Способ определения остаточных напряжений в сварных соединениях

(56) Николаев Г.А.,Винокуров В.А. СварПрочность сварных сомации конструкций.ла, 1982, с, 198-199(088.8)Куркин С.А.,ные конструкции.единений и дефорМ.: Высшая шкома УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ И Н АВТОРСКОМУ СВИДЕ(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ (57) Изобретение относится к области сварки, в частности к способам определения остаточных напряжений в сварных соединениях, и может найти применение в различных отраслях машиностроения при изготовлении сварных конструкций. Целью изобретения является повышение точности определенияостаточных напряжений сварных соединений, Данная задача решается следующим образом. На детали наносят базы, между ними зачеканивают термопары, производят сборку деталей, Ьсуществляют сварку и снятие термического цикла, получают изотерму, ограничивающую область пластических дефорций. Измерение деформаций проводят по разности изменения баз, а остаточ:- ные напряжения определяют по формулам б= Е/2 п(Е+ ЬЯ, /Ьц, зп 2 ср); б -- Е/2 п ( Е п - Е/ Ь р а 1 п 2 ф; ьЕ ь /2 п Мр соз продольные напряжения в сварных соединениях б - поперечные напряжения в сварных соединениях; ь - касательные напряжения; Е - пластическая деформация в сечениях, параллельных оси шва; Е - модуль упругости материала, 7000 кг/см; и - коэффициент, учитывающий расстояние между двумя соседними положениями изотермы при перемещении источника на- (о грева; Ч 1 - угол, равный ос + 45 , где 6- угол первого главного напряжения, определяемый по изотерме, ограничива- . ющей область пластических деформаций, ффффф1 ил., 1 табл, СЮИзобретение относится к сварке, предназначено для определения собственных напряжений в сварных соединениях деталей и может найти применение в любой отрасли машиностроения,Цель изобретения - повышение точности определения остаточных напряжений в металле сварных соединений.На чертеже представлен образец перед операцией разрезки (для того чтобы не затемнять чертеж все замеры представлены на одной пластине, на другой пластине напряжения и деформации симметричны).Образец состоит из двух пластин 1 и 2. На пластины 1 и 2 наносят базы АА +А и А , параллельные свариваемым кромкам. Между базами с обратной стороны образца зачеканивают термопары (на чертеже не показаны). Затем осуществляют сварку пластин 1 и 2. В процессе сварки с помощью термопар записывают термический цикл, Сваренный образец разрезают из полосы - линии реза представлены на чертеже в виде пунктирной линии ОО - по типу гребенки, и измеряют изменение баз АА и т,д.По разности полученных размеров определяют деформации. Для полосы, имеющей нулевую деформацию например, А,А отбирают записанный термический цикл и устанавливают значение максимальной температуры цикла. Зная эту температуру, строят ее изотерму 3 для двух соседних положений при перемещении источника нагрева и проводят между ними срединную иэотерму 4. Затем для определения нормальных и касательных напряжений используют известные построения (Малин Н.Н, Прикладная теория пластичности и ползу- чести. - М,: Машиностроение, 1968, с. 249-250), к срединной изотерме 4 в точках ее пересечения прямыми, являющимися продолжением базы АА, приводят касательные ВВ и к ним восста 1 навливают перпендикуляры СС до их пересечения с двумя соседними положениями изотермы 3. Определяют угол.Ымежду перпендикулярами СС и прямыми, являющимися продолжением базы ААУголь, - угол первого главного напряжения. Затем определяют угол= = м + 45 . Определяют коэффициент.п, учитывающий расстояние между двумя соседними положениями изотермы 3, ССи иСх 21 СС- -, иСС,СС т ВВС С СС 4 г П 5 5 4По ним опреДеляют остаточные напряжения сварных соединений..П р и м е р. Для определения ос таточных напряжений в сварном соединении используют образцы из алюминиевого сплава АМгб толщиной 45 мм, сварку которых проводят на регламентированном техдокументацией ре жима 1, = 280 А, 7 щ = 12 и/ч,Б:= 10 В. Образец состоит из двухпластин 1 и 2. На пластины наносятбазы АА , А,А,-ААц параллельносвариваемым кромкам, размер базы 40 30 мм, расстояние между базами б мм.Между базами (с обратной стороны образца) зачеканивают термопары. Затемосуществляют сварку пластин 1 и 2. Впроцессе сварки с помощью термопар 45 (не показаны) записывают термическийцикл. В результате сварки в образцевозникают сварочные напряжения, вызывающие деформацию образца, различную на всех базах в пределах одной 50 пластины, на базах второй пластиныдеформации будут симметричны. Образецразрезают по заданным уровням на полосы параллельные оси шва. На освобожденных от связей полосах измеряют 55 изменение баз и получают их новыеразмеры: АА = 30,084 мм; А,А= ЗО,015 мм. где СС - отрезки перпендикуляра,заключенные между двумя соседними положениями изо, термы 3.Остаточные напряжения в сварныхсоединениях возникают и находятся впрямой зависимости от пластическихдеформаций укорочения.15 Эксперименты позволили уточнитьуказанную взаимосвязь в виде нижеприведенных формул."По разности полученных до сварки и после разрезки замеров баз определяют пластические деформации на этих базах: Япл = 00028 Епл, = 0 0012Отбирают термический цикл для полосы А А , имеющей практически нулевую остаточную деформацию. Устанавливают значение максимальной темпераотуры цикла - 200 С. Строят изотерму 3 для двух соседних положений при перемещении источника нагрева на шаг. Проводят срединную изотерму 4, которая пересекает прямые, проходящие че рез базы. К изотерме 3 в точках пересечения с прямыми, проходящими через базы, проводят касательные ВВ , Затем к касательным ВВ в этих точках восстанавливают перпендикуляры СС и 20 определяют угол оС между перпендику 1 пярами и прямыми, проходящими через базы, угол О - угол первого главного напряжения25Значение определяемого угла М,.между перпендикулярами и прямыми,являющимися продолжением базы АА,меняется при переходе от одной базыок другой, а угол= угол М + 45тогда изменение углапри переходеот одной базы измерения к другойможно представить выражением Ьс ==4 -Ц т.е. в предлагаемом примересоответственно равно 10, 9, 24,25, 17 ,или 0,2, 0,16, 0,42, 0,436,0,3 рад, Определяют коэффициент и,он равен 1,9; 1,65; 1,63, 1,2, 1,05.Поскольку сварка выполняется подвижным источником нагрева, необходимоучитывать неодновременность наложения шва, которая характеризуется коэффициентом и, учитывающим расстояние между двумя соседними положениями изотермы при перемещении источника 45нагрева из одного положения в соседнее на шаг,Как показали эксперименты, размершага в зависимости от округлости изотермы 10-30 мм (в данном примере шагвзят равным 10 мм),Результаты испытаний сведены втаблицуКак видно из таблицы, напряжениеб;,по прототипу больше продольных напря жений, полученных по данному способу,причем имеется большой разброс значений (7 по прототипу, что приводит кнеуравновешенности эпюры напряжений. Неуравновешенность эпюры собственных напряжений указывает на то, что метод, принятый в качестве прототипа, не учитывает местные коробления кромок; деформации, общей потери устойчивости и т.д.По данному способу измерения выполняют в металле, когда он находится в свободном от напряжений состоянии: измеряют цо сварки и после разрезки, когда металл также свободен ат напряжений.Сравнивая измерения по известному методу с полученными измерениями по данному способу приходим к выводу, что применительно к тонкостенным(конструкциям способ обладает повышенной точностью, так как базы при измерениях оказываются строго прямолицейными. Достоверность полученных результатов возрастает. Получение достоверных сведений об остаточных напряжениях в сварном соединении позволит более объективно оценить такие показатели как коррозионная стойкость, пронность при статических и динамических нагрузках, а также позволит назначить режимы термической обработки типа отпуска или отжига. Кроме того, по одному измерению баз разрезанной пластины можно получить сведения о трех составляющих напряжениях: продольных б поперечных б и касательных Е .Формула изобретенияСпособ определения остаточных напряжений в сварных соединениях, включающий нанесение на образец измерительных баз, измерение деформаций, разрезку образца на полосы, параллельные оси сварного шва, и определение остаточных напряжений, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения остаточных напряжений, сначала наносят базы на образец, выполняют его сварку, фиксируя при этом термический цикл сварки, разрезают образец на полосы, осуществляют измерение деформаций, по термическому циклу устанавливают значение максимальной температуры цикла, строят ее изотерму для двух соседних положений при перемещении источника нагрева, находят между ними срединную изотерму, определяют для каждой базы угол Ы, между перпендикуляром и каса(Е + -з 1 п 2 с);2 п п 1 е,4 Е "Епи1 Е --- з 1 п 2 е.р);2 п пи ср Базы пп По прото- По изобтипу ретению 1,5 9,26 14,0 А,А А А 11,57 4,00 6,00 6,00 10,00 2,00 6,00 11, 00 10,80 А 4 А 1,00,Товтин Техред Л. Олийнык Корректор Т, Кол акто Подп омитета СССР открытий кая наб., д, 4/5ное роизводственно-полиграфическое предприяти жгород, ул. Проектная, 4 тельными в точках пересечения с базами, определяют коэффициент п, учитывающий изменение расстояния междудвумя соседними положениями изотермыпри перемещении источника нагрева, изатем определяют остаточные напряжения .по следующим зависимостям; аказ 2383/10 Тираж 975 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Раушл Евши-- соз 2 д,Ч 2 п Е угде 5 - продольные напряжения всварных соединениях;5 б - поперечные напряжения в9сварных соединениях;- касательные напряжения;Я - пластическая деформация всечениях, параллельнйх осишва;Е - модуль упругости материала,7000 кг/смЦ - угол равный ю. + 45