Способ определения механических напряжений в сварном изделии

Авторы патента:

G01L1/06 - путем измерения остаточной деформации измерительных элементов, например сжатых тел

Владельцы патента RU 2508527:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (RU)

Изобретение относится к сварке, в частности к способам определения деформаций и напряжений при сварке металлических конструкций и их последующей эксплуатации преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении и техническом обследовании сварных конструкций в любых отраслях промышленности. Сущность: в качестве контролируемой зоны выбирают участок изделия, находящегося под нагрузкой, нагревают участок, создавая в нем пластическую деформацию. Измерение размера контролируемой зоны производят датчиками перемещения до и после нагрева, и по изменению ее размера судят о напряженном состоянии металла до начала нагрева. Диаметр зоны нагрева выбирают из условия A=(1,3-5,0)d, где d - диаметр зоны нагрева, А - диаметр базы измерения контролируемой зоны. Технический результат: повышение достоверности оценки прочности и ресурса сварных конструкций путем экспериментального определения их напряженного состояния. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ определения механических напряжений в сварном изделии

Область техники

Изобретение относится к сварке, в частности, к способам определения деформаций и напряжений при сварке металлических конструкций и их последующей эксплуатации преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей и может быть использовано при изготовлении и техническом обследовании сварных конструкций в любых отраслях промышленности.

Уровень техники

Существует ряд механических методов определения напряжений. Эти методы основаны на принципе упругой разгрузки объема металла при его освобождении от остаточных напряжений путем разрезки. Измеряя деформации, возникающие при разрезке, можно вычислить остаточные напряжения по формулам теории упругости (Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. «Теория сварочных деформаций и напряжений» - М.: Машиностроение, 1984, стр.110-111).

Большинство этих методов оценки напряженного деформированного состояния являются разрушающими (повреждающими) и трудоемкими, к тому же они пригодны для использования только в лабораторных условиях. При сварке ответственных конструкций это недопустимо.

Известен метод зондирующей лунки в сочетании с голографической интерферометрией. Он прост в исполнении и, вследствие малости диаметра и глубины отверстия, часто может быть отнесен к числу неразрушающих или слабо разрушающих методов («Технологические напряжения в сварных соединениях» / Г.Н. Чернышев, А.Л. Попов, А.А. Антонов и др. Москва, Издательство МГОУ, 2004, стр.16-27).

Недостатками этого способа являются довольно большая и трудоемкая предварительная подготовка и сложность в расшифровке полученных интерферометрических картин.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату к заявляемому изобретению является способ определения механических напряжений в металле, включающий измерение деформаций, возникающих в контролируемой зоне в результате ее нагрева (а.с. СССР №238851, кл. G01L 1/06).

Недостатками этого способа являются сложность предварительной подготовки изделий к контролю, трудоемкость операции нагрева для всего изделия и недостаточность получаемой информации о напряженном состоянии изделия.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение способа - повышение достоверности оценки прочности и ресурса сварных конструкций путем экспериментального определения их напряженного состояния.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ обеспечивает локальный нагрев изделия в процессе его работы, в результате чего происходят пластические деформации, зависящие от исходных напряжений, которые определяют ресурс работы изделия на данном участке.

Способ определения механических напряжений в изделии включает измерение деформаций, возникающих в контролируемой зоне в результате ее нагрева. Причем в качестве контролируемой зоны выбирают участок изделия под нагрузкой. Нагревом этого участка создают в нем пластическую деформацию. Измерение размера контролируемой зоны производят до и после нагрева и по изменению ее размера судят о напряженном состоянии металла до начала нагрева. Диаметр зоны нагрева d выбирают из условия A=(1,3-5,0)d, где А - диаметр базы измерения контролируемой зоны.

Дополнительно для повышения точности измерений количество датчиков перемещений должно быть не менее 3-х.

Кроме того, нагрев осуществляют концентрированными источниками тепла.

Для иллюстрации осуществления способа представлены чертежи, где на фиг.1 схематично показано устройство для осуществления способа (вид сбоку), на фиг.2 - вид сверху указанного устройства.

Устройство содержит источник нагрева (концентрированный источник тепла) 1, датчики перемещения 2-4, установленные на изделие 5, зону нагрева 6 диаметром d, базу измерения контролируемой зоны 7 диаметром А.

Осуществление изобретения

Способ осуществляют следующим образом. После установки устройства на поверхность изделия 5, с помощью датчиков перемещения 2-4 определяют начальные размеры базы измерения контролируемой зоны 7 с точностью до 1 мкм. После чего производят нагрев зоны 6 участка изделия 5 в процессе его работы. При этом в нагретой зоне 6 возникают сжимающие напряжения, вызванные сопротивлением не нагретой части изделия. Эти напряжения достигают предела текучести и приводят к пластической деформации укорочения в нагретой зоне 6. При остывании происходит следующее: область, испытавшая пластическую деформацию, сокращается, а окружающая ее зона конструкции препятствует этому сокращению, что вызывает остаточные растягивающие напряжения, достигающие в зоне 6 предела текучести и перемещения в точках изделия, окружающих зону 6. После полного остывания поверхности нагрева производят повторное измерение размеров базы измерения контролируемой зоны 7. По изменению размеров базы измерения контролируемой зоны 7 можно судить о напряженном состоянии металла до начала нагрева на данном участке поверхности изделия. Для определения всех компонент напряженного состояния у поверхности изделия количество датчиков перемещений 2-4 должно быть не менее трех, расположенных под углом друг к другу. Для точечного ввода теплоты и уменьшения размеров зоны нагрева 6 целесообразно использовать концентрированные источники тепла, такие как электрическая дуга, лазерный луч, трение вращающегося инструмента и т.п.

Диаметр зоны нагрева выбирают из условия A=(1,3-5,0)d, где d - диаметр зоны нагрева, А - диаметр базы измерения контролируемой зоны. Минимальньш диаметр базы измерения обусловлен тем, что база измерения контролируемой зоны должна находиться за пределами зоны пластической деформации, а увеличение максимального диаметра базы измерения нецелесообразно, так как перемещения точек поверхности изделия уменьшаются по мере удаления от зоны пластической деформации.

Таким образом, способ определения механических напряжений в изделии позволяет получить компоненты напряжений, возникших в процессе изготовления, в период эксплуатации, а также суммарный уровень технологических и эксплуатационных напряжений без повреждения или частичного разрушения исследуемой поверхности.

1. Способ определения механических напряжений в изделии, включающий измерение деформаций, возникающих в контролируемой зоне в результате ее нагрева, отличающийся тем, что в качестве контролируемой зоны выбирают участок изделия, находящегося под нагрузкой, нагревают участок, создавая в нем пластическую деформацию, измерение размера контролируемой зоны производят датчиками перемещения до и после нагрева и по изменению ее размера судят о напряженном состоянии металла до начала нагрева, при этом диаметр зоны нагрева выбирают из условия A=(1,3-5,0)d, где d - диаметр зоны нагрева, А - диаметр базы измерения контролируемой зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество датчиков перемещения должно быть не менее 3.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев осуществляют концентрированными источниками тепла.

Изобретение относится к области строительной механики и может быть использовано при проектировании несущих арочных покрытий из тонколистовых холодногнутых профилей.

Устройство для определения остаточных напряжений в деталях с электропроводными покрытиями // 2412428

Изобретение относится к машиностроению, а именно к измерительной технике, и может быть использовано при определении физико-механического состояния материала образцов как с электропроводными покрытиями, так и без электропроводных покрытий.

Способ определения механических напряжений в стальных конструкциях // 2389988

Изобретение относится к области оценки технического состояния конструкций и может быть использовано для определения механических напряжений, например, в стальных трубопроводах надземной прокладки.

Способ контроля общих остаточных деформаций корпусов транспортных и/или стояночных средств // 2293957

Изобретение относится к контролю общих остаточных деформаций транспортных и/или стояночных средств, в частности корпусов судов. .

Способ и устройство для определения остаточных поверхностных напряжений // 2282164

Изобретение относится к области точного машиностроения и может быть использовано в авиационном двигателестроении для выбора режимов механической обработки и оценки состояния поверхностного слоя материала через остаточные напряжения в резьбовых соединениях, дорожках качения подшипников, в контактных поверхностях зуба шестерен, а также в лопатках турбины и компрессора.

Измеритель усилия пресса // 2219505

Изобретение относится к области кузнечно-штампового оборудования, а именно к устройствам для измерения усилий прессов. .

Способ определения остаточных напряжений // 2121666

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения остаточных напряжений в поверхностном слое изделий и образцов, подвергшихся обработке различного вида.

Способ измерения контактных напряжений между поверхностями // 1763908

Изобретение относится к измерительной технике. .

Динамометр для определения контактных давлений // 1719933

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения усилий при редуцировании. .

Датчик импульсного давления // 1668878

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения максимального значения компоненты тензора напряжений в исследуемой среде. .

Устройство для определения механических напряжений на поверхности металлической конструкции путем введения фиксированного количества теплоты // 2523073

Изобретение относится к средствам определения механических напряжений, в том числе при изготовлении и последующей эксплуатации металлических конструкций преимущественно из углеродистых и низколегированных сталей, и может быть использовано при изготовлении и техническом обследовании конструкций в любых отраслях промышленности. Устройство содержит средство для проявления механических напряжений посредством контактного энергетического воздействия в зоне небольшого участка в пределах исследуемой поверхности конструкции и соответствующих деформационных перемещений от воздействия, систему измерений указанных деформационных перемещений по границам участка с их оперативной регистрацией и пересчетом в механические напряжения, и средства жесткого крепления устройства на исследуемой поверхности. Средство для проявления механических напряжений выполнены в виде источника тепловой энергии с возможностью временного контакта его рабочего органа с указанным участком поверхности для передачи туда фиксированного количества теплоты, требуемого для пластической деформации указанного участка под действием определяемых механических напряжений и в результате временного нагрева участка до температуры существенного снижения предела текучести материала и наступления пластической деформации участка, но не до его плавления, и последующего остывания участка. Система измерений деформационных перемещений точек на поверхности упругодеформируемой пограничной зоны вокруг указанного пластически деформированного участка выполнена в виде диаметрально расположенных от центра устройства пар в разных угловых направлениях датчиков микромеханических перемещений, концы которых жестко закреплены в указанной пограничной зоне. Технический результат: возможность получить все компоненты напряжений, возникших в процессе изготовления, в период эксплуатации, а также суммарный уровень технологических и эксплуатационных напряжений без повреждения поверхности исследуемой металлической конструкции. 2 з.п. ф-лы. 1 табл., 3 ил.

Способ определения поверхностных остаточных напряжений // 2572670

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения остаточных напряжений в восстановленных деталях методом электронной спекл-интерферометрии. Способ определения поверхностных остаточных напряжений осуществляют путем регистрации рассеянного исследуемой поверхностью детали светового поля, соответствующего начальному состоянию поверхности детали, с помощью оптической измерительной системы, источником излучения которой является лазер. При этом вдавливают в испытуемый материал детали конический индентор до образования отпечатка, регистрируют рассеянное исследуемой поверхностью детали световое поле, соответствующего ее состоянию после воздействия индентора; получают интерферограммы путем вычитания двух записанных световых полей, которая является распределением нормальных перемещений в наплыве вокруг отпечатка; регистрации диаметра отпечатка. Далее вычисляют координаты контрольных точек на осях симметрии отпечатка; определяют порядковые номера проходящих через контрольные точки интерференционных полос и определяют максимальные вертикальные перемещения в наплыве вокруг отпечатка в контрольных точках по формуле: где Ν - номер полосы, λ - длина волны лазера; и определяют остаточные напряжения с помощью всех полученных данных по формуле: где оси x и y направлены вдоль осей симметрии зарегистрированного распределения перемещений; σт - предел текучести материала поверхностного слоя детали; ΔW - разность между измеренной при диагностировании остаточных напряжений величиной нормального перемещения Wσ в контрольной точке и базовым перемещением Wrm. Технический результат - снижение воздействия на исследуемую поверхность детали и уменьшение усилия вдавливания. 2 ил.

Способ определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали // 2574225

Изобретение относится к области машиностроения и предназначено для определения остаточных технологических напряжений в поверхностных слоях детали, полученных при механической обработке. Сущность: осуществляют вырезку образца в форме стержня прямоугольного сечения. С образца снимают тонкие слои материала, начиная со слоя минимальной толщины 8-12 мкм и увеличивая толщины последующих слоев до значения не более 35 мкм последнего слоя. Определяют толщину каждого снятого тонкого слоя и приращение прогиба образца, вызванное каждым снятым тонким слоем, затем рассчитывают остаточные напряжения в тонких слоях материала по формуле. Технический результат: упрощение способа, снижение трудоемкости и повышение точности определения остаточных напряжений в поверхностных слоях детали. 1 таб., 4 ил.

Способ определения остаточных напряжений в композиционных материалах // 2574231

Изобретение относится к области экспериментальной механики и предназначено для определения остаточных напряжений, возникающих при изготовлении тонкостенных конструкций летательных аппаратов из композиционных материалов. Технический результат от реализации данного изобретения заключается в повышении точности измерения остаточных напряжений, а также повышении ресурса и надежности элементов конструкций при их эксплуатации за счет учета вклада остаточных напряжений в общее напряженно-деформированное состояние. Способ определения остаточных напряжений в материале детали включает в себя установку образца в виде прямоугольной пластины в оптическую схему интерферометра, регистрацию спекл-структуры на поверхности образца в исходном состоянии высокоразрешающей видеокамерой, удаление образца из оптической схемы интерферометра, высверливание зондирующего отверстия, возвращение образца в исходное положение, регистрацию спекл-структуры деформированной поверхности образца, визуализацию картин интерференционных полос путем численного вычитания двух полученных ранее изображений, определение приращения диаметров зондирующего отверстия в направлении главных остаточных напряжений, вычисление компонент главных остаточных напряжений по формулам, вытекающим из теоретического решения о концентрации напряжений на контуре сквозного кругового отверстия в пластине при ее растяжении в произвольном направлении по отношению к главным осям анизотропии. 8 ил.

Способ определения остаточных напряжений в детали // 2598779

Изобретение относится к области авиастроения и предназначено для определения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей с радиусными переходами большой кривизны, например в зоне скругленной кромки лопатки турбины и компрессора. Сущность изобретения: осуществляют вырезку плоской заготовки, изготовление криволинейного образца прямоугольного сечения, последовательное снятие поверхностных слоев материала с остаточными напряжениями, чередующееся с определением геометрических параметров образца, выполнение расчетов с использованием формул и полученных в эксперименте геометрических параметров. Для определения остаточных напряжений используют образец V-образной формы с радиусом скругления криволинейной части R=1…3 и более мм, с дугой ABC с центральным углом φ≈126°±5°, с двумя концами-удлинителями, разведенными на угол α и образующими расчетный угол β≈126°±5°. Слои материала с остаточными тангенциальными напряжениями снимают на участке выпуклой поверхности криволинейной части с дугой ABC, после каждого снятого слоя измеряют толщину t криволинейной части, высоту Н образца, ширину А в основании образца, угол α развода удлинителей. При выполнении расчетов вначале определяют дополнительные параметры криволинейной части образца: расчетный угол β развода удлинителей, хорду а, стрелу h и радиус R дуги ABC, радиус r нейтральной линии изгиба и радиус ρ оси, смещение е между r и ρ, расстояние у от дуги радиусом r до выпуклой поверхности, используя формулы. После чего рассчитывают остаточные тангенциальные напряжения σi в поверхностных слоях материала, начиная с первого слоя, по формуле. Технический результат: возможность определения тангенциальных остаточных напряжений в зоне кромки пера лопатки с радиусом скругления 1…3 мм и более. 2 ил.

Способ определения напряжённого состояния лопаток турбины высокого давления // 2628304

Изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к авиадвигателестроению, а именно к способу определения физико-механического состояния рабочих лопаток турбины высокого давления (ТВД), в частности напряженного состояния лопатки. Сущность предложенного способа определяется тем, что в способе определения напряженного состояния лопатки ТВД, включающем определение поверхностных остаточных напряжений, объемных остаточных напряжений, вычисление суммарной энергии напряженного состояния от действия поверхностных и объемных остаточных напряжений и металлографическое исследование структуры материала, определение поверхностных остаточных напряжений, объемных остаточных напряжений и металлографическое исследование структуры материала выполняют на одной лопатке, причем определение поверхностных остаточных напряжений определяют на образцах прямоугольного сечения, вырезаемых вдоль оси пера от выходной кромки до центральной оси как со стороны спинки, так и со стороны корыта, объемные остаточные напряжения определяют на образцах прямоугольной формы с установленными на них тензорезисторами, вырезаемых от входной кромки до центральной оси как со стороны спинки, так и со стороны корыта, металлографическое исследование структуры материала проводят в поперечном сечении оставшейся части пера лопатки, а вычисление энергии напряженного состояния осуществляют путем сложения величин поверхностных и объемных остаточных напряжений, измеряющихся по глубине их залегания. 2 ил., 3 табл.