющейся температуры и деформации. При этом возникают ползучесть, упрочнение и разупрочнение металла. Для определения свойств металла в условиях сложного термодеформационного цикла сварки получают серии термодеформограмм - зависимости эквивалентного напряжения от эквивалентной деформации при одновременном изменении температуры но термическому циклу сварки.

СВАРОЧНЫЕ ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Существуют расчетные и экспериментальные методы определения временных и остаточных сварочных напряжений и /зеформаций. Из приближенных методов наиболее известны методы, разработанные Г. А. Николаевым и Н. О. Окербломом.

В графорасчетном методе, разработанном Г. А. Николаевым, приняты некоторые допущения.

1. При сварке пластин достигается предельное температурное состояние.

2. Возникающие напряжения одноосны; поперечные сечения не искривляются.

3. Диаграмма металла соответствует диаграмме идеально упругопластического тела; принимается схематизированная зависимость предела текучести от температуры (рис. 6). Модуль упругости Е от температуры не зависит. Метод предусматривает определение напряжений в двух поперечных сечениях; времен-

ных - в сечении /-/ (рис. 7, б), соответствующем наибольшей ширине изотермы 600° С (для сталей); остаточных - в сечении 2-2 после полного остывания пластины (сечение 2-2 на рис. 7, б как находящееся за пределами рисунка не показано).

Рассмотрим определение продольных деформаций и напряжений при сварке встык двух пластин при полной их ширине 25. Согласно (1) собственные деформации (вур + вп,) равны разности наблюдаемых деформаций Вц и температурных деформаций е, - аТ:

еупр + е л = 81. -= -осГ. (9)

Решение задачи сводится к отысканию составляющих деформаций в урав нении (9). На рис. 6 отрицательные деформации укорочения отложены вниз

а положительные деформации удлине ния - вверх. Вначале строится крива? температурных деформаций = аГ, по казенная на рис. 7, а. Так как принято что поперечные сечения не искривляются то бц по всей ширине пластин одинакова Величину е находят путем подбора ме годом последовательных приближений из условия взаимоуравновешенности соб ственных напряжений в пределах попе речного сечения /-1; а - бур Е. За даются некоторой положительной вели чиной и смещают начало координат на эту величину из положения 00 в положение mm. Вертикальные отрезки между кривой аТ и линией mm согласно (9) представляют собой сумму упругих и пластических деформаций, находящихся в левой части (9). Разделение полных деформаций на упругие бупр и пластические е л производят с учетом того, что упругая деформация не может превос-

Рис. 7. Схемы определения продольных деформаций и напряжений при сварке узких пластин по методу, разработанному Г. А. Николаевым:

а - распределение температур и деформаций в сечении / -/; б - температурное поле в пластине при сварке; в - эпюра остаточных деформаций в пластине

ходить величину .При Г 600° С упругие деформации равны нулю. На рис. 7,а

упругие деформации показаны вертикальной штриховкой а пластические - наклонной. Признаком правильности выбора величины б;., является равенство нулю суммы напряжений, т. е. уравновешенность эпюры упругих деформаций.

Для определения остаточных деформаций и напряжений надлежиг воспользоваться уравнением (3) в следующей форме записи:

8yrip + er,;,==et, -е.-ео. (Ю)

После полного остывания Г = О, следовательно, Вц также равно нулю. В качестве начальных деформаций е, служат пластические деформации, возникшие прн нагреве в сечении /-/ (показаны косой штриховкой на рис. 7, а). На рис. 7, в они показаны кривой а[с fa , Задаются некоторой отрицательной величиной

Вн и смещают начало координат в положение пп. Разделяют полные деформации на упругие и пластические. Упругие деформации (они могут рассматриваться и как остаточные напряжения а) показаны вертикальной штриховкой; наклонной штриховкой показаны пластические деформации удлинения, возникшие на стадии остывания. Остаточные пластические деформации представляют собой разность пластических деформаций, возникших при нагреве, и пластических деформаций, возникших при остывании:

- ПЛ. ост

= 18

пл.нагр

Пл.остыв

Остаточные пластические деформации образуют на рис. 7, в эпюру affa и создают так называемую усадочную силу Рус (см. стр. 360);

ус= S Bm.ocTEdy, (12)

где 2Ьп - ширина зоны пластических деформаций; б - толщина пластины. По величине e можно определить продольное укорочение Лпр пластины длиной

(13)

в методе Н. О. Окерблома используют те же допущения, что и в методе Г. А. Николаева. Для определения остаточных напряжений и деформаций на стадии нагрева и остывания рассматривают не одно, а несколько сечений, расположенных друг за другом. По алгоритмам рассмотренных методов для машинного решения задач на ЦВМ разработаны соответствующие программы [15]. В методе, изложенном в работе [6], также рассматривают серию поперечных сечений при допущениях 1 и 2. Модуль упругости и предел текучести зависят от температуры, приближенно учитывают упрочнение металла при пластической деформации.

Неодноосные напряжения при сварке определяют методами теории упругости и пластичности. Упругие решения находят классическими методами, разработанными для температурных задач в теории упругости [1]. Пластические решения выполняют либо приближенно [9, 16], либо более точно на базе современных теорий пластичности. Методы решения упругопластических сварочных задач с применением теории течения разработаны в работе [12], а методы решения задач с движущимися упругопластическими полями - в работе [2]; понятие термодеформационного цикла сварки как основы физической модел1Г процесса упруго-пластической деформации металла в условиях изменяющихся температур введено в работе [3]. Для решения сложных задач нашел применение метод конечных элементов.

Для определения остаточных и временных деформаций и напряжений разработаны также экспериментальные методы. Остаточные напряжения определяют как физическими методами - рентгеновским [17], магнитным [13], ультразвуковым [7], так и механическими методами, основанными на разрезке металла и освобождении его от напряжений. Наибольшее распространение получили механические методы.

Механические методы определения остаточных напряжений различаются характером расположения измеряемых баз и последовательностью выполнения операций разрезки и измерения деформаций металла. Напряжения в пластинах в простейшем случае определяют, считая их одноосными. Так как одноосные напряжения незначительно изменяются по длине шва (рис. 8, а), то размер базы измерения можно принимать большим - до 100 мм (рис. 8, б). После начальных отсчетов с датчиков или съемных механических тензометров, производимых с двух сторон пластины, выполняют разрезку пластины на полоски, ширина b которых в зоне значительных градиентов напряжений должна быть по возможности меньше. После разрезки измерения повторяют и по разности начального

12 п/р. Винокурова В. А., т. 3

и конечного отсчетов определяют возникшую в результате освобождения от напряжений деформацию металла е., а затем вычисляют остаточные напряжения

<JxocT = - хЕ- (14)

Бывает достаточно вырезать полоску перпендикулярно оси шва (рис, 8, в). Для более полного снятия напряжений в ней необходимо, чтобы ширина полоски

Ln была не более половины ширины зоны пластических деформаций 2йп, т. е. Ln = Одноосные остаточные напряжения в балках определяют путем разрезки их на полосы или путем сострагивания слоев.

Для определения двухосных напряжений в пластинах используют схему расположения баз и разрезку, представленные на рис. 8, г. Касательными напряжениями на площадках, перпендикулярными к осям X я Y, при этом пренебрегают. Напряжения

Е (Sjc-i-ney)

VOCT - J i

(15)

E{ey + \.i&jc)

1-fi2

Рис. 8. Расположение измерительных баз и схемы разрезки пластины при определении остаточных напряжений; а - продольные напряжения о в пластине; б - разрезка гребенкой ; в - разрезка на поперечные полосы; г - разрезка на квадраты

где 8д. и 8у - относительные деформации металла в направлении ОХ и 0Y, возникшие в результате разрезки.

Когда направления главных осей не известны и необходимо определиib касательные напряжения, измерения производят в трех направлениях (рис. 9, а) или более (рис. 9, б), используя либо датчики, либо базы под механические тензометры. Напряжения опре-

деляют по деформациям, используя соответствующие формулы теории упругости При определении двухосных остаточных напряжений на поверхности массивных

Рис. 9. Расположение измерительных баз и схема разрезки при определении двухосных остаточных напряжений:

о - с помощью проволочных тензометров; б - с помощью механического деформометра; в - путем подрезки металла; г - методом рассверливания

тел металл подрезают на глубину не менее Л я* 0,6 d (рис. 9, в). Двухосные осесимметричные напряжения в пластинах определяют путем последовательного рассверливания отверстий с измерением баз Б (рис, 9, г), В качестве механиче-

Сварочные деформации и напряжения

ского съемного тензометра может быть рекомендована конструкция, показанная на рис, 10, с индикаторной головкой. Измеряемые длины баз 10-100 мм.

Определить трехосные напряжения в глубине металла при произвольном расположении главных осей можно путем сверления глубоких отверстий диаметром 5-8 мм и установки в них проволочных тензометров. Сверление отверстия вносит существенные искажения в поле напряжений только вблизи отверстия в области около пяти радиусов отверстия. За пределами этого размера искажения незначительны.

При вырезке столбика металла диаметром более пяти диаметров отверстия можно определить средние напряжения в пределах этого объема металла. Датчики могут быть установлены на резьбе, приклеены к стенке или залиты эпоксидной смолой. В последнем случае может быть установлена розетка из нескольких датчиков.

Временные двухосные напряжения определяют на поверхности металла непосредственно в процессе сварки, устанавливая механические, обычно охлаждаемые тензометры. Производят непрерывную запись наблюдаемых деформаций 8 и термического цикла. Затем на дилатометре воспроизводят термический цикл сварки и определяют температурную деформацию вц. Вычитая из 8,1 величину 8ц, по формуле (9) определяют деформации Вупр -f- 6 , на измеряемых базах. Располагая тремя измерениями деформаций, получают деформации Ej., е, у ху Весь процесс разбивают на отдельные периоды времени Ы и находят приращения деформаций

Д8 + \ Дe + Уху каждом интервале времени от пдо(п-- 1). Зная величины предела текучести, модуля упругости и коэффициента Пуассона в зависимости от температуры в момент времени {п -f 1), по теории течения вычисляют напряжения [3].

Для более точного определения временных напряжений с учетом влияния термического цикла сварки и процесса деформации на механические свойства металла получают термодеформограмм у, а затем находят более точные напряжения [3].

На основе расчетных и экспериментальных данных сложились следующие представления о величине и характере распределения остаточных напряжений в сварных соединениях. Наиболее устойчивый характер имеют продольные остаточные напряжения Ох. В металлах толщиной до 15-20 мм, выполняемых за один-три прохода электродуговыми способами и не имеющих структурных превращений с изменением объема при относительно невысоких температурах, распределение напряжений Ох имеет вид, показанный на рис. 11, В низкоуглеродистых и аустенитных сталях максимальные напряжения наблюдаются в ujbq и примерно равны пределу текучести металла (рис. И, а и б). В титановых сплавах (рис. 11, б) atnax ( 0>) т примерно такой же уровень имеют максимальные напряжения в алюминиевых сплавах, но характерно некоторое снижение напряжений в зоне шва (рис. И, г); большие уровни напряжений соответствуют мощным быстродвижущимся источникам тепла при сварке. Ширина зоны растягивающих напряжений несколько меньше ширины зоны пластических деформаций 2Ьп, в приближенных оценках можно считать их одинаковыми. В сваренных полосах равной ширины растягивающие напряжения уравнове-

77777)77777,

Рис. 10. Механический съемный деформометр конструкции МВТУ им. Баумана