CC BY
123
УДК 620.179.14
Канд. техн. наук В. Н. Учанин1, В. Г. Тихий2, И. И. Кириченко1, канд. техн. наук В. Г. Рыбачук1
1 Физико-механический институт им. Г. В. Карпенко HAH Украины, г. Львов 2 ГП «КБ «ЮЖНОЕ», г. Днепропетровск
ПРИМЕНЕНИЕ ВИХРЕТОКОВОГО МЕТОДА ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Представлено два характерных примера применения вихретокового метода для обнаружения дефектов и оценки зоны разупрочнения сварных соединений алюминиевых конструкций. Предложенная технология вихретоковой дефектоскопии с применением низких рабочих частот позволяет выявляты как поверхностные, так и подповерхностные дефекты различного типа. Метод оценки зоны разупрочнения базируется на корреляции механических характеристик материала, таких как твердосты с измеряемой вихретоковым методом уделыной электрической проводимостыю материала. Полученныерезулытаты показывают эффективносты вихретокового метода для неразрушающего контроля сварных конструкций.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, вихретоковый преобразователь, сварное соединение, дефект, помеха, алюминиевый сплав, зона разупрочнения.
Введение
При неразрушающем контроле (НК) ответственных конструкций особое внимание следует уделять сварным соединениям. Это связано с возможныш разупрочнением материала в зоне термического влияния и появлением дополнительных специфических дефектов сварки, которые могут существенно влиять на надежность конструкций [1—2]. Все дефекты сварного шва целесообразно разделить на два основных класса: 1) линейные дефекты (непровары и трещины) и 2) локальные дефекты (поры, неметаллические и металлические (вольфрамовые) включения, включения окисных плен) [3]. Линейные дефекты расположены преимущественно вдоль сварного шва и их длина намного больше глубины и рас-крыпия (ширины). В локальных дефектах все геометрические параметры близки.
Для неразрушающего контроля сварныж швов чаще всего применяют рентгеновский и ультразвуковой методы [4], каждый их которых имеет свои ограничения и недостатки. Рентгеновский метод требует двухстороннего доступа к контролируемому объекту (что не всегда возможно, особенно для заключительных швов габаритных конструкций), является достаточно дорогим и оказывает вредное воздействие на окружающую среду. Недостатками рентгеновского метода являются также очень низкая чувствительность к дефектам типа «слипание» в сварныж швах изделий из алюминиевык сплавов, вытолненных электронно-лучевой сваркой (ЭЛС). Недостатками
ультразвукового метода являются низкая чувствительность к некоторым характерным для сварных швов дефектам («слипание», окисная плена, вольфрамовые включения), существующие ограничения при контроле тонкостенных конструкций и необходимость использования контактных жидкостей.
Современная практика показывает большие перспективы вихретокового метода при НК сварных швов, особенно в случае тонкостенных конструкций толщиной до 3—4 мм [3—8]. Вихрето-ковый метод может быть перспективным и для современных методов сварки — лазерным лучом и трением. Эти методы сварки в комплексе с вихретоковым методом НК используются при производстве новых самолетов фирмы Airbus [9]. Ниже представлены возможности вихретокового метода для решения двух характерных задач НК сварных швов:
1) выявления дефектов в сварных швах, выполненных дуговой сваркой;
2) определения зоны разупрочнения материала в зоне термического влияния сварных швов.
Вихрегоковая дефектоскопия сварных швов
Рассмотрим результаты, полученные при разработке вихретокового метода НК заключительных сварных швов топливных баков из алюминиевого сплава АМГ-6. Сложность задачи состояла в необходимости выявлять как приповерхностные дефекты, так и внутренние скрытые дефекты на глубине до 2—3 мм. Исследование воз-
© В. Н. Учанин, В. Г. Тихий, И. И. Кириченко, В. Г. Рыбачук, 2010
можности выявления внутренних дефектов сварных швов в условиях действия помех проводились при помощи универсальной компьютерной системы вихретокового контроля на базе платы типа EddyMax. На рис. 1 представлена схема сканирования вихретоковым преобразователем (ВТП) зоны сварного шва при ручном контроле. Согласно методике, необходимо установить ВТП на расстоянии 10—15 мм от границы 1 сварного шва в точке Б (2 на рис. 1). Поворотом ВТП сориентировать его для получения максимальной чувствительности по продольным относительно сварного шва дефектам (метка 3 на корпусе ВТП должна быть ориентирована в направлении сварного шва) и провести компенсацию небаланса сигнала ВТП. Зона сварного шва сканируется по зигзагообразной траектории симметрично относительно середины шва по пунктирной линии 4 с шагом Кск = 1,0—2,0 мм (рис. 1). Ширина зоны сканирования ¡Ск = 20—30 мм.
Исследования показали, что при отсутствии помех, связанных с неоднородностью материала в зоне сварного шва, современные вихретоко-вые преобразователи позволяют выявлять дефекты типа трещина с протяженностью по глубине a = 2 мм при глубине их залегания до 6 мм. Однако помехи могут существенно (в 2 раза) ограничить глубину контроля. Исследования на образцах реального сварного шва показали, что амплитуда сигнала от дефекта с глубиной залегания
Н3 = 3 мм ненамного превышает уровень помех, обусловленных неоднородностью геометрии сварного шва после удаления валика усиления.
Рис. 1. Схема сканирования зоны сварного шва: 1 — границы сварного шва; 2 — положение ВТП при проведении компенсации небаланса; 3 — метка на корпусе ВТП; 4 — зигзагообразная схема сканирования; Кск — шаг сканирования; 1СК — ширина зоны сканирования
На рис. 2 приведено сигналы от дефекта с к3 = 3 мм (обозначено буквой Д), которые можно сопоставить с сигналами от помех (обведено пунктиром и обозначено буквой П). Кроме сигналов в комплексной плоскости, на рис. 2, б записаны вертикальная (сверху) и горизонтальная (снизу) составляющие сигнала с временной разверткой. При этом, разворотом комплексной плоскости сигнал от дефекта с глубиной к3 = 3 мм ориентирован по вертикальной оси комплексной плоскости. При выбранном развороте комплексной плоскости эффективно применение различного усиления по вертикальной и горизонтальной оси. В нашем случае усиление Ку по вертикальной оси на 6 дБ больше усиления Кх по горизонтальной оси. Видно, что вертикальная составляющая сигнала от дефекта приблизительно на 6 дБ превышает сигналы от помех, что особенно заметно по сигналу вертикальной составляющей сигнала с временной разверткой (рис. 2, б сверху). Такое соотношение сигнал/помеха считается достаточным для достоверного выявления дефекта.
б
Рис. 2. Сигналы помех и дефекта с глубиной залегания НЗ = 3,0 мм:
а — комплексная плоскость; б — сигнал с временной разверткой
а
Приведенные результаты показывают возможность разделения полезных сигналов от дефекта с глубиной залегания к3 = 3,0 мм от сигналов от помех на основе использования различия фазы этих сигналов, так как сигналы от помех «вытягиваются» в комплексной плоскости в горизонтальном направлении, характерном для поверхностных дефектов.
Предложенная методика может быть реализована на основе применения современных универсальных дефектоскопов с новыми селективными ВТП мультидифференциального типа [10]. Вихретоковые дефектоскопы нового поколения (в частности, прибор типа ВД 3-71) позволяют проводить контроль в широком диапазоне рабочих частот, наблюдать сигнал в комплексной плоскости или с временной разверткой, применять различные фильтры и регистрировать сигналы в памяти дефектоскопа с возможностью их последующей обработки в персональном компьютере [11].
На основании проведенных исследований разработана временная методика, которая предусматривает применение дефектоскопа типа ВД 3-71 и проведение контроля последовательно в двух режимах при помощи двух различных ВТП. Основной режим предусматривает проведение контроля при помощи ВТП типа Леотест МДФ 0803 на двух рабочих частотах: на низкой частоте 1,2 кГц (канал 1 дефектоскопа) и на средней частоте 12 кГц (канал 2). При этом, на экране дефектоскопа наблюдаются сигналы нижней частоты (1,2 кГц) и одновременно при помощи автоматической сигнализации дефекта фиксируется превышение уровня сигнала на частоте 12 кГц. При необходимости оператор может провести повторное сканирование зоны контроля и провести наблюдения на частоте 12 кГц. Таким образом, основной режим обеспечивает выявление подповерхностных дефектов, залегающих на глубине до 2,5 мм, на рабочей частоте 1,2 кГц с одновременной регистрацией поверхностных и приповерхностных дефектов на глубине до 0,5— 1,0 мм. Дополнительный режим предусматривает проведение контроля при помощи ВТП типа Леотест МДФ 0603 на рабочей частоте 18 кГц. При условии применения более высокой частоты этот ВТП имеет лучшую чувствительность и разрешающую способность при выявлении поверхностных и приповерхностных дефектов. При этом, лучше подавляются помехи, связанные с неоднородностью удельной электрической проводимости (УЭП) и геометрии сварного шва. Глубина контроля за счет выбора ВТП меньшего размера и более высокой рабочей частоты ограничивается поверхностным слоем глубиной до 0,5 мм. Дополнительный режим рекомендован для участков сварного шва с плохой обработкой
поверхности, когда возможность работы в основном режиме ограничена.
Наиболее сложной задачей было обеспечить возможность выявления скрытых дефектов сварных швов, залегающих на глубине более 1 мм. На рис. 3 представлено сигналы помех, полученные при сканировании бездефектной зоны сварного шва, и сигналы от дефекта типа непровар, залегающего на глубине 2 мм. Дефект типа непровар имитирован прорезью толщиной 0,5 с неконтролируемой стороны сварного шва. Для имитации сигналов от помех выбран наиболее неблагоприятный для проведения контроля образец с существенной депланацией кромок, за счет чего после удаления усиления в зоне наблюдается большая кривизна поверхности.
Рис. 3. Сигналы от бездефектного сварного шва (а) и подповерхностного дефекта типа непровар с глубиной залегания Из = 2,0 мм (б) на экране дефектоскопа ВД 3-71
Представленные результаты показывают возможность четкого выделения сигналов от скрытых дефектов сварных швов на глубине до 2 мм на фоне помех, обусловленных влиянием нео-днородностей геометрии сварного шва.
Вихретоковый метод определения зоны разупрочнения сварных швов
При сварке изделий из алюминиевых термо-упрочняемых сплавов образуются два участка:
а
переплавленный металл и зона термического влияния, в которой наблюдаются участки полной или частичной перекристаллизации [2]. При этом нарушаются условия оптимальной термической обработки, что приводит к изменениям структуры и ухудшению механических свойств. Известно, что ЭЛС позволяет сваривать алюминиевые сплавы без существенного разупрочнения [12]. Это возможно за счет высокой скорости процесса сваривания, когда кривая нагрева и охлаждения термического цикла не пересекается с кривыми распада твердого раствора [13]. Тем не менее, расширение зоны термического влияния и, соответственно, зоны разупрочнения возможно при нарушениях оптимального режима сварки, особенно при необходимости повторной подвар-ки в местах выявленных дефектов.
Традиционным способом контроля зоны термического влияния является анализ распределения твердости материала в околошовной области. Более эффективен и практичен контроль размеров зоны термического влияния на основе измерения УЭП вихретоковым методом. Контроль основан на взаимосвязи изменений прочностных свойств алюминиевых сплавов и их УЭП. Подобный подход используется для определения зон разупрочнения авиационных конструкций при перегревах (например, после пожаров) [6].
Экспериментальные исследования сварных соединений из термоупрочняемого алюминиевого сплава 1201 выявили наличие взаимосвязи
между распределением твердости и УЭП в зоне сварного шва, характер которых представлен на рис. 4. Анализ зависимостей показывает полное соответствие точек, в которых происходит изменение УЭП и твердости. Поэтому размеры зоны разупрочнения можно контролировать путем измерения распределения УЭП с регистрацией границ участка, где наблюдаются ее изменения [6, 7]. Точное определение зоны термического влияния и соответственного разупрочнения материала при сварке (и подварке) позволило обосновать выбор ширины зоны утолщения конструкции в различных участках сварного шва и уменьшить общий вес конструкции без снижения ее надежности.
Для автоматизации контроля размеров зоны термического влияния и разупрочнения сварных соединений из термоупрочняемых алюминиевых сплавов был разработан специализированный вихретоковый структуроскоп «ЗОНА», принцип работы которого состоит в непрерывном измерении УЭП материала во время перемещения ВТП перпендикулярно стыку сварного соединения и отображении результатов на экране матричного индикатора. На сегодняшнее время задача может быть решена на основе применения универсального вихретокового дефектоскопа типа ВД 3-71 с абсолютным компенсированным вихретоковым преобразователем. Для этого необходимо использовать датчик пути, разработанный в процессе модернизации дефектоскопа [14].
Рис. 4. Изменения УЭП (а) и твердости (б) сплава 1201 поперек сварного соединения, выполненного ЭЛС:
^зпш — зона термического влияния по изменению УЭП; Ънвзтд — зона термического влияния по изменению
твердости
Выводы
1. Вихретоковый метод может быть успешно применен для НК сварных швов, в частности, для оценки структурных изменений и выявления поверхностных и подповерхностных дефектов. Вихретоковый контроль сварных швов усложняется помехами, обусловленными неоднородностью удельной электрической проводимости и нарушениями геометрии. Для дефектоскопии сварных швов перспективны селективные ВТП мультидифференциального типа. Для подавления специфических помех, обусловленных неоднородностью сварного шва, эффективно применение ВТП с малой базой размещения измерительных обмоток. Представленные методики контроля могут быть реализованы на основе применения универсального вихретокового дефектоскопа типа ВД 3-71.
Перечень ссылок
1. Патон Б. Е. Специфика образования шва при электронно-лучевой сварке / Б. Е. Патон, Г. И. Лесков, Л. И. Живаго // Автоматическая сварка. — 1973. — № 3. — С. 1—5.
2. Сазонов Ю. И. Проблемы технической диагностики электронно-лучевой сварки / Ю. И. Сазонов // Дефектоскопия. — 2006. — № 12. - С. 70-88.
3. Дослщження вихрострумових перетворювач1в для виявлення дефекпв зварних шв1в тон-костшних елеменпв космчних конструкцш / [В. М. Учанш, В. Г. Тихий, I. I. Кириченко та ш.] // Електромагштний, акустичний та оптичний неруйшвний контроль матер1ал1в та вироб1в / Сер1я : Ф1зичш методи та засо-би контролю середовищ, матер1ал1в та ви-роб1в. — Льв1в : Ф1зико-мехашчний ш-т
Г. В. Карпенка НАН Украши. — 2006. — Вип. 11. — С. 123—126.
4. Неразрушающий контроль: В 5 кн. / [Ермолов И. Н., Алешин Н. П., Потапов А. И.; ред. Сухорукова В. В.] — М. : Высш. шк., 1991. — Кн. 2 : Акустические методы контроля: практ. пособие. — 283 с.
5. Применение вихретоковых приборов для выявления оксидных плен в сварных швах изделий из алюминиевых сплавов / [Тетер-ко А. Я., Учанин В. Н., Рыбаков Б. М., Емельянова Л. Н.] // Техническая диагностика и наразрушающий контроль. — 1989. — № 2. — С. 66—68.
6. Механжа руйнування та мщтсть матер1ал1в: довщн. поибн. Т. 9 : Мщшсть i довгов1чн1сть ав1ац1йних магнатов та елемент1в конструкций /
[Осташ О. П., Фед1рко В.М., Учанш В.М. та iH.] ; щд заг. ред. Панасюка В. В. — Льв1в : Сполом, 2007. — 1068 с.
7. Рыбачук В. Г. Электромагнитный метод не-разрушающего контроля зоны термического влияния сварных швов алюминиевых изделий / В. Г. Рыбачук // Физ.-хим. механика материалов. - 1991. - № 1. - С. 107-109.
8. Визначення можливостей виявлення дефекпв зварних швiв космчних конструкцш в умо-вах да завад / [Учанн В. М., Тихий В. Г., Хом-ченко М. В., Кириченко 1.1.] / Фiзичнi методи та засоби контролю середовищ, матер1ал]в та ви-роб1в. - Львш : ФМ1 НАЛУ, 2008. - Вип. 13 : Теорiя i практика неруйнвного контролю матерiалiв та конструкцiй. - С. 20-26.
9. Assler H. Design of Aircraft Structure under Spécial Consideration of NDT / H. Assler // 9-th Europ.Conf. for NDT, Berlin, 2006. - (интернет-журнал: www.ndt.net. - 2006. - Vol. 11. -№ 11).
10. Учанин В. Н. Вихретоковые мультидиффе-ренциальные преобразователи и их применение / В. Н. Учанин // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 2006. -№ 3. - С. 34-41.
11. Универсальные вихретоковые дефектоскопы 0К0-01 и ВД 3-71 и их применение для выявления скрытых дефектов в неразъемных узлах авиационной техники / [В. Н. Учанин, Г. Г. Луценко, А. В. Джаганян и др.] // зб. доповщей 9-ï конф. «Неруйшвний контроль». - Кшв, 2007. - С. 139-146.
12. Бондарев А. А. Состояние техники и преимуществ процесса электронно-лучевой сварки конструкций из алюминиевых сплавов / А. А. Бондарев // Сварка алюминиевых сплавов криогенного и общего назначения. - К. : Наукова думка, 1984. - С. 10-19.
13. Рабкин Д. М. Особенности электронно-лучевой сварки алюминиевых сплавов / Раб-кин Д. М., Воропай Н. М., Бондарев А. А. // Автоматическая сварка. - 1971. - № 2. -С. 48-52.
14. Учанин В. Н. Усовершенствование универсального вихретокового дефектоскопа ВД 3-71 / [В. Н. Учанин, А. В. Джаганян, А. В. Опана-сенко и др.] // Матерiали 15-ï мiжн. наук.-техн. конф. «Електромагттш та акустичш методи неруйнвного контролю матерiалiв та виробгв - «ЛЕ0ТЕСТ-2010». - Львiв : Фiзико-механiчний iн-т iм. Г. В. Карпенка НАН Украши. - 2010. - С. 30-33.
Поступила в редакцию 30.06.2010
Учашн В.М., Тихий В.Г., Кириченко I.I., Рибачук В.Г. Застосування вихрострумово-го методу для неруйтвного контролю зварних з'еднань
Представлено два характерных приклади застосування вихрострумового методу для знаходження дефектов i оцтки зоны знемщнення зварних з'еднань алюмшевих конструкций. Запропонована технологiя вихрострумовог дефектоскопа iз застосуванням низьких робочих частот дозволяе виявляти як поверхневi, так i пiдповерхневi дефекти рiзного типу. Метод оцтки зони знемщнення базуеться на кореляцИ мехашчних характеристик матерiалу, таких як твердсть з вимiрюваною вихрострумовим методом питомою елект-ричною провiднiстю матерiалу. Отримаш результати показують ефектившсть вихрострумового методу для неруйтвного контролю зварних конструкцй.
Ключов1 слова: неруйшвний контроль, вихрострумовий перетворювач, зварне з 'еднання, дефект, завада, алюмшевий сплав, зона знемщнення.
Uchanin V.M., Tihij V.G., Kyrychenko I.I., Rybachuk V.G. The application of eddy current method for non-destructive testing of welded joints
Two characteristic examples of eddy current method application for flaw detection and the weakened zone estimation in welding of aluminum alloy constructions are presented. Proposed eddy current flaw detection technology with low operational frequency application permit to uncover surface and subsurface different type flaws. The method of weakened zone estimation is based on the correlation of material mechanical properties such as hardness and measured by eddy current method electric conductivity distribution. The obtained results show the eddy current method efficiency for nondestructive evaluation of welded constructions.
Key words: non-destructive testing, eddy current probe, welded joint, flaw, noise, aluminum alloy, weakened zone.
