УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к исследованию остаточных технологических напряжений и может быть использована для определения напряженно-деформированного состояния в конструкциях и деталях машин.
Известно устройство для проведения в реальном времени неразрушающих измерений остаточных напряжений в исследуемой зоне объекта с использованием технологии оптической голографической интерферометрии (RU 2002113768 [1]). Устройство содержит оптический модуль, в состав которого входят источник когерентного излучения, голографический интерферометр и регистрирующая среда. В состав устройства входит блок для снятия остаточных напряжений на небольшом участке в пределах исследуемой зоны объекта и средства для закрепления оптического модуля на объекте. Блок для снятия остаточных напряжений выполнен в виде электронного устройства, содержащего питающий электрод, интегрированный в оптический модуль с возможностью перемещения между верхним отведенным положением и нижним положением, соответствующим установлению электрического контакта между указанным питающим электродом и исследуемой зоной объекта для подачи импульса сильного электрического тока к поверхности объекта на небольшом участке в пределах исследуемой зоны. Недостатком известного устройства является его недостаточно высокая точность определения остаточных напряжений. Это связано с тем, что импульс сильного электрического тока осуществляет снятие остаточных напряжений не до конца.
Известно устройство для определения внутренних остаточных напряжений (SU 1711544 [2]). Устройство содержит источник когерентного излучения, полый корпус с отверстием для ввода излучения, узел для позиционирования корпуса с тремя шаровидными опорами, голографический интерферометр с оптической схемой записи голограмм во встречных пучках, установленный в корпусе, и блок создания напряженно-деформированного состояния. Для расширения эксплуатационных возможностей, оно снабжено основанием в виде плиты с центральным отверстием, на одной из поверхностей которой выполнено три углубления для фиксации шаровидных опор корпуса и стержневых опор, предназначенных для установки основания на поверхности объекта и размещенных в плите с возможностью регулирования и фиксации своей длины. Интерферограмма фиксируется на фотопластине. Блок удаления объема металла может устанавливаться на опорное основание взамен голографического интерферометра. Точность вторичной установки интерферометра обеспечивается за счет радиальных пазов и шаровидных опор.
Недостатками такого устройства являются невозможность получения информации в цифровом виде, пригодном для обработки ее на компьютере (информация записывается на стеклянной фотопластине). Вторым существенным недостатком такого устройства является невозможность его функционирования в положении, отличном от такого, в котором стержневые опоры строго вертикальны. Никакого наклона такой интерферометр не допускает. Т.е. касательная к поверхности, проведенная в точке измерения должна быть только горизонтальна. Третий недостаток связан с невозможностью его применения в полевых условиях. Данный интерферометр чувствителен к попаданию малейшей пыли между радиальным пазом и шаровой опорой.
Известно голографическое устройство для определения внутренних остаточных напряжений известное из SU 953438 [3]. Данное устройство содержит блок для создания напряженно-деформированного состояния и измеритель деформации, выполненный в виде голографического интерферометра. Блок для создания напряженно-деформированного состояния и все оптические элементы, составляющие оптическую схему интерферометра, закреплены на корпусе устройства. Регистрация интерферограммы осуществляется с помощью фотопластин.
Недостатками такого устройства являются громоздкость устройства, ограничивающее его применение на реальных конструкциях, сложность в настройке оптической схемы, невозможность установки устройства на поверхности, расположенные не горизонтально и имеющие сложную форму. Жесткость фиксации устройства на исследуемой поверхности обеспечивается за счет острых стальных наконечников-опор и большой массы устройства, обеспечивающей внедрение острых наконечников-опор в исследуемую поверхность. Масса устройства искусственно увеличена для обеспечения жесткости фиксации. Кроме того, жесткая фиксация устройства на изделии не обеспечивает возможность успешного проведения работ при наличии внешней вибрации на исследуемом изделии, что приводит к погрешности в измерениях.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является устройство для определения внутренних остаточных напряжений известное из RU 153777 U1 [4]. Устройство напряжений содержит лазер, установленный на пути его луча светоделитель и объектив, установленный перед средством регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия, а средство регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия выполнено в виде цифровой видеокамеры.
Недостатками такого устройства наличие некоторых погрешностей в измерениях при исследовании объектов сложной формы. Это обусловлено тем, что в таких случаях сложно убедиться в том, что исследуемая поверхность находится в фокусе объектива.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство для определения внутренних остаточных напряжений направлено на снижение погрешности измерений при использовании в полевых условиях и на поверхностях различной формы, расположенных в любых пространственных положениях.
Указанный результат достигается тем, что устройство для определения внутренних остаточных напряжений содержит лазер, для формирования интерферограммы, установленный на пути его луча светоделитель и объектив, установленный перед средством регистрации лучей лазера, отраженных от светоделителя и поверхности изделия, выполненным в виде цифровой видеокамеры. Устройство снабжено двумя дополнительными лазерами с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения лазера, используемого для формирования интерферограммы, при этом излучение дополнительных лазеров направлено под углом друг другу так, что их лучи пресекаются в фокальной плоскости объектива, а перед средством регистрации установлен узкополосный фильтр, пропускающий излучение лазера, используемого для формирования интерферограммы.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- снабжение устройства двумя дополнительными лазерами с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения лазера, используемого для формирования интерферограммы и установка их таким образом, что их излучение направлено под углом друг другу так, что их лучи пресекаются в фокальной плоскости объектива;
- установка перед средством регистрации узкополосного фильтра, пропускающего только излучение лазера, используемого для формирования интерферограммы.
Снабжение устройства двумя дополнительными лазерами с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения лазера, используемого для формирования интерферограммы и установка их таким образом, что их излучение направлено под углом друг другу так, что их лучи пресекаются в фокальной плоскости объектива позволяет обеспечить снижение погрешности измерений при использовании в полевых условиях и на поверхностях различной формы. Действительно, в ряде случаев затруднительно определить, находится ли поверхность исследуемого объекта в фокусе объектива или нет. А от этого зависит точность измерений. Если же использовать предлагаемую конструкцию, то по совмещению световых пятен от двух лазеров на исследуемой поверхности в одной точке можно будет судить о том, что поверхность находится в фокальной плоскости объектива, если же пятна смещены, то требуется соответствующая юстировка.
Использование дополнительных лазеров, если не принять надлежащих мер, может вносить погрешности в регистрацию интерферограмм, т.к. спектральная характеристика регистрирующей видеокамеры позволяет фиксировать весь видимый спектр. Поэтому, установка перед средством регистрации узкополосного фильтра, пропускающего только излучение лазера, используемого для формирования интерферограммы позволяет устранить не только отрицательное влияние наличия дополнительных лазеров, но и устранить паразитные засветки, вызванные внешним естественным освещением.
Сущность заявляемого устройства для определения внутренних остаточных напряжений поясняется примером реализации и чертежами. На фиг 1 представлена упрощенно принципиальная оптическая схема устройства. Стрелками со сплошными линиями показаны лучи от лазера используемого для формирования интерферограммы, пунктирными - от дополнительных лазеров. На фиг. 2 схематично показано использование дополнительных лазеров для определения фокусировки интерферометра, на котором буквами A, B, C показаны варианты расположения исследуемой поверхности относительно интерферометра, а буквами а, в, с - расположение световых пятен от дополнительных лазеров. Варианты «а» и «с» содержат два пятна от лазеров. Это означает что фокусировка интерферометра неправильная. В варианте «в» пятна от обоих лазеров сошлись в одну точку на исследуемой поверхности. Значит фокусировка интерферометра правильная.
Устройство для определения внутренних остаточных напряжений содержит лазер 1 (например, полупроводниковый) для формирования интерферограммы. На пути его луча установлен светоделитель 2 и объектив 3, установленный перед средством регистрации 4 лучей лазера, отраженных от светоделителя 2 и поверхности изделия 5. Средство регистрации выполнено в виде цифровой видеокамеры. Устройство снабжено двумя дополнительными лазерами 6, выбираемыми из числа известных, с длиной волны излучения, отличной от длины волны излучения лазера, используемого для формирования интерферограммы. Излучение дополнительных лазеров направлено под углом друг другу так, что их лучи пресекаются в фокальной плоскости объектива 3. Перед видеокамерой 4 установлен узкополосный фильтр 7, пропускающий только излучение лазера 1, используемого для формирования интерферограммы. Устройство размещено в корпусе и снабжено средствами его фиксации на исследуемой поверхности (на чертежах не показаны, как не затрагивающие техническую сущность предложения).
Устройство функционирует следующим образом. На исследуемую поверхность устанавливается устройство таким образом, чтобы та точка на исследуемой поверхности, где намечается проведение исследования остаточных напряжений, попала в зону освещения предметного луча от лазера 1. Эта же точка должна находиться в поле зрения цифровой видеокамеры 4. Кроме того, обеспечивается такое расположение устройства относительно исследуемой поверхности, чтобы световые пятна от лазеров 6 сошлись в одной точке (см. фиг. 2).
Включается лазер 1, луч которого попадает на светоделитель 2, где происходит его деление на опорный пучок и предметный пучок, который после падения на исследуемую поверхность 5 отражается от нее и попадает на матрицу цифровой видеокамеры 4, фокусируясь на ней с помощью объектива 3. Видеокамера записывает интерферограмму, получаемую за счет наложения опорного и предметного пучков. Далее на поверхности исследуемого объекта с помощью сверла высверливается отверстие диаметром от 2 до 5 мм и глубиной, равной радиусу сверления. Вторично включается лазер и записывается вторая интерферограмма, отличающаяся от первой изменившимся предметным пучком (из-за деформации кромок высверленного отверстия за счет локальной разгрузки остаточных напряжений в соответствии с законом Гука).
После получения двух интерферограмм (до и после сверления) с помощью соответствующего программного обеспечения производится их математическое вычитание друг из друга. Конечным результатом такого действия является интерференционная картина перемещений точек поверхности в окрестностях засверленного отверстия. Расшифровка картины перемещений точек поверхности заключается в определении осей симметрии картины (оси симметрии соответствуют направлению главных напряжений) и подсчету числа интерференционных полос, пересекающих оси симметрии. Пересчет величины перемещений в напряжения осуществляется на основе зависимостей, полученных при решении трехмерной задачи теории упругости для глухого отверстия.