Использование методов неразрушающего контроля для диагностики сварных швов

Методы неразрушающего контроля

Кандидаты и доктора технических наук из Томского политехнического университета (ТПИ) и ФГБУН института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук в Томске провели научное исследование, чтобы ответить на вопрос – какие методы неразрушающего контроля наиболее эффективны для контроля целостности сварных швов. Специалисты компании ПЕРГАМ приняли участие в исследовании и предоставили учёным профессиональный тепловизор с высоким разрешением.

Совместно изучили возможности различных методов неразрушающей дефектоскопии для швов, полученных методом сварки трением с перемешиванием (СТП) на алюминиевых сплавах. Метод сварки трением не предполагает плавления металла в зоне сварки и поэтому имеет свои типы дефектов. В связи с этим применяли такие методы неразрушающего контроля, как ультразвуковая ФАР-дефектоскопия, вихретоковый метод и тепловизионный контроль в ходе сварки, а также металлографические исследования полученных структур. В результате были получены данные о типах дефектов и местах их залегания, которые выявляются отдельными методами. Обследовали дефекты типа стыковой линии, возникающие при сварке трением с перемешиванием. Сравнили результаты по применяемым методам, подтвердили вывод о необходимости использования комплексного подхода к дефектоскопии СТП-соединений.

Сварка трением с перемешиванием

Метод сварки трением с перемешиванием (СТП) широко используется сегодня для сварки алюминиевых сплавов в мировой практике, о чем говорит большое число публикаций в иностранных журналах. СТП характеризуется тем, что формирование и заполнение шва происходят при температуре металла ниже температуры плавления. Во многом процесс пластификации и пластического течения деформированного и пластифицированного материала при сварке трением схож с процессами структурообразования при трении в пластичных металлах. В связи с этим рассуждения и оценки, сделанные при исследовании процессов трения, справедливы и для сварки трением с перемешиванием. В частности, это касается механизмов формирования дефектов, которые отличаются от дефектов, получаемых при сварке традиционными методами, предусматривающими плавление металла в сварочной ванне.

В технической литературе давно и подробно исследованы типы дефектов и условия их возникновения в сварных соединениях, полученных СТП. Уменьшить вероятность, а в идеале и полностью исключить появление дефектов можно за счет подбора оптимальных параметров процесса: скорости поступательного движения инструмента вдоль шва, частоты его вращения, силы прижатия инструмента к заготовкам. Важным условием получения бездефектного шва является подготовленность кромок — отсутствие оксидных пленок и зазора между заготовками в стыке при сварке, а также небольшая степень изношенности инструмента. При правильном подборе параметров сварки и соблюдении указанных выше условий СТП гарантирует требуемую прочность соединения и отсутствие дефектов, обнаруживаемых известными методами неразрушающего контроля.

Но методы неразрушающего контроля имеют определенные ограничения. Для СТП-соединений одними из наиболее опасных и трудновыявляемых методами неразрушающего контроля дефектов являются дефекты типа стыковых линий. Они могут служить местами зарождения и распространения трещин при нагрузке, они существенно снижают прочность сварного соединения. Появление дефектов стыковых линий может быть обусловлено недостаточным перемешиванием материала в шве вследствие изношенности инструмента либо интенсивным налипанием на инструмент металла при сварке. Часто такие дефекты декорированы фрагментами оксидных пленок, перенесенных в шов с кромок свариваемых деталей, и хорошо видны на поперечном сечении шва. Однако при надлежащей обработке кромок перед сваркой заметить эти дефекты трудно даже при металлографическом анализе поперечного сечения шва. В настоящий момент возможности методов неразрушающего контроля в отношении стыковых линий не до конца ясны. Именно по этой причине мы решили изучить возможности методов неразрушающего контроля для диагностики сварных швов, полученных методом СТП.

Методы СТП в промышленном производстве

В последнее время СТП начинает находить применение и в России. Пионером использования СТП в серийном промышленном производстве ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель». На предприятии методом СТП изготавливают из алюминиевого сплава автомобильные цистерны-полуприцепы различного назначения.

В связи с широким внедрением СТП для изготовления ответственных изделий, в том числе корпусных деталей ракетно-космической техники, все большее внимание уделяется развитию неразрушающих методов контроля для диагностики сварных швов. Методы неразрушающего контроля, применяемые для СТП-соединений, включают традиционные способы, такие как радиография, ультразвуковой и вихретоковый способы, применяется термография, пенетрометрия. Перечисленные методы контроля по отдельности позволяют определять наличие дефекта с различной степенью достоверности и поэтому могут применяться с надежностью в отношении дефектов определенного типа и размера.

Методы неразрушающего контроля для поиска дефектов сварных швов

• Радиография дает возможность прямого наблюдения дефектов, но чем больше толщина свариваемого металла, тем меньше возможности метода в отношении мелких дефектов;
• Ультразвуковой метод с применением фазированных антенных решеток обладает хорошей разрешающей способностью по глубине, но также имеет ограничения при выявлении дефектов малого размера;
• Вихретоковый метод позволяет надежно находить дефекты в тонком поверхностном слое, что особенно важно при определении дефектов типа трещин.

Применение всех этих методов стандартизовано в наибольшей степени в приложении к методам сварки плавлением и в меньшей степени к методам сварки трением. Использование термографии в качестве метода контроля швов в основном ограничивается методами активного контроля с помощью контролируемого нагрева соединения. При этом они не имеют преимущества перед радиографией или ультразвуковой дефектоскопией. Преимуществом данного метода может быть использование для мониторинга поверхности шва непосредственно в процессе сварки.

Обзор литературы по типам и размерам дефектов, формируемых при сварке трением с перемешиванием, показывает, что к ним можно отнести поры малого размера, дефекты в виде строчек оксидов и стыковых линий («kissing bonds», «Lazy S» и т.д.), червоточин или каналов («wormholes», «channels»), которые располагаются на стороне набегания («advancing side»). При соответствующей обработке и подгонке кромок свариваемых изделий из алюминиевых сплавов можно значительно уменьшить вероятность появления протяженных линейных дефектов типа стыковых линий при сварке в оптимальном режиме. Однако любое отклонение от режима либо неточность примыкания кромок ведет к образованию дефектов. В связи с этим существует необходимость использования нескольких дополняющих друг друга методов контроля, особенно при производстве ответственных соединений.

Зачем это нужно?

Это необходимо для достоверного обнаружения, точной идентификации и определения размеров дефектов в реальном изделии по материалам неразрушающего контроля. В данной работе сделана попытка сравнительного анализа данных, полученных методами неразрушающего контроля – тепловизионным, ультразвуковым и вихретоковым, с результатами разрушающего контроля – металлографического анализа.

Сварное соединение и методика исследований

Объектом исследований являлось сварное соединение двух пластин из термически неупрочняемого деформируемого сплава АМг5М в отожженном состоянии, выполненное сваркой трением с перемешиванием (рис. 1). Стыковые сварные пробы из листовых полуфабрикатов изготовляли на станции автоматической сварки листов из алюминиевых сплавов ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель». Толщина свариваемых пластин s составляла 5 мм, ширина образца w после сварки ≈185 мм, ширина сварного шва Lw = 19 мм. Длина сварных соединений, полученных при разных режимах сварки, в среднем составляла ≈500 мм.

За счет отклонения от штатного режима сварки путем изменения таких параметров сварочного процесса, как величина силы прижатия инструмента, частота вращения и скорость подачи инструмента, были получены образцы сварных соединений, содержащих различные дефекты. Некоторые из этих дефектов можно было наблюдать визуально на поверхности шва, а другие были скрытыми. Кромки листов также не обрабатывали перед сваркой для получения максимального числа дефектов.

Термография

Для теплового мониторинга в процессе сварки использовали тепловизор FLIR А655sc. Контроль выполняли в режиме видеосъемки. Размер кадра составлял 640×480 пикселей, частота 60 кадров/с. Тепловизор монтировали непосредственно на движущемся шпиндельном узле, в котором был установлен сварочный инструмент, на расстоянии около 30 см от образца, поле зрения составляло ≈15 см. Таким образом, зона теплового контроля оставалась неподвижной относительно сварочного инструмента и перемещалась по поверхности исследуемого образца со скоростью подачи. После записи данных проводили их обработку и строили термограмму процесса сварки. Термограмма позволяет сравнить между собой различные участки шва при одинаковых условиях остывания после прохождения сварочного инструмента и выявить возможные температурные аномалии.

Ультразвуковой (УЗ) контроль

УЗК контроль проводили с использованием дефектоскопа с фазированной решеткой HARFANG VEO 16:128. Применяли метод секторного сканирования с пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП) на фазированной антенной решетке, на призме с углом 36°, с угловым разрешением 0,2°. Углы ввода составляли от 45 до 65°, частота ПЭП – 10 МГц, опорное усиление 65 дБ. В качестве иммерсионной жидкости использовали водопроводную воду.

Призму размещали на корневой стороне перпендикулярно шву на расстоянии 11 мм от его оси. При сканировании призма перемещалась электроприводом с постоянной скоростью ≈2 мм/с вдоль шва от его начала до конца. Призма прижималась к поверхности силой 10 Н. Секторные сканы (S-сканы) поперечного сечения шва записывались с шагом 0,2 мм и строилась полная УЗ-дефектограмма сварного соединения.

Вихретоковый контроль

Для вихретокового контроля применяли дефектоскоп Ectane. Напряжение на вихретоковом преобразователе составляло 4 В, частота 50 кГц. Использовали вихретоковый преобразователь, состоящий из 32 катушек с шириной рабочей части 50 мм. Вихретоковый преобразователь помещался на корневую сторону перпендикулярно шву так, чтобы его середина совпадала с осью шва. При сканировании он нагружался силой 10 Н и перемещался вдоль шва от начала до конца вручную со скоростью около 10 мм/с. Сканы записывались с пространственным шагом 0,1 мм и строились Axial- и Trans-сканы для всего шва.

Металлографический анализ

В качестве разрушающего метода контроля для выявления типа, положения и размеров обнаруженных дефектов применяли металлографический анализ. Образцы для анализа вырезали из сварного шва (рис. 2, а). Затем изготавливали шлифы поперечного сечения шва (рис. 2, б), а также планарного сечения – плоскости, параллельной лицевой стороне образца (рис. 2, в). Фотографировали шлифы на металлографическом инвертированном микроскопе МЕТАМ ЛВ-31 с помощью цифровой фотокамеры с разрешением 4 Мп. Для получения детализированной макроскопической картины сварного шва его фотографировали по частям с 50-кратным увеличением, затем «сшивали» отдельные цифровые фотографии в единое изображение. В связи с этим на изображениях сварного шва могут проявляться небольшие периодические неоднородности по яркости.

Результаты исследования сварных швов неразрушающими методами

При тепловом контроле на термограммах некоторых образцов были обнаружены аномалии температурного поля в виде темной полосы по оси сварного шва (рис. 3, б). Визуальный контроль показал, что никаких изменений на поверхности шва не наблюдается (рис. 3, а).

Ультразвуковая дефектоскопия показала, что в данном образце присутствует большое количество дефектов (рис. 3, в). Максимальное количество и интенсивность дефектов наблюдается в области начала темной полосы на термограмме (см. рис. 3, б).

Ультразвуковая дефектограмма, приведенная на рис. 3, в, представляет собой прозрачный вид сверху – на нем отображены все дефекты независимо от того, на какой глубине в образце они находятся. Анализ данного скана показал, что все обнаруженные дефекты расположены в виде цепочки на одной линии, на одинаковой глубине, на набегающей стороне шва (по общепринятой терминологии advancing side, далее AS), на расстоянии 2…3 мм от его оси.

Металлографическое исследование

Для идентификации обнаруженного дефекта был приготовлен шлиф по сечению, показанному на рис. 3. На рис. 4, а и б приведены изображение дефекта на УЗ-S-скане и фотографии поперечного сечения шлифа соответственно. Хорошо видно, что положение дефектной зоны на УЗ-скане (рис. 4, а) точно совпадает с расположением зоны, содержащей дефекты в виде пор на металлографическом шлифе. Дефектная зона расположена на глубине от 1 до 2,5 мм.

Для того чтобы получить более ясное пространственное представление о дефекте, был выполнен послойный металлографический анализ, который показал, что дефект расположен в ядре шва, справа по ходу движения инструмента (AS), на границе с основным материалом. Он представляет собой квазипериодическую пористую структуру (рис. 4, в), период которой совпадает с периодом чешуйчатости на лицевой стороне шва (рис. 3, а).

Свищ сварного шва

По общепринятой терминологии такие дефекты можно отнести к типу worm-hole. Поры в таком дефекте сварного шва ориентированы вдоль линий пластического течения материала и представляют собой микрообъемы неправильной формы, одна из границ которых имеет форму кругового сегмента (см. рис. 4, в). Рассмотрение поперечного сечения шва показывает, что форма сечения пор близка к равноосной (см. рис. 4, б). Размер пористой области может изменяться, но ее правая граница всегда находится на стыке шва и основного материала (см. рис. 4, в). Причина формирования дефекта связана с особенностями течения пластифицированного и модифицированного трением металла вблизи границы с неподвижным металлом основы.

В одном из образцов перед сваркой для внесения дополнительных дефектов в шов на стыке пластин было просверлено пять отверстий диаметром 5 мм и глубиной 3 мм с одинаковым интервалом. Визуальный контроль и термограмма сварки (рис. 5, а) показывают, что наличие отверстий привело к появлению непроваров на лицевой стороне шва с тем же интервалом. Места внешних непроваров однозначно идентифицируются на термограмме в виде более ярких участков по отношению к окружающим областям.

Помимо этого на термограмме видна температурная аномалия в виде темной полосы, которая начинается приблизительно с середины образца. УЗ-дефектограмма кроме внешних непроваров также показала наличие большого количества внутренних дефектов (рис. 5, б) на месте темной полосы.

Для приготовления металлографического шлифа была выбрана область, внешний вид которой не проявляет никаких признаков наличия дефекта (рис. 5, в). Ультразвуковой S-скан и результаты металлографических исследований данного образца приведены на рис. 6. В данном случае УЗ-дефектограмма показана не для всего образца, а только для слоя, прилегающего к лицевой стороне толщиной 1,5 мм (показан на рис. 6, а).

Здесь также наблюдается совпадение положения дефектной зоны на УЗ-S-скане (рис. 6, а) с реальным положением дефекта на металлографическом шлифе (рис. 6, б).

Анализ шлифа показывает, что по центру шва вблизи лицевой поверхности располагается дефект с поперечным размером 2…3 мм и глубиной около 2 мм (см. рис. 6, а). Он представляет собой несимметричное относительно центра шва скопление пор различной формы и размеров (см. рис. 6, б).

На шлифе, параллельном поверхности образца, выполненном на глубине 1 мм, проявляется структура дефекта, представляющая собой набор круговых сегментов, период которых совпадает с периодом чешуйчатости (рис. 6, в). Структура хорошо видна в правой части дефекта и практически не различима в левой. Кроме того, слева от описанного основного дефекта на расстоянии около 500 мкм располагается цепочка вытянутых пор, которая тянется вдоль линии сварного шва. Также обращает на себя внимание явное проявление другого дефекта – линии стыка или «Lazy S», находящейся еще левее, на расстоянии 200…300 мкм от цепочки пор (увеличенное изображение на рис. 6, в).

По сути описанный дефект является заглаженным сверху плечами сварочного инструмента непроваром лицевой стороны шва. Об этом свидетельствует его структура, напоминающая структуру горной породы, каковая наблюдается внутри видимых непроваров. Несмотря на то что такой дефект располагается очень близко к лицевой поверхности шва (минимальную глубину залегания по рис. 6, б можно оценить примерно в 100 мкм), его невозможно обнаружить методами визуального контроля.

Еще одним интересным фактом, требующим дальнейшего анализа, является то, что на УЗ-дефектограмме (см. рис. 6, а) проявление сплошного непровара под лицевой стороной шва практически совпадает с проявлением края шва.

Для проверки влияния механической обработки СТП-соединения на возможное появление новых дефектов была проведена фрезеровка группы образцов с лицевой стороны сварного шва до толщины 2,5 мм. После фрезеровки в некоторых образцах УЗ-дефектоскопия зафиксировала несплошность вблизи корневой стороны практически по всей длине сварного шва. Для проверки наличия выхода несплошности на поверхность была проведена вихретоковая дефектоскопия корневой стороны образцов.

Ультразвуковая и вихретоковая дефектоскопия сварного шва

Результаты УЗ- и вихретоковой дефектоскопии для одного из образцов приведены на рис. 7. По сравнению с данными контроля до фрезеровки значительно увеличилась длина участков несплошности по корню шва, обнаруженных УЗ-дефектоскопией, и существенно возросла амплитуда отраженного акустического сигнала. Кроме того, вихретоковой дефектоскопией, проведенной до фрезеровки, несплошностей в корне шва обнаружено не было.

При сравнении результатов двух видов контроля обращает на себя внимание то, что соответствие между дефектами, обнаруженными УЗ- (рис. 7, а) и вихретоковым (рис. 7, б) методами, наблюдается только на отдельных участках шва. На одних участках больше дефектов найдено УЗ-дефектоскопией, на других – вихретоковой. Кроме того, вихретоковым методом не обнаруживается цепочка дефектов на расстоянии 2…3 мм от осевой линии шва, которая хорошо видна на УЗ-дефектограмме (см. рис. 7, а).

Для идентификации обнаруженных дефектов был сделан металлографический шлиф по сечению, показанному на рис. 7. Сечение выбрано так, чтобы на него попали и несплошность корня, и один из цепочки дефектов, параллельной оси шва.

Положение дефектов на УЗ-S-скане (рис. 8, а), как и в рассмотренных случаях, точно совпадает с их реальным положением (рис. 8, б). Металлография показала, что дефекты соответствуют трещинам, начинающимся с корневой стороны шва. Дефект на оси шва (рис. 8, в) представляет собой отражение от трещины с небольшим раскрытием, распространяющейся вдоль линии стыка пластин – дефекта типа «Lazy S». Другой дефект соответствует более короткой трещине, расположенной правее, практически на краю корневой стороны сварного шва (рис. 8, г).

Так как кромки шва перед сваркой специально не приготавливались, то дефекты линии стыка «Lazy S» присутствовали во всех образцах, но были обнаружены только в данном случае, когда по дефекту распространилась трещина.

Заключение

Полученные данные показывают, что наиболее надежным методом, использованным в работе для обнаружения дефектов тех типов (за исключением линии стыка), которые присутствовали в исследуемых образцах, является ультразвуковой метод неразрушающего контроля с применением фазированной антенной решетки. Он позволил обнаружить поры размером около 200 мкм и трещины с небольшим раскрытием. Применение фазированной решетки позволяет непосредственно видеть место расположения дефекта на предварительно заданной маске сварного шва и судить о его размере по амплитуде отраженного сигнала.

Результаты тепловизионного контроля свидетельствуют о хороших перспективах его применения в качестве первичного метода обнаружения критических дефектов в процессе мониторинга процесса СТП. Он дает возможность однозначно идентифицировать непровар по лицевой стороне шва. Также с помощью тепловизора можно обнаружить непровар под поверхностью материала по наличию темной полосы на термограмме. В то же время такая же темная полоса наблюдалась и в другом образце, в котором присутствовали дефекты типа worm-hole. Только по наличию температурной аномалии в виде темной полосы нельзя однозначно судить о наличии дефекта того или иного типа. Для более точной идентификации дефектов сварного шва необходимо увеличение разрешающей способности тепловизионной съемки, а также дальнейшее совершенствование процесса обработки данных.

По сравнению с описанными методами вихретоковый контроль позволяет обнаруживать дефекты только на поверхности и в непосредственной близости от нее. В случае фрезерованного образца проявление дефекта в виде продольной трещины по корню шва на вихретоковом скане не совпадает с УЗ-дефектограммой. С учетом потенциально высокой чувствительности вихретокового метода в данном случае, возможно, имели место неоптимальные калибровка дефектоскопа и подбор параметров сканирования. Чтобы гарантированно получить точные данные при использовании вихретокового метода контроля, рекомендуем использовать современные цифровые вихретоковые дефектоскопы. 

В целом полученные в совместном исследовании результаты показывают, что представленный комплексный подход может быть рекомендован для повышения достоверности обнаружения дефектов, получаемых при сварке трением с перемешиванием. Сравнительный анализ результатов дефектоскопии, полученных разными методами неразрушающего контроля, может помочь в выборе наиболее подходящего метода для выявления дефектов конкретного типа.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0063) в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218.

Библиографический список

• Mishra R. S., Mahoney M. Friction stir welding and processing. ASM International, 2007. 360 p.
• Friction stir welding: From basics to applications / еd. by D. Lohwasser and Zh. Chen Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC, 2010. 432 р.
• Бакшаев В. А., Васильев П. А. Сварка трением с перемешиванием в производстве крупногабаритных изделий из алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 2014. № 1. С. 75 – 79.
• Неразрушающий контроль: справочник: в 8 т. Т. 3 / под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 2006. 864 с.
• Неразрушающий контроль: справочник: в 8 т. Т. 2. Кн. 1, 2 / под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 2006. 688 с.
• Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. 2-е изд., доп. М.: ИД «Спектр», 2013. 544 с.
• Rubtsov V. E., Tarasov S. Yu., Kolubaev A. V. One-dimensional model of inhomogeneous shear in sliding // Phys. Mesomech. 2012. V. 15. N 5–6. Р. 337 – 341.