Дослідження залишкових напружень зварних з’єднань методом свердлення глухого отвору

Abstract

UK: В сучасному виробництві зварних конструкцій вантажопідйомних кранів необхідна об’єктивна інформація про стан залишкових напружень після зварювання. Найбільші залишкові напруження (ЗН) в поєднанні із високою схильністю до руйнування мають зони термічного впливу (ЗТВ) зварних з’єднань. Як розрахункове, так і експериментальне визначення ЗН в цих ділянках є ускладненим. Мета. Метою публікації є підбір, адаптація та подальше вдосконалення методики визначення ЗН для аналізу ЗТВ зварних з’єднань вантажопідйомних кранів. Методика. Для аналізу ЗТВ зварних з’єднань було обрано експериментальну методику свердлення глухого отвору. Використовується високошвидкісне покрокове свердлення отворів свердлами зворотної конусності. Результуючий відгук деформації поверхні реєструється трьохелементною тензорозеткою. Для вдосконалення розрахункового етапу експериментальної методики визначення ЗН поряд із експериментами проводилося кінцево-елементне моделювання в тривимірній постановці. Методом кінцевих елементів відтворювалася техніка експерименту, розглядався вплив ряду граничних умов на відхилення у розрахунках. Результати. Проаналізовано вплив близькості валика шва на похибки експерименту. Для різного співвідношення діаметру отвору і діаметру тензорозетки розглянуто похибки від усереднення результатів деформацій на базі тензорешітки. Для конструкційної низьковуглецевої сталі представлено залежності відхилень результатів експериментів від рівня ЗН. Наукова новизна. Вдосконалено методику експериментального визначення ЗН свердленням глухого отвору. Зокрема, представлено рекомендації до проведення кількісних вимірювань високих ЗН (близьких до межі текучості) цим методом. Отримано поправні коефіцієнти для врахування усереднення деформацій на базі тензорешітки при тензометруванні контуру отвору. Практична значимість. Результати дослідження розширюють можливості методики визначення ЗН свердленням глухого отвору в контексті дослідження ЗТВ зварних з'єднань з конструкційних низьковуглецевих сталей. Базуючись на отриманих результатах вдалося на 5 .2 0 % підвищити точність визначення ЗН в безпосередній близькості до валику кутового зварного шва. Проведення вимірювань в найбільш проблемних зонах зварних металевих конструкцій вантажопідйомних кранів дозволить знайти шляхи оптимізації технології їх виробництва

RU: В современном производстве сварных конструкций грузоподъемных кранов необходима объективная информация о состоянии остаточных напряжений после сварки. Наибольшие остаточные напряжения (ОН) в сочетании с высокой склонностью к разрушению имеют зоны термического влияния (ЗТВ) сварных соединений. Как расчетное, так и экспериментальное определение ОН в этих участках затруднено. Цель. Целью публикации является подбор, адаптация и дальнейшее совершенствование методики определения ОН для анализа ЗТВ сварных соединений грузоподъемных кранов. Методика. Для анализа ЗТВ сварных соединений была выбрана экспериментальная методика сверления глухого отверстия. Используется высокоскоростное пошаговое сверление отверстий сверлами обратной конусности. Результирующий отзыв деформаций поверхности регистрируется трехэлементной тензорозеткой. Для совершенствования расчетного этапа экспериментальной методики определения ОН наряду с экспериментами проводилось конечно-элементное моделирование в трехмерной постановке. Методом конечных элементов воспроизводилась техника эксперимента, рассматривалось влияние ряда граничных условий на отклонения в расчетах. Результаты. Проанализировано влияние близости валика шва погрешности эксперимента. Для различного соотношения диаметра отверстия и диаметра тензорозетки рассмотреныпогрешности от усреднения результатов деформаций на базе тензорешетки. Для конструкционной низкоуглеродистой стали представлены зависимости отклонений результатов экспериментов от уровня ОН. Научная новизна. Усовершенствована методика экспериментального определения ОН сверлением глухого отверстия. В частности, представлены рекомендации к проведению количественных измерений высоких ОН (близких к пределу текучести) этим методом. Получены поправочные коэффициенты для учета усреднения деформаций на базе тензорешетки при тензометрировании контура отверстия. Практическая значимость. Результаты исследования расширяют возможности методики определения ОН сверлением глухого отверстия в контексте исследования ЗТВ сварных соединений из конструкционных низкоуглеродистых сталей. Основываясь на полученных результатах удалось на 5...20 % повысить точность определения ОН в непосредственной близости к валику углового сварного шва. Проведение измерений в наиболее проблемных зонах сварных металлических конструкций грузоподъёмных кранов позволит найти пути оптимизации технологии их производства

EN: In today's production of cranes’ welded structures objective information about the state of residual stresses after welding is needed. The greatest residual stresses (RS) in combination with a high propensity to ruin have heat-affected zones (HAZ) of welded joints. The calculated as well as experimental determination of RS in these areas is difficult. Purpose. The purpose of this article is selection, adaptation and further improvement of the methodology for RS determining in the HAZ of crane welded joints. Methodology. To analyze the HAZ of welded joints the experimental method of drilling blind holes was chosen. A high-speed multiple-step drilling with inverted-cone drills is used. The resulting response of surface deformation is captured by three-element strain gauge rosette. To improve the calculation stage of the experimental method for determining RS a finite element simulation in three-dimensional formulation was performed along with experiments. The technique of the experiment was simulated by finite element method; the influence of a number of boundary conditions on the calculations’ deviations was examined. Findings. The influence of the proximity of the weld bead on the error of the experiment has been analyzed. For different ratios of hole diameter to the diameter of the strain gauge rosette the errors from averaging deformation results on the basis of gauge were investigated. For low-carbon structural steel the abnormalities of the experimental results depending on the level of RS were presented. Originality. Methodology of RS experimental determination by the blind hole drilling method was improved. In particular, recommendations for the quantitative measurement of high RS (close to the yield point) by this method were introduced. Correctional coefficients for accounting the averaging deformation on the basis of the gauge in hole’s contour strain measurements were presented. Practical value. The obtained results extend the possibilities of the blind hole drilling methodology in the context of HAZ RS research on welded joints made from low-carbon structural steels. Based on the obtained results the 5...20 % increase of accuracy of the RS definition in the immediate vicinity of the fillet weld was achieved. Performing the RS measurements in the most problematic areas of welded metal structures will allow one to find ways to optimize the cranes’ steel structures production technology.