Способ торможения роста трещин в изделии и фиксирующий оптико-акустический преобразователь для его осуществления

 

Использование изобретение относится к обработке металлов с помощью концентрированных источников энергии, конкретнее лазерного излучения, и может быть использовано в машиностроении при ремонте конструкций с трещинами. Сущность в упрочняемых изделиях с локальным повышением трещиностройкости материала производят путем создания в материале напряжений в Области контура трещины 2 а именно фокусируют в данную область акустическую волну 6, для чего на поверхности изделия 1 размещают иммерсионно-сопряженный с ней фокусирующий оптико-акустический преобразователь (ФОАП) и направляют на него пучок оптического излучения 5. Поставленная цель в части устройства достигается тем, что в ФОАП преобразующий и фокусирующие элементы выполнены за одно целое в виде рельефнофазового элемента 3, поверхность которого или он сам выполнены из с вето поглощающего материала. 2 с п ф-лы, 2 ил сл С VI 4 Ю Ю СЛ о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РесПУБлик (si)s С 21 О 1/09

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4

Ф

О

ЬЭ

Qt

О (21) 4825771/02 (22) 15.05,90 (46) 23,07.92, Бюл. N 27 (71) Центральное конструкторское бюро уникального приборостроения Научно-технического объединения АН СССР, Институт общей физики АН СССР и Институт проблем механики АН СССР (72) Г,А.Аксарьян, P.B.Ãoëüäøòåéí, А.В.Капцов, И.Н.Сисакян, А.М.Смолович и А.В.Юркин (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 445566000033, кл. С 21 D 7/02, 1963.

Аскарьян Г.А., Клебаков Л.Д. Фокусировка и кумуляция светоетмозвуковых ударных импульсов от вогнутой поверхности нагреваемой вспышкой светалазера,—

Квантовая электроника, 1988, т. 15, № 11, с. 2167. (54) СПОСОБ ТОРМОЖЕНИЯ РОСТА ТРЕЩИН В ИЗДЕЛИИ И ФОКУСИРУЮЩИЙ

ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. Ы 1749250 А l (57) Использование: изобретение относится к обработке металлов с помощью концентрированных источников энергии, конкретнее лазерного излучения, и может быть использовано в машиностроении при ремонте конструкций с трещинами. Сущность: в упрочняемых изделиях с локальным повышением трещиностройкости материала производят путем создания в материале напряжений в области контура трещины 2. а именно фокусируют в данную область акустическую волну 6, для чего на поверхности изделия 1 размещают иммерсионно-сопряженный с ней фокусирующий оптико-акустический преобразователь (ФОАП) и направляют на него пучок оптического излучения 5. Поставленная цель в части устройства достигается тем, что в Ф ОАП преобразующий и фокусирующие элементы выполнены за одно целое в виде рельефнофазового элемента 3, поверхность которого или он сам выполнены из светопоглощающего материала. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1749250

Изобретение относится к обработке металлов С помощью концентрированных источников энергии, конкретнее акустических волн лазерного излучения, и может быть использовано в машиностроении при ремонте конструкций с трещинами, Цель изобретения — расширение технологических возможностей путем торможения трещин внутри изделия.

На фиг. 1 показана схема реализации способа предотвращения роста трещин в изделиях; на фиг, 2 — то же, для случая наличия второй трещины, лежащей ближе к поверхности изделия на одной нормали с основной трещиной, Способ осуществляют следующим образом, В изделии 1 методами неразрушающего контроля обнаруживают трещину 2, дальнейшее развитие которой необходимо предотвратить, и определяют ее форму и расположение в объеме материала. В соответствии с этими данными изготавливают фокусирующий оптико-акустический преобразователь (ФОАП) 3, который размещают на поверхности изделия 1, используя для их сопряжения иммерсионный слой 4. На ФОАП 3 направляют пучок оптического излучения 5. В результате взаимодействия излучения с поверхностью ФОАП генерируется акустическая волна 6, фокусирующая в область контура трещины 2 и создающая в этой области локальные напряжения. Это приводит к повышению трещиностойкости в области контура трещины 2 и предотвращает ее дальнейший рост.

Для обнаружения внутренних трещин могут использоваться различные известные методы неразрушающего дефектоскопического контроля, например методы ультразвукового контроля, рентгеновские методы ÀÐ

Форму поверхности ФОАП определяют путем решения обратной задачи, методами, разработанными в компьютерной оптике так, чтобы акустическая волна фокусировалась в область контура трещины. При этом используется тот факт, что распространение акустических волн описывается таким же уравнением Гельмгольца, как и распространение скалярных электромагнитных волн, Иногда можно пользоваться приближением геометрической оптики, где акустические и электромагнитные волны также описываются одинаковыми уравнениями, Форма поверхности ФОАП зависит от его толщины, которую можно варьировать, например, увеличивать, если трещина расположена близко к поверхности изделия, 10

Поверхность ФОАП может иметь вид гладкого кривого зеркала, а может иметь вид зонной структуры с непрерывным изменением высоты рельефа внутри зоны и со скачком высоты на величину АБ», где 2 »вЂ” длина акустической волны. Во втором случае форма поверхности ФОАП аналогична форме поверхности отражательной киноформной зонной пластинки, но скачок высоты рельефа здесь вдвое больше, Вид частотного спектра генерируемой акустической волны зависит от режима взаимодействия оптического излучения с поверхностью ФОАП.

Средняя », имеет порядок 10 -10" см, B

15 случае ФОАП с гладкой поверхностью, рассчитанной в приближении геометрической оптики акустическое излучение с различными 4», будет фокусироваться одинаково. В случае зонированной поверхности правиль20 но фокусироваться будет только излучение с 4», близкой к величине скачка высоты рельефа, что ведет к потере концентрации энергии. Однако частотная селекция в некоторых случаях может быть полезна. Поверхность ФОАП может состоять из участков поверхностей обоих типов.

При изготовлении ФОАП, могут использоваться различные разработанные технологические процессы, например, изготовление на станках с числовым программным управлением, получение амплитудных масок с последующим использованием процессов фотолитографии и травления и др. Точность изготовления ФОАП по высоте рельефа порядка 4»/5. Поверхность

ФОАП должна быть выполнена из материала с коэффициентом светопоглощения

a ) Аз», чтобы обеспечить необходимую точ— 1

40 ность формы волнового фронта генерируемой акустической волны. Могут быть использованы различные материалы: текстолит, гетинакс, медь, цинк и др.

Иммерсионное сопряжение ФОАП с поверхностью изделия необходимо для уменьшения потерь на переотражение акустической волны от задней поверхности

ФОАП и поверхности изделия. В качестве иммерсии используют различные клеи и герметики на основе термореактивных (эпоксидных смол, полиуретанов) и термопластичных (ПВХ) полимеров, В качестве источника излучения удобно использовать оптический квантовый генератор видимого или инфракрасного диапазонов, например генератор на рубине с длиной волны А излучения, равной 0,694 мкм, на неодиме с Я, =1,06 мкм, на СО с 1=10,6 мкм. Генератор можно использовать как в режиме одиночных импульсов, так и с гене1749250 рацией цуга гигантских импульсов или пичков свободной генерации.

При взаимодействии оптического излучения с поверхностью твердого тела в нем могут одновременно возбуждаться различ- 5 ные типы акустических волн: продольные, сдвиговые, поверхностные. В зависимости от режима взаимодействия могут доминировать различные типы колебаний. Без ограничения общности для определенности 10 рассматриваем продольные волны, Оценка давления P акустической волны, генерируемой у поверхности оптико-акустического преобразователя, связанной с термическим расширением, дает 15

Р Г

0 где Q — энергия светового импульса;

S — площадь облучаемой поверхности;

1 — глубина нагрева материала преобра- 20 зователя;

Г= Р С /С вЂ” коэффициент Грюнайзена;

P — коэффициент линейндго теплового расширения, С вЂ” скорость звука; 25

С вЂ” теплоем кость, а= и при с г где .к — коэффициент температуропроводности;

30 т — длительность оптического импульса, и !а= /кГ при /кг >а . Давление в области фокусировки акустической волны может превышать давление у поверхности преобразователя в К раз, где 35

K= sIS =Бр/(4$1}, где Π— размер светового пятна;

S1 — площадь области фокусировки, ко- 40 торая не может быть меньше дифракционного предела; (" ) где F — фокусное расстояние

Реально получение К 10-50, Повышение трещиностойкости материала в области контура трещины происходит 50 или за счет создания локальной пластической деформации, или за счет создания вблизи контура микродефектов, микроветвлений. Для создания локальной пластической деформации требуются напряжения 55 порядка предела текучести материала (например, для малоуглеродистой стали порядка 25 кг/мм ) и для создания микродефектов напряжения порядка предела прочности материала (например, для полиметилметакрилата напряжения порядка 8 кг/мм ), г

Энергии оптических импульсов менее

10-30 Дж достаточно для достижения необходимых напряжений для предотвращения роста трещин в металлах.

Пример 1. Иэделие изготовлено из стали 15ХСНД. В объеме материала изделия имеются две трещины (фиг, 2); трещина 2, дальнейший рост которой требуется предотвратить, и трещина 7, развитие которой пока не представляет опасности для целостности изделия. Трещина 7 расположена ближе к поверхности. Требуется так воздействовать на трещину 2, чтобы при этом не создавать напряжения в области трещины 7, которые могут вызвать ее рост, Контур трещины 2 лежит в плоскости, параллельной поверхности изделия на расстоянии d от нее, причем форма контура такова, что позволяет описать вокруг него окружность радиуса го, каждая точка которой будет удалена от ближайшей точки контура на расстояние не большее, чем го/4.

Поверхность ФОАП выполняют в виде центральносимметричной киноформной зон ной структуры, высота, рел ьефа h (r), которой изменяется по формуле

h(r)= F +(r-ra)

2 2 где () — обозначает целую часть;

F=d+T;

Т вЂ” толщина ФОАП.

В центральной части ФОАП зонная структура отсутствует, чтобы трещина 7 не попала в область распространения акустической волны 6. Радиус центральной части определяется из элементарных геометрических соотношений. При изготовлении ФОАП сначала с помощью фотопостроителя получают набор амплитудных масок, которые используют для поэтапного экспонирования слоя фоторезиста, нанесенного на медную заготовку, Проявление фоторезиста и травление заготовки через окна в фоторезисте на каждом этапе позволяет сформировать требуемую форму поверхности ФОАП, Сторона ФОАП, прилегающая к изделию, имеет форму, обратную форме поверхности изделия в области их сопряжения, Иммерсионное сопряжение ФОАП с поверхностью изделия осуществляют путем приклеивания

ФОАП к поверхности с помощью эпоксидной смолы. На преобразователь направляют пучок излучения оптического квантового

1749250 генератора на ниодиме с длиной волны излучения il,=1,06 мкм, работающим в режиме гигантских импульсов с длительностью импульса 50 нс и энергией 10 Дж. При этом с помощью оптического фокусатора на повер- 5 хности ФОАП формируют кольцеообразное распределение интенсивности излучения так, чтобы излучение не попало на центральную часть ФОАП, где отсутствует зонная структура. В результате взаимодействия on- 10 тического излучения с поверхностью ФОАП генерируется акустический импульс, Вызванное им давление вблизи поверхности преобразователя равно 2 10 кг/см .

Акустическая волна фокусируется в окружность радиуса ro. При ra=1 см, радиусе

ФОАП 5 см, А к=10 см, F=5 см коэффициент увеличения давления К порядка 10 и акустическая волна создает на окружности 20 напряжения порядка 2 10 кг/см, В результате здесь создается зона пластической деформации, Это приводит к предотвращению развития трещин 2 за пределы окружности радиуса ro. 25

Пример 2, Контур внутренней трещины в изделии имеет вид произвольной замкнутой кривой, лежащей в плоскости параллельной поверхности изделия, В 30 этой плоскости строится многоугольник так, чтобы контур трещины находился внутри многоугольника. Поверхность ФОАП выполнена кусочно-гладкой, т.е, представляет собой набор гладких участков, З5 каждый из которых формирует акустическую волну, сходящуюся в одну из сторон многоугольника. Границы участков задаются произвольно, варьируя соотношение площадей участков можно регулировать на- 40 пряжения, создаваемые на соответствующих сторонах многоугольника. Высота рельефа Ili(UI Ч) на 1-м участке описывается выражением

hI(uI, VIP x

45 а; —

50 где Оь Ч вЂ” декартовы координаты в плоскости параллельной плоскости контура трещины, ось Ui выбрана параллельной соответствующей стороне многоугольника; а; и j3; — константы, связанные с длиной и расположением стороны многоугольника.

ФОАП выполнен из текстолита и изготовлен на станке с числовым программным управлением.

Предлагаемый способ целесообразно применять при эксплуатации и ремонте дорогостоящих крупногабаритных конструкций. Например, трубопроводов, сосудов давления и аппаратов в нефтехимической промышленности, гидротурбин, металлических мостов, платформ для добычи нефти и газа на морском шельфе, металлических каркасов высотных зданий, корпусов ядерных реакторов и т,п. В настоящее время в процессе эксплуатации подобных обьектов периодически проводится неразрушающий дефектоскопический контроль, который в сочетании с нОрмами на допустимые дефекты позволяет определить момент, когда дальнейшее развитие выявленной трещины может привести к разрушению изделия, После этого эксплуатацию изделия прекращают и заменяют дефектные конструкции новыми, что сопряжено в ряде случаев ",, громадными экономическими потерями

Это происходит в силу отсутствия развитых: I эффективных методов, предотвраща о.ци . рост трещин. Известный способ годится только для листового материала и не нашел широкого применения. Предлагаемый способ может применяться без прекращения процесса эксплуатации и демонтажа конструкции.

Правильное использование предлагаемого способа не ведет к снижению безопасности эксплуатации, Операцию по предотвращению дальнейшего роста трещины следует производить пока она не достигла критического размера, После операции продолжают наблюдение за трещиной методами неразрушающего контроля, В случае, если ее рост продолжается, эксплуатацию изделия прекращают.

Формула изобретения

1, Способ торможения роста трещин в изделии, включающий создание заданным образом локальных напряжений вокруг трещины, отличающийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем торможения трещин внутри изделия, напряжения создают фокусированной акустической волной, образующейся при взаимодействии импульса лазерного излучения с твердым веществом.

2, Фокусирующий оптико-акустический преобразователь для торможения роста трещин в изделии, содержащее фокусирующий оптико-акустический преобразователь, выполненный в виде преобразующего элемента из светопоглощающего материала и фокусирующего элемента, о rn и ч а ю10

1749250

Составитель А.Кулемин

Техред M,Moðãåíòàft Корректор Т.Палий

Редактор Н,Рогулич

Заказ 2564 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 шийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей путем торможения трещин внутри изделия, преобразующий и фокусирующий элементы выполнены за одно целое в виде рельефно-фазового элемента.