9.9 Експериментальні методи визначення зварювальних

напруг та деформацій

Зварювальні деформації та напруги визначають на реальних об’єктах, спеціальних зразках та моделях.

Широко використовується метод масштабного моделювання, по якому виробляється модель конструкції значно менших розмірів з витримкою подібності: форми, режимів зварювання, температурних полів, деформацій і переміщень. Цей метод використовується для моделювання одно– та багатопрохідного дугового і електрошлакового зварювання колових та прямолінійних швів.

9.10 Методи визначення тимчасових напруг

Використовується метод оптичного моделювання. Модель виробляється з оптичнопрозорого матеріалу (полікарбонат, епоксидні смоли). Виконують зварювання або нагрів з витримкою подібності теплових полів. Поверхню моделі освітлюють монохроматичним світлом, на який, у час виникнення тимчасових напруг, з’являються сірі та темні смуги. Ці смуги фіксуються і по ширині та характеру їх розподілення визначають тимчасові зварювальні напруги.

9.11 Визначення тимчасових деформацій

Тимчасові деформації можна визначати за допомогою контактних та безконтактних методів.

При використанні контактних методів до вимірювальної апаратури ставлять вимоги: нечутливість до високих температур і до електромагнітних полів.

Вимірювання проводять за допомогою деформометрів. В якості пристрою, що робить замір, використовують:

а) індикаторні головки;

б) дротові або пневматичні тензодатчики;

в) електроіндуктивні або ємнісні датчики.

Суть безконтактних методів полягає у тому, що перед зварюванням у високотемпературних областях наносять спеціальні позначки. В процесі зварювання за допомогою фотографічної апаратури фіксується зміна положення цих позначок. Заміряючи відстань між початковими та кінцевими положеннями позначок визначають величину деформації.

Отримані заміри є деформацією, що викликана від сумарної дії температури та внутрішніх сил

, (9.9)

де — температурні деформації;

— деформація від дії внутрішніх сил.

. (9.10)

Для визначення деформації від внутрішніх сил при зварюванні замірюють . На тій же базі фіксують температурний цикл, якій потім відтворюють в дилатометрі, де і визначають .

9.12 Методи визначення залишкових напруг та

деформацій

Існують механічні та фізичні методи визначення залишкових напруг та деформацій.

9.12.1 Механічні методи

В основі механічних методів лежить принцип пружного розвантаження об’єму матеріалу від діючих в ньому залишкових напруг шляхом розрізування.

При розрізуванні виникає деформація, яку заміряють механічними деформометрами, та використовуючи апарат теорії пружності розраховують залишкові напруги. Для виміру деформацій можна також використовувати електричні тензометри — це дротові та фольгові датчики опору, які в залежності від діючих напруг наклеюються на конструкцію залежним чином. Можуть використовуватися фотопружні датчики з оптичноактивного матеріалу.

Для виміру одновісного напруженого стану датчики наклеюються як зображено на рисунку 9.9, а. Для двовісного напруженого стану тензодатчики наклеюються як зображено на рисунку 9.9, б. Бази вимірюють з обох сторін пластини.

Для визначення залишкових симетричних трьохосних напруг в стержнях та товстостінних циліндрах використовується метод Закса, відповідно до якого визначається зміна діаметру при їх розточуванні. Для виміру напруг при трьохвісному напруженому стані в масивному тілі використовується метод глибоких свердлувань. Суть цього методу полягає в тому, що в невеликі за діаметром глибокі отвори вставляються стержні, на які попередньо наклеюються тензодатчики або розетки тензодатчиків, після чого отвори заливають епоксидним клеєм. Роблять заміри до розрізування зварної конструкції та після нього. Розрізування виконують на токарних або фрезерних верстатах.

9.12.2 Фізичні методи

Фізичні методи менш трудомісткі, не потребують у більшості випадків руйнування конструкцій і використовуються частіше для основного металу (у шві та біляшовній зоні дають велику помилку).

Суть цих методів полягає в тому, що всі вони засновані на виміру якого–небудь фізичного параметру до зварювання та після нього. Величина цього параметру залежить від наявності та величини напруг у матеріалі, що зварюється. По різниці замірів ( ) визначають величину напруг.

, (9.11)

де Р₁ — значення параметру до зварювання;

Р₂— значення параметру після зварювання.

Величина Р₂ визначається як

, (9.12)

де — зміна параметру від діючих залишкових напруг від

зварювання;

— зміна параметру від структурних та фазових перетворень,

які відбулися в металі шва при зварюванні.

У багатьох випадках важко визначити, що є вирішальним: чи .

Основні фізичні методи:

1. Магнітопружний метод — визначає зміну магнітної проникливості у матеріалі в результаті проведення процесу зварювання. Цей метод використовується тільки для матеріалів, які мають магнітні властивості.

2. Ультразвуковий метод — визначає зміну швидкості розповсюдження ультразвуку у матеріалі зварної конструкції. Це наймобільніший метод.

3. Рентгенівський метод — заснований на замірюванні параметру кристалічної гратки (відстань між кристалографічними площинами) до і після зварювання за допомогою кута відбиття рентгенівського променя. Використовується для тонких поверхневих шарів, трудомісткий, коштовний, небезпечний.

4. Метод замірювання твердості. Існує зв’язок між одно та двовісними напругами з поверхневою твердістю матеріалу. Згідно цього методу виміряють твердість до і після зварювання.

Структурні та фазові перетворення найчастіше проходять безпосередньо в зварному шві, тому фізичні методи дають меншу помилку в біляшовній зоні.