Автореферат (Совершенствование традиционного и разработка нового методов диагностики остаточных напряжений в сварном соединении)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Напряжения, существующие в телах или конструкциях при отсутствии каких-либо внешних воздействий, например, силовых, а также тепловых и других в литературе называют, как правило, остаточными напряжениями. Исследования по проблематике остаточных напряжений иих влияния на прочность упругих тел и конструкций идут достаточно широко.Это является следствием многочисленных примеров разрушений, вызванныхбольшими остаточными технологическими напряжениями.К настоящему времени разработано достаточно много методов измеренияостаточных напряжений, описание которых можно найти в монографиях, справочнике, и в других публикациях. Все известные методы измерений делятся надве большие группы: повреждающие и неповреждающие.

Наиболее распространенный метод из повреждающих базируется на высверливании несквозногозондирующего отверстия в напряженном теле. Регистрация микроперемещенийв окрестности этого отверстия, пропорциональных остаточному НДС, осуществляется различными способами, среди которых лидирующее положениезанимает тензометрический способ.

В настоящее время тензометрическое измерение НДС в окрестности несквозного зондирующего отверстия все большезаменяется более оперативными и бесконтактными оптическими методами,среди которых выделяется метод электронной спекл-интерферометрии. Определяемые по этому методу остаточные напряжения пропорциональны числуполос регистрируемой интерференционной картины. Недостатком данногоподхода является относительно невысокая точность определения напряженийпо числу полос, составляющая порядка 20-25 МПа для стальных образцов.

Актуальная задача здесь – повышение точности определения остаточных напряжений по картине спекл-интерференционных полос.На практике зачастую повреждающие воздействия с целью определенияостаточных напряжений нежелательно, или просто недопустимо. В этих случаях используют косвенные неповреждающие методы измерения, основанные на4различных физических принципах, такие как рентгеновский, акустический,магнитошумовой и другие. Все они обладают определенными преимуществамии недостатками, требуют для своего применения сложную дорогостоящую аппаратуру. Актуальная задача здесь – создание простого, оперативного, и, повозможности, недорогого в применении неповреждающего метода диагностикиостаточных напряжений.Диссертация посвящена решению этих актуальных задач путем повышения точности спекл-интерферометрического метода определения остаточныхнапряжений и разработки нового неповреждающего безаппаратурного методаих диагностики.Цель работы.

Совершенствование известного метода оценки остаточныхнапряжений по спекл-интерферограмме поля микроперемещений в окрестностизондирующего отверстия и разработка нового неповреждающего метода диагностики остаточных сварочных напряжений на основе температурных следов,возникающих на металле сварного соединения после окончания сварки.Научная новизна результатов состоит в следующем:1. Выполнено усовершенствование метода зондирующего отверстия вопределении остаточных напряжений, позволившее связать регистрируемые вокрестности отверстия перемещения с напряжениями в теле не только по числуинтерференционных полос, пропорциональному уровню высвобождаемых перемещений, но и по координатам расположения полос относительно центра отверстия, что обеспечивает снижение погрешности оценки остаточных напряжений в несколько раз.2. С использованием совместного аналитического решения задачи Киршаи задачи о действии нормальной нагрузки, распределённой в круге малого радиуса на поверхности упругого полупространства, теоретически обоснован метод деформации интерференционных полос при локальном надавливании вокрестности зондирующего отверстия, позволяющий выявить характер (растягивающий или сжимающий) действия главного остаточного напряжения.53.

Предложен новый неповреждающий метод диагностики остаточныхсварочных напряжений по температурным следам (положениям максимальныхизотерм), сохраняющимся на поверхности металла околошовной зоны длительное время после окончания сварки, осуществляемый без применения сложнойизмерительной аппаратуры, чем выгодно отличается от других методов неразрушающего контроля.4. Разработан алгоритм определения положений температурных следов потермическому циклу сварки и его использование для определения кинетикисварочных напряжений в графо-аналитическом методе Николаева-Окерблома(К.М.

Гатовский, 1981).5. Проведена апробация метода температурных следов на примерах контактной стыковой сварки оплавлением металлических стержней, рельсов итруб, экспериментальные результаты по термическим циклам в которых приведены в работах (Кархин В.А. 2008, N.S. Tsai, T.W. Eagar, 1985 и др.).6. Выполнена модификация графо-аналитического метода, позволяющаястроить эпюру остаточных напряжений в области сварного шва и в зоне термовлияния по кривой максимальных изотерм минуя этап исследования кинетикинапряжений в температурном цикле сварки.7.

Проведена верификация метода температурных следов с помощьюстандартизированного метода зондирующего отверстия (ГОСТ Р 52891-2007«Контроль остаточных технологических напряжений методом лазерной интерферометрии»), показавшая достаточную степень коррелированности результатов неповреждающего и повреждающего методов.Практическая значимость работы заключается в создании нового неповреждающего метода оценки остаточных напряжений на основе температурных следов, отличающегося, в сравнении с другими неповреждающими методами, меньшей трудоёмкостью, а также экономической характеристикой: дляполучения исходной информации в методе температурных следов не требуетсядорогостоящая измерительная аппаратура. Эти достоинства метода отмечены вСправке о внедрении от предприятия ЗАО «Псковэлектросвар», где на натур-6ных объектах – сварных соединениях стальных труб морских трубопроводовбыла проведена экспериментальная апробация метода температурных следовпараллельно измерениям остаточных сварочных напряжений повреждающимметодом зондирующего отверстия, показавшая достаточную степень коррелированности результатов.Достоверность и обоснованность научных и практических результатовподтверждается строгой постановкой прямых задач теплопроводности и иханалитическими решениями на всех стадиях термического цикла сварки: нагрева, плавления, затвердевания и остывания сварного соединения, обеспечивающими решение обратной задачи реконструкции термического цикла по температурным следам, сравнением с результатами других авторов, использованиемдля связи восстановленного термического цикла с остаточными напряжениямиизвестного и строго обоснованного графо-аналитического метода НиколаеваОкерблома, а также сравнением с результатами измерений остаточных напряжений на одних и тех же объектах стандартизированным методом зондирующих отверстий.Методы исследования.

В работе для установления связи между температурными следами и полем остаточных напряжений использовались аналитические методы решения задач теплопроводности на разных стадиях термическогоцикла сварки: нагрева, плавления и затвердевания с учетом фазовых переходови охлаждения с формированием температурных следов. Для установления связей между реконструированным термическим циклом и остаточными напряжениями использовался графо-аналитический метод Николаева-Окерблома, который был усовершенствован в работе; в исходной формулировке этот методобеспечивал построение временной зависимости напряжения в выбранной точке на определенном расстоянии от оси сварного шва как в процессе сварки, таки после него, т.е., - остаточных напряжений. В диссертации этот метод был модернизирован в направлении определения только остаточных напряжений, нозато сразу для всего поля точек, включающего сварной шов и зону термовлияния, т.е.

эпюры остаточных напряжений. С помощью стандартизированного7экспериментальногометодазондирующегоотверстиясоспекл-интерферометрической регистрацией поля перемещений в окрестности отверстия была проведена верификация метода температурных следов при измерениях сварочных напряжений в стальных трубах морских трубопроводов.Основные положения, выносимые на защиту.1.Разработанусовершенствованныйметодрегистрацииспекл-интерферометрической информации о поле микроперемещений в окрестностизондирующего отверстия, выполненного в теле с напряжениями.

Этот методсвязывает регистрируемые перемещения с напряжениями в теле не только почислу интерференционных полос, пропорциональному уровню перемещений,квантованному длиной полуволны лазера, но и по координатам их расположения относительно центра отверстия, что позволяет существенно снизить погрешность измерений по уровням напряжений внутри перепада высот нормальныхперемещенийповерхностителамеждусоседнимиспекл-интерференционными полосами.2.Сформулирован и обоснован (теоретически и экспериментально)новый, не требующий дорогостоящей измерительной аппаратуры, неповреждающий метод определения остаточных сварочных напряжений по температурным следам, сохраняющимся на поверхности металла после окончаниясварки. Установлена связь расположения температурных следов с предшествующим температурным циклом сварки на основе решения задач о нагреве, плавлении, затвердевании и остывании сварного соединения. По реконструированному температурному циклу сварки с помощью, модернизированного в работе,графо-аналитического метода Николаева-Окерблома, определена связь с остаточными сварочными напряжениями как в области сварного шва, так и в зонетермовлияния.Апробация результатов работы.Материалы диссертационной работы докладывались на X Международной конференции “Современные проблемы механики сплошной среды” (Россия, Ростов-на-Дону, 2006), III Российской научно-технической конференции8«Разрушение контроль и диагностика материалов и конструкций» (Россия, Екатеринбург, 2007), 8-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Россия, Москва, 2009),IX Всероссийской научно-практической и учебно-методической конференции«Фундаментальные науки в современном строительстве» (Россия, Москва,2012), XXI Международном симпозиуме «Динамические и технологическиепроблемы механики конструкций и сплошных сред» им.

А.Г. Горшкова (Россия, Москва, 2015), и пяти международных молодежных научных конференциях «XXXIII Гагаринские чтения» (Россия, Москва, 2007), «XXXIV Гагаринскиечтения» (Россия, Москва, 2008), «XXXV Гагаринские чтения» (Россия, Москва,2009), «XXXVI Гагаринские чтения» (Россия, Москва, 2010) и «XXXVIII Гагаринские чтения» (Россия, Москва, 2012).Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 9статей в рецензируемых изданиях, в том числе 3 в журналах из перечня рекомендованного ВАК РФ.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,заключения и списка литературы, состоящего из 61 наименования. Общий объем диссертации – 138 страниц, 74 рисунков и 8 таблиц.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбора темы диссертационной работы, сформулированы цель работы, научная новизна, защищаемые положенияи практическая значимость работы.