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

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук(ИПМех РАН)На правах рукописиКуров Дмитрий АндреевичСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТРАДИЦИОННОГО И РАЗРАБОТКА НОВОГОМЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ВСВАРНОМ СОЕДИНЕНИИСпециальность: 01.02.04Механика деформируемого твердого тела(технические науки)Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.ф.-м.н., профессор Попов А.Л.Москва - 20152ОглавлениеВведение. Технологические остаточные напряжения и методы их оценки ..... 5Глава 1. Совершенствование метода отверстий в определении остаточныхнапряжений ...........................................................................................

14§ 1.1. Определение остаточных напряжений методом зондирующегоотверстия ............................................................................................... 14§ 1.2. Идея координатного метода ................................................................. 20§ 1.3. Расчетно-теоретическая модель перемещений в окрестностисквозного отверстия пластины (задача Кирша) .................................. 21§ 1.3.1. Определение перемещений при воздействии нагрузкивдоль оси .................................................................................... 21§ 1.3.2. Определение перемещений при воздействии нагрузкивдоль оси .................................................................................... 25§ 1.3.3. Нормальные перемещения пластины при совместномдействии нагрузок в ее плоскости ...............................................

27§ 1.4. Проявление знака перемещений с помощью дополнительныхлокализованных поперечных воздействий ......................................... 29§ 1.4.1. Перемещения вне зоны приложения поперечнойлокализованной нагрузки ............................................................. 30§ 1.4.2. Перемещения внутри зоны приложения поперечнойлокализованной нагрузки .............................................................

31§ 1.4.3. Перемещения при надавливании в общей системекоординат ...................................................................................... 33§ 1.4.4. Численная реализация проявления знака перемещений взадаче Кирша ................................................................................ 393§ 1.5.

Связь координат расположения интерференционных полос снапряжениями ....................................................................................... 47§ 1.5.1. Зависимость положений линий уровня от материала .................. 47§ 1.5.2. Зависимость положений линий уровня от величиныприложенной нагрузки ................................................................. 50§ 1.5.3. Зависимость положений линий уровня от радиусаотверстия .......................................................................................

59§ 1.6. Анализ полученных результатов и выводы ........................................ 59Глава 2. Определение температурных следов на поверхности металласварного соединения по термическому циклу .................................... 62§ 2.1. Экспериментальные данные по распределению цветовпобежалости..........................................................................................

65§ 2.2. Восстановление температурного поля на основе уравнениятеплопроводности ................................................................................ 69§ 2.2.1. Трехмерное уравнение теплопроводности ................................... 72§ 2.2.2. Математическое описание процесса нагрева ...............................

74§ 2.2.3. Математическое описание процесса плавления и процессазатвердевания ................................................................................ 79§ 2.2.4. Математическое описание процесса охлаждения ........................ 85§ 2.2.5. Технология нахождения положений экстремальныхизотерм .......................................................................................... 87§ 2.3.

Математические модели термических циклов при контактностыковой сварке оплавлением ............................................................. 89§ 2.3.1. Контактно-стыковая сварка оплавлением .................................... 894§ 2.3.2. Восстановление стадии остывания термического циклаконтактной стыковой сварки стержней по температурнымследам ............................................................................................ 89§ 2.3.3.

Контактная стыковая сварка рельсов ........................................... 95Глава 3. Разработка метода оценки остаточных напряжений в сварномсоединении по температурным следам ............................................. 102§ 3.1. Описание технологии метода на модели стыковой сваркистержней .............................................................................................

103§ 3.2. Определение остаточных напряжений после контактнойстыковой сварки оплавлением стержней .......................................... 107§ 3.3. Использование температурных следов для неразрушающейдиагностики остаточных напряжений в сварном соединениирельсов ................................................................................................

112§ 3.4. Определение остаточных напряжений после контактнойстыковой сварки труб ......................................................................... 119Заключение ....................................................................................................... 129Список литературы .......................................................................................... 131Приложение 1 ...................................................................................................

1375Введение. Технологические остаточныенапряжения и методы их оценкиНапряжения, существующие в телах или конструкциях при отсутствиикаких-либо внешних воздействий, например, силовых, а также тепловых и других в литературе называют, как правило, остаточными напряжениями [2]. Исследования по проблематике остаточных напряжений и их влияния на прочность упругих тел и конструкций идут достаточно широко. Это является следствием многочисленных примеров разрушений, вызванных большими остаточными технологическими напряжениями.Под технологическими напряжениями понимают напряжения, которыевозникают в процессе изготовления деталей, и могут оставаться в них после изготовления.

Технологические напряжения подразделяют на временные и остаточные. Временные напряжения появляются в деталях на стадии формования врезультате действия внешних сил, тепло-, массо- и ионного обмена его с окружающей средой, неодновременно протекающих в материале физических и химических процессов (кристаллизация, отверждение), сопровождающихся изменением объема. Они пропадают после завершения указанных выше процессов,либо преобразуются в остаточные напряжения. Остаточные напряжения остаются в деталях после прекращения воздействия внешних факторов, завершенияв материале физических и химических процессов и сопровождают детали в течение всего срока их эксплуатации, улучшая или ухудшая эксплуатационныехарактеристики.В технике много примеров разрушений, вызванных большими технологическими напряжениями.

Так, остаточные напряжения в трубопроводах - этоодна из главных причин их разрушения с серьезными экономическими и экологическими последствиями. В сущности, такие дорогостоящие разрушения и породили такую область науки как «остаточные технологические напряжения испособы их регулирования».6Данная область механики деформируемого твердого тела в настоящеевремя активно развивается и в ней имеется много интересных проблем, одна изних - разработка методов измерения остаточных напряжений. Над созданиемтаких методов активно работают ученые России, Украины, США, Германии,Венгрии, Англии и других стран [19, 33, 44, 52, 58].Остаточное напряженное состояние, сохраняющееся длительное время вматериале или конструкции после технологических операций, является внутренним самоуравновешенным состоянием изделия, никак не проявляющим себявнешне. Поэтому оно труднодоступно для измерения. Для измерения такихнапряжений надо заставить их как-то проявить себя в готовом материале иликонструкции.Современноесостояниеисследованийостаточныхнапряжённо-деформированных состояний упругих тел характеризуется наличием нескольких основных методов, сгруппированных по принципу большей или меньшейповреждаемости исследуемого тела при их реализации.

Среди повреждающихметодов выделяется метод высверливания зондирующего отверстия.История метода высверливания зондирующего отверстия началась с пионерской работы Матара 1934 года [56]. Он использовал механический экстензометр для измерения перемещений вокруг отверстия, высверленного в напряженной пластине. В 1950 году Соете и Ванкромбруг значительно улучшилиточность таких измерений, используя тензометрические датчики вместо механического экстензометра [60]. В 1951 году Милбрадтом был впервые примененметод кольцевой проточки, который уменьшал концентрацию напряжений привысверливании в сравнении с методом высверливания лунки [57]. В 1956 годуКелси опубликовал результаты исследования изменения остаточного напряжения с учетом глубины высверленной лунки [53], став при этом первым в использовании глухих отверстий вместо сквозных.

В это же время активные теоретические и экспериментальные исследования по проблематике остаточныхнапряжений велись и в нашей стране такими учеными как И.А. Биргер [2],А.Ю. Ишлинский [17], В.А. Винокуров [5], Н.О. Окерблом [30]. Современное7представление метода высверливания лунки для определения остаточныхнапряжений отражено в работах А.А. Поздеева [33], Г.Н.

Чернышева [44], Л.М.Лобанова [19], А.А. Антонова [16], А.Л. Попова [7], И.А. Разумовского [36],А.А. Апалькова [24], Нельсона [58], Кобаяши [51], Рендлера и Вигнесса [59], идр.Метод отверстия обладает двумя основными преимуществами: прост висполнении и, вследствие малости диаметра и глубины отверстия, часто можетбыть отнесен к числу неразрушающих или слегка повреждающих методов.К настоящему времени разработано достаточно много методов измерениямикроперемещений, возникающих при высверливании зондирующего отверстия в теле с остаточными напряжениями, описание которых можно найти вмонографиях [2, 44], справочнике [52], и в других публикациях.

Наиболее распространенный метод – тензометрический [15, 45, 51]. Этот метод в сочетаниис методом отверстий состоит в следующем: тензодатчиками измеряют в некоторых точках в окрестности отверстия деформации возмущенного напряженнодеформированного состояния и по этим измерениям по специальной методикевосстанавливают остаточные напряжения, существовавшие в данной точке досоздания отверстия [60].

По этой методике разработан известный стандартСША [46].Тензометрический метод имеет определенные недостатки, которые непозволяют его использование как метода оперативной диагностики остаточныхнапряжений. Это связано с длительным интервалом времени приклейки тензодатчиков вблизи будущего отверстия и обеспечения их сохранности в процессевысверливания отверстий.Недостатки тензометрического метода исключены в методах бесконтактного измерения параметров возмущенного напряженно-деформированного состояния с помощью голографической и спекл-интерферометрии [44].

Дополнительным преимуществом оптических методов является возможность регистрации всего поля микроперемещений в окрестности зондирующего отверстия с8выделением главных направлений тензора деформаций и напряжений по конфигурации спекл-интерферометрических полос на интерферограмме.В силу этих преимуществ в настоящее время метод электронной спеклинтерферометрии занял лидирующее положение. Он позволяет быстро и с высокой точностью измерять перемещения возмущенного деформированного состояния в окрестности отверстия.