Техника наплавки алюминия бронзы на сталь

Определение остаточных напряжений по деформациям окрестности зондирующего несквозного отверстия

Существующие в настоящее время методы определения остаточных напряжений разделяются на физические и механические. Физические методы (магнитоупругий, ультразвуковой, рентгеновский), в отличии от механических, не связаны с обязательным разрушением металла для определения остаточных напряжений. Однако относительно слабая изученность физических методов применительно к. особенности измерения остаточных напряжений в сварных конструкциях ограничивает возможности их применения. Это связано с тем, что

t

сварка металлов сопровождается не только упруго пластическими деформациями, но и различными физико-химическими процессами в шве и околошовной зоне, обуславливающими остаточную неоднородность свойств сварных соединений. Физические методы основаны на изучении и определении свойств металла, зависящих от остаточных напряжений. Если же изменение свойств металла в шве и околошовной зоне вызвано совокупным воздействием физико-химических процессов при сварке и остаточных напряжений, то результаты измерений физическими методами не всегда однозначно характеризуют остаточные напряжения.

Механические методы основаны на принципе упругой разгрузки объема металла при его освобождении от остаточных напряжений путём разгрузки. Измерение деформаций, характеризующих остаточные напряжения, производятся электрическими тензометрами или механическими деформометрами.

В некоторых случаях используются фотоупругие датчики из оптически активного материала. '

В отличие от физических методов определения остаточных напряжений механические методы позволяют проводить эксперименты на металле независимо от неоднородности их физико-химических свойств, т. е. являются универсальным способом. Однако, в связи с необходимостью разгрузки объема металла от действия остаточных напряжений, метод требует либо полного, либо частичного разрушения объекта исследования.

Для измерения остаточных напряжений в настоящее время широко используется метод измерения деформаций возмущённого отверстием напряжённого состояния. Наиболее распространённый способ измерения деформаций - тензометрия. Для пересчёта измеренных деформаций в остаточные напряжения, существовавшие в точке до высверливания, требуется знать специальные тарировочные коэффициенты или знать решение задачи о возмущённых напряжённо - деформационных состояниях для соответствующих

t

деформаций в зоне отверстий при единичных остаточных напряжениях. Такие решения получены методом конечных элементов [104]. Эти решения использовались для определения перемещения возмущённого состояния при измерении системами - ЛИМОН.

Лазерно-компьютерная интерферометрическая система ЛИМОН-ТВ предназначена для исследования напряжённо-деформированного состояния упругих тел и конструкций. В ней реализованы идеи и методы, основанные на голографической интерференции, разработанные ранее для анализа остаточных напряжений. С помощью этого прибора обеспечивается визуальная регистрация полей малых упругих перемещений поверхности упругого тела, а также развития процесса деформации по наблюдаемой системе интерференционных полос и её изменениям.

В отличие от тензометрирования, где измерения выполняются для отдельных точек, данная система регистрирует интерферометрические линии уровня перемещений значительных областей поверхности тела в окрестности возмущающего воздействия (места приложения силы или зондирующей лунки). Это позволяет визуально определить главные направления тензоров деформаций и напряжений. Сделать качественные выводы о распределении напряжений ещё до подсчёта числовых значений соответствующих величин.

В состав измерительного комплекса входят: блок интерферометра, вместе с опорно-юстировочным устройством, компьютерный блок, блоки питания видеокамеры и лазера. Общий вид измерительного комплекса ЛИМОН-ТВ представлен на рис.4.7.

Блок интерферометра состоит из опорно-юстировочной конструкции и корпуса, в котором монтируется полупроводниковый лазер с длиной волны 640 нм и мощностью излучения 10 мВт, техническая видеокамера с чувствительностью (0,1 люкс) и разрешением 570 на 400 телевизионных линий и другие элементы оптической системы: направляющие зеркала, коллиматор, полупрозрачное делительное зеркало и диффузно-рассеивающая пластина, формирующие опорный и предметный световые пучки.

Оптическая схема блока интерферометра приведена на рис. 4.8.

Луч света расщепляется на объектовый (В) и опорный (С) лучи. Отразившись от поверхности образца, луч (В) попадает на видеокамеру (8), на

которую попадает и луч (С). Таким образом, осуществляется первая экспозиция. После высверливания отверстия,' в заданной точке выполняется вторая экспозиция. Далее одновременно восстанавливаются оба записанных

изображения поверхности, которые, интерферируя, дают изолинии

перемещений, свидетельствующие о величине и характере напряженного состояния.

Компьютерный блок состоит из ЭВМ с видео картой, имеющей видео вход для подключения видеокамеры с аналоговым выходом. В качестве программного обеспечения к видео карте производителем поставляется программа для записи и оцифровки изображений. При отсутствии видео входа в качестве аналого-цифрового преобразователя используется внешнее устройство типа Cap View, подсоединяемое к ЭВМ через USB порт.

Для обработки записанных видео изображений с целью получения

первичной разности интерферограммы и улучшения ей контрастности

используется специально разработанная программа LIMON-EXPRESS, либо

t

графический редактор Adobe Photoshop версии 4 и выше. Программа LIMON - EXPRESS применяется также для расчёта остаточных напряжений.

Технические данные

SHAPE * MERGEFORMAT

Питание прибора от сети переменного тока: Напряжение, В Частота, Гц

Габаритные размеры, мм Интерферометр Источник питания лазера

Масса, кг

Интерферометр Источник питания лазера

Время готовности прибора, мин

Время непрерывной работы, час

При получении голографических интерферограмм, характеризующих перемещение поверхности образца от высверливания отверстия, сверление не должно вносить искажений, связанных с перемещением всего образца как жесткого целого. В этой связи важно определить рациональное закрепление образца на стенде голографической установки.

Глубина отрерстия влияет на результаты измерений. При определении

остаточных напряжений в поверхностном слое пространственных конструкций *

глубина отверстия, не должна превышать 1,5 ... 2 его диаметра.

Важное значение имеет, так же, качество высверливания отверстия: оно должно иметь гладкие кромки, а его образующая должна быть перпендикулярна к исследуемому участку поверхности. Отверстия выполняются электроискровым способом или сверлением специально заточенными сверлами. Электроискровой способ мало пригоден для объектов сложной формы и больших размеров. Диаметр отверстия измеряется с помощью микроскопа.

Информация об остаточных напряжениях выдается в виде голографической интерферограммы. Оси симметрии интерференционной картины (рис.4.9.) показывают направления осей главных остаточных напряжений в исследуемой точке, а число интерференционных полос, после расшифровки по разработанной методике [105], их величину.

Рис. 4.9. Примеры интерференционных картин

Исследования, вышеизложенным методом, производились на образцах из низкоуглеродистой стали СтЗ, диаметром 217 мм и толщиной стенки 4мм, наплавленных на базовом режиме и после повторной электродуговой обработки. Длд определения окружных остаточных напряжений в наплавленном слое и после электродуговой обработки. измерения производились согласно схемы проведения замеров, представленной на рис.4.10.

123456789 10

Результаты экспериментальных данных представлены на рис. 4.11.

ст, МПа

200 , ___________________

О і_________________________________________________________ :

її» і і і і і it

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 мм

Рис.4.11. Результаты экспериментального определения окружных остаточных напряжений в наплавленном слое (1) и после электродуговой обработки (2)

Результаты проведённых исследований показали, что средний уровень остаточных напряжений после электродуговой обработки снизился незначительно, скорее произошло их перераспределение, т. е. повторная обработка наплавленного слоя не вносит значительных изменений в напряженно-деформационное состояние.