DOI: 10.34220/MRTTMFC2021_263-270 УДК 621.791.01 СПОСОБЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СВАРНЫХ ШВОВ METHODS FOR DETECTING WELD DEFECTS Светлана Анатольевна Сазонова*, Сергей Дмитриевич Николенко**, Виктор Федорович Асминин*** Svetlana A. Sazonova*, Sergey D. Nikolenko**, Victor F. Asminin***53 *ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Россия, Воронеж *Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University», Russia, Voronezh e-mail: ([email protected]) **ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», Россия, Воронеж ** Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State Technical University», Russia, Voronezh e-mail: ([email protected]) ***ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова», Россия, Воронеж ***Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G. F. Morozov», Russia, Voronezh e-mail: ([email protected]) Аннотация: Проанализированы основные неразрушающие методы контроля сварных соединений. Рассмотрен метод ультразвукового контроля. Выявлено, что наиболее эффективно выполнять автоматизированный ультразвуковой контроль в сочетании с другими видами контроля. Abstract: The main non-destructive methods of testing welded joints are analyzed. The method of ultrasonic testing is considered. It was revealed that it is most effective to carry out automated ultrasonic testing in combination with other types of testing. Ключевые слова: сварные соединения, дефекты сварки, неразрушающие методы контроля, ультразвуковой контроль, автоматизация контроля, компьютерная диагностика. Keywords: welded joints, welding defects, non-destructive testing methods, ultrasonic testing, testing automation, computer diagnostics. На строительной площадке в основном применяется электрическая дуговая сварка соединения металлов. Суть такой сварки в том, что источником температуры является электрическая дуга между двумя электродами. При этом одним из электродов является металл конструкции. Сама электрическая дуга, по сущности, является мощным разрядом [1]. Условно процесс зажигания дуги можно разделить на три стадии (рисунок 1). Первая стадия короткое замыкание электрода на заготовку. Вторая стадия - отвод электрода на 3 – 5 мм и образование сначала прослойки из жидкого металла, а затем и шейки. Третья стадия возникновение устойчивой дуги. © Сазонова С. А., Николенко С. Д., Асминин В. Ф., 2021 263 Короткое замыкание производится с целью разогрева электрода выполняющего роль катода. Температура электрической дуги может доходить до 6000°С. При этом металл подвергается термическому воздействию. На рисунке 2 приведена схема термического цикла сварки низкоуглеродистой стали [2]. При определенных условиях сварное соединение может оказаться с дефектами. Поэтому контроль качества сварных соединений. Целью исследований является анализ дефектов сварных соединений и выбор оптимального способа контроля их качества. Рисунок 1 – Схема зажигания дуги Рисунок 2 – Схема термического цикла сварки низкоуглеродистой Дефекты и повреждения сварных соединений. В результате низкого качества работ по изготовлению и монтажу металлических конструкций, могут появляться несовершенства, называемые дефектами. Несовершенства, условную полученные в процессе зависят эксплуатации, называют повреждениями. Очагами разрез развития повреждений вышка часто являются электрического дефекты изготовления протекания и монтажа. Дефекты использование характеризуют начальное проходная состояние конструкций. Повреждения ящик возникают 264 и развиваются гост во времени и зависят является от срока эксплуатации включают и интенсивности воздействий. Качественный сварочный шов имеет однородный состав основного и присадочного материала, нужную форму. Рассмотрим подробнее дефекты сварных соединений по расположению. Они могут быть наружные, внутренние, сквозные. Наружные дефекты сварных швов можно обнаружить визуально. Различают следующие основные наружные дефекты сварных швов. Трещины швов могут быть горячие и холодные. По расположению продольные, поперечные, радиальные. Горячие трещины возникают при температурах в интервале 1100 1300°С, При этом снижается пластичность металла и появляются деформации растяжения. Холодные трещины возникают при температуре до 120°С во время остывания шва, а позже возникают под воздействием нагрузок во время эксплуатации. Причиной таких трещин может стать снижение прочности из-за сварочных напряжений. Подрез представляет собой углубления между сплавленной и основной сталью. Наплыв представляет собой сплавленный металл, натекший на поверхность основной стали без образования однородной массы с ним. Кратеры возникают из-за резкого отрыва дуги. Кратер представляет углубление, в котором может образоваться непровар и рыхлость материала, приводящие к появлению трещин. Свищи представляют собой воронку с углублением на шве. Внутренние дефекты сварки визуально не обнаружить. Такие дефекты возникают из-за нарушения технологии сварки и плохого качества материала. Внутренние дефекты опасны тем, что напряжение в шве может медленно возрастать, а затем конструкция практически мгновенно разрушается. Различают следующие основные внутренние дефекты. Непровар появляется из-за недостаточного сплавления свариваемых деталей. Дефект может появится из-за некачественной подготовки кромок свариваемых деталей, связанных с наличием ржавчины, недостатком зазора и притуплением кромок. К непровару может привести быстрая скорость сварки. При этом уменьшается сечение сварного шва и появляется концентрация напряжений. Поры представляют свободные пространства внутри сварного шва, заполненные газом, в основном, водородом. Дефект может появится из-за наличия разных примесей в свариваемых материалах и сырость. Если число пор превышает допустимое количество, сварочный шов следует переварить. Сквозные дефекты подразумевают наличие пор. Они обнаруживаются визуально. Такие дефекты, в основном, появляются при ведении сквозной сварки. При этом могут появляться прожоги и трещины. Чтобы обнаружить вышеперечисленные дефекты применяют различные методы контроля сварных соединений. Предварительно устройства контроля проверяют и 265 проверяют качество исходных материалов, заготовок, сварочного оборудования и приспособлений. Неразрушающие методы контроля. На практике применяют до десяти неразрушающих методов контроля качества сварных швов, применяемые на основании требований технических условий. Хотя и используются указанные методы, но также все сварные швы следует проверять визуально. Внешний осмотр помогает выявить практически все виды внешних дефектов. Визуально осмотр проводят так же через 10-кратное увеличительное стекло. Этот осмотр может включать в себя измерение сварных швов и кромок. Для измерений используют предназначенные специально для этого инструменты. Герметичность сосудов под давлением обычно диагностируют с помощью пневматических и гидравлических испытаний. Во время гидравлического испытания контейнер наполняется водой. Также на 510 минут необходимо создать избыточное давление, которое в 1,2–2 раза превышает рабочее давление. В этом случае надежность соединения зависит от наличия влаги на соединении и от того, на сколько давление будет падать. Испытания наливом изделия проводятся аналогично. Тест на полив проводят для крупных изделий, для которых представляется возможным обследовать швы с обеих сторон. Проверяют герметичность шва, переливая воду под давлением из шланга с одной стороны изделия на другую сторону изделия. Если гидравлическое испытание не может быть выполнено, проводится пневматическое испытание. Этот тип испытания предполагает возможность заполнить контейнер сжатым воздухом под давлением на 10-20 кПа выше атмосферного давления или на 10-20% превышающим рабочее давление. В этом случае необходимо смочить сварные соединения мыльной водой. Если воздушных пузырьков нет, тогда качество соединения хорошее. Герметичность сварки часто проверяют с помощью керосина. При этом наносят мел на одну сторону сварного соединения, затем смачивают керосином другую сторону соединения. Поскольку у керосина высокая проницаемость, то плохое качество шва выявляется в случае появления на тыльной стороне шва темных пятен или разводов. Химический способ проверки качества сварных соединений предполагает применение аммиака и специальных веществ. Применяют смесь из 1% -ного аммиака и воздуха, которые закачивают в испытываемый сосуд, при этом заклеивают сварные швы лентой, смоченной раствором фенилфталеина или 5% - ным раствором азотнокислой ртути. Если шов имеет плохое качество, то цвет ленты изменится при попадании аммиака на ленту. При применении метода магнитного контроля к испытываемому образцу подключают сердечник электромагнита или помещают его внутрь соленоида. Вещества, которые 266 реагируют на магнитное поле (например, железная стружка, оксидные отложения), наносятся на поверхность намагниченного соединения. При дефектном шве на поверхности изделия образуется скопление вещества в виде направленного магнитного спектра. Магнитные поля рассеяния также могут быть зарегистрированы с помощью магнитографического дефектоскопа. При этом сварное соединение сравнивают с эталонным образцом. Радиационный мониторинг дает возможность обнаружения полостных дефектов в пазухах соединения, которые не видны при внешнем осмотре. Сварное соединение исследуют с помощью рентгеновских или гамма-лучей, которые проникают в металл, см. рисунок 2. С этой целью излучатель помещают на исследуемую сторону шва, а также помещают рентгеновскую пленку в непрозрачную кассету на противоположной стороне. Проходящее через металл излучение попадает на пленку и оставляет в дефектных местах пятна более темного цвета чем на всей исследуемой поверхности шва, так как для дефектов характерно меньшее поглощение. Установка рентгеновского метода слишком громоздка и поэтому используется только в определенных условиях. Этот метод не позволяет обнаружить трещины, которые не расположены в направлении главного луча. Если применяют рентгеноскопию, то при получении сигнала о дефекте, информация отображается на экране прибора. Точность этого метода фактически не меньше, чем у метода радиационного. К методам акустического контроля относят ультразвуковой метод, с помощью которого могут быть обнаружены дефекты с небольшими отверстиями [3, 4, 5, 6]. Его принцип работы основан на способности ультразвуковых волн отражаться от границы раздела двух сред. Пьезоэлектрический метод генерации звуковых волн является наиболее распространенным. Метод основан на возбуждении механических колебаний при приложении переменного электрического поля к пьезоэлектрическому материалу. Кварц, сульфат лития и титанат бария могут использоваться в качестве пьезоэлектрических материалов. Ультразвуковые подвергающихся колебания бывают анкерной продольные и поперечные. Если анкерной частицы среды несложных перемещаются параллельно выравниванию направлению распространения автомобиля волны, то такая, когда волна является ответственных продольной, если расположенных перпендикулярно, является поперечной. Для контроля отыскания дефектов баллоне в сварных швах эстакада используют в основном несплавление поперечные волны, потоком направленные под участке углом к поверхности влияют свариваемых деталей. Ультразвуковые горизонтальные волны способны глава проникать в материальные марка среды на большую недостатками глубину, преломляясь перемещении и отражаясь при невозможность попадании на границу пункта двух материалов союзе с различной звуковой 267 металл проницаемостью. Именно контроль эта способность свариваемыми ультразвуковых волн согласно используется в ультразвуковой сложнорифленая дефектоскопии сварных продолжением соединений. С целью контроля качества сварных швов чаще всего используются альтернативные признаки оценки достоверности. При определении искомых параметров был проверен двусторонний сварной шов толщиной 10 мм. Контроль производился с помощью дефектоскопов с пъезоэлектрическим преобразователем и преобразователем с антенной решеткой. При ультразвуковом контроле испытываемых сварных швов использовался ультразвуковой дефектоскоп А1214 ЭКСПЕРТ и дефектоскоп с антенными решетками A1550 IntroVisor. При вскрытии образцов был измерен фактический размер дефекта. По сравнению с оценкой одного параметра в процессе контроля, использование двух параметров для оценки результатов контроля снизил вероятность недобраковки на 9,6% и на 16 % Двухпараметровая оценка увеличивает вероятность перебраковки, но уменьшает вероятность более важной ошибки – недобраковки, то есть вероятности пропуска недопустимого дефекта. Своевременный контроль качества сварных соединений важен для обеспечения безопасной эксплуатации оборудования и может осуществляться с использованием информационных технологий [2]. При подготовке статьи рассматривались материалы исследований [7-29]. Выводы. Рассмотрена технология сварных соединений. Выявлены основные виды дефектов сварных соединений по расположению (наружные, внутренние, сквозные). Рассмотрены основные методы контроля сварных соединений позволяющие выявлять дефекты. Установлено, что из всех методов ультразвуковая дефектоскопия является относительно несложной по методике проведения и позволяют по ряду визуальных признаков, отображенных на экране приборов, определять количество, вид и глубину дефектов. Однако сложно установить точный характер имеющегося отклонения в структуре металла. Показано на практическом примере преимущества ультразвукового контроля сварных соединений дефектоскопом с антенными решетками. Таким образом, преимущества этого метода позволяют широко его использовать для контроля качества сварных швов. Список литературы 1. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением. Под ред. Акад. Б.Е. Патона. М., «Машиностроение», 1974. 768 с. 2. Овчинников В.В. Дефектация сварных швов и контроль качества сварных соединений: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / В.В.Овчинников. 3-е изд., стер. М.: «Академия», 2017. 224 с. 268 3. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. М.: Машиностроение, 2003. 656 с. 4. ГОСТ 26266-90. Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Общие технические требования. 5. ГОСТ 12503-75. Сталь. Методы ультразвукового контроля. Общие требования (с изм. № 1). 6. ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые. 7. Сазонова С.А., Николенко С.Д., Осипов А.А. Моделирование технологических приемов по улучшению условий труда на строительном объекте // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 4. С. 71-83. 8. Сазонова С.А., Николенко С.Д., Акамсина Н.В. Анализ средств индивидуальной защиты и разработка мероприятий для улучшения условий труда на складе // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 4. С. 64-71. 9. Николенко С. Д., Сазонова С.А., Акамсина Н.В. Автоматизация процесса контроля качества сварных соединений // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 3. С. 76-85. 10. Николенко С.Д., Сазонова С.А., Акамсина Н.В. Моделирование процесса износа кирпичных зданий // Моделирование систем и процессов. 2021. Т. 14. № 1. С. 44-50. 11. Пантелеев А.И., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Процесс обследования несущих конструкций технологических эстакад // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 1. С. 61-68. 12. Кораблин С.Н., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Моделирование температурных напряжений в фундаментных плитах здания // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 1. С. 54-60. 13. Андреев Е.С., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Моделирование дефектов при ультразвуковом контроле сварных соединений // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 1. С. 4-9. 14. Игнатюк А.С., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Процесс тепловизионного обследования ограждающих конструкций здания // Моделирование систем и процессов. 2019. Т. 12. № 4. С. 66-72. 15. Галаева С.С., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Исследование процесса оценки состояния деревянных конструкций // Моделирование систем и процессов. 2019. Т. 12. № 4. С. 10-16. 16. Верещагин А.Ю., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Программа геотехнического мониторинга объектов, входящих в зону влияния строительства // Моделирование систем и процессов. 2019. Т. 12. № 4. С. 4-9. 17. Старцев В.Н., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Моделирование термонапряженного состояния фундамента и разработка мероприятий по улучшению эксплуатационных свойств бетона // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 2. С. 64-71. 269 18. Старцев В.Н., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Анализ прочности монолитного перекрытия здания и контроль проектной документации // Моделирование систем и процессов. 2020. Т. 13. № 2. С. 57-63. 19. Проскурин Д.К., Сысоев Д.В., Сазонова С.А. Сходимость вычислительного процесса при реализации вариационного метода решения краевой задачи гидродинамики // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2021. Т. 17. № 3. С. 14-19. 20. Меркулов А.С., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Моделирование процессов, влияющих на качество бетонных покрытий дорог // Моделирование систем и процессов. 2021. Т. 14. № 1. С. 38-44. 21. Рогов Н.Ю., Николенко С.Д., Сазонова С.А. Моделирование процесса обследования железобетонных опор технологических эстакад // Моделирование систем и процессов. 2021. Т. 14. № 1. С. 68-73. 22. Сазонова С.А., Асминин В.Ф., Звягинцева А.В. Моделирование опасных внутренних усилий при расчете смешанным методом статически неопределимых рам со стержнями заданной жесткости // Моделирование систем и процессов. 2021. Т. 14. № 2. С. 44-54. 23. Сазонова С.А., Асминин В.Ф., Звягинцева А.В. Расчет смешанным методом статически неопределимых рам с элементами повышенной жесткости и численная проверка результатов расчетов с помощью метода конечных элементов // Моделирование систем и процессов. 2021. Т. 14. № 2. С. 54-66. 24. Жидко Е.А., Леонов П.М. Методология и методы системного математического моделирования информационной безопасности хозяйствующего субъекта теоретическими методами // Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Информационные технологии в строительных, социальных и экономических системах. 2015. № 2 (6). С. 15-20. 25. Леонов П.М., Жидко Е.А. Определение технического состояния сложных военных объектов // ФЭС: Финансы. Экономика. Стратегия. 2015. № 5. С. 64-67. 26. Жидко Е.А., Попова Л.Г. Парадигма информационной безопасности компании // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 1 (108). С. 25-35. 27. Жидко Е.А., Попова Л.Г. Принципы системного математического моделирования информационной безопасности // Интернет-журнал Науковедение. 2014. № 2 (21). С. 34. 28. Жидко Е.А. Логико-лингвистическая модель интегрированного менеджмента организации в ХХI веке // Вестник Воронежского института высоких технологий. 2016. № 1 (16). С. 91-93. 29. Сазонова С.А. Итоги потокораспределения для систем разработок математических теплоснабжения // Вестник государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 5. С. 68-71. 270 моделей анализа Воронежского
