5.1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ
Существуют различные экспериментальные и расчетные методы определения ОСН и деформаций. Комплексное исследование ОСН расчетными и экспериментальными методами, сопоставление соответствующих данных позволяют судить о достоверности получаемых значений и характере распределения остаточных напряжений (ОН) в сварном соединении. Кроме того, появляется возможность оценить корректность и приемлемость принятых в расчетах допущений. В связи с этим в данном разделе рассматриваются основные расчетные и экспериментальные методы определения ОСН и выявляются Преимущества и недостатки, присущие каждой группе методов.
5.1.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСН
Остаточные напряжения, определяют как физическими (рентгеновским [246], ультразвуковым [48]), так и механическими методами, основанными на разрезке металла и освобождении его от напряжений или на измерении деформаций (перемещений) до и после сварки конструкции [214].
Рентгеновский метод не получил достаточно широкого применения при определении напряжений в материале, который
претерпел значительные термодеформационные циклы при сварке и в значительной степени структурно неоднороден. В этом случае измерение напряжений затруднено из-за отсутствия возможности определить нулевые точки отсчета — параметры решетки материала.
Ультразвуковой метод основан на физическом явлении, связанном с измененйем скорости прохождения ультразвуковых волн в зависимости от величины напряжений, действующих в металле. Метод дает хорошие результаты в случае однородного распределения напряжений или при необходимости определить среднеинтегральную величину напряжений по толщине, сварного соединения. Однако с помощью данного метода невозможно определить характер распределения напряжений по толщине листа.
Наибольшее распространение получили механические методы, которые в основном различаются характером расположения измеряемых баз и последовательностью выполнения операций разрезки и измерения деформаций металла. Напряжения в пластинах в простейшем случае определяют, считая их однородными по толщине, что справедливо только в случае однопроходной сварки. Так как разгрузка металла от напряжении происходит упруго, то по измеренным деформациям вырезанной элементарной пластинки на основании закона Гука можно вычислить ОН [214]. В случае ОСН при многопроходной сварке, применяемой при изготовлении толстолистовых конструкций, распределение напряжений по толщине соединения крайне неоднородно [86—88], поэтому достоверную картину распределения напряжений можно получить либо только по поверхности соединения [201], либо по определенному сечению посредством поэтапной полной разрезки образца по этому сечению с восстановлением поля напряжений с помощью численного решения краевой задачи упругости [104]. Последний экспериментальночисленный метод [104] будет рассмотрен подробно далее.
Определение двуосных ОН на поверхности соединения проводится путем локальной разрезки металла вокруг области с тензодатчиками или любыми другими индикаторами напряжений, регистрирующими деформацию в разгружаемом участке [214]. ОН определяются, как и в случае с пластинами, описанном выше. Следует отметить, что при вырезке металла, находящегося в поле остаточных деформаций с небольшим градиентом, освобождение от напряжений будет полным и тензометры зафиксируют истинную упругую деформацию разгрузки. В области высокоградиентных полей остаточных деформаций разрезка металла может привести к неполному его освобождению от напряжений. При этом в определении локальных ОН могут возникнуть большие погрешности [201].
При определении ОН в местах, удаленных от шва, где градиенты напряжений незначительны как по толщине сварного
элемента, так и но его поверхности, широкое распространение нашел метод, использующий измерение деформаций на базе 100 мм механическим съемным тензором с индикаторной головг. кой, разработанный в МВТУ им. Баумана [214]. При помощи этого прибора проводятся измерения деформаций (перемещений): до; (для получения нулевых, отсчетов) и после сварки элемента конструкции. На основании измеренных деформаций, возникающих в процессе сварки, и закона Гука рассчитываются ОСН.
Учитывая изложенное, можно заключить, что экспериментальные методы измерения ОСН не могут дать полного представления о распределении напряжений по всему объему конструкции. Применение их ограничено случаями определения напряжений по какому-либо сечению узла (при этом известны только компоненты тензора напряжений, действующие в плоскости, перпендикулярной этому сечению), по поверхности изделия, а также оценкой средних по толщине соединения напряжений. Оценка локальных напряжений в высокоградиентных полях возможна как интегральная. Для детального исследования областей с высокоградиентными полями напряжений целесообразно применять расчетные методы, а экспериментальные использовать для оценки корректности и применимости принятых в расчетах допущений.
