Напряжения и деформации при сварке
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Напряжения и деформации при сварке»
для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка»
всех форм обучения
Мариуполь
2015
УДК 621.791.042(076.5)
Напряжения и деформации при сварке [Электронный ресурс] : методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Напряжения и деформации при сварке» для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка» всех форм обучения / сост. А. Н. Серенко. – Мариуполь : ПГТУ, 2015 – 80 с. – Режим доступа:
В методических указаниях cформулированы цели и задачи лабораторных работ, приведено описание методики и содержания лабораторных работ, даются основные расчетные зависимости для определения количественных показателей изучаемых процессов образования сварочных напряжений и деформаций и сопоставления их с опытными данными.
Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка» всех форм обучения.
Составитель А. Н. Серенко, канд. техн. наук, профессор
Рецензент А. Д. Размышляев, д-р техн. наук, профессор
Утверждено
на заседании кафедры «Оборудование и технология сварочного производства»,
протокол № 11 от 09 июня 2015 г.
Утверждено
методической комиссией сварочного факультета,
протокол № 6 от 15 июня 2015 г.
© ГВУЗ «ПГТУ», 2015
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 6
Лабораторная работа № 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ.. 9
1.1 Цели и задачи работы.. 9
1.2 Основные теоретические положения. 9
1.2.1 Некоторые сведения о тензометрировании. 10
1.2.2 Тарировка датчиков и измерителя деформаций. 19
1.3 Оборудование, приборы и материалы, необходимые для выполнения работы 25
1.4 Порядок выполнения работы.. 25
1.5 Вопросы для самоконтроля. 25
Лабораторная работа № 2. ИЗУЧЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ И ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАПЛАВКЕ ВАЛИКА НА КРОМКУ ПОЛОСЫ 27
2.1 Цели и задачи работы.. 27
2.2 Основные теоретические положения. 27
2.2.1 Расчетное определение сварочных деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку пластины.. 32
2.2.2 Экспериментальная часть работы.. 36
2.3 Оборудование, приборы и материалы, необходимые для выполнения работы 37
2.4 Порядок выполнения работы.. 38
2.5 Вопросы для самопроверки. 40
Лабораторная работа № 3. ИЗУЧЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И МЕТОДОВ ИХ УСТРАНЕНИЯ.. 42
3.1 Цели и задачи работы.. 42
3.2 Основные теоретические положения. 42
3.2.1 Расчетное определение величины остаточных сварочных напряжений 44
3.2.2 Экспериментальные методы определения остаточных напряжений 47
3.2.3 Методы устранения остаточных сварочных напряжений. 49
3.3 Оборудование, приборы и материалы, необходимые для выполнения работы 51
3.4 Порядок выполнения работы.. 52
3.5 Вопросы для самоконтроля. 55
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ ПЛАСТИН.. 57
4.1 Цели и задачи работы.. 57
4.2 Основные теоретические положения. 57
4.2.1 Расчетное определение поперечных деформаций при сварке пластины стыковым швом 58
4.2.2 Экспериментальная часть работы.. 61
4.3 Оборудование, образцы и приспособления, необходимые для выполнения работы 64
4.4 Порядок выполнения работы.. 64
4.5 Вопросы для самопроверки. 66
Лабораторная работа № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ БАЛОК 67
5.1 Цели и задачи работы.. 67
5.2 Основные теоретические положения. 67
5.2.1 Деформации при сварке свободного тавра. 69
5.2.1.1 Последовательное выполнение швов. 69
5.2.1.2 Одновременное выполнение швов. 73
5.2.2 Деформации при сварке тавра в закреплении. 74
5.2.3 Местные деформации. 75
5.3 Оборудование, приборы и приспособления, необходимые для выполнения работы 76
5.5 Вопросы для самопроверки. 80
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 81
Введение
Неравномерный высокотемпературный нагрев элементов конструкций при сварке вызывает появление в них деформаций и напряжений. По мере распространения теплоты и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение деформаций и напряжений б различных точках свариваемых деталей, т.е. изменение полей этих величин. В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования при сварке необратим. Поэтому после полного остывания в сварной конструкции имеются остаточные деформации и напряжения.
Изучение процесса образования сварочных деформаций и напряжений их величины и характера распределения после полного остывания может проводиться как теоретически, так и экспериментально. В настоящих методических указаниях поставлена задача дать студенту возможность выполнить самостоятельно сопоставление расчетных и экспериментальных данных, характеризующих формоизменение свариваемых элементов как в процессе сварки, так после полного остывания.
Поэтому, выполнение лабораторные работ по курсу «Напряжения и деформации при сварке» является важным элементом всесторонней подготовки специалистов сварочных специальностей. Они служат лучшему усвоению теоретического материала, совершенствуют конкретное инженерное мышление и фактически являются одной из начальных ступеней научно-исследовательской деятельности студентов.
Описание работ дается в развернутом виде, что позволяет студенту глубже уяснить цели и задачи эксперимента, проследить логику метода научного исследования.
Большинство лабораторных работ начинается с краткого изложения теоретических зависимостей изучаемых процессов, которые затем проверяются экспериментально.
Прежде чем студент будет допущен к выполнению лабораторных работ, ему необходимо ознакомиться с общими требованиями по выполнению работ, методами изучения деформаций и напряжений в элементах сварных конструкций, применяемым оборудованием в лаборатории и т.п.
При выполнении лабораторных работ студенты должны соблюдать определенные правила и требования:
а) студенты допускаются к лабораторным работам только после изучения ими инструкции по технике безопасности и после того, как каждый из них распишется в специальном журнале в получении соответствующего инструктажа;
б) перед каждой работой преподаватель проводит опрос студентов, на котором выясняет их подготовку к сознательному выполнению работ, а также знания правил техники безопасности. Студенты, не проявившие необходимых знаний, к выполнению работы не допускаются;
в) при выполнении лабораторных работ, в которых требуется проведение расчетов на ЭВМ, студенты должны четко представлять алгоритм расчета, на основе какого либо математического редактора, например MathCAD;
г) все электрические схемы собираются при выключенном сетевом рубильнике. Включение рубильника производится по разрешению учебного мастера или преподавателя после проверки правильности собранных схем;
д) после окончания выполнения работы студенты должны привести оборудование и рабочие места в исходный порядок.
Оформление отчета по лабораторной работе производится с соблюдением следующих общих требований:
а) отчет составляется на листах стандартного размера (формат – А4: 210x298 мм). Запись ведется с одной стороны;
б) эскизы, рисунки, схемы выполняются либо на отдельных листах, либо по ходу изложения текста отчета;
в) отчет может составляться с использованием современных компьютерных технологий.
Отчет должен содержать такие пункты:
1. Цель работы.
2. Эскизы образцов.
3. Расчетные зависимости, результаты расчетов в виде таблиц или графиков
4. Таблицы результатов измерений, обработки результатов измерений и расчетов.
5. Выводы по работе.
Лабораторная работа № 1.
Экспериментальные методы оценки напряженИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ
Цели и задачи работы
Целью работы является изучение и освоение методов измерения деформаций и напряжений в элементах сварных конструкций и деталях с помощью тензометрирования и способов тарировки измерительных приборов.
Задачами, которые ставятся при выполнении работы, являются:
- изучение устройства и особенностей различных типов тензорезисторов;
- изучение устройства и особенностей тарировочных балок;
– ознакомление с принципом работы специального автоматизированного измерителя деформаций, работающего на основе мостовой схемы;
– получение практических навыков выполнения тарировки измерительного прибора с помощью балки равного сопротивления.
Выполнив лабораторную работу, студент должен уметь:
– правильно выбирать тип тензометрического датчика для измерения деформаций и напряжений в конкретных элементах конструкций и деталей;
– определять цену деления измерительного прибора при использовании того или иного типа тарировочного устройства;
– избегать ошибки измерения деформаций от температурного воздействия на исследуемую конструкцию.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с тарировочным устройством на основе балочки равного сопротивления.
2. Снять начальные показания прибора АИД-4 для исследуемых тензорезисторов без нагрузки.
3. Нагрузить балочку силой Р и снять повторные показания прибора.
4. Определить цену деления прибора в напряжениях и относительных деформациях.
5. Выполнить расчеты по формуле (1.15) для заданного значении силы Р при изменении величины х от 0 до l с шагом 80 мм и построить график зависимости 
.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие экспериментальные методы оценки деформаций и напряжений используются при исследовании сварных конструкций?
2. На чем основан тензометричеекий метод измерения деформаций?
3. Какого типа тензорезисторы вы знаете? В чем заключаются преимущества и недостатки различных типов?
4. Как изменяется относительное сопротивление датчика в зависимости от его деформации?
5. Какие схемы включения тензорезисторов используются в высокоточных измерениях деформаций?
6. Как избежать температурной нестабильности работы тензорезисторов?
7. Как осуществляется тарировка тензорезисторов?
8. Почему на поверхности рабочих зон тарировочных балочек обоих типов напряжения постоянные при заданной нагрузке?
Лабораторная работа № 2.
ИЗУЧЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ И ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАПЛАВКЕ ВАЛИКА НА КРОМКУ ПОЛОСЫ
Цели и задачи работы
Цель работы – исследовать кинетику деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы в зависимости от её ширины.
Задачами, которые ставятся при выполнении работы, являются:
- изучение устройства для измерения деформаций изгиба и укорочения полос при сварке и остывании;
– освоение методики расчета остаточных напряжений в полосе и построения упрощенной эпюры напряжений по сечению;
– получение практических навыков расчетной и экспериментальной оценки деформаций в процессе выполнения сварки и последующего остывания.
Выполнив лабораторную работу, студент должен уметь:
– правильно назначать режимы сварки и наплавки, при которых будут наименьшие деформации изгиба и укорочения;
– определять остаточные деформации при использовании инженерной методики расчета;
– не делать ошибочных выводов о направлении деформаций в процессе выполнения сварки и последующем остывании.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с приспособлением для замера деформаций в пластине при наплавке валика на ее кромку.
2. Замерить истинные размеры пластин (см. п. 4) и вычислить площади поперечных сечений 
и моменты инерции сечений пластин I. Результаты записать в табл. 2.1.
3. Установить режимы сварки: Iсв = 120…130 А; U д = 22…24 В; Vсв = 50 м/ч (84 см/мин; 1,4 см/с)
Таблица 2.1 – Размеры пластин и режимы наплавки
| № пластины | Геометрические характеристики поперечных сечений | Режим наплавки | |||||
| s, см | h, см | F, см | Iy, см4 |  , А
|  , В
|  , см/с
| |
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
| 3 | |||||||
4. Установить пластину № 1 шриной h = 30 мм. Установить индикатор с натягом примерно 5-мм, а стрелку индикатора на нуль.
5. Наплавить валик на кромку пластины шириной 30 мм и замерить при этом временные и остаточные деформации (прогибы посредине пролета полосы). При наплавке по показаниям приборов и секундомеру уточнить режимы сварки (Iсв; U д; Vсв) и занести их в таблицу 2.1. Замер деформаций производить в течение первых 30 секунд через каждые 5 секунд, затем через 10 сек до истечения 3 минут, а затем через 30 секунд до полной остановки индикатора ( 
5 минут). Результаты измерений (как и в последующих опытах) занести в табл. 2.2.
Таблица 2.2 – Результаты измерений
| № п/п | Время, с | Показания индикатора для пластин, делений | ||
| № 1 | № 2 | № 3 | ||
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 5 | |||
| 3 | 10 | |||
| 4 | 15 | |||
| » и т.д. | » и т.д. | |||
Примечание: цена деления индикатора 0,01 мм.
6. Повторить опыт п.5 с пластинами шириной 60 и 90 мм.
7. По результатам опытов для каждой пластины построить графики 
(рис. 2.5а), где 
- прогиб пластины в процессе нагрева и охлаждения. Затем, используя данные графиков для всех пластин (рис. 2.5а), построить графики 
в зависимости от ширины пластины (рис. 2.5а, б). Здесь – 
– соответственно остаточный прогиб каждой пластины после полного её остывания и максимальный в процессе сварки. Данные занести в табл. 2.3.
8. По уточненному режиму сварки (табл. 2.1) рассчитать величины сварочных остаточных деформаций для пластин h = 30, 60, 90 мм и построить график изменения расчетных величин остаточных деформаций в зависимости от ширины пластины (рис. 2.5б).
9. Построить упрощенные эпюры остаточных напряжений для всех пластин.
Таблица 2.3 – Исследуемые величины
| № пластины |
мм |
мм | Размеры упругопластической зоны | Остаточные напряжения, МПа | |||
| Опыт | Расчет |  , см2
|  , см
| 
| 
| ||
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
| 3 | |||||||
,
,
10. Сравнить опытные данные с расчетными (рис. 2.5) и проанализировать полученные результаты.
Рисунок 2.5 – Графическое представление результатов расчета и эксперимента
Вопросы для самопроверки
1. Почему пластина с нагреваемой кромкой после охлаждения изгибается в сторону этой кромки?
2. Как определить величину усадочной силы?
3. Как определить ширину упругопластической зоны?
4. Как построить упрощенную эпюру продольных напряжений в поперечном сечении пластины?
5. Как будет изменяться ширина зоны 
при увеличении ширины пластины?
6. Запишите условие равновесия продольных внутренних усилий в пластине.
7. Запишите формулы для определения изгибающего момента через Рус.
8. Запишите формулу для определения эффективной тепловой мощности сварочной дуги 
.
Лабораторная работа № 3.
ИЗУЧЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И МЕТОДОВ ИХ УСТРАНЕНИЯ
Цели и задачи работы
Цель работы – ознакомиться с методикой расчета сварочных напряжений, методами экспериментального определения остаточных напряжений и способами (методами) их устранения.
Задачами, которые ставятся при выполнении работы, являются:
- изучение методов теоретического и экспериментального определения продольных деформаций и напряжений при сварке пластин;
– освоение методики расчета продольных остаточных напряжений в пластине и построения упрощенной эпюры напряжений по сечению;
– получение практических навыков устранения или уменьшения остаточных сварочных напряжений.
Выполнив лабораторную работу, студент должен уметь:
– правильно назначать параметры термообработки и предварительного нагружения сварных элементов с целью уменьшения остаточных напряжений.
– определять степень уменьшения остаточных напряжений в пластинах при использовании инженерной методики расчета;
– использовать тензометрический метод оценки остаточных напряжений в сварных элементах.
Порядок выполнения работы
1. Путем переплавки средней части образцов (в среде СО2 или под флюсом) выполнить продольный шов на всех образцах, фиксируя при этом режим сварки ( I св , U 
, 
св). Для принятых в работе размеров образцов рекомендуются следующие режимы сварки:
I св=110…120 А;
U д=22…23В;
V св=28…30 м/час (0,78…0,83 см/с)
– для сварки в СО2;
– для сварки под флюсом.
Режим проплавления средней части образца назначать исходя из условия, что 
Дж/см3. 
2. Образец № 2 растянуть в испытательной машине таким усилием, чтобы величина b = 0,6 (см. формулу 4.3). Значение s Т для испытуемой марки стали равно 240 МПа. Образец № 3 загрузить в печь, нагретую до Т = 400 оС, после достижения температуры 600 оС образец выдержать в печи 20 минут, после чего извлечь из печи.
3. Среднюю часть всех образцов зачистить до металлического блеска и обезжирить ацетоном.
4. Произвести разметку мест наклейки датчиков согласно рис. 6.1а. Наклеить на образцы по 5 датчиков в местах, указанных на рис. 6.1а. Допускается на образцы № 2, 3 наклеить по два датчика (1 и 5). После наклейки датчиков прижать их через резинку и оставить в таком положении для просушки клея.
5. Выполнить тарировку датчиков, согласно описанию во введении.
6. К датчикам образца № 1 припаять кабель тензометрического прибора АИД-4. Поочередным подключением датчиков специальным переключателем замерить их начальные показания n1. Данные занести в таблицу.
7. Вырезать полоску с датчиками, как показано на рис. 3.4. Подсоединить с помощью пайки кабель и повторно снять показания n2. Результаты занести в таблицу.
8. Проделать указанное в п.п. 4, 6, 7 для остальных образцов.
По результатам расчетов (формулы 3.6, 3.7, 3.8, 3.12, 3.13) и измерения рассчитать величину деформаций ( 
) и остаточных напряжений в местах наклейки датчиков (формула 3.9). Построить упрощенные и действительные эпюры остаточных напряжений для всех образцов.
Для Ст3 модуль упругости Е = 2·105 МПа. Цена деления измерителя деформаций для используемых тензорезисторов (для 
): 
.
Рисунок 3.4 – Схема наклейки датчиков (а) и подсоединения их к измерителю деформаций (б)
Таблица 3.1 – Результаты измерений
| № тензорезистора | Показания измерителя деформаций при балансировке датчиков, дел | Разница показаний | Значения измеряемых величин | |||
| до разрезки n1 | после разрезки n2 | ∆ n ( n2- n1) | ε | σ, МПа | ||
| Образец № 1 (после сварки) | ||||||
| 1 2 3 4 5 |
| |||||
| Образец № 2 (после сварки и последующего растяжения) | ||||||
| 1 2 3 4 5 |
| |||||
| Образец № 3 (после сварки и последующего отпуска) | ||||||
| 1 2 3 4 5 |
| |||||
Примечание. Цена деления прибора (для 
): 
Вопросы для самоконтроля
1. Какие методы применяются для экспериментального определения напряжений?
2. Для чего необходимо производить разрезку сварного соединения при определении в нем остаточных напряжений?
3. Как зависит точность определения остаточных напряжений экспериментальным путем от размера базы измерения?
4. В каких случаях при определении остаточных напряжений можно использовать большие базы измерения?
5. Что такое база измерения и как она подготавливается в зависимости от вида напряженного состояния?
6. Запишите условия равновесия продольных внутренних усилий в сварном соединении по методу Н.О. Окерблома.
7. Как определить напряжения сжатия в сварном соединении в соответствии с расчетным методом Н.О. Окерблома?
8. Как определяется ширина зоны пластических деформаций при сварке согласно методу Н.О. Окерблома?
9. Зависит ли ширина зоны пластических деформаций от размеров свариваемых пластин?
10. Как зависит ширина зоны пластических деформаций при сварке от ширины свариваемых пластин?
11. Запишите формулу для определения эффективной тепловой мощности сварочной дуги.
12. Запишите условие равновесия продольных внутренних усилий в сварном соединении в соответствии с методом Окерблома.
13. Опишите механизм снижения остаточных деформаций и напряжений при статическом нагружении сварного соединения.
14. Какова должна быть величина напряжений от статического нагружения, чтобы достигнуть полного устранения сварочных деформаций и напряжений?
15. В результате чего происходит снижение напряжений при отпуске на стадии нагрева?
Лабораторная работа № 4.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ ПЛАСТИН
Цели и задачи работы
Цель работы – исследовать кинетику деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку полосы в зависимости от её ширины.
Задачами, которые ставятся при выполнении работы, являются:
- изучение устройства для измерения поперечных деформаций полос при сварке и остывании;
– освоение методики расчета остаточных поперечных деформаций узких пластин при стыковой сварке.
– получение практических навыков расчетной и экспериментальной оценки поперечной деформаций пластин после выполнения сварки.
Выполнив лабораторную работу, студент должен уметь:
– правильно назначать режимы сварки и наплавки пластин, при которых будут наименьшие поперечные деформации;
– определять остаточные поперечные деформации при использовании инженерной методики расчета;
– не делать ошибочных выводов о причинах возникновения поперечных деформаций пластин после выполнения сварки и последующего остывания.
Порядок выполнения работы
1. На подготовленные образцы размером 120 х 120 х 3 мм (рис. 3.2) поочередно устанавливают ножки деформометра в отверстия измеряемых баз 
и 
.. Результаты измерений занести в столбец «До сварки» табл. 4.2 в виде трехзначного числа (например, 375).
2. Образцы поочерёдно устанавливаются на сварочный стол для наплавки валиков. Автоматическая наплавка валиков осуществляется в защитной среде СО2. Предварительно производится настройка сварочного аппарата на желательные режимы. В процессе наплавки фиксируются следующие параметры:
Ø Режимы наплавки каждого образца: сварочный ток, напряжение на дуге.
Ø Время холостого перемещения (без дуги) сварочного автомата 
на мерной длине 
см, необходимое для расчета скорости сварки каждого образца ( 
).
Рассчитать скорость сварки и погонную энергию нагрева (формула 4.2) и результаты занести в таблицу 4.3.
Таблица 4.3 – Режимы наплавки
| № образца | Параметры режима наплавки | ||||
 , А
|  , В
|  , с
|  , см/с
|  , Дж/см
| |
| 1 | 140 | 24 | 31 | ||
| 2 | 140 | 24 | 16 | ||
| 3 | 140 | 24 | 8 | ||
3. После полного остывания пластин производится повторное измерение баз 
и 
. Показания индикаторов занести в столбец «После сварки» таблицы 4.2.
4. Рассчитать разницу показаний индикатора для каждой базы и занести в табл. 4.2. Например, для базы b11 образца № 1 (см. табл. 4.2) 
делений.
Вычислить среднее опытное значение (в мм) поперечного укорочения сварного соединения для каждого образца по формуле 
и теоретическое значение (в мм) 
, используя формулу (4.1). Результаты записать в таблицу 5.2. Деление на 100 в первом случае и умножение на 10 во втором, необходимо для получения соответствующих величин в мм (цена деления индикатора равна 0,01 мм, а расчет по формуле (4.1) дает результат в см).
5. Построить совмещенные графики зависимости Dпоп и 2Vmax от скорости сварки и от погонной энергии 
(рис. 4.5)
Рисунок 4.5 – Вид итоговых графиков для поперечного укорочения
6. Пользуясь формулой (4.3) вычислить коэффициент 
для каждого образца и данные занести в таблицу 4.2.
Построить графики: 
и 
.
7. Сделать выводы по работе.
Вопросы для самопроверки
1. Какая причина возникновения поперечной деформации узких пластин при сварке стыковым швом?
2. Как изменится поперечная деформация пластин, если увеличить скорость сварки?
3. Можно ли уменьшить величину поперечных деформаций путем закрепления пластин в приспособлении?
4. Возникают ли поперечные деформации пластин при приварке поперечных ребер угловыми швами?
5. Будут ли поперечные деформации одинаковыми при сварке пластин из стали 08Х18Н9Т и Ст3? Ответ подтвердите расчетом.
Лабораторная работа № 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ БАЛОК
Цели и задачи работы
Цель работы – определить зависимость остаточных деформаций при сварке тавра от последовательности наложения двусторонних сварных швов и закрепления тавра и сопоставить расчетные и экспериментальные величины деформаций.
Задачами, которые ставятся при выполнении работы, являются:
– освоение методики расчета общих и местных остаточных деформаций балочных элементов;
- изучение методов измерения угловых и изгибных деформаций при сварке профильных элементов продольными швами;
– получение практических навыков расчетной и экспериментальной оценки деформаций изгиба при сварке элементов конструкций в свободном и закрепленном состоянии.
Выполнив лабораторную работу, студент должен уметь:
– правильно назначать последовательность сварки продольными угловыми швами, при которой будут получаться наименьшие деформации изгиба;
– определять остаточные деформации при использовании инженерной методики расчета;
– не делать ошибочных выводов о влиянии закреплений конструкций в процессе сварки.
Местные деформации
В процессе сварки тавра наблюдаются помимо общих деформаций и местные, выражающиеся в деформациях поясного листа в виде грибовидности (см. рис. 5.1б).
В качестве параметра, характеризующего указанный вид деформации, используется величина угла перегиба пояса 
Угол перегиба поясного листа (рад), может быть определен по следующей приближенной формуле [1-3]:
, (5.17)
где К – катет шва, мм;
– толщина поясного листа, мм.
При ручной дуговой сварке катет шва можно приближенно определить по объему наплавленного металла. Если угловой шов считать треугольной призмой, длиной равной l ш, основанием которой является равнобедренный прямоугольный треугольник со сторонами К , то объем наплавленного металла найдется так
V = 
(5.18)
Объем расплавленного электрода будет
V эл = 
,
где l ш – длина углового шва;
l э – длина расплавленного электрода.
Приравнивая V ш = V э и принимая коэффициент потерь y 10 % найдем
. (5.19)
Порядок выполнения работы
1. Из пластин собрать на прихватках три тавра (рис. 5.1) и занумеровать клеймами (1, 2, 3).
2. Обмерить собранные образцы. Рассчитать Iy и zc, результаты занести в таблицу 5.1.
Таблица 5.1 – Размеры образцов
| № образца | Геометрические параметры тавра | ||||||||||
| dп | Вп | dст | Вст | l | zc | Iy | |||||
| мм | см4 | ||||||||||
| 1 2 3 | |||||||||||
3. Установить тавр № 1 в подставку, поставить вилку А на полку (см. рис. 5.4), произвести отсчет показаний индикаторной головки. Повторить измерение еще дважды. Средний результат занести в таблицу 5.2.
4. Установить тавр № 1 на сварочный стол и выполнить первый шов, фиксируя силу сварочного тока I1 , напряжение на дуге U1 , время сварки t1 и длину расплавленной части электрода l э . Указанные параметры занести в таблицу 5.2.
Таблица 5.2 – Режимы сварки
| № образца | Режим сварки тавра | ||||||||
 ,
А
|  ,
B
| с |
см |  ,
Дж/см
|  ,
мм
| К, мм | |||
| 1 2 3 |
|
| |||||||
,
,Примечание: в числителе – параметры сварки для первого шва, в знаменателе – для второго.
5. После остывания тавра выполнить второй шов. Необходимые сведения занести в таблицу 5.2.
6. После остывания тавра снять показания индикаторов А, В, измерить длину тавра l1 и записать показания в таблицу 5.3.
7. Установить тавр № 2 на сварочный стол и одновременно выполнить оба шва (методом «дуга в дугу»), фиксируя I , U , t , l э .
8. После полного остывания тавра № 2 произвести замеры согласно пункту 6. Результаты занести в таблицу 5.3.
Таблица 5.3 – Результаты определения деформаций
| № образца | Деформации тавра | ||||||||||
| Показания индикатора | Прогиб, ¦А, мм | Прогиб полки, ¦В, мм | l1, мм |
мм | |||||||
| А | В | ||||||||||
| До сварки | После сварки | До сварки | После сварки | Опыт | Расчет. | Опыт | Расчет. | Опыт | Расчет. | ||
| 1 2 3 |
| ||||||||||
,9. Установить тавр № 3 в приспособление для закрепления (рис. 5.5), выполнить последовательно оба шва, фиксируя режим сварки (п. 4).
10. После полного остывания освободить тавр от закрепления, произвести замеры согласно пункту 6, результаты занести в таблицу 5.3.
11. По формуле (5.7) вычислить q 
и q 
, записать в таблицу. Вычислить для каждого тавра среднее значение
.
12. По формуле (5.19) вычислить катет шва для каждого тавра. Длину расплавленной части электрода взять как среднее арифметическое
lэ = 
.
13. Исходя из режимов сварки и используя формулы 1 – 2 определить расчетное значение ¦А , ¦В , Dl .
Результаты расчета записать в таблицу 5.3. При определении ¦В воспользуйтесь эскизом на рис. 5.6.
Рисунок 5.6 – К определению угла перегиба пояса
Вопросы для самопроверки
1. Какие деформации называются общими и местными?
2. Влияет ли порядок выполнения сварных швов на остаточные деформации?
3. Может ли закрепление сварного элемента существенно уменьшить остаточные деформации изгиба?
4. Как измерить остаточный прогиб тавра?
5. Напишите зависимость для расчета ширины упругопластической зоны.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОй ЛИТЕРАТУРЫ
Основная
1. Окерблом Н. О. Проектирование технологии изготовления сварных конструкций / Н. О. Окерблом, В. П. Демянцевич, И. П. Байкова. – Л. : Судпром, 1963. – 430 с.
2. Окерблом Н. О. Расчет деформаций металлоконструкций при сварке / Н. О. Окерблом. – М-Л. : Машгиз, 1955. – 211 с.
3. Гатовский К. М. Теория сварочных процессов : учебное пособие / К. М. Гатовский, В. А. Кархин. – Л. : ЛКИ, 1980. – 331 с.
Дополнительная
4. Касаткин Б. С. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. Справочное пособие / Б. С. Касаткин, А. Б. Кудрин, Л. М. Лобанов. – К. : Наук. думка, 1981. – 583 с.
5. Немец И. Практическое применение тензорезисторов : пер. с чешского / И. Немец. – М. : Энергия, 1970. – 144 с.
6. Винокуров В. А. Сварочные деформации и напряжения / В. А. Винокуров. – М. : Машиностроение, 1968. – 229 с.
7. Касаткин Б. С. Напряжения и деформации при сварке / Б. С. Касаткин, В. М. Прохоренко, И. М. Чертов. – К. : Вища школа, 1987. – 247 с.
8. Серенко А. Н. Конспект лекций по дисциплине «Напряжения и деформации при сварке» / А. Н. Серенко, Мариуполь : ПГТУ, 2015. – 113 с.
9. Серенко А. Н. Расчет сварных соединений и конструкций Примеры и задачи / А. Н. Серенко, М. Н. Крумбольдт, К. В. Багрянский. – Киев : Вища школа, 1977. – 336 с.
Напряжения и деформации при сварке
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
по дисциплине «Напряжения и деформации при сварке»
для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка»
всех форм обучения
Мариуполь
2015
УДК 621.791.042(076.5)
Напряжения и деформации при сварке [Электронный ресурс] : методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Напряжения и деформации при сварке» для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка» всех форм обучения / сост. А. Н. Серенко. – Мариуполь : ПГТУ, 2015 – 80 с. – Режим доступа:
В методических указаниях cформулированы цели и задачи лабораторных работ, приведено описание методики и содержания лабораторных работ, даются основные расчетные зависимости для определения количественных показателей изучаемых процессов образования сварочных напряжений и деформаций и сопоставления их с опытными данными.
Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов направления подготовки 6.050504 «Сварка» всех форм обучения.
Составитель А. Н. Серенко, канд. техн. наук, профессор
Рецензент А. Д. Размышляев, д-р техн. наук, профессор
Утверждено
на заседании кафедры «Оборудование и технология сварочного производства»,
протокол № 11 от 09 июня 2015 г.
Утверждено
методической комиссией сварочного факультета,
протокол № 6 от 15 июня 2015 г.
© ГВУЗ «ПГТУ», 2015
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 6
Лабораторная работа № 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ.. 9
1.1 Цели и задачи работы.. 9
1.2 Основные теоретические положения. 9
1.2.1 Некоторые сведения о тензометрировании. 10
1.2.2 Тарировка датчиков и измерителя деформаций. 19
1.3 Оборудование, приборы и материалы, необходимые для выполнения работы 25
1.4 Порядок выполнения работы.. 25
1.5 Вопросы для самоконтроля. 25
Лабораторная работа № 2. ИЗУЧЕНИЕ ВРЕМЕННЫХ И ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ НАПЛАВКЕ ВАЛИКА НА КРОМКУ ПОЛОСЫ 27
2.1 Цели и задачи работы.. 27
2.2 Основные теоретические положения. 27
2.2.1 Расчетное определение сварочных деформаций и напряжений при наплавке валика на кромку пластины.. 32
2.2.2 Экспериментальная часть работы.. 36
2.3 Оборудование, приборы и материалы, необходимые для выполнения работы 37
2.4 Порядок выполнения работы.. 38
2.5 Вопросы для самопроверки. 40
Лабораторная работа № 3. ИЗУЧЕНИЕ ОСТАТОЧНЫХ СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И МЕТОДОВ ИХ УСТРАНЕНИЯ.. 42
3.1 Цели и задачи работы.. 42
3.2 Основные теоретические положения. 42
3.2.1 Расчетное определение величины остаточных сварочных напряжений 44
3.2.2 Экспериментальные методы определения остаточных напряжений 47
3.2.3 Методы устранения остаточных сварочных напряжений. 49
3.3 Оборудование, приборы и материалы, необходимые для выполнения работы 51
3.4 Порядок выполнения работы.. 52
3.5 Вопросы для самоконтроля. 55
Лабораторная работа № 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОПЕРЕЧНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПРИ СВАРКЕ ПЛАСТИН.. 57
4.1 Цели и задачи работы.. 57
4.2 Основные теоретические положения. 57
4.2.1 Расчетное определение поперечных деформаций при сварке пластины стыковым швом 58
4.2.2 Экспериментальная часть работы.. 61
4.3 Оборудование, образцы и приспособления, необходимые для выполнения работы 64
4.4 Порядок выполнения работы.. 64
4.5 Вопросы для самопроверки. 66
Лабораторная работа № 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ БАЛОК 67
5.1 Цели и задачи работы.. 67
5.2 Основные теоретические положения. 67
5.2.1 Деформации при сварке свободного тавра. 69
5.2.1.1 Последовательное выполнение швов. 69
5.2.1.2 Одновременное выполнение швов. 73
5.2.2 Деформации при сварке тавра в закреплении. 74
5.2.3 Местные деформации. 75
5.3 Оборудование, приборы и приспособления, необходимые для выполнения работы 76
5.5 Вопросы для самопроверки. 80
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 81
Введение
Неравномерный высокотемпературный нагрев элементов конструкций при сварке вызывает появление в них деформаций и напряжений. По мере распространения теплоты и выравнивания температуры происходит непрерывное изменение деформаций и напряжений б различных точках свариваемых деталей, т.е. изменение полей этих величин. В отличие от температурного поля, которое исчезает после полного остывания конструкции, поле напряжений не исчезает, так как процесс его образования при сварке необратим. Поэтому после полного остывания в сварной конструкции имеются остаточные деформации и напряжения.
Изучение процесса образования сварочных деформаций и напряжений их величины и характера распределения после полного остывания может проводиться как теоретически, так и экспериментально. В настоящих методических указаниях поставлена задача дать студенту возможность выполнить самостоятельно сопоставление расчетных и экспериментальных данных, характеризующих формоизменение свариваемых элементов как в процессе сварки, так после полного остывания.
Поэтому, выполнение лабораторные работ по курсу «Напряжения и деформации при сварке» является важным элементом всесторонней подготовки специалистов сварочных специальностей. Они служат лучшему усвоению теоретического материала, совершенствуют конкретное инженерное мышление и фактически являются одной из начальных ступеней научно-исследовательской деятельности студентов.
Описание работ дается в развернутом виде, что позволяет студенту глубже уяснить цели и задачи эксперимента, проследить логику метода научного исследования.
Большинство лабораторных работ начинается с краткого изложения теоретических зависимостей изучаемых процессов, которые затем проверяются экспериментально.
Прежде чем студент будет допущен к выполнению лабораторных работ, ему необходимо ознакомиться с общими требованиями по выполнению работ, методами изучения деформаций и напряжений в элементах сварных конструкций, применяемым оборудованием в лаборатории и т.п.
При выполнении лабораторных работ студенты должны соблюдать определенные правила и требования:
а) студенты допускаются к лабораторным работам только после изучения ими инструкции по технике безопасности и после того, как каждый из них распишется в специальном журнале в получении соответствующего инструктажа;
б) перед каждой работой преподаватель проводит опрос студентов, на котором выясняет их подготовку к сознательному выполнению работ, а также знания правил техники безопасности. Студенты, не проявившие необходимых знаний, к выполнению работы не допускаются;
в) при выполнении лабораторных работ, в которых требуется проведение расчетов на ЭВМ, студенты должны четко представлять алгоритм расчета, на основе какого либо математического редактора, например MathCAD;
г) все электрические схемы собираются при выключенном сетевом рубильнике. Включение рубильника производится по разрешению учебного мастера или преподавателя после проверки правильности собранных схем;
д) после окончания выполнения работы студенты должны привести оборудование и рабочие места в исходный порядок.
Оформление отчета по лабораторной работе производится с соблюдением следующих общих требований:
а) отчет составляется на листах стандартного размера (формат – А4: 210x298 мм). Запись ведется с одной стороны;
б) эскизы, рисунки, схемы выполняются либо на отдельных листах, либо по ходу изложения текста отчета;
в) отчет может составляться с использованием современных компьютерных технологий.
Отчет должен содержать такие пункты:
1. Цель работы.
2. Эскизы образцов.
3. Расчетные зависимости, результаты расчетов в виде таблиц или графиков
4. Таблицы результатов измерений, обработки результатов измерений и расчетов.
5. Выводы по работе.
Лабораторная работа № 1.
Экспериментальные методы оценки напряженИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ
Цели и задачи работы
Целью работы является изучение и освоение методов измерения деформаций и напряжений в элементах сварных конструкций и деталях с помощью тензометрирования и способов тарировки измерительных приборов.
Задачами, которые ставятся при выполнении работы, являются:
- изучение устройства и особенностей различных типов тензорезисторов;
- изучение устройства и особенностей тарировочных балок;
– ознакомление с принципом работы специального автоматизированного измерителя деформаций, работающего на основе мостовой схемы;
– получение практических навыков выполнения тарировки измерительного прибора с помощью балки равного сопротивления.
Выполнив лабораторную работу, студент должен уметь:
– правильно выбирать тип тензометрического датчика для измерения деформаций и напряжений в конкретных элементах конструкций и деталей;
– определять цену деления измерительного прибора при использовании того или иного типа тарировочного устройства;
– избегать ошибки измерения деформаций от температурного воздействия на исследуемую конструкцию.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 651.
