ОСОБЕННОСТИ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ТИПА «ПОРЫ» В СТАЛЬНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Машиностроение и машиноведение

DOI 10.36622/^ТО.2022.18.2.013 УДК 53.087:620.19

ОСОБЕННОСТИ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ТИПА «ПОРЫ» В СТАЛЬНЫХ СВАРНЫХ

СОЕДИНЕНИЯХ

М.Н. Давыдов, С.В. Сафонов, В.В. Шурупов

Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: данная работа посвящена вопросу особенностей выявления дефектов типа «поры» в стальных сварных соединениях, выполненных с полным проваром корня шва. Рассмотрены классификация дефектов, причины возникновения, а также их влияние на работоспособность детали или конструкции. Описаны факторы, которые снижают вероятность выявления данного типа несплошности ультразвуковым методом контроля, в частности, эхо-импульсным методом. В качестве исследуемого объекта использовались сварные соединения из Стали 20 с номинальной толщиной свариваемых элементов - 12 мм. В данных образцах по результатам радиографического контроля выявлены недопустимые внутренние дефекты в виде пористости, скоплений и цепочек пор. Целью эксперимента ставилась задача определить возможность выявления подобных дефектов ультразвуковым методом контроля. Представлено применяемое оборудование и описана методика проведения эксперимента. Определены режимы контроля, сканирования и выбраны размеры контрольных отражателей в настроечном образце, которые имитируют естественный дефект в изделии, соответственно, их размер эквивалентен максимально допустимому одиночному дефекту в объекте контроля. В ходе проведения ультразвукового контроля внутренние поры были зафиксированы, но амплитуда эхо-сигнала от данных дефектов была значительно ниже браковочного уровня чувствительности. Результаты были занесены в таблицу и построен график обнаруженных индикаций относительно уровней чувствительности. Ни одна из обнаруженных при радиографическом контроле индикаций не превысила контрольный уровень чувствительности, т.е. уровень фиксации

Ключевые слова: сварные соединения, дефекты, контроль неразрушающий, контроль ультразвуковой

Введение

Сварка - это процесс создания неразъемных соединений. Сварные соединения являются неотъемлемой частью различных конструкций и изделий машиностроительных производств.

В процессе изготовления и эксплуатации изделий в металле могут возникать дефекты, влияющие на прочность и эксплуатационную надежность сварных соединений.

Своевременное обнаружение внутренних дефектов при изготовлении деталей возможно с применением методов неразрушающего контроля (НК), например, радиографического (РК) или ультразвукового (УК).

Целью данной работы является рассмотрение возможностей, особенностей и ограничений обнаружения дефектов типа «поры» ультразвуковым методом контроля.

Дефект типа «ПОРЫ»

В соответствии с ГОСТ Р ИСО 6520-12012 «Сварка и родственные процессы. Классификация дефектов геометрии и сплошности в

металлических материалах. Часть 1. Сварка плавлением» [1], термин «дефект» - это несплошность в сварном соединении или отклонение от требуемой геометрии, а «недопустимый дефект» - дефект, превышающий норму.

В классификации дефектов поры относятся к группе № 2 - Полости [1]. Газовая пора (2011) - это газовая полость практически сферической формы (рис. 1). Может располагаться в наплавленном металле равномерно (2012), а также в виде скоплений (2013) и цепочками (линейная пористость - 2014). Поры могут быть как округлой, так и вытянутой формы, размеры которых достигают нескольких миллиметров.

Рис. 1. Классификация дефектов

© Давыдов М.Н., Сафонов С.В., Шурупов В.В., 2022

Причины образования пор в сварных соединениях разнообразны. Начиная от качества зачистки свариваемых кромок, большой скорости сварки, когда газы не успевают выйти наружу, заканчивая повышенным содержанием углерода в металле и присадочном материале. Также могут влиять условия окружающей среды, например, повышенная влажность, которая отражается на состоянии электродных покрытий флюса и т.д.

Пористость в сварных соединениях может влиять на герметичность и механические свойства изделия, например, снижение прочности, ударной вязкости и т.п. Наиболее точная оценка влияния дефектов на работоспособность изделия определяется экспериментально, путем испытаний образцов с дефектами.

Установлено, что суммарная площадь поры до 5-10% в сечении сварного соединения практически не влияет на статическую прочность [2]. Каждая пора отдельно в общем случае не опасна, то есть не вносит существенных изменений в ожидаемые характеристики изделия. Но в процессе изготовления могут образовываться скопления удлиненных пор (канальных и «червячных»), которые являются наиболее опасными (рис. 2).

Рис. 2. Канальные поры

В стыковых соединениях встречаются «червячные поры» диаметром 0,5 - 3,1 мм, расположенные вертикально в средней и подповерхностной части наплавленного металла и длиной до 9 мм [3].

Влияние дефектов на работоспособность детали или конструкции определяется многими факторами, например, условиями эксплуатации и нагрузок. Это во многом зависит от характера

дефектов - их типа, размеров, формы, расположения. Следовательно, наличие в сварном соединении скоплений и цепочек пор может привести к резкому снижению прочности изделия за счет уменьшения площади поперечного сечения.

Рис. 3. Червячные поры в разрушенном сварном соединении

Учитывая частоту образования подобных дефектов и влияние на несущую способность, необходимо учитывать возможность их достоверного обнаружения и устранения на стадии производства, до ввода контролируемого объекта в эксплуатацию.

Особенности выявления дефекта типа «поры» ультразвуковым методом

Дефекты типа «поры», занимающие значительный объем в сварном соединении, могут быть своевременно не выявлены ультразвуковым контролем, в частности эхо-импульсным методом.

Это связано с тем, что ультразвуковой контроль основан на оценке отражающей способности дефектов, а не их фактических размеров (рис. 4) [4].

Рис. 4. Рассеяние акустической энергии на дефекте типа «поры»

Поверхность «червячной поры» имеет нерегулярные рельефные и игольчатые отражатели, что вызывает сильное рассеивание ультразвуковых волн (рис. 5).

Поры характеризуются наличием на экране дефектоскопа импульсов, быстро исчезающих и появляющихся вновь при незначительных смещениях преобразователя.

Рис. 5. Вид отражающей поверхности поры

В ряде исследований и практических работах говорится, что скопления пор или шлаковых включений дают на экране один эхо-сигнал или характеризуются появлением широкого эхо-сигнала неопределенной формы.

Рис. 6. Скопление пор

На рис. 6 представлен вид экрана при контроле изделия с объемными дефектами типа пор: а - скопление пор в сечении объекта контроля;

б - вид экрана ультразвукового дефектоскопа при выявлении скопления;

в - динамика изменения амплитуды эхо-сигнала при перемещении преобразователя в направлении Х.

Допустимость обнаруженных несплошно-стей [5] во многих случаях определяется путем сравнения их амплитуды с амплитудой эхо-сигнала от эталонного отражателя (искусственного дефекта) в настроечном образце.

Как было сказано ранее, отражающая поверхность поры вызывает рассеивание ультразвуковых волн. Это приводит к тому, что получаемая приемником отраженная энергия и амплитуда эхосигнала - намного меньше, чем от эталонного отражателя.

Следовательно, несплошность может считаться допустимой и непротяженной, даже в не-

которых случаях не доходить до уровня фиксации, хотя ее реальные размеры намного больше. В результате снижается достоверность и объективность результатов ультразвукового контроля.

Проведение эксперимента

В качестве исследуемого объекта будут использоваться сварные соединения с полным проваром, выполненные ручной дуговой сваркой с У-образной разделкой С17 по ГОСТ 526480 (рис. 7) [6].

[ /V ///'ф \\k>

в

И

Рис. 7. Исследуемые образы: а) эскиз сварного соединения, б) вид исследуемых образцов

Номинальная толщина свариваемых элементов - 12,0 мм, марка материала - Сталь 20, шероховатость поверхности сканирования - 40

мкм.

Для проведения эксперимента был выбран ультразвуковой дефектоскоп УСД-50 IPS (рис. 8), выпускаемый отечественным производителем НпЦ «КРОПУС» (г. Ногинск).

Рис. 8. Ультразвуковой дефектоскоп УСД-50 IPS

Данный дефектоскоп позволяет работать в «классическом» одноэлементном режиме с диапазоном частот от 0,25 до 20 МГц. Также возможно подключение датчика пути для построения В-скана и работы в режиме TOFD (Time Of Flight Diffraction - Дифракционно-временной метод). Его технические характеристики позволяют выполнить поставленную задачу.

В ходе эксперимента настройка чувствительности и порядок проведения ультразвукового контроля выполнялись в соответствии с действующей нормативно-технической документацией по ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые» [7].

Сварные соединения контролировались эхо-методом по совмещенной схеме, с использованием преобразователей поперечных волн, рабочей частотой 5 МГц, углами ввода 65 и 70 градусов.

Сварной шов контролируется с двух сторон (1 проход - справа, 2 проход - слева). Корень шва проверяется прямым лучом, верхняя часть - однократно-отраженным (рис. 9).

Перемещение преобразователя выполняется параллельно оси шва с одновременным возвратно-поступательным перемещением перпендикулярно оси, так называемое - поперечно-продольное сканирование [7]. Шаг сканирования не должен превышать половины размера активного элемента преобразователя (Dп) в направлении шага (рис. 9).

Во время сканирования необходимо поворачивать преобразователь на угол ф = 10...150 относительно линии поперечного перемещения (рис. 9), это позволяет повысить вероятность выявления различно ориентированных дефектов.

Настройка браковочного уровня чувствительности производится по настроечному образцу (НО) (рис. 10), изготовленному из материала того же структурного класса, что и объект контроля. Это уменьшает разницу в скорости и затухании ультразвуковой волны.

J Л

Л 7V 4 ж: ' v

Рис. 9. Схема контроля

Рис. 10. Настроечный образец: а) общий вид, б) расположение преобразователя при настройке чувствительности (положение 1 - прямой луч, положение 2 - однократно-отраженный луч)

Настроечный образец представляет собой плоскую пластину той же толщины, что и объект контроля. В нем имеются плоские угловые отражатели типа «зарубка», размеры которых устанавливаются требованиями нормативно-технической документации на объект контроля.

Искусственные отражатели имитируют естественный дефект в изделии, соответственно их размер эквивалентен максимально допустимому одиночному дефекту в объекте контроля.

Для настройки были выбраны отражатели с наименьшими размерами из действующей

нормативно-техническои документации, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1 Размеры искусственных отражателей в настроечном образце

Тип сварно- Номинальная Размер от-

го соедине- толщина, мм ражателя, мм

ния

2,0 х 1,5

Стыковое 12,0 2,0 х 1,8

2,0 х 2,0

Стоит заметить, что проведение контроля с оценкой качества возможно при наличии документации, содержащей нормы допустимости дефектов. В общем случае назначение норм -гарантировать необходимые прочностные свойства сварных соединений и оказывать дисциплинирующее воздействие на технологию сварки.

АРД

Рис. 11. Результат настройки ультразвукового дефектоскопа с помощью НО методом ВРЧ: а) эхосигнал от отражателя прямым лучом, б) эхосигнал от отражателя однократно-отраженным лучом

Результаты исследования

Выбранные сварные соединения были проверены радиографическим методом контроля. В результате расшифровки радиографических снимков в образцах были выявлены не-

допустимые дефекты в виде пористости, скоплений и цепочек пор (рис. 13).

На снимке скопления пор представляют собой темные пятна правильной или вытянутой формы, расположенные компактно.

В ходе проведения ультразвукового контроля внутренние поры были зафиксированы, но амплитуда эхо-сигнала от данных дефектов была значительно ниже браковочного уровня чувствительности (до 6 раз).

Результаты были занесены в таблицу (рис. 12) и построен график обнаруженных индикаций относительно уровней чувствительности:

- браковочного - при котором принимается решение об отнесении выявленной несплошности к классу «дефект»;

- контрольного (уровень фиксации) - при котором несплошности регистрируются и производится оценка их допустимости по условным размерам и количеству;

- поисковый - этот уровень устанавливается при поиске несплошностей [7].

ПрОХОЖ Длина Амплитуда относитально браковочного уровня АА=2, дБ

Расстояние от Глубина У=2 Х=2

ЛЬ^ыи

1- 1 2 11,2 -5,6 17 -17,0 4-

2 1 39 8,4 0,1 12 -17,0 4-

^ 1 235 11,1 4,5 15 -16,0 4-

4 1 298 11,8 3,5 10 -12,0 4-

5 1 375 7,3 -0.9 15 -9.0 4-

6 1 21 10.1 53 10 -16.0 4-

7 1 37 5,0 1,0 9 -17,0 4-

! 1 70 ИЗ -1,5 9 -20,0 4-

9 1 108 10,3 -5,8 19 -20,0 4-

10 2 289 3,5 03 17 -17.0 4-

а)

Длина Амплитуда относительно сраговочног о уровня ДА=2г дБ

"Йз Расстояние от цмгграппи Х=2

1 1 0 11,2 -5,6 15 -18,0 4-

2 1 33 5,4 0,1 12 -18,0 4-

3 1 235 11,1 4,5 15 -17,0 4-

4 1 300 11,8 3,5 10 -13,0 4-

5 1 375 7,3 -0,9 15 -10,0 4-

6 1 20 10,1 53 10 -15,0 4-

7 1 37 4,8 1,0 8 -16,0 -!-

8 1 70 ИЗ -1,5 9 -19,0 Ф

9 1 110 юз -5,8 17 -22,0 4-

10 2 290 3,4 03 15 -19.0 4-

б)

н™, прохсда К~ппр-пгсгртх.г ггггтнтгдтгтгтг цм нндиыцшс Л[,=5. мм Амплитуда относитально оракохочного уровня ДА=2,дБ

Раесто ши; от точкнотетета "га Расстояние от п.нтрашва

1 1 3 11,2 5,6 14 -19,0 4-

2 1 40 8,4 12 -19,0 4-

3 1 235 11,1 15 -13,0 4-

4 1 300 11,8 10 -14,0 4-

5 1 378 73 15 -11,0 4-

б 1 20 102 3 -20,0 4-

7 1 37 4,8 7 -21,0 4-

5 1 70 ИЗ 9 -24,0 4-

9 1 110 103 15 -24,0 4-

10 2 290 3,4 03 14 -21.0 4-

в)

Рис. 12. Результаты измерений с использованием при настройке контрольного отражателя: а) 2,0 х 1,5 мм, б) 2,0 х 1,5 мм, в) 2,0 х 2,0 мм

Для построения графика выбраны 10 результатов контроля, с тремя настройками чувствительности в соответствии с табл. 1.

Из графика видно, что только одна индикация № 5 превысила поисковый уровень (ниже браковочного в 4 раза) (рис. 14).

Рис. 13. Результаты радиографического контроля

Ни одна из обнаруженных при радиографическом контроле индикация не превысила контрольный уровень чувствительности, т.е. уровень фиксации.

Рис. 14. График зависимости амплитуд найденных отражателей относительно браковочного, контрольного и поискового уровней чувствительности

Амплитуда от нескольких отражателей на 24 дБ ниже браковочного уровня чувствительности, практически на уровне шумов.

Вывод

До ввода изделия в эксплуатацию важно оценить его качество, а также допустимость обнаруженных несплошностей. Значения допустимости, в общем случае, указаны в нормативно-технической документации либо иных документах на изготовление или контроль.

После проведенного эксперимента можно сделать вывод, что с используемыми нормами максимально допустимых дефектов не представляется возможным объективно оценить качество сварного соединения. То есть в ряде случаев регламентированный размер «безопасного дефекта» может оказаться неестественно большим.

Решить данную проблему возможно путем увеличения достоверности ультразвукового контроля. Необходимо определить режимы, при которых обнаружение подобных дефектов будет максимальным.

Повысить вероятность обнаружения подобных дефектов возможно при помощи настроечных образцов из фрагментов сварных соединений, с искусственными дефектами, имитирующими рельефную отражающую поверхность и локализированными в зоне возможного возникновения, это позволит объективнее оценить обнаруженный дефект.

При помощи подобных образцов можно сузить зону контроля и сфокусироваться в подповерхностной и средней части сварного соединения, а также вводить поправки чувствительности с учетом неровной отражающей поверхности несплошности.

Литература

1. ГОСТ Р ИСО 6520-1-2012 «Сварка и родственные процессы. Классификация дефектов геометрии и сплошности в металлических материалах. Ч. 1: Сварка плавлением. М.: Стандартинформ, 2014. 36 с.

2. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Радиационная, ультразвуковая и магнитная дефектоскопия металлоизделий. М.: «Высш. шк.», 1991. 281 с.

3. Коновалов Н.Н. Нормирование дефектов и достоверность неразрушающего контроля сварных соединений. М., 2012. 132 с.

4. Кретов Е.Ф. Особенности ультразвукового контроля стальных отливок // В мире неразрушающего контроля. 2011. № 2 (52). С. 13-14.

5. ГОСТ Р ИСО 5577-2009 Контроль неразрушаю-щий. Ультразвуковой контроль. Словарь. М.: Стандартинформ, 2011. 32 с.

6. ГОСТ 5264-80 Ручная дуговая сварка. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры. М.: Стандартинформ, 2019. 37 с.

7. ГОСТ Р 55724-2013 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые. М.: Стан-дартинформ, 2014. 29 с.

Поступила 14.02.2022; принята к публикации 19.04.2022

Информация об авторах

Давыдов Максим Николаевич - аспирант, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: ndtesting0@gmail.com

Сафонов Сергей Владимирович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: kafedra-ao@mail.ru

Шурупов Владимир Викторович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: shurupov.svarka@yandex.ru

DETECTING DEFECTS OF THE "PORES" TYPE IN STEEL WELDED JOINTS M.N. Davydov, S.V. Safonov, V.V. Shurupov Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the work is devoted to the issue of detection of defects such as "pores" in steel welded joints made with full penetration of the root of the weld. We considered the classification of defects, the causes of their occurrence, as well as their influence on the performance of a part or structure. We described the factors that reduce the probability of detecting this type of discontinuity by ultrasonic testing, in particular, by the echo-pulse method. Welded joints made of Steel 20 with a nominal thickness of welded elements of 12 mm were used as the object under study. In these samples, according to the results of radiographic control, unacceptable internal defects were revealed in the form of porosity, accumulations and chains of pores. The purpose of the experiment was to determine the possibility of detecting such defects by ultrasonic testing. We describe the equipment used and the methodology for conducting the experiment. We determined the modes of control, scanning and selected the dimensions of the control reflectors in the tuning sample, which imitate a natural defect in the product, respectively, their size is equivalent to the maximum allowable single defect in the test object. During the ultrasonic testing, internal pores were fixed, but the amplitude of the echo signal from these defects was significantly lower than the rejection sensitivity level. We tabulated the results and plotted the indications found against sensitivity levels. None of the indications found during radiographic control exceeded the control level of sensitivity, i.e. fixation level

Key words: welded joints, defects, non-destructive testing, ultrasonic testing

References

1. GOST R ISO 6520-1-2012 "Welding and allied process. Classification of geometric imperfection in metallic materials. Part 1: Fusion welding", Moscow, 2014, 36 p.

2. Aleshin N.P., Sherbinskiy V.S. "Radiation, ultrasonic and magnetic flaw detection of metal products" ("Radiatsionnaya, ul'trazvukovaya i magnitnaya defektoskopiya metalloizdeliy"), Moscow: Vysshaya shkola, 1991, 281 p.

3. Konovalov N.N. "Rationing of defects and reliability of non-destructive testing of welded joints" ("Normirovanie defektov i dostovernost' nerazrushayushchego kontrolya svarnykh soedineniy"), Moscow, 2015, 88 p.

4. Kretov E.F. "Features of steel casting ultrasonic inspection", NDT World Review (V mire nerazrushayushchego kontrolya), 2011, no. 2 (52), pp. 13-14.

5. GOST R ISO 5577-2009 "Non-destructive testing. Ultrasonic inspection. Vocabulary", Moscow, 2011, 32 p.

6. GOST 5264-80 "Manual arc welding. Welding joints. Main types, design elements and dimensions", Moscow, 2019, 37 p.

7. GOST R 55724-2013 "Non-destructive testing. Welded joints. Ultrasonic methods", Moscow, 2014, 29 p.

Submitted 14.02.2022; revised 19.04.2022 Information about the authors

Maksim N. Davydov, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: ndtesting0@gmail.com

Sergey V. Safonov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: kafedra-ao@mail.ru

Vladimir V. Shurupov - Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: shurupov.svarka@yandex.ru