УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ И НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРИВАЕМЫХ КРОМКАХ

Полезная модель относится к учебным приборам и может быть использована в учебном процессе при изучении процессов сварки для демонстрации деформаций и укорочений, возникающих в металле шва и околошовной зоне.
Известен учебный прибор для демонстрации деформаций, содержащий связанные между собой нагрузочный элемент, выполненный в виде бруска, упругие элементы, связанные одними концами с нагрузочным бруском, 2 магнита, связанные между собой разноименными полюсами с возможностью разъединения, один из которых соединен с нагрузочным бруском, основание и вязкий элемент с регулируемым сопротивлением, одним концом связанный с основанием, другим - со вторым магнитом. Упругие элементы связаны вторыми концами с основанием. Упругие элементы и вязкий элемент расположены так, что их линии восприятия нагрузки параллельны (патент SU №1647625).
Недостатком прибора является то, что прибор демонстрирует не сварочные термомеханические процессы, а динамические процессы в гидромеханической системе, не дает наглядного представления о появлении сварочных деформаций и усадок.
Наиболее близким является учебный прибор для демонстрации деформаций, содержащий нагрузочный и упругий элементы. Нагрузочный элемент выполнен в виде стержня с впаянной термопарой, расположен в жесткой раме с вырезом, один конец стержня подведен к механическому динамометру, а второй конец закреплен в раме клиньями. Термопара соединена с аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с компьютером (патент RU на полезную модель №136621).
Недостатком прибора является то, что он демонстрирует деформации укорочения нагреваемого стержня при условии высокой жесткости механического динамометра, сравнимой с жесткостью рамы прибора, что потребует динамометра с пределом измерения более 100 тонн иначе будет наблюдаться удлинение стержня при нагреве без возникновения сжимающих сил, которые привели бы к пластической деформации обжатия нагретого стержня, следовательно, укорочения стержня после его охлаждения не будет наблюдаться при недостаточной жесткости динамометра.
Для повышения наглядности процесса пластической деформации укорочения предлагается учебный прибор, содержащий нагрузочный и упругий элементы. Нагрузочный элемент выполнен в виде стержня с закрепленной на нем термопарой и расположен в жесткой раме. Термопара соединена с аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с компьютером. В жесткой раме выполнены два соосных отверстия, в которые вставлен нагрузочный элемент, концы которого выходят за пределы рамы и закреплены в жесткой раме с внутренней и наружной сторон гайками, на продольный элемент рамы параллельно продольной оси стержня наклеен тензодатчик, соединенный с тензостанцией.
На фиг. 1 показан прибор для демонстрации деформаций и напряжений в свариваемых кромках, вид спереди; на фиг 2. показан в разрезе прибор для демонстрации деформаций и напряжений в свариваемых кромках, вид с боку. Прибор для демонстрации деформаций и напряжений в свариваемых кромках содержит жесткую раму 1. В жесткой раме 1 выполнены соосно два отверстия через которые вставлен нагрузочный элемент, выполненный в виде стержня 2, закрепленный в раме с внутренней и наружной сторон гайками 3. Для измерения температуры на поверхности стержня закреплена термопара 4, соединенная с аналого-цифровым преобразователем 5 и компьютером 6. На продольный элемент 7 рамы параллельно продольной оси стержня наклеивается тензодатчик 8, соединенный с тензостанцией 9 для замера продольных усилий в раме, возникающих в результате термодеформационных процессов при нагреве и последующем охлаждении стержня.
Работает прибор для демонстрации деформаций и напряжений в свариваемых кромках следующим образом.
При сборке прибора в среднюю часть стержня 2 в соосные отверстия рамы вставляют и закручивают внутренние гайки 3 с усилием препятствующим удлинению стержня при нагреве. На наружные части стержня 2 с усилием закручивают наружные гайки 3, препятствующие укорочению стержня при охлаждении. Таким образом нагреваемый стержень 2 закрепляют в жесткой раме от возможного перемещения как при нагреве, так и при последующем охлаждении. Для измерения температуры на стержень закрепляют термопару 4, которую соединяют с аналого-цифровым преобразователем 5 и компьютером 6. На продольный элемент 7 рамы параллельно продольной оси стержня наклеивают тензодатчик 8, соединенный с тензостанцией 9, регистрирующий усилия, возникающие в системе рама + стержень при нагреве и охлаждении стержня. Механические усилия в раме возникают как реакция пассивной части системы (рамы) от термомеханической деформации нагретой активной части (стержня). Усилия в активной и пассивной частях системы равны между собой и противоположны по знаку. Поскольку стержень закреплен жестко от перемещений как растяжения, так и от перемещений сжатия, то в цикле нагрева и охлаждения в стержне будут возникать как сжимающие усилия на стадии нагрева, так и растягивающие усилия на стадии охлаждения. Эти внутренние усилия системы рама + стержень и будут измеряться тензостанцией. Стержень нагревают до температуры 650-700 градусов Цельсия. При таком нагреве длина стержня остается неизменной (L=Const), поскольку рама, как жесткая пассивная часть, имеет площадь поперечного сечения в зоне наклейки тензодатчика в несколько десятков раз больше площади поперечного сечения активной части нагреваемого стержня. Потенциальное стремления стержня к удлинению при нагреве будет реализовано в виде упругой и пластической деформаций укорочения нагретого стержня за счет реакции противодействия удлинению со стороны пассивной части (рамы). Противодействие рамы будет выражаться в возникновении в ней растягивающих усилий и упругих деформаций в связующих элементах 7 в зоне наклейки тензодатчика. Величина упругих деформаций будет пропорциональна жесткости рамы (E·F) в зоне тензодатчика, где E - модуль продольной упругости материала рамы; F - суммарная площадь поперечного сечения рамы в зоне наклейки тензодатчика. Эти упругие деформации и будут фиксироваться тензостанцией. После прекращения нагрева стержень самопроизвольно охлаждаясь будет стремиться уменьшить свою длину, но жесткое закрепление в раме будет препятствовать его укорочению, что приведет к возникновению усилий растяжения в стержне, а пассивная часть будет сопротивляться такому укорочению, что приведет к возникновению сжимающих усилий и сжимающих упругих напряжений в зоне наклейки тензодатчика. Процесс нагрева и охлаждения стержня будет проводиться медленно, что позволит регистрировать одновременно как изменение температуры, так и упругих напряжений (усилий) в раме.
Применение прибора для демонстрации деформаций и напряжений в свариваемых кромках дает наглядное представление о термомеханических процессах при сварке в результате которых наблюдаются укорочения (усадки) реальных сварных соединений, а в приборе это явление будет выражено в остаточном после термического цикла нагрева растяжении закрепленного стержня, фиксируемом тензометрированием.