Media-security

ГОЛОГРАФИЧЕСКОЕ И СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

А.А.Рассоха, Н.Н.Талалаев

Предложена методика голографического и спекл-интерферометрического определения уровня остаточных напряжений. Приведены результаты определения уровня остаточных напряжений в сварных соединениях для стали 08Х15Н5Д2Т.

Голографическое измерение остаточных напряжений сводится к получении голограммы двойной экспозиции с удалением между экспозициями небольшого объема материала.

Один из перспективных путей увеличения ресурса ряда элементов конструкций - исследование и снижение уровня остаточных технологических напряжений, действующих в них.

При достаточно сложной конфигурации элемента конструкции остаточные напряжения распределены по его объему неравномерно с большими градиентами. Это затрудняет экспериментальное исследование остаточных напряжений с помощью методик, предполагающих удаление равнонапряженных объемов элемента и измерение традиционными методами перемещений или деформаций, вызванных деструкцией элемента.

В данной работе изложена методика голографического и спекл-интерферометрического исследований остаточных напряжений в сварных соединениях, выполненных аргоно-дуговой и лазерной сваркой.

Методика голографического исследования остаточных напряжений

Для определения остаточных напряжений образец (изделие) закрепляли на стеле установки СИН на специальную фотопластину типа ПЭ-2, записывали голограмму исходного состояния образца, производили удаление небольшого объема материала образца, не смещая его как целое, на ту же фотопластину записывали голограмму

- 117 -

нового состояния поверхности образца.

Голограмму получали по схеме, изображенной на рис.1.

Рис.1. Схема получения голограммы и спекл-голограммы двойной экспозиции для определения остаточных напряжений

1 - элемент конструкции; 2 - сварной шов; 3 - держатель; 4 - фотопластина; 5 - коллимирующая линза; 6 - микрообъектив; 7 - лазер.

Деструкцию образца между двумя экспозициями производили высверливанием, а для твердых материалов - обработкой электроискровым методом. Для реализации последнего метода применительно к схеме рис.1 была спроектирована и изготовлена специальная установка для прошивания отверстий, обеспечивающая вытравливание отверстия произвольной формы между двумя экспозициями, без смещения изделия относительно фотопластины. Для ускорения прошивания отверстий и предотвращения залипания электрода в отверстии установка снабжена вибратором.

При освещении полученной голограммы двойной экспозиции восстанавливается объемное изображение образца с покрывающими его интерференционными полосами, которые характеризуют поле перемещений поверхности образца.

Величина перемещения точки образца в направлении, нормальном к голограмме, связана с номером интерференционной полосы, проходящей через эту точку, соотношением:

_z = l n/2 (1)

- 118 -

где _z - величина перемещения в направлении нормали к голограмме; l - длина волны излучения лазера; n - номер интерференционной полосы.

При атом полосы нумеруются подряд, начиная с пулевой, проходящей через неподвижные точки. Однако, поскольку положение таких точек, как правило, неизвестно, то номер полосы, а следовательно, и поле перемещений определяются с точностью до знака (направления) и неизвестной константы.

По найденному полю перемещений, вызванных освобождением контура отверстия от действия остаточных напряжений, определяется величина этих напряжений. Заметим, что задачу определения неизвестных усилий на контуре отверстия по перемещениям, шли вызванными, нет необходимости решать, если сравниваются уровни остаточных напряжений в геометрически идентичных элементах конструкции, изготовленных различными технологическими способами или с различными технологическими режимами. В этом случае величины остаточных напряжений прямо пропорциональны наблюдаемым в какой-либо одной точке на контуре перемещениям, если материал деформируется линейно упруго при данных остаточных напряжениях, а вид напряженного состояния не меняется для сравниваемых изделий.

Для точки на контуре отверстия запишем соотношение

x _z = -m x _r (2)

где m - коэффициент Пуассона; x _r - деформации в направлении нормали к контуру отверстия (освобождаемые между экспозициями).

Интегрируя выражение (2) по z, получим

(3)

где t - глубина отверстия.

Таким образом, перемещение любой данной точки на кромке отверстия u_z оказывается сравнительно просто связано с остаточными напряжениями в точках на прямой, параллельной оси z и проходящей через данную точку.

Для достаточно тонкой пластины (толщиной t) m = const и напряжение s _r, а следовательно, и деформация x _r не изменяются

- 119 -

по толщине. Поэтому, учитывая, что для сквозного отверстия наблюдаемая с одной стороны пластины величина перемещения точек контура отверстия равна половине величины перемещения u_z, определенного соотношением (3), будем иметь из выражения (3):

u_z = -m tx _r/2 (4)

откуда для соответствующих x _r остаточных напряжений s _r на контуре отверстия получим

s _r = -2eu_r/m t (5)

если материал линейно упруг (Е - модуль упругости).

Здесь u_z, вообще говоря, отличается от _z тем, что u_z - есть чисто деформационное перемещение точки поверхности на контуре отверстия, a _z включает еще и перемещение этой точки, обусловленное смещениями (и вращениями) исследуемого объекта как целого между двумя экспозициями голограммы. Эту разницу легко учесть, определив _z для точек поверхности вблизи отверстия, линейные размеры которой в 5-10 раз больше характерного размера отверстия, и определив затем истинное (деформационное) превышение точек контура u_z. При этом существенно используется лишь то допущение, что на достаточном удалении от отверстия деформационные возмущения, вызванные освобождением контура (поверхности) отверстия от остаточных напряжении, затухают в соответствии с принципом Сен-Венана.

Методика спекл-интерферометрического исследования остаточных напряжений

Голографический анализ остаточных напряжений, описанный выше, целесообразно дополнять менее чувствительной, но более простой спекл-интерферометрической диагностикой /1/.

Как показано в /2/, голограмма, полученная по схеме рис.1, является еще и спекл-голограммой, поэтому при ее просвечивании узким лучом лазера на экране за ней возникают параллельные интерференционные полосы. Расстояние между полосами (b) связано

- 120 -

с величиной перемещения (u) точки, через изображение которой на спекл-голограмме проходит луч лазера, соотношением:

u = -l /sin(b/d) (6)

где d - расстояние от голограммы до экрана. Вектор перемещения, модуль которого определен выражением (6), направлен по нормали к интерференционным полосам в плоскости, касательной к поверхности исследуемого образца.

Сканируя лучом по спекл-голограмме, получают величины и направления смещений в ряде точек исследуемой поверхности вблизи контура отверстия, отстоящих друг от друга на небольшом расстоянии. После этого производится аппроксимация найденных смещений вдоль линий, нормальных к контуру отверстия, и по известной дифференциальной зависимости

x _r = ¶ u_r/¶ r (7)

вычисляются линейные деформации вдоль нормали к контуру отверстия (x _r) исследуемой поверхности, например, численным или графическим дифференцированием кривых, аппроксимирующих экспериментальные значения перемещений точек поверхности по нормали к контуру в плоскости пластины (u_r).

Поскольку удаление небольшого объема материала (например, высверливание небольшого отверстия) эквивалентно приложению к образующейся в результате этого новой поверхности системы нагрузок, такой, что результирующие напряжения (т.е. вместе с остаточными) на этой поверхности равны нулю, нормальные остаточные напряжения на контуре отверстия, действующие на площадках, касательных к контуру, равны (для линейно упругого материала)

s _r = -e·x _r (8)

Здесь, как и в выражениях (2)-(4), учтено, что на свободной поверхности и на контуре отверстия, соответственно,

s _z º 0; s q º 0 (9)

- 121 -

где s q - нормальное остаточное напряжение, действующее по касательной к контуру отверстия, а s _z - нормальное остаточное напряжение, действующее вдоль оси z.

Если найденные таким образом остаточные напряжения превосходят предел пропорциональности или диаграмма деформирования материала нелинейна, то вместо соотношений (5) в (8) для определения величины s _r следует пользоваться диаграммой деформирования материала, по которой для величины x _r, определенной выражениями (4) и (7), легко найти значение остаточных напряжений s _r на контуре.

Заметим также, что если изложенная выше методика голографического исследования остаточных напряжений предполагает постоянство величины x _r (u_r) по глубине отверстия, то методика спекл-интерферометрической диагностики справедлива в более общем случае произвольных x _r по глубине отверстия.

Исследование остаточных напряжений в сварных соединениях

С помощью изложенной методики были получены, в частности, голографические интерферограммы сварных соединений пластин толщиной 2 мм из стали 08Х15Н5Д2Т после высверливания между экспозициями сквозных отверстий диаметром 1,5 мм. Из анализа этих голографических интерферограмм с помощью формулы (1) следует, что высверливание отверстия приводит к локальному возмущению поверхности вблизи отверстия. Поверхность пластины приобретает здесь характерную седлообразную форму. Это свидетельствует о том, что остаточные нормальные напряжения на площадках, параллельных сварному шву, практически отсутствуют (одноосное напряженное состояние).

Максимальное деформационное превышение поверхности вблизи отверстия составляло, как правило, доли микрометра и приближенно было прямо пропорционально числу сходящихся на контуре отверстия интерференционных полос на голографической интерферограмме. Эти перемещения, вызванные освобождением остаточных напряжений на контуре отверстия, накладывались на остаточные перемещения, вызванные технологическими давлениями при вытравливании отверстия, что необходимо учитывать при расшифровке

- 122 -

голографических интерферограмм.

При высверливании отверстий технологические перемещения от высверливания отсутствуют.

Остаточные напряжения растяжения вблизи аргоно-дугового и лазерного сварного шва не превышали 0,4·10⁹ н/м². Значения остаточных касательных напряжений вблизи сварного ива составляли 5 ¸ 15% от абсолютных значений напряжений вдали от мест зажигания и обрыва дуги (начала и конца сварного шва).

Для сравнения с экспериментальными данными был проведен расчет методом конечных элементов распределения остаточных напряжений в лазерном сварном соединении пластин. Остаточные напряжения в пластине со сварным швом определялись в предположении, что температурные деформации в зоне лазерного шва постоянны и определяются наименьшей температурой фазового перехода, а за пределами сварного шва они полностью отсутствуют.

Задача решалась для линейно упругого материала с помощью комплекса программ "Композит" /3/. Исследуемая область разбивалась без сгущений на 1000 треугольных элементов.

Как следует из анализа полученных результатов расчетные величины остаточных напряжений в лазерном шве удовлетворительно согласуются с экспериментальным значением на достаточном удалении от начала и конца шва. В коротком шве остаточные напряжения меньше, чем в более длинном.

Величины касательных напряжений вблизи концов шва составляют 40% от растягивающих напряжений в шве и поэтому также опасны в этих зонах.

Литература

1. А.А.Рассоха. Применение спекл-голографической интерферометрии для исследования напряженно-деформированного состояния диска ГТД вблизи замкового соединения с лопаткой. Проблемы прочности, № 5, стр.116-118, 1980.

2. А.А.Рассоха. Исследование деформаций твердых тел с помощью методов, совмещающих голографическую и спекл-интерферометрию. В кн.: "Физические основы голографии", Л., ЛИЯФ, стр.160-171, 1979.

- 123 -

3. А.А.Рассоха, В.О.Каледин. Реализация метода конечных элементов для автоматизации расчета авиационных конструкций из анизотропных материалов. В сб. .'"Теория автоматизированного проектирования", Харьков, ХАИ, № 1, стр.102-107, 1979.