Исследование влияния остаточных напряжений в сварных соединениях на акустические параметры

Диагностика состояния металлических сплавов неразрушающими методами Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 109-112

УДК 534.222:620.179.16

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ НА АКУСТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

© 2010 г.

1 Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН 2Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

imndt31 @mts-nn.ru

Поступила в редакцию 15.05.2010

Проведены теоретические и экспериментальные исследования влияния структурного состояния и механических напряжений на параметры распространения объемных упругих волн в металлических сплавах. Разработан алгоритм неразрушающего контроля уровня механических напряжений в сварных соединениях.

Ключевые слова: акустический метод, сварное соединение, механические напряжения, коэффициент Пуассона.

Контроль напряженного состояния металла, как при производстве, так и в процессе эксплуатации изделия, является очень важной задачей. Для определения механических напряжений в материале можно использовать акустический метод, отличающийся своей надежностью, низкой стоимостью, безопасностью. Актуальными на сегодня задачами акустической тензометрии остаются создание точных измерителей и разработка методик, не требующих измерений акустических параметров объекта в разгруженном состоянии.

Применение ультразвука для оценки величины упругих напряжений основано на эффекте акустоупругости, который отражает нелинейную связь между напряжениями и деформациями и, как следствие, влияние напряжений на скорости упругих волн (УВ) [1]. В случае двухосного напряженного состояния зависимости скоростей объемных УВ от напряжений для ортотропных материалов описываются соотношениями [2]:

ру! = рУо1 + ¿[<71 + ¿272 , РУ22 = РУ02 + ¿371 + ¿472 ,

р^32 -pV03 + d5a1 + d6а2,

В реальных условиях измерить толщину материала не всегда возможно, поэтому для расчета напряжений удобнее перейти к отношениям скоростей, которые могут быть измерены через времена распространения упругих волн:

V1

2

v3

V з у

2

f V2. v V3 у

V0

2

01

03

1 +

d1 d 2

-----2 a1 +---------2 a 2

pV01 pV01

d5 1 + —5

d

6

2

f V02

v V03 у

2 a1 +--------------V a2

p V03 p V03

d3 d^

1 +--------2 a1 +------------2 а 2

pV02 pV02

1+

Приняв, что pVoi получим

d5 d6

~2 a1 +tT

pV03 pV03

2

pV022 ~ M-, pV032 ~ Л + 2 ц,

V1 * V01

V3 V03

V2 * V02

V3 ~ V03

d

5

1 + 1 (* -

2 V ц X + 2ц

1 +1 (^3 __

2 V ц X + 2ц

Вводя обозначения

1 f di _ d 6 Ь У

2 Vц X + 2ц

1 d6 К ).

2 V ц X + 2ц

k -1 (d1 _ d5 1,

где о1 и о2 - главные напряжения, У1 и У2 -скорости поперечных волн, поляризованных вдоль главных напряжений, У3 - скорость продольной волны, У0,- = У1 (при о1 + о2 = 0), - коэффициенты акустоупругости, выражаемые через упругие модули второго и третьего порядков. Направление распространения упругих волн перпендикулярно поверхности листа, о1 и о2 действуют вдоль осей ортотропного материала.

k2 -1 (d2—

2 Vц X+2ц

V V03

k3 --

2Vц X+2ц

2 V ц X + 2цу

k4 - d4

2 V ц Х+2ц

^ =1±1_°А - 1 и J2 = У2у01 _ 1, придем к простой У3 у01 У3 У02

системе уравнений для определения напряжений:

Jl = к^ + ^272 , J2 = кз<31 + ^472 .

Откуда легко получить

а1

k4J1 _ k2J2

k^4 — k2k3

Q2 -

k-1^2 _ ¿3^1

3J1

к-^4 — А^А3

а

2

5

Рис. 1

Соотношения (5) могут быть использованы для оценки механических напряжений на элементах конструкций при одностороннем доступе к ним.

Соотношения скоростей продольных и поперечных упругих волн связаны с коэффициентами Пуассона материала:

'31

_ 0.5-Уу V)2 _ 0.5-ІІ3І

1 -Шуз )2 1 -(¿з/О2

_ 0.5-

32 " 1 -(У*/Уз У ~ 1 -(Ь/Ь )2 ’

где и і2 - времена распространения поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката соответственно, ?3 - время распространения продольной волны.

Анизотропия упругих свойств катанных листовых сплавов связана в основном с кристаллографической текстурой, формируемой в процессе пластической и термической обработки металла. В отсутствии напряжений скорости объемных упругих волн, распространяющихся перпендикулярно поверхности плоского образца из катаного материала, зависят от коэффициентов Ж400 и Ж420 функции распределения ориентировок [3]. Известно, что структурная неоднородность материала, возникающая при его производстве, приводит к неоднородному по объему

распределению упругих характеристик и, следовательно, акустических параметров [4, 5]. Проведенные акустические исследования катаных листовых сплавов показали, что распределение упругих характеристик не случайно, существует линейная связь между коэффициентами Пуассона у31 и у32. Наличие в материале механических напряжений нарушает линейную связь. На рис. 1а приведена связь коэффициентов у31 и у32 во фрагменте трубы магистрального газопровода из стали 09Г2С до и после снятия остаточных напряжений, горизонтальные и вертикальные участки означают погрешности измерений. Коэффициенты Пуассона у31 и у32 были получены по формуле (6). Время распространения объемных упругих волн измеряли эхо-импульсным методом. Описание методики измерений приведено в [4]. Точки вблизи прямой соответствуют измерениям в отсутствие остаточных напряжений. Наличие остаточных напряжений приводит к отклонению точек от прямой линии.

Распределение остаточных напряжений в стыковых сварных соединениях труб определяется диаметром трубы, толщиной трубы и остаточной пластической деформацией еосг, которая возникает в процессе сварки. Расчет производился с помощью алгоритма, приведенного в [6] для трубы из стали Х70 с диаметром 1200 мм и с толщиной 12 мм. Отклонение исходных ко-

ст. МПа

♦ світах i^ltriin ост2тах &<т2тгп Рис. 2

эффициентов у31 и у32 от среднего значения задавалось случайным образом по нормальному закону распределения. Среднее значение и среднеквадратическое отклонение соответствовало данным экспериментальных исследований участков труб из стали Х70 и стали 09Г2С. Изменение коэффициентов у31 и у32 при наложении остаточных напряжений вычисляли с помощью формул (5) и (6). При вычислениях использовались акустоупругие коэффициенты, приведенные в [7] для стали Х70 с анизотропией А0 = 0.0525.

Распределение вдоль оси трубы остаточных осевых о1 и кольцевых о2 напряжений, начальное распределение коэффициентов Пуассона у31 и у32 и их распределение, полученное при наложении остаточных напряжений, приведены на рис. 1 в, г. Как видно из этих рисунков, на расстоянии более 200 мм от шва остаточные напряжения практически отсутствуют, что позволяет оценить средние значения коэффициентов Пуассона и их среднеквадратические отклонения, вызванные структурной неоднородностью материала. На рис. 1в, г пунктиром показаны зоны, где приложение остаточных напряжений не изменяет коэффициенты у31 и у32. На рис. 1в это зона вблизи точки смены знака напряжения о1, расстояние от шва приблизительно 60 мм. На рис. 1г это зона вблизи точки смены знака напряжения о2, расстояние от шва приблизительно 40 мм. На рис. 1 б представлена связь между коэффициентами у31 и у32, полученная в результате моделирования. Сплошная прямая линия соответствует исходному состоянию материала. Угол наклона прямой линии характеризуется начальной акустической анизотропией А0 = 0.0525. Отклонение точек от прямой связано с наличием остаточных напряжений. Точки вблизи прямой линии,

окрашенные в черный цвет, соответствуют зонам, где о1 ~ 0 и о2 ~ 0. Незакрашенные точки соответствуют зонам, где о1 ф 0 и о2 ф 0. Таким образом, по отклонению точек зависимости ^32 (У31) от прямой линии можно судить о величине действующих напряжений. В качестве параметра, характеризующего разброс точек относительно исходной прямой, можно использовать статистический параметр 5:

Ь_4й/К,

где N - число зон контроля, Q - сумма квадратов отклонения точек от исходной прямой.

На рис. 2 приведена связь между максимальными по модулю напряжениями и величиной 1045.

На рис. 2 о1шах и с1шщ - максимальные растягивающие и сжимающие осевые напряжения, с2шах и с2шщ - максимальные растягивающие и сжимающие кольцевые напряжения. Значения с1шах и о2шах были рассчитаны на расстоянии 20 мм от шва, что примерно равно ширине зоны термического влияния сварного шва. Значения механических напряжений определялись при максимальных остаточных пластических деформациях на оси шва еосг = 0.15%, 0.10% и

0.05%. При моделировании задавалась зона действия остаточных пластических деформаций - 60 мм. Расстояние от шва, где єост уменьшалась в е раз, составляло 38 мм.

Заключение

Авторами предлагается алгоритм определения уровня остаточных напряжений в сварном соединении по отклонению зависимости v32 (у31) от линейной. Алгоритм заключается в выявлении расчетными методами зон, в которых отсутствуют остаточные напряжения, определении связи

между коэффициентами у31 и у32 в этих зонах и расчете максимальных по модулю остаточных напряжений вблизи сварного шва по величине статистического параметра 5. Результаты моделирования распределения остаточных сварочных напряжений в материале позволили выявить не-нагруженные области материала, максимально приближенные к сварному шву, и измерить коэффициенты Пуассона в этих областях. Отклонение коэффициентов Пуассона в зонах, подверженных влиянию остаточных напряжений, от исходной прямой линии позволяет оценить величину максимальных по модулю остаточных напряжений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 08-08-97058-р_поволжье_а и 08-08-97057-р_поволжье_а ).

Список литературы

1. Зарембо Л.К., Красильников В. А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966.

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. № 1. P. 109-117.

3. Sayers C.M. Ultrasonic velocities in anisotropic polycrystalline aggregates. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1982. V. 15. P. 2157-2167.

4. Мишакин В.В., Гончар А.В., Курашкин К.В., Данилова Н.В. Исследование разрушения при статическом нагружении сварных соединений акустическим методом // Тяж. маш. 2009. № 7. С. 27-30.

5. Мишакин В.В., Наумов М.Ю., Мишакин С.В., Кассина Н.В. Разработка акустического метода оценки поврежденности металлических сплавов до образования макротрещины // Дефектоскопия. 2007. № 10. С. 49-57.

6. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.: Машиностроение, 1984. С. 130-131.

7. Углов А.Л., Ерофеев В.И., Смирнов А.Н. Акустический контроль оборудования при изготовлении и эксплуатации. М.: Наука, 2009.

INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF RESIDUAL STRESSES IN WELDED JOINTS

ON ACOUSTIC PARAMETERS

K. V. Kurashkin, V. V. Mishakin

Theoretical and experimental investigations have been carried out to study the influence of the structural state and mechanical stresses on propagation parameters of bulk elastic waves in metal alloys. An algorithm to provide nondestructive testing of mechanical stress levels in weld joints has been developed.

Keywords: acoustic method, welded joint, mechanical stresses, Poisson's ratio.