CC BY
62
Строительное материаловедение
вестник
МГСУ
УДК 621.793
А.Л. Попов, Д.А. Куров
ФГБОУВПО «МГСУ», ИПМех РАН
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ СЛЕДОВ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕЙ ДИАГНОСТИКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНОМ СОЕДИНЕНИИ
Возможность диагностики остаточных сварочных напряжений по расположению температурных следов, характеризующих изотермы максимально достигнутых температур в термическом цикле сварки и длительное время сохраняющихся после сварки на металле сварного соединения, является перспективным направлением неразрушающего контроля остаточных напряжений. В качестве таких следов могут быть использованы естественные (цвета побежалости и границы зоны сплавления) и искусственные следы, образующиеся на поверхности металла при плавлении заранее нанесенного термосостава (черта, оставленная термокарандашом, и т.п.). Данные о расположении температурных следов обеспечивают однозначность решения обратной задачи реконструкции термического цикла сварки. По восстановленной модели термического цикла может быть определена кинетика изменения напряженно-деформированного состояния (НДС) сварного соединения в процессе сварки и остаточные напряжения (для определения последних достаточно знания только стадии охлаждения термического цикла [1]).
Ниже рассмотрена реализация процедуры реконструкции термического цикла по температурным следам на примере контактной стыковой сварки оплавлением металлических стержней. Несмотря на одномерность модели, она описывает достаточно распространенный тип сварки рельсов при создании бесстыкового железнодорожного пути, сварку арматуры строительных конструкций; все шире такой тип сварки применяется и при соединении торцов стальных труб, в т.ч. большого диаметра для морских магистральных газопроводов. По восстановленной стадии остывания сварного соединения с помощью модифицированного графо-аналитического метода определены остаточные сварочные напряжения в шве и околошовной зоне.
Ключевые слова: сварка, остаточные напряжения, диагностика, температурные следы, графо-аналитический метод.
Предлагаемый метод оценки остаточных сварочных напряжений по расположению следов изотерм максимально достигнутых температур, оставленных сваркой на металле конструкции, выгодно отличается от других современных методов неразрушающего контроля оперативностью и отсутствием дорогостоящей измерительной аппаратуры; в качестве исходной информации для определения остаточных напряжений здесь служат только геометрические измерения ширины шва и расположений следов характерных изотерм. Данные этих измерений позволяют однозначно решить обратную задачу реконструкции стадии охлаждения термического цикла сварки, которая необходима для определения остаточных сварочных напряжений, например, с помощью графо-аналитического метода Николаева — Окерблома [1, 2]. Ниже представлена модификация этого метода, позволяющая строить эпюру остаточных напряжений непосредственно по измерениям координат максимумов температур.
Реализацию метода рассмотрим на примере контактной стыковой сварки оплавлением стержней. Возникающее при таком типе сварки температурное поле близко к одномерному [3], что облегчает решение обратной задачи восстановления температурного цикла сварки по характерным следам максимальных изотерм. В то же время полученные результаты могут иметь достаточно широкое распространение ввиду того, что данный тип сварки является основным не только при создании бесстыкового железнодорожного пути [4], но и в строительстве — при сварке стержневой ар-
© Попов А.Л., Куров Д. А., 2012
143
вестник 812012
матуры железобетонных конструкций; все шире она применяется и при соединении торцов стальных труб, в т.ч. большого диаметра для морских магистральных газопроводов.
В качестве математической модели термического цикла контактной стыковой сварки оплавлением используем аналитические выражения [4]:
для стадии нагрева:
С 2 Л
T = To +q pe
—e 4at - — erfc
2a -„[Aat
erfc (и) = 1 -—=je o
2 2
e~x dx;
для стадии охлаждения:
- (-1)" e~a"at \ , л , , (2n + l)n T = To - 2To ^ -—--cos a nx| f (x Icos a nxdx , a n = --—,
n=0 0
где через T(x, t) обозначена температура в точке с координатой x, отсчитываемой от центра шва и направленной вдоль оси стержня; t — время от начала нагрева (остывания); q — плотность теплового потока источника нагрева; с, р, a — соответственно удельная теплоемкость, плотность и коэффициент температуропроводности материала стержня; T0 — температура стержней до сварки; I — длина (вылет) стержней, измеряемая от торца стержня до электрода стыковой машины; f (x') — функция распределения температуры по стержню в момент окончания нагрева.
В обратной задаче восстановления зависимостей (1) и (2) по температурным следам на поверхности стержня после сварки параметры q и I могут быть заранее неизвестны. Однако, при наличии на оси стержня идентифицированных положений максимумов температур, их определение для нахождения остаточных напряжений, как будет показано ниже, необязательно.
В [4] приведены графики остывания во времени, построенные по выражению (2) при q = 400 Вт/см2, согласованные с экспериментальными измерениями температуры для точек, находящихся на расстояниях 1/10, 1 и 3 см от центра шва. Полагая, что это выражение справедливо и для других точек околошовной зоны, найдем по нему координаты характерных максимумов температур в 1500, 1200, 1000, 700, 600 и 400 °C, считая, что эти координаты определены в результате измерений, исходя из расположения цветов побежалости, границ зоны сплавления и искусственных следов, определяемых по границам расплавления меток, нанесенных до начала сварки термоиндикаторными карандашами выбранных номиналов. Полученный набор значений максимальных температур и соответствующих им координат аппроксимируем графиком Tmax(x), изображенным в правом нижнем углу рис. Далее, используя методику [1], спроектируем найденные точки максимумов температур на схематизированную дилатометрическую прямую, проведенную под углом 45° к оси деформаций, изображенную в левом нижнем углу рис. При этом масштаб по оси температур на дилатометрическом графике берется таким же, как и на графике Tmax(x), а масштабный коэффициент для ег — деформации, соответствующей достижению предела текучести о^, исходя из температуры 600 °C, при которой металл (низкоуглеродистая сталь) теряет упругие свойства [1].
Точки пересечения максимумов температур с дилатометрической прямой проектируются затем на диаграмму растяжения-сжатия стержня о(е), изображенную в левом верхнем углу рис. Эта диаграмма также имеет схематизированный вид: ее упругие участки, как и дилатометрическая прямая, наклонены под углом 45° к оси деформаций, заданной в том же масштабе, что и на дилатометрическом графике. Значения температур точек области термовлияния, имевшие максимальный нагрев более 600 °C, проектируются на нижний горизонтальный участок диаграммы о(е), опреде-
Строительное материаловедение
вестник
МГСУ
ляющий зону сжимающих пластических деформаций стержня. Остывание выбранной точки стержня с координатой х от температуры Ттах(х) отображается упругим участком этой диаграммы в направлении, показанном стрелкой. Если этот участок не пересекает ось напряжений ранее достижения предела текучести ст по растягивающим напряжениям, то от точки пересечения упругого участка диаграммы с горизонталью с = ст пойдет повторная пластическая деформация противоположного знака — удлинения; соответствующая горизонтальная прямая продолжается до пересечения с осью напряжений. Таким же образом на ось напряжений диаграммы с(е) проектируются все зарегистрированные точки графика Ттах(х). Последующие горизонтальные проекции этих точек с оси напряжений в правую верхнюю часть (рис.) создают на пересечении с вертикальными проекциями соответствующих точек графика Ттах(х) точки эпюры остаточных сварочных напряжений оост(е), в масштабах, перенесенных с горизонтальной оси графика Ттах(х) и вертикальной оси диаграммы с(е).
Определение остаточных напряжений графо-аналитическим методом
В заключение отметим, что описанная методика определения остаточных напряжений по температурным следам, примененная к случаю контактной стыковой сварке оплавлением, обеспечивает построение эпюры остаточных напряжений без применения сложной измерительной аппаратуры, чем выгодно отличается от других методов неразрушающего контроля.
Библиографический список
1. Гатовский К.М., Кархин В.А. Теория сварочных напряжений и деформаций. Л. : ЛКИ, 1980. 331 с.
2. Теория сварочных процессов / под ред. В.В. Фролова. М. : Высш. шк., 1988. 559 с.
3. Анализ термических циклов при контактной стыковой сварке стали оплавлением / В.А. Кар-хин, П.Н. Хомич, Б.В. Федотов, П. Раямяки // Сварочное производство. 2008. № 1. С. 12—17.
4. Tsai N.S. andEagar T. W. Selection of processes for welding steel rails // Proc. In Railroad Rail Welding, Railway Systems and Management Assoc., Northfield, NJ, 421, 1985. P. 421—435.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
Об авторах: Попов Александр Леонидович — доктор физико-математических наук, профессор кафедры сопротивления материалов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный
Research of building materials
145
вестник 8/2012
строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, popov@ipmnet.ru;
Куров Дмитрий Андреевич — аспирант лаборатории механики прочности и разрушения материалов и конструкций, Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН (ИПМех
РАН), 119526, г. Москва, пр. Вернадского, д. 101, корп. 1, +7 (495) 434-35-65, (!тйгу.кшот@ gmail.com.
Для цитирования: Попов А.Л., Куров Д.А. Использование температурных следов для не-разрушающей диагностики остаточных напряжений в сварном соединении // Вестник МГСУ 2012. № 8. С. 143—146.
A.L. Popov, D.A. Kurov
USING TEMPERATURE TRACES IN NON-DESTRUCTIVE DIAGNOSTICS OF RESIDUAL STRESSES OF WELDED JOINTS
Diagnostics of residual welding stresses based on the layout of temperature traces that (i) characterize isothermals of maximal temperatures within a thermal cycle of welding and (ii) are retained on the metal surface of a welded joint represents a prospective trend of non-destructive methods of control of residual stresses. The traces to be examined include both natural (temper colours and fusion boundaries) and artificial traces formed on the metal surface in the course of fusion of pre-applied temperature indication lines (lines of temperature indication markers, etc.).
The layout of temperature traces assures the uniqueness of the solution to an inverse problem of a thermal cycle of welding reconstructed by the researcher. The kinetic pattern of alterations of the stress-deformation state (SDS) of a welded joint in the course of welding, as well as the pattern of residual stresses (the latter solely require the information concerning the cooling stage of a thermal cycle) can be identified on the basis of the reconstructed thermal cycle model.
In the paper, the procedure of reconstruction of a thermal cycle on the basis of temperature traces is exemplified by resistance flash-butt welds of metal rods. Despite the one-dimensionality of the model, it presents a widespread type of welding of rails and accessories of building structures; this type of welding is used to connect edges of steel pipes, including those that have a big diameter and are used as underwater gas pipelines. Residual welding stresses of joint welds and the adjacent area can be identified with the help of a thermal marker.
Key words: welding, residual stresses, diagnostics, temperature traces, method of graphical analysis.
References
1. Gatovskiy K.M., Karkhin V.A. Teoriya svarochnykh napryazheniy i deformatsiy [Theory of Welding Stresses and Deformations], Leningrad, LKI Publ., 1980, 331 p.
2. Frolov V.V., editor. Teoriya svarochnykh protsessov [Theory of Welding Processes]. Vyssh. Shk. Publ., 1988, 559 p.
3. Karkhin V.A., Khomich P.N., Fedotov B.V., Rayamyaki P. Analiz termicheskikh tsiklov pri kontakt-noy stykovoy svarke stali oplavleniem [Analysis of Thermal Cycles in the Course of Steel Contact Flash Welding]. Svarochnoe proizvodstvo [Welding Engineering]. 2008, no. 1, pp. 12—17.
4. Tsai N.S. and Eagar T.W. Selection of Processes for Welding Steel Rails. Proc. in Railroad Rail Welding, Railway Systems and Management Assoc. Northfield, NJ, 421, 1985, pp. 421—435.
About the authors: Popov Aleksandr Leonidovich — Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Department of Resistance of Materials, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; popov@ipmnet.ru;
Kurov Dmitriy Andreevich — graduate student, Laboratory of Mechanics of Strength and Destruction of Materials and Structures, Institute for Problems in Mechanics of the Russian Academy of Sciences (IPMech RAS), Building 1, 101 Prospekt Vernadskogo, Moscow, 119526, Russian Federation; dmitry.kurov@gmail.com; +7 (495) 434-35-65.
For citation: Popov A.L., Kurov D.A. Ispol'zovanie temperaturnykh sledov dlya nerazrushayushchey diagnostiki ostatochnykh napryazheniy v svarnom soedinenii [Using Temperature Traces in Nondestructive Diagnostics of Residual Stresses of Welded Joints]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 8, pp. 143—146.
