Оценка уровня остаточных напряжений в сварных соединениях с помощью акустических измерений Текст научной статьи по специальности «Физика»

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1559-1561

1559

УДК 534.222

ОЦЕНКА УРОВНЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ С ПОМОЩЬЮ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

© 2011 г. К.В. Курашкин

Нижегородский филиал Института машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

[email protected]

Поступила в редакцию 15.06.2011

Приведены результаты акустических исследований сварных соединений элементов магистрального газопровода из стали 09Г2С. Предложен способ определения уровня остаточных механических напряжений в сварном соединении.

Ключевые слова: акустический метод, остаточные напряжения, коэффициенты Пуассона листового материала.

Оценка остаточных механических напряжений в сварных соединениях металлических конструкций важна для обеспечения их безопасной эксплуатации. Для определения напряженного состояния материала может применяться акустический метод, который отличается надежностью, простотой, низкой стоимостью и безопасностью [1]. Однако существующие способы оценки механических напряжений с помощью ультразвука требуют проведения измерений акустических параметров объекта в разгруженном состоянии или на образцах, вырезанных из исследуемой конструкции, что является существенным недостатком и ограничивает использование акустического метода на практике. Перспективным направлением исследований в этой области представляется разработка методик, которые позволят определять напряженное состояние без разгружения конструкции.

Акустическая тензометрия основана на эффекте акустоупругости, который отражает нелинейную связь между напряжениями и деформациями и, как следствие, влияние напряжений на скорости распространения упругих волн. Для ор-тотропных материалов, какими являются катанные листовые сплавы, в случае двухосного напряженного состояния зависимости скоростей объемных упругих волн, распространяющихся перпендикулярно плоскости проката, от механических напряжений описываются следующими соотношениями [2]:

2 2 РУ = РУ>1 + + ! 2° 2, 22

РУ2 = РУ)2 + ¿3°1 + ! 4° 2, (1)

22 РУ3 = РУ03 + !5°1 + С6°2 '

где 01 и о2 — главные напряжения, действующие вдоль осей ортотропного материала, У и У2 — скорости поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката соответственно, У3 — скорость продольной волны, У0 = = У (о = 0), С — коэффициенты акустоупругости, выражаемые через упругие модули второго и третьего порядков, р — плотность материала.

Известно, что структурная неоднородность материала, возникающая при его производстве, приводит к неоднородному по объему распределению упругих характеристик и, следовательно, акустических параметров [3, 4]. Однако проведенные нами исследования показали, что в прокатных листовых сплавах распределение упругих характеристик не случайно. При прокатке текстура формируется таким образом, что коэффициенты функции распределения ориентировок взаимосвязаны [5]. Эта особенность прокатного материала проявляется в частности в том, что между ко -эффициентами Пуассона V31 и v32 существует линейная зависимость [6]:

у32 = ВV 31 + в, (2)

где В и в — коэффициенты.

Коэффициенты Пуассона материала выражаются через соотношения скоростей объемных упругих волн:

0.5 - (У1/У3)2 31 1-(У1/У3)2

V,, =

У32 =

0.5 - (У2/У3)2 1-(У2/У3)2

(3)

При одинаковой длине акустического пути отношения скоростей объемных волн определяются отношениями времен распространения:

У1 У3

У2 У3

3

3

1

2

156Q

К.В. Курашкин

где t1 и ¿2 - времена распространения поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката, ¿3 - время распространения продольной волны.

Зависимость коэффициентов Пуассона от напряжений описывается следующими соотношениями:

Q

V31 -V31 = Pl31 + P2з2 '

о Q v32 -V32 = P331 + P432 '

(5)

где pi - константы материала, выражаемые через упругие модули второго и третьего порядков.

На рис. 1 приведена связь коэффициентов v31 и v32 в трех фрагментах трубы магистрального газопровода из стали 09Г2С до и после снятия остаточных сварочных напряжений.

ф без напряжений о при напряжениях

Q.289 Q.288 Q.287

Q.286

—i-1

Q.288 v3

Q.285 Q.286 Q.287

4 без напряжений О при напряжениях

V32

Q.289 Q.288 Q.287

Q.286

Q.286

Q.287

Q.289

Q.289

ф без напряжений ф при напряжениях

32

Q.287 Q.286 Q.285 Q.284 Q.283

СикЭн

К»

0.283 0.284 0.285 0.286 0.287 0.288 v31 Рис. 1

Время распространения объемных упругих волн измерялось эхо-импульсным методом. Описание методики измерений приведено в [4]. Измерения проводились поперек сварного шва в семи точках, начиная с расстояния 20 мм от шва, с шагом 10 мм. Коэффициенты Пуассона V31 и v32 вычисляли по формуле (3). Точки вблизи прямой

соответствуют измерениям в отсутствии остаточных напряжений. Наличие остаточных напряжений приводит к отклонению точек от прямой линии.

Отклонение точек на графиках относительно прямой линии позволяет судить об уровне остаточных напряжений. Формула для расчета комбинации напряжений может быть получена из соотношений (2) и (5):

Ol(P3 -BPl) + 02(P4 - BP2) = V°2 - BV°1 -Q. (б)

Для численной оценки значений осевых G1 и кольцевых G2 напряжений в отдельности необходимо знать их соотношение 02/01 в каждой точке измерений. Такая связь для конкретного сварного соединения может быть рассчитана методом конечно-элементного анализа.

Заключение

Показано, что в прокатном листовом материале существует линейная зависимость между ко -эффициентами Пуассона v31 и v32. Установлено, что присутствие в материале остаточных механических напряжений приводит к отклонению то -чек на плоскости v32 (v31) от исходной прямой. Предложено использовать данный факт для оценки уровня остаточных напряжений в сварных соединениях. Приведено аналитическое выражение для двухосного напряженного состояния.

Список литературы

1. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика. М.: Машиностроение, 1995.

2. Chatellier J.-Y., Touratier M. A new method for determining acoustoelastic constants and plane stresses in textured thin plates // J. Acoust. Soc. Am. 1988. V. 83, No 1. P. 1Q9-117.

3. Курашкин К.В., Мишакин В.В. Использование ультразвуковых волн для оценки механических напряжений в материале сварных соединений // Сб. трудов XXII сессии РАО. М.: ГЕОС, 2Q1Q. Т. 2. С. 1Q6-11Q.

4. Мишакин В. В., Гончар А. В., Курашкин К. В., Данилова Н. В. Исследование разрушения при статическом нагружении сварных соединений акустическим методом // Журн. тяж. маш. 2QQ9. № 7. С. 27-3Q.

5. Allen D.R., Say ers C.M. The Measurement of Residual Stress in Textured Steel Using an Ultrasonic Velocity Combinations Technique // Ultrasonics. 1984. V. 22. P. 179-188.

6. Курашкин К.В., Мишакин В.В. Использование структурной неоднородности материала при оценке механических напряжений // Прикладная механика и технологии машиностроения. Сб. науч. трудов. Н. Новгород: Интелсервис, 2Q1Q. №2 (17). С. 23Q-235.

v

32

v

31

Оценка уровня остаточных напряжений в сварных соединениях с помощью акустических измерений 1561

EVALUATION OF THE LEVEL OF RESIDUAL STRESSES IN WELDED JOINTS BY ACOUSTIC MEASUREMENTS

K. V Kurashkin

The results of acoustic investigations of welded joints of the elements of a main gas pipeline made of steel 09G2S are given. A method for determining the level of residual stress in welded joints is proposed.

Keywords: acoustic method, residual stresses, Poisson's ratios of sheet material.