Устройство для диагностики напряженно-деформированного состояния упругих тел

Полезная модель относится к устройствам для определения уровня остаточных напряжений в сварных конструкциях. Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что она снабжена корпусом, в котором жестко закреплены лазер и видеокамера, на открытом торце корпуса выполнено сферическое окончание, с внутренней стороны которого размещена оптическая система в виде светового клина с углом 3-5⁰, а к сферическому окончанию посредством кольцевой платформы прикреплены три стержневые опоры с наконечниками и постоянными магнитами, корпус закреплен в платформе с возможностью фиксированного поворота относительно вертикали на угол до 30⁰, а в самой кольцевой платформе выполнены полости, заполненные легкоплавким металлом с высокой плотностью.

Устройство относится к оборудованию для измерения остаточных напряжений в поверхностных слоях деталей и полуфабрикатов.

В настоящее время наиболее интенсивное развитие получили мало разрушающие методы проявления остаточных напряжений. Их основные преимущества перед разрушающими методами состоят в том, что объект при исследовании не теряет целостности. Воздействие носит локальный характер, разрушению подвергается часть объема металла, входящая в припуск под механическую обработку. Однако при этом мало разрушающие методы в подавляющем большинстве ориентированы на измерение остаточных напряжений на поверхности или в приповерхностном слое объекта.

Перспективным для определения уровня остаточных напряжений является метод спекл-интерферометрии, основанный на использовании видеокамеры, соединенной с компьютером (Г.Н.Чернышев, А.Л.Попов, А.А.Антонов, С.Д.Иванов, В.М.Козинцев. Технологические напряжения в сварных соединениях.//М.: МГОУ. 2004. 254 с). Это позволяет более оперативно проводить замеры остаточных напряжений и подвергать их компьютерной обработке.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является интерферометр ЛИМОН, который был разработан на основе схемы Лейта-Упатниекса (Свидетельство РФ №25081 на полезную модель, 7 G 01 В 11/16). Он содержит источник монохромного когерентного

излучения (лазер), детектор (видеокамеру), оптическую систему (полупрозрачное и диффузионно-рассеивающее зеркала), вмонтированную в корпус интерферометра, аналогово-цифровой преобразователь (видеокарту с аналоговым видеовходом), подключенную к компьютеру, компьютер (стационарный или типа Notebook), интерфейс (программное обеспечение).

Лазер излучает монохромный когерентный световой поток. Световой поток падает на полупрозрачное делительное зеркало, которое формирует опорный и предметный лучи. Опорный луч, проходя через диффузионно-рассеивающее зеркало, попадает в объектив видеокамеры. Предметный луч освещает поверхность объекта вокруг исследуемой точки. Отражаясь от поверхности исследуемого объекта, предметный луч падает на диффузионно-рассеивающее зеркало. Отражаясь от диффузионно-рассеивающего зеркала предметный луч попадает в объектив видеокамеры, в которой, накладываясь на опорный луч формируется спекл-изображение поверхности исследуемого объекта. Полученное на приборе спекл-изображение, по телевизионному кабелю видеокамера передает на вход аналогово-цифрового устройства (аналоговый вход видеокарты). После этого, спекл-изображение, представленное в цифровом виде, записывается на жесткий диск компьютера.

Недостаткам данного устройства является то, что оно применимо в основном только для измерений на плоских поверхностях или телах вращения с большим радиусом и не позволяет производить замеры в угловых сварных соединениях.

Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что лазер и видеокамера закреплены в общем корпусе, на открытом торце которого размещена оптическая система в виде светового клина, корпус на открытом торце снабжен сферическим окончанием, к которому посредством кольцевой платформы присоединены три стержневые опоры с наконечниками и постоянными магнитами, при этом корпус установлен в кольцевой платформе с возможность фиксированного отклонения от вертикали.

При этом в кольцевой платформе выполнены полости, заполненные легкоплавким металлом с высокой плотностью.

Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами: на фиг.1 показана схема устройства; на фиг.2 - внешний вид устройства при измерении напряжений в угловых соединениях; на фиг.3 - схема расположения зондирующих отверстий при построении эпюр остаточных напряжений на поверхности сварных образцов; на фиг.4 - распределение продольных остаточных напряжений по длине сварных образцов без ребра жесткости после сварки.

Заявляемое устройство для диагностики напряженно-деформированного состояния упругих тел содержит корпус 1, в котором расположен оптический блок, состоящий из лазера 2 и видеокамеры 3. В заявляемом устройстве используется видеокамера типа вкр 600 с объективом и регулируемой диафрагмой. В устройстве в качестве источника когерентного излучения применяется лазер мощностью 15 мВт с длиной волны 0,64 мкм. Камера 3 и лазер 2 крепятся в корпусе 1 с помощью механического прижима. Для обеспечения стабильного теплового режима (отвода тепла от лазера 2 и камеры 3) корпус 1 оптического блока изготавливается из алюминия.

На открытом торце корпуса 1 выполнено сферическое окончание 4 диаметром 70 мм. На торце сферического окончания 4 расположен световой клин 5. Световой стеклянный клин 5 имеет угол 5° с максимальной толщиной 15мм и диаметром 50мм. Световой клин 5 жестко закреплен в корпусе 1.

Кольцевая платформа 6 тоже изготовлена из алюминия и предназначена для крепления оптического блока и опор 7 (ножек). Внутренний диаметр кольцевой платформы 6 имеет ответную форму под сферическое окончание 4 оптического блока 1. В кольцевой платформе 6 предусмотрены полости 8 для заполнения легкоплавким металлом с высокой плотностью (свинцом) с целью погашения вибраций, которые возникают при возмущении поверхности. На кольцевую платформу 6 сверху одевается

прижимное кольцо 9 для четкой фиксации корпуса 1 оптического блока относительно вертикали к поверхности исследуемого образца 10. Прижимное кольцо 9 прижимается винтами 11 к кольцевой платформе 6.

Ножки 7 устройства предназначены для крепления устройства к поверхности 10 исследуемого материала. Ножки 7 состоят из стержня, где с одного конца он оканчивается резьбой для крепления к кольцевой платформе 6, а с другой стороны крепится постоянный магнит, в который вмонтирован конусный наконечник 12 из твердого сплава типа ВК 8.

Под действием веса устройства наконечники 12 врезаются в исследуемую поверхность 10, а наличие магнита позволяет увеличить силу давления на наконечник 12 (фиг 1).

Устройство надежно устанавливается на исследуемую поверхность 10 в нижнем положении благодаря пластической деформации поверхности 10 в месте контакта с наконечником 12.

Устройство работает следующим образом. Лазер 2 излучает монохромный когерентный световой поток 13. Световой поток 13 падает на световой клин 5, который формирует опорный 14 и предметный 15 лучи. Опорный луч 14 попадает в объектив видеокамеры 3. Предметный луч 15 освещает поверхность объекта 10 вокруг исследуемой точки. Отражаясь от поверхности исследуемого объекта 10, предметный луч 15 падает на световой клин 5. Отражаясь от светового клина 5, предметный луч 15 попадает в объектив видеокамеры 3, в которой, накладываясь на опорный луч 14 формируется спекл-изображение поверхности исследуемого объекта 10. Спекл-изображение по телевизионному кабелю видеокамера 3 передает на вход аналогово-цифрового устройства (аналоговый вход видеокарты). После этого, спекл-изображение, представленное в цифровом виде, записывается на жесткий диск компьютера.

При измерении напряжений в угловых сварных соединениях винт 11 выворачивается и прижимное кольцо 9 освобождает шаровое окончание 4 корпуса 1. При установке устройства на исследуемый объект винт 11

вворачивается в кольцевую платформу 6 и через кольцо 9 фиксирует корпус 1 в требуемом положении. Предлагаемая фиксация корпуса 1 позволяет поворачивать прибор на 30°, что обеспечивает возможность делать замеры на угловых швах или позволяет избежать перестановки прибора для замера соседней точки (фиг.2).

Заявляемое устройство было использовано для определения уровня остаточных напряжений в сварном соединении пластин размерами 1000×100×10 мм с V - образной разделкой кромок. Заварка образцов выполнялась за два прохода полуавтоматической сваркой в среде углекислого газа на режиме: ток сварки - 220 А, напряжение на дуге - 34 В, скорость подачи присадочной проволоки 11 м/мин, диаметр присадочной проволоки 1,2 мм, материал присадочной проволоки - Св 08 Г 2 С. Величину остаточных напряжений определяли в поперечных сечениях балки вдоль всей длины с шагом 100 мм (фиг.3).

На фиг.4 показано распределение продольных остаточных напряжений по длине сварных образцов после сварки, полученное с помощью заявляемого устройства.

Использование заявляемого устройства позволит оперативно определять уровень остаточных напряжений в реальных конструкциях на стыковых и угловых швах непосредственно после различных технологических операций.

Устройство диагностики напряженно-деформированного состояния упругих тел, содержащее источник монохромного когерентного излучения (лазер), видеокамеру, интерфейс, микрокомпьютер, отличающееся тем, что оно снабжено корпусом, в котором жестко закреплены лазер и видеокамера, на открытом торце корпуса выполнено сферическое окончание, с внутренней стороны которого размещена оптическая система в виде светового клина с углом 3-5°, а к сферическому окончанию посредством кольцевой платформы прикреплены три стержневые опоры с наконечниками и постоянными магнитами, корпус закреплен в платформе с возможностью фиксированного поворота относительно вертикали на угол до 30°, а в самой кольцевой платформе выполнены полости, заполненные легкоплавким металлом с высокой плотностью.