td1 (1) (Лекции в формате Word), страница 5

Ряд сварных точек создает усадку аналогично прерывистому шву. Имеется приближенная формула , где s – суммарная толщина свариваемого металла, t – расстояние между центрами соседних точек, r₁₅₀ - радиус зоны, нагревавшейся при сварке до температуры 150 °С (его необходимо определить из теплового расчета или экспериментально). Чтобы получить силу в ньютонах, все размеры нужно подставлять в мм.

1. Экспериментальные методы определения остаточных напряжений деформаций и перемещений

Существует большое количество экспериментальных методов определения сварочных напряжений, деформаций и перемещений. Наиболее просто измерить перемещения на внешних поверхностях конструкций. Это можно сделать с помощью различных датчиков или видеокамер. Весьма эффективным, обеспечивающим регистрацию всех компонент перемещения, является лазерный голографический метод.

Существуют также датчики для измерения деформаций (наиболее распространены тензодатчики, наклеиваемые на поверхность детали). Напряжения, как правило, рассчитывают на основе измерений перемещений, деформаций или других физических параметров, изменяющихся при появлении в металле напряжений (магнитные, ультразвуковые, рентгеновские методы, нейтронное облучение, измерение твердости и т. д.).

Экспериментальные методы чаще всего применяют для определения остаточных напряжений после сварки. Типовая методика их определения включает следующие этапы:

1. устанавливают датчики деформации и снимают начальный замер;

2. устраняют остаточные напряжения путем вырезания небольшого участка с установленными датчиками из сварной конструкции;

3. снимают повторный замер и определяют Δε - изменение деформации от устранения напряжений.

4. рассчитывают остаточные напряжения по формулам теории упругости.

Достоинством этой методики является отсутствие необходимости замеров до сварки и в процессе сварки (она пригодна для исследования готовых конструкций), а недостатком – повреждение исследуемой конструкции. Некоторые другие методы (магнитные и ультразвуковые) также применяются на готовых конструкциях и не повреждают их, но дают достоверные результаты только для однородного основного металла, вдали от сварного шва. Это связано с тем, что измеряемые в этих методах параметры (магнитная проницаемость, скорость прохождения ультразвука и т.д.) изменяются не только при появлении остаточных напряжений, но также при изменении химического состава, размера зерна, структуры металла и других факторов.

Если известно, что в точке измерения действует только один компонент остаточного напряжения σ (остальные компоненты малы), то его можно рассчитать по формуле:

, (21)

где E – модуль упругости (модуль Юнга) данного материала.

В общем случае необходимо в каждой точке поверхности установить 3 датчика по разным направлениям и измерить 3 компонента деформации: Δε_xx, Δε_yy и Δε_xy. Деформации могут быть также определены по измеренным перемещениям точек на поверхности u_x, u_y и u_z:

, (22)

где i и j могут принимать значения x, y или z.

По ним рассчитывают 3 компонента остаточных напряжений:

; ;

, (23)

где μ – коэффициент Пуассона для данного материала.

Для определения временных сварочных напряжений недостаточно знать значения деформаций в данный момент времени. Необходимо вести запись температуры T и компонент наблюдаемой деформации ε_н непрерывно или периодически в течение всего процесса сварки. Кроме того, необходимы дополнительные эксперименты по определению изменения свойств материала в условиях сварки.

В процессе сварки протекает целый ряд физических явлений, влияющих на распределение напряжений. Точность расчета напряжений зависит от полноты и точности учета всех этих явлений. Увеличение точности требует не только применения более сложных расчетных формул, но также увеличения объема и сложности экспериментов для определения дополнительных физических характеристик свариваемых материалов.

1. Влияние неоднородности свойств материала и структурных превращений на распределение остаточных напряжений

Эксперименты показали, что при сварке различных материалов с однородными свойствами, как правило, возникает распределение напряжений, аналогичное показанным на рис. 9 и 10. Таковы остаточные напряжения в низкоуглеродистых (феррито-перлитных) и высоколегированных аустенитных нержавеющих сталях, ряде титановых и алюминиевых сплавов.

Картина изменяется, если материалы шва и различных участков зоны термического влияния отличаются по свойствам друг от друга и от основного материала свариваемых деталей. Эта неоднородность может возникнуть как в результате отличия химического состава, так и вследствие различных термических циклов в процессе сварки. Неоднородность может быть предусмотрена технологией или возникнуть вследствие ее нарушения. На распределение сварочных напряжений сильнее всего влияет различие коэффициентов линейного расширения и пределов текучести в смежных зонах сварного соединения.

1. Поскольку исходной причиной сварочных напряжений является температурная деформация _, из формулы (3) следует, что увеличение коэффициента линейного расширения α изменяет напряженно-деформированное состояние примерно так же, как дополнительный нагрев соответствующей зоны. При этом уровень напряжений может существенно повыситься, особенно при резком перепаде значений α в близкорасположенных зонах. В таком материале, называемом биметаллом, напряжения возникают даже при его равномерном нагреве в печи. При сварке феррито-перлитной стали аустенитным электродом следует иметь в виду, что коэффициент линейного расширения аустенита примерно на 30% выше, чем у феррито-перлитной смеси и такое сварное соединение ведет себя как биметалл.

2. При одной и той же температуре плотность аустенита выше, чем перлита и мартенсита. Превращение перлита в аустенит и обратное превращение сопровождаются изменением объема (рис.16).

Рис.16. Диаграммы температурных деформаций (дилатограммы) стали, испытывающей фазовые превращения при нагреве и охлаждении

Если превращение происходит при высокой температуре, когда предел текучести мал, то оно не вызывает заметного изменения сварочных напряжений. Распад аустенита в процессе остывания при температуре ниже 500 ºС оказывает такое же действие на распределение деформаций и напряжений, как внезапный нагрев зоны превращения, и в корне меняет распределение напряжений, показанное на рис. 8. Зона, испытавшая превращение, оказывается после остывания сжатой.

В результате образуется сложная эпюра из чередующихся полос растяжения и сжатия. На рис.17 показана эпюра остаточных напряжений при сварке углеродистой стали аустенитным швом.

Рис.17. Напряжения при сварке углеродистой стали аустенитным швом:

1 – основной металл (перлит), 2 – зона закалки (мартенсит), 3 - шов (аустенит)

Металл в зоне закалки 2, испытавший при нагреве превращение в аустенит, в процессе охлаждения превращается в мартенсит. При этом вместо обычного сокращения при остывании происходит расширение металла, и в нем возникают сжимающие напряжения. В остальных зонах (1 и 3) этих превращений не происходит: в шве сохраняется за счет легирования постоянная аустенитная структура, а за пределами зоны закалки сохраняется исходная перлитная структура, так как нагрев этой зоны недостаточен для превращений. Поэтому в шве и за пределами закаленной зоны возникают при остывании и сокращении металла растягивающие напряжения.

1. Как следует из рис. 8, в пластической зоне после остывания возникают напряжения, близкие к пределу текучести. Аналогичные эпюры характерны для большинства материалов, не испытывающих превращений при невысокой температуре. Снижение предела текучести в какой-либо зоне приводит к соответствующему снижению остаточных напряжений. По этой причине уровень напряжений в аустенитном шве ниже, чем в основном металле (см. рис. 17). Однако на границе шва иногда возникают упрочненные зоны с высоким пределом текучести. Остаточные напряжения в таких зонах могут в несколько раз превышать предел текучести основного металла сварного соединения.

9. Компьютерные методы расчета сварочных деформаций и напряжений

Наиболее современным и точным способом определения напряженно- деформированного состояния, как на поверхности, так и в глубине деталей является моделирование сварочных процессов на компьютере методом конечных элементов (МКЭ). Этот численный метод вначале был создан для расчета стержневых строительных конструкций (балок и ферм). В отличие от аналитических методов теории упругости, уравнения составляют не для бесконечно малого элемента, а для конечного элемента (КЭ) конечных размеров и достаточно простой формы (например, для стержня фермы). Количество этих элементов может быть достаточно большим, но не бесконечным. Элементы соединяются между собой в отдельных точках (узлах). Каждый узел находится в равновесии под действием приложенных к нему внешних сил и моментов, а также реакций со стороны присоединенных к нему КЭ. Эти уравнения, неизвестными в которых являются перемещения узлов, образуют систему. Из решения этой системы уравнений определяют перемещения узлов, а затем деформации и напряжения в элементах.

Примером такой конечно-элементной модели может служить стержневая модель на рис.7. Стержни являются элементами, а соединяющие их поперечные сечения – узлами. Узел может иметь 2 перемещения относительно другого узла – линейное и угловое (поворот), которые могут быть найдены из 2 уравнений равновесия – сил и моментов.

Главным преимуществом МКЭ перед аналитическими методами является то, что составление и решение системы уравнений осуществляется на компьютере программой, пригодной для широкого класса задач. Для каждой новой задачи не нужно выводить и решать новые дифференциальные уравнения, а нужно ввести в компьютер исходные данные, включающие координаты узлов, а также размеры и свойства материалов конечных элементов.

Вторым важным преимуществом является то, что элементы не зависят друг от друга и соединяются только в узлах, поэтому форма и свойства материала у соседних элементов могут быть различными. А в аналитических методах сложность формы и неоднородность свойств часто приводят к уравнениям, не имеющим решения.

Недостатком МКЭ является то, что это приближенный метод, погрешность которого увеличивается с увеличением размера элемента. Измельчением элементов можно добиться любого уровня точности, но с ростом числа элементов увеличиваются вычислительные затраты (требуемая память и время счета на компьютере). При решении сложных задач, для получения необходимой точности приходится увеличивать число элементов до десятков и сотен тысяч, а число уравнений может достигать миллионов.

Существует большое количество авторских и профессиональных программных комплексов для больших и персональных компьютеров, различающихся по сложности конструкций, доступных для моделирования, и по полноте охвата процессов, протекающих при различных способах сварки. Кроме стержневых, применяют плоские и объемные КЭ для моделирования листовых конструкций и массивных деталей. Возможно объединение в одной модели КЭ разных видов.

Расчет сварочных деформаций и напряжений состоит из определения:

1. температурных полей при сварке;

2. механических свойств материала, зависящих от температуры; температурных деформаций и деформаций от структурных превращений;

3. собственных деформаций, напряжений и перемещений.

В результате моделирования определяют вначале временные, а затем остаточные напряжения, деформации и перемещения. Процесс моделирования может быть продолжен на стадию эксплуатации сварной конструкции, что позволяет определить характер взаимодействия остаточных напряжений с рабочими напряжениями от эксплуатационных нагрузок. Для проведения расчета, кроме информации о форме и размерах конструкции, необходимы следующие исходные данные:

1) Характеристики сварочного источника нагрева (мощность и ее распределение по пятну нагрева, скорость сварки, порядок наложения швов), условия теплоотдачи и температурные зависимости теплофизических свойств материалов (коэффициентов теплоемкости сρ, теплопроводности λ, теплоотдачи с поверхности α_т).