УДК 620.179.17.008.6:621.791.05
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ БРАКОВКИ ДЕФЕКТОВ МНОГОПРОХОДНОЙ СВАРКИ ПО РАСПРЕДЕЛЕНИЮ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Л.Н. Степанова, И. С. Рамазанов, В.В. Киреенко
При контроле качества сварки браковочные уровни определяли сравнительным анализом распределения параметров сигналов акустической эмиссии (АЭ) с введенными дефектами в виде титановых и вольфрамовых вставок. В качестве основных информативных параметров, наиболее чувствительных к дефектам сварки, использовали энергетический параметр MARSE, среднее число осцилляций по переднему фронту сигнала АЭ и двухинтерваль-ный коэффициент. Критерии f-Стьюдента и Колмогорова—Смирнова с вычислением браковочных уровней и их локализации позволяют определять дефекты в процессе многопроходной сварки.
Ключевые слова: браковка, многопроходная сварка, дефект, акустическая эмиссия, параметр, сигнал, локализация.
Процесс сварки металлов характеризуется высокой интенсивностью регистрируемых акустических и электромагнитных помех. Основной причиной, снижающей технологическую прочность сварных соединений, являются дефекты (трещины, непровары, шлаковые включения и т. д.), образующиеся при сварке и выявляемые различными методами неразрушающего контроля (НК). Дефекты, возникающие при сварке, в дальнейшем способствуют образованию и развитию трещин в процессе эксплуатации объектов контроля (ОК).
При выполнении многопроходной сварки применяют традиционные методы НК, такие как у.з. и радиографический (РГК). Данные методы используют для контроля уже остывших сварных соединений и не могут контролировать дефекты в момент сварки.
В последние годы для контроля дефектов в процессе выполнения многопроходной сварки ответственных конструкций использует метод акустической эмиссии (АЭ), позволяющий определять внутренние дефекты в процессе сварки и остывания сварного шва с последующей возможностью оперативного исправления их с минимальным объемом выборки металла. При этом необходимая нагрузка ОК создается за счет теплового режима [1].
Цель работы — разработка методики браковки дефектов в процессе выполнения многопроходной сварки по распределению основных параметров сигналов АЭ.
Для отработки методики браковки дефектов проводили ручную многопроходную сварку стального образца размером 1000^800^30 мм с использованием электродов марки ЭА-981/15 диаметром 4 мм. На рис. 1а показан внешний вид образца с установленными преобразователями акустической эмиссии (ПАЭ), подключенными к измерительным каналам 4—7 АЭ-системы СЦАД-16.10 (свидетельство RU.C.27.007 A № 40707, зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под № 45154-10) с "плавающими" порогами селекции. Частота оцифровки сигналов АЭ изме-
Людмила Николаевна Степанова, доктор техн. наук, профессор, начальник сектора по разработке акустико-эмиссионной и тензометрической аппаратуры ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина". Тел. (383) 278-70-31. E-mail: stepanova@stru.ru
Илья Сергеевич Рамазанов, ведущий инженер сектора по разработке акустико-эмиссионной и тензометрической аппаратуры ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина" Тел. (383) 278-70-31. E-mail: aergroup@ngs.ru
Вадим Владимирович Киреенко, начальник центральной диагностической лаборатории ОАО "ПО "СЕВМАШ". Тел. (8184) 50-45-23.
нялась программно от 1 до 8 МГц, а "плавающие" пороги селекции исключали переход измерительных каналов системы в режим насыщения. Калибровку зон контроля выполняли с использованием встроенного электронного имитатора. На рис. 16 приведена локализация сигналов АЭ с отображением распределения суммарной амплитуды после третьего прохода.
Рис. 1. Образец с многопроходной сваркой (а); локализация сигналов АЭ с отображением распределения суммарной амплитуды вдоль сварного шва после третьего прохода (б).
Имитацию дефектов выполняли за счет введения в сварной шов непровара, пор, вольфрамовой, титановой вставок и шлакового включения [2]. В табл. 1 приведены различные виды вставок, введенных в сварной шов при выполнении различных проходов, и зарегистрированные основные информативные параметры сигналов АЭ [2].
Вначале исследовали влияние вводимых в сварной шов дефектов на основные параметры сигналов АЭ (доминантная частота, время нарастания, среднее число осцилляций по переднему фронту, энергия и т. д.). Из всего набора регистрируемых параметров выбирали наиболее информативные и чувствительные к дефектам.
Таблица 1
Основные информативные параметры сигналов АЭ, зарегистрированных в процессе сварки при введении различных вставок
Номер прохода Вид вставки Число локализованных сигналов АЭ Суммарная амплитуда, мВ Резонансная частота, кГц
3 Первая титановая вставка 590 61 630 90
6 Вольфрамовая вставка 488 37 111 125
9 Шлаковая вставка 620 63 855 130
12 Непровар 352 36 115 100
16 Вторая титановая вставка 328 27 587 130
20 Поры 395 33 909 125
В настоящее время известны различные решения, применяемые для обработки большого потока АЭ-информации в режиме реального времени [3—6]. Для отработки методики АЭ-контроля и браковки дефектов в процессе многопроходной сварки использовали теорию вероятностей и математическую статистику [7—9]. Применение статистических методов обработки АЭ-информации позволило выявлять дефекты сварки и обосновывать критерии браковки в режиме реального времени [2].
Связь распределений амплитуды и активности сигналов АЭ с вероятностью обнаружения дефекта подробно рассмотрена в [9, 10]. Регистрация множества шумов и помех при выполнении АЭ-контроля дефектов в процессе многопроходной сварки вызывает необходимость поиска набора основных параметров сигналов, распределение которых существенно изменяется при формировании дефекта сварного шва.
В процессе сварки и с учетом структуры сигнала АЭ осуществляли их локализацию различными методами: двухинтервальным [10], пороговым [6], методом среднеквадратического отклонения (СКО) в "окне", передвигающемся по цифровой реализации сигнала [10].
При использовании метода СКО с в "окне" этот параметр рассчитывали как [10] ,_т
Z ( - хср )2
i=Т,
с = —т-
j T1-1)
где Т1 — номер отсчета (рис. 2а) аналого-цифрового преобразователя (АЦП), соответствующий моменту начала "временного окна"; Т2 — номер отсчета АЦП, соответствующий моменту окончания "временного окна"; х — среднее значение реализации сигнала АЭ в "окне"; j — номер точки в массиве СКО.
Передвижение "окна" по реализации сигнала формирует массив значений СКО (рис. 2б) [3]. Для определения времени прихода сигнала используют два пороговых уровня СКО: первый определяли шумом предыстории сигнала, второй уровень являлся порогом, соответствующим минимальному уровню сигнала, превышающему уровень шума.
При использовании двухинтервального метода локализации время прихода сигнала АЭ принимали равным моменту достижения максимального значения двухинтервального коэффициента K(t) [10]
A (t) - A (t - TOK )
V / V OK / K(t) A (t - Ток) '
U, мВ
Момент превышения порогового уровня
а
б
Рис. 2. Определение времени прихода сигнала АЭ: а — по форме сигнала АЭ; б — по форме СКО с использованием двух пороговых уровней.
(t+Тж У
где A(t) = ^ U\ — параметр структуры сигнала АЭ; U. — значение
t
i=— х
отсчета оцифрованной формы сигнала АЭ; Ток — длительность временного "окна" двухинтервального коэффициента; т — интервал дискретизации АЦП.
На рис. 3а, б показаны средняя доминантная частота (а) и среднее время нарастания (б) сигналов АЭ при введении в сварной шов вольфрамовой вставки; на рис. 3е, г — те же параметры для титановой вставки. На всех диаграммах первый (красный) столбец соответствует двухинтервальному методу определения времени прихода сигналов АЭ, второй (синий) — пороговому методу, третий (зеленый) — методу СКО во "временном окне", четвертый "желтый" — сигналам, локализуемым в соответствующем районе сварного шва с использованием любого из трех методов определения времени прихода.
Проход 2 сварного шва выполняли без введения вставок и его характеристики приведены на диаграммах для сравнения как эталонные. Анализ рис. 3а—г показывает, что "доминантная частота" и "время нарастания" сигналов АЭ практически не изменялись при введении в сварной шов титановой и вольфрамовой вставок. Поэтому из дальнейшего анализа данные параметры были исключены как нечувствительные к дефектам.
В процессе испытаний выяснилось, что двухинтервальный коэффициент K(t) чувствителен к наличию вольфрамовой и титановой вставок. Наиболее чувствительными к введенным в сварной шов вставкам оказались такие
параметры сигнала АЭ, как среднее число осцилляций по переднему фронту и энергетический параметр MARSE. При этом параметр MARSE был выше для прохода 6, во время которого была введена вольфрамовая вставка. Параметр "число осцилляций" определяли для следующего 7 прохода, когда зона расположения вставки заваривалась повторно. Наиболее явно данные параметры изменялись для сигналов, надежно локализуемых в зоне расположения вставки.
о
д
р
о
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
2 5 6 7 8 9 10 11 12 Номер прохода
„ 140 1120 Ö 100
и
60
ре 40 в
ее 20
е р
о
0
2 5 6 7 8 9 10 11 12 Номер прохода
я ^
тот
с а
Ст
е р
О
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
м, 140
|Ш
§100
I 80
§ 60 е
& 4 е не20
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Номер прохода
р
О
0
1 2 3 4 5 6 Номер
7 8 9 10 11 12 прохода
Рис. 3. Параметры сигналов АЭ, не изменяющиеся при наличии дефекта: а — доминантная частота (вольфрамовая вставка); б — среднее время нарастания сигналов АЭ (вольфрамовая вставка); в — доминантная частота (титановая вставка); г — среднее время нарастания
сигналов АЭ (титановая вставка).
б
а
ар 80
в
г
На рис. 4 приведены данные об изменении средних параметров сигналов АЭ при выполнении сварки с введением в сварной шов титановой (а—в) и вольфрамовой (г—е) вставок. При построении аппроксимирующих кривых для титановой вставки из рассмотрения были исключены данные по сварке во время четвертого прохода. При этом средние значения рассматриваемых параметров принимали максимальные значения для прохода, на котором осуществляли введение дефекта в сварной шов, а далее
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.