Отчет по лабораторным работам
Лабораторная работа №1
Влияние пластических свойствметалла на прочность при наличии сварочных напряжений
Цель работы
Показ зависимости прочностиметалла шва от его пластических свойств путём имитизации накапливаниядеформаций в корне многослойного шва стыкового соединения.
Содержание работы
Степень влияния сварочныхнапряжений на прочность при статической нагрузке в основном зависит отисходящих пластических свойств и от степени исчерпания пластичности металла впроцессе изготовления конструкции. При выполнении одностороннего многослойногошва большой толщины (рис.1.1) в результате поперечного укорочения металлаверхних слоев происходит поворот одной половины соединения относительно другой,и в нижней части шва накапливаются пластические деформации удлинения. Это можетпривести к образованию трещин.
Установка имитирует условиядеформации металла шва при сварке стыкового соединения с V-образной разделкойкромок. Разрушение образца возможно в трёх случаях:
1. Материал хрупкий и разрушениепроисходит при малом сокращении стержня;
2. Материал пластичный, нообразец имеет концентратор в виде надреза;
3. Материал пластичный, ноподвергнут значительной предварительной пластической деформации (образецизготовлен из холодно катаного прутка). В этом случае значительная частьпластичности металла исчерпана ранее и разрушение с образованием шейкивозникает при сравнительно малых деформациях.
Если подобному испытаниюподвергнуть образец из холоднокатаного прутка, но предварительно отожженного,то благодаря восстановлению пластических свойств разрушение не происходит.
/>
/>Лабораторная работа №2
Угловые деформации при сваркетаврового соединения
Цель работы:
Определение угловых деформацийот двухстороннего шва при сварке таврового соединения.
Содержание работы.
Рассмотрим образование деформацийпри последовательном выполнении двухстороннего шва.
При выполнении первого швадеформацию полки относительно неподвижной стенки можно схематично представитькак сумму деформаций двух видов:
1. Деформация поворота полки наугол ©1 в результате укорочения волокон шва, параллельных гипотенузе (рис.2.1,а).
2. деформация изгиба полкивследствие проплавления её на некоторую
глубину с поворотом на угол а.1одной половины полки относительно другой (рис 2.1,6),
После выполнения шва 1 полкаперейдет из начального положения 0-0-0 в положение 1-0-1 (рис 2.1, в). ‘
В процессе охлаждения металл швасвободно укорачивается без образования напряжений гипотенуза шва длиной lt укорачивается на величину Д Lp, при этом одна сторона равнобедренного треугольникаотносительно другой поворачивается на угол ю1 который легко найти изгеометрических соображений (рис 2.1, г).
Так как угол ю1 мал, то
w1 = (Л 4. / Ь) = (aCOiT Lp / h) =2aT
где aT — относительное температурное укорочение металла при остывании. Как видно, угол COiHe зависит от катета шва. Для низкоуглеродистой сталиaT-0,012 и тогда
w1 =2*0,0012=0,25рад /
/>
Угол изгиба полки может бытьнайден так же, как и в случае наплавки валика на поверхность листа с учетомдоли тепла, приходящегося на полку. Без значительной погрешности величину углаал можно найти исходя из предположения, что уголал является результатомукорочения металла шва, и считая, что деформации окружающего основного металла,возникающие при нагреве и при последующем остывании, взаимно компенсируются ине оказывают заметного влияния на величину угла, ал Если длина полкиотносительно мала, то yronai зависит в основном ототносительной глубины и формы зоны проплавления полки. Например, при полномпроплавлении и прямоугольной форме, зоны проплавления угловых деформацийотсутствуют, так как поперечное укорочение металла шва по толщине постоянно. Всвою очередь зона проплавления определяется той частью 3HeprHuqn,которая расходуется на расплавление основного металла полки. Погонную энергиюпроплавления определяют по формуле:
qn. np= (2Sn / (2§ [|+5ст)) *^ом qn
где т|ом — коэффициент,учитывающий долю тепла, идущую на расплавление основного металла, Г (ом =0,25…0,43.
В случае выполнения сварки нарежимах, при которых глубина проплавления п„р не превосходит 0,6 Sn, ширина валика не превышает полуторократной толщины полки8ч и линия сплавления близка к параболе, значение угловой деформации выражаетсяприближенной линейной ависимостью.
/>
При hпр>0,6 Sn. деформация меньше, так как это соответствует более равномерномунагреву полки по толщине.
Зависимость (2.1) получена прислучае, когда шов наплавляется одновременно по всей длине листа, чтосправедливо, если длина листа L не превышает длину х*,изотермы Т* (Т* — температура, при которой металл восстанавливает упругиесвойства). При большей длине листа L угловые деформации не могут бытьопределены по приближенной формуле:
/>
Длину х*, изотермы Т* можнонайти, приняв схему распространения тепла линейного быстродвижущегося источникав пластине. Для низкоуглеродистой стали длина изотермы 600°С равна
/>
Таким образом, по формуле (2.1.2.3) можно приближенно рассчитать угловую деформацию полки (грибовидность) привыполнении первого шва по рисунку 2.1, г b1=a1. При выполнениивторого шва из-за некоторого проплавления полка повернется на угол, центрповорота было вблизи шва 1 (рис.2.1 Дд). Если вследствие укорочения шва 2 внаправлении гипотенузы правая половина полки должна была бы повернуться набольший угол о>2, то этому повороту стало бы препятствовать закреплениеполки швом 1. В связи с этим в шве 2 возникли бы растягивающие усилия, которыестали бы изгибать полку и растягивать шов 1. Под действием растягивающих. усилийшов 1 должен будет удлиниться, вследствие чего полка сможет повернуться вокругточки’0 на угол 9 и занять положение 3-0-3. Кроме того, под действием тех же усилийв шве 2, полка изогнется на некоторый угол 9. В результате полка займетположение 3-0-4, при котором швы 1 и 2 будут растянуты на одну и ту же величину.Таким образом, дополнительный изгиб полки в результате выполнения шва 2составит
b2=a2+qп
Угол а.2 можно определить опизложенной методике расчета угла al. Ранее мы полагали,что угол поворота
Если наоборот, ©2
Рассматривая напряженное состояниешвов и полки, можно определить угол 9″. Результаты расчета и экспериментовпоказывают, что при сварке тавровых соединений, принятых в этой работе размеров9и«а2 и b2»=a2, поэтому для приближенного определениягрибовидности полки достаточно знать углы изгиба ее в результате проплавленияпри выполнении обоих угловых швов b1,2=bi+b2=a1+a2. Приэкспериментальной проверке расчетных данных следует иметь в виду, что внастоящее время теория сварочных деформаций не учитывает большое числофакторов, влияющих на угловые деформации, поэтому приведенные зависимости, каки все другие имеющиеся формулы, следует рассматривать как ориентировочные. Приборыи материалы
1) Собранное на прихваткахтавровое соединение (рисунок 2.2) с углублением и нанесенными рисками на полке.
2) Шлифованная плита, стол иштатив с индикатором для измерения перемещения точек образца (рисунок 2.3 и 2.4).
3) Штангенциркуль, секундомер.
/>
/>Лабораторная работа № 3
Определение остаточного прогибаи продольного укорочения тавровой балки.
Цель работы
Экспериментальное и расчетноеопределение остаточного прогиба и продольного укорочения сварной тавровой балкиСодержание работы
Как и в случае наплавки валикана полосу (лабораторная работа №3), при сварке балки из уголков (рисунок 4,1 4.2)образуются продольные остаточные деформации, приводящие к изгибу и укорочениюбалки по линии центров тяжести поперечных сечений х-х. После выполнения шва 1балка укоротится по оси х-х и станет вогнутой (рисунок 4.3). Остаточныепродольные полные (действительные) деформации по всему сечению и остаточныепродольные напряжения в упругой области можно получить, пользуясь понятиемусадочной силы Ру^ь приложенной к краям шва и направленной вдоль линии центровтяжести пластической зоны Н§1 (рисунок 4.2, 4.4).
Форму изогнутой продольной осих-х f (x) можно приближеннонайти по кривизне С? которая принимается постоянной по длине шва
/>
Постоянные интегрирования А и Вможно найти, например из условия, что прогиб в базовых точках 0 (рис.4.2) равеннулю.
Величина площади пластическихдеформаций Fsi определяется геометрическимихарактеристиками балки (F, 1у, I/-) свойствами материала(j-i’sSs),режимом сварки (qni) и продолжением центра тяжести этойзоны Ус1, и Zc2 относительно главных осей у и z (рисунок 4.4)
/>
В рассматриваемом случае Zci=0. Непосредственно из формулы (4.2) величина Fsi. Поэтомувеличину Fsi можно найти методом последовательных приближений:
1) задать начальное приближениеУс — У о;
2) определить Fsi, по формуле(4.2),
3) площадь Fsiраспределить по полке и стенке на ширину bsi принимаяза центр распределения место введения тепла пренебрегая радиусами закругления (рисунок4.4)
/>
/>
/>
/>
4) определить новое приближениеУе1;
5) повторить п.2, 3 и т.д. дотех пор, пока относительная разность между приближениями Ус^ и Ус! 014^составит менее 5%.
Шов 2 создается противоположныйизгиб. Так как расстояние от центра тяжести к пластической зоны Уе1 (точки приложенияусадочной силы Pyci) значительно больше Уе1, (точкиприложения усадочной силы Pycl), то балка можетоказаться вогнутой даже при Цл2
Балка в упругой области сжаташвами и если она после выполнения шва 2 выпуклая, то полка сжата меньше, чемстенка (рисунок 4.5., б).
/>
/>
/>
Вывод в данной лабораторной работепо проведенным опытам произвели расчет остаточного Прогиба и продольногоукорочения, значения которых указаны в таблице.Лабораторная работа №4
Определение остаточныхпоперечных деформаций при стыковой сварке полос.
Цель работы:
Экспериментальное и расчётноеопределение остаточных деформаций при стыковой сварке полос. Содержание работы
Вследствие неравномерногонагрева при стыковой сварке полос возникают как продольные так и поперечныесварочные деформации и напряжения. Проследим за образованием поперечныхдеформаций в полосе, которая имитирует собранные на прихватках две одинаковыеполосы без зазора (рисунок 5.1, а). Пусть по оси полосы х наплавляется валик. Будемразличать области:
1. область 1, нагретую вышетемпературы Т* (ограниченную изотермой Т* и заштрихованную в клетку), впределах которой металл находится в пластическом состоянии;
2. область 2, температуракоторой изменяется от Т* до температуры Т1, незначительно отличавшейся отначальной температуры полосы (косая штриховка);
3. область 3, в которой нетзаметного повышения температуры. Эта область охватывает нагретую область стрехсторон и создаёт жесткий подковообразный контур.
Выделим поперечную полоскушириной dx, проходящую через наибольшую ширину области1. До нагрева, когда эта полоска находилась в области 3, она была постояннойтолщины S, ширины dx, длины В (рис.5.1, б). Вертикальнымилиниями показаны условные границы одинаковых по ширине участков металла.
Когда полоска оказывается вположении, показанном на рис 5.1 а, происходят деформации по длине и толщинеполоски. Очевидно, что увеличение длины полоски исключено, так как её концевыеучастки принадлежат области 2 и жестко связаны между собой. Вместе с темцентральный участок полоски, принадлежащий области 1, находится в пластическомсостоянии и практически не оказывает сопротивления сжимающему усилию. Поэтомустремление нагретой полоски удлиниться реализуется путём перемещения нагретыхучастков её к середине. При этом концевые полоски (слева от сечения к-к исправа от сечения 1-1 на рисунке 5.1) не смещаются. Средние участки нагретой зоны(участки к-к. m-m и п-п…1-1) увеличиваютсвою ширину и перемещаются к центру оси. Обжатие центрального участкапоперечной полоски происходит с образованием дополнительных пластическихдеформаций укорочения. При остывании постепенно восстанавливается исходнаяширина средних участков, вследствие чего они стремятся переместиться к центру. Придостаточной продольной жёсткости полосы эти перемещения удерживаютсяподковообразным контуром, в результате чего в средних участках могутпроисходить пластические деформации удлинения, которые лишь частичнокомпенсируют пластические деформации укорочения. Из рис.5.1 г видно, чтопоперечные пластические деформации укорочения локализуются вблизи шва. Ширинаполосы после остывания уменьшается на величину ЛВ.
/>
Рисунок 5.1 Схема образованийпоперечных деформаций а — расчленение полосы на области; в — поперечное сечениеполосы до прохождения дуги; г — поперечное сечение полосы вскоре послепрохождения дуги: д — поперечное сечение после остывания полосы
/>
/>