Ультразвуковой неразрушающий метод измерения напряжений в сварных конструкциях

14.07.2018
Как известно, для измерения рабочих напряжений, возникающих в конструкциях от внешних нагрузок, существует большой арсенал методов и средств, обеспечивающих изучение одно- и двуосных напряженных состояний. Измерение трехосных напряжений возможно лишь поляризационно-оптическим методом на моделях или методами, связанными с разрушением изделия. Для измерения остаточных напряжений до настоящего времени используются методы, требующие полного или частичного разрушения изделия. Такие методы не экономичны, трудоемки и недостаточно точны, их применение на эксплуатируемых конструкциях зачастую недопустимо. Поэтому развитие традиционных и разработка новых методов измерения направлены на создание неразрушающих методов определения сварочных остаточных напряжений. Создание таких методов может существенно облегчить решение проблемы развития систем контроля качества сварных соединений, выдвигаемой развитием сварочного производства.

Изложим ультразвуковой метод определения напряжений (приложенных и остаточных) в твердых телах. В основу метода положено явление акустоупругости, заключающееся в зависимости от напряжений фазовых скоростей упругих волн при прохождении их через напряженное тело. Пусть тело подвергнуто статическим однородным деформациям, определяемым выражением
Ультразвуковой неразрушающий метод измерения напряжений в сварных конструкциях

Здесь um0 — компоненты вектора перемещения в начальном состоянии;

Лi — главные удлинения в направлении координатных осей 0хi(i = 1,2, 3); xi(t = 1, 2, 3) — декартовые координаты точки в естественном (недеформированном) состоянии тела.

Исследование закономерностей распространения волн малой амплитуды в предварительно напряженных телах сводится к построению решений линеаризированных уравнений движения теории упругости, которые в случае однородной начальной деформации (1) можно записать в виде

где Lmj — дифференциальные операторы с постоянными коэффициентами

Здесь величины wimjn — компоненты тензора четвертого ранга со — в общем случае анизотропии тел определяются выражениями

а в случае изотропных тел — соотношениями

Выражения для величин ain и uim приведены в работах. Компоненты тензора со определяются формой упругого потенциала Ф° и величиной предварительной деформации. Если тело ограничено поверхностью, решения уравнений (2) должны удовлетворять еще и граничным условиям.

Если в теле распространяется плоская упругая волна, то, как известно, решения уравнений (2) в этом случае выбираются в форме

Здесь К — волновой вектор; r = k1xiji; — радиус-вектор точки в начальном деформированном состоянии тела; w — частота.

Подставляя решения (4) в уравнения движения (2), из условия существования нетривиального решения получаем частотное уравнение для определения скоростей распространения плоских волн

Величины bmj — определяют акустический тензор, их вид зависит от формы упругого потенциала, начального напряжения и направления распространения волны.

В работах было показано, что при объяснении закономерностей распространения волн в изотропном теле с начальными напряжениями упругий потенциал должен быть функцией трех инвариантов тензора деформации. Если тело в естественном состоянии является ортотропным, ортотропия свойств которого незначительна, то, как следует из результатов работ, упругий потенциал Ф° можно представить в форме

где квадратическая часть потенциала совпадает с потенциалом линейноупругого ортотропного тела, а кубическая часть потенциала совпадает с кубической частью потенциала для изотропного тела. Подробно выбор потенциала в форме (9) излагается в указанных выше работах.

He ограничивая общности результатов, примем, что волна распространяется в направлении Ox1, и рассмотрим ортотропное тело, анизотропия свойств которого является незначительной. Тогда акустические соотношения для продольной и двух сдвиговых волн, поляризованных во взаимно перпендикулярных направлениях, в линейном приближении имеют вид

Приведенные соотношения акустоупругости позволяют решить задачу в обратной подстановке — по измеренным значениям скоростей распространения упругих волн в твердом теле определить действующие в нем напряжения.

Для случая трехосного напряженного состояния из формул (10) после некоторых преобразований и допущений можно получить выражения для оценки напряжений

Здесь введены следующие обозначения:


Таким образом, акустические соотношения (11) позволяют при измерении приращений скоростей сдвиговых и продольных волн, распространяющихся в одном направлении, и известных значениях постоянных m1, m2, n1, n2, A, В, D, Q и R, вычисленных теоретически либо экспериментально на тарировочных образцах, определять значения трехосных напряжений в каждой точке тела.

В случае дву- и одноосного напряженного состояний эти выражения упрощаются и записываются следующим образом:

Преимущества ультразвукового метода реализуются главным образом при измерении остаточных напряжений. В условиях определения остаточных напряжений получить значения начальной скорости волны, соответствующей незагруженному объекту, прямым измерением не всегда возможно. Кроме того, на практике приходится измерять не скорость а величину, пропорциональную скорости, например время, которое определяется не только действующими напряжениями, но и длиной пути. Возникает задача нахождения значения этой начальной скорости или ее временной характеристики.

В качестве контролируемой временной характеристики скорости акустических волн наиболее часто используется частота рециркуляции импульса — величина, обратная времени распространения акустического импульса. С учетом изложенного выражения для определения остаточных напряжений будут иметь следующий вид:

Для двуосного напряженного состояния

Необходимо также иметь в виду, что при измерении рабочих напряжений должна учитываться поперечная деформация изделия под нагрузкой, а при измерении остаточных напряжений описанным выше методом такого учета не требуется.

Изложенный акустический метод измерения напряжений используется для измерения средних по толщине листа одно-, дву- и трехосных рабочих и остаточных напряжений без разрушения объекта в лабораторных образцах и реальных сварных конструкциях в процессе их монтажа и эксплуатации.

Для реализации метода необходима специальная ультразвуковая измерительная аппаратура. В Институте электросварки им. Е.О. Патона АН Украины создана специальная портативная аппаратура, обеспечивающая относительную погрешность не более 1*10в-5. Измерение производится на частоте 5 МГц. В качестве акустических преобразователей используются кварцевые пластины, которые крепятся к изделию с помощью электромагнитов.

В таблице приведены для ряда материалов расчетные и измеренные с применением ультразвука значения компонент двуосных напряжений в сжатых по диаметру дисках. Расхождение между этими значениями не превышает ±10 МПа.

Для моделирования трехосного напряженного состояния толстостенный сосуд из стали 30ХГСА наружным диаметром 260 мм, внутренним — 220 мм и высотой 250 мм с донышками нагружался внутренним давлением. В процессе нагружения измерялись напряжения в центральной части стенки сосуда. Значения расчетных и измеренных значений трехосных напряжений в стенке сосуда следующие:

Оценка напряжений проведена также методами сопротивления материалов с последующим приближенным осреднением по толщине стенки сосуда.

Эпюры сварочных остаточных напряжений, измеренных неразрушающим ультразвуковым способом в сварных образцах и элементах конструкций, показаны на рис. 1-3 при одно-, дву- и трехосном напряженном состояниях. Эпюра одноосных остаточных напряжений в образце с наплавкой приведена на рис. 1, кривая 1. Для сравнения там же представлена эпюра остаточных напряжений, измеренных тензометрами сопротивления с разрушением образца (кривая 2). Эти данные хорошо согласуются с результатами измерения ультразвуком без разрушения. Распределения компонент двуосных остаточных напряжений в нижнем сечении опоры телевизионной башни показаны на рис. 2. На рис. 3 приведена схема сварного образца (рис. 3, а) и графики распределения компонент трехосных остаточных напряжений (рис. 3, б).

Таким образом, соотношения акустоупругости позволяют получить выражения для определения одно-, дву- и трехосных напряжений на основе измерения скоростей распространения продольной и двух сдвиговых волн ортогональной поляризации; метод, основанный на эффекте акустоупругости, дает возможность определить средние по толщине листа напряжения от внешней нагрузки, а также сварочные остаточные напряжения без нарушения целости исследуемого объекта.