7. Экспериментальные методы определения остаточных напряжений деформаций и перемещений

Существует большое количество экспериментальных методов определения сварочных напряжений, деформаций и перемещений. Наиболее просто измерить перемещения на внешних поверхностях конструкций. Это можно сделать с помощью различных датчиков или видеокамер. Весьма эффективным, обеспечивающим регистрацию всех компонент перемещения, является лазерный голографический метод.

Существуют также датчики для измерения деформаций (наиболее распространены тензодатчики, наклеиваемые на поверхность детали). Напряжения, как правило, рассчитывают на основе измерений перемещений, деформаций или других физических параметров, изменяющихся при появлении в металле напряжений (магнитные, ультразвуковые, рентгеновские методы, нейтронное облучение, измерение твердости и т. д.).

Экспериментальные методы чаще всего применяют для определения остаточных напряжений после сварки. Типовая методика их определения включает следующие этапы:

1. устанавливают датчики деформации и снимают начальный замер;

2. устраняют остаточные напряжения путем вырезания небольшого участка с установленными датчиками из сварной конструкции;

3. снимают повторный замер и определяют Δε - изменение деформации от устранения напряжений.

4. рассчитывают остаточные напряжения по формулам теории упругости.

Достоинством этой методики является отсутствие необходимости замеров до сварки и в процессе сварки (она пригодна для исследования готовых конструкций), а недостатком – повреждение исследуемой конструкции. Некоторые другие методы (магнитные и ультразвуковые) также применяются на готовых конструкциях и не повреждают их, но дают достоверные результаты только для однородного основного металла, вдали от сварного шва. Это связано с тем, что измеряемые в этих методах параметры (магнитная проницаемость, скорость прохождения ультразвука и т.д.) изменяются не только при появлении остаточных напряжений, но также при изменении химического состава, размера зерна, структуры металла и других факторов.

Если известно, что в точке измерения действует только один компонент остаточного напряжения σ (остальные компоненты малы), то его можно рассчитать по формуле:

, (21)

где E – модуль упругости (модуль Юнга) данного материала.

В общем случае необходимо в каждой точке поверхности установить 3 датчика по разным направлениям и измерить 3 компонента деформации: Δε_xx, Δε_yy и Δε_xy. Деформации могут быть также определены по измеренным перемещениям точек на поверхности u_x, u_y и u_z:

, (22)

где i и j могут принимать значения x, y или z.

По ним рассчитывают 3 компонента остаточных напряжений:

; ;

, (23)

где μ – коэффициент Пуассона для данного материала.

Для определения временных сварочных напряжений недостаточно знать значения деформаций в данный момент времени. Необходимо вести запись температуры T и компонент наблюдаемой деформации ε_н непрерывно или периодически в течение всего процесса сварки. Кроме того, необходимы дополнительные эксперименты по определению изменения свойств материала в условиях сварки.

В процессе сварки протекает целый ряд физических явлений, влияющих на распределение напряжений. Точность расчета напряжений зависит от полноты и точности учета всех этих явлений. Увеличение точности требует не только применения более сложных расчетных формул, но также увеличения объема и сложности экспериментов для определения дополнительных физических характеристик свариваемых материалов.