Диссертация (Совершенствование традиционного и разработка нового методов диагностики остаточных напряжений в сварном соединении), страница 13

3.9) см от центра шва; приведены такжезначения времен расплавления шва при каждой из мощностей источника.114Рис. 3.7 – График остывания во времени для точки, находящейся на расстоянии1 мм от центра шва115Рис. 3.8 – График остывания во времени для точки, находящейся на расстоянии1 см от центра шва116Рис. 3.9 – График остывания во времени для точки, находящейся на расстоянии3 см от центра шваИз приведенных графиков виден характерный максимум температуры,достигнутый при = 3 см. Для других точек околошовной зоны координатытаких максимумов при температурах в 1500ºC, 1200ºC, 1000ºC, 700ºC, 600ºC и400ºC были определены исходя из математической модели (2.40), (2.41), согласованной по величинам = 400 Вт/см2 и ℓ = 25 см с экспериментальнымиданными Рис.

3.7 - Рис. 3.9. Полученный набор значений максимальных темпе-117ратур и соответствующих им координат аппроксимируем графиком (),ным графо-аналитическим методомРис. 3.10 – Определение остаточных напряжений в сварном соединении рельсов модернизирован-IIIIVIIIизображённым в квадранте II на Рис. 3.10.Характерные точки зависимости () спроектированы на схематизированную дилатометрическую прямую, изображённую в квадранте III на Рис.1183.10. При этом масштаб по оси температур на дилатометрической прямой взяттаким же, как и на графике (), а масштабный коэффициент для – деформации, соответствующей достижению предела текучести , - исходя изтемпературы 600ºC, при которой металл (низкоуглеродистая сталь) теряетупругие свойства [6].Точки пересечения максимумов температур с дилатометрической прямойпроектированы на диаграмму растяжения-сжатия ( ), изображённую в квадранте IV на Рис.

3.10. Эта диаграмма также имеет схематизированный вид: еёупругие участки, как и дилатометрическая прямая, наклонены под углом 45º коси деформаций, заданной в том же масштабе, что и на дилатометрическомграфике. Значения температур точек области термовлияния, имевшие максимальный нагрев более 600ºC, проектируются на нижний горизонтальный участок диаграммы ( ), определяющий зону сжимающих пластических деформаций рельсов. Остывание выбранной точки рельса с координатой от температуры () отображается упругим участком этой диаграммы в направлении, показанном стрелкой. Если этот участок не пересекает ось напряжений ранее достижения предела текучести по растягивающим напряжениям, то отточки пересечения упругого участка диаграммы с горизонталью = пойдётповторная пластическая деформация противоположного знака – удлинения; соответствующая горизонтальная прямая продолжается до пересечения с осьюнапряжений.

Таким же образом на ось напряжений диаграммы ( ) спроектированы и другие точки графика (). Последующие горизонтальные проекции этих точек с оси напряжений в квадрант I на Рис. 3.10 создают на пересечении с вертикальными проекциями соответствующих точек графика ()точки эпюры остаточных сварочных напряжений ост (), в масштабах, перенесённых с горизонтальной оси графика () и вертикальной оси диаграммы ( ).119В заключении отметим, что описанная методика позволяет построитьэпюры остаточных сварных напряжений по температурным следам без применения сложных физических и математических операций.§ 3.4. Определение остаточных напряжений послеконтактной стыковой сварки трубВ § 2.1 были приведены экспериментальные данные по распределениюцветов побежалости на поверхности соединенной кольцевым стыковым швомтрубы диаметром 1220 мм и толщиной 27 мм и аппроксимация соответствующих им температурных уровней в направлении поперек шва (Рис.

2.4). Используя эти данные, построим эпюру остаточных напряжений с помощью модернизированного графо-аналитического метода, действуя аналогично построениямописанным в § 3.3. Технология построения и сама эпюра представлены на Рис.3.11.IIIIVРис. 3.11 – Определение остаточных напряжений в сварном соединении трубIII120Необходимый набор значений температур и соответствующих им координат представлен на графике (), изображённом в квадранте II на Рис.3.11.121Характерные точки зависимости () спроектированы на схематизированную дилатометрическую прямую в квадранте III на Рис. 3.11. При этоммасштаб по оси температур на дилатометрической прямой взят таким же, как ина графике (), а масштабный коэффициент для – деформации, соответствующей достижению предела текучести , - исходя из температуры 600ºC,при которой металл (низкоуглеродистая сталь) теряет упругие свойства [6].Точки пересечения максимумов температур с дилатометрической прямойпроектированы на диаграмму растяжения-сжатия ( ) в квадранте IV на Рис.3.11.

Эта диаграмма также имеет схематизированный вид: её упругие участки,как и дилатометрическая прямая, наклонены под углом 45º к оси деформаций,заданной в том же масштабе, что и на дилатометрическом графике. Значениятемператур точек области термовлияния, имевшие максимальный нагрев более600ºC, проектируются на нижний горизонтальный участок диаграммы ( ),определяющий зону сжимающих пластических деформаций материала трубы.Остывание выбранной точки с координатой от температуры () отображается упругим участком этой диаграммы в направлении, показанном стрелкой.

Если этот участок не пересекает ось напряжений ранее достижения предела текучести по растягивающим напряжениям, то от точки пересеченияупругого участка диаграммы с горизонталью = пойдёт повторная пластическая деформация противоположного знака – удлинения; соответствующаягоризонтальная прямая продолжается до пересечения с осью напряжений. Таким же образом на ось напряжений диаграммы ( ) спроектированы и другиеточки графика (). Последующие горизонтальные проекции этих точек соси напряжений в квадрант I на Рис. 3.11 создают на пересечении с вертикальными проекциями соответствующих точек графика () точки эпюры остаточных сварочных напряжений ост (), в масштабах, перенесённых с горизонтальной оси графика () и вертикальной оси диаграммы ( ).Наряду с замерами положений цветов побежалости, В.М.

Козинцевым иД.А. Челюбеевым определялись остаточные напряжения в области сварного122шва методом зондирующего отверстия со спекл-интерферометрической иллюстрацией микроперемещений окрестностей отверстий.Зондирующие отверстия выполнялись с диаметром 5 мм и глубиной 3.5мм. Схема распределения отверстий для одного из экспериментов представленана Рис. 3.12 (красными кружками выделены точки центра шва и точка, для которой на Рис. 3.13 показана зарегистрированная интерферограмма нормальныхмикроперемещений).Точка №1Центр шва (x = 0)Точка №7x = 57 ммРис. 3.12 – Распределение зондирующих отверстий в окрестности сварного шва123Рис. 3.13 – Характерная интерферограмма для высверленного отверстияЦена интерференционной полосы для таких зондирующих отверстий составляет 50 МПа [44]. Точностью считывания интерферограммы определяется вполовину полосы, что, соответственно, определяет погрешность оценки напряжения.

В данном случае погрешность составляет ± (20 – 30) МПа.Эпюры распределения остаточных напряжений на основе проведенногоэксперимента представлены на Рис. 3.14.124Рис. 3.14 – Экспериментальные эпюры остаточных напряженийЗдесь, красной линией показана эпюра распределения остаточных напряжений вдоль сварного шва (продольные напряжения), синей линией – эпюраостаточных напряжений поперёк сварного шва (вдоль свариваемой трубы).При стыковой сварке труб в отличии от стержней, напряженное состояние – двумерное. В этом случае, главные напряжения, имеют постоянные значения в каждом из кольцевых сечений трубы.

Экспериментальные измеренияметодом зондирующего отверстия (Рис. 3.14) показывают близость по абсолютной величине характера изменений продольных и поперечных остаточныхнапряжений при удалении от оси шва. Исходя из знака напряжения, в качествеоценки остаточных напряжений в кольцевом направлении на выбранном расстоянии от оси шва может служить теоретическая оценка, полученная с помощью метода температурных следов.125На Рис. 3.15 дано сравнение эпюр остаточных напряжений в кольцевомнаправлении, полученных методом зондирующего отверстия (красная линия) иметодом температурных следов (зелёная линия).Рис.

3.15 – Сравнение экспериментальной и теоретической эпюр остаточныхнапряженийКак видно из Рис. 3.15, остаточные напряжения, полученные методомтемпературных следов, в зоне сварного шва значительно превосходят напряжения, полученные методом зондирующего отверстия. Это может быть связано стем, что измерения проводились на частично срезанном сварном шве (без удаления утолщения), что видно, в частности на Рис. 3.12, и более наглядно, - наРис. 3.16.126а)б)Рис. 3.16 – Несрезанные швы с зондирующими лункамиВследствие того, что боковые поверхности выступающей части несрезан-ного шва свободны от напряжений, как это видно из Рис.

3.17,а, напряжения,измеряемые методом зондирующего отверстия непосредственно с несрезаннойповерхности, могут иметь меньшие значения, чем напряжения, измеряемые вшве со срезанной выпуклостью (Рис. 3.17,б).а)б)Рис. 3.17 – Схема сварного соединенияДанный вывод подтверждается экспериментальными эпюрами напряже-ний поперек кольцевого (Рис. 3.18) и спирального (Рис.

3.19) швов, построенными при несрезанных (сплошные линии) и срезанных (штриховые линии) выпуклостях швов [31].127Рис. 3.18 – Эпюра напряжений поперек кольцевого шваРис. 3.19 – Эпюра напряжений поперек спирального шваКак видно из Рис. 3.18 и Рис. 3.19, экспериментальные значения остаточных напряжений в зоне сварного шва, измеренные на срезанной выпуклостишва значительно выше, чем на несрезанной: в первом случае - в 2.5 раза, вовтором – в 1.25 раза. Следовательно, чем глубже зондирующее отверстие относительно несрезанной поверхности шва, тем выше и точнее значение измеренного остаточного напряжения.

Таким образом, опираясь на разность экспериментальных значений остаточных напряжений, измеренных на срезанной и несрезанной выпуклостях шва, можно утверждать, что реальные значений остаточных напряжений для эпюры остаточных напряжений, полученной методом128зондирующего отверстия, представленной на Рис. 3.15, в области сварного шва,и ближе к эпюре остаточных напряжений, полученной методом температурныхследов.Что касается поперечных напряжений, то их оценка может быть произведена из эпюры остаточных кольцевых напряжений и базы данных по измерениям методом зондирующих отверстий, из которой следует, что при контактностыковой сварки оплавлением эти напряжения по величине примерно равныкольцевым, имеют такой же характер затухания при удалении от шва как икольцевые, но противоположны им по знаку.Таким образом, в случае с контактно стыковой сваркой труб, теоретическая модель, описанная выше, даёт представление о величине остаточныхнапряжений по распределению температурных следов, которые имеют положительный знак в кольцевом направлении (параллельном сварному шву) и отрицательный в продольном направлении (перпендикулярном сварному шву).129ЗаключениеПроведенные исследования позволяют сделать следующие общие выводы.1.Разработанусовершенствованныйметодрегистрацииспекл-интерферометрической информации о поле микроперемещений в окрестностизондирующего отверстия, выполненного в теле с напряжениями.