УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ

Полезная модель относится к учебным приборам и может быть использована в учебном процессе при изучении процессов сварки для демонстрации деформаций и укорочения, возникающих в металле шва и околошовной зоне.
Для объяснения механизма образования основных сварочных деформаций и напряжений сварное соединение схематично представляется состоящим из двух зон: активной - «сварочного слитка», включающего в себя весь металл, нагревающийся при сварке до высоких температур (при сварке пластин из малоуглеродистой стали Tm - 200…250°C) и пассивной, препятствующей сначала расширению, а потом сокращению активной части. При сварочном нагреве металл «сварочного слитка» сначала расширяется, одновременно размягчаясь от нагрева. Расширению вдоль оси шва препятствуют скрепленные со слитком в монолитное соединение более холодные пассивные части, при этом возникают продольные силы, действующие на активную часть со стороны пассивной. Под действием этих сил в металле слитка возникают временные продольные напряжения сжатия. В пассивной части детали при этом наблюдаются временные напряжения растяжения в продольном направлении. Значительные пластические деформации, сопровождающие неравноосное расширение, возможны потому, что в нагретом металле слитка понижен предел текучести. При остывании слиток возвращается к своему первоначальному объему, одновременно восстанавливается исходный уровень предела текучести материала слитка. В результате после сварки слиток, а вместе с ним и пассивные части сварного соединения становятся короче в направлении вдоль оси шва. В продольном направлении действуют остаточные сварочные напряжения: растягивающие в слитке и сжимающие в пассивной зоне. Это явление называется продольной усадкой. В продольном направлении действуют остаточные сварные напряжения: растягивающие в слитке и сжимающие в пассивной зоне (Сварка. Резка. Контроль: Справочник в 2-х томах (Под общей ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышева. - М.: Машиностроение, 2004. т.1, Н.П. Алешин, Г.Г. Чернышев, Э.А. Гладков стр.49-53).
Существуют экспериментальные методы определения сварочных напряжений, деформаций и перемещений. Проще всего измерить перемещения на внешних поверхностях конструкций. Существуют датчики для измерения деформаций, наиболее распространены тензодатчики, наклеиваемые на поверхность детали (Сварка. Резка. Контроль: Справочник в 2-х томах (Под общей ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышева. - М.: Машиностроение, 2004. т.1, Н.П. Алешин, Г.Г. Чернышев, Э.А. Гладков стр.49-53).
Наиболее близким является 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, а другим - с 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). На приборе моделируется процесс образования трещин при сварке, демонстрируется механизм технологического выравнивания остаточных внутренних напряжений в свариваемом материале, устраняющий трещинообразование.
Недостатком прибора является то, что прибор демонстрирует не сварочные термомеханические процессы, а динамические процессы в гидромеханической системе при ее возбуждении внешней силой, не дает наглядного представления о появлении сварочных деформаций и усадок.
Для изучения и наглядного представления процессов деформаций сварного шва и околошовной зоны предлагается учебный прибор для демонстрации деформаций при сварке, содержащий нагрузочный и упругий элементы. Нагрузочный элемент, выполненный 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.
Общие признаки - нагрузочный элемент и упругие элементы. В прототипе нагрузочный элемент выполнен в виде бруска, упругие элементы - пружины сжатия. В предлагаемом приборе нагрузочный элемент выполнен в виде стержня, упругим элементом является механический динамометр.
Отличительные признаки - 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.
На фиг.1 изображен учебный прибор для демонстрации деформаций при сварке. На фиг.2 - учебный прибор в разрезе.
Прибор содержит жесткую раму 1, нагрузочный элемент 2, выполненный в виде стержня, механический динамометр 3, впаянную в стержень 2 термопару 4, аналого-цифровой преобразователь 5 и компьютер 6, клинья 7, 8.
В предлагаемом приборе жесткая рама 1 с вырезом является пассивной зоной сварного соединения. Металлический стержень является активной зоной - сварочным слитком, который нагревается. Для контроля за интенсивностью нагрева в стержень впаяна термопара, соединенная с аналого-цифровым преобразователем и компьютером. Механический динамометр позволяет получать информацию о величине и изменении усилий, возникающих при нагреве.
Работает учебный прибор для демонстрации деформаций следующим образом. В вырез жесткой рамы 1 устанавливают механический динамометр 3, к нижнему концу которого плотно подводят стержень 2 с впаянной термопарой 4. Для закрепления динамометра и стержня без зазора в окне рамы, устанавливают клинья 7,8. Стержень нагревают источником тепла (газовой горелкой) до температуры, при которой предел текучести металла стержня понижается до значений, близких к нулю.
При таком нагреве длина стержня остается неизменной (L=cons), поскольку рама, как пассивная часть, имеет площадь поперечного сечения в десятки раз больше поперечного сечения активной части нагреваемого стержня. Потенциальное стремление стержня к удлинению при нагреве будет реализовано в виде упругой и пластической деформаций укорочения за счет возникновения усилий сжатия со стороны пассивной части, что будет отражаться на показаниях индикатора механического динамометра сжатия, одновременно с этим регистрируется температура стержня. После прекращения нагрева стержень самопроизвольно охлаждаясь, уменьшается в длине как свободный незакрепленный элемент при укорочении. В процессе остывания часть возникших при нагреве пластических деформаций сохраняется, что приводит к искажению формы и размеров сварного соединения и к возникновению остаточных напряжений в сварных деталях. Прослеживая понижение температуры, фиксируют температуру, при которой сжимающее усилие будет равно нулю. При дальнейшем охлаждении стержня уменьшение его длины приведет к появлению зазора между стержнем и динамометром, клинья 7, 8 и стержень 2 под действием собственного веса выпадут из рамки прибора. Это свидетельствует о наличии усадки (укорочения) стержня.
Применение учебного прибора для демонстрации деформаций при сварке дает наглядное представление о деформациях укорочения, возникающих в металле шва и околошовной зоне. Прибор компактен и может использоваться в лаборатории и лекционной аудитории для демонстрации термомеханических процессов в сварном соединении.