§ 7. Экспериментальные методы

ОПРЕДЕЛЕНИЯ СВАРОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ,

НАПРЯЖЕНИЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИИ

Для экспериментального определения деформаций и напря­жений используют различные способы, основанные на явлениях фотоупругости, магнитной проницаемости, отражении рентгенов­ских лучей и др. Наибольшее распространение получили меха­нические методы, в основе которых лежит измерение перемеще­ний точек тела с помощью тензометров: механических, электро­сопротивления, индуктивных, емкостных и др.

Измерение временных деформаций и перемещений в боль­шинстве случаев производится с помощью механических прибо­ров, устанавливаемых нередко в зоне действия высоких темпе­ратур. При этом они могут охлаждаться проточной водой.

Определение деформаций металла от внутренних сил в око­лошовных зонах в процессе сварки производят дифференциаль­ным методом. Прибор на некоторой базе длиною 10--:-25 лш, расположенной параллельно оси шва, регистрирует изменение

165

деформации формоизменения е_ф во времени, которая слагается из температурной деформации &_а и деформации металла от внут­ренних сил е

^ = _Se-rs. (6.17)

Одновременно записывается термический цикл металла по­середине базы измерения. Результат измерения е_ф откладывают на графике в функции температуры (кривая J на рис. 6-22, а). Затем на образце из того же металла, что и свариваемая пла­стина, при термическом цикле, совпадающем со снятым при сварке, определяют температурную деформацию е₀—дилато-грамму металла (кривая 2 на рис. 6-22,а). Вычитая из е_ф вели-

а) 5} ,5}

т,°с т°с

900

800

300

U -U,t -Vfi -'.£ t,f С,/, -д Qj _% - __Qlf Q щ QJ _t,l 1,%

Рис. 6-22. Определение деформаций с помощью дифференциального метода

чину е«, получают е (рис. 6-22, е). Зная зависимость деформа­ции е_т, соответствующей пределу текучести <т_т, от температуры (рис. 6-22,6), можно судить об упругих е_у и пластических де­формациях металла при сварке.

Определение перемещений деталей, например при электро­шлаковой сварке, можно производить с помощью индикаторных головок, штангенциркулей и съемных деформометров, так как перемещения происходят относительно медленно. В лаборатор­ных условиях используют метод моделирования, сваривая дета­ли уменьшенных или увеличенных по сравнению с натурой раз­меров. Одним из основных требований при этом является подо­бие температурных полей, что дает для пластин:

(X) ₌Ш . (J^L.) = { ^е'с* 1

I \s /„ Us )_к> \ 2а /_н I 1а } I ba \ I ha \

где индекс «н» относится к детали в натуральную величину, а индекс «м» — к модели;

166

	villi
	*ч^		л			—
L_		i		^
\	-/
	S,
	ч				\

=ЕЭ_________________f i ■

(6.18)

линейные размеры; толщина пластины;

эффективная мощность и скорость источника теп­ла;

коэффициент температуроотдачи; коэффициент температуропроводности.

3} е) ж)

Рис. 6-23. Расположение мерительных баз и схемы разрезки при определении одноосных и двуосных ос­таточных напряжений

Определение остаточных напряжений производят физически­ми и механическими методами. Последние получили значитель­ное распространение. Они основаны па освобождении металла от напряжений путем его разрезки. При этом регистрируют воз­никающие деформации и по ним вычисляют остаточные напря­жения.

Определение одноосных и двухосных напря­жений. Одноосные напряжения (рис. 6-23, а) в пластинах

167

незначительно изменяются по длине шва. Поэтому размер базы L _м (рис. 6-23,6) можно принять достаточно большим (до \00 мм). Начальный отсчет берут либо с проволочных датчиков, либо производят съемным механическим тензометром с двух сторон пластины. Механический тензометр устанавливается в специ­альные конусные лунки диаметром около 2 мм,

Затем разрезают пластины на полосы (рис. 6-23,6), ширина которых 6_б в зоне значительных градиентов должна быть по возможности меньше. После разрезки измерения повторяются. По разности отсчетов определяют деформацию.

Остаточные напряжения вычисляют по формуле

^ост = -⁶^ (6-19)

где е — относительная деформация фибра металла, возникшая в результате разрезки; Е — модуль упругости металла.

Возможна вырезка одной полосы, перпендикулярной оси шва (рис. 6-23,в). Однако для достаточного снятия напряжений раз­резкой в этом случае необходимо, чтобы L_n<Cb_n. Одноосные остаточные напряжения в балках определяют путем разрезки их на полосы или путем сострагиваиия слоев.

Двухосные остаточные, напряжения в пластинах определяют путем разрезки металла по схеме, показанной на рис. 6-23,6 или г. Измерения производят по двум направлениям, совпадаю­щим с главными осями. Остаточные напряжения вычисляются по формулам

-V(H"1

У ост

где в_х и e_w — относительные деформации металла в направле­ниях Ох и Оу, возникшие в результате разрезки.

Когда направления главных осей не известны, измерения про­изводит в трех направлениях, используя либо розетку датчиков (рис. 6-23,д), либо механический тензометр (рис. 6-23,е). При определении двухосных остаточных напряжений на поверхности массивных тел производят подрезку металла на глубину h&Ofid (рис. 6-23,ж). При этом напряжения на поверхности, где наклее­ны датчики или расположены лунки под тензометр, снимаются достаточно полно.

Определение трехосных остаточных напри-ж е и и и it сварных швах представляет значительную трудность, так как установка тензометров не может быть произведена без некоторого нарушения поля остаточных напряжений. Наиболее

1 -- f*2

1 - iJ.a

(6.20)

168

универсальным из известных является метод, при котором в теле образца или детали сверлятся отверстия небольшого диаметра 5—8 мм, заканчивающиеся в зоне, где необходимо определить напряжения. Таких отверстий, различно ориентированных, может быть несколько- В них устанавливаются (приклеиваются, зали­ваются эпоксидной смолой или закрепляются на резьбе) тензо­метры с проволочными датчиками. После вырезки столбиков металла 0 = 30—40 мм с тензометром посередине производят повторный отсчет и находят деформации. По ним вычисляют напряжения.

В одном отверстии может находиться несколько различным образом ориентированных тензометров. Указанный метод осно­ван на той особенности, что при сверлении отверстия искажение поля напряжений происходит в основном на расстоянии около пяти радиусов отверстий. Следовательно, если при вырезке стол­бика его границы находятся за пределами зоны искажения па-пряжений, то тензометр будет воспринимать деформации от сня­тия этих мало измененных напряжений.

Кроме перечисленных, имеется значительное количество дру­гих методов определения остаточных напряжений, предназначен­ных для определенных типов сварных соединений и элементов конструкций.