Сварных соединений поляризационно-оптическим методом

Процедура исследования напряженного состояния деталей поляризационно-оптическим методом выглядит следующим образом. На лис­те оптически активного материала иглой от циркуля наносят контур модели исследуемой детали (сварного соединения). Затем лобзиком с помощью специальных приспособлений или на фрезерном станке по намеченному контуру вырезают модель. При вырезке моделей необходимо следить за тем, чтобы не поцарапать её поверхность. Затем в специальном нагрузочном устройстве модель нагружают растяжением, изгибом и т.д. в соответствии со схемой нагружения реального сварного соединения. Возникающую при нагружении модели картину изохром фотографируют на фотопленку. В качестве источника монохромати­ческого света используют натриевые лампы.

Изоклины, как правило, снимают на моделях из оргстекла в бе­лом свете. При просвечивании белым поляризованным светом такой модели, вследствие слабой активности оргстекла, изохромы отсутству­ют и четко видны только изоклины. Размер моделей из оптически активного материала и оргстекла и схема нагружения одинаковые.

Картина изохром и поле изоклин в принципе позволяют получить значения всех компонентов напряжений (, , ) в любой точке модели. Для этого разработаны специальные методики разделе­ния главных напряжений  и . Эти методики сравнительно сложны и трудоемки, и работа по этим методикам требует определен­ного навыка. Однако здесь следует заметить, что ряд практически важных задач можно решить, имея в распоряжении только одну карти­ну изохром, без ее расшифровки (разделения главных напряжений). В частности, для оценки прочности соединений, работающих в услови­ях знакопеременного нагружения необходимо знать значения коэффи­циентов концентрации напряжений  в местах искажения силового потока. При проектировании новых конструкций часто возникает пот­ребность сравнить работоспособность различных вариантов сварных соединений и технологии их выполнения, а надежных расчетных мето­дов нет. Такие задачи можно с успехом решать экспериментально с помощью поляризационно-оптического метода по одной картине изох­ром, не прибегая к сложной и трудоемкой методике ее расшифровки.

В качестве примера рассмотрим тавровые соединения с угловыми лобовыми швами, выполненными ручной дуговой сваркой без глубокого проплавления основного металла. В этом случае форма шва характе­ризуется геометрией его свободной поверхности. В зависимости от параметров режима сварки свободная поверхность шва может быть плоской (рис. 5.18, а), выпуклой (рис. 5.18, б) и вогнутой (рис. 5.18, в). Обычно швы с плоской свободной поверхностью называют нормальными, с выпуклой - усиленными и с вогнутой - ослабленными,

Нормальные швы могут быть равнокатетными = 45° и разнокатетными 45°. На рис. 5.19 представлена картина изохром, полученная при нагружении модели таврового соединения нагрузкой  кгс.

Как видно из рисунка, при приближении к корню шва (точка А) и месту перехода шва к свободной поверхности (точка В) порядки полос во всех швах увеличиваются. Иначе говоря, эти места в угло­вых швах являются концентраторами напряжений. Как известно, вели­чина коэффициента концентрация напряжений зависит от радиуса округления  и геометрии концентратора (см. рис. 5.18). Значения коэффициентов концентрации напряжений  определяют как отно­шение максимального напряжения  в местах, концентрации номинальному напряжению . За величину  принимают напряжение в пластине вдали от места перехода шва к основному металлу.

Рис. 5.18. Эскиз модели таврового соединения

Рис. 5.19. Картина изохром в модели таврового соединения

Величину  определяют как произведение порядка полосы в концентраторах А и В на цену полосы. Последнее следует из того, что точки А и В лежат на свободном контуре модели.

Следовательно, одно из главных напряжений, действующих в этих
точках, равно нулю. Значение другого равно разности главных нап­ряжений (), а его направление совпадает с направлением к касательной в данной точке. При растяжении () = () = , а при сжатии () = () = - . Таким образом,  на контуре является нормальным растягивающим или сжимающим напряжением и коэффициент концентрации напряжений  определяют из выражения:

.                                   (5.51)

Как правило, порядок полосы на краю концентратора не целое число. Поэтому для более точного определение порядка полосы в вершине концентратора проводят экстраполяцию на край контура и находит п  непосредственно на краю.

Вязкое разрушение лобового шва происходит по достижению каким-либо сечением предельного пластического состояния. Как показывает опыт, это состояние достигается раньше всего в том сечении, где средняя интенсивность напряжений ()  наибольшая. Для главных напряжений, исходя из энергетической гипотезы прочности, интенсивность  определяют из выражения

 .             (5.52)

Поскольку можно принять, что лобовые швы тавровых соединений работают в условиях плоской деформации, для этого случая

,

где: - коэффициент Пуассона; - напряжение, направленное вдоль шва (оси z).

Таким образом, для определения  достаточно знать разность главных напряжений ()*, действующих в плоскости поперечно­го сечения шва. Поскольку распределение напряжений в плоскостях сечения шва  при плоском напряженном состоянии и плоской деформации одинаково, разность главных напряжений можно находить по картине изохром, полученной при нагружении прозрачной плоской модели. Иначе говоря, по картине изохром можно судить о распределении интенсивности напряжений  в шве и судить о нагруженности различных сечений шва.

Окружности различных сечений шва, Для этого из вершины непровара (точка А) нужно провести ряд сечений АВ, АС, АD и т.д. (см. рис. 5.18), построить по ним эпюры распределения  и опре­делить величины средних интенсивностей напряжений по этим сечениям, представляющим собой отношение площади эпюры  в данном сечении к длине эпюры (длине  отрезка АВ, АС и т.д.). Сечение, в котором действует наибольшее по величине ()  будет наи­более нагруженным. Экспериментальные исследования на реальных сварных соединениях пластичных сталей показывают, что швы различной геометрии разрушаются по плоскостям, совпадающим с наиболее нагруженными сечениями, определенными по картине изохром.

Рис. 6.20. Распределение интенсивности напряжений в сечениях равнокатетного ло­бового шва

В качестве примера на рис. 5.20 показаны эпюры в , постро­енные для трех характерных сечений шва АВ, АС и АD) равнокатетного шва. Сечение АВ совпадает с основанием шва и явля­ется наиболее нагруженным. Сечение АС совпадает с высотой шва и в нормативном методе является расчетным. Сечение АD совпа­дает о лобовой гранью.

Эпюры по сечениям шва строят следующим образом. Заснятую на пленку картину изохром с помощью увеличителя проектируют в увели­ченном кратном масштабе на миллиметровую бумагу. Карандашом зано­сят контуры шва и проводят прямые линии, совпадающие о исследуемыми сечениями шва. На этих прямых линиях точками отмечают места пересечения изохром с прямыми. Центр изохромы определяют по местам максимального почернения плёнки. Затем строят графики изменения  по сечениям шва. По горизонтальной оси откладывают отрезки, равные длине сечений, а по вертикальной - порядок, умноженный на цену полосы . На график наносят точки, абсциссы которых указывают место пересечения изохромы с сечением шва, а ординаты - порядок полосы в этом месте, умноженный на цену полосы. Точки соединяет плавной кривой. Чём больше полос, тем точнее стро­ится эпюра. Поэтому эпюры рекомендуется строить по картинам изохром, полученным при сравнительно высоких уровнях нагрузки.