УДК 620.179.17:621.791.05
АКУСТИКО-ЭМИССИОННАЯ МЕТОДИКА БРАКОВКИ ДЕФЕКТОВ
КОЛЬЦЕВОГО СВАРНОГО ШВА В ПРОЦЕССЕ МНОГОПРОХОДНОЙ СВАРКИ
© 2019 г. Л.Н.Степанова1,2,*, С.И.Кабанов1, И.С.Рамазанов1, В.В.Чернова1,2
1 ФГУП Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С.А.Чаплыгина,
Россия 630051 Новосибирск, ул. Ползунова, 21
2 Сибирский государственный университет путей сообщения,
Россия 630049 Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191
*E-mail: aergroup@ngs.ru
Поступила в редакцию 03.06.2019; после доработки 09.09.2019
Принята к публикации 04.10.2019
Предложена методика браковки кольцевых сварных швов, основанная на анализе основных параметров сигналов
акустической эмиссии (АЭ), регистрируемых в процессе многопроходной сварки. Точность локации сигналов АЭ, реги-
стрируемых от дефектов, и их фильтрация от шумов и помех обеспечивались применением модифицированного таблич-
ного метода и браковочной сетки. С использованием энергии и амплитуды локализованных сигналов АЭ выполнен рас-
чет нормированных коэффициентов, по которым оценивалось качество сварного шва при сварке. Определены пороговые
значения нормированных коэффициентов, при превышении которых проводилась браковка сварного шва. С использо-
ванием рассматриваемой методики выявлены дефекты в кольцевых сварных швах и показана возможность определения
степени опасности дефектов в режиме реального времени.
Ключевые слова: многопроходная сварка, кольцевой шов, дефект, акустическая эмиссия, локация, кластер, брако-
вочная сетка.
DOI: 10.1134/S0130308219120030
ВВЕДЕНИЕ
Основной причиной, снижающей технологическую прочность сварных соединений, являются
дефекты (трещины, непровары, шлаковые включения), образующиеся при сварке и выявляемые
различными методами неразрушающего контроля (НК). Устранение дефектов связано с повтор-
ной заваркой шва, что вызывает появление дополнительных концентраторов напряжений и ока-
зывает влияние на общую прочность конструкций. Дефекты, возникающие при многопроходной
сварке конструкции, могут способствовать образованию и развитию усталостных трещин в про-
цессе ее эксплуатации.
В промышленности при контроле дефектов сварки используются ультразвуковой, рентгеногра-
фический, магнитный и визуально-оптический методы. Они позволяют определять местоположе-
ние дефектов, размеры и глубину их залегания. Однако применять такие методы можно только по-
сле полного остывания, формирования сварного шва и выполнения подготовительных операций по
его зачистке. Устранение дефектов многопроходной сварки связано с выполнением значительного
объема работ по выборке металла и приводит к снижению прочностных характеристик сварного
соединения [1, 2]. Общим недостатком данных методов контроля является сложность автоматиза-
ции при определении координат дефектов сварки и их браковки в режиме реального времени.
В настоящее время для контроля качества сварного соединения получают распространение мето-
ды диагностики, способные выполнять контроль дефектов в режиме реального времени. Одним из
них является метод акустической эмиссии (АЭ). Он обладает высокой чувствительностью, локализу-
ет дефекты, позволяет оценивать ресурс конструкции и степень опасности дефектов сварки [3—6].
В связи с появлением современных быстродействующих микропроцессорных измерительных
и диагностических систем повысилась достоверность результатов контроля дефектов конструкций
данным методом. Основным недостатком метода АЭ является низкая помехозащищенность.
Примеры использования метода АЭ для контроля различных сварных конструкций, трубопроводов,
мостов, в которых дефекты определяются при их механическом нагружении, приведены в [1, 3—9].
Метод АЭ используется для регистрации дефектов в процессе многопроходной сварки, когда
необходимая нагрузка на объект создается за счет теплового режима. При этом в материале сварно-
го шва и в околошовной зоне возникают растягивающие напряжения из-за кристаллизации распла-
ва и остывания сварочной ванны. Для отработки методики контроля дефектов сварки используют
образцы, в которых осуществляют имитацию дефектов сварки за счет введения в расплавленный
металл сварного шва вставок из титана, вольфрама, шлаковых включений и т.д., либо нарушают
Акустико-эмиссионная методика браковки дефектов кольцевого сварного шва...
27
технологию сварки для инициирования появления пор, непровара, трещин [10]. Однако это не всег-
да позволяет адекватно смоделировать процесс реального дефектообразования при сварке.
Контроль дефектов конструкций в момент сварки металлов существенно осложняется, так как
он сопровождается высокой интенсивностью акустических и электромагнитных помех. При этом
для определения координат дефектов и степени их опасности необходимо в режиме реального вре-
мени выделять сигналы АЭ от дефектов из общего уровня зарегистрированных сигналов. Кроме
того, звуковая волна до преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ) проходит не по прямому
волноводу, а отражается от границ раздела сред и различных неоднородностей. Это вызывает ис-
кажение формы сигнала АЭ и нарушает точность триангуляционной локации.
Для повышения надежности АЭ-контроля дефектов многопроходной сварки в процессе сварки раз-
рабатываются новые АЭ-системы [11] и методы кластерного анализа [12, 13], выполняется анализ мо-
дового состава сигналов АЭ [14], создаются новые способы АЭ-контроля дефектов сварки [15, 16—23].
В настоящее время интерес к решению задач, связанных с использованием метода АЭ для опре-
деления координат дефектов и степени их опасности в момент сварки и остывания сварного шва,
когда еще можно устранить дефекты с минимальным объемом выборки металла, прослеживается в
работах отечественных и зарубежных авторов. Эти преимущества метода АЭ особенно важны при
определении дефектов многопроходной сварки толстостенных конструкций [2, 24—26].
Цель работы — разработка методики АЭ браковки дефектов кольцевого сварного шва в про-
цессе его сварки и остывания.
МЕТОДИКА БРАКОВКИ ДЕФЕКТОВ СВАРНОГО ШВА
Надежность выявления дефектов в сварном шве в момент сварки во многом определяется раз-
работанной методикой АЭ-контроля [2, 14, 16—26]. Активность появления сигналов АЭ высокой
амплитуды со временем снижается по мере остывания сварного шва. Локация сигналов АЭ осущест-
вляется триангуляционным методом по разности времен прихода (РВП) их на датчики пьезоантенны.
Однако при триангуляционной локации сигналов АЭ достоверность результатов контроля кон-
струкции с кольцевым сварным швом оказывалась значительно ниже, чем при сварке линейных
швов. Это объясняется сложной кольцевой формой свариваемого контура и непрямолинейным рас-
пространением звуковых волн до ПАЭ [14, 24]. При использовании простой триангуляционной ло-
кации для источников, расположенных на равноудаленном от двух акустических датчиков участке,
локационная картина кольцевого контура искажалась (рис. 1а) и образовывала ромб. Поэтому для
локации сигналов АЭ в кольцевом сварном шве применялся модифицированный табличный метод
[17, 26]. По контуру сварного шва программно накладывалась браковочная сетка, что позволяло
повысить точность определения координат дефектов, так как размер ячеек сетки определялся ис-
ходя из скорости распространения акустического сигнала в материале конструкции и необходимой
точности локации дефектов.
Перед началом контроля выполнялась калибровка сварного шва в каждой ячейке сетки (рис. 1б)
и полученные значения РВП заносились в локационную таблицу программы для расчета координат.
Для этого с учетом скорости звука и конфигурации конструкции по контуру сварного шва размеща-
лась пьезоантенна, состоящая из четырех ПАЭ.
а
б
ПАЭ3
ПАЭ2
ПАЭ3
ПАЭ2
Сварной кольцевой шов
ПАЭ0
ПАЭ1
ПАЭ0
ПАЭ1
Рис. 1. Локация сигналов АЭ при калибровке зоны контроля кольцевого сварного шва:
а — триангуляционная локация; б — локация табличным методом с нанесенной браковочной сеткой.
Дефектоскопия
№ 12
2019
28
Л.Н.Степанова, С.И.Кабанов, И.С.Рамазанов, В.В.Чернова
В процессе каждого прохода сварного шва осуществлялся прием сигналов АЭ, их усиление,
фильтрация, аналого-цифровое преобразование, регистрация времен прихода на ПАЭ и опреде-
ление активных областей. При контроле сварки проводилось сравнение РВП зарегистрированных
сигналов АЭ с соответствующим набором РВП, занесенным в таблицу.
После калибровки выполнялся первый проход сварки кольцевого шва. Прогноз степени опас-
ности дефектов проводился за счет анализа всех локализованных сигналов АЭ. Для этого в каждой
ячейке сетки задавались уровни браковки. Разработанная методика контроля была связана с под-
счетом энергии и амплитуды сигналов АЭ, попавших в зону браковки, и их сравнением с порого-
выми значениями для каждой ячейки сетки.
Затем производилось суммирование амплитуд от всех локализованных сигналов, координаты
которых соответствовали непустым ячейкам браковочной сетки. При этом исключались ячейки, в
которых суммарная амплитуда была ниже порогового значения A0,1, составляющего 10 % от макси-
мальной суммарной амплитуды. Расчет среднего значения амплитуды A выполнялся с использова-
нием индикаторной функции χi, j, определенной для каждой ячейки:
i,
j
0,
(A
)
<
A
Σ
0,1
χ
=
,
(1)
i,
j
i,
j
1,
(A
Σ
)
≥
A
0,1
где i — номер строки; j — номер столбца.
Индикаторная функция χi, j равна единице для массива ячеек браковочной сетки, в которых
суммарная амплитуда больше порогового значения A0,1. По всем точкам i, j производился рас-
чет средних значений суммарной амплитуды Aи энергии E :
,
j
(
)i
⋅χ
∑
AΣ
i,
j
i,
j
A=
;
(2)
χ
∑
i
,
j
i
,
j
,
j
(EΣ)i
⋅χ
∑
i,
j
i,
j
E=
,
(3)
∑
χ
i
,
j
i
,
j
где (AΣ)i, j — массив значений суммарной амплитуды в ячейке браковочной сетки, В; (EΣ)i, j — мас-
сив значений суммарного энергетического параметра MARSE в ячейке браковочной сетки, мВ∙мкс.
При расчете средней амплитуды A сигналов АЭ использовались только элементы массива яче-
ек со значениями выше порогового. При этом из рассмотрения исключались ячейки с малым ко-
личеством локализованных сигналов АЭ небольшой амплитуды, так как они обладали большой
погрешностью локации. Рассчитанное среднее значение использовалось в качестве нормирующей
величины, после чего производилось выделение активных областей и рассчитывалась максималь-
ная величина браковочного коэффициента по амплитуде:
k,
n
max(
A
)
Σ
K
A
=
,
(4)
max
A
где k, n — число строк и столбцов в ячейке браковочной сетки.
Для локации активных областей в каждой ячейке браковочной сетки вычислялись нормирован-
ные коэффициенты Ki, j по средней амплитуде A и энергии E :
i,
j
i
,
j
K
=
(
A
)
/
A
,
(5)
A
Σ
i
,
j
i
,
j
K
=
(
E
)
/
E
(6)
E
Σ
Пороговые значения нормированных коэффициентов получены при многопроходной сварке
двух стальных листов с имитацией дефектов сварки (табл.1) за счет введения в сварной шов вста-
вок из титана, вольфрама, шлака [25, 26]. При этом нормированный коэффициент малозначитель-
ного дефекта равен KС1 = 2, а для значительного он составил KС2 = 3. Для процесса остывания этот
коэффициент равен KО1 = 2.
Дефектоскопия
№ 12
2019
Акустико-эмиссионная методика браковки дефектов кольцевого сварного шва...
29
Таблица
1
Нормированные коэффициенты АЭ-контроля сварки для искусственных дефектов
Нормированный
Номер
Номер
Вид вставки, имитирующей
Максимум суммарной
Средняя суммарная
коэффициент Ki, j для
п/п
прохода
дефект
амплитуды, мВ
амплитуда, мВ
зоны вставки
1
3
12900,7
2943,8
4,38
2
4
Первая титановая вставка
6964,1
1960,0
3,55
3
5
7402,0
1890,1
3,92
4
6
13849,9
3036,0
4,56
5
7
Вольфрамовая вставка
9287,2
2174,6
4,27
6
8
4501,4
1238,7
3,63
7
9
14221,1
3461,2
4,11
8
10
Шлаковая вставка
8047,4
1928,1
4,17
9
11
3553,7
1563,6
2,27
10
12
7155,5
2060,3
3,47
11
13
Имитация непровара
3976,3
2042,7
1,95
12
14
3597,8
1572,2
2,29
13
16
Вторая титановая вставка
8905,0
2082,2
4,28
14
20
Третья титановая вставка
11191,9
2287,4
4,89
Затем осуществлялось сравнение вычисленных значений нормированных коэффициентов Ki, j
с их пороговыми значениями. При превышении первого порогового значения KС1 дефект считался
малозначительным, при превышении второго порогового значения KС2 — значительным.
Активные области локации в зонах введения в сварной шов вставок наблюдались в течение
трех и более проходов. Поэтому при контроле кольцевого сварного шва считалось, что если на
различных проходах сварки было трехкратное превышение первого порогового значения норми-
рованного коэффициента в данной ячейке сетки, то данный тип дефекта считался значительным.
По формулам (5) или (6) в процессе остывания сварного шва вычислялись нормированные ко-
эффициенты Ki, j по амплитуде или по энергии и сравнивались с их пороговыми значениями. Затем
по сварному шву корректировались координаты расположения активных областей.
ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве примера рассмотрим процесс АЭ-контроля дефектов при сварке трубы, выполнен-
ной из стали Ст3 с внешним диаметром 325 мм и толщиной стенки 9 мм. В процессе сварки сиг-
налы АЭ поступали в измерительные каналы системы непрерывно, что могло привести к переходу
их операционных усилителей в состояние насыщения. Поэтому для регистрации АЭ-информации
использовалась диагностическая система СЦАД-16.10 с «плавающими» порогами селекции (сви-
детельство RU.C.27. 007.A № 40707, зарегистрирована в Государственном реестре средств измере-
ний под номером 45154-10) [11].
На свариваемую конструкцию трубы устанавливалась прямоугольная пьезоантенна, состоящая
из четырех ПАЭ типа ПК-01-07 с полосой пропускания (100—700) кГц.
Для проведения калибровки кольцевой сварной шов разбивался на сегменты, в каждом из кото-
рых имитатором Су-Нильсена возбуждался сигнал АЭ. По временам прихода и расстояниям между
датчиками рассчитывалась скорость звука, после чего проводилась локация сигналов АЭ и осу-
ществлялось построение браковочной сетки по контуру кольцевого сварного шва (см. рис.1б).
Локация сигналов АЭ осуществлялась только в области браковочной сетки. При этом произ-
водилось суммирование амплитуды для каждой ячейки сетки от всех локализованных сигналов.
i,
j
Группа смежных ячеек сетки, в которых коэффициенты
K
превышали первый пороговый уро-
A
вень, составляли активную область.
Нормированные коэффициенты сигналов АЭ, локализованных в активной области 1 (рис. 2),
i,
j
были равны
K
= 2,65 и незначительно превышали первое пороговое значение, равное KС1 = 2,0.
A
Поэтому дефект считался малозначительным. Дефект активной области 2 считался значительным,
Дефектоскопия
№ 12
2019
30
Л.Н.Степанова, С.И.Кабанов, И.С.Рамазанов, В.В.Чернова
ПАЭ3
ПАЭ2
ПАЭ3
ПАЭ2
Активная область 1
Активная область 1
Активная область 3
Активная область 2
Активная область 2
ПАЭ0
ПАЭ1
ПАЭ0
ПАЭ1
Рис. 2. Локация сигналов АЭ, зарегистрированных
Рис. 3. Локация сигналов АЭ, зарегистрированных
при сварке кольцевого сварного шва.
при остывании кольцевого сварного шва.
i,
j
так как нормированные коэффициенты составили
K
= 5,20 и превышали второе пороговое зна-
A
чение, равное KС2 = 3,0.
В процессе остывания кольцевого сварного шва регистрировались сигналы АЭ и для локализован-
ных активных областей (рис. 3) были определены значения массивов нормированных коэффициентов.
Сравнение данных коэффициентов с пороговым значением для этапа остывания сварного шва
i,
j
показало, что в активной области 1 они были равны
K
= 1,33 и не превышали порогового зна-
A
чения KО1 = 2,0, соответствующего процессу остывания. Поэтому дефект в активной области 1
по-прежнему считался малозначительным. Для активной области 2 нормированный коэффициент,
i
, j
равный
K
= 4,19, превышал пороговое значение для процесса остывания KО1 = 2,0, поэтому
A
данный дефект являлся значительным. Также были зарегистрированы сигналы от источника, рас-
положенного в активной области 3 (см. рис. 3). Для этих сигналов нормированные коэффициенты
i,
j
составили
K
= 3,49. При остывании сварного шва было подтверждено наличие значительного
A
дефекта в активной области 2 и выявлен дополнительный дефект в области 3.
Для подтверждения полученных результатов браковки с использованием нормированных коэф-
фициентов был проведен дополнительный анализ результатов АЭ-контроля дефектов в процессе
сварки в режиме постобработки с применением кластеризации сигналов АЭ по их цифровой форме
[14]. При сварке кольцевого сварного шва общей протяженностью 1025 мм было зарегистрировано
17110 сигналов АЭ. При выполнении кластеризации было сформировано 105 кластеров, наиболь-
ший из которых состоял из 77 сигналов. При этом в кластеры по цифровой форме было включено
1244 сигнала. Большинство кластеров (около 75 %) было локализовано в секторах сварного шва,
соответствующих активным областям 1 и 2 (см. рис. 2). Кластеры с наибольшим числом сигналов
АЭ приведены в табл. 2.
Для кластеров выполняли оценку энергии соответствующего источника в сварном шве с ис-
пользованием внутрикластерной медианы значений MARSE (ς1/2)J и внутрикластерного среднего
значения:
N
J
J
1
M
=
E
,
(7)
E
∑
i,
J
N
J
i
=1
F
(ς
)
=12,
(8)
J
1/2
где NJ — количество сигналов в кластере J; Ei, J — величина энергетического параметра MARSE
сигнала i, входящего в кластер J;MJE — среднее значение MARSE для сигналов АЭ, составляющих
кластер J; (ς1/2)J — медиана значений MARSE для кластера J; FJ (ς1/2) — функция распределения
значений MARSE в кластере J .
В [14] показано, что значительными можно считать дефекты в сварном шве, для которых меди-
ана энергии сигналов соответствующего кластера превышает медиану энергии всех зарегистриро-
Дефектоскопия
№ 12
2019
Акустико-эмиссионная методика браковки дефектов кольцевого сварного шва...
31
Таблица
2
Кластеры сигналов АЭ, полученные при кластеризации по цифровой форме
Количество
Среднее значение
Медианное значение
Суммарное значение
Номер активной
Номер кластера
сигналов АЭ
MARSE, В∙мкс
MARSE, В∙мкс
MARSE, В∙мкс
области
1
77
12,72
11,22
979,39
2
2
37
155,51
82,0
5754,00
1
3
33
206,30
82,28
6807,91
2
4
24
74,43
50,43
1786,33
2
5
23
244,19
85,88
5616,32
1
6
23
135,64
49,73
3119,67
1
7
22
384,19
115,22
8452,2
2
8
22
79,59
42,65
1750,72
2
9
21
182,41
45,17
3830,65
2
10
21
126,15
47,49
2649,06
1
11
19
33,03
30,71
627,54
2
12
19
113,88
47,81
2163,64
2
ванных сигналов АЭ. Для всех сигналов, зарегистрированных при сварке трубы, медиана MARSE
составила (ς1/2)Σ = 91,23 мВ∙мкс. Из данных табл. 2 следует, что только для кластера 7, соответству-
ющего второй активной области, выполнялось данное условие превышения энергии. Кроме того,
для кластеров 2, 3, 5 величина медианы MARSE (ς1/2)J близка к медиане всех зарегистрированных
сигналов (ς1/2)Σ АЭ. Следовательно, активная область 1, с которой связаны кластеры 2 и 5 содержит
малозначительный дефект, а активная область 2, связанная с кластерами 3 и 7, содержит значитель-
ный дефект.
Эффективность методики браковки дефектов проверялась при сварке образца из стали (рис. 4)
размерами 1800×1800 мм, в который вваривалась труба высотой 500 мм и диаметром 700 мм [14].
Рис. 4. Фотография конструкции с кольцевым сварным швом.
Для имитации дефектов сварных соединений в процессе сварки в корень сварного шва за-
кладывались вставки из титана и шлака. При этом сварной шов был разделен на 12 секторов.
В процессе предварительной сварки в секторах с нечетными номерами вводились искусствен-
ные дефекты. В секторе 1 методом нарушения технологии сварки в корне сварного шва закла-
дывалась трещина. В секторе 3 сварка выполнялась по незачищенным кромкам для нарушения
целостности сварного шва. В секторе 5 за счет изменения силы тока сварки формировался непро-
вар корня шва. В секторе 7 формировались поры в сварном шве. В секторах 9 и 11 в сварной шов
закладывались шлаковое включение и титановая вставка.
Дефектоскопия
№ 12
2019
32
Л.Н.Степанова, С.И.Кабанов, И.С.Рамазанов, В.В.Чернова
Сварка конструкции (см. рис. 4) проводилась в два этапа. В первом этапе было выполнено
четыре прохода сварки. При этом формировался корень шва и осуществлялось последовательное
введение искусственных дефектов в сварной шов. На втором этапе осуществлялась сварка по обе
стороны от корня шва с его усилением. В табл. 3 приведены значения нормированных коэффи-
i,
j
циентов
K
, вычисленных по формуле (5), для первого этапа сварки при формировании корня
A
сварного шва. Во всех секторах, не отмеченных в табл. 3, максимальная величина нормированных
коэффициентов была близка к первому пороговому значению KС1 = 2, но не превосходила его.
Таблица
3
Нормированные коэффициенты АЭ-контроля первого этапа сварки для искусственных дефектов кольцевого
сварного шва
Номер
Нормированный
Номер
Вид искусственного
Максимум суммарной
Средняя суммарная
i, j
дефектного
коэффициент K
прохода
дефекта
амплитуды, мВ
амплитуда, мВ
сектора
для зоны дефекта
1
Трещина
10953,4
4,02
1
7
Поры
13298,6
2722,2
4,89
9
Шлаковое включение
9058,2
3,33
2
9
Шлаковое включение
13660,0
2637,1
5,18
7
Поры
9805,7
3,18
3
3082,7
9
Шлаковое включение
14431,1
4,68
1
Трещина
6811,9
2,99
5
Непровар
7735,5
3,40
4
2277,9
7
Поры
9876,5
4,34
9
Шлаковое включение
6261,3
2,75
i,
j
В табл. 4 приведены значения нормированных коэффициентов
K
для второго этапа много-
A
проходной сварки.
В процессе сварки были выполнены проходы (1—4) с одной стороны конструкции для усиле-
ния корня сварного шва. На рис. 5 показана локация сигналов АЭ в различных секторах сварного
шва. Затем конструкция была перевернута и выполнены проходы сварки (5—8) с другой стороны
(рис. 6).
При сварке стороны 1 конструкции было выделено 5 активных областей (см. рис. 5). Активная
область 1 располагалась в начале сектора 1 сварного шва. Во время первого из четырех проходов
ПАЭ3
ПАЭ2
ПАЭ3
ПАЭ2
5 (Сектор 9)
6 (Сектор 11)
1 (Сектор 1)
1 (Сектор 1)
4 (Сектор 7)
5 (Сектора 6, 7)
2 (Сектора 1, 2)
2 (Сектор 3)
3 (Сектора 4, 5)
4 (Сектора 4, 5)
3 (Сектор 3)
ПАЭ0
ПАЭ1
ПАЭ0
ПАЭ1
Рис. 5. Локация сигналов АЭ после пяти проходов
Рис. 6. Локация сигналов АЭ после четырех прохо-
сварки (сторона 1 свариваемой конструкции).
дов сварки (сторона 2 свариваемой конструкции).
Дефектоскопия
№ 12
2019
Акустико-эмиссионная методика браковки дефектов кольцевого сварного шва...
33
Таблица
4
Нормированные коэффициенты АЭ-контроля второго этапа сварки для искусственных дефектов кольцевого
сварного шва
Нормированный
Номер
Номер дефектного
Вид искусственного
Максимум суммарной
Средняя суммарная
i, j
коэффициент K
прохода
сектора
дефекта
амплитуды, мВ
амплитуда, мВ
для зоны дефекта
1
Трещина
14320,9
3,74
3
Нарушение технологии
17073,2
4,45
1
3838,2
5
Непровар
8252,1
2,15
7
Поры
8924,6
2,33
1
Трещина
20381,7
4,36
2
3
Нарушение технологии
18755,2
4678,6
4,01
5
Непровар
10994,7
2,35
1
Трещина
10446,3
3,56
3
2937,0
3
Нарушение технологии
13375,13
4,55
1
Трещина
9107,9
4,24
4
5
Непровар
8736,7
2149,4
4,06
7
Поры
7036,1
3,22
1
Трещина
15757,9
4,50
5
Непровар
10255,9
2,93
5
7
Поры
8816,1
3499,2
2,52
9
Шлаковое включение
11443,8
3,27
11
Титановая вставка
11939,2
3,41
1
Трещина
22690,9
4,77
6
3
Нарушение технологии
14652,3
4756,6
3,08
5
Непровар
17853,9
3,75
1
Трещина
15995,7
4,19
3
Нарушение технологии
11592.4
3,03
5
Непровар
10035,1
2,63
7
3820,6
7
Поры
9961,8
2,61
9
Шлаковое включение
8320,8
2,18
11
Титановая вставка
14115,1
3,69
1
Трещина
20209,2
4,69
3
Нарушение технологии
13341,1
3,10
5
Непровар
14010,0
3,25
8
4309,1
7
Поры
9512,7
2,21
9
Шлаковое включение
11940,6
2,77
11
Титановая вставка
10714,7
2,49
сварки (см. табл. 4) максимальная величина нормированных коэффициентов для ячеек браковоч-
i, j
ной сетки, соответствовавших активной области 1, составила
K
= 3,74. Поэтому данный дефект
A
был отмечен как значительный. На последующих проходах величина нормированного коэффици-
ента по амплитуде для активной области 1 постоянно снижалась. По итогам анализа суммарной
информации за четыре прохода средняя величина нормированного коэффициента составила 2,72.
Активная область 2 располагалась на границе секторов 1 и 2. Данная область была активной на
протяжении всех четырех проходов сварки. Значения нормированных коэффициентов изменялись
в пределах от 3,11 до 4,36. Средняя величина нормированного коэффициента по итогам четырех
проходов сварки составила 4,12. Рассмотренные активные области были связаны с искусственным
дефектом сектора 1, которым была трещина в корне сварного шва.
Дефектоскопия
№ 12
2019
34
Л.Н.Степанова, С.И.Кабанов, И.С.Рамазанов, В.В.Чернова
Активная область 3 располагалась в секторе 3 и при выполнении первых трех проходов (см.
табл. 4) сварного шва нормированные коэффициенты для нее изменялись в диапазоне от 4,01 до
4,55. Во время четвертого прохода сварного шва нормированные коэффициенты в данной области
не превышали пороговое значение, т.е. дефект акустически не проявлялся как активный. Средняя
величина максимума нормированных коэффициентов активной области 3 по итогам четырех про-
ходов сварки составила 3,88. Активная область 4 располагалась на границе секторов 4 и 5. При
первых двух проходах сварки нормированные коэффициенты для нее были равны 2,35 и 2,15. По-
этому данный дефект был помечен как малозначительный. Однако при четвертом проходе сварно-
го шва величина максимума нормированных коэффициентов составила 4,06, что дало основание
считать сектор 5 содержащим значительный дефект. Активная область 5 располагалась на границе
секторов 6 и 7 сварного шва. Она была впервые отмечена при четвертом проходе сварного шва с
величиной нормированных коэффициентов, равной 3,22, как значительный дефект.
В процессе сварки конструкции со стороны 2 было выделено 6 активных областей сварного
шва. Активная область 1 соответствовала сектору 1 сварного шва. Данная область была активна в
течение всех проходов сварки стороны 2. Величины максимумов нормированных коэффициентов
изменялись от 4,19 до 4,77. Поэтому данная область была отмечена как содержащая значитель-
ный дефект. Ультразвуковой контроль и настройка браковочной чувствительности проводился с
использованием дефектоскопа Д-20. При выполнении УЗ контроля сварного шва после оконча-
ния сварки данный сектор был забракован как содержащий протяженные дефекты общей длиной
122 мм. Активная область 2 располагалась в секторе 3. Она была активна во время шестого, седь-
мого и восьмого проходов с величинами нормированных коэффициентов 3,03—3,10. Активная об-
ласть 3 соответствовала границе секторов 4 и 5. Нормированные коэффициенты для нее изменя-
лись в диапазоне (2,63—3,75). Активные области 4, 5, 6 соответствовали секторам 7, 9 и 11. Для
каждой из них величины нормированных коэффициентов превышали первое пороговое значение
KС1 = 2,0 трижды на протяжении четырех проходов сварки, поэтому в данных секторах были от-
мечены значительные дефекты, соответствовавшие искусственным дефектам сварки, введенным в
сварной шов на предварительных проходах (см. табл. 3). Таким образом, с использованием описы-
ваемой методики АЭ-контроля сварки были обнаружены все искусственные дефекты.
ВЫВОДЫ
1. Разработана методика, позволяющая по анализу суммарного значения амплитуды сигналов
АЭ и энергетического параметра MARSE, выполнять браковку дефектов в процессе сварки и осты-
вания сварного шва.
2. С применением табличного метода локации сигналов АЭ удалось повысить точность опреде-
ления координат дефектов кольцевого сварного шва в процессе сварки. Использование аналитиче-
ского метода для кольцевых сварных швов приводит к искажению локационной картины. Совмест-
ное использование табличного метода локации и браковочной сетки, программно накладываемой
на объект контроля, позволило получить точную и наглядную картину локации дефектов, учиты-
вающую форму сварного шва и особенности непрямолинейного распространения сигналов АЭ.
3. Области сварного шва с высокой активностью излучения сигналов АЭ определялись по превы-
шению пороговых значений нормированных браковочных коэффициентов, полученных для средних
значений энергии и амплитуды сигналов, зарегистрированных на разных этапах сварки и остывания.
Нормированные браковочные коэффициенты рассчитывались методом сравнения величины суммарной
энергии и амплитуды для каждой ячейки со средними значениями тех же параметров, но для всех ячеек
браковочной сетки. Пороговые величины браковочных коэффициентов определялись из эксперимен-
тальных данных в процессе АЭ-контроля сварки образцов с введенными искусственными дефектами.
Результаты браковки с использованием нормированных коэффициентов были подтверждены
УЗ методом контроля.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Недосека А.Я. Основы расчета и диагностики сварных конструкций / Под ред. Б.Е. Патона. Киев:
ИНДПРОМ, 2008. 816 с.
2. Гуменюк В.А., Казаков Н.А., Сульженко В.А. Акустико-эмиссионный контроль процесса сварки
объектов морской техники // В мире неразрушающего контроля. 2010. № 4. С. 20—25.
3. Носов В.В., Ямилова А.Р., Зеленский Н.А., Матвиян И.В. Оценка прочности и ресурса сварных
конструкций на основе микромеханической модели акустической эмиссии при статическом нагружении
// Деформация и разрушение материалов. 2016. № 11. С. 38—45.
Дефектоскопия
№ 12
2019
Акустико-эмиссионная методика браковки дефектов кольцевого сварного шва...
35
4. Nosov V.V., Zelenskii N.A. Estimating the Strength of Welded Hull Elements of a Submer-sible Based on
the Micromechanical Model of Temporal Dependences of Acoustic-Emission Parameters // Russian Journal of
Nondestructive Testing. 2017. V. 53. No. 2. P. 89—95.
5. Носов В.В., Ямилова А.Р., Зеленский Н.А., Матвиян И.В. Оптимизация акустико-эмиссионного
контроля прочности сварных соединений // Вестник МЭИ. 2017. № 2. С. 96—101.
6. Носов В.В., Зеленский Н.А. Контроль и диагностика кольцевых элементов сварного корпуса под-
водного аппарата на основе микромеханической модели временных зависимостей параметров акусти-
ческой эмиссии // Контроль. Диагностика. 2016. №12. С. 30—39.
7. Бигус Г.А., Сабреков М.А. Исследование наименее прочных участков металлоконструкции с ис-
пользованием метода акустической эмиссии // Сварка и диагностика. 2013. № 4. С. 36—40.
8. Ченцов В.П. Акустическая эмиссия при упругопластическом деформировании конструкционных
материалов и опыт ее применения в неразрушающем контроле. Хабаровск; Томск: Изд-во Томского
политехн. ун-та, 2014. 268 с.
9. Черняева Е.В., Галкин Д.И., Бигус Г.А., Мерсон Д.Л. Применение метода акустической эмиссии
для неразрушающего контроля состояния основного металла и сварных соединений трубопроводов,
работающих в условиях малоцикловой усталости // Сварка и диагностика. 2010. № 2. С. 50—57.
10. Patent of Sweden No 376084, MCP 4G 1N29/04. Anordning för bedömning av mateerialfel vid ultraljd-
undersökning / Boström E. Y; Motala Verkstad AB [SE]. Declared 05. 10.1972; publication 05.05.1975. 4 р.
11. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И. Диагностический модуль распределенной аку-
стико-эмиссионной системы // Датчики и системы. 2016. № 5. С. 37—43.
12. Stepanova L.N., Kabanov S.I., Ramazanov I.S., Kanifadin K.V. Analysis of errors in location of flaws
in multipass welds using different clustering methods // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2017.
V. 53. № 2. P. 96—103.
13. Степанова Л.Н., Чернова В.В., Рамазанов И.С. Использование методов кластеризации для об-
работки акустико-эмиссионной информации // Контроль. Диагностика. 2019. № 8. С. 12—21.
14. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И. и др. Акустико-эмиссионный контроль дефектов
сварки. Новосибирск: Наука, 2018. 272 с.
15. Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Рамазанов И.С., Канифадин К.В. Способ акустико-эмиссионно-
го контроля качества сварного шва в процессе многопроходной сварки и устройство для его осущест-
вления / Патент 2 572 067 РФ, МПК G 01 N 29/14. Заявитель и патентообладатель Сибирский государ-
ственный университет путей сообщений, № 2014132494/ 28. Заявл. 06.08.2014; опубл. 27.12.2015. Бюл.
№ 36. 11 с.
16. Гомера В.П., Смирнов А.Д., Нефедьев Е.Ю., Потапов А.И., Зотов К.В. Обнаружение методом
акустической эмиссии трещин в сварном шве в процессе сварки // Контроль. Диагностика. 2016. № 7.
С. 25—32.
17. Stepanova L.N., Ramazanov I.S., Kireenko V.V. The Development of a Defect-Rejection Procedure
for Multiple-Pass Welding by the Distribution of the Principal Parameters of Acous-tic-Emission Signals //
Russian Journal of Nondestructive Testing. 2014. V. 50. № 11. P. 667—678.
18. 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.
19. Real-time weld process monitoring / Edited by Yu Ming Zang — Cambrige. England, 2008. 299 p.
20 Meng X., Papaelias M., Huang Z., Melton G. Welding quality monitoring using acoustic emission
techniques / Conference: First World Congress on Condition Monitoring — WCCM 2017. At London. UK.
June. 2017.
21. Zhang L., Carmen Basantes-Defaz A., Ozevin D. Real-time monitoring of welding process using air-
coupled ultrasonics and acoustic emission // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology.
April. 2019. V. 101. Issue 5—8. P. 1623—1634.
22. Brunner A., Tannert T., Tallée T. Waveform analysis of acoustic emission monitoring of tensile tests on
welded wood-joints // J. Acoustic Emission. 2010. V. 28. P. 59—67.
23. Poopat B., Jirarungsatean C. Feasibility Study of Acoustic Emission Monitoring of Hot Cracking in
GTAW Weld // Key Engineering Materials. March 2013. V. 545. P. 236—240.
24. Гуменюк В.А., Несмашный Е.В. Оптимизация алгоритма акустико-эмиссионной локации дефек-
та в кольцевых швах сварных конструкций // Контроль. Диагностика. 2007. № 9. С. 34—42.
25.Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Лебедев Е.Ю., Киреенко В.В., Вонсовский А.В., Рамазанов И.С.
Акустико-эмиссионный контроль дефектов в процессе многопроходной сварки образцов из судострои-
тельной стали // Контроль. Диагностика. 2013. № 12. С. 74—80.
26. Stepanova L. N., Ramazanov I. S., Kireenko V. V. Acoustic-Emission Location of Flaws during Multiple-
Run Welding of Contours with Complex Shapes // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2016. V. 52.
№ 5. P. 261—268.
Дефектоскопия
№ 12
2019
