Применение акустико-эмиссионного метода для выявления дефектов сварного шва в процессе сварки
|
Скачать 191.27 Kb.
|
|
ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО МЕТОДА ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СВАРНОГО ШВА В ПРОЦЕССЕ СВАРКИ Е.Ю. Нефедьев, В.П. Гомера, А.И. Потапов, А.Д. Смирнов, К.В. Зотов Аннотация В работе рассмотрено использование возможностей метода акустической эмиссии (АЭ) для контроля качества сварного соединения в процессе ручной электродуговой сварки под флюсом и остывания сварного шва. В результате анализа форм сигналов, генерируемых различными источниками АЭ при сварке, предложен набор информативных параметров, образующих критериальное пространство для разделения сигналов от дефектов и сигналов от помех, сопровождающих процесс сварки. Использование в качестве информативных параметров основных характеристик АЭ сигналов позволяет проводить экспресс-анализ результатов диагностики в реальном времени. При этом реализуется возможность определения с высокой точностью координат дефектов и их оперативного исправления в процессе сварки с минимальным объемом выборки металла; значительно сокращается применение методов традиционного контроля. Ключевые слова: метод акустической эмиссии, сварка, сварной шов, дефект Введение В настоящее время современные методы контроля получают все большее распространение для решения задач по контролю качества сварного шва [1,2]. Одним из них является метод АЭ, позволяющий выявлять внутренние дефекты сварного шва в процессе сварки и остывания и оперативно исправлять их с минимальным объемом выборки металла непосредственно в процессе сварки, что важно для многопроходных сварных швов в толстостенных конструкциях ответственного назначения. К основным проблемам, возникающим при АЭ контроле сварных швов в процессе сварки, относится значительная сложность регистрации и идентификации сигналов от дефектов (трещины, непровары, поры, шлаковые включения) на фоне акустических сигналов, порождаемых сварочной дугой, истечением защитного газа, кристаллизацией, фазовыми превращениями, растрескиванием шлаковой корки и иными помехами, сопровождающими процессы сварки и остывания. Другой актуальной задачей является разработка процедур критериального анализа допустимости выявленных дефектов. Возможность решения данных проблем рассматривается в работах [3-7]. В качестве критериальных параметров при этом, как правило, предлагается использовать параметры волновой формы и частотного спектра. Идентификация АЭ источников по волновым и частотным характеристикам является перспективным методом анализа данных. Однако этот метод требует анализа в режиме реального времени огромных объемов информации, поступающих с высокой интенсивностью, что не всегда реализуемо и может быть связано с риском потери части данных. Кроме того, ввиду отражения и трансформации волн на краях разделки, а также наложение сигналов из-за высокой интенсивности их следования, оценка источников по результатам анализа спектральных характеристик сигналов приобретает дополнительную сложность. Имеет место также существенная зависимость регистрируемой формы волны от характеристик приемного преобразователя: в нем происходит «унификация» форм принимаемых сигналов. Поэтому для упрощения процедуры выделения сигналов от дефектов часто предпочтительнее использовать набор традиционных акустико-эмиссионных параметров [8]. Предварительный анализ формы сигналов от известных источников, в том числе от дефектов искусственного происхождения, используется в этом случае для определения традиционных параметров, из которых формируется пространство признаков для разделения АЭ сигналов по характеристикам (физическая природа, размеры и др.). Целью данного исследования является разработка методики АЭ контроля процесса сварки в реальном времени, позволяющей оперативно выявлять дефекты сварки на фоне помех в результате их идентификации по набору основных параметров импульсов АЭ, используемых в качестве критериальных признаков. Данный подход позволяет на порядки уменьшить объемы обрабатываемой АЭ системой информации, снижая вероятность пропуска ее полезной составляющей. Также появляется возможность использования менее сложных контрольных систем, что приводит к снижению стоимости диагностики. Проведение эксперимента Исследования проводились при многопроходной сварке стыковых прямых швов с V–образной разделкой металлических листов из низколегированной стали размером 300х600х27 мм. В экспериментах использовался АЭ комплекс AMSY-5 (Vallen Systeme, ФРГ). Управление системой и обработка сигналов осуществлялись с применением программного пакета VisualAE. Использовались интегральные пьезоэлектрические полосовые преобразователи АЭ (ПАЭ) VS150-RIC. Рабочий диапазон контроля составлял 90-450 кГц. Дополнительно использовался АЭ комплекс СДАЭ-16. На рис. 1 представлена схема эксперимента. Контроль проводился в процессе сварки, кристаллизации и остывания сварного шва. Источники АЭ генерировались под действием термических напряжений во время сварки и остывания сварочной ванны. Создание дефектов сварки осуществлялось: - за счет использования на отдельных участках шва специально подобранных электродов и различных режимов сварки. Для закладки пор использовались электроды УОНИ-13/85. Для формирования горячих трещин использовались электроды Т-590. Для формирования холодных трещин использовались электроды ЭЛЗ Н3; - путем введения в сварной шов ванадиевой цилиндрической вставки (длина l=13мм) (рис.2) и загрязнения локальных участков шва неметаллическими частицами.  Рис.1. Расположение ПАЭ на образце стыкового сварного соединения.  Рис.2. Пример создания искусственных дефектов в сварном шве: ванадиевая вставка, расположение на шве (x=13 см) Первая половина шва заварена электродами УОНИ-13/55 и УОНИ-13/85. Третья четверть шва варилась электродами ЭЛЗ-Н3, четвертая четверть – электродами Т-590. На каждом этапе эксперимента выполнялась локализация источников АЭ по результатам планарной локации. Заваренный образец был проконтролирован визуальным и ультразвуковым (УЗ) контролем. Для УЗ контроля сварных швов после полного завершения сварки применялись ультразвуковые дефектоскопы УД 3-103 «Пеленг» и HARFANG VEO TKIT (Sonatest Ltd, Великобритания). Результаты визуально-измерительного и ультразвукового контроля В  изуально-измерительным контролем выявлялись трещины, непровары и неметаллические включения. На фото (рис.3) представлены примеры некоторых трещин.Рис.3. Примеры визуально регистрируемых трещин, образовавшихся в процессе сварки и остывания шва На рис.4а, 4б представлены результаты ультразвукового сканирования сварного шва, полученное с применением дефектоскопа с фазированной решеткой, позволяющее оценить распределение дефектов по длине и высоте шва. Исходя из формата статьи, мы ограничимся рассмотрением основных результатов, полученных для участка с ванадиевой вставкой и для последней четверти шва длиной 150 мм. Данные УЗК, полученные с применением дефектоскопа УД 3-103 на этой части шва, были пересчитаны через размер зарубки, и амплитуду превышения сигнала от дефекта над сигналом зарубки. Эти данные были просуммированы на каждом сантиметре участка шва и результаты сведены в таблицу 1. В ней представлены данные о дефектах на разной глубине шва в зависимости от их местоположения по длине шва.  Рис.4а. Результат УЗК сварного шва дефектоскопом на фазированной решетке: вид сверху  Рис.4б. Результат УЗК сварного шва дефектоскопом на фазированной решетке: вид сбоку. Таблица 1. Результаты УЗК шва на участке X = [46;58] см
Данные результаты в дальнейшем будут представлены в графическом виде и сопоставлены с данными АЭ контроля. Результаты акустико-эмиссионного контроля Во время АЭ контроля производилась запись формы сигналов, генерируемых источниками АЭ различной природы, определялись основные параметры импульсов, осуществлялась локация источников АЭ. Пример результатов локализации АЭ источников в процессе двух последовательных проходов сварки показан на рис.5. По оси ординат расположены координаты источников вдоль шва (в сантиметрах), по оси абсцисс – время (в секундах), в течение которого проводились операции сварки, смены электрода, отбивания шлака и т.д. На этом графике локализованы сигналы от всех типов источников, без фильтрации. Символам различной формы соответствуют различные значения амплитуд сигналов. На рис.6 представлены некоторые типичные волновые формы зарегистрированных сигналов и их спектральные разложения.  Рис. 5. Локализация источников АЭ вдоль шва во время двух последовательных проходов сварки Сопоставляя данные о времени реализации и локализации источников АЭ различной природы с соответствующими волновыми формами, удалось связать значительное число сигналов с наиболее вероятными источниками, определившими их генерацию. В частности, идентифицировались формы, связанные с такими источниками АЭ помех как шум сварочной дуги, растрескивание шлака, отбивка шлака, сдувка отбитого шлака, имитация случайных ударов по плите во время сварки и т.д.  Рис. 6. Примеры волновых форм и их спектральных разложений для АЭ источников различного типа: (а) шум сварочной дуги; (б) дефект значительного размера; (в) незначительный дефект Выделение сигналов, связанных с образованием и развитием дефектов, производилось на основе локализации АЭ событий на участках расположения известных по результатам ВИК и УЗК дефектов и анализа этапов сварочного процесса. На основе анализа форм сигналов от разных источников и вида распределений сигналов по различным параметрам были определены параметры, формирующие пространство признаков, в котором можно было бы решить задачу разделения АЭ источников различного типа на классы. Во-первых, с учетом того, что энергия импульса в AMSY-5 определяется суммированием квадратов амплитуд выбросов в сигнале, отношение энергии импульса (Energy или Е) и числа осцилляций в импульсе, превысивших пороговый уровень (Counts или С) можно охарактеризовать как «плотность энергии в импульсе». Высокие значения величины E/C характерны, в частности, для типичного шумового сигнала, структуре которого соответствует форма на рис.6,а. Сигнал от структурного дефекта (см. рис.6,б), для сопоставляемых значений амплитуд, характеризуется величиной E/C, меньшей на один-два порядка. Во-вторых, для некоторых типов помех характерны высокие значения параметра RiseTime. Этот параметр можно использовать как второй параметр двухмерного пространства признаков для разделения полезных сигналов и сигналов от помех. Кроме того, поскольку величина RiseTime связана с размером увеличения дефекта при его развитии, вариацией нижней границы промежутка значений RiseTime, используемых в фильтре, можно задавать оценку максимально допустимых размеров структурных неоднородностей шва (браковочных размеров). В параметре Е/С эта возможность также реализуется, так как его значение определяется через амплитудные характеристики сигнала, а они существенно различаются для дефектов значительного размера (рис.6,б) и относительно небольших дефектов (рис.6,в), допустимых по нормам традиционных методов НК. Поскольку высокая чувствительность АЭ метода позволяет регистрировать дефекты до 1 мкм2 [9], значительную часть данных АЭ контроля могут составлять сигналы от таких источников. Уровень их фильтрации можно регулировать заданием нижних границ Е/С и RiseTime. По результатам анализа полученных данных (форма сигналов, основные характеристики сигналов, результаты локации АЭ событий, информация о фактическом положении дефектов, результаты визуального контроля, УЗК и др.) предлагается использовать в качестве диагностических параметров для идентификации АЭ событий набор следующих основных характеристик импульса: энергия (E), число осцилляций, (Counts), время нарастания импульса (RiseTime). Эти характеристики образуют пространство признаков (D*E/Counts) U (RiseTime), в котором удовлетворительно разделяются АЭ события от источников различной природы. Наличие константы D связано с возможностью использовать данное пространство для выделения АЭ событий в других приложениях АЭ контроля. В рассматриваемом эксперименте при диагностировании процессов изготовления и остывания сварного шва с использованием системы AMSY-5 принимаем D=10-3.  Рис.7. Результат разделения локализованных источников АЭ на основные классы в двухмерном пространстве признаков D*E/Count U RiseTime: 1 – импульсы от АЭ событий, связанных с образованием и развитием дефектов значительных размеров; 2 – незначительные дефекты; 3 – импульсы, образованные наложением сигналов от значительных дефектов и высокоэнергетических шумов; 4 – сигналы от шумов; 5 – наложение сигналов от небольших дефектов и низкоэнергетических шумов Н  а рис.7 показаны результаты распределения в пространстве критериальных признаков (D*E/Counts) U (RiseTime) множества локализованных АЭ событий, зарегистрированных во время двух последовательных проходов сварки (результаты локации представлены на рис.5). На графике можно выделить несколько кластеров. Анализ объектов из области (1) показал, что данный кластер сформирован из АЭ событий, связанных с дефектами шва, регистрируемых при проведении ВИК и УЗК. АЭ события из области (1) удовлетворительно группируются в рамках корреляции Капистрано (рис.8). Этот тип графиков для зависимости числа осцилляций (Counts) от амплитуды (Amplitude) используется для качественной оценки источника, в том числе для идентификации некоторых наиболее часто встречающихся типов нежелательных шумов. Обычно сигналы эмиссии от “полезных” источников формируют на данном графике кластер, вытянутый в диагональном направлении [9,10].Рис.8. Корреляция Капистрано для локализованных источников АЭ На рис.9 представлены графики, демонстрирующие применение критерия для фильтрации данных во время двух проходов сварки. Перед вторым проходом в шов были внедрены инициаторы дефектов. В частности, в зоне А.1 в конце первой четверти шва поместили ванадиевую вставку. Зоне А.2 соответствует последняя четверть шва, наиболее насыщенная дефектами. Появление в зоне А.1 событий, соответствующих развитию дефектов согласно предложенному критерию, зарегистрировано только после внедрения в этот участок шва вставки и развития трещиноподобных дефектов, связанных с ее наличием (рис.9,в,г).  Рис.9. Результаты планарной локации (а, в) и распределения суммарной амплитуды сигналов вдоль шва (б, в). Графики 9а,9б соответствуют этапу до внедрения в шов ванадиевой вставки. Графики 9в,9г получены после внедрения вставки. Вставка была внедрена на участке, обозначенном на графиках как А.1. На рис.10 для дефекта на участке расположения ванадиевой вставки детализированы результаты УЗК. На рис.11 в соответствие им поставлены результаты АЭ контроля на этом же участке.  Рис.10. Результаты локализации при УЗК дефекта сварного шва в месте внедрения ванадиевой вставки (S-скан дефекта, А-скан, вид сверху, вид сбоку, В-скан).  Рис.11. Результаты локации источников АЭ в месте расположения ванадиевой вставки (зона А.1). Для одного из источников приведены некоторые характеристики первого импульса соответствующего АЭ события: форма сигнала и частотный спектр начального участка сигнала; показано его положение в критериальном пространстве. В зоне А.1 зарегистрировано 15 локационных АЭ событий, соответствующих критерию. Наличие нескольких сигналов АЭ связано, на наш взгляд, с образованием ряда микротрещин в зоне повышенной концентрации напряжений вызванных присутствием тугоплавкой вставки. Если рассматривать их совокупность как локационный кластер размером 5х5 см, то его центр, по длине шва, расположен в X=12,2 см, средняя амплитуда импульсов Аmp=90,17 dB. Можно отметить хорошее соответствие результатов локации, полученных при АЭ контроле, результатам УЗК, по крайней мере, для инженерной практики. Локализация потенциальных дефектов с высокой точностью предоставляет возможность минимизировать объемы выборки для исправления дефектов или сократить объемы дополнительного контроля традиционными методами. На рис.12 приведены результаты УЗК на участке в последней четверти шва (зона А.2 на графике локации). Соответственно, на рис.13 представлены результаты локации источников АЭ на этом участке. Показаны только источники, удовлетворяющие критерию. Схематично указано положение основных дефектов сплошности шва по результатам УЗК.  Рис.12. Результаты УЗК сварного шва на участке использования электродов Т-590 (Зона А.2) с локализацией дефекта (X=517,43 мм). Представлены: S-скан дефекта, А-скан, вид сверху, вид сбоку.  Рис.13. Результаты локации в зоне А.2. Схематично изображено положение основных дефектов сплошности шва по результатам УЗК Рисунки 10-13 представляют также примеры сопоставления данных для уточнения граничных значений параметров сигналов, применяемых при их фильтрации. Относительно АЭ событий из других кластеров, выделенных на рис.7, выводы об отнесении их к источникам, указанным на рисунке сделаны в результате анализа информации о форме сигналов, времени и месте их регистрации. Необходимо отметить, что возникающую иногда неоднозначность в отнесении того или иного АЭ события, расположенного на границах областей критериального пространства к кому-либо типу компенсирует высокая информативность АЭ метода. Как показывает эксперимент, процессы образования и развития дефектов в ходе сварки и остывания сварного шва являются достаточно устойчивыми и длительно функционирующими источниками АЭ информации. В результате имеется достаточно данных для того, чтобы сделать выводы о наличии дефекта, месте его расположения, и о его характеристиках даже на фоне зашумленности данных. Н  а рис.14 для источников АЭ из зоны А.2. показано распределение суммарных амплитуд для АЭ сигналов, прошедших критериальный фильтр и распределение суммарной площади дефектов по длине этого участка шва по данным из Табл.1. Сравнивая результаты на графике, можно отметить хорошее соответствие результатов АЭ контроля и ультразвукового контроля.Рис.14. . Соотношение суммарной площади дефектов и суммарной амплитуды сигналов АЭ по длине участка сварного шва в зоне А.2. Дальнейшие этапы исследования предполагают дополнение методики критериальными признаками, использующими результаты анализа волновых форм с помощью технологий идентификации образов, при сохранении возможности оперативной автоматической оценки источников АЭ. Спектральные характеристики сигналов от известных дефектов используются в методиках такого рода в качестве обучающей выборки [12]. Выводы 1. Проведено исследование по регистрации АЭ при создании дефектов различной природы в сварном шве, выполненном ручной дуговой сваркой. Дефекты создавались за счет использования на отдельных участках шва специально подобранных электродов и различных режимов сварки, а также, путем введения в шов ванадиевой вставки и загрязнения локальных участков шва неметаллическими частицами. 2. В результате проведенного исследования продемонстрированы возможности АЭ метода по выявлению в реальном времени дефектов сварного шва при АЭ контроле процессов сварки и остывания. 3. Предложено выявлять дефекты сварки на фоне помех в результате идентификации источников АЭ по критерию, сформированному из комбинации основных параметров импульсов (Energy, Counts, Rise Time). Данный подход позволяет уменьшить объемы обрабатываемой АЭ системой информации, снижая вероятность пропуска ее полезной составляющей. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Иванов В.И., Белов В.М., Акустико-эмиссионный контроль сварки и сварных соединений. М.: Машиностроение, 1981, 184 с. 2. Патент ФГУП «ЦНИИ им. академика Крылова» RU 2156456 «Способ обнаружения в процессе сварки дефектов в сварных швах и определения их местоположения по акустическим сигналам». 3. Гуменюк В.А., Казаков Н.А., Сульженко В.А. Акустико-эмиссионный контроль процесса сварки корпуса глубоководного аппарата // Технология машиностроения. 2007. №12. С.58 – 63. 4. Гуменюк В.А., Казаков Н.А., Сульженко В.А., Яковлев А.В.. Акустико-эмиссионный контроль процесса сварки объектов морской техники // Труды II Международной научно-технической конференции «Инновационные технологии в методе акустической эмиссии», Москва, 8-12 ноября 2010 г. 5. Степанова Л.Н., Лебедев Е.Ю, Кабанов С.И., Канифадин К.Ф., Рамазанов И.С., Бехер С.А. Акустико-эмиссионный контроль качества сварного шва в процессе остывания // Контроль. Диагностика. 2009. №3. С.61– 67. 6. Степанова Л.Н., Канифадин К.В., Лазненко С.А. Исследование источников сигналов акустической эмиссии при остывании сварного шва с использованием кластерного анализа // Дефектоскопия. 2010. №1. С.73–82. 7. Баринов А.В., Федоров А.В., Кинжагулов И.Ю., Сергеев Д.С., Доренская А.В. Контроль качества сварных соединений в процессе сварки с применением метода акустической эмиссии // Науч.-техн.вестник ИТМО. 2013. №5(87), С.144 – 148. 8. E. Nefedyev, V. Gomera, A. Sudakov, Application of Acoustic Emission Method for Control of Manual Arc Welding, Submerged Arc Welding In: Proceeding of the 31th Conference of the European Working Group on Acoustic Emission (EWGAE), Dresden, Germany, 3-5 September 2014 (in CD-ROM) 9. Иванов В.И., Власов И.Э. Метод акустической эмиссии. – В кн. неразрушающий контроль / Справочник в 7 т. // Под общ. ред. В.В. Клюева. Т.7. Кн.1: - М.: Машиностроение, 2005 10. Adrian A. Pollock. Acoustic Emission Inspection In: ASM Metals Handbook Volume 17, Nondestructive Evaluation and Quality Control (1997), pp. 593-628. 11. T.J. Fowler, Experience With Acoustic Emission Monitoring of Chemical Process Industry Vessels, in Progress in Acoustic Emission III, Proceedings of the Eighth International Acoustic Emission Symposium, The Japanese Society of Non-Destructive Inspection, 1986, p 150-162 12. Martin J Peacock, Improving the Noise Discrimination for an Ammonia Tank AE In: Proceeding of the 30th Conference of the European Working Group on Acoustic Emission (EWGAE), Granada, Spain, 12-15 September 2012 |
Похожие:
 |
План Раздел 1 Назначение и конструкция изделия Материал детали и... Важным условием получения сварного шва высокого качества является устойчивость процесса сварки. Для этого источники питания дуги... |
 |
Стальные шаровые краны под сварку. Установка и эксплуатация п одготовка к установке Для обеспечения качества сварного шва рекомендуется очистить трубопровод от загрязнений и ржавчины |
|
1. 1Общие сведения о процедуре запроса предложений Открытого запроса предложений (далее – запрос предложений) на право заключения договора поставка прибора акустико-эмиссионного контроля... |
|
Методика проведения неразрушающего ультразвукового контроля зоны... Специальное проектное конструкторско-технологическое бюро нефтяного и газового машиностроения |
|
Аквариум бескаркасный из силикатного стекла В случае выявления дефектов, изготовитель обязуется устранить их в течение 20 календарных дней после получения брака. При обнаружении... |
|
«Ремонт сварного шва стыка трубопровода ручной дуговой сваркой» Научный... Народное хозяйство нашей страны нуждается в современных машинах и уникальном оборудовании, обеспечивающих высокие технико-экономические... |
|
Применение case-технологии в образовательном процессе Отдельное внимание уделяется принципам проведения занятия, основанного на применении case – метода. В конце статьи подводятся итоги,... |
|
Применение акустического метода контроля для деталей из композиционных материалов |
|
5-й разряд Характеристика работ (с учетом работ 2-4 разряда) Подготовка контролируемых изделий к испытаниям. Нанесение и удаление проникающей жидкости и абсорбирующих покрытий. Выбор метода... |
|
Название Св01 Применение следящих, копировальных и программных систем для сварки, наплавки и резки металла |
|
Инструкция по применению материала на основе костного коллагена хирургического... Биокомпозитный материал «Биопласт-Дент» предназначен для заполнения костных дефектов в стоматологии, челюстно-лицевой хирургии |
|
Правительство Российской Федерации Федеральное государственное автономное... На тему: «Применение метода критической цепи для управления проектами компании «Волга-Днепр» |
|
Применение методов активного обучения в образовательном процессе вуза В данной статье рассматривается применение активных методов обучения, опыт использования которого дает возможность решать ряд труднодостижимых... |
|
Установка для дуговой сварки удг-180 Удг-180, в дальнейшем именуемая "установка", предназначена для ручной дуговой сварки покрытым электродом (мма) на переменном токе... |
|
Лекция Гесенко Эсу), предназначенные для выполнения электротехнологических процессов сварки, наплавки, напыления, резки плавлением (разделительной... |
|
Анкета «Ребенок: способный или одаренный». (П. 16) Методики выявления типов одаренности у детей среднего и старшего школьного возраста и применение методик на базе роэп лицей 533 |