Диссертация (Совершенствование традиционного и разработка нового методов диагностики остаточных напряжений в сварном соединении), страница 7

1.27 показаны графики перемещений в окрестности отверстия приуказанных значениях напряжений и их пересечения линиями уровня = 0.32 ∙ мкм, = 1,2,3.54Рис. 1.27 – Графики нормальных перемещений по направлению = 20° дляалюминия при действии различных нагрузок Аналогичные расчеты для стальной пластины отображены в Табл. 1.4 иТабл. 1.5 и на графиках Рис. 1.28 и Рис.

1.29.55Табл. 1.4 – Координаты первой линии уровня при разных напряжениях длястали при = Напряжение ,Коэффициент ст ,Координата первойМПамкмлинии уровня 201.43·10-70.67302.14·10-70.82402.86·10-70.94503.57·10-71.06604.29·10-71.16705.00·10-71.25805.71·10-71.34906.43·10-71.421007.14·10-71.491107.86·10-71.571208.57·10-71.64Рис. 1.28 – Графики нормальных перемещений по направлению = 0 для сталипри действии различных растягивающих нагрузок 56Табл. 1.5 – Координаты первой линии уровня при разных напряжениях длястали при = °Напряжение ,Коэффициент ст ,Координата первойМПамкмлинии уровня 201.09·10-70.58301.64·10-70.72402.19·10-70.83502.74·10-70.92603.28·10-71.01703.83·10-71.09804.38·10-71.17904.92·10-71.241005.47·10-71.311106.02·10-71.371206.57·10-71.4357Рис.

1.29 – Графики нормальных перемещений по направлению = 20° длястали при действии различных нагрузок На Рис. 1.30 приведены объединенные графики зависимостей координатлиний уровня по направлениям = 0 и 20° для алюминия и стали от величинырастягивающей нагрузки (фиксированные значения отмечены кружками).58Рис. 1.30 – Графики положений первой линии уровня для алюминиевой (красные линии) и стальной (синие линии) пластин при углах = 0 (сплошные) и = 20° (штриховые) в зависимости от приложенной нагрузкиИз рассмотрения Рис.

1.26 и Рис. 1.27 для алюминия следует полезностьопределения цены полосы не только по направлениям главных напряжений, нои под некоторыми углами к ним. Например, в случае напряжения = 20 МПаиз соответствующего графика Рис. 1.26 можно заключить, что действующеенапряжение находится в интервале 14.5 МПа ≤ ≤ 29 МПа, в то время какиз графика построенного для угла 20°, следует вполне определенное значение = 20 МПа.59§ 1.5.3. Зависимость положений линий уровня от радиусаотверстияРассмотрим влияние изменения радиуса отверстия на распределение положений линий уровня относительно центра отверстия.Используя выражение (1.30), получим связь между положением линийуровня и радиусом отверстия в видеrahS x cos 2EN (1.32)где = 1,2, … – число полос линий уровня, – длина полуволны лазера.Отсюда видно, что с увеличением радиуса отверстия, линии уровня отдаляются от его центра, что может способствовать улучшению их распознавания,особенно при небольших уровнях действующих напряжений.

В то же времявысверливание зондирующих отверстий большого радиуса создает большуюповрежденность материала конструкции и может вывести часть линий уровняза область наблюдения интерферометра.Практика определения напряжений методом высверливания зондирующих лунок показала, что для алюминия, как правило, достаточно отверстия сдиаметром, не превышающем 2 мм, а для стали – 3-5 мм [8,11].

Применяетсятакже ступенчатое высверливание с постепенно увеличивающимся диаметроми контролем результативности по проявлению интерференционных полос [11].§ 1.6. Анализ полученных результатов и выводыОписанный в предыдущих разделах работы новый экспериментальнотеоретический метод оценки напряженно-деформированного состояния, основанный на определении координат интерференционных полос в окрестностисквозного отверстия пластины развивает метод зондирующего отверстия внаправлении повышения точности определения остаточных напряжений.

Используя решение задачи Кирша, была разработана теоретическая модель, ха-60рактеризующая расположение линий уровня нормального перемещения вокрестности отверстия (основного диагностического параметра) при определении напряжений в пластине, в зависимости от таких факторов как:1. материал пластины;2.

действующее напряжение;3. диаметр отверстия.При этом были рассчитаны и построены графики, с помощью которыхвозможна последующая оценка напряженно-деформированного состояния пластин на основе координатного метода, изготовленных из различных материаловв широком диапазоне действия нагрузок. В частности, на Рис. 1.31 показаны зависимости действующих напряжений от положения первой линии уровня. Приведены графики действующих напряжений для алюминиевой (красные линии)и стальной (синие линии) пластин при углах = 0 (сплошные) и = 20°(штриховые) в зависимости от положения первой линии уровня.61Рис. 1.31 – Графики действующих напряжений для алюминиевой (красные линии) и стальной (синие линии) пластин при углах = 0 (сплошные) и = 20°(штриховые) в зависимости от положения первой линии уровняПолученные графики позволяют их использовать как номограммы приопределении остаточных напряжений.

Погрешность определения напряженийпри использовании этих графиков в сравнении с дискретными значениями, следующими из подсчета числа полос, снижается для алюминия до 0.5 МПа, а длястали до 2.5 МПа.Наряду с повышением точностью определения напряжений, координатный метод обеспечивает и определение знака приложенных напряжений, таккак наблюдаемая в эксперименте картина линий уровня представляет собойпроекцию пространственной формы прогиба на плоскость пластины.

Использование здесь дополнительного локализованного надавливания в окрестности отверстия позволяет проявить разный характер деформирования линий уровнянормальных перемещений в точках, находящихся на направлении приложеннойнагрузки, и на линиях, перпендикулярных этому направлению.62Глава 2. Определение температурных следов наповерхности металла сварногосоединения по термическому циклуВ этой главе рассмотрены экспериментальные предпосылки, идея и математическое обоснование нового неразрушающего метода оценки остаточныхнапряжений в сварном соединении по температурным следам, длительное время сохраняющихся на металле сварного соединения после окончания сварки. Вкачестве таких следов рассматриваются границы сварного шва и цвета побежалости, характеризующие уровни максимально достигнутых температур на удалении от шва.

Чтобы связать расположение температурных следов с остаточными напряжениями, необходимо решить две задачи: выполнить математическую реконструкцию термического цикла сварки по температурным следам исвязать полученные температурные зависимости с остаточными сварочныминапряжениями.Известно, что возникновение остаточных напряжения в сварных соединениях обусловлено резким локализованным повышением температуры, переводящим металл в зоне сварки в пластичное и жидкое состояния, а затем – быстрым охлаждением этой зоны при сохранении жесткостных характеристик в материале примыкающих областей, препятствующих развитию деформаций [5].Поэтому ключевым моментом в определении остаточных сварочных напряжений является знание координатно-временных зависимостей температуры в зонешва и прилегающих областях в процессе выполнения сварки и охлаждения шва.Неудивительно, что большое количество исследований посвящено созданиюрасчётно-теоретических моделей термического цикла при сварке [1, 5, 26, 28,29, 30, 39, 42, 47, 50, 55].

При этом, сами авторы таких моделей отмечают ([39]с.203), что «часто характер теплового воздействия при сварке и условия распространения теплоты и теплоотдачи настолько сложны, что расчётное определение температур становится настолько неточным, что его использование ока-63зывается неоправданным». Вследствие этого, из-за сложности явления формирования остаточных напряжений в настоящее время не существует единоготеоретического метода определения таких напряжений [5].Другой подход – это экспериментальные измерения температурного поляи его кинетики при сварке. Здесь, однако, следует отметить, что измерениятемпературы и её градиентов в реальном технологическом цикле сварки не всегда возможны. В лабораторных условиях, когда доступ к зоне сварки открыт,для получения временной и координатной зависимостей температур остыванияшва и околошовной зоны может быть использован, например, традиционныйконтактный метод измерения температуры с помощью термопар.Рис.

2.1 иллюстрирует один из таких экспериментов. Данные об изменениях температур при нагреве и охлаждении околошовной зоны регистрировались в этом эксперименте цифровым мультиметром.213Рис. 2.1 – Околошовная зона с использованием термопар: 1 - зона сварки двухстальных труб; 2, 3 - места зачеканки хромель-алюмелевых термопар64Выводы, сделанные по результатам этого и аналогичных экспериментовоказались неоднозначными.

Положительной стороной явилось выявление кинетики температурного поля в процессе нагрева и охлаждения определённых меств околошовной зоне. С другой стороны требуется значительное искусство вобеспечении работоспособности датчиков в экстремальных условиях высоких ибыстроменяющихся сварочных температур, когда часть датчиков буквальнопережигалась в процессе сварки (такое место отмечено на Рис. 2.1 цифрой 3).Даже при сохранении работоспособности термопар, информация об изменениях температур имеет локальный характер. Кроме того, зачеканка термопар, как видно из Рис.