Ультразвуковой контроль электронно-лучевой сварки методом TOFD и PA
Для контроля качества сварных соединений стали использовались две различные методики ультразвукового неразрушающего контроля (УЗК): контроль с использованием фазированных антенных решеток (ФАР), контроль дифракционно-временным методом (Time of Flight Diffraction - TOFD).
Метод ФАР был выбран в связи с ограниченной зоной расположения УЗ преобразователя на поверхности контроля из-за геометрии объектов контроля. Данный метод позволяет проводить контроль на углах ввода от 35° до 75° без перемещения преобразователя относительно центра сварного соединения.
Метод TOFD использовался для подтверждения результатов метода ФАР, так как обладает более высокой чувствительностью, возможностью более точного определения геометрических параметров дефектов, возможностью выявления поперечно расположенных дефектов. Метод применялся в данной работе для нахождения вертикально ориентированных вертикальных трещин, ориентированных как вдоль, так и поперек сварного шва. Это достигается за счет того, что метод TOFD основан на принципе дифракции и ориентация дефекта не влияет на количество энергии попадающей в приемный тракт [5]. Эхо-импульсный режим фазированных решеток основан на отражении звуковой волны от дефекта и трещины, расположенные под углом к фронту волны трещины данным методом не выявляются. Дифракционно-временной метод не использовался как основной и единственный из-за методических ограничений и наличия мертвых зон вблизи поверхности контроля и донной поверхности.
Основными особенностями применения тандемного контроля эхо-импульсным ФАР методом и методом TOFD являются: возможность достижения высокой точности при проведении измерений геометрических параметров дефектов; независимость обнаружения дефекта от его углового положения; отбраковка дефектных зон проводится как по амплитудному критерию, так и по размерам несплошностей; высокая производительность контроля, так как сканирование проводится вдоль одной линии с контролем всего объёма шва; цифровая запись, документирование и хранение результатов контроля.
Для определения параметров контроля было проведено моделирование процесса контроля в программной среде ESBeamTool. Данное программное обеспечение предназначено для трассировки лучей при УЗ контроле, а также определения оптимальных размеров преобразователей, их резонансной частоты и углов ввода. В программе была построена модель сварного соединения, повторяющая геометрию реального объекта контроля, и проведена оценка параметров ФАР и TOFD для выбора оптимального разрешения и полного охвата шва. Для метода ФАР в связи с малой зоной для расположения датчика был выбран 16-ти элементный преобразователь X2-PE-5.0M16E0.6P с частотой 5 МГц и шагом пьезоэлементов 0,6 мм. Угол наклона призмы составил 31°.
При проведении контроля для получения максимальной разрешающей способности было выбран закон фокусировки по смещению – линия фокусировки, представляет вертикальную линию, смещенную относительно передней грани призмы. Фокусное расстояние составило 30 мм по пути луча.
Изображение объекта контроля
Для определения параметров дифракционно-временного метода за основу были взяты рекомендации, а также результаты компьютерного моделирования сканирования моделирования процесса контроля в программе ESBeamTool. Контроль TOFD осуществлялся датчиками 5 МГц, диаметром 6 мм, угол ввода луча - 60°.
Контроль сварных соединений осуществлялся системой Harfang VEO. Для получения максимальной разрешающей способности ФАР был выбран закон фокусировки по смещению – линия фокусировки, представляет вертикальную линию, смещенную относительно передней грани призмы. Фокусное расстояние составило 30 мм по пути луча. В системе был также промоделирован процесс контроля для метода TOFD.
Настройка поискового и браковочного уровней для режима ФАР осуществлялась по специально изготовленному калибровочному образцу с двумя боковыми цилиндрическими отверстиями (БЦО) диаметром 1,5 мм. Отверстия расположены на разной глубине для выполнения временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Браковочный уровень от отверстия 1,5 мм настраивался по уровню 80% от высоты экрана при цифровом усилении дефектоскопа 24.4 Дб [8]. ВРЧ настраивался для углов ввода 40°, 50°, 60°, 70°. Далее проводилась интерполяция кривых ВРЧ для каждого отдельного угла ввода. Для определения выявления более мелких дефектов на калибровочном образце были выполнены БЦО диаметром 0,8мм. Плоскодонные отверстия на образце представляют собой имитаторы вертикальной трещины. Данные отражатели успешно выявляются обоими методами УЗ контроля.
Оценка годности сварных соединений осуществлялась в соответствии с требованиями: трещины, свищи и непровары как в сварном шве, так и в переходной зоне не допускаются; размеры и площадь пор сварного шва не должны превышать: суммарную площадь дефектов – 5мм2 на участке сварного шва длиной 100мм; максимальный диаметр пор 1,5мм; расстояние между смежными крупными порами (с диаметром более 0,67 от максимально допустимого) - не менее 10 мм; количество мелких пор (с диаметром менее 0,67 от максимально допустимого) – не более 10 на 1 см2 поверхности шва; длина цепочек пор – не более 25 мм.
При диагностике контрольного сварного соединения был обнаружен внутренний дефект в месте пробоя электронной пушки. Сигнал от отражателя присутствует как на дефектограмме TOFD – Т-скане, так и на дефектограмме ФАР – S-скане.
Определение геометрических параметров дефекта осуществлялось дифракционно-временным методом, так как он обладает меньшей погрешностью и большей точностью. На T-скане были выставлены гиперболические курсоры в правильном соответствии фазы приходов сигналов. Глубина залегания дефекта составила 13,35 мм, высота 4,27 мм, протяженность 12,65мм. На дефектограмме ФАР изображен сигнал от дефекта и многократное отражение луча от данной несплошности. Амплитуда сигнала превышает браковочный уровень на 7,3 Дб – размеры дефекта превышают эталонный отражатель 1,5 мм более чем в 2 раза. Данный дефект признан негодным в соответствии с техническими требованиями.
Дефектограмма ДВМ
Дефектограмма РА
Изображение места ремонта сварного стыка
В других областях контроля внутренних дефектов не обнаружено. В некоторых зонах на дефектограмме TOFD присутствовали единичные сигналы дифракции от структуры сварного шва.
Выводы.
Разработана технология ЭЛС изделий из стали 30ХГСА толщиной стыка 14 мм, позволяющая получать качественные сварные соединения за один проход. Наличие неметаллические включения являются одной из причин интенсивного разбрызгивания металла при ЭЛС, это является причиной пробоев в электронной пушке, что необходимо учитывать при разработке технологии сварки.
В результате металлографических исследований и механических испытаний установлено, что в металле шва и зоны термического влияния при сварке происходит закалка и образование структуры мартенсита и бейнита с высокой твердостью около HV5 580 (металл шва) и HV5 450 (ЗТВ). Термическая обработка сварного соединения по режиму отпуск 650ºС с выдержкой при нагреве 2 часа приводит к существенному снижению и выравниванию твердости, получению более равномерного распределения свойств в поперечном сечении и увеличению характеристик пластичности до уровня, значительно превышающий уровень пластичности основного металла до сварки, что в целом способствует повышению работоспособности сварного соединения.
При испытаниях растяжением сварные соединения разрушаются по основному металлу. Характер диаграмм растяжения свидетельствует о том, что сварной шов обладает повышенными характеристиками прочности и пониженными характеристиками пластичности по сравнению с основным металлом.
Совпадение результатов определения механических характеристик методами растяжения образцов и вдавливания индентора говорит о возможности использования последнего для исследования распределения основных характеристик твердости, прочности и пластичности металла в локальных зонах сварного соединения.
Ультразвуковой контроль сварных соединений из стали 30ХГСА показал возможность обнаружения внутренних несплошностей в сварных соединениях из стали 30ХГСА толщиной 20 14 мм выполненных ЭЛС, и определения их геометрических параметров. Возможность выявления дефектов во всем сварном соединении подтвердило компьютерная модель контроля в программе ESBeamTool и практическое использование УЗК.
Тандем контроль методами ФАР и TOFD исключает наличие мертвых зон в сварном шве. Применение дифракционно-временного метода позволяет точно определить геометрические параметры несплошностей и визуально отличать объемные дефекты от плоскостных.