CC BY
59
_________________________________С
1 МАШИНОСТРОЕНИЕ. МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 620.179
С. В. Болотов, канд. техн. наук, А. М. Белягов, канд. техн. наук, А. О. Воробьёв
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВАРКИ ПО МАГНИТНЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ МЕТАЛЛА В ЗОНЕ СОЕДИНЕНИЯ
На основе проведенных исследований магнитных характеристик металла в зоне сварных соединений разработана установка для реализации активного контроля качества контактной точечной сварки по изменению тока накладного вихретокового преобразователя при формировании литого ядра. Разработана методика контроля нарушений термического цикла дуговой сварки труб из стали 15Х5М при пошаговом измерении коэрцитивной силы в зоне сварного шва.
Сварка является основным технологическим процессом при изготовлении большинства современных металлических конструкций. От качества сварных соединений существенно зависит их надежность и безопасность в эксплуатации. Поэтому разработка новых, эффективных и достоверных методов контроля качества сварки является актуальной проблемой.
Большинство существующих методов дефектоскопии ориентировано на обнаружение несплошностей сварных соединений на фоне качественно сваренного металла. Однако существует целый ряд соединений и конструкций, при контроле которых требуется решение нетрадиционной задачи - определение размеров зоны взаимного расплавления деталей на фоне допустимого зазора между ними в месте отсутствия сварки. Например, при контактной сварке в процессе контроля необходимо оценивать диаметр литого ядра сварной точки, который является основным параметром, определяющим прочность и работоспособность соединения.
В [1] предложен новый метод контроля точечных сварных соединений, получивший название магнитно-теплового метода. Сущность его состоит в следующем. Участок конструкции, подлежащий сварке, предварительно намагничивается постоянным магнитным полем определённой ве-
личины и направления, а затем производится сварка. Под действием теплового поля от источника сварочного нагрева металл размагничивается. После сварки характер распределения остаточной индукции в общем случае будет отражать характер распространения теплового поля в пределах температур, ниже точки Кюри. Так как непровар в сварном соединении практически всегда связан с недостаточным разогревом соответствующей зоны металла, по распределению полей остаточной индукции можно определить геометрические параметры зоны проплавления сварного соединения.
Разработанный метод контроля является пассивным, т. е. обнаружение некачественных сварных соединений производится после сварки. Для осуществления активного контроля качества точечных соединений было предложено в качестве информативного параметра использовать магнитную проницаемость металла в зоне соединения.
Сущность контроля диаметра литого ядра по изменению магнитной проницаемости металла в зоне соединения заключается в регистрации изменений тока намагничивающей катушки (накладного вихретокового преобразователя), расположенной на электроде контактной машины, под влиянием теп-
лового поля при сварке. При нагреве металла до температур, близких к точке Кюри, происходит резкое изменение его магнитной проницаемости и падение её до нуля, что вызывает изменение индуктивности намагничивающего контура, следовательно, и тока накладного преобразователя. При достижении нормированного размера литого ядра объём металла под электродами, нагретого выше температуры магнитных превращений, достигает максимального значения, что приводит к значительному изменению уровня тока накладного преобразователя по сравнению с его значением до сварки.
Контроль качества дуговой сварки основывается на традиционных методах дефектоскопии [2]. Однако, например, жаропрочные стали чувствительны к термическому циклу сварки и относятся к категории удовлетворительно свариваемых. Поэтому технология их сварки достаточно сложна. Она включает в себя, как правило, три операции: предварительный подогрев, сварка, термообработка. Режимы этих операций должны выбираться очень тщательно и строго выдерживаться. Грубые нарушения технологии приводят к образованию дефектов в сварном шве или околошовной зоне. Эти дефекты обычно обнаруживаются при дефектоскопии сварных соединений и исправляются. Не меньшую опасность представляют собой нарушения, не приводящие к образованию дефектов, но вызывающие соединения в зоне шва неблагоприятной структуры и фазового состава. Такие швы обладают повышенной склонностью к замедленному разрушению и имеют пониженный ресурс работы. В процессе эксплуатации под действием рабочих нагрузок и высоких температур происходит постепенное накопление повреждений до критического значения и сварной шов разрушается. Механизм разрушения может быть различным в зависимости от характера нарушения технологии сварки.
По внешнему виду и результатам дефектоскопии сварные соединения с поврежденной структурой, вызванной нарушением термического цикла сварки, ничем не
отличаются от качественных и в настоящее время беспрепятственно попадают в эксплуатацию. Методы контроля, позволяющие обнаружить такие швы, в настоящее время отсутствуют.
Вместе с тем существуют хорошие предпосылки использования магнитных методов для выявления неблагоприятного структурно-фазового состава шва и оценки причин, приведших к этому. Магнитная структуроскопия широко используется для контроля термообработки, сортировки сталей по маркам и в других областях [3]. Для выявления нарушения термического цикла сварки магнитные методы до настоящего времени практически не использовались.
Изучение необходимых параметров магнитного поля применительно к контактной точечной сварке проводили на пластинах из Ст 3, стали 08пс толщиной от i до З мм.
Питание намагничивающей катушки осуществляли от генератора Л3І с частотой питающего напряжения 1-5 кГц и амплитудой 1-2 В. Для повышения чувствительности контроля контур настраивается на резонанс токов. Информативным параметром при контроле размеров проплавления является действующее значение тока обмотки накладного преобразователя на рабочей частоте, которое фиксировалось с помощью звуковой платы ЭВМ программой Spectrum Analyser.
В ходе экспериментальных исследований установлена связь между размерами сварной точки и изменением уровня намагничивающего тока. На рис. 1 представлена такая зависимость для деталей 2 + 2 мм из Ст 3. Коэффициент корреляции составляет G,8.
Для реализации предложенного активного метода контроля качества контактной точечной сварки разработана специальная установка. В её функции входит: регистрация величины намагничивающего тока и передача сигнала на систему управления, подача импульса управления на отключе-
ние регулятора цикла сварки при достижении диаметра литого ядра номинального значения.
Основным элементом установки (рис. 2) является центральный процессор СРи, построенный на однокристальном микроконтроллере серии ЛУЯ фирмы «Этмел». Принимая сигнал от регулятора цикла сварки (РЦС) (РКС-801), он фиксирует начальный уровень намагничивающего тока на рабочей частоте, значение которого поступает с датчика тока (ДТ) накладного преобразователя. В процессе сварки СРи принимает сигнал с ДТ и обрабатывает его. При изменении намагни-
чивающего тока, на основании заложенных корреляционных связей, определяется диаметр литого ядра. При достижении значения намагничивающего тока нужной величины
происходит отключение сварочного тока с помощью сигнала, поступающего на РЦС. Ввод/вывод информации о размерах свариваемых деталей, уровне намагничивающего тока осуществляется с помощью клавиатуры (К) и жидкокристаллического модуля ЬСМ. Питание СРИ и ЬСМ производится с помощью блока питания (БП).
Д!
ёя
Рис. 1. Связь между изменением намагничивающего тока и диаметром литого ядра точки
Рис. 2. Функциональная схема установки для контроля диаметра литого ядра точки
Разработанная установка позволяет повысить качество соединений за счёт активного контроля размеров сварной точки по магнитным характеристикам металла в зоне соединения.
Оценку возможности использования магнитных характеристик при выявлении нарушений термического цикла дуговой сварки проводили для одной из наиболее распространенных в нефтехимической промышленности стали мартенситного класса 15Х5М.
Вероятность замедленного разрушения сварного соединения весьма тесно связана с твёрдостью металла в зоне шва. Для участков, имеющих повышенную твёрдость, наиболее вероятно хрупкое разрушение металла по так называемому механизму хладноломкости. Участки, имеющие пониженную твердость, склонны к разупрочнению и плохо выдерживают переменные нагрузки при пусках и остановках оборудования. Наличие связи между твердостью и ресурсом работы сварного соединения доказано во многих работах [3, 4]. При этом особо отмечается, что наибольшую склонность к преждевременному разрушению имеют соединения, в которых большой перепад твердости от участка перегрева к участку разупрочнения.
Для измерения твёрдости в зоне сварного соединения был использован твердомер ТК-2М. Исследования проводились для стыков труб диаметром 133 мм с толщиной стенки 10 мм из стали 15Х5М следующего состава: 0,15 % С, 0,45 % Б1,
0,5 % Мп, 5 % Сг, 0,55 % Мо и 0,05 % V. Разделка кромок шва соответствовала принятой при сварке стыков толстостенных трубопроводов. Для сварки применяли электроды ОК 7635 и ОК 9245 фирмы «ЭССАБ» (Швеция) с основным покрытием, предназначенные для сварки во всех пространственных положениях. Сварку производили по трём технологическим вариантам: 1 - сварка электродом ОК 7635 с последующим отпуском; 2 - сварка электродом ОК 9245 без подогрева и термообработки; 3 - сварка электродом
ОК 7635 без подогрева и термообработки. Первые два варианта считаются нарушениями технологического процесса, т. к. приводят к увеличению склонности сварного соединения к замедленному разрушению.
Методика измерения твердости следующая. Начиная от оси шва и продвигаясь к основному металлу с шагом 1 мм, делается 35 измерений твёрдости. По результатам измеренных значений построили графики ИЯЛ = Дх).
Результаты измерений твердости в зоне сварного соединения приведены на рис. 3. Анализируя графики
ИЯЛ = Г(х), можно сделать следующие выводы. При сварке без термообработки твердость на границе шва и зоны перегрева достигает 80-90 ИЯЛ, что по данным [1] близко к критическому значению, при превышении которого вероятность образования холодных трещин очень высока. Наблюдается также достаточно сильный перепад твёрдости при переходе к основному металлу. Этот перепад твёрдости может достигать величины 22 ИЯЛ. При таких градиентах твёрдости трещины, даже если они не образовались сразу после сварки, как правило, появляются в начале эксплуатации при испытаниях трубопроводов или пробных пусках.
Сварка по третьему варианту -без подогрева, но с отпуском - приводит к уменьшению твёрдости на участке разупрочнения и относительному её выравниванию в зоне шва и зона термического влияния (ЗТВ). В этом случае значения твёрдости относительно стабильны и колеблются в пределах 66-76 ИЯЛ, что является оптимальным вариантом.
Таким образом, исследования показывают, что твёрдость металла может быть критерием склонности сварного соединения к замедленному разрушению при нарушении технологии сварки.
Для измерения градиента поля остаточной намагниченности, который, как показано в [3], тесно коррелирует с
коэрцитивной силой, использовали магнитный сортировщик МС-1. Методика измерений градиента поля остаточной намагниченности такая же, как и при измерении твердости. Предварительно образец необходимо размагнитить перемен-
ным магнитным полем с плавно убывающей до нуля амплитудой. По результатам исследований построены зависимости АН = Г(х), которые приведены на рис. 4.
ШЛ
90
85
80
75
70
65
60
55
24 3
к
і іі III IV
7/ 7~7
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 мм 22
х --------------►
Рис. 3. Распределение твёрдости в зоне сварного соединения: 1 - сварка электродом ОК 7635 с термообработкой; 2 - сварка электродом ОК 9245 без подогрева и термообработки; 3 - сварка электродом ОК 7635 без подогрева и термообработки; I - сварной шов; II - участок перегрева; III - участок неполной перекристаллизации; IV - основной металл
400 А/мм2 300 250 200
ДН 150 100 50
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 мм 22
х -------------►
Рис. 4. Распределение градиента поля остаточной намагниченности в зоне сварного соединения:
1 - сварка электродом ОК 7635 с термообработкой; 2 - сварка электродом ОК 9245 без подогрева и термообработки; 3 - сварка электродом ОК 7635 без подогрева и термообработки; I - сварной шов; II - участок перегрева; III - участок неполной перекристаллизации; IV - основной металл
Из представленных графиков видно, что при сварке без последующей термообработки происходит резкое увеличение градиента поля остаточной намагниченности в зоне сплавления, что объясняется повышенной твёрдостью данного участка из-за наличия мартенсита. Далее происходит большой перепад градиента поля остаточной намагниченности при переходе от участка перегрева к основному металлу.
При сварке с последующей термообработкой достигается равномерное распределение градиента поля остаточной намагниченности и остаточной индукции в зоне сварного соединения. Представленные зависимости хорошо коррелируют с распределением твёрдости по сечению сварного соединения. Поэтому можно сделать вывод, что величина коэрцитивной силы (градиента поля остаточной на-
магниченности) в различных зонах сварного соединения линейно связана с твёрдостью металла этих зон, а характер её изменения отражает параметры термического цикла сварки, что может быть физической основой оценки оптимальности реализованного технологического процесса сварки.
Разработана методика контроля термического цикла сварки, которая предусматривает пошаговое, через 1 мм, измерение коэрцитивной силы (градиента поля остаточной намагниченности) в зоне шва, построение графиков зависимостей Нс = Г(х) и определение площадей критических зон (рис. 5). Критическими зонами являются зоны Б1 и Б2, находящиеся за пределами критических значений Нскр1 и Нскр2.
Значения браковочных признаков определяются предварительными исследованиями для конкретного изделия и материала.
Разработанная методика контроля нарушений термического цикла сварки стали 15Х5М позволит значительно снизить количество сварных соединений тех-
нологических трубопроводов, склонных к замедленному разрушению.
Выводы
1. Изменение тока накладного вихретокового преобразователя может использоваться в качестве информативного параметра при контроле диаметра
литого ядра точки. Разработана автоматизированная установка, позволяющая осуществлять активный контроль качества контактной точечной сварки.
2. Величина коэрцитивной силы (градиента поля остаточной намагниченности) в различных зонах сварного соединения, выполненного дуговой сваркой, линейно связана с твёрдостью металла этих зон, а характер её изменения отражает параметры термического цикла сварки, что может быть физической основой оценки оптимальности реализованного технологического процесса сварки.
3. Разработана методика контроля термического цикла сварки изделий из стали 15Х5М, которая предусматривает пошаговое, через 1 мм, измерение коэрцитивной силы (градиента поля остаточной намагниченности) в зоне шва и определе-
ние площадей критических зон с предельными значениями контролируемого параметра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Куликов, В. П. Магнитно-тепловой метод контроля геометрических характеристик проплавления соединений, выполненных контактной и дуговой сваркой / В. П. Куликов, С. В. Болотов // Дефектоскопия. - 2004. - № 4. -С. 73-85.
2. Контроль качества сварки / Под ред. В. Н. Волченко. - М. : Машиностроение, 1975. -328 с.
3. Мельгуй, М. А. Магнитный контроль механических свойств сталей / М. А. Мельгуй. -Минск : Наука и техника, 1980. - 184 с.
4. Хромченко, Ф. А. Ресурс сварных соединений паропроводов / Ф. А. Хромченко. - М. : Машиностроение, 2002. - 352 с.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 24.05.2007
S. V. Bolotov, A. M. Beljagov, A. O. Vorobjev Quality assurance of welding under magnetic characteristics of metal in a zone of connection
Belarusian-Russian University
On the basis of the lead tests of magnetic characteristics of metal in the zone of welded connections installation for realization of active quality assurance of contact spot welding on change of vortical and current converter at formation of a cast core has been developed. The technique of the control of infringements of a thermal cycle of arc welding of tubes from steel 15Х5М at step-by-step measurement of coercitive force in the zone of a welding seam has been developed.
