При сварке металлов в результате неравномерного нагрева и расширения его возникают сварочные напряжения и деформации, которые искажают проектную форму и размеры свариваемых элементов и снижают качество сварной конструкции.
Остаточные напряжения и пластические деформации в металле снижают прочность, жесткость и коррозионную стойкость сварных конструкций при их эксплуатации.
Для определения напряжений устанавливают зависимость предела текучести и модуля упругости от температуры нагрева. Однако при кратковременном нагреве и повышенных скоростях деформации такая зависимость является весьма условной и может быть использована лишь для приближенных расчетов. Наибольший интерес представляют экспериментальные методы определения сварочных напряжений и деформаций. К этим методам относятся методы моделирования, методы определения деформаций в процессе сварки, а также методы определения остаточных напряжений и перемещений. Методы моделирования основаны на аналогии дифференциальных уравнений процессов и объединяют все электрические, гидравлические и комплексные методы, а также приемы моделирования, основанные на масштабном изменении свариваемой модели.
Методы моделирования, связанные с масштабным изменением размеров свариваемых элементов, позволяют в лабораторных условиях воспроизводить и исследовать процессы образования напряжений и деформаций, которые возникают при сварке металлоконструкций на строительной площадке.
Определение деформаций в процессе сварки производится в зонах высоких температур и поэтому требует дополнительных мероприятий при проведении испытаний. В качестве измерительных приборов используют термостойкие электрические тензометры либо механические тензометры с охлаждаемыми ножками.
При испытаниях, кроме измерения деформаций металла, находят перемещения отдельных точек относительно какой-либо точки, расположенной вне зоны значительных перемещений, т. е. на холодном металле свариваемого элемента. Регистрация перемещений осуществляется механическими устройствами, а также с использованием электрических приборов. Замер сварочных деформаций и перемещений производят в продольном и в поперечном направлениях, а также с верхней и нижней стороны свариваемых элементов (черт. № 63).
Определение остаточных напряжений производят физическими и механическими методами. При использовании механических методов для полного или частичного освобождения металла от напряжений, образовавшихся при сварке, образцы подвергают разрезке. Способ разрезки и выбор измеряемой базы производятся в зависимости от ожидаемого характера распределения остаточных напряжений в свариваемых элементах, вида измерения (одноосных, двухосных и трехосных напряжений) и других факторов. Замер баз ведут тензометрами с двух сторон образца до и после разрезки металла.
Тензометры могут быть электрические и механические, хотя и те и другие не лишены некоторых недостатков. Электрические (проволочные) тензометры несъемные и требуют защиты от механических повреждений, а механические — обладают недостаточной точностью. В связи с этим в МВТУ им. Баумана разработан съемный деформометр с переменной базой (от 10 до 100 мм).
Деформометр (черт. № 64) состоит из двух ножек — шарнирно закрепленной и неподвижной — с припаянными на концах шариками, штока и индикатора с ценой делений 0,001 мм. Прибор устанавливают на металл, в котором заранее делают базовые конусные углубления для фиксации ножек прибора, после чего шток прибора перемещают винтом до упора на шарнирно закрепленной ножке и производят измерения.
Измерения повторяют несколько раз до получения равнозначных отсчетов. Двухосные остаточные напряжения определяют на пластинах либо на полосках, полученных после разрезки образца-. Измерения напряжений производят тензометрами так же, как и при одноосных с двух сторон пластины.
Более сложным является определение трехосных остаточных напряжений. Это испытание производится по специальным методикам с использованием специальных мерительных скоб, глубокого сверления отверстий в металле для установки тензометра и других приспособлений.
Определение остаточных перемещений. Перемещения в металлах, возникшие в результате сварки, определяют с помощью стальных линеек, измерительных шаблонов и скоб, индикаторов и других измерительных инструментов.
черт. № 63. Схемы измерений деформаций и перемещений в процессе сварки: а — поперечных деформаций; б — продольных деформаций; в — продольных перемещений; 1 — свариваемый металл; 2 — тензометр термостойкий; 3 — тензометр с охлаждаемыми ножками; 4 — базовая точка на участке холодного металла; 5 — индикатор
Перемещения небольших металлических изделий производят на специальных стендах с горизонтальной поверхностью (черт. № 65).
Перемещения крупногабаритных металлических конструкций определяют с помощью туго натянутой струны и металлической линейки. Для записи величины перемещений отдельных точек и получения профилограммы перемещений пользуются специальным устройством, состоящим из металлической линейки с перемещающейся на ней индикаторной головкой.
черт. № 64. Схема съемного де-формометра:
1 — шарнирно закрепленная ножка прибора; 2 — шарнир; 3- индикатор; 4 — регулировочный винт; 5 — передвижная ножка прибора; 6- переменная база прибора; 7 — щиток; 8 – винт
черт. № 65. Схемы измерения остаточных перемещений, возникающих при сварке металлических изделий и конструкций:
а — на стенде с горизонтальной плитой; б — на стенде с помощью струны и линейки; в — линейкой с индикаторной головкой; 1 — проверяемое изделие; 2 — металлическая линейка; 3 — струна; 4 — линейка с индикаторной головкой
Перемещая индикаторную головку вдоль расположенной на изделии линейки, регистрируют перемещения многих точек.
