RU2115901C1 - Gear determining residual stresses - Google Patents

Abstract

FIELD: aids of X-ray/structural analysis determining residual stresses in metal structures. SUBSTANCE: gear includes body, source of X-ray radiation, carrier connected to stepping motor and provided with detector carriage and rotary rest with locator and indicating head. Body with source of X-ray radiation are mounted on table for movement along two coordinates. Table proper is put on baseplate. EFFECT: enhanced accuracy and speed of measurements. 5 dwg

Description

Изобретение относится к рентгеноструктурному анализу применительно к определению остаточных напряжений в металлоконструкциях. The invention relates to x-ray diffraction analysis in relation to the determination of residual stresses in metal structures.

Предлагаемое устройство найдет широкое применение в промышленности для определения остаточных напряжений в реальных металлоконструкциях, возникающих вследствие температурного или силового воздействия, например в сварных швах, ободах колесных скатов для железнодорожных транспортных средств и др. The proposed device will find wide application in industry for determining residual stresses in real metal structures arising due to temperature or force effects, for example, in welds, rim slopes for railway vehicles, etc.

Известно устройство, позволяющее на основе использования метода кристаллических порошков производить анализ строения твердых тел при помощи рентгеновских лучей (Шпольский Э.В., Атомная физика, ГИФ - МЛ, М.: 1963, с. 126. ). A device is known that allows using the method of crystalline powders to analyze the structure of solids using x-rays (Shpolsky E.V., Atomic Physics, GIF - ML, Moscow: 1963, p. 126.).

Недостатками устройства являются необходимость приготовления образцов, которые не всегда адекватно отражают состояние кристаллической решетки в реальной металлоконструкции, использование фотопленки для регистрации отраженных рентгеновских лучей, ее обработка, что замедляет проведение анализа и снижает точность получаемых результатов. The disadvantages of the device are the need to prepare samples that do not always adequately reflect the state of the crystal lattice in real metal construction, the use of photographic film to register reflected x-rays, its processing, which slows down the analysis and reduces the accuracy of the results.

Известно также устройство для определения остаточных напряжений рентгеновским методом, выбранное в качестве прототипа, содержащее корпус, источник рентгеновского излучения, камеру Закса с фотопленкой (Феодосьев В.И., Сопротивление материалов, - М.; Наука, 1979, с. 542 - 546). There is also known a device for determining residual stresses by the X-ray method, selected as a prototype, containing a housing, an X-ray source, a Sachs camera with a film (Feodosiev V.I., Resistance of materials, - M .; Nauka, 1979, pp. 542-546) .

Недостатками этого устройства являются применение фотопленки для фиксации на ней отраженных рентгеновских лучей, трудоемкая операция по точному определению расстояния между плоскостью кристалла и поверхностью фотопленки методом нанесения на исследуемую поверхность кристаллов золота, применение быстровращающегося привода для кассеты с фотопленкой (камера Закса), обмер и усреднение результатов обмера линий рентгенограммы вручную, что является основным источником ошибки при обмере, необходимость введения поправок на усадку пленки при обработке и толщину черной бумаги, прикрывающей пленку, и др. Все эти процедуры и недостатки не позволяют оперативно в производственных условиях проводить определение остаточных напряжений в реальных металлоконструкциях в производственных условиях. The disadvantages of this device are the use of film for fixing reflected x-rays on it, the time-consuming operation of accurately determining the distance between the crystal plane and the surface of the film by applying gold crystals to the surface to be studied, the use of a rapidly rotating drive for a film cassette (Sachs camera), measurement and averaging of results manual measurement of x-ray lines, which is the main source of measurement error, the need to introduce amendments to shrink film and processing, and a thickness of black paper covering the tape, and others. All of these procedures and disadvantages do not allow quickly under production conditions to carry out determination of residual stress in metal structures in real operating conditions.

Известно также устройство для определения остаточных напряжений, содержащее корпус, источник рентгеновского излучения, детектор для регистрации отраженных рентгеновских лучей, водило, которое установлено на корпусе, и двигатель вращения водила (EP, 0497406, кл. G 01 L 1/25, 1992). A device for determining residual stresses is also known, comprising a housing, an X-ray source, a detector for detecting reflected X-rays, a carrier that is mounted on the housing, and a carrier rotation motor (EP, 0497406, class G 01 L 1/25, 1992).

Данное устройство также имеет ограниченные возможности для использования. This device also has limited use.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является повышение точности и быстроты измерений остаточных напряжений в реальных металлоконструкциях в производственных условиях. The technical result, which the invention is directed to, is to increase the accuracy and speed of measurement of residual stresses in real steel structures in a production environment.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения остаточных напряжений, содержащем корпус, источник рентгеновского излучения, на корпусе установлены с возможностью вращения водило, соединенное с шаговым двигателем и снабженное кареткой для детектора, которая соединена с шаговым двигателем и установлена с возможностью перемещения в радиальном направлении, и поворотный упор с фиксатором и индикаторной головкой, корпус с источником рентгеновского излучения установлен на столе с возможностью перемещения его по двум координатам, при этом стол установлен на опорной плите. The technical result is achieved by the fact that in the device for determining residual stresses comprising a housing, an x-ray source, a carrier connected to the stepper motor and provided with a carriage for the detector, which is connected to the stepper motor and mounted to move radially, is mounted on the housing for rotation direction, and a swivel stop with a lock and indicator head, a body with an x-ray source is mounted on the table with the ability to move it in two mind coordinates, with the table mounted on a base plate.

На фиг. 1 показан вид сверху на устройство; на фиг. 2 - вид E на фиг.1; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - вид Б на фиг. 2; на фиг. 5 - сечение Д - Д на фиг. 2. In FIG. 1 shows a top view of a device; in FIG. 2 is a view E of FIG. 1; in FIG. 3 is a section AA in FIG. one; in FIG. 4 is a view B in FIG. 2; in FIG. 5 - section D - D in FIG. 2.

Устройство для определения остаточных напряжений содержит корпус 1, на котором установлен источник 2 рентгеновского излучения, снабженный коллиматором 3, вращающееся водило 4 с кареткой 5, на которой смонтирован детектор 6 для регистрации отраженных рентгеновских лучей 7, снабженный коллиматором 8. Центр вращения водила 4 совпадает с осью отверстия в коллиматоре 3. Каретка 5 приводится в движение винтовым механизмом 9, который снабжен шаговым двигателем 10. На корпусе 1 установлен механизм 11 поворота водила 4, снабженный шаговым двигателем 12, а на водиле 4 - поворотный упор 13, снабженный индикаторной головкой 14. Корпус 1 установлен на столе 15, верхняя каретка 16 которого приводится в движение ручным приводом 17 с микрометрической головкой. Верхняя каретка 16 установлена на нижней каретке 18, которая также снабжена ручным приводом 19 с микрометрической головкой. Стол 15 смонтирован на опорной плите 20. На водиле 4 установлен фиксатор 21 поворотного упора 13. The device for determining residual stresses comprises a housing 1 on which an x-ray source 2 is provided, equipped with a collimator 3, a rotating carrier 4 with a carriage 5, on which a detector 6 is mounted for detecting reflected x-rays 7, equipped with a collimator 8. The center of rotation of carrier 4 coincides with the axis of the hole in the collimator 3. The carriage 5 is driven by a screw mechanism 9, which is equipped with a stepper motor 10. On the housing 1 is installed a mechanism 11 for turning the carrier 4, equipped with a stepper motor 12, and a cage 4 - rotary abutment 13 provided with the display head 14. The housing 1 is mounted on the table 15, the upper carriage 16 which is driven by a manual drive 17 with micrometer head screws. The upper carriage 16 is mounted on the lower carriage 18, which is also equipped with a manual drive 19 with a micrometer head. The table 15 is mounted on the base plate 20. On the carrier 4, a latch 21 of the rotary stop 13 is installed.

Устройство для определения остаточных напряжений работает следующим образом. A device for determining residual stresses works as follows.

В исследуемом месте поверхность металла зачищается. Устанавливают устройство относительно исследуемого места таким образом, чтобы между плоскостью коллиматора 8 детектора 6 и исследуемым местом было выдержано определенное расстояние, например a = 150 мм, с микронной точностью, для чего используется поворотный упор 13, снабженный индикаторной головкой 14, причем ось упора 13 располагается по нормали к исследуемой поверхности, а его заостренный конец упирается в эту поверхность. В этом положении поворотный упор 13 фиксируется относительно водила 4 посредством фиксатора 21. Используя каретки 16 и 18, приводимые в движение посредством приводов 17 и 19, можно с помощью упора 13 и его индикаторной головки 14 определить величину микронеровностей в зоне пятна, образуемого падающим рентгеновским лучом 22 (обычно диаметр этого пятна составляет 1,5 - 2 мм) и усредняя результаты этих измерений определить окончательную величину a с микронной точностью. Затем поворотный упор 13 поворачивают на 90^o, при этом ось отверстия в нем и ось центрального отверстия в водиле 4 совпадают и падающий рентгеновский луч 22 из источника 2, проходя через коллиматор 3, может падать по нормали к исследуемой поверхности.In the investigated place, the metal surface is cleaned. The device is installed relative to the test site in such a way that a certain distance is maintained between the plane of the collimator 8 of detector 6 and the test site, for example a = 150 mm, with micron accuracy, for which a rotary stop 13 equipped with an indicator head 14 is used, and the axis of the stop 13 is located normal to the test surface, and its pointed end abuts against this surface. In this position, the pivot stop 13 is fixed relative to the carrier 4 by means of the clamp 21. Using the carriages 16 and 18, driven by the actuators 17 and 19, it is possible to determine the size of microroughness in the area of the spot formed by the incident x-ray using the stop 13 and its indicator head 14 22 (usually the diameter of this spot is 1.5 - 2 mm) and averaging the results of these measurements to determine the final value of a with micron accuracy. Then the rotary stop 13 is rotated 90 ^° , while the axis of the hole in it and the axis of the central hole in the carrier 4 coincide and the incident X-ray beam 22 from the source 2, passing through the collimator 3, can fall along the normal to the surface under study.

На площадке, охватываемой падающим лучом, как показывает опыт, среди большого числа освещенных кристалликов находится обычно достаточное количество таким образом ориентированных кристаллов, что определенные их плоскости 23 находятся в соотношении Брегга с параметрами падающего луча 22. При этом происходит отражение луча от кристаллов, причем отраженные лучи образуют коническую поверхность с углом при вершине 360^o - 4ϑ где ϑ - угол Брегга. На плоскости, перпендикулярной падающему лучу и отстоящей от исследуемой площадки на расстоянии a, отраженные лучи 7 образуют совокупность пятнышек, расположенных по окружности радиуса h. Так как число отражающих кристаллов на освещенной лучом 22 площадке измеряется примерно одним-двумя десятками, то на окружности h располагаются соответственно десятка два разной величины по яркости засвеченных пятнышек. Чтобы осреднить результат в определении размера h и получить h_ср, детектор 6 первоначально перемещается вместе с кареткой 5 по водилу 4 в радиальном направлении посредством винтового механизма 9, приводимого во вращение шаговым двигателем 10 на величину шага, который может быть выбран с микронной точностью, например шаговый двигатель ДШИ-200 отрабатывает приблизительно 200 окружных шагов на один оборот своего вала, что при шаге резьбы S = 0,3 мм винтового механизма 9 позволяет перемещать детектор 6 при повороте вала шагового двигателя на один шаг на величину 0,3/200 = 0,0015 мм. При необходимости более точных перемещений детектора можно увеличить число шагов, отрабатываемых шаговым двигателем за один оборот.On the site covered by the incident beam, experience shows that among a large number of illuminated crystals there is usually a sufficient number of crystals oriented in such a way that their determined planes 23 are in the Bragg relation with the parameters of the incident beam 22. In this case, the beam is reflected from the crystals, and reflected rays form a conical surface with an apex angle of 360 ^o - 4ϑ where ϑ is the Bragg angle. On a plane perpendicular to the incident beam and spaced a distance from the test site, the reflected rays 7 form a set of spots located around a circle of radius h. Since the number of reflecting crystals on the site illuminated by beam 22 is measured by about one to two dozen, then on the circle h there are, respectively, a dozen or two different values for the brightness of the illuminated spots. In order to average the result in determining the size h and obtain h _cf , the detector 6 is initially moved together with the carriage 5 in the carrier 4 in the radial direction by means of a screw mechanism 9, driven by the step motor 10 by the amount of the step, which can be selected with micron accuracy, for example the DSHI-200 stepper motor fulfills approximately 200 circumferential steps per revolution of its shaft, which, with a thread pitch S = 0.3 mm of the screw mechanism 9, allows the detector 6 to be moved when the stepper motor shaft is rotated one step by a value of 0.3 / 200 = 0.0015 mm. If more precise movements of the detector are necessary, it is possible to increase the number of steps practiced by a stepper motor in one revolution.

После перемещения детектора 6 в радиальном направлении на величину шага детектор останавливается и водило 4 от механизма 11, приводимого во вращение другим шаговым двигателем 12, поворачивается на угол приблизительно 360^o, при этом отверстие коллиматора детектора 6 перемещается по окружности некоторого текущего радиуса h_тек и детектор в совокупности с измерительной системой фиксирует суммарную интенсивность отраженных лучей на этой окружности. Затем снова следует передвижение детектора 6 на шаг в радиальном направлении, снова следует поворот его вместе с водилом на угол в 360^o в обратном направлении с соответствующей фиксацией интенсивности отраженных лучей и далее цикл измерений повторяется, пока не будет определен радиус h_ср окружности, на которой зафиксирована максимальная интенсивность отраженных рентгеновских лучей от исследуемого места поверхности. Местоположение детектора 6 и его коллиматора 8 в радиальном направлении на водиле 4, а стало быть h_ср определяется с помощью компьютера по количеству шагов, отработанных шаговым двигателем 10 с некоторого исходного положения с учетом передаточного отношения i винтового механизма 9. Известно, что tg(180 - 2ϑ) = -tg2ϑ = h_ср/a, где ϑ - угол Брегга, и зная h_ср и a можно определить угол Брегга, а из выражения Брегга 2d•Sinϑ = h λ , зная длину волны λ исходного рентгеновского луча 22, порядок отражения n, можно найти размер d - расстояние между плоскостями кристалла. Эту величину d следует сопоставить с размером d_o для ненапряженного кристалла, который выбирается или из справочников, или определяется путем аналогичных измерений на образцах металла, который использован в конструкции, или, что является предпочтительным, определяется экспериментально тем же самым методом в ненапряженных местах исследуемой металлоконструкции, которые не подверглись силовому или температурному воздействию.After moving the detector 6 in the radial direction by the step size, the detector stops and the carrier 4 from the mechanism 11, driven by another stepper motor 12, rotates through an angle of approximately 360 ^o , while the hole of the collimator of the detector 6 moves around the circumference of a certain current radius h _tech and the detector Together with the measuring system, it fixes the total intensity of the reflected rays on this circle. Then again the detector 6 moves a step in the radial direction, again it rotates together with the carrier at an angle of 360 ^o in the opposite direction with the corresponding fixation of the intensity of the reflected rays and then the measurement cycle is repeated until the radius h _{cf of the} circle on which the maximum intensity of the reflected x-rays from the studied surface area was recorded. The location of the detector 6 and its collimator 8 in the radial direction on the carrier 4, and therefore h _cp, is determined using a computer by the number of steps worked out by the stepper motor 10 from a certain initial position, taking into account the gear ratio i of the screw mechanism 9. It is known that tg (180 - 2ϑ) = -tg2ϑ = h _cf / a, where ϑ is the Bragg angle, and knowing h _cf and a we can determine the Bragg angle, and from the Bragg expression 2d • Sinϑ = h λ, knowing the wavelength λ of the original x-ray beam 22, order reflection n, we can find the size d - the distance between the planes of the crystal. This value of d should be compared with the size of d _o for an unstressed crystal, which is selected either from the reference books, or is determined by similar measurements on metal samples used in the construction, or, which is preferred, is determined experimentally by the same method in unstressed places of the metal structure under study that have not been subjected to force or temperature.

Точность определения h_ср определяется чувствительностью детектора, апертурой его коллиматора, апертурой коллиматора 3 источника 2, которые в свою очередь зависят от интенсивности падающего рентгеновского луча 22. Зная величины d и d_o, можно определить удлинение Δ d = d₁ - d₀ в направлении, перпендикулярном к отражающей поверхности кристалла. В соответствии с законом Гука

, где E - модуль Юнга, можно определить остаточное напряжение σ_ост в металле. Зная σ_ост , можно сравнить его с σ_тр , где σ_тр - предел текучести металла при растяжении, и тем самым определить запас прочности в металлоконструкции. Процедура определения σ_ост за исключением установления величины a осуществляется автоматически по программе посредством компьютера.The accuracy of determining h _cf is determined by the sensitivity of the detector, the aperture of its collimator, the aperture of the collimator 3 of source 2, which in turn depends on the intensity of the incident x-ray beam 22. Knowing the values of d and d _o , we can determine the elongation Δ d = d ₁ - d ₀ in the direction perpendicular to the reflective surface of the crystal. According to Hooke's Law

, where E is Young's modulus, it is possible to determine the residual stress σ _ost in the metal. Knowing σ _ost , we can compare it with σ _tr , where σ _tr is the yield strength of the metal under tension, and thereby determine the margin of safety in metal structures. The procedure for determining σ _ost, with the exception of setting the value of a, is carried out automatically by the program through a computer.

В качестве конкретного примера рассмотрим реальную металлоконструкцию, например магистральный стальной трубопровод, в котором необходимо проверить остаточные напряжения в зоне сварного шва. As a specific example, we consider real metal construction, for example, a steel main pipeline, in which it is necessary to check the residual stresses in the weld zone.

Предположим, что трубопровод изготовлен из стали, имеющей характеристики σ_тр = 2500 кГ/см² и E = 2,10⁶ кГ/см², где σ_тр - предел текучести при растяжении, E - модуль Юнга. В качестве источника рентгеновского излучения используем трубку с анодом из кобальта, при котором самое интенсивное излучение имеет длину волны

. Действуя по программе, изложенной выше, вначале устанавливаем величину a_o = 150 мм и определяем d₀ - расстояние между кристаллическими плоскостями в ненапряженном месте металлоконструкции d_o - 2,86106

(h_ср = 110,426 мм). Затем, действуя аналогичным образом, устанавливаем a₁ = 150 мм и определяем d₁ - расстояние между кристаллическими плоскостями в зоне сварного шва d₁ = 286149

(h_ср = 110,403 мм). Зная d₀ и d₁, можно определить относительное удлинение ε = 1,4•10^-4. В соответствии с законом Гука ε•E = σ_ост = 1,4•10^-4•2,10^-6 = 280 кГ/см².Assume that the pipeline is made of steel having the characteristics σ _mp = 2500 kg / cm ² and E = 2.10 ⁶ kg / cm ² , where σ _mp is the tensile yield strength, and E is Young's modulus. As a source of x-ray radiation, we use a tube with a cobalt anode, in which the most intense radiation has a wavelength

. Acting according to the program described above, first we establish the value a _o = 150 mm and determine d ₀ - the distance between the crystalline planes in the unstressed place of the metal structure d _o - 2.86106

(h _av = 110.426 mm). Then, acting in a similar way, we set a ₁ = 150 mm and determine d ₁ - the distance between the crystalline planes in the weld zone d ₁ = 286149

(h _av = 110.403 mm). Knowing d ₀ and d ₁ , we can determine the elongation ε = 1.4 • 10 ^-4 . In accordance with Hooke's law ε • E = σ _ost = 1.4 • 10 ^-4 • 2.10 ^-6 = 280 kg / cm ² .

Предлагаемое устройство для определения остаточных напряжений позволяет по сравнению с существующим устройством мобильнее и точнее осуществить определение остаточных напряжений, возникающих в реальных металлоконструкциях и устройствах как следствие температурных или силовых воздействий, например в сварных швах, ободах железнодорожных скатов, посаженных по горячей посадке на центры, и др., и тем самым оперативно предотвратить возможные аварийные ситуации. Современные шаговые двигатели, например ДШИ-200, обладают быстродействием до 1000 ш/с, что позволяет просканировать детектором всю возможную область падения отраженных лучей за считанные минуты. Устройство не требует использования фотопленки, кассеты для ее вращения (камера Закса) и всех последующих трудоемких ручных операций по проявлению пленки и обработки вручную полученной рентгенограммы. The proposed device for determining residual stresses allows, in comparison with the existing device, more accurately and more accurately to determine the residual stresses that occur in real metal structures and devices as a result of temperature or force effects, for example, in welds, rims of railway ramps, planted by hot landing on the centers, and etc., and thereby promptly prevent possible emergency situations. Modern stepper motors, such as DSHI-200, have a speed of up to 1000 sh / s, which allows the detector to scan the entire possible area of incidence of reflected rays in a matter of minutes. The device does not require the use of film, cassettes for its rotation (Sachs camera) and all subsequent labor-intensive manual operations for developing the film and processing manually obtained x-ray.

Предлагаемое устройство не требует применения вспомогательных материалов, как, например, золота, фотоматериалов и трудоемких процедур по их использованию, что в значительной мере удешевляет процесс измерений. The proposed device does not require the use of auxiliary materials, such as gold, photographic materials and laborious procedures for their use, which greatly reduces the cost of the measurement process.

Claims (1)

Устройство для определения остаточных напряжений, содержащее корпус, источник рентгеновского излучения, детектор для регистрации отраженного рентгеновского излучения, водило для перемещения детектора относительно корпуса и механизм вращения водила, отличающееся тем, что оно снабжено кареткой, установленной на водиле с возможностью перемещения от шагового двигателя в радиальном направлении и предназначенной для размещения детектора, опорной плитой, на которой установлен стол с верхней и нижней каретками, предназначенными для перемещения источника рентгеновского излучения и детектора рентгеновского излучения по двум координатным осям, поворотным упором с индикаторной головкой, источник рентгеновского излучения выполнен с коллиматором, имеющим выходное отверстие, причем водило и поворотный упор выполнены с отверстиями, а упор установлен на водиле так, что при повороте упора на 90^o оси их отверстий и отверстия коллиматора совпадают, водило установлено на корпусе с совпадением центра вращения с осью отверстия коллиматора источника рентгеновского излучения, а механизм вращения водила выполнен с шаговым двигателем.A device for determining residual stresses, comprising a housing, an X-ray source, a detector for recording reflected X-ray radiation, a carrier for moving the detector relative to the housing, and a carrier rotation mechanism, characterized in that it is provided with a carriage mounted on the carrier with the ability to move from the stepper motor in a radial direction and designed to accommodate the detector, the base plate on which the table with the upper and lower carriages designed to move the x-ray source and the x-ray detector along two coordinate axes, a rotary stop with an indicator head, the x-ray source is made with a collimator having an outlet, and the carrier and the rotary stop are made with holes, and the emphasis is mounted on the carrier so that when the emphasis is rotated 90 ^o axis and their openings coincide hole collimator, a carrier mounted on the housing with the center of rotation coincidental with the axis of the collimator aperture X-ray source and mechan gp rotating carrier configured stepper motor.

Images