CC BY
25
Соловьев В.А., Розен А.Е., Крюков Д.Б. МЕТОД ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ СПЕКЛ-ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ БИМЕТАЛЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ
Надёжность работы любого объекта, особенно относящегося к опасным техническим устройствам, определяется условиями контроля его качества ещё на стадии изготовления. Особенно актуален данный вопрос для технологий, предназначенных для выпуска продукции в химическом машиностроении, металлургии, атомной энергетике, военной технике и др., где требуется сочетание высокой прочности, жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости материалов. Контроль качества применяемых материалов осложняется использованием биметаллических и многослойных композитов, получаемых по технологии литого плакирования, пакетной сварки прокаткой, электродуговой и электрошлаковой наплавкой, а также сваркой взрывом.
В сравнении с другими технологиями сварка взрывом обладает рядом существенных преимуществ [1]:
1) высокопрочное соединение образуется не только при сварке однородных металлов и металлов, способных образовывать твердые растворы и химические соединения, но и металлических материалов, которые не соединяются сваркой плавлением и диффузионной сваркой;
2) сваркой взрывом можно соединять материалы с сильно различающимися температурами плавления, например алюминий-тантал, магний-цирконий, алюминий-сталь;
3) взрывом могут успешно свариваться металлы с прочными поверхностными пленками, например нержавеющие стали с хромомолибденовыми, соединение которых методами горячей прокатки затруднительно;
4) малое время существования высоких температур в зоне соединения позволяет использовать сварку взрывом для соединения материалов, образующих хрупкие интерметаллидные прослойки, таких как сталь - титан, сталь - алюминий, медь - титан, медь - алюминий;
5) сварка взрывом может осуществляться на площадях, ограничиваемых лишь размерами используемых листов и массой заряда взрывчатого вещества;
6) толщина плакирующего материала может меняться в очень широких пределах (от 0,03 до 30 мм и выше);
7) толщина плакируемого материала ограничивается только толщиной выпускаемого промышленностью проката и отливок;
8) высококачественные поковки и листы могут плакироваться без изменения химического состава вблизи шва, так как диффузионные процессы при сварке взрывом не играют сколько-нибудь существенной роли;
9) за один технологический цикл сварки могут быть получены многослойные композиционные металлические материалы из различных металлов и сплавов;
10) применение биметаллических материалов в качестве альтернативы дорогостоящим коррозионностойким нержавеющим сталям и цветным металлам существенно экономит расход последних не снижая, а иногда и превышая их основные технико-эксплуатационные характеристики;
11) при сварке материалов взрывом не требуется специальная технологическая оснастка и оборудование, что значительно удешевляет и упрощает саму технологию.
Вместе с тем, отсутствие эффективного метода контроля произведенного взрывом биметаллического или многослойного материала ограничивает широкое применение данной технологии. В большинстве случаев используют так называемые неразрушающие способы контроля (НК), позволяющие определить наличие или отсутствие в изделиях тех или иных дефектов, косвенно характеризующих их прочность и надежность. Эти испытания основаны на различных физических явлениях: прохождении и передаче энергии,
либо вещества [2].
При выборе того или иного метода НК учитывают его чувствительность, информативность, достоверность, оперативность, производительность, а также возможность фиксировать документально результаты контроля [3].
Использовать традиционные методы НК, такие как, радиационный, акустический, магнитный, вихретоковый, капиллярный, охватывающие до 95% проводимого в настоящее время контроля, для биметаллических материалов не всегда представляется возможным. Это связано с тем, что основному контролю подлежат большие поверхности, в которых в качестве дефектов могут выступать узкие щелеобразные непровары или спаи, а также литые зоны с рассредоточенными усадочными раковинами. Данные дефекты возникают в местах контакта соединяемых поверхностей и, соответственно, глубина их залегания регламентируется толщинами свариваемых материалов, которые могут меняться от миллиметра до несколько сотен миллиметров [4].
Анализ основных способов неразрушающего контроля [2] показывает, что магнитный метод ограничен возможностью контроля только ферромагнитных материалов, в то время как в большинстве случаев биметалл содержит в качестве плакирующего слоя либо металлы, относящиеся к группе цветных сплавов, либо железоуглеродистые сплавы с аустенитной структурой не обладающих магнитными свойствами.
Применение в качестве неразрушающего контроля капиллярного метода для биметаллического материала является также неприемлемым, т.к. он позволяет проводить оценку качества только поверхностного слоя или выявлять дефекты, выходящие на поверхность. Дефекты, которые могут возникнуть при сварке биметалла, в большинстве случаев, находятся на свариваемых поверхностях и не соприкасаются с наружными.
Радиационные методы, несмотря на свою универсальность (контроль материалов любых толщин, как металлов, так и неметаллов), имеют, тем не менее, низкую достоверность, особенно в отношении узких трещин и непроваров, расположенных перпендикулярно по отношению к радиационному полю. Достоверность в этом случае не превышает 60, а может снижаться и до 20% [3].
Акустические методы контроля эффективны только при толщинах более 4 мм, в то время как подавляющее число плакируемых материалов, получаемых сваркой взрывом, имеют толщину, не превышающую 2...3 мм. Кроме этого, достоверность результатов резко снижается в случаях, когда биметаллические пары образованы материалами с резко отличающейся акустической жесткостью. В частности для пары алюминий -сталь достоверность не будет превышать 55%, а для пары магний - тантал - 15% [3]. Наряду с этим
технически невозможно произвести акустический контроль для многослойных материалов. Главным недостатком перечисленных методов является возможность существования скрытых дефектов ,которые практически отсутствуют , когда исследуемый объект находится в не напряженном состоянии .
Достоинством голографических методов является возможность измерения деформации поверхности трехмерных объектов с высокой точностью. Недостатком - неподвижность объекта контроля в течение всего времени экспонирования голограммы, необходимость проведения двух разнесенных во времени экспозиций , при этом сохраняя место расположения голограммы относительно исследуемого объекта и других элементов оптической схемы с высокой точностью.
С появлением фотоприемных матриц, способных воспроизводить сравнительно высокие пространственные частоты, а также с развитием методов цифровой обработки изображений, особую роль в измерении дефор-
маций получают фотоэлектронные корреляционные спекл-интерферометрические методы неразрушающего контроля, которые предлагается использовать для изделий, полученных сваркой взрывом.
“ “
Рисунок 1.
На рисунке 1 представлена функциональная схема фотоэлектронного корреляционного спекл-интерферометра. Излучение от гелий-неонового лазера Л через формирующую оптику О! направляется на исследуемую поверхность биметалла БМ. Рассеянное излучение от поверхности, отразившись от зеркал Френеля Зі и З2 при помощи объектива О2 направляется на фотоприемную матрицу. Фотоприемная матрица расположена в плоскости изображения объектива О2. Зеркало Зі и зеркало З2 установлены друг к другу под углом ~ 180 градусов и имеют регулировки, позволяющие сдвигать изображения исследуемой поверхности относительно друг друга, поэтому этот интерферометр называют интерферометром с разделением спекл структур. На фотоприемной матрице формируются два когерентных изображения, интерферирующих друг с другом. Фотоприемная матрица через контроллер вывода изображения К соединена с ПЭВМ через порт ИББ. На обратной стороне исследуемой поверхности биметалла расположены нагревательные элементы НЭ.
В плоскость фотоприемной матрицы приходят волны, рассеянные различными участками исследуемой поверхности и за счет сдвига одного изображения относительно другого на величину А на фотоприемной матрице формируются два интерферирующих волновых фронта. Если в предметной плоскости рассматривать рядом лежащие точки Рі и Р2, расстояние между которыми 8 , то от них в сопряженную точку плоскости изображения попадут два рассеянных излучения с интенсивностями Зі и ^ и разностями фаз между ними р .
Результирующая интенсивность волны Іі в сопряженной точке фотоприемной матрицы равна
— Jі + ^2 ^ 2^ЗуЗ^Ойр (1)
Рельеф исследуемой поверхности меняется случайным образом, поэтому случайна и разность фаз, а, следовательно, результирующая интенсивность от точки к точке принимает случайные значения, что и называется спекл-эффектом. Размер спеклов в плоскости изображения [5] определен как
йсп ~ 2,4ЛЬ / а ,
где X — длина волны лазерного излучения, расстояние от объектива до плоскости изображения, а- диаметр объектива.
Первым этапом исследования поверхности является получение цифрового изображения интерференционного спекла и сохранение его в памяти ПЭВМ. Затем при помощи нагревательного элемента в течение короткого промежутка времени нагревается нижний участок биметалла, в результате чего этот участок деформируется (рисунок 2). При этом изменятся и расстояние между точками Рі и Р2 на величину А8 .
иВ(ая)
12 4Эвв-001 2236*001 _ 20329-001 1 629*001 Ні 625*-001 Ні 422Є-001 Ні 219*001
Ні 016*001
Нв 127*002 Не 085*002 Н 4 063*002 Н 2033*002
Ні 000*030
Рисунок 2.
Процесс температурного воздействия на биметаллический образец (Сталь 10 толщиной 8 мм + Алюминий АД0 толщиной 2 мм) размером 100*250 мм был смоделирован в программе Solid Works 2005-2 00 6 см. рисунок 2. Нагрев осуществлялся со стороны стальной пластины в центральной части защемленного по углам образца. Температура нагрева составляла 200 оС. Нагрев производился до полного прогрева биметалла по всей его площади. При этом модель фиксировала температурную деформацию биметалла. На рисунке 2 представлен конечный вид деформированного биметалла с учетом градиентной раскраски соответствующей определенной степени деформации каждой зоны (столбец справа).
Изменения координат точек в предметной плоскости приведет к тому, что в сопряженной точке плоскости изображения изменится разность фаз в соотношении (1) на величину AS .Тогда результирующая интенсивность излучения I2 в сопряженной точке плоскости изображения будет
/2 = J + J + 2^JJ2Cos(^ + A^) . (2)
Вторым этапом исследования поверхности является получение цифрового изображения интерференционного спекла в момент максимального или близкого к нему уровня деформации и сохранение его в памяти ПЭВМ. Изображения интерференционных спеклов, не смотря на наличие интерференционных членов
2^1JJ2Cosp и 2yjJJCos(ф + Аф) , не позволит наблюдать интерференцию в силу того, что разности фаз
ф в первом и втором случаях распределены случайным образом.
Тем не менее величины Ii и I2 коррелированы и функция корреляции р (Аф ) зависит от разности хода Аф . В работе [5] приведена функция корреляции двух случайных переменных Ii и I2 р (Аф ) = (1 + CosAty}/2 , (3) т.е. корреляция равна единице, когда Аф = 2пж и равна нулю, когда
Аф = (2п +1)ж .
Третьей процедурой является получение видимой интерференционной картины деформированной исследуемой поверхности. Для этого два полученных ранее цифровых изображения совмещают друг с другом пиксель в пиксель, а затем вычитают.
В результате при вычитании коррелированные части спеклов дадут при Аф = 2пж =const нулевые значения интенсивностей, а при Аф = (2п +1)ж=const некоррелированные части спеклов дадут интенсивность близкую к среднему значению (Ii +I2 )/2 n= 0r1r2r3r.....
Таким образом, вдоль линий, где Аф = (2n + 1) ж=const в разностном цифровом изображении появляются интерференционные полосы. При этом предполагается, что величины Ii , I2 и ф независимы и остаются неизменными при температурном воздействии, которое приводит к появлению Аф . Если предположение выполняется частично или не выполняется, то корреляция в спекл-картине будет уменьшаться, видность электронного разностного изображения уменьшаться и, в конечном счете, интерференционная картина исчезнет совсем. Необходимо сделать замечание, что если размер спеклов будет равен или сопоставим с интервалами между интерференционными полосами, то видность полос будет равна нулю или приближаться к нулю. Чтобы видность интерференционных полос стала приемлемой, нужно зеркалом 3i добиться необходимого смещения двух изображений.
Пространственное распределение спеклов изображения определяется дифракционным пределом оптической системы, формирующей изображение. Максимальная пространственная частота зависит от апертуры объектива, формирующего изображение и расстояния между объективом и исследуемой поверхностью
g =-^ = Я^— = Я-NA ,
omm г '
—max a
где, f - фокусное расстояние, а - расстояние между объективом и исследуемым предметом, NA = f/a -числовая апертура объектива.
При размере фотоприемной матрицы 22 х 16 мм и разрешении, равным 8 мегапикселей, минимальный интервал, разрешаемый матрицей, будет составлять 6,6 мкм, а пространственная частота ~ 150 мм-1. Используя гелий-неоновый лазер с длиной волны Я = 632,8 нм для разрешения системы всех содержащихся в спектре сигнала пространственных частот необходимо, чтобы числовая апертура объектива соответствовала соотношению NA « 10.
Изменение разности фаз Аф зависит от угла падения ^ излучения на исследуемую поверхность и угла ^ отражения от нее
Аф = 2ж(Cos^l + Cos^2)AS/Я . (4)
Как следует из соотношения (4) чувствительность установки можно изменять, выбирая углы ^ и •
Так при углах ^ ~0 и ~0
Аф= 4ж^/Я .
Температурное воздействие приведет к тому, что появится не только деформация, но и ее форма будет определяться наличием и величиной внутренних дефектов. В цифровом разностном изображении форма интерференционных полос определяет изолинии равных разностей хода Аф , соответствующих деформаций или их производных.
Таким образом, была установлена возможность применения электронных корреляционных спекл-интерферометрических методов неразрушающего контроля для изделий, полученных сваркой взрывом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матусевич А.С. Композиционные материалы на металлической основе // М.: Наука и техника, 1978.
- 216 с.
2. Маслов Б.Г. Комплексный контроль сварных соединений и изделий // Учеб. Пособие. - М.: Машиностроение, 1995. - 59 с., ил.
3. Кудинов В.М. Сварка взрывом в металлургии / В.М.Кудинов, А.Я.Коротеев // М.: Металлургия,
1978. - 168 с.
4. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ В.В.Клюев, Ф.Р.Соснин, В.Н.Филинов и др.;
Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с., ил.
5. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия // М.: Мир, 1986. - 328 с.
