СВАРКА, РОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 620.179.14
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-517-518
ВИХРЕТОКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ СВАРНЫХ ШВОВ ДЮРАЛЮМИНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В.Н. Маликов, А.О. Катасонов, Д.Н. Шмыков, С.Е. Кистаев, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская
Целью исследования являлась разработка, модернизация и исследование точности и эффективности установки для контроля дефектов глубокого залегания в сварных швах дюралюминиевых деталей методом вихревых токов. В работе рассмотрены особенности сплава дюралюминия, сварных соединений деталей из этого материала и вихретоковый метод дефектоскопии. Представлено описание используемого вихретокового преобразователя и программно-аппаратного комплекса, осуществляющего управление разработанным преобразователем. Приведено описание образцов сварных швов дюралюминиевых сплавов и представлены результаты экспериментов, свидетельствующие о высоком потенциале метода вихретоковой дефектоскопии для поиска дефектов глубокого залегания сварных швов.
Ключевые слова: дефектоскопия, дефекты сварки, вихретоковый метод.
Введение. Дюралюминий - это металлический сплав, основным компонентом которых является алюминий, с дальнейшим добавлением меди, марганца и других металлов. Этот сплав обладает уникальными характеристиками, что делает его незаменимыми в различных отраслях производства.
Так, дюралюминий широко используется в авиастроении при изготовлении ключевых конструктивных элементов, таких как крылья, фюзеляжи и обшивка самолетов. Дюралюминий также активно используется в строительстве и машиностроении [1].
Главное достоинство дюралюминия заключается в его высокой прочности при относительно низкой удельной массе. Дюралюминий сочетает прочность, лёгкость и высокую термоустойчивость [2].
Удельная масса сплава составляет 2,8 г/см3, что почти в три раза меньше, чем у стали. Температура плавления дюралюминия достигает около 500°С (рис. 1). Прочность сплава повышается добавлением меди: чем выше её содержание, тем прочнее материал.
Си / % к.р.
Рис. 1. Фазовая диаграмма дюралюминия (Алюминий-Медь)
Ещё одной важной особенностью дюралюминия является простота его производства. Для создания сплава не требуются высокие температуры, что значительно упрощает его производство. Благодаря этому стоимость изделий из дюралюминия остается относительно низкой.
Однако у дюралюминия есть и недостатки: его низкая устойчивость к коррозии, что требует дополнительной обработки, такой как плакировка или анодирование. Кроме того, многие виды дюралюминиевых сплавов трудно поддаются сварке.
Выявление дефектов в дюралюминиевых сварных швах крайне актуально. Незначительные дефекты, такие как трещины, пористые участки, включение сторонних материалов и другие микроструктурные аномалии, могут существенно ухудшить прочностные характеристики сплава материала. Наличие незамеченных дефектов может привести к авариям, что ставит под угрозу жизни людей и приводит к финансовым потерям.
Неразрушающая дефектоскопия представляет собой комплекс методик, предназначенных для выявления дефектов в материалах без их повреждения. Методики включают ультразвуковую, радиографическую, магнитную и вихретоковую дефектоскопию [3]. Неразрушающая дефектоскопия позволяет обнаруживать трещины, включения, поры и другие дефекты, что помогает предотвратить возможные отказы и аварии.
Метод вихревых токов - это неразрушающий метод контроля, используемый для обнаружения дефектов в проводящих материалах. Он основан на явлении электромагнитной индукции и хорошо подходит для исследования дефектов сварных швов дюралюминия [4-6].
Целью исследования является разработка, модернизация и исследование точности и эффективности установки для контроля дефектов глубокого залегания в сварных швах дюралюминиевых сплавах методом вихревых токов.
Для решения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработка и модификация установки для вихретоковой дефектоскопии дюралюминия. Совершенствование процесса при помощи автоматизации. Написание необходимого программного обеспечения.
2.Исследование дефектов образцов сварных швов дюралюминия методом вихретоковой дефектоскопии.
3. Анализ результатов исследования, визуализация, численный анализ и статистическая оценка измерений.
Материалы и методы. Вихретоковый датчик (рис.2) состоит из трёх обмоток, окружающих датчик (6):
генерирующей (2), по которой протекает электрический ток, измерительной (3), с которой снимается напряжение, несущее информацию об объекте контроля (5), и компенсационной, необходимой, чтобы учитывать влияние генерирующей обмотки. Генерирующая обмотка (2) подключается к генератору переменного тока, а измерительная (3) и компенсационная (1) к блоку измерения. В объекте контроля под действием поля локализующегося на объекте контроля при помощи ферритового сердечника наводятся токи [10].
6
vnr
Рис. 2. Схема датчика (вихретокового преобразователя или ВТП): 1 - компенсационная обмотка;
2 - генераторная обмотка; 3 - измерительная обмотка; 4 - вихревые токи; 5 - объект контроля;
6 - ферритовый сердечник
Датчик работает под управлением разработанного программно-аппаратного комплекса, состоящего из пяти основных компонентов (рис.3):
1. Генератор переменного электрического сигнала.
2. Селективный усилитель. Это полезно, так как сигнал слишком слабый для дальнейшей обработки и/или теряется среди шума.
3. Фильтр: удаляет нежелательные частоты и шум из уже усиленного сигнала.
4. Осциллограф: визуализирует электрический сигнал. Позволяет увидеть частоту и амплитуду сигнала в реальном времени.
Рис. 3. Схема установки для вихретоковой дефектоскопии дюралюминия
В такой конфигурации установки была проведена серия опытов по выявлению дефектов на листе дюралюминия. Управление датчиком было ручным, а значит, могли возникать погрешности, связанные с движением руки (наклоны, дрожание датчика).
Для дополнительной компенсации генераторной обмотки был добавлен второй датчик, настроенный на понижение, который должен был крепиться к области без дефектов, в то время как вторым датчиком совершались аналогичные действия. Сигналы с обоих датчиков суммировались и слались на шину выходного сигнала. Данные снимались вручную с осциллографа АКТАКОМ ADS-6062H, имеющего функцию экспорта точек в CSV (comma-separated values) файл.
Результаты исследований. В ходе исследования использовался образец дюралюминия толщиной 5 мм, имеющий три подповерхностных дефекта разной глубины, размещенные в сварном шве. Датчик непрерывно пере-
Сварка, родственные процессы и технологии
мещался по сварному шву перпендикулярно дефектам. Из графика видно, что дефекты явно видны в ходе процесса сканирования. Были зафиксированы уменьшения амплитуды сигнала на измерительной обмотке в участках с дефектами (рис. 4).
В ходе эксперимента изучались, прежде всего, отклонения от максимальной амплитуды сигнала, поэтому амплитуда представлена в процентах от максимального значения, зафиксированного в эксперименте. Также приведены численные значения падений амплитуды в областях с дефектами, а также стандартное отклонение и дисперсия сигнала в бездефектной области (табл.1).
Рис. 4. График изменения амплитуды сигнала во времени (частота 900 Гц, амплитуда 40 мВ)
Для наглядности, точки, в которых амплитуда уменьшается на максимальное значение, обозначены желтыми точками - падения амплитуд в зонах дефектов. Также, на графиках представлено стандартное отклонение амплитуды в бездефектной области образца.
Таблица 1
Зависимость падения амплитуды сигнала от глубины дефекта_
Глубина дефекта, мм Падение сигнала, % Дисперсия сигнала, % Стандартное отклонение сигнала, %
4 27
3 25 4 2
1 17
Заключение. В ходе выполнения работы были реализованы все задачи, поставленные в начале работы: была модифицирована, откалибрована и применена установка для вихретоковой дефектоскопии дюралюминия. На всех этапах выполнения работы удалось достичь успехов, которые позволили детально изучить возможности вихре-токового метода для обнаружения дефектов в дюралюминиевых образцах.
Перед началом исследований была проведена калибровка оборудования. В процессе калибровки были определены оптимальные параметры работы устройства, включая частоту возбуждающего сигнала и параметры детектирования, что обеспечило хорошую чувствительность и точность измерений.
Выполнены исследования по выявлению дефектов различной глубины в сварном шве дюралюминиевого образца. Полученные данные позволили оценить работоспособность и эффективность установки в реальных условиях эксплуатации.
Проанализированы результаты проведенных опытов, произведено построение графиков, отражающие то, как менялась амплитуда вихревых токов, что позволило качественно оценить эффективность вихретокового метода для обнаружения дефектов.
Благодарности. Исследование выполнено в рамках реализации Программы развития Алтайского государственного университета на 2021-2030 годы в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030», проект «Аппаратно-программный комплекс для исследования металлических изделий и деталей вихретоковым и лазерно-акустическим методом».
Список литературы
1. Федосенко Ю.К. Становление, современное состояние и перспективы развития вихретокового контроля / Ю.К. Федосенко // Контроль. Диагностика. 2005.№ 5. С. 71-75.
2. Клюев В.В. Вихретоковый контроль: современное состояние и перспективы развития / В.В. Клюев, Ю. К. Федосенко, В.Ф. Мужицкий // В мире неразрушающего контроля. 2007. № 2. C. 4-9.
3. Дмитриев С.Ф. Дефектоскопия сплавов методом вихревых токов / С.Ф. Дмитриев, А.О. Катасонов, В.Н. Маликов, А.М. Сагалаков // Дефектоскопия. 2016. № 1. С.41-47.
4. Шлеин Д.В. Вихретоковые дефектоскопы нового поколения / Д.В. Шлеин, В.Ф. Мужицкий, В.А. Ка-рабчевский, Е.Ю. Кортман // В мире неразрушающего контроля. - Санкт-Петербург. 2007. № 2. С. 20-24.
5. Белокур И.П., Охренчук Л.Н., Христюк И.Н. Применение неразрушающего контроля в решении задач оценки качества продукции. К.: НИИНТИ, 1990. 55 с.
6. Дмитриев С.Ф. Исследование неоднородных материалов методом вихревых токов / С.Ф. Дмитриев, А.В. Ишков, В.Н. Маликов, А.М. Сагалаков // Известия АлтГУ. 2013. № 1/1. С. 197-201.
Маликов Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Катасонов Александр Олегович, канд. техн. наук, преподаватель, katasonovrffi@gmail. com, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Шмыков Данил Николаевич, студент, danvshmvkov0000@mail. ru, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Кистаев Семен Евгеньевич, студент, Kistaevse2000@gmail. com, Россия, Барнаул, Алтайский государственный университет,
Войнаш Сергей Александрович, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, sergev_voi@mail. ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет,
Соколова Виктория Александровна, канд. техн. наук, доцент, sokolova_vika@inbox. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна,
Ореховская Александра Александровна, канд. сель. наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории, orehovskaja_aa@bsaa. edu.ru, Россия, Казань, Казанский федеральный университет
EDDY CURRENT FLAW DETECTION OF WELDS DURALUMINUM MATERIALS V.N. Malikov, A.O. Katasonov, D.N. Shmykov, S.E. Kistaev, S.A. Voinash, V.A. Sokolova, A.A. Orekhovskaya
The purpose of the study was to develop, modernize and study the accuracy and efficiency of an installation for monitoring deep defects in welds of duralumin parts using the eddy current method. The work discusses the features of duralumin alloy, welded joints ofparts made of this material and the eddy current flaw detection method. A description of the eddy current transducer used and the hardware and software complex that controls the developed transducer is presented. A description of samples of welds of duralumin alloys is given and experimental results are presented, indicating the high potential of the eddy current flaw detection method for searching for deep defects in welds.
Key words: flaw detection, welding defects, eddy current method.
Malikov Vladimir Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, osysll @gmail. com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Katasonov Alexander Olegovich, candidate of technical sciences, teacher, katasonovrffi@gmail. com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Shmykov Danil Nikolaevich, student, danvshmvkov0000@lmail. ru, Russia, Barnaul, Altai State University,
Kistaev Semen Evgenievich, student, Kistaevse2000@gmail. com, Russia, Barnaul, Altai State University,
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher at the research laboratory, sergey^t'oify/naHru, Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sokolova Viktoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, sokolova_vika@inbox. ru, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design,
Orekhovskaya Alexandra Alexandrovna, candidate of agricultural sciences, leading researcher at the research laboratory, orehovskaja_aa@bsaa. edu.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University