Учебный прибор для демонстрации деформаций при сварке

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИНЖЕНЕРНОМ ОБРАЗОВАНИИ

УДК 621.791 С.И. Казаков

Курганский государственный университет

УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ

Аннотация. В статье описывается новый прибор, созданный на кафедре технологии и автоматизации сварочного производства для демонстрации возникающих при сварке деформаций свариваемых кромок.

Ключевые слова: учебный прибор, сварочный процесс, деформации металла при нагреве, временные деформации, остаточные деформации.

S.I. Kazakov Kurgan state university

THE EDUCATIONAL INSTRUMENT FOR DEMONSTRATING WELDING DEFORMATIONS

Abstract. The article describes a new device created at the department of technology and automation of welding production for the purpose of demonstration of deformations of welded edges during the process of welding.

Index terms: educational instrument, welding process, metal deformations upon heating, temporary deformations, residual deformations.

До настоящего времени не существовало прибора или устройства, которое бы демонстрировало и подтверждало экспериментально факт появления остаточных сварочных деформаций в результате процесса сварки плавлением. Понимание этого явления достигалось теоретическими рассуждениями о механизме сварочных деформаций. Такая теоретическая модель, кратко изложенная в справочнике по сварке, резке и контролю [1], приведена ниже.

В процессе сварки шов и околошовная зона разогреваются до высоких температур, что вызывает их расширение. Менее нагретые части свариваемых деталей препятствуют свободному расширению, в результате возникают временные напряжения, приводящие к упругим, а затем и пластическим деформациям металла. Высокотемпературная зона составляет небольшую часть от поперечного сечения детали, и предел текучести материала этой зоны при нагреве снижается. Поэтому пластические деформации возникают главным образом в пределах этой зоны. Обычно она включает в себя кроме шва окружающий металл, температура нагрева которого превысила некоторый уровень Тт, зависящий от свойств металла (Тт повышается с ростом предела текучести) и от жесткости свариваемых деталей (Тт снижается с ростом жесткости). При сварке пластин из малоуглеродистой стали Т = 200...250 °С.

т

В процессе остывания часть возникших при нагреве

пластических деформаций сохраняется, что приводит к искажению формы и размеров сварного соединения и к остаточным напряжениям в сваренных деталях.

Рисунок 1 - Схема образования временных и остаточных сварочных деформаций и напряжений

Для объяснения механизма образования основных видов сварочных деформаций и напряжений представим схематично сварное соединение состоящим из двух зон: активной («сварочного слитка», включающего в себя весь металл, нагревшийся при сварке до температуры выше Т) и пассивной, препятствующей сначала расширению, а потом сокращению активной части (рисунок 1 а). Рассмотрим случай сварки двух одинаковых по толщине и ширине пластин.

При нагреве металл слитка расширяется (рисунок 1 б), одновременно размягчаясь от нагрева. Расширение происходит в трех направлениях: вдоль осей ОХ, ОУ и ОТ (светлые стрелки на рисунке 1 б). Степень расширения по трем осям неодинакова.

Расширению вдоль оси шва ОХ препятствуют скрепленные со слитком более холодные пассивные части. Расширению в поперечном направлении ОУ мешают закрепление свариваемых деталей в сварочных приспособлениях, прихватки, ранее наложенные швы и остывающий, уже заваренный участок данного шва. Возникающие при этом продольные и поперечные силы, действующие на активную часть со стороны пассивной, показаны темными стрелками на рисунке 1 б. Под действием этих сил в металле слитка возникают временные напряжения сжатия по этим двум осям. В пассивной части детали при этом наблюдаются временные напряжения растяжения в продольном направлении ОХ и сжатия в поперечном ОУ.

Наиболее свободно слиток расширяется в направлении толщины деталей ОТ. В результате даже при сварке без присадки образуется характерная выпуклость сварного шва.

Значительные пластические деформации, сопро-

96

ВЕСТНИК КГУ, 2014. № 2

вождающие такое 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. Поэтому, несмотря на сопротивление пассивных частей сварного соединения, сокращение слитка идет более равномерно по всем трем направлениям (рисунок 1 в).

В результате после сварки слиток, а вместе с ним и пассивные части сварного соединения становятся короче в направлении вдоль оси шва. Это явление называется продольной усадкой. В продольном направлении действуют остаточные сварочные напряжения, растягивающие в слитке и сжимающие в пассивной зоне.

Слиток и сварное соединение в целом испытывают в результате сварки также сокращение в поперечном направлении (поперечную усадку).

Существуют экспериментальные методы определения сварочных напряжений, деформаций и перемещений. Проще всего измерить перемещения на внешних поверхностях конструкций. Существуют датчики для измерения деформаций, наиболее распространены тен-зодатчики, наклеиваемые на поверхность детали, но если деталь интенсивно нагревается, то замерять усилия и деформации с помощью наклеенных на эту деталь тен-зодатчиков некорректно.

Для изучения и наглядного представления процессов деформаций сварного шва и околошовной зоны предлагается учебный прибор для демонстрации деформаций, содержащий нагрузочный и упругий элементы (рисунок 2). Нагрузочный элемент, выполненный в виде стержня, расположен в жесткой раме с вырезом, один конец стержня подведен (упирается) к механическому динамометру, а второй конец закреплен в раме клиньями, термопара соединена с аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен с компьютером.

1

1 - жесткая рама; 2 - нагреваемый стержень; 3 - динамометр сжатия; 4 - термопара; 5 - аналого-цифровой преобразователь сигнала термопары; 6 - компьютер для регистрации температуры; 7 и 8 - клинья

Рисунок 2 - Учебный прибор для демонстрации деформаций при сварке

Стержень, жестко закрепленный в окне рамы, нагреваемый в ходе эксперимента до температуры 650-700°С, и есть «сварочный слиток», имитирующий нагрев свариваемой кромки. Возникающие при нагреве стержня усилия давления на жесткую раму (пассивный элемент) воспринимаются упругим элементом прибора -динамометром сжатия и отражаются перемещением стрелки индикатора с одновременной регистрацией температуры нагрева стержня.

В результате возникновения при нагреве стержня усилий, сжимающих этот стержень, появляются как упругие, так и пластические деформации укорочения стержня. Это явление аналогично явлению пластического укорочения свариваемой кромки еще на стадии ее нагрева. Эта пластическая деформация укорочения свариваемой кромки проявляется после полного охлаждения сварного соединения. В результате и нагрева, и охлаждения стержня прибора стержень становится короче первоначальной длины и при охлаждении самопроизвольно вы-падывает из окна прибора, что наглядно показывает и убеждает исследователей в наличии продольной усадки сварной конструкции.

Результаты многочисленных опытов с замерами как первоначальной, так и окончательной после полного охлаждения длины стального стержня подтверждают его укорочение s = 0,5-1,0%.

По результатам работ составлена заявка и получен в 2014 году патент на полезную модель [2].

Применение прибора для демонстрации деформаций при сварке даст наглядное представление о деформациях укорочения, возникающих в металле шва и свариваемых кромках. Прибор компактен и может использоваться в лаборатории и лекционной аудитории, наглядно демонстрируя термомеханические процессы в сварном соединении.

Список литературы

1 Сварка. Резка. Контроль: справочник: в 2 т. /под общ. ред.

Н.П. Алешина, Г.Г. Чернышова. М.: Машиностроение, 2004. Т.1.

624 с.

2 Учебный прибор для демонстрации деформаций. Патент на

полезную модель № 136621 /Казаков Сергей Иванович (RU).

Зарегистрировано в Государственном реестре полезных

моделей Российской Федерации 10 января 2014 г. Бюл. № 1.

УДК 378:001.891

В.К. Коротовских, A.A. Синюков, И.С. Климов Курганский государственный университет

ОБУЧАЮЩИЙ МУЛЬТИМЕДИЙНЫЙ КУРС «РАСТЯЖЕНИЕ-СЖАТИЕ И КРУЧЕНИЕ» ПО СОПРОТИВЛЕНИЮ МАТЕРИАЛОВ

Аннотация. Использование в обучающем процессе мультимедийных технологий - это современная тенденция образования. Мультимедиа совмещает текстовую, зрительную, звуковую информацию воедино, что помогает овладеть учебным материалом более широкому кругу студентов. В статье рассмотрены основные моменты содержания и принципы создания обучающего мультимедийного курса по сопротивлению материалов для деформаций «растяжение-сжатие и кручение».

Кпючевые слова: обучающий курс, мультимедиа, сопротивление материалов, растяжение-сжатие, кручение.

СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 9

97