Лазерно-голографические методы исследования деформаций и вибраций конструкций

 

Романенко Н.И., Атавин В.Г., Куранов В.В., Борисов В.Н., РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И.Забабахина

 

Практическим применением лазерной и голографической интерфероме­трии (ЛГИ) РФЯЦ-ВНИИТФ занимается уже более 30 лет. Полученные практические результаты показывают, что данные методы являются одним из эффективных средств неразрушающего контроля и оценки качества из­готовления сложных конструкций, исследования деформаций или вибраций объектов.

ЛГИ позволяет бесконтактно и с высокой точностью измерять перемещения и вибрации как в любой точке, так и одновременно по всей поверхности объекта, при этом  измерения не зависят от качества поверхности объекта. На основе получаемой информации производится оценка как дефектов изделия, так и его прочности, надежности, остаточного ресурса и т.п. Как правило, с помощью других методов измерений и неразрушающего контроля получить подобные результаты чрезвычайно сложно, а в ряде случаев просто невозможно.

Неразрушающий контроль качества сварных сосудов давления с помощью ЛГИ позволяет определять как типовые дефекты как в сварном шве, так и 
в основном материале (раковины, трещины, непровары); так и нестандартные дефекты (непровары «со слипанием», зоны термовлияний в виде «мягких» прослоек, величины «утолщений» по центру шва и «утонений» в околошовных зонах).

В отличие от традиционных методов дефектоскопии (визуально-оптичес­кие, рентгенографические, ультразвуковые и т.д.) ЛГИ позволяет по изменениям отдельных параметров деформационного или вибрационного по­лей конструкции получить оценки прочности, надежности, остаточного ре­сурса конструкции и т.п. Так, при разработке методики неразрушающего контроля прочности сварных сосудов давления на основе методов ЛГИ в отличие от традиционных подходов, состоящих в обнаружении дефекта, оценке его характерных параметров и производстве расчетов величины снижения прочности сосуда, был использован общий деформационный критерий. Данный критерий, состоящий в отклонении радиальной деформации, оказался вполне приемлемым для любого из обычно присутствую­щих в сосудах дефектов (раковины и трещины в основном материале, не-провары, трещины в сварном шве и т. п.). Точность прогнозирования прочности сосудов по данному критерию оказалась не хуже ±5%, что существенно выше точности традиционных подходов.

Следует отметить, что аналогичным образом была установлена эффективность ЛГИ при контроле так называемых «утолщений» по центру шва и «утонений» в околошовных зонах, происходящих в зоне шва при сварке конструкций. (Романенко Н.Н. и др. Контроль толщины стенки в зоне сварных швов сферических сосудов давления/ Сборник научно-технических трудов СГФТИ "Исследование свойств материалов и элементов конст­рукций". - Снежинск. - 2001. - с. 127-131].

Лазерно-голографическая автоматизированная система АС "Виброметрия" разработана в РФЯЦ-ВНИИТФ для  исследования вибрационных свойств малогабаритных конструкций, позволяет производить измерения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) в автоматизированном режиме в любой точке объекта. [Атавин В.Г. и др. Автоматизиро­ванная система измерения вибрационных характеристик малогабаритных узлов/ Измерительная техника. - 1999. - №12. - С. 41-44].

На данной же установке производится получение интерферограмм объекта на любой из частот (как правило, резонансной).

Отдельные результаты выполненных в РФЯЦ-ВНИИТФ практических работ по ЛГИ представлены в открытых источниках. По исследованиям де­формаций конструкций под воздействием вибрационных нагрузок [Худяков Ю.В. и др. Лазерная и голографическая интерферометрия при вибраци­онных исследованиях сложных пространственных конструкций/ Приборы и техника эксперимента. - 2003. - №2. - С.122-126], по неразрушающему контролю многослойных пустотелых конструкций, изготавливаемых мето­дом сверхпластической формовки в сочетании с диффузионной сваркой [Петров Е.Н. и др. Применение лазерно-голографических методов для неразрушающего контроля внутриполых ячеистых конструкций/ Дефекто­скопия. - 2002. - №9. - С. 73-78], по методике измерения малых (менее 0,1 мкм) амплитуд вибраций [Атавин В.Г. и др. Возможности измерений амп­литуд вибраций гетеродинным лазерным виброметром/ Измерительная техника. - 2000. - №2. - С. 32-34].

Многолетняя практика применения ЛГИ позволяет заключить, что данные методы являются весьма эффективными и универсальными при решении задач экспериментальной механики. Как правило, с помощью других методов измерений и неразрушающего контроля получить подобные результаты чрезвычайно сложно, а в ряде случаев просто невозможно.

Вместе с тем, имеющийся опыт авторам позволяет утверждать, что во многих случаях эффективность решения конкретной технической проблемы определяется как имеющимися техническими средствами (мощностью и качеством лазера, конструкцией интерферометра и качеством его узлов, видом нагружающих средств, испытательной оснасткой и т.д.), так и методологическими факторами. Понимая актуальность ЛГИ для применения во многих современных изделиях. РФЯЦ-ВНИИТФ совместно с Алматин-ским инженерным центром лазерных технологий (АИЦЛТ) и Калининградским гос. университетом (КГУ) в течение 2003-2004 гг. участвовал в раз­работке мобильной голографической установки с электронной регистрацией интерферограмм. Данная установка успешно разработана и может применяться в качестве достаточно универсального средства (объекты голографирования могут иметь площадь до 1 м²) для реализации ЛГИ в промышленных и полевых условиях.