CC BY
14КОНТРОЛЬ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ МЕТОДОМ МАГНИТНОЙ ПАМЯТИ МЕТАЛЛА
И.И. Батеха;
Д.В. Брусянин, кандидат технических наук; С.Н. Терехин, доктор технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Предложена методика по использованию собственных магнитных полей рассеивания структурных металлических элементов как источника информации для контроля остаточных сварочных напряжений в восстановленных высокочастотной импульсно-дуговой наплавкой сложнопрофильных деталях пожарных автомобилей и результаты эксперимента по её апробации.
Ключевые слова: контроль остаточных сварочных напряжений, магнитная память металла, сложнопрофильные детали, высокочастотная импульсно-дуговая наплавка
CONTROL OF RESIDUAL STRESSES AND DEFORMATIONS OF RESTORED PARTS OF FIRE TRUCKS BY THE METHOD OF MAGNETIC MEMORY OF METAL
I.I. Batekha; D.V. Brusyanin; S.N. Terekhin.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The article proposes a method for using the intrinsic magnetic fields of dispersion of structural metal elements as a source of information for the control of residual welding stresses in the recovered high-frequency pulse-arc surfacing complex profile parts of fire trucks and the results of the experiment on its approbation.
Keywords: control digester residual stress, magnetic memory of metal, complex profile parts, high-frequency pulse-arc surfacing
Основным методом восстановления сложнопрофильных деталей пожарных автомобилей является электродуговая наплавка изношенных рабочих поверхностей. Однако электродуговой наплавке присущи существенные недостатки, заключающиеся в появлении недопустимых остаточных напряжений и деформаций, обуславливающих резкое снижение ресурса восстановленных деталей, что увеличивает риск техногенных аварий и катастроф при эксплуатации. Материал детали после наплавки находится в объемном напряженно-деформированном состоянии, при котором остаточные напряжения распределены по всему объему материала детали. В настоящее время отсутствуют способы, позволяющие объективно оценивать поле остаточных напряжений в наплавленных сложнопрофильных деталях.
Актуальной задачей является разработка способа неразрушающего контроля фактического напряженно-деформированного состояния сложнопрофильных деталей после электродуговой наплавки.
Известно, что в результате термического влияния, сопровождающего процесс наплавки, происходят изменения в виде фазовых и структурных превращений материала. При этом для стали характерными элементами структуры являются: мартенситно-
аустенитные, ферритно-перлитные, мартенситно-бейнитного типа зерна (колонии), кристаллиты [1].
При этом каждый структурный элемент находится в условиях естественной намагниченности.
На основе установленной взаимосвязи структурно-дислокационных процессов с физикой магнитных явлений в металле детали возможно использование собственных магнитных полей рассеивания (СМПР) структурных элементов как источника информации для определения остаточных сварочных напряжений. В силу магнитодислокационного гистерезиса, магнитная текстура (поле) структурных элементов металла, сформировавшаяся под действием сварочных напряжений, остается неизменной и после остывания металла, то есть присутствует остаточная намагниченность металла в зонах концентрации напряжений (ЗКН), называемая магнитной памятью металла (МПМ).
Следовательно, путем считывания этой магнитной информации с помощью специализированных приборов можно выполнить оценку фактического напряженно-деформированного состояния деталей, восстановленных наплавкой [2].
Для проведения оценки фактического напряженно-деформированного состояния детали с использованием метода МПМ в качестве диагностических были использованы следующие магнитные параметры [3]:
а) линии смены знака нормальной составляющей напряженности магнитного поля (линии Яр = 0) в ЗКН;
б) градиент (интенсивность изменения) нормальной составляющей магнитного поля при переходе через линию , соответствующую линии концентрации напряжений
(КН):
_ И Нр1
К-ИН — >
¿.1К
где Ки н - градиент магнитного поля рассеяния или магнитный коэффициент интенсивности напряжений, характеризующийся интенсивностью изменения намагниченности металла в ЗКН и, соответственно, интенсивностью изменения поля ; | | - модуль разности поля между двумя точками контроля, расположенными на равных отрезках по обе стороны от линии .
Из всей номенклатуры деталей, восстанавливаемых наплавкой, был выбран коленчатый вал как деталь, в которой даже относительно малые остаточные напряжения и деформации приводят к разрушению. При этом контролировалось напряженно-деформированное состояние (НДС), неоднородность структуры и развивающиеся дефекты в наплавленном коленчатом вале двигателя, согласно ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009 [4].
Для измерения остаточных напряжений использовали измеритель концентрации напряжений ИКН-3М-12 и сканирующее устройство - тип 2 (рис. 1).
К преимуществам данного оборудования можно отнести следующее:
а) сканирующие устройства прибора не требуют монтажа на деталь и предварительной очистки контролируемых деталей (контроль может проводиться через слой краски, ржавчины, изолирующих покрытий и т.п.);
б) малые габариты и вес, автономное питание.
Оценка фактического напряженно-деформированного состояния в восстановленных наплавкой сложнопрофильных деталях включала следующие этапы:
а) определение топологии движения датчика по шейкам и щекам коленчатого вала;
б) сканирование по направлениям и зонам до и после наплавки коренной шейки;
в) определение нулевых точек, в которых измеряемая величина изменяет знак на противоположный и приобретает нулевое значение;
г) формирование зоны с характерным распределением поля , определяющей в этой зоне положение линии , соответствующей линии КН и градиента поля при пересечении этой линии [4];
д) измерение величины НР на равном расстоянии 1К от линии НР = 0 и определение градиента поля НР на длине 1К [5].
Рис. 1. Измеритель концентрации напряжений ИКН-3М-12 и сканирующее устройство - тип 2
Для обработки и анализа результатов диагностического контроля использовали программный продукт «ММП-Система» - специализированная программа обработки данных о напряженно-деформированном состоянии оборудования, конструкций и деталей по методу МПМ [6] (рис. 2).
В результате наплавки коренной шейки коленчатого вала произошло увеличение значений градиентов СМПР для всех контролируемых поверхностей по сравнению с исходным состоянием.
Характерные магнитограммы распределения СМПР показаны на рис. 3-6. В щёках вала, после наплавки, помимо увеличения значений градиентов СМПР, зафиксировано смещение ЗКН (рис. 3, 4).
Максимальное увеличение значений градиентов СМПР проявилось после наплавки на галтельных переходах коренной шейки коленчатого вала (рис. 5, 6).
Полученные экспериментальные данные наглядно показывают эффективность применения метода МПМ для оценки фактического напряженно-деформированного состояния коленчатого вала после электродуговой наплавки, из чего можно сделать вывод о целесообразности его применения для неразрушающего контроля восстанавливаемых электродуговой наплавкой сложнопрофильных деталей.
Применение метода МПМ для оценки фактического напряженно-деформированного состояния сложнопрофильных деталей после электродуговой наплавки дает возможность не только выявлять имеющиеся скрытые дефекты, но и прогнозировать их развитие, то есть определять ресурс детали, что в конечном итоге приведет к снижению рисков техносферных катастроф и повышению техносферной безопасности при эксплуатации агрегатов и механизмов пожарной техники.
Дополнительный
контроль традиционными методами НК
Классификация зон КН:
- удовлетворительно;
- группа ЗКН для периодического контроля;
- неудовлетворительно (требует замены).
Заполнение протокола и распечатка магнитограмм в необходимом объеме
Рис. 2. Алгоритм обработки результатов контроля методом МПМ (магнитограмм) с использованием программы «ММП-Система» ( К^н* - максимальное значение градиента СМПР; - среднее значение градиента СМПР; АIк - расстояние между точками контроля; т - отношение максимального значения градиента СПМР к среднему; тПР - отношение максимального значения градиента СПМР, соответствующего пределу прочности металла, к среднему значению градиента СПМР, соответствующему пределу текучести металла)
Рис. 3. Магнитограмма распределения СМПР по боковой поверхности щеки коленчатого вала
до наплавки коренной шейки
Рис. 4. Магнитограмма распределения СМПР по боковой поверхности щеки коленчатого вала
после наплавки коренной шейки
Рис. 5. Магнитограмма распределения СМПР по периметру галтели коренной шейки коленчатого вала до наплавки
Рис. 6. Магнитограмма распределения СМПР по периметру галтели коренной шейки коленчатого вала после наплавки
Литература
1. Королева Л.А., Брусянин Д.В. Технология конструкционных материалов и её роль в обеспечении техносферной безопасности: учеб. пособие. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2016. 226 с.
2. Дубов А.А., Дубов Ал.А., Колокольников С.М. Метод магнитной памяти металла и приборы контроля: учеб. пособие. 5-е изд. М.: Спектр, 2012. 394 с.
3. ГОСТ Р ИСО 24497-1-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Ч. 1: Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2010.
4. ГОСТ Р ИСО 24497-2-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Ч. 2: Общие требования. М.: Стандартинформ, 2010.
5. Брусянин Д.В., Королева Л.А. Методы определения и изменения свойств материалов в техносферной безопасности. Лабораторный практикум: учеб. пособие. СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2017. 134 с.
6. ГОСТ Р ИСО 24497-3-2009. Контроль неразрушающий. Метод магнитной памяти металла. Ч. 3: Контроль сварных соединений. М.: Стандартинформ, 2010.
References
1. Koroleva L.A., Brusyanin D.V. Tekhnologiya konstrukcionnyh materialov i eyo rol' v obespechenii tekhnosfernoj bezopasnosti: ucheb. posobie. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2016. 226 s.
2. Dubov A.A., Dubov Al.A., Kolokol'nikov S.M. Metod magnitnoj pamyati metalla i pribory kontrolya: ucheb. posobie. 5-e izd. M.: Spektr, 2012. 394 s.
3. GOST R ISO 24497-1-2009. Kontrol' nerazrushayushchij. Metod magnitnoj pamyati metalla. Ch. 1: Terminy i opredeleniya. M.: Standartinform, 2010.
4. GOST R ISO 24497-2-2009. Kontrol' nerazrushayushchij. Metod magnitnoj pamyati metalla. Ch. 2: Obshchie trebovaniya. M.: Standartinform, 2010.
5. Brusyanin D.V., Koroleva L.A. Metody opredeleniya i izmeneniya svojstv materialov v tekhnosfernoj bezopasnosti. Laboratornyj praktikum: ucheb. posobie. SPb.: S.-Peterb. un-t GPS MCHS Rossii, 2017. 134 s.
6. GOST R ISO 24497-3-2009. Kontrol' nerazrushayushchij. Metod magnitnoj pamyati metalla. Ch. 3: Kontrol' svarnyh soedinenij. M.: Standartinform, 2010.
