20767

Определение остаточных деформаций при дуговой сварке

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Для выполнения работы необходимы стальная пластинка размерами 135x22x5 мм марки СтЗ штангенциркуль два индикатора часового типа с приспособлениями для измерения длины и пригиба пластины электроды сварочный пост дуговой сварки с вольтметром и амперметром для регистрации сварочного тока весы с разновесами 0200 г секундомер. Для момента конца сварки заменяем действительное почти экспоненциальное распределение температуры по ширине образца рис. Часть I шириной b находится в состоянии повышенной пластичности часть II шириной h в течение...

Русский

2013-07-31

85.43 KB

5 чел.

Лабораторная работа №17

Определение остаточных деформаций при дуговой сварке

Цель работы: ознакомление с деформированием стальной пластины при наплавке валика на ее кромку, измерение возникающих деформаций и расчет появляющихся напряжений.

Оборудование и материалы. Для выполнения работы необходимы стальная пластинка размерами 135x22x5 мм марки СтЗ, штангенциркуль, два индикатора часового типа с приспособлениями для измерения длины и пригиба пластины, электроды, сварочный пост дуговой сварки с вольтметром и амперметром для регистрации сварочного тока, весы с разновесами 0-200 г, секундомер.

Общие сведения

В связи с местным характером нагрева при сварке всегда возникают остаточные деформации и напряжения в конструкции (рис.4.16). Для лучшего понимания механизма их возникновения сделаем некоторые допущения, не влияющие на окончательные результаты. Для момента конца сварки заменяем действительное (почти экспоненциальное) распределение температуры по ширине образца (рис.4.17, а) ступенчатым распределением (рис.4.17, б). Такое распределение принято на основании зависимости предела текучести стали от температуры. Начиная с 600 °С и выше сопротивление стали пластическому деформированию понижается, она становится более пластинчатой.

Рис. 4.16. расположение зон терми-                      Рис.4.17. Схема действительного (а)

ческого воздействия: I – температурного;          и условного (б) распределения температур в                     I I – теплового                                                           сварной конструкции

Таким образом, мы условно разделяем пластину на две части. Часть I шириной b находится в состоянии повышенной пластичности, часть II шириной h в течение всего процесса сварки остается в упругом состоянии. В части I температура в процессе сварки Т > 600 °С, во второй части Т < 600°С и условно приравнивается к комнатной температуре

От температурного воздействия электрической дуги и наплавляемого металла при наплавке валика на кромку пластины волокна части I образца приобрели бы новую длину 1р, рассчитываемую по формуле

lт =l о [1 + β(T-T0)], где lo — исходная длина пластины при Т = T0.

По принятому допущению длина волокон образца части не изменится.

В действительности же части I и II связаны между собой, и поэтому часть II препятствует удлинению волокон части I и обе они приобретают какую-то промежуточную длину. Максимальная длина волокна части I выразится, как lт’ . Разность lт - lт’ соответствует пластической деформации, которую принимает I часть в процессе нагрева. Следовательно, при нагреве она находится под действием сжимающих напряжений, а часть II — под действием растягивающих (рис.4.18).

В ходе наварки валика на кромку пластины и перехода наплавленного металла из жидкого состояния в твердое при свободной усадке и дальнейшем охлаждении волокна части I приняли бы длину lт’. В действительности обе части принимают какую-то промежуточную длину, так как упругая часть II препятствует явлениям свободной усадки в части I (рис.4.19). В результате остывания образца в части I останутся растягивавшие напряжения, а в части II — сжимающие, деформирующие сварную конструкцию.

Рис.4.18. Схема изменения     Рис.4.19. Схема изменения длины

длины волокон при ведении      волокон после охлаждения

сварки          сварного шва

После наварки валика на грань пластина принимает форму, показанную на рис.4.20. Деформация образца способствует продольная усадка наплавленного металла валика.

Так как волокна части II образца остаются в течение -сварки в упругом состоянии, то, принимая за основу данные измерений, можно рассчитать нормальные напряжения а в них по закону Гука:

σ=E·ε=E·∆l/l, где l — удлинение образца, м; I — первоначальная длина образца, м; Е — модуль упругости; для малоуглеродистой стали Е = (2-2,1) • 105 МПа.

Рис.4.20. Деформация конструкции после сварки

Порядок проведения работы

  1.  Измеряем длины волокон и пригиб стальной пластины до и после наварки валика.
  2.  Измеряем массы пластины до и после сварки.
  3.  Измеряем напряжение и силу тока при сварке.
  4.  Измеряем основное время сварки.
  5.  Исследуемый образец имеет прямоугольное поперечное сечение и обе его торцевые грани накернены через определенные интервалы (рис.4.16). Керновые метки (1, 2, 3) попарно на одной и на другой торцевых гранях образца определяют продольное волокно образца. Расстояние между одной парой кернов считается длиной данного волокна и ее изменение в процессе сварки изме-ряется при помощи приспособления, снабженного индикатором часового типа (рис.4.21).

  Исходные длину I, ширину В и толщину S пластины измеряют штангенциркулем, затем определяют длину регистрируемых волокон по кернам с помощью индикатора. Индикатор не позволяет измерить абсолютного размера, а определяет только отклонение от определенного исходного положения. Для этого устанавливают пластину парными кернами в приспособление и фиксируют расположение шкалы при измерении первого волокна специальным винтом. При дальнейших измерениях длины других волокон до и после сварки расположение шкалы изменять не следует. Для увеличения точности измерений каждое из них надо повторить три раза, поворачивая образец в креплениях приспособления и принимая за ось измеряемое волокно. Длина волокна после сварки сравнивается с его длиной до сварки по тем же парным кернам. Отклонения l могут быть положительными, если измеряемое волокно после сварки окажется длиннее, и отрицательным, если измеряемое волокно после сварки окажется короче:

l = αcp. c - αср,

Рис.4.21. Схема контрольных

измерений длины волокон образца

где αcp. c — среднее показание по индикатору после сварки, м; αcp — среднее показание по индикатору до сварки, м.

Длина волокна после сварки lд находится из выражения

Lд = l + l.

6.Прогиб пластины f измеряют в соответствующем приспособлении с индикатором часового типа (рис.4.22). Прогиб пластины в процессе сварки находится как разность показаний индикатора до сварки и после сварки:

f=f2- f1

7.Перед и после сварки производится взвешивание образца для определения массы наплавленного металла. Все данные вносятся в таблицу лабораторных измерений.

Рис.4.22. Измерение деформаций

образца до и после сварки

Сварка осуществляется учебным мастером. После наплавки валика образец охлаждается в естественном режиме до температуры окружающей среды, а затем выполняют соответствующие измерения, предварительно удалив со шва шлак.

8. Определяем высоту наплавленного валика bн (рис.4.23):

где G — масса наплален-

ного металла GH = С2 G1, кг; G2 — масса пластины после сварки, кг; G1 — масса до сварки, кг; ρ — плотность наплавленного металла, для стали ρ = 7,8 • 103 кг/м3; lШ — длина сварочного шва, м.

9. Размер зоны образца b', где при сварке температура основного металла будет выше или равна 600 °С:

где Т = 600 °С — температура границы зоны b'; qи = UдIдη — эффективная мощность дуги,  Вт; Uд — напряжение сварочной дуги, В; Iд— сварочный ток, А; η = 0,7-0,8 — эффективный к.п.д. нагрева основного металла дугой; λ — коэффициент теплопроводности металла, для малоуглеродистой стали λ = 40-50 Вт/(м·град); S — толщина пластины, м; е = 2,718 — основание натурального логарифма; Vcв = lш/tосн — скорость сварки, м/с; 1Ш — длина шва, м; tосн — основное время сварки, с; а — коэффициент температуропроводности металла, для малоуглеродистой стали а = (0,07-0,1) 104 м2/с.

Общая ширина зоны, в которой температура во время сварки выше 600 °С

b = bн + b'.

Ширина зоны пластины, в пределах которой температура ниже 600 °С

h = B-b'.

  1.  Рассчитываем абсолютную и относительную деформации образца по волокнам №1, 2, 3:

l = αср.р - αср = ∆l /l.

  1.  Для осевой части пластины (волокно №2) определяем относительную деформацию по формуле

εo= - σтb/BE

где знак минус означает сжимающие напряжения; σт — предел текучести малоуглеродистой стали, равный 200-240 МПа; В — ширина образца.

  1.  Напряжения, которые возникают в пластине по волокну №2, определяем по закону Гука

σ = Е ·ε,

для случая относительной деформация εo, найденный по расчету или по измерениям в эксперименте.

  1.  Строим графиком абсолютных остаточных деформаций волокон испытуемого образца по данным измерений, по аналогии с рис.4.24.
  2.  Из построенного графика определяем, что, например, максимальное изменение длины волокна наблюдается в самом отдаленном от сварного шва месте и равно (по графику) 17 · 10-5 м. Тогда находим относительную деформацию ε =l /l

возникающее напряжение σ = Е·ε. Сравниваем его с временным сопротивлением малоуглеродистой стали, например СтЗ (класс строительных сталей С 38/23) и делаем выводы о надежности сварной конструкции по возникающим напряжениям.

15. Имея измеренный прогиб пластины f, рассчитываем ее кривизну С

С = 8 f/l2

и радиус дуги R

R = 1 /с.

По полученным данным делаем выводы об изменении конфигурации сварных конструкций на примере проведенного эксперимента.

Рис.4.24. Схема и диаграмма деформации образца после сварки

16. Точность проведения эксперимента лабораторной работы завысит от тщательности измерений и использования соответствующих справочных данных по расчета. Для волокна №2 рассчитаем возможные отклонения, сравнивая измеренные и расчетные данные по относительной деформации. Отклонение найдем, как

где εо — расчетное значение относительной деформации; εи — измеренное в эксперименте значение относительной деформации.

По полученному значению делаются выводы о тщательности проведения эксперимента.

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

  1.  Краткое описание опыта.
  2.  Таблицу лабораторных измерений (табл.4.14).
  3.  График продольных остаточных деформаций.

Таблица 4.14

Таблица лабораторных измерений

  1.  Расчеты кривизны, деформаций, относительных удлинений и возникающих напряжений.
  2.  Выводы.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76755. Варианты и аномалии костей черепа 181.64 KB
  Теменные кости выраженность теменных бугров особенно у женщин; появление межтеменной кости. Затылочная кость наличие поперечного шва отделяющего верхнюю часть чешуи и образование вставочной дополнительной кости; присутствие более мелких добавочных костей часто расположенных в швах кости швов; значительная выраженность затылочных выступов; уплощение чешуи слабая выраженность борозд или наоборот увеличение изогнутости чешуи и углубление борозд; разнообразные формы большого отверстия костных валиков вокруг внутреннего его края;...
76756. Первая и вторая висцеральные дуги 187.99 KB
  Развитие лицевого (висцерального) черепа определяется мозгом и краниальным (глоточным) отделом первичной кишки, в котором на боковых стенках между висцеральными (жаберными) карманами появляются хрящевые висцеральные (жаберные) дуги, но особое значение для черепа имеют первые две.
76757. Кости лицевого черепа. Глазница 192.12 KB
  Подвисочная поверхность находится сзади тела образуя стенку подвисочной и крылонебной ямок состоит: из бугра верхней челюсти с задними альвеолярными отверстиями для одноименных нервов и сосудов. Глазничная поверхность занимает на теле кости верхнее положение участвуя в образовании нижней стенки глазницы. Носовая поверхность образует латеральную стенку полости носа. Небный отросток носовой гребень по медиальному краю; передняя носовая ость: окончание носового гребня впереди; верхняя носовая поверхность; нижняя небная поверхность...
76758. Височная кость 184.9 KB
  У верхушки пирамиды внутреннее отверстие сонного канала. На передней поверхности пирамиды находятся: каменисточешуйчатая щель хрящевая ростковая зона и отверстие мышечнотрубного канала; дугообразное возвышение от полукружных костных каналов лабиринта; крыша барабанной полости от среднего уха; тройничное вдавление на вершине пирамиды для одноименного нервного узла; расщелины и борозды большого и малого каменистого нервов. На задней поверхности пирамиды располагаются: внутреннее слуховое отверстие и внутренний слуховой проход для YII...
76759. Клиновидная кость 180.73 KB
  Клиновидная кость воздухоносная состоит из тела малых и больших крыльев и крыловидных отростков. На верхней поверхности тела находится турецкое седло а в нем: гипофизарная ямка для гипофиза центральной нейроэндокринной железы; бугорок седла кпереди от ямки; спинка седла с задними наклоненными отростками кзади от ямки; сонные борозды: правая и левая с клиновидными язычками лежат по боковым поверхностям седла предназначены для внутренней сонной артерии и внутреннего сонного симпатического нерва венозного пещеристого синуса. На...
76760. Крылонёбная ямка 181.89 KB
  Ямка соседствует и имеет связи с височной и подвисочной ямами. По форме ямка узкая щель ограниченная тремя выше перечисленными костями она граничит и сообщается с полостью черепа средней черепной ямой полостями носа и рта глазницей височной и подвисочной ямами. Крылонебная ямка сообщается: с полостью рта через большой и малый небные каналы с одноименными сосудами и нервами которые снабжают твердое и мягкое небо и небные миндалины; с полостью носа через клиновиднонебное отверстие с одноименными сосудами и нервами для слизистой...
76761. Полость носа 181.99 KB
  Полость носа обладает верхней нижней и парными боковыми стенками. Верхняя стенка состоит из: носовой части лобной кости продырявленной пластинки решетчатой кости и тела клиновидной которые составляют верхнезаднюю часть стенки; парных носовых костей: право и левой образующих передневерхнюю часть стенки. Нижняя стенка включает: небные отростки верхних челюстей и горизонтальные пластинки небных костей костное небо; носовой гребень который проходит по середине стенки в продольном направлении. Латеральные стенки правая и левая...
76762. Внутреннее основание черепа 184.16 KB
  Внутренняя граница между сводом и основанием выделяется не во всех учебниках: слепое отверстие лобной кости и основание ее глазничных отростков; соединение малых и больших крыльев клиновидной кости латеральная оконечность верхней глазничной щели стык теменноклиновидного и лобнотеменного швов; основание пирамиды височной кости и сосцевиднотеменной шов; борозда поперечного синуса крестообразное возвышение и внутренний выступ затылочной кости. Передняя черепная яма образована: по бокам глазничными частями лобной кости; в центре ...
76763. Наружное основание черепа 183.43 KB
  Наружная граница между сводом и основанием проходит по носолобному шву надглазничным краям скуловым отросткам лобной кости подвисочному гребню клиновидной по основанию скуловых отростков височных костей над наружным слуховым отверстием по верхнему краю через основание сосцевидных отростков; заканчивается по верхней выйной линии и наружному затылочному выступу. В своде по наружной поверхности выделяют передний отдел лоб лобная область с рельефом: чешуя лобной кости на ней лобные бугры правый и левый; надбровные дуги у границы с...