Методы оценки остаточных напряжений в сварных конструкциях

Язык труда и переводы:
УДК:
621.791.05:620.179
Дата публикации:
21 сентября 2021, 15:46
Категория:
А7. Технологии сварки и диагностики
Авторы
Аннотация:
Представлены методы определения остаточных напряжений в сварных конструкциях на различных стадиях изготовления и в различных производственных условиях. Рассмотрены их преимущества и недостатки с точки зрения разработанности, трудоемкости, точности и информативности. Сделаны выводы, что перспективными методами определения остаточных напряжений в сварных конструкциях являются методы спекл-интерферометрии совместно со сверлением отверстия, метод рентгеновской дифрактометрии и ультразвуковой метод.
Ключевые слова:
напряженно-деформированное состояние, измерение остаточных напряжений, метод сверления отверстия, спекл-интерферометрия, рентгеновская дифрактометрия, магнитный метод, ультразвуковой метод, метод твердости
Основной текст труда

В настоящее время имеется тенденция по ужесточению требований к ответственным сварным конструкциям в части размерной точности, размерной стабильности. Для борьбы с остаточными напряжениями (ОН), возникающими в результате термодеформационного воздействия на прилегающие к сварному шву зоны от резкого нагрева, пластической деформации и быстрого охлаждения, необходимо предусматривать специальные технологии. Кроме того, предпочтение отдается технологиям энергосберегающим, с малым технологическим циклам, энергосберегающим и являющимися альтернативой традиционной термической обработке: наклепу, виброобработке, прокатке сварных швов и т. д. Для таких сварных конструкций неотъемлемой частью технологического процесса, наряду с методом воздействием на напряженно-деформированное состояние (НДС), необходимо предусматривать способ контроля эффективности данного воздействия. Отсутствие в большинстве случаев данной контрольной операции при термической обработке сварных конструкций обусловлено прежде всего широким распространением данной технологии, включением ее во многое справочники и руководящие документы, большим практическим опытом, а также тем, что во время внедрения термической обработки методы контроля НДС были на начальной стадии разработке, экспериментальной или теоретического обоснования [1–11] .

В настоящее время для оценки эффективности НДС разработано множество методов контроля ОН, имеющих различия в областях применения, точности, времени проведения. Часть методов предполагает необходимость тщательных лабораторных испытаний, другие могут применяться для периодического контроля качества в производственном цеху; некоторые контролируют приповерхностную зону, вторые — на определенную глубину, третьи — интегрально по всей толщине [1– 9]. Цель настоящей статьи — привести классификацию, краткое описание принципа методов определения НДС, а также приведение общих рекомендаций по области применения конкретного метода.

В самом общем случает методы оценки НДС сварных конструкций подразделяются на расчетные и экспериментальные. Расчетные методы основаны на ранее полученных опытных данных, имеют значительные приближения и упрощения. Поэтому для объективной оценки желательно применение именно экспериментальных методов. Экспериментальные методы подразделяются на механические и физические. Механические методы основаны на измерении деформации тензометрами, щупами, профилометрами, деформометрами или оптическими интерферометрами с дальнейшим пересчетом в напряжение на основании закона Гука, либо при деформирование тензометров совместно со сварной конструкцией, либо при упругой разгрузке при засверливании, рассечением, послойным травлении и т. д. Физические методы являются неразрушающими и основаны на фиксировании изменений свойств материала от напряжений. Обнаруженные изменения пересчитывают в напряжения по ранее определенным зависимостям, не всегда линейным и, как правило, имеющих различные поправочные коэффициенты и зависящие от множества факторов (балл зерна, направление прокатки, шероховатость поверхности и т. д.) [1, 3, 6, 9].

Метод тензометрии основан на измерении деформации сварной конструкции тензометром. При заблаговременной установке тензометров до сварки, метод является неразрушающим. Однако, метод сложно применим для варианта с разбивкой сборочной единицы на подсборки, а также для уже полученных изделий, для которых предыдущая история нагружения и пластического деформирования от сварки не известна [1–3].

Метод спекл-интерферометрии основан на получении интерференционной картины поля деформаций при упругой разгрузке от сверления отверстия или получения лунки. Интерферограмму получают компьютерной обработкой полученных до и после упругой разгрузки изображений, при которой происходит попиксельное вычитание. Путем подсчета интерференционных полос, зная геометрические параметры изъятого материала (диаметр и глубину отверстия или отпечатка) и его характеристики, вычисляется значение напряжения. Достоинствами метода являются малое время цикла и доступное оборудование, малый объем повреждения сварной конструкции, при котором полученное при измерении глухое отверстие или отпечаток возможно заварить, сошлифовать или зашпатлевать грунтовкой; это делает приведенный метод частично разрушающим, а в случае ремонта — неразрушающим. В качестве отрицательных особенностей метода следует добавить необходимость верификации нулевых значений остаточных напряжений, когда отсутствие интерференционных полос может быть обусловлено не только малым уровнем напряжений, но и неточностью эксперимента при случайном сдвиге образца [1, 7, 9].

Метод рентгеновской дифрактометрии базируется на измерении угла отражения дифрагированных рентгеновских лучей при их прохождении через поверхностный слой сварной конструкции по смещению дифракционной линии. Достоинством метода является широкое распространение. Недостатки состоят в ограниченности измерений приповерхностным слоем до 50 мкм, когда значения напряжений могут существенно разнится с интегральными значениями на глубине 1…3 мм, а также в длительности и трудоемкости процесса, кроме того, ошибка рентгенографического метода измерения в сварных швах велика по причине высокой кривизны поверхности швов и относительно крупного размера зерна при кристаллизации [1, 6, 9].

Магнитные методы измерения напряжений основаны на магнитоупругом эффекте Виллари. К недостаткам магнитных методов относятся ограниченность применения ферромагнитными материалами, необходимость размагничивания, малая достоверность, зависящая как от физических параметров материала (балл зерна), так и от неоднородности  магнитных свойств в сварных конструкциях, кроме того разрешающая способность данных методов довольно низкая [1, 3, 7].

Акустические (ультразвуковые) методы в качестве информативных параметров применяют скорость распространения поверхностных волн Рэлея или головных волн, скорость распространения объемных волн и коэффициент затухания. Достоинствами акустических методов являются безвредность для обслуживающего персонала и высокая проникающая способность, широкое внедрение в промышленности. Однако необходима трудоемкая подготовка поверхности под контактную жидкость, учет поправочными коэффициентами различных особенностей сварной конструкции [1, 7].

Резистивный электроконтактный метод основан на зависимости удельного электрического сопротивления от напряжения и имеет низкую точность. Метод измерения твердости основан на зависимости между твердостью и интенсивностью напряжений: применяется для мобильной оценки с целью выявления качественной картины распределения напряжений в поверхностном слое [8].

Таким образом, показано, что наиболее освоенными и точными методами являются [1–3, 7–9]:

  • спекл-интерферометрия с упругой разгрузкой сверлением отверстия (интегральная оценка на всю глубину отверстия) с применение уже разработанного спекл-интерферометра «ДОН», оснащенного портативной голографической системой «ЛИМОН» (Россия);
  • метод рентгентгеновской дифрактометрии (приповерхностный слой) на базе выпускаемых дифрактометров «ПРОН» (Россия), «ТРИМ» (Россия), XSTRESS 3000 (Япония) и «ДРОН» (Россия);
  •  акустической тензометрии (на всю толщину исследуемого образца) с применением цифрового стробоскопа «ИН 5101А» (Россия).

Магнитные, твердости и электрические методы применимы, прежде всего, для качественной оценки НДС в полевых условиях или сравнительных испытаниях.

Литература
  1. Алешин Н.П. Возможности методов неразрушающего контроля при оценке напряженно-деформированного состояния нагруженных металлоконструкций // Сварка и диагностика. 2011. № 6. C. 44–47.
  2. Withers P.J., Bhadeshia H.K. Residual stress. Measurement techniques (Overview). Part 1 // Materials Science and Technology. 2001. No. 17. Pр. 355–365.
  3. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.
  4. Прилуцкий М.А. Методы определения напряженно-деформированного состояния сварных металлоконструкций. Обзор // Сварка и диагностика. 2007. № 1. С. 17–21.
  5. Меркулова Н.С., Иванова Т.О., Гринченко М.И. Совершенствование средств контроля поверхностных остаточных напряжений и их метрологическая аттестация // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. № 3. С.46–48.
  6. Пироговский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1983. 248 с.
  7. Thompson R.B., Lu W.Y., Clark A.V. Handbook of measurement of residual stresses. Lilburn: Society for Experimental Mechanics, 1996. 245 р.
  8. Пономарев К.Е., Стрельников И.В. К вопросу выбора экспериментального метода оценки остаточных напряжений в сварных конструкциях // Сварка и диагностика. 2018. № 2. С. 29–34.
  9. Венгринович В.Л. Принципы и практика диагностики напряженно-деформированного состояния конструкций, изделий и сварных соединений // В мире неразрушающего контроля. 2005. № 1 (27). С. 4–9.
  10. Дрыга А.И. Вибростабилизирующая обработка сварных и литых деталей в машиностроении (теория, исследования, технология). Краматорск: ДГМА, 2004. 168 с.
  11. Пономарев К.Е., Стрельников И.В. К вопросу применения вибрационной обработки сварных конструкций космических аппаратов для повышения точности и размерной стабильности. Обзор // Вестник НПО имени С.А. Лавочкина. 2017. № 4 (38). С. 89–95.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.