Глава 7. Сварочные деформации и напряжения, страница 5

д.).Экспериментальные методы чаще всего применяют для определенияостаточных напряжений после сварки. Типовая методика их определениявключает следующие этапы:1) устанавливают датчики деформации и снимают начальный замер;2) устраняют остаточные напряжения путем вырезания небольшогоучастка 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 за179меров до сварки и в процессе сварки (поэтому она пригодна для исследования готовых конструкций), а недостатком – повреждение исследуемойконструкции.

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 методахпараметры (магнитная проницаемость, скорость прохождения ультразвукаи т.д.) изменяются не только при появлении остаточных напряжений, нотакже 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 егоможно рассчитать по формуле: = − E   ,(7.21)где E – модуль упругости (модуль Юнга) данного материала.В общем случае необходимо в каждой точке поверхности установить3 датчика по разным направлениям и измерить 3 компоненты деформации:Δεxx, Δεyy и Δεxy.

Деформации могут быть также определены по измеренным перемещениям точек на поверхности ux, uy и uz:1  uu  ij =  i + j  ,2  ji (7.22)где i и j могут принимать значения x, y или z.По ним рассчитывают 3 компоненты остаточных напряжений: xx = −E  (  xx +    yy )(1 −  2 ) xy = −;  yy = −E   xy1+ E  (  yy +    xx )(1 −  2 ),где μ – коэффициент Пуассона для данного материала.180;(7.23)Для определения временных сварочных напряжений недостаточнознать значения деформаций в данный момент времени. Необходимо вестизапись температуры T и компонент наблюдаемой деформации εн непрерывно или периодически в течение всего процесса сварки.

Кроме того,необходимы дополнительные эксперименты по определению изменениясвойств материала в условиях сварки.В процессе сварки протекает целый ряд физических явлений, влияющих на распределение напряжений. Точность расчета напряжений зависитот полноты и точности учета всех этих явлений.

Увеличение точности требует не только применения более сложных расчетных формул, но такжеувеличения объема и сложности экспериментов для определения дополнительных физических характеристик свариваемых материалов.7.6. Влияние неоднородности свойств материала и фазовыхпревращений на распределение остаточных напряженийЭксперименты показали, что при сварке различных материалов с однородными свойствами, как правило, возникает распределение напряжений, аналогичное показанным на рис.

7.9 – 7.10. Таковы остаточныенапряжения в низкоуглеродистых (феррито-перлитных) и высоколегированных аустенитных нержавеющих сталях, ряде титановых и алюминиевых сплавов.Картина изменяется, если материалы шва и различных участков зонытермического 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 можетбыть предусмотрена технологией или возникнуть вследствие ее нарушения.

На распределение сварочных напряжений сильнее всего влияет различие коэффициентов линейного расширения и пределов текучести всмежных зонах сварного соединения.1811) Поскольку исходной причиной сварочных напряжений является температурная деформация , из формулы (7.3) следует, что увеличение коэффициенталинейногорасширенияαизменяетнапряженно-деформированное состояние примерно так же, как дополнительный нагревсоответствующей зоны. При этом уровень напряжений может существенноповыситься, особенно при резком перепаде значений α в близкорасположенных зонах. В таком материале, называемом биметаллом, напряжениявозникают даже при его равномерном нагреве в печи. При сварке ферритоперлитной стали аустенитным электродом следует иметь в виду, что коэффициент линейного расширения аустенита примерно на 30% выше, чему 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. 7.15).σ,ε т (T )Ф-П (T )АМкМнАС1АС3TРис. 7.15. Диаграммы температурных деформаций (дилатограммы) стали,испытывающей фазовые превращения при нагреве и охлаждении182Если превращение происходит при высокой температуре, когда предел текучести мал, оно не вызывает заметного изменения сварочныхнапряжений. Распад аустенита в процессе остывания при температуре ниже 500 ºС оказывает такое же действие на распределение деформаций инапряжений, как внезапный нагрев зоны превращения, он в корне меняетраспределение напряжений, показанное на рис.

7.9. Зона, испытавшая превращение, оказывается после остывания сжатой.В результате образуется сложная эпюра из чередующихся полос растяжения и сжатия. На рис. 7.16 показана эпюра остаточных напряженийпри сварке углеродистой стали аустенитным швом.231σYРис. 7.16. 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 ваустенит, в процессе охлаждения превращается в мартенсит. При этомпроисходит расширение металла, и в нем возникают сжимающие напряжения. В остальных зонах (1 и 3) превращений не происходит: в шве сохраняется за счет легирования постоянная аустенитная структура, а за пределами зоны закалки сохраняется исходная перлитная структура, так какнагрев этой зоны недостаточен для превращений.

Поэтому в шве и за пределами закаленной зоны возникают при остывании и сокращении металларастягивающие напряжения.1833) Как следует из рис. 7.8, в пластической зоне после остывания возникают напряжения, близкие к пределу текучести. Аналогичные эпюры характерны для большинства материалов, не испытывающих превращений приневысокой температуре. Снижение предела текучести в какой-либо зонеприводит к соответствующему снижению остаточных напряжений. Поэтой причине уровень напряжений в аустенитном шве ниже, чем в основном металле (см.

рис. 7.16). Однако на границе шва иногда возникаютупрочненные зоны с высоким пределом текучести. Остаточные напряжения в таких зонах могут в несколько раз превышать предел текучести основного металла сварного соединения.7.7. Компьютерные методы расчета сварочных деформаций и напряженийНаиболее современным и точным способом определения напряженнодеформированного состояния, как на поверхности, так и в глубине деталейявляется моделирование сварочных процессов на компьютере методом конечных элементов (МКЭ). Этот численный метод вначале был создан длярасчета стержневых строительных конструкций (балок и ферм). В отличиеот аналитических методов теории упругости, уравнения составляют не длябесконечно малого элемента, а для конечного элемента (КЭ) конечныхразмеров 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 немувнешних сил и моментов, а также реакций со стороны присоединенных кнему КЭ. Эти уравнения, неизвестными в которых являются перемещенияузлов, образуют систему.

Из решения этой системы уравнений определяютперемещения узлов, а затем деформации и напряжения в элементах.Примером такой конечно-элементной модели может служить стержневая модель на рис. 7.6. Стержни являются элементами, а соединяющиеих поперечные сечения – узлами. В данном случае узел может иметь 2 пе184ремещения 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 осуществляетсяна компьютере программой, пригодной для широкого класса задач.

Длякаждой 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 конечныхэлементов.Вторым важным преимуществом является то, что элементы не зависятдруг от друга и соединяются только в узлах, поэтому форма и свойства материала у соседних элементов могут быть различными. А в аналитическихметодах сложность формы и неоднородность свойств часто приводят куравнениям, 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 (требуемаяпамять и время счета на компьютере).

При решении сложных задач приходится для получения необходимой точности увеличивать число элементовдо десятков и сотен тысяч, а число уравнений может достигать миллионов.Существует большое количество авторских и профессиональных программных комплексов, различающихся по сложности конструкций, доступных для моделирования, и по полноте охвата процессов, протекающихпри различных способах сварки.

Кроме стержневых, применяют плоские иобъемные 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;1853) температурных деформаций и деформаций от структурных превращений;4) собственных деформаций, напряжений и перемещений.В результате моделирования определяют вначале временные, а затемостаточные напряжения, деформации и перемещения. Процесс моделирования может быть продолжен на стадию эксплуатации сварной конструкции, что позволяет учесть взаимодействие остаточных напряжений с рабочими напряжениями от эксплуатационных нагрузок.