Диссертация (Совершенствование традиционного и разработка нового методов диагностики остаточных напряжений в сварном соединении), страница 12

Изменение объема металла при нагреве характеризуется дилатометрической кривой, определяющей дилатацию - свободное изменение линейного размера образца при нагреве. При отсутствии фазовых превращений дилатометрическая кривая может быть аппроксимирована прямой (что означает постоянство коэффициента линейного расширения). Если принять также схематизированную диаграмму растяжения-сжатия, то анализ термодеформационныхциклов элементарных призм можно выполнить методом, описанным ниже [6,18].В работе [18] проводился анализ стыковой сварки стальных стержней, вкотором было получено аналитическое решение, описывающее распределение105температуры на разных расстояниях от оси шва как в процессе нагрева, так и впроцессе остывания. По полученной в этой работе диаграмме распределениятемпературы, можно определить и распределение остаточных напряженийвдоль оси сваренного стержня.Дляопределенияостаточныхнапряженийвоспользуемсяграфо-аналитическим методом Николаева-Окерблома [6, 39].

В соответствии с этимметодом, изобразим схематизированную диаграмму растяжения-сжатия в такоммасштабе, при котором упругий участок диаграммы наклонен к оси деформаций под углом 45° (упругие деформации и соответствующие им напряженияхарактеризуются одинаковыми отрезками на диаграмме ( ), – координатавдоль оси стержня) (Рис. 3.1).Рис.

3.1 – Кинетика напряжений и деформаций в точках элементарной полоски,параллельной швуПод диаграммой расположена дилатометрическая прямая с масштабомдля дилатации, равным масштабу деформации на диаграмме ( ), и масштабом для температуры выбранным таким, чтобы были равными отрезки, харак-106теризующую температуру и соответствующую ей дилатацию.

Справа от дилатометрической прямой изображена характерная кривая термического цикла стем же масштабом для температуры, что и на дилатометрической прямой.Например, для момента времени 1 , температура 1 характеризуется точкой 1 на кривой термического цикла. Из этой точки проводится горизонтальнаяпрямая до дилатометрической прямой. Точка пересечения этих прямых на Рис.3.1 также обозначена цифрой 1.

Допустим, что этой точке соответствует температурная деформация − . Проекция этой точки на диаграмму ( ) такжеобозначена через 1. Она характеризует и в момент времени 1 (на Рис. 3.1она соответствует значению напряжения предела текучести на сжатии =− ). Далее, пересечение горизонтальной проекции точки 1 с диаграммы ( )и вертикальной проекции точки 1 с кривой термического цикла ( ) дает точку1, принадлежащую кривой изменения напряжений от времени.Аналогично рассмотрим момент времени 2 - момент максимальногонагрева, для которого температура, дилатация и напряжения характеризуютсяточками 2 соответственно на кривых термического цикла, дилатометрической идиаграмме ( ). Как видно из диаграммы ( ), в этот момент имеет местоупругая деформация − и максимальная пластическая деформация укорочения, соответствующая отрезку между точками 1 и 2.

Пересечение горизонтальной проекции точки 2 с диаграммы ( ) и вертикальной проекции точки 2 скривой термического цикла ( ) дает точку 2, принадлежащую кривой изменения напряжений от времени. В этой точке и на всем интервале 1-2 напряжения равно пределу текучести на сжатие.По достижению момента времени 2 зона шва переходит в расплавленноесостояние. После этого производится осадка, что вызывает удаление жидкогометалла. Затем начинается охлаждение, которое сопровождается уменьшениемпо абсолютной величине напряжения и деформаций по прямой, параллельнойпрямой нагружения. Характерной точкой здесь является точка 3, для которойнапряжения обращаются в нуль.107На интервале времени от 3 до 4 происходит упругое деформированиепри положительных значениях напряжений.

В момент 4 напряжения достигают предела текучести на растяжение. Дальнейшее остывание на интервале от 4до 5 (полное остывание) не приводит к повышению напряжений. В результатеформируется остаточное напряжение равное пределу текучести на растяжение.Если максимальная температура термического цикла не достигает значения обеспечивающего напряжения предела текучести, то и формируемое остаточное напряжение для выбранной элементарной полоски будет ниже пределатекучести.Из рассмотрения технологии метода следует, что, если ставить задачунахождения только остаточного напряжения, то построенная зависимость ( )содержит избыточную информацию. Для определения остаточного напряженияв выбранной точке координатной оси достаточно знание только максимальнойтемпературы, достигнутой в термическом цикле сварки в этой точке, котораяидентифицируется соответствующим температурным следом – границей шваили определенным цветом побежалости.

Этот вывод существенно упрощает реализацию метода Николаева-Окерблома. В следующих параграфах предложенное усовершенствование метода будет рассмотрено на двух конкретных задачах.§ 3.2. Определение остаточных напряжений послеконтактной стыковой сварки оплавлениемстержнейОписанный метод восстановления термического цикла сварки по расположению полос цветов побежалости и границ остывшего шва применим дляслучая контактной стыковой сварки оплавлением двух стержней.

В качестветермических циклов такой сварки для разных точек окрестности шва используем данные из работ [10,18], основанные на экспериментальных результатах.108На Рис. 3.2, воспроизведенном из [18], изображены термические циклыметалла стержней на различных расстояниях = 0, 0.2, 1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 6.2 (мм)от центра шва при скорости сближения стержней в процессе сварки =0.94 мм/с. Горизонтальными штриховыми линиями отмечены характерныетемпературы: 0 = 300 К – температура перед началом сварки, = 1773 К –температура плавления стали. Вертикальной штриховой линией отмечено время нагрева = 12 с.Рис.

3.2 – Термические циклы металла на различном расстоянии от центра шва при скорости сварки = 0.94 мм/сНа основе термических циклов с Рис. 3.2 построим дилатометрическуюпрямую и совмещенные диаграммы растяжения-сжатия для перечисленных точек в соответствии с графо-аналитическим методом Николаева-Окерблома(Рис. 3.3).ния-сжатия для точек с Рис. 3.2Рис.

3.3 – Экспериментальные термические циклы, дилатометрическая прямая и диаграммы растяже-109110Зависимости ( ) для этих точек на Рис. 3.3 не построены, так как длянахождения остаточных напряжений они содержат избыточную информацию.В этих точках необходимо знание только температур перехода из процессанагрева в процесс остывания, т.е. пиковые точки значения температуры на диаграмме зависимости температуры от времени. Собрав положения этих точек исопоставив им значения напряжений в точках пересечения прямых разгрузки сосью , получим распределение значений по оси , т.е.

эпюру (). Этазависимость изображена на Рис. 3.4.⁄, ммРис. 3.4 – Эпюра остаточных напряжений для экспериментальных данных в долях от предела текучестиПроизведем аналогичный анализ остаточных напряжений для такой жемодели, используя аналитическое решение задачи, описанное в § 2.3.2. Для этого воспользуемся переработанным графиком распределения температур в процессе остывания, представленным на Рис.

2.20. Выполняя действия, аналогичные предыдущим, представим на Рис. 3.5 теоретические термические циклы,дилатометрическую прямую и диаграммы растяжения-сжатия для тех же точек,что и при построении экспериментальных зависимостей.ния-сжатияРис. 3.5 – Теоретические термические циклы, дилатометрическая прямая и диаграммы растяже-111Эпюра теоретического распределения остаточных напряжений в сравнении с экспериментально построенной приведена на Рис.

3.6 (синим цветом показана эпюра остаточных напряжений, полученная на основе экспериментальных данных, красным – на основе аналитического решения).112⁄, ммРис. 3.6 – Эпюры теоретического (красная линия) и экспериментального (синяялиния) распределений остаточных напряжений в окрестности сварного шваИз полученных результатов следует, что аналитическое решение, построенное на основе восстановления термического цикла по следам изотерм даетзначения остаточных напряжений, близкие к значениям, найденным по экспериментальным термическим циклам, особенно - по большим напряжениям, чтопозволяет говорить о возможности применения предложенного неповреждающего способа диагностики остаточных сварочных напряжений для данного вида сварки и перспективности дальнейших работ по его распространению надругие, более сложные виды сварки.§ 3.3.

Использование температурных следов длянеразрушающей диагностики остаточныхнапряжений в сварном соединении рельсовРассмотрим теперь реализацию процедуры реконструкции термическогоцикла по температурным следам и определение остаточных напряжений в швеи околошовной зоне по восстановленной стадии остывания сварного соединения с помощью модифицированного графо-аналитического метода на примере113контактной стыковой сварки рельсов; соответствующие экспериментальныеданные приведены в работе [61]. Несмотря на одномерность модели, она описывает достаточно распространенный тип сварки рельсов при создании бесстыкового железнодорожного пути, сварку арматуры строительных конструкций;всё шире такой тип сварки применяется и при соединении торцов стальныхтруб, в том числе - большого диаметра для морских магистральных газопроводов.

Примененный здесь метод оценки остаточных сварочных напряжений порасположению следов изотерм максимально достигнутых температур базируется, как и в предыдущих параграфах,на модифицированном графо-аналитическом методе Николаева-Окерблома [6,39], позволяющем строитьэпюру остаточных напряжений непосредственно по измерениям координатмаксимумов температур [35].В качестве математической модели термического цикла контактной стыковой сварки оплавлением рельсов для стадии нагрева используем аналитическое выражение (2.37).

Стадия остывания будет описываться выражениями(2.40), (2.41).На Рис. 3.7 - Рис. 3.9 приведены, воспроизведенные из [61], экспериментальные графики остывания во времени сварного соединения рельсов при = 400, 800, 1600, 3000 и 8000 Вт/см2, для точек, находящихся на расстояниях 0.1 (Рис. 3.7), 1 (Рис. 3.8) и 3 (Рис.