ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДОН ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ НАПРЯЖЕНИЙ В КОНСТРУКЦИЯХ
Антонов А.А., Овчинников В.В., Андреева Л.П. (ГОУ МГИУ, Москва, РФ)
The results of DON application for control the tensions at the various welded constructions are stated in the given paper.
Проблема диагностики напряженного состояния конструкций от технологических воздействий (при изготовлении, эксплуатации, ремонте и т.п.) до настоящего времени не решена и обостряется с течением времени. Серьезным вкладом по этой проблеме является создание в США стандарта на метод определения остаточных напряжений ASTM Е 837-95. Альтернативных стандартизованных методов определения остаточных напряжений нет.
В основе действующего стандарта лежит метод отверстий (механический метод проявления остаточных напряжений), а измерение деформаций выполняется тензометрической системой. Трудности, возникающие при его применении, определяются требованиями к выполнению тензометрических измерений, что не всегда возможно выполнить в реальных условиях. Метод трудоемок, требует высокой квалификации оператора и высокой культуры при измерениях, имеет ограничения по применению в зависимости от конструктивных особенностей изделий. Несмотря на существенные недостатки, он является единственным легитивным методом измерения остаточных напряжений. Положительной стороной метода является то, что при вычислении измеряемых напряжений используются основные положения теории упругости обеспечивающих корректный пересчет измеряемых деформаций в напряжения (задача Кирша).
Представленный к рассмотрению метод является аналогом стандартизованного метода ASTM E 837-95. Общее между ними это проявление остаточных напряжений путем высверливания глухого отверстия (одни и те же параметры отверстия) и релаксации их на границе отверстия, приводящее к изменению первоначального деформированного состояния поверхности в зоне зондирующего отверстия. Отличие - различные измерительные системы регистрации поведения поверхности при проявлении остаточных напряжений. В первом случае - тензометрия, обеспечивающая измерения в ограниченном числе точек, во втором - оптические лазерно-интерферометрические методы, позволяющие выполнять измерения в неограниченном числе точек. Примененные методы - бесконтактные и не требуют тщательной подготовки поверхности. Другим отличием являются различные методики пересчета деформационных параметров в напряжения. Для тензометрии - деформации в напряжения, для лазерно-интерферометрических- перемещения в напряжения.
Измерительный комплекс ДОН состоит из оптического блока, в который входит спекл-интерферометр, система фиксации его на измеряемой поверхности и системы автономного питания лазера и видеокамеры; персонального компьютера; системы дозированного изъятия объема материала для проявления напряжений. Оптическая плоскость интерферометра может быть установлена нормально к поверхности измерения, либо под углом 45 градусов, подобное решение позволяет существенно расширить технологические возможности измерительного комплекса (изменять чувствительность метода, выполнять измерения в угловых сварных соединениях, устранить влияние сверлильного инструмента на формирование интерференционных картин и т.). Общий вид комплекса ДОН представлен на рис.1.
Рисунок 1- Общий вид комплекса ДОН
Первый этап измерений - фиксация не возмущенного состояния поверхности. Второй этап измерений - проявление остаточных напряжений выполнение зондирующего отверстия. Третий этап аналогичен первому - фиксируется возмущенная поверхность после высверливания глухого отверстия. Далее выполняется обработка в компьютере и на экране появляется интерференционная картина поля перемещений, по которой определяются величины главных напряжений и ориентация их осей на исследуемой поверхности. Жесткое крепление оптического блока на поверхности обеспечивается за счет внедрения трех инденторов в поверхность конструкции. В течении измерения оптический блок не меняет своего положения. Время измерения и обработки результатов не превышает 5 минут. При полном отсутствии сведений о измеряемых параметрах (общий случай) целесообразно применять его трансформацию для измерения полей нормальных перемещений при этом оптическая плоскость интерферометра перпендикулярна к поверхности изделия.
Электронно-оптическая система состоит из полупроводникового одномодового лазера с длиной волны 640 нм и мощностью 15 мВт, технической видеокамерой с чувствительностью 0,1 люкс и разрешением 570 на 400 телевизионных линий (КРС-600 ВН), объектива с фокусным расстоянием 50 мм и диафрагмой (H1214FICS "Computar"), делителя формирующего опорный и предметный световые пучки. Формирование лазерного пучка осуществляется микрообъективом расположенного на торце корпуса лазера. Оптические оси элементов входящих в состав спекл-интерферометра располагаются в одной оптической плоскости. Для обеспечения требуемого соотношения между интенсивностями предметного и опорного пучков предлагается несколько вариантов конструктивного оформления делителя. Он может быть в виде плоскопараллельной пластины или клина. Элементы интерферометра жестко закрепляются на плоскости корпуса.
При ослаблении креплений они имеют возможность ограничено перемещаться в оптической плоскости так, как необходимо при юстировке оптической схемы. Корпус интерферометра оборудован опорной системой обеспечивающей установку и крепление интерферометра к поверхности исследуемого тела. Конструкция корпуса обеспечивает защиту от высокочастотных колебаний ,а также позволяет разместить аккумуляторы для автономного питания лазера и видеокамеры. Жесткое крепление корпуса с исследуемой поверхностью реализуется за счет внедрения трех инденторов закрепленных в основании корпуса, в поверхность исследуемого тела.
На качество интерферрограм влияет ряд факторов. Подготовка и состояние поверхности в зоне контроля. Поверхность должна быть очищена от загрязнений и окисной пленки. Затем на поверхность наносится светоотражающее покрытие (спрей алюминиевого цвета). Невысокое качество интерференционной картины при визуальном подсчете приводит к неопределенности в определении количества полос. Увеличение нагрузки приводит к увеличению количества полос и необходима оценка возможности их счета от состояния поверхности
Число снимков в каждой позиции долено быть не менее трех. В связи с тем, что комплектующие элементы оптической схемы обладают внутренней нестабильностью, то необходимо исключить этот факт на конечный результат- обязательное получение интерференционной картины. Это возможно за счет перебора состояний поверхностей полученных в дискретные промежутки времени для получения качественной картины.
Увеличение глубины зондирующего отверстия приводит к увеличению чувствительности при измерениях.
Разработанная аппаратура была применена для исследования поведения остаточных напряжений в сварных соединениях термоупрочняемого алюминиевого сплава 1460 в зависимости от способа сварки (ЭЛС и АРДС ) и режимов термообработки. Результаты исследований позволили оптимизировать эти режимы.
Были выполнены исследования остаточных напряжений в спиральном шве трубы диаметром 600 мм. Работы выполнялись на фрагменте трубы размером 400x400 мм. Труба была снята с эксплуатации. Шов был выполнен автоматической сваркой под слоем флюса. Ширина шва с лицевой стороны-18 мм, толщина стенок - (6,5-7) мм. На поверхность трубы было нанесено светоотражающее покрытие. Проверка правильности определения напряжений в исследуемой точке выполнялась путем рассверливания зондирующего отверстия при соблюдении постоянной глубины отверстия. Эти операции выполнялись за один установ оптического блока. Полученные результаты вычислений сравнивались и отличались незначительно. Отклонения между измеренными величинами не превышали 10%.
На рис.2 показаны интерференционные картины, соответствующие точкам замеров.
