Оптические методы

УДК 620.179.118.4

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДА ЛАЗЕРНОЙ

ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНЫХ

СВАРОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

¹РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Россия 119991 Москва, Ленинский пр-т, 65

² АО «НПО Лавочкина», Россия 141402 Московская обл., г. Химки, Ленинградская ул., 24

^*E-mail: trp91@rambler.ru

Поступила в редакцию 04.03.2022; после доработки 20.04.2022

Принята к публикации 29.04.2022

Определение и знание напряженно-деформированного состояния ответственных конструкций и деталей машин

позволяет принимать предупреждающие действия. Предложен новый подход в использовании метода лазерной интер-

ферометрии, предназначенного для оценки остаточных сварочных напряжений в металлических конструкциях. Отличие

этого подхода — применение одновременно двух лазеров с разными длинами волн, что позволяет повысить точность

получаемой информации. Результат заключается в снижении погрешности измерений, обусловленной дискретностью

измерения остаточных напряжений при подсчете интерференционных полос. Повышение точности измерения особенно

важно для случаев, когда уровень остаточных напряжений имеет относительно небольшие значения: например, послес-

варочные напряжения «легких» сплавов, дробеструйная обработка, лазерная поверхностная закалка.

Ключевые слова: метод оценки остаточных напряжений, лазерная интерферометрия, метод отверстия, остаточные

сварочные напряжения, точность измерения, длина волны.

DOI: 10.31857/S0130308222070065, EDN: BOJNTE

ВВЕДЕНИЕ

Остаточные напряжения возникают после различных термических или деформационных воз-

действий, приводящих к остаточным пластическим деформациям и остаточным напряжениям:

закалка, наклеп, механическая обработка, сварка, наплавка, лазерная поверхностная обработка.

Например, причиной возникновения остаточных напряжений при сварке плавлением являются

пластические деформации, возникшие при быстром неравномерном расширении околошовной

зоны при нагреве. Значительный объем прилегающих холодных областей основного металла пре-

пятствует увеличению зоны пластических деформаций. При остывании металла пластически

деформированные элементы материала не возвращаются в первоначальное положение. В резуль-

тате появляются деформации, приводящие к возникновению в равновестном состоянии сжимаю-

щих и растягивающих остаточных напряжений. Наличие высокого уровня остаточных напряже-

ний влияет на работоспособность и долговечность сварной конструкции: могут приводить к

усталостному разрушению, к коррозионному растрескиванию под напряжением, к нестабильно-

сти размеров всей конструкции. Поэтому информация о полях остаточных напряжений (как в

количественном, так и в качественном представлении) может существенно помочь в разработке

технологических мероприятий, направленных на их снижение или перераспределения [1—4].

Расчетные методы, позволяющие получать информацию о распределении остаточных напря-

жений в сварной конструкции, в настоящее время применяют все более часто. Это объясняется все

более точным цифровым описанием процессов, происходящих в металле в процессе и после свар-

ки. Однако полностью отказаться от экспериментальных методов получения информации о вели-

чине, направлении и знаке трех главных компонент тензора напряженного состояния пока не пред-

ставляется возможным [5—9].

Среди экспериментальных методов оценки напряженного состояния в зоне сварного шва мето-

ды оптической интерферометрии имеют ряд преимуществ: быстрота выполнения и широкая рас-

пространенность, незначительный объем повреждения исследуемых конструкций, измерение

абсолютных значений остаточных напряжений. Метод состоит в изучении созданной при помощи

лазера интерференционной картины поля деформаций при упругой разгрузке, возникающей после

сверления зондирующего отверстия. Интерференционная картина представляет собой чередую-

щиеся дугообразные темные и светлые интерференционные полосы, отходящие от кромок отвер-

стия или отпечатка. Все точки, лежащие на одной интерференционной полосе, имеют одинаковое

по величине перемещение. Оси симметрии интерференционной картины перемещений являются

и осями главных напряжений. Путем подсчета интерференционных полос по осям симметрии,

Повышение чувствительности метода лазерной интерферометрии...

зная геометрию отверстия и модуль упругости материала, вычисляются остаточные напряжения

[10—16]. В прошлой статье [17] было показано, как можно повысить чувствительность метода

лазерной интерферометрии, основанного на применении интерферометра, построенного по опти-

ческой схеме Лейта—Упатниекса. Схема Лейта—Упатниекса позволяет за одну экспозицию опре-

делить направление главных напряжений и их величину. Иные используемые в настоящее время

оптические схемы позволяют определить величину перемещения точек на кромке зондирующего

отверстия только по одному главному направлению [18], т.е. за одну экспозицию, применяя иные

оптические схемы, можно получить на 50 % меньше информации — только о величине напряже-

ний только по одному главному направлению. Однако чувствительность иных оптических схем

оказалась выше. За счет изменения угла наклона оптической плоскости интерферометра и пере-

хода к применению лазера с меньшей длиной волны удалось повысить чувствительность метода,

основанного на оптической схеме Лейта—Упатниекса, примерно в 2,5 раза и сравняться по чув-

ствительности с альтернативными схемами [17].

ПОВЫШЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДА ЛАЗЕРНОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

Интерферограмма (рис. 1) представляет собой картину, на которой видно зондирующее

отверстие и отходящие от него черные полосы. Каждая черная полоса представляет собой

набор точек поверхности, претерпевших одинаковое по величине и направлению перемещение

после создания зондирующего отверстия. Соседняя черная полоса состоит из точек, которые

претерпели перемещение относительно предыдущей полосы на величину, равную половине

длины волны, излученной лазером (λ/2). Расшифровка интерферограммы состоит в определе-

нии направления главных перемещений (осей главных напряжений по X и Y соответственно)

и величине перемещений точек на кромке отверстия по этим осям (далее легко пересчитать

эти перемещения в напряжения в МПа в соответствии с математической зависимостью, полу-

ченной на основе закона Гука). Величина перемещений точек на кромке отверстия определя-

ется через визуальный подсчет числа интерференционных полос, пересекающих условные оси

симметрии картины на интерферограмме, соответствующие направлению осей главных

напряжений. Если геометрические параметры всех или большинства отверстий, которые будут

выполнены на данной поверхности, будут неизменными, то достаточно просто изначально

Рис. 1. Интерферограмма и ее расшифровка:

а — интерферограмма; б — определение направления главных осей

как осей симметрии на интерферограмме; в — подсчет числа чер-

ных интерференционных полос, пересекающих одну из осей сим-

метрии.

Дефектоскопия

№ 7

2022

А.А. Антонов, А.А. Бондаренко, И.В. Стрельников, И.Ю. Уткин

Рис. 2. Интерферограмма с двумя интерференционными полосами.

рассчитать цену одной интерференционной полосы в МПа для каждого спектра излучения

отдельно.

В ряде случаев, когда величина остаточных напряжений в исследуемой точке значительно

меньше предела текучести, даже повышенной чувствительности метода лазерной интерфероме-

трии оказывается недостаточно, чтобы относительно достоверно оценить напряженное состояние.

Например, когда на интерферограмме наблюдается малое число полос, это говорит о невысоком

уровне остаточных напряжений (рис. 2).

Каждая интерференционная полоса добавляет к значению перемещений точки на кромке

отверстия величину, равную λ/2. Точность определения на кромке не зависит от числа полос и

составляет диапазон, равный еще одной интерференционной полосе, т.е.





W=N

⁺2 ,





-0

где W — величина перемещения точки, лежащей на главной оси на кромке зондирующего отвер-

стия; N — число интерференционных полос; λ — длина волны излучения лазера.

Таким образом, максимальная погрешность, независимо от числа подсчитанных полос, равна

одной неучтенной (незамеченной на интерферограмме) интерференционной полосе. Реальное зна-

чение числа интерференционных полос N_реал, соответствующее перемещению точки на кромке

зондирующего отверстия по одному из направлений главных напряжений, лежит в диапазоне

между подсчитанным числом полос N и значением N+1, т.е. N_реал может быть не целым числом.

Для дальнейшего повышения чувствительности предложено установить в интерферометре два

лазера с разными длинами волн излучения и записывать интерферограммы для каждой волны

излучения раздельно. В этом случае, после анализа двух интерферограмм мы имеем два диапазо-

на, внутри которых находится истинное значение перемещения точки на кромке отверстия.

Каждый из диапазонов получен для лазера с одной из выбранных длин волн [N_x; N_x+1] и [N_y; N_y+1].

Выбираем между двумя значениями нижней границы диапазона N_xи N_yмаксимальное, а между

двумя значениями верхней границы диапазона N_x+1 и N_y+1 — минимальное. Таким образом, окон-

чательный диапазон, внутри которого находится реальное значение числа интерференционных

полос, — [N_y; N_x+1].

В эксперименте, результаты которого представлены ниже, были использованы лазерные диоды

с длинами волн 650 нм (красный спектр излучения) и 532 нм (зеленый спектр излучения).

Конструктивно лазерный интерферометр состоит из блока лазерных диодов, делительного элемен-

та, объектива и цифровой камеры. Блок лазерных диодов состоит из двух лазерных диодов с раз-

ными длинами излучаемых волн и жидкокристаллического элемента, поочередно перекрывающе-

го излучение одного из лазеров (рис. 3).

Последовательность работы с комбинированным интерферометром следующая. После уста-

новки интерферометра на исследуемую поверхность последовательно записываются две интерфе-

рограммы в красном и зеленом спектрах. Затем, без демонтажа интерферометра создается зонди-

рующее отверстие. Далее, после завершения сверления последовательно получаем еще две интер-

Дефектоскопия

№ 7

2022

Повышение чувствительности метода лазерной интерферометрии...

Рис. 3. Оптическая схема интерферометра:

1 — лазерный диод с длиной волны 650 нм; 2 — лазерный диод с длиной волны 532 нм; 3 — делительный элемент; 4 — исследуемая

поверхность; 5 — объектив; 6 — цифровая видеокамера.

ферограммы в красном и зеленом спектрах. После получения всех интерферограмм с помощью

соответствующего программного обеспечения математически производится вычитание друг из

друга интерферограмм, полученных с помощью красного лазера, и интерферограмм, полученных

с помощью зеленого лазера.

В одном из экспериментов при изучении пластины из алюминиевого сплава АМг-6 толщиной

5 мм, имеющий стыковой сварной шов, были получены следующие интерферограммы, представ-

ленные на рис. 4 и 5. Зондирующее отверстие диаметром 3,0 мм и глубиной 1,5 мм было создано

в области основного металла на расстоянии 4 мм от линии сплавления.

Рис. 4. Интерферограмма, полученная при работе красного лазерого диода с длиной волны 650 нм.

На рис. 6 показана методика повышения точности путем уменьшения диапазона, внутри кото-

рого находится искомое значение N_реал.

В результате анализа интерферограммы, полученной с помощью красного лазера (см. рис. 4),

зафиксировано 2 интерференционные полосы. Следовательно, реальное число полос лежит в диа-

пазоне от 2 до 3. На интерферограмме, полученной с помощью зеленого лазера (см. рис. 5), зафик-

сировано 3 интерференционных полосы. Следовательно, реальное значение величины N лежит в

диапазоне от 3 до 4.

Дефектоскопия

№ 7

2022

А.А. Антонов, А.А. Бондаренко, И.В. Стрельников, И.Ю. Уткин

Рис. 5. Интерферограмма, полученная при работе зеленого лазерого диода с длиной волны 532 нм.

N_реал

N_зел+1

N_кр+1

N_зел

N_кр

Рис. 6. Схема повышения точности определения реального значения количества интерференционных полос, соответ-

ствующих величине перемещений точки на кромке зондирующего отверстия, за счет применения двух лазеров с разны-

ми длинами волн.

Таблица

Результаты расчета величины напряженного состояния

Диапазон значений напря-

Длина

женного состояния, внутри

волны

Диаметр

Глубина

Цена одной

Число зафиксированных

№

которого находится реаль-

излучения

отверстия,

интерференционной

интерференционных

п/п

ное значение остаточного

лазерного

мм

полосы, МПа

полос

напряжения, для данной

диода, нм

точки поверхности, МПа

650

3,0

1,5

12,13

24,26—36,39

532

3,0

1,5

9,93

29,79—39,72

Одновременное применение красного и зеленого лазера для одного зондирующего

29,79—36,39

отверстия

Для соответствующих геометрических параметров отверстия при применении красного (длина

волны 650 нм) и зеленого (длина волны 532 нм) лазеров расчетная цена одной интерференционной

полосы будет составлять 12,13 и 9,93 МПа. В табл. 1 приведены результаты расчета напряженного

состояния по вертикальной оси интерферограмм.

Дефектоскопия

№ 7

2022

Повышение чувствительности метода лазерной интерферометрии...

Таким образом, в данном случае нам удалось повысить точность определения значения напря-

женного состояния с разброса значения в 50 % от расчетной величины для красного спектра излу-

чения и 33 % для зеленого спектра излучения до величины до 22 % при комплексном применении

двух лазеров с разными длинами волн.

Таким образом, применение усовершенствований в методе лазерной спекл-интерферометрии

позволяет производить более точное измерение остаточных напряжений. Данное обстоятельство

играет существенную роль при выполнении поисковых сравнительных работ для оптимизации

технологий, а также при малых величинах напряжений.

Необходимо отметить, что выполнение работ с использованием лазерного интерферометра не

требует значительных усилий на подготовку поверхности. Основная задача таких работ — удалить

с поверхности загрязнения, которые могут деформироваться иначе, нежели сама поверхность в

зоне зондирующего отверстия, т.е. тонкий слой лакокрасочного покрытия допустим. Уровень

шероховатости поверхности не оказывает какого-либо влияния на качество и достоверность полу-

ченных интерферограмм. Важно соблюдение заданного угла между оптической плоскостью

интерферометра и касательной к исследуемой поверхности, проведенной в точке, где планируется

создать зондирующее отверстие.

Черные цифры на рис. 1, 2, 5 и 6 обозначают номер отверстия и наносятся на поверхность до

выполнения первой экспозиции. Задача их нанесения — идентифицировать интерферограмму,

однозначно привязать ее к конкретному отверстию. Для того, чтобы они не мешали восприятию

интерферограмм, расстояние между кромкой отверстия и ближайшей к ней точке символа цифры

должна быть не менее двух диаметров зондирующего отверстия. Однако на рис. 2 приведена

интерферограмма, где это расстояние уменьшено. Но это нарушение не приводит к невозможности

расшифровать данную интерферограмму.

ВЫВОДЫ

1. Формирование двух спекл-интерферограмм от лазеров с разными длинами волн излучения

позволяет снизить погрешность измерения, обусловленную дискретностью измерения остаточных

напряжений при подсчете интерференционных полос.

2. Конструктивно конструкция лазерного интерферометра и его оптическая схема практически

не изменяется. Вместо одного лазера в интерферометр монтируются два лазера с разными длина-

ми волн излучения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волков С.С., Коновалов А.В., Куркин А.С. Разработка технологии снижения остаточных напряже-

ний и деформаций в зоне сварного соединения ультразвуковыми колебаниями // Сварочное производ-

ство. 2018. № 4. С. 32—38.

2. Hosford William F. Residual Stresses / In: Mechanical Behavior of Materials. Cambridge University

Press, 2005. P. 308—321. ISBN 978-0-521-84670-7.

3. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений. М.:

Машиностроение, 1984. 280 с.

4. Сагалевич В.М., Савельев В.М. Стабильность сварных соединений и конструкций. М.:

Машиностроение, 1986. 264 с.

5. Прилуцкий М.А. Методы определения напряженно-деформированного состояния сварных метал-

локонструкций. Обзор // Сварка и диагностика. 2007. № 1. С. 17—21.

6. Rossini N.S., Dassisti M., Benyounis K.Y., Olabi A.G. Methods of measuring residual stresses in

components // Materials and Design, 2012. № 35. P. 572—588.

7. Алёшин Н.П. Возможности методов неразрушающего контроля при оценке напряженно-дефор-

мированного состояния нагруженных металлоконструкций // Сварка и диагностика. 2011. № 6.

C. 44—47.

8. Withers P.J., Bhadeshia H.K. Residual stress. Part 1 — Measurement techniques (Overview) // Materials

Science and Technology. 2001. № 17. P. 355—365.

9. Пироговский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений / Справочник.

М.: Машиностроение, 1983. 248 с.

10. Sarga P., Menda F. Comparison of ring-core method and hole-drilling method used for determining

residual stresses // American journal of mechanical engineering. 2013. No. 1. P. 335—338.

11. Barsanti M., Beghini M., Santus C., Benincasa A., Bertelli L. Integral method coefficients and

regularization procedure for the ring-core residual stress measurement technique // Advanced materials

research. 2014. № 996. P. 331—336.

Дефектоскопия

№ 7

2022

А.А. Антонов, А.А. Бондаренко, И.В. Стрельников, И.Ю. Уткин

12. Чернышев Г.Н., Попов А.Л., Козинцев В.М. Полезные и опасные остаточные напряжения //

Природа. 2002. № 10. С. 1—10.

13. Антонов А.А. Разработка научных основ метода определения остаточных напряжений в сварных

конструкциях с применением голографической интерференции / Дисс. … докт. техн. наук. М., 1984.

С. 470.

14. Лобанов Л.М., Пивторак В.А., Савицкий В.В., Ткачук Г.И. Оперативное определение остаточных

напряжений с использованием электронной спекл-интерферометрии // В мире неразрушающего кон-

троля. 2005. Т. 27. № 1. С. 10—13.

15. Антонов А.А. Оперативная оценка и исследование напряженно-деформированного состояния

сварных соединений объектов нефтегазового комплекса // Сварочное производство.

2010.

№ 5.

С. 23—27.

16. Пономарев К.Е., Стрельников И.В. К вопросу выбора экспериментального метода оценки оста-

точных напряжений в сварных конструкциях // Сварка и Диагностика. 2018. № 2. С. 29—34.

17. Антонов А.А., Капустин О.Е., Уткин И.Ю. Развитие метода лазерной интерферометрии, пред-

назначенного для оценки остаточных напряжений в сварных конструкциях // Дефектоскопия. 2020.

№ 5. С. 45—51. [Antonov A.A., Kapustin O.E., Utkin I.Yu. Development of a Laser Interferometry Method for

Assessing Residual Stresses in Welded Structures // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2020. V. 56.

No. 5. P. 445—451.]

18. Махутов Н.А., Разумовский И.А., Косов В.С., Апальков А.А., Одинцев И.Н. Исследование оста-

точных напряжений с применением электронной цифровой спекл-интерферометрии в натуральных

условиях // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2008. № 5. Т. 74. С. 47—51.

19. Антонов А.А., Стрельников И.В. Способ определения внутренних остаточных напряжений и

устройство для его осуществления / Патент на изобретение RU 2712929 C1.

Дефектоскопия

№ 7

2022