Деформации и перемещения при сварке

При воздействии термического цикла сварки в результате пластической деформации в сварном соединении происходит искажение исходной формы. При симметричном нагреве происходит продольное укорочение, при несимметричном – изгиб в двух или, в частном случае, в одной плоскостях, причем в нейтральном слое нпряжения от изгиба равны нулю.

Используя выведенные ранее формулы, рассмотрим продольные и поперечные перемещения бруса при произвольном распределении температурных деформаций.

Приращение относительного изменения длины бруса по нейтральному слою с номером i₀ составит

Dl₀ / l₀ = R_a / R₀.

Номер нейтрального слоя определяется по формуле

i₀ = R₁ / R₀.

Относительное изменение длины i - ого слоя

.

Приращение угла поворота поперечного сечения бруса составит

.

Приращение стрелы прогиба бруса определится из выражения

.

Для определения остаточных деформаций необходимо учитывать историю нагружения, т.е. вести расчет для нескольких стадий термического цикла.

Для ускоренной оценки перемещений вне зоны сварки остаточные напряжения и деформации могут быть рассчитаны методами сопротивления материалов с использованием понятия усадочной силы Ру, приложенной вдоль оси шва. В этом случае расчет ведется по формулам для внецентренного сжатия.

Существует ряд эмпирических формул для расчета Ру, учитывающих режим сварки и форму сварного соединения, например

,

q – эффективная тепловая мощность;

v_св – скорость сварки,

d_р – расчетная толщина.

Расширение зоны шва при сварке происходит также в направлении, перпендикулярном оси шва. Свободное расширение возможно только при достаточно большом зазоре. При малом зазоре тепловому поперечному расширению препятствуют закрепление детали и сваренная часть шва. В результате возникают поперечные усадки. В случае неравномерной усадки по толщине деталей возможно угловое перемещение.

 

Экспериментальные методы определения s_ост

Существуют различные методы измерения остаточных напряжений – рентгеновский, магнитный, ультразвуковой и т.д. Однако наиболее распространенными являются механические методы, основанные на измерении деформаций после полной или частичной разрезки металла и освобождения его от напряжений.

В простейшем случае напряжения получаются одноосными. В исследуемом районе сварного соединения наносится измерительная база длиной l, вокруг которой вырезается полоска, ширина которой берется минимально возможной.

 

В результате освобождения от напряжений при разрезке длина измерительной базы изменится на величину D1. Остаточное напряжение определяется из выражения

s_ост = - Е D1/1.

Для определения двухосных остаточных напряжений из исследуемой области сварного соединения вырезаются кубики с двумя взаимно-перпендикулярными измерительными базами, сориентированными вдоль предполагаемых главных направлений остаточных напряжений. По деформациям измерительных баз после разрезки e_х и e_у определяются остаточные напряжения

s_х = - (e_х - me_у)Е; s_у = - (e_у - e_х)Е.

где m ¾ коэффициент Пуассона.

Если полное освобождение от напряжений путем разрезки невозможно, то применяют частичную разгрузку путем сверления отверстий, фрезерования кольцевых или прямоугольных канавок, снятия слоев. После измерения деформаций измерительных баз остаточные напряжения вычисляются по известным формулам.

Внутренние напряжения в общем случае не поддаются прямому экспериментальному измерению. Они могут быть определены косвенно по замерам внутренних деформаций при сварочном цикле с последующими вычислениями. Все большее распространение получило определение кинетики внутренних напряжений в результате численного эксперимента на ЭВМ.