УДК 620.179.1:621.791
ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ И ТЕМПЕРАТУР В ОБРАЗЦЕ ПРИ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОМ КОНТРОЛЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ И ОСТЫВАНИЯ СВАРНОГО ШВА
Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов, К.В. Канифадин
Приведены результаты экспериментальных исследований процесса сварки и остывания сварного шва в стальных образцах с использованием акустической эмиссии (АЭ) и тензометрии. Деформацию измеряли высокотемпературными тензодатчиками, приваренными к исследуемым образцам точечной сваркой, а температуру — термопарами "хромель-алюмель". Измерения проводили с использованием микропроцессорной тензо-метрической системы ММТС-64.01 и АЭ-системы СЦАД-16.10. Между компьютерами тензометрической и АЭ-систем осуществлялся обмен информацией. На образце после остывания сварных швов регистрировали остаточные деформации сжатия. Металлографические исследования шлифов, вырезанных из областей кластеризации сварного шва, подтвердили наличие трещин, пор и непроваров.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, сварной шов, сварка, дефект, деформация, напряжения, напряженно-деформированная зона, преобразователь акустической эмиссии, локализация, тензодатчик, термопара.
Основной причиной, снижающей технологическую прочность сварных соединений, являются дефекты (трещины, непровары, шлаковые включения), образующиеся при сварке и выявляемые различными методами неразрушающего контроля (НК).
В настоящее время находит применение метод акустической эмиссии (АЭ) [1]. Преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ), установленные на объекте контроля (ОК), регистрируют сигналы, вызванные структурной перестройкой материала при его деформировании и локальном разрушении.
Известно, что в процессе сварки в области сварного шва возникают высокие температуры и появляются деформации, оказывающие влияние на размер и форму свариваемой конструкции [1—4]. Напряжения в зоне сварного шва достигают предела текучести металла. При его формировании появляются дефекты, из которых особенно опасными являются трещины, возникающие при остывании сварного шва. Они могут находиться как в наплавленном металле, так и в зоне термического влияния основного металла [4—6].
Цель работы — исследование распределения деформаций и температур в стальных образцах при АЭ-контроле процесса сварки и остывания. Исследования проводили на образцах, изготовленных из стали Ст3. Полуавтоматическую сварку образцов размером 500x210x8 мм осуществляли сварочным аппаратом ПДГО при силе тока 300 А в среде защитного газа с использованием легированной проволоки Св-08Г2С (С — 0,08 %, Мп — 2 %, — (0,95—1,0) %). При этом АЭ-системой СЦАД-16.10 с "плавающим" порогом селекции проводили непрерывную запись сигналов (свидетельство Ки.С.27.007.А № 40707, система зарегистрирована в Государственном реестре средств измерений под номером 45154-10). Это позволило записать информацию как в процессе сварки, так и при остывании сварного шва.
Людмила Николаевна Степанова, доктор техн. наук, профессор, начальник сектора по разработке акустико-эмиссионной и тензометрической аппаратуры ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина". Тел. (8-383) 278-70-31. E-mail: stepanova@stu.ru
Сергей Иванович Кабанов, канд. техн. наук, ведущий инженер сектора по разработке и производству акустико-эмиссионной и тензометрической аппаратуры ФГУП "СибНИА им. С.А. Чаплыгина". Тел. (8-383) 278-70-31.
Кирилл Владимирович Канифадин, аспирант кафедры "Электротехника, диагностика, сертификация" Сибирского государственного университета путей сообщения (СГУПС). Тел. (8-383) 278-70-35.
Сварку образцов осуществляли в два прохода. При первом проходе формировали корень сварного шва, а при втором — его окончательную заварку. При формировании корня сварного шва в металле происходят сложные динамические процессы. Регистрацию сигналов АЭ, температуры и деформации различных зон образцов во время первого прохода производили с момента начала сварки и продолжали в течение 10—15 мин после ее окончания. Запись сигналов АЭ во время второго прохода выполняли в течение 70 мин. Деформации и температуры измеряли микропроцессорной тензо-метрической системой ММТС-64.01 (сертификат тс. 28.007.А № 10749, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под номером 21760-01) при остывании сварного шва до температуры окружающей среды. Для этого на образцы вместе с ПАЭ устанавливали термопары "хро-мель-алюмель" и высокотемпературные тензодатчики типа НМТ-450-5-100-В сопротивлением К = 97,5 Ом и с коэффициентом тензочувствитель-ности Кт = 1,94, которые приваривались к образцу точечной сваркой.
Приведенные далее результаты измерения сигналов АЭ были получены при втором проходе сварочной горелки, так как к этому моменту времени корень сварного шва был уже сформирован. Это позволило улучшить распространение в образце акустических волн и более точно локализовать источники сигналов АЭ. Используемые ПАЭ типа ПК-02-05 обладали полосой пропускания 100—500 кГц и к образцам крепились струбцинами (рис. 1).
ПАЭ2 ПАЭ1
Рис. 1. Расстановка термопар и ПАЭ на свариваемых образцах.
Для исключения перегрева датчиков (при сохранении их максимальной чувствительности) определяли оптимальное расстояние от ПАЭ до сварного шва. Исследования распределения температуры на образцах при сварке выполняли с использованием 12 термопар (рис. 1).
Максимум каждой кривой зависимости изменения температуры от времени (рис. 2а, б) соответствует моменту прохождения сварочной горелки в области установки /-ой термопары. На рис. 2а показано изменение температуры от времени для термопар 1—7. Наибольшему нагреву
350 300
^ 250 ура200
т
пера150
1 100
н
50 0
а Термо пара 4
5
3
6 7 1 Г
2 - —
350 300 С250
о
ура200 11150
е
I 100
н
50 0
20 40 60 80 100 120 140 160 180 Расстояние до сварного шва, мм
Рис. 2. Изменения температуры:
а — от времени для термопар (1—7); б — от времени для термопар (8—12); в — нагрева образца от расстояния до сварного шва.
подвергали зону образца с термопарой 4, расположенной в 20 мм от сварного шва, а минимальному — с термопарами 1 и 7, установленными от него на расстояние 160 мм. Термопары 8—12 находились на расстоянии 30 мм от сварного шва. Анализ показал, что в середине образца температура, измеряемая термопарами 9—11, ниже, чем по его краям, где рас-
в р ..■■ Тер мопа за 4
\ (
3
2 N
М
полагались термопары 8 и 12 (рис. 26). Объясняется это тем, что зоны на краях сварного шва подвергались более длительному нагреву.
На рис. 2в приведена экспериментальная зависимость (кривая РЫ) вариации температуры нагрева образца при сварке от расстояния до сварного шва. Линией МЫ отмечен верхний предел температурного диапазона используемых ПАЭ. Точка пересечения кривой РЫ и линии МЫ соответствует оптимальному расположению ПАЭ и находится на расстоянии 155 мм от сварного шва.
Рис. 3. Схема расстановки высокотемпературных тензодатчиков, термопар и ПАЭ на свариваемых образцах — а; фрагмент фотографии образца с расположенными высокотемпературными тензодатчиками 2.3, 2.4 и термопарой 2.2 — б.
На рис. 3а показана расстановка термопар, высокотемпературных тензодатчиков и ПАЭ на свариваемых образцах. Стрелкой А отмечено направление движения сварочной горелки. На рис. 3б приведена фото-
3 Дефектоскопия, < 8, 2012
графия фрагмента зоны В образца с термопарой 2.2 и высокотемпературными тензодатчиками 2.3 и 2.4.
Между компьютерами тензометрической (ММТС-64.01) и АЭ-систем (СЦАД-16.10) в процессе сварки и остывания сварного шва осуществляли обмен информацией и синхронизацию работы измерительных систем. Это позволило во время сварки в АЭ-систему передавать информацию об измеренных температурах и деформациях.
ПАЭ 3
ПАЭ 2
ПАЭ 3
ПАЭ 2
ПАЭ 0 ПАЭ 3
ПАЭ 1 ПАЭ 2
ПАЭ 0
ПАЭ 1
Рис. 4. Локализация сигналов АЭ в процессе сварки и остывания сварного шва без амплитудной селекции — а; локализация сигналов АЭ в процессе сварки и остывания сварного шва с использованием амплитудной селекции с пороговыми уровнями соответственно и = 1000 мВ,
и2 = 2000 мВ — *
ПАЭ 0
ПАЭ 1
а
На рис. 4а приведена локализация источников сигналов АЭ в процессе сварки и остывания сварного шва, когда амплитудная селекция была отключена. Уровень селекции регулировали системой СЦАД-16.10 от уровня шумов до максимума, составляющего 5000 мВ. На рис. 46, в приведена локализация сигналов АЭ с использованием амплитудной селекции с пороговыми уровнями и1 = 1000 мВ (рис. 46) и и2 = 2000 мВ (рис. 4в).
Для сигналов АЭ, зарегистрированных при сварке и остывании сварного шва, осуществляли кластеризацию по оцифрованной форме. Локационная картина кластеризованных сигналов без амплитудной селекции
приведена на рис. 5а. Результаты кластеризации при использовании амплитудной селекции с пороговыми уровнями и1 = 1000 мВ и и2 = 2000 мВ приведены на рис. 56, в. Время кластеризации сигналов АЭ без амплитудной селекции составило 2—3 мин, а при использовании амплитудной селекции — 0,5—1 мин. Следовательно, амплитудная селекция сигналов АЭ позволяет сократить время их обработки с последующим определением местоположения дефектов сварки.
ПАЭ 3
ПАЭ 2
ПАЭ 3
ПАЭ 2
Кластер
Кластер
ПАЭ 0
ПАЭ 1
ПАЭ 0
ПАЭ 1
а
ПАЭ 3
ПАЭ 2
Кластер
Рис. 5. Кластеризация сигналов АЭ без амплитудной селекции — а; кластеризация сигналов АЭ с использованием амплитудной селекции с пороговыми уровнями соответственно и1 = 1000 мВ,
ПАЭ 0
ПАЭ 1
и2 = 2000 мВ —
На рис. 6а, б показаны результаты металлографических исследований поперечных шлифов, вырезанных из сварных швов, где произошла локализация сигналов АЭ (рис. 5а, б, в). В качестве реактива использовали 5 % раствор азотной кислоты в этиловом спирте. В результате металлографического анализа, проведенного на микроскопе АХ10 0Ьзегуег.21т, установлено, что образцы в сварном шве содержат поры, непровары по кромке шва и трещины.
На рис. 7а, б, „ приведены изменения деформаций от времени, полученные с трех пар тензодатчиков, расположенных на разных расстояниях от сварного шва. Максимальные деформации (рис. 7а) зарегистрир
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.