1. Методи неруйнівного контролю Кандидати й доктори технічних наук з Томського політехнічного університету...
2. Методи СТП в промисловому виробництві
3. Методи неруйнівного контролю для пошуку дефектів зварних швів
4. Навіщо це потрібно?
5. Зварене з'єднання і методика досліджень
6. термографія
7. Ультразвуковий (УЗ) контроль
8. вихрострумовий контроль
9. Проводить металографічний аналіз
10. Результати дослідження зварних швів неруйнівними методами
11. Металографічне дослідження
12. Свищ зварного шва
13. Ультразвукова і вихрострумовий дефектоскопія зварного шва
14. Висновок

Методи неруйнівного контролю

Кандидати й доктори технічних наук з Томського політехнічного університету (ТДВ) та ФГБУН інституту фізики міцності і матеріалознавства Сибірського відділення Російської академії наук в Томську провели наукове дослідження, щоб відповісти на питання - які методи неруйнівного контролю найбільш ефективні для контролю цілісності зварних швів. Фахівці компанії ПЕРГАМ взяли участь в дослідженні і надали вченим професійний тепловізор з високою роздільною здатністю.

Спільно вивчили можливості різних методів неруйнуючої дефектоскопії для швів, отриманих методом зварювання тертям з перемішуванням (СТП) на алюмінієвих сплавах. Метод зварювання тертям не припускав плавлення металу в зоні зварювання і тому має свої типи дефектів. У зв'язку з цим застосовували такі методи неруйнівного контролю, як ультразвукова ФАР-дефектоскопія, вихрострумовий метод і тепловізійний контроль в ході зварювання, а також металографічні дослідження отриманих структур. В результаті були отримані дані про типи дефектів і місцях їх залягання, які виявляються окремими методами. Обстежили дефекти типу стикового лінії, що виникають при зварюванні тертям з перемішуванням. Порівняли результати по застосовуваних методів, підтвердили висновок про необхідність використання комплексного підходу до дефектоскопії СТП-з'єднань.

Зварювання тертям з перемішуванням

Метод зварювання тертям з перемішуванням (СТП) широко використовується сьогодні для зварювання алюмінієвих сплавів в світовій практиці, про що говорить велика кількість публікацій в іноземних журналах. СТП характеризується тим, що формування і заповнення шва відбуваються при температурі металу нижче температури плавлення. Багато в чому процес пластифікації і пластичної течії деформованого і пластифікованого матеріалу при зварюванні тертям схожий з процесами структуроутворення при терті в пластичних металах. У зв'язку з цим міркування і оцінки, зроблені при дослідженні процесів тертя, справедливі і для зварювання тертям з перемішуванням. Зокрема, це стосується механізмів формування дефектів, які відрізняються від дефектів, одержуваних при зварюванні традиційними методами, які передбачають плавлення металу в зварювальній ванні.

У технічній літературі давно і детально досліджені типи дефектів та умови їх виникнення в зварних з'єднаннях, отриманих СТП. Зменшити ймовірність, а в ідеалі і повністю виключити появу дефектів можна за рахунок підбору оптимальних параметрів процесу: швидкості поступального руху інструменту уздовж шва, частоти його обертання, сили притиснення інструменту до заготовок. Важливою умовою отримання бездефектного шва є підготовленість крайок - відсутність оксидних плівок і зазору між заготовками в стику при зварюванні, а також невелика ступінь зношеності інструмента. При правильному підборі параметрів зварювання і дотриманні зазначених вище умов СТП гарантує необхідну міцність з'єднання і відсутність дефектів, які виявляються відомими методами неруйнівного контролю .

Але методи неруйнівного контролю мають певні обмеження. Для СТП-з'єднань одними з найбільш небезпечних і трудновиявляемих методами неруйнівного контролю дефектів є дефекти типу стикових ліній. Вони можуть служити місцями зародження і поширення тріщин при навантаженні, вони істотно знижують міцність зварного з'єднання. Поява дефектів стикових ліній може бути обумовлено недостатнім перемішуванням матеріалу в шві внаслідок зношеності інструмента або інтенсивним налипанням на інструмент металу при зварюванні. Часто такі дефекти декоровані фрагментами оксидних плівок, перенесених в шов з кромок зварювальних деталей, і добре видно на поперечному перерізі шва. Однак при належній обробці крайок перед зварюванням помітити ці дефекти важко навіть при металографічному аналізі поперечного перерізу шва. На даний момент можливості методів неруйнівного контролю щодо стикових ліній не до кінця зрозумілі. Саме з цієї причини ми вирішили вивчити можливості методів неруйнівного контролю для діагностики зварних швів, отриманих методом СТП.

Методи СТП в промисловому виробництві

Останнім часом СТП починає знаходити застосування і в Росії. Піонером використання СТП в серійному промисловому виробництві ЗАТ «Чебоксарське підприємство« Сеспель ». На підприємстві методом СТП виготовляють з алюмінієвого сплаву автомобільні цистерни-напівпричепи різного призначення.

У зв'язку з широким впровадженням СТП для виготовлення відповідальних виробів, в тому числі корпусних деталей ракетно-космічної техніки, все більша увага приділяється розвитку неруйнівних методів контролю для діагностики зварних швів. Методи неруйнівного контролю, що застосовуються для СТП-з'єднань, включають традиційні способи, такі як радіографія, ультразвукової та вихрострумовий способи, застосовується термографія, пенетрометри. Перераховані методи контролю окремо дозволяють визначати наявність дефекту з різним ступенем достовірності і тому можуть застосовуватися з надійністю щодо дефектів певного типу і розміру.

Методи неруйнівного контролю для пошуку дефектів зварних швів

• Радіографія дає можливість прямого спостереження дефектів, але чим більше товщина зварюваного металу, тим менше можливості методу щодо дрібних дефектів;
• Ультразвуковий метод із застосуванням фазованих антенних решіток має гарну роздільною здатністю по глибині, але також має обмеження при виявленні дефектів малого розміру;
• Вихрострумовий метод дозволяє надійно знаходити дефекти в тонкому поверхневому шарі, що особливо важливо при визначенні дефектів типу тріщин.

Застосування всіх цих методів стандартизовано в найбільшою мірою в додатку до методів зварювання плавленням і в меншій мірі до методів зварювання тертям. Використання термографії в якості методу контролю швів в основному обмежується методами активного контролю за допомогою контрольованого нагрівання сполуки. При цьому вони не мають переваги перед радіографією або ультразвукової дефектоскопії. Перевагою даного методу може бути використання для моніторингу поверхні шва безпосередньо в процесі зварювання.

Огляд літератури за типами та розмірами дефектів, що формуються при зварюванні тертям з перемішуванням, показує, що до них можна віднести пори малого розміру, дефекти у вигляді рядків оксидів і стикових ліній ( «kissing bonds», «Lazy S» і т.д.) , червоточини або каналів ( «wormholes», «channels»), які розташовуються на стороні набігання ( «advancing side»). При відповідній обробці і підгонці кромок зварювальних виробів з алюмінієвих сплавів можна значно зменшити ймовірність появи протяжних лінійних дефектів типу стикових ліній при зварюванні в оптимальному режимі. Однак будь-яке відхилення від режиму або неточність примикання крайок веде до утворення дефектів. У зв'язку з цим існує необхідність використання декількох доповнюють один одного методів контролю, особливо при виробництві відповідальних з'єднань.

Навіщо це потрібно?

Це необхідно для достовірного виявлення, точної ідентифікації та визначення розмірів дефектів в реальному виробі за матеріалами неруйнівного контролю. У даній роботі зроблена спроба порівняльного аналізу даних, отриманих методами неруйнівного контролю - тепловізіонним, ультразвуковим і вихрострумовий, з результатами руйнівного контролю - металографічного аналізу.

Зварене з'єднання і методика досліджень

Об'єктом досліджень було зварене з'єднання двох пластин з термічно незміцнюючих деформованого сплаву АМГ5М в відпаленого стані, виконане зварюванням тертям з перемішуванням (рис. 1). Стикові зварні проби з листових напівфабрикатів виготовляли на станції автоматичного зварювання аркушів з алюмінієвих сплавів ЗАТ «Чебоксарське підприємство« Сеспель ». Товщина зварювальних пластин s становила 5 мм, ширина зразка w після зварювання ≈185 мм, ширина зварного шва Lw = 19 мм. Довжина зварних з'єднань, отриманих при різних режимах зварювання, в середньому становила ≈500 мм.

За рахунок відхилення від штатного режиму зварювання шляхом зміни таких параметрів зварювального процесу, як величина сили притиснення інструменту, частота обертання і швидкість подачі інструмента, були отримані зразки зварних з'єднань, що містять різні дефекти. Деякі з цих дефектів можна було спостерігати візуально на поверхні шва, а інші були прихованими. Краї листів теж не обробляли перед зварюванням для отримання максимального числа дефектів.

термографія

Для теплового моніторингу в процесі зварювання використовували тепловізор FLIR А655sc . Контроль виконували в режимі відеозйомки. Розмір кадру становив 640 × 480 пікселів, частота 60 кадрів / с. Тепловізор монтували безпосередньо на рухомому шпінделя вузлі, в якому був встановлений зварювальний інструмент, на відстані близько 30 см від зразка, поле зору становило ≈15 см. Таким чином, зона теплового контролю залишалася нерухомою щодо зварювального інструменту і переміщалася по поверхні досліджуваного зразка зі швидкістю подачі . Після запису даних проводили їх обробку і будували термограмму процесу зварювання. Термограма дозволяє порівняти між собою різні ділянки шва при однакових умовах охолодження після проходження зварювального інструменту і виявити можливі температурні аномалії.

Ультразвуковий (УЗ) контроль

УЗК контроль проводили з використанням дефектоскопа з фазированной гратами HARFANG VEO 16: 128. Застосовували метод секторного сканування з п'єзоелектричним перетворювачем (ПЕП) на фазированной антеною решітці, на призмі з кутом 36 °, з кутовим дозволом 0,2 °. Кути введення становили від 45 до 65 °, частота ПЕП - 10 МГц, опорний посилення 65 дБ. Як иммерсионной рідини використовували водопровідну воду.

Призму розміщували на кореневої стороні перпендикулярно шву на відстані 11 мм від його осі. При скануванні призма переміщалася електроприводом з постійною швидкістю ≈2 мм / с уздовж шва від його початку до кінця. Призма притискалася до поверхні силою 10 Н. Секторні скани (S-скани) поперечного перерізу шва записувалися з кроком 0,2 мм і будувалася повна УЗ-дефектограми зварного з'єднання.

вихрострумовий контроль

Для вихретокового контролю застосовували дефектоскоп Ectane . Напруга на перетворювача становило 4 В, частота 50 кГц. Використовували вихрострумовий перетворювач, що складається з 32 котушок з шириною робочої частини 50 мм. Вихрострумовий перетворювач містився на кореневу сторону перпендикулярно шву так, щоб його середина співпадала з віссю шва. При скануванні він навантажувався силою 10 Н і переміщався уздовж шва від початку до кінця вручну зі швидкістю близько 10 мм / с. Скани записувалися з просторовим кроком 0,1 мм і будувалися Axial- і Trans-скани для всього шва.

Проводить металографічний аналіз

Як руйнівного методу контролю для виявлення типу, положення і розмірів виявлених дефектів застосовували металографічний аналіз. Зразки для аналізу вирізали з зварного шва (рис. 2, а). Потім виготовляли шліфи поперечного перерізу шва (рис. 2, б), а також планарного перетину - площині, паралельній лицьовій стороні зразка (рис. 2, в). Фотографували шліфи на металографічному інвертованому мікроскопі Метам ЛВ-31 за допомогою цифрової фотокамери з дозволом 4 Мп. Для отримання детальної макроскопічної картини зварного шва його фотографували по частинах з 50-кратним збільшенням, потім «зшивали» окремі цифрові фотографії в єдине зображення. У зв'язку з цим на зображеннях зварного шва можуть проявлятися невеликі періодичні неоднорідності по яскравості.

Результати дослідження зварних швів неруйнівними методами

При тепловому контролі на термограммах деяких зразків були виявлені аномалії температурного поля у вигляді темної смуги по осі зварного шва (рис. 3, б). Візуальний контроль показав, що ніяких змін на поверхні шва не спостерігається (рис. 3, а).

Ультразвукова дефектоскопія показала, що в даному зразку присутня велика кількість дефектів (рис. 3, в). Максимальна кількість і інтенсивність дефектів спостерігається в області початку темної смуги на термограмме (див. Рис. 3, б).

Ультразвукова дефектограми, наведена на рис. 3, в, є прозорим вид зверху - на ньому відображені всі дефекти незалежно від того, на якій глибині в зразку вони знаходяться. Аналіз даного ськана показав, що всі виявлені дефекти розташовані у вигляді ланцюжка на одній лінії, на однаковій глибині, на набігає стороні шва (за загальноприйнятою термінології advancing side, далі AS), на відстані 2 ... 3 мм від його осі.

Металографічне дослідження

Для ідентифікації виявленого дефекту був приготований шліф по перетину, показаному на рис. 3. На рис. 4, а і б наведено зображення дефекту на УЗ-S-скане і фотографії поперечного перерізу шлифа відповідно. Добре видно, що положення дефектної зони на УЗ-скане (рис. 4, а) точно збігається з розташуванням зони, що містить дефекти у вигляді пір на металографічному шлифе. Дефектна зона розташована на глибині від 1 до 2,5 мм.

Для того щоб отримати більш чітке просторове уявлення про дефект, був виконаний пошарове металографічний аналіз, який показав, що дефект розташований в ядрі шва, праворуч по ходу руху інструменту (AS), на кордоні з основним матеріалом. Він являє собою квазипериодический пористу структуру (рис. 4, в), період якої збігається з періодом лускатий на лицьовій стороні шва (рис. 3, а).

Свищ зварного шва

За загальноприйнятою термінології такі дефекти можна віднести до типу worm-hole. Пори в такому дефекті зварного шва орієнтовані уздовж ліній пластичного течії матеріалу і представляють собою мікрооб'єми неправильної форми, одна з меж яких має форму кругового сегмента (див. Рис. 4, в). Розгляд поперечного перерізу шва показує, що форма перетину пір близька до равноосной (див. Рис. 4, б). Розмір пористої області може змінюватися, але її права межа завжди знаходиться на стику шва і основного матеріалу (див. Рис. 4, в). Причина формування дефекту пов'язана з особливостями течії пластифицированного і модифікованого тертям металу поблизу кордону з нерухомим металом основи.

В одному зі зразків перед зварюванням для внесення додаткових дефектів в шов на стику пластин був просвердлений п'ять отворів діаметром 5 мм і глибиною 3 мм з однаковим інтервалом. Візуальний контроль і термограмма зварювання (рис. 5, а) показують, що наявність отворів привело до появи непроварів на лицьовій стороні шва з тим же інтервалом. Місця зовнішніх непроварів однозначно ідентифікуються на термограмме у вигляді більш яскравих ділянок по відношенню до оточуючих областям.

Крім цього на термограмме видно температурна аномалія у вигляді темної смуги, яка починається приблизно з середини зразка. УЗ-дефектограми крім зовнішніх непроварів також показала наявність великої кількості внутрішніх дефектів (рис. 5, б) на місці темної смуги.

Для приготування металографічного шліфа була обрана область, зовнішній вигляд якої не проявляє жодних ознак наявності дефекту (рис. 5, в). Ультразвуковий S-скан і результати металографічних досліджень даного зразка наведені на рис. 6. В даному випадку УЗ-дефектограми показана не для всього зразка, а тільки для шару, який прилягає до лицьовій стороні товщиною 1,5 мм (показаний на рис. 6, а).

Тут також спостерігається збіг положення дефектної зони на УЗ-S-скане (рис. 6, а) з реальним станом дефекту на металографічному шлифе (рис. 6, б).

Аналіз шлифа показує, що по центру шва поблизу лицьової поверхні розташовується дефект з поперечним розміром 2 ... 3 мм і глибиною близько 2 мм (див. Рис. 6, а). Він являє собою несиметричний щодо центру шва скупчення пір різної форми і розмірів (див. Рис. 6, б).

На шлифе, паралельному поверхні зразка, виконаному на глибині 1 мм, проявляється структура дефекту, що представляє собою набір кругових сегментів, період яких збігається з періодом лускатий (рис. 6, в). Структура добре видно в правій частині дефекту і практично не помітна в лівій. Крім того, зліва від описаного основного дефекту на відстані близько 500 мкм розташовується ланцюжок витягнутих пір, яка тягнеться вздовж лінії зварного шва. Також звертає на себе увагу явний прояв іншого дефекту - лінії стику або «Lazy S», що знаходиться ще лівіше, на відстані 200 ... 300 мкм від ланцюжка пір (збільшене зображення на рис. 6, в).

За суті описів дефект є заглаженность зверху плечима зварювального інструменту непроваром лицьова боці шва. Про це свідчить його структура, що нагадує структуру гірської породи, якась спостерігається усередині видимих ​​непроварів. Незважаючи на те що такий дефект розташовується дуже близько до лицьової поверхні шва (мінімальну глибину залягання по рис. 6, б можна оцінити приблизно в 100 мкм), його неможливо виявити методами візуального контролю.

Ще одним цікавим фактом, що вимагає подальшого аналізу, є те, що на УЗ-дефектограми (див. Рис. 6, а) прояв суцільного непровару під лицьовою стороною шва практично збігається з проявом краю шва.

Для перевірки впливу механічної обробки СТП-з'єднання на можливу появу нових дефектів була проведена фрезерування групи зразків з лицьового боку зварного шва до товщини 2,5 мм. Після фрезерування в деяких зразках УЗ-дефектоскопія зафіксувала несплошном поблизу кореневої боку практично по всій довжині зварного шва. Для перевірки наявності виходу несплошності на поверхню була проведена вихрострумовий дефектоскопія кореневої боку зразків.

Ультразвукова і вихрострумовий дефектоскопія зварного шва

Результати УЗ і вихрострумовий дефектоскопії для одного із зразків наведені на рис. 7. У порівнянні з даними контролю до фрезерування значно збільшилася довжина ділянок несплошності по кореню шва, виявлених УЗ-дефектоскопії, і істотно зросла амплітуда відбитого акустичного сигналу. Крім того, вихрострумовий дефектоскопії, проведеної до фрезерування, несплошностей в корені шва виявлено не було.

При порівнянні результатів двох видів контролю звертає на себе увагу те, що відповідність між дефектами, виявленими УЗ (рис. 7, а) і вихрострумовий (рис. 7, б) методами, спостерігається тільки на окремих ділянках шва. На одних ділянках більше дефектів знайдено УЗ-дефектоскопії, на інших - вихрострумовий. Крім того, вихрострумовий методом не виявляється ланцюжок дефектів на відстані 2 ... 3 мм від осьової лінії шва, яка добре видна на УЗ-дефектограми (див. Рис. 7, а).

Для ідентифікації виявлених дефектів був зроблений металографічний шліф по перетину, показаному на рис. 7. Перетин вибрано так, щоб на нього потрапили і несплошном кореня, і один з ланцюжка дефектів, паралельної осі шва.

Положення дефектів на УЗ-S-скане (рис. 8, а), як і в розглянутих випадках, точно збігається з їх реальним станом (рис. 8, б). Металографія показала, що дефекти відповідають тріщинах, що починається з кореневої боку шва. Дефект на осі шва (рис. 8, в) являє собою відображення від тріщини з невеликим розкриттям, що розповсюджується вздовж лінії стику пластин - дефекту типу «Lazy S». Інший дефект відповідає коротшою тріщині, розташованій правіше, практично на краю кореневої боку зварного шва (рис. 8, г).

Так як кромки шва перед зварюванням Спеціально не готувалися, то дефекти лінії стику «Lazy S» були присутні у всіх зразках, але були виявлені тільки в даному випадку, коли по дефекту поширилася тріщина.

Висновок

Отримані дані показують, що найбільш надійним методом, використаним в роботі для виявлення дефектів тих типів (за винятком лінії стику), які були присутні в досліджуваних зразках, є ультразвуковий метод неруйнівного контролю із застосуванням фазированной антеною решітки. Він дозволив виявити пори розміром близько 200 мкм і тріщини з невеликим розкриттям. Застосування фазированной решітки дозволяє безпосередньо бачити місце розташування дефекту на попередньо заданою схемою зварного шва і судити про його розмірі по амплітуді відбитого сигналу.

Результати тепловізійного контролю свідчать про гарні перспективи його застосування в якості первинного методу виявлення критичних дефектів в процесі моніторингу процесу СТП. Він дає можливість однозначно ідентифікувати непровар по лицьовій стороні шва. Також за допомогою тепловізора можна виявити непровар під поверхнею матеріалу за наявністю темної смуги на термограмме. У той же час така ж темна смуга спостерігалася і в іншому зразку, в якому були присутні дефекти типу worm-hole. Тільки за наявністю температурної аномалії у вигляді темної смуги не можна однозначно судити про наявність дефекту того чи іншого типу. Для більш точної ідентифікації дефектів зварного шва необхідно збільшення роздільної здатності тепловізійної зйомки, а також подальше вдосконалення процесу обробки даних.

У порівнянні з описаними методами вихрострумовий контроль дозволяє виявляти дефекти тільки на поверхні і в безпосередній близькості від неї. У разі фрезерованного зразка прояв дефекту у вигляді поздовжньої тріщини по кореню шва на вихрострумовий скане не збігається з УЗ-дефектограми. З урахуванням потенційно високої чутливості вихретокового методу в даному випадку, можливо, мали місце неоптимальні калібрування дефектоскопа і підбір параметрів сканування. Щоб гарантовано отримати точні дані при використанні вихретокового методу контролю, рекомендуємо використовувати сучасні цифрові вихореструмо дефектоскопи .

В цілому отримані в спільному дослідженні результати показують, що представлений комплексний підхід може бути рекомендований для підвищення достовірності виявлення дефектів, одержуваних при зварюванні тертям з перемішуванням. Порівняльний аналіз результатів дефектоскопії, отриманих різними методами неруйнівного контролю, може допомогти у виборі потрібного методу для виявлення дефектів конкретного типу.

Дослідження виконано за фінансової підтримки Міністерства освіти і науки РФ (договір № 02.G25.31.0063) в рамках реалізації Постанови Уряду РФ № 218.

бібліографічній список

• Mishra RS, Mahoney M. Friction stir welding and processing. ASM International, 2007. 360 p.
• Friction stir welding: From basics to applications / Е d. by D. Lohwasser and Zh. Chen Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, 2010. 432 р.
• Бакшаєв В. А., Васильєв П. А. Зварювання тертям з перемішуванням у виробництві великогабаритних виробів з алюмінієвих сплавів // Кольорові метали. 2014. № 1. С. 75 - 79.
• Неруйнівний контроль: довідник: у 8 т. Т. 3 / за ред. В. В. Клюєва. М .: Машинобудування, 2006. 864 с.
• Неруйнівний контроль: довідник: у 8 т. Т. 2. Кн. 1, 2 / за ред. В. В. Клюєва. М .: Машінострое- ня, 2006. 688 с.
• Вавилов В. П. Інфрачервона термографія і те- плову контроль. 2-е изд., Доп. М .: ВД «Спектр», 2013. 544 с.
• Rubtsov VE, Tarasov S. Yu., Kolubaev AV One-dimensional model of inhomogeneous shear in sliding // Phys. Mesomech. 2012. V. 15. N 5-6. Р. 337 - 341.