А.Р. Бестугин1, И.А. Киршина2, О.П. Куркова3

1-3 Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (Санкт-Петербург, Россия)

1 fresguap@mail.ru; 2 ikirshina@mail.ru; 3 aljaskaolga@mail.ru

Постановка проблемы. К сварным корпусным конструкциям изделиям космической техники, изготавливаемым из алюминиевых или магниевых сплавов, предъявляются высокие требования по формообразованию и размерной стабильности. Однако в процессе их создания существует большая вероятность «самопроизвольного» изменения их геометрии и/или нарушение целостности, обусловленного остаточными напряжениями. Для получения достоверной информации об отсутствии остаточных напряжений необходим оперативный пооперационный контроль непосредственно в процессе изготовления. Перспективным вариантом решения данной проблемы является внедрение ультразвуковой диагностики. Для практической реализации данного подхода в промышленном производстве необходимо провести дополнительные исследования, направленные на изучение и уточнение некоторых закономерностей процесса изготовления, а также разработать специальный комплекс измерительного оборудования.

Цель. Проанализировать физические особенности метода ультразвуковой диагностики остаточных напряжений, определить наиболее целесообразный принцип реализации метода для диагностики остаточных напряжений в сварных корпусных конструкциях изделий космической техники из алюминиевых или магниевых сплавов и исследовать факторы, влияющие на точность измерений.

Результаты. Обоснована целесообразность применения метода на основе акустоупругого эффекта, реализуемого путем использования продольных волн с критическим преломлением и преобразователей в виде зондов, функционирующих по принципу «улавливания шага». Установлено, что расстояние между передатчиком и приемниками в ультразвуковом зонде и параметр частоты оказывают существенное влияние на точность результатов измерений. Показано, что для повышения точности измерений параметр частоты требует оптимизации в зависимости от фактической толщины диагностируемого материала, конструктивных и энергетических параметров зонда, направленной одновременно на увеличение глубины проникновения, снижение помех, вызываемых сдвиговой волной, повышения чувствительности преобразователя.

Практическая значимость. Полученные результаты подтверждают возможность и целесообразность применения ультразвуковой диагностики остаточных напряжений I-го рода в сварных конструкциях в процессе их изготовления и могут быть использованы для создания специального комплекса измерительного оборудования.

Бестугин А.Р., Киршина И.А., Куркова О.П. Ультразвуковая диагностика полей остаточных напряжений сварных корпусных конструкций космической техники из алюминиевых и магниевых сплавов // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 8. С. 45-53. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202408-05

1. Куркова О.П. Новый подход к проектированию и конструированию размеростабильных корпусных сварных конструкций космических летательных аппаратов. СПб: «Борей-АРТ». 2008. 128 с.
2. Бугаев А.С., Ивашов С.И., Разевиг В.В., Чиж М.А. Сравнение СВЧ-диагностики с другими методами неразрушающего контроля композиционных изделий // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. T. 74. № 4–5. С. 19–38. DOI: 10.18127/j20700784-202004-02.
3. ОСТ 92-1186. Сварка дуговая деталей из металлов и сплавов в защитной среде инертных газов. Технические требования. М.: Национальное агентство контроля сварки. 2021. 128 с.
4. Гатовский К.М., Кархин В.А. Теория сварочных деформаций и напряжений. Л.: Изд-во Ленинградского Ордена Ленина кораблестроительного института. 1980. 331 с.
5. Касаткин Б.С., Кудрин А.Б., Лобанов Л.М. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: справочное пособие. Киев: Наукова думка. 1981. 583 с.
6. Turan M.E., Aydin F., Sun Y., Cetin M. Residual stress measurement by strain gauge and X-ray diffraction method in different shaped rails // Engineering Failure Analysis. 2019. V. 96. Р. 525–529.
7. Hwang Y.I., Kim Y.I., Seo D.C., Seo M.K., Lee W.S., Kwon S., Kim K.B. Experimental consideration of conditions for measuring residual stresses of rails using magnetic barkhausen noise method // Materials. 2021. V. 14. № 18. Р 5374–5386.
8. Chakrabarti R., Biswas P., Saha S.C. A review on welding residual stress measurement by hole drilling technique and its importance // Journal Welding and Joining. 2018. V. 36. № 4. P. 75–82.
9. Song W., Xu C., Pan Q., Song J. Nondestructive testing and characterization of residual stress field using an ultrasonic method // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2016. V. 29. № 2. P. 365–371.
10. Zhan Y., Liu C., Kong X., Lin Z. Experiment and numerical simulation for laser ultrasonic measurement of residual stress // Ultrasonics. 2017. V. 73. P. 271–276.
11. Камышев А.В., Пасманик Л.А., Смирнов В.А., Модестов В.С., Пивков А.В. Расчетно-инструментальный метод оценки напряженно-деформированного состояния с определением силовых граничных условий методом акустоупругости и его применение для анализа повреждаемости сварного соединения № 111 парогенераторов АЭС с РУ ВВЭР // Тяжелое машиностроение. 2016. № 1-2. С. 11-18.
12. Kudryavtsev Y., Kleiman J. Measurement of Residual Stresses in Welded Elements and Structures by Ultrasonic Method. International Institute of Welding. IIW Document XIII-2339-10. Paris. France: International Institute of Welding. 2010. 14 p.
13. Kudryavtsev Y., Kleiman J., Gushcha О. Ultrasonic measurement of residual stresses in welded railway bridge // Structural Materials Technology: An NDT Conference. Feb. 28 – March 3 Atlantic City. 2000. Р. 213-218.
14. Kudryavtsev Y, Kleiman J. Ultrasonic measurement of residual stresses in welded elements and structures // Technical Report «Structural Integrity Services, Inc.». 2024. Р. 9. [Электронный ресурс]. – URL: file:///C:/Users/79045/Downloads/Ultra-sonicMeasurementsof Residual Stresses.pdf (дата обращения 25.03.2024)
15. Потапов В.В., Кузьмин Д.А., Гетман А.Ф., Кузьмичевский А.Ю. и др. Об актуальности контроля остаточных напряжений и их снижения // Глобальная ядерная безопасность. 2024. № 14(1). С. 68-75.
16. Мишанин В.В. Исследование влияния пластической деформации на эффект акустоупругости // Нелинейный мир. 2009. № 10. С. 787-791.
17. Бехер С.А., Кочетков А.С. Основы ультразвукового контроля. Новосибирск: Сибирский гос. ун-т путей сообщения. 2013. 64 с.