министерство образования и науки российской федерации

Современное материаловедение: материалы и технологии новых поколений
________________________________________________________________________
ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ МОНИТОРИНГ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МЕТОДОМ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С
ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
А.В. ЛЕВИХИНА
Институт физики прочности и материаловедения
Сибирского отделения Российской академии наук
Введение
В настоящее время известно немного публикаций по вопросам применения
методов неразрушающего контроля к соединениям, полученным сваркой трением с
перемешиванием (далее – СТП). СТП соединения характеризуются низкой дефектностью шва [1]. Последние 10 лет СТП применяется для изготовления соединений
высокоответственных конструкций, таких изделий, как корпуса космических аппаратов, судов, изделий атомной промышленности, цистерн бензовозов. Тем самым
актуальна задача повышения надежности контроля качества СТП соединений. Международный стандарт на контроль качества данного вида сварки ИСО 25239-1:2011
содержит только общие рекомендации по применению видов контроля [2]. Отечественный ОСТ 134-1051-2010 содержит четкие рекомендации только в части визуального и измерительного контроля и распространяется на сплавы АМг6, 1201, Д16,
В95 [3]. Производителями ракетной техники активно применяются вихретоковый,
радиационный и ультразвуковой виды контроля соединений алюминиевых сплавов,
в т.ч. полученных СТП [4], а также ведутся разработки систем для ультразвукового
контроля в процессе сварки [5].
Такие виды контроля как тепловой, акустический и электромагнитной эмиссии [6] позволяют предсказать опасные состояния структуры деформируемого металла. Работы по активному тепловому контролю [7] доказывают перспективность
применения тепловизоров для выявления несплошностей в различных материалах.
Обнаружение аномальных зон нагрева металла в процессе сварки может свидетельствовать о структурных изменениях материала, которые могут быть не зарегистрированы пассивными методами контроля (например, ультразвуковым или вихретоковым) вследствие, например, залечивания несплошностей после снятия деформационной и тепловой нагрузки.
Настоящая работа посвящена анализу предварительных результатов, полученных при тепловой съемке процесса СТП алюминиевых сплавов в процессе сварки.
Материалы и методика эксперимента
Объектом исследований являлось сварное соединение двух пластин из термически неупрочняемого деформируемого сплава АМг5М в отожженном состоянии, выполненное сваркой трением с перемешиванием.
Толщина свариваемых пластин s составляла 5 мм, длина сварных соединений, полученных при разных режимах сварки, составляла от 100 до 1020мм. В общем случае, ширина сварного шва зависит от размера используемого сварочного
инструмента. Все сварные соединения исследованные в данной работе были выполнены инструментами, которые формировали шов шириной 20мм.
218
Секция 3. Перспективные материалы и технологии в машиностроении
________________________________________________________________________
Тепловизионный контроль выполнялся непосредственно в процессе сварки.
Съемка велась тепловизором Flir A655sc с частотой 60 кадров/с. Тепловизор закреплялся на расстоянии 30 см от поля съемки, поле зрения составляло порядка 15 см
(рис.1). Вибрация на качество изображения не влияла. Коэффициент излучения исследуемого материала, который использовался для расчета поля температур, был
получен при калибровке тепловизора и составил 0.2.
Рисунок 1 - Схематическое изображение установки тепловизора
После записи данных производилась их обработка и строилась термограмма
процесса сварки по алгоритму, который аналогичен методу, представленному в работе [8]. Созданные по такому алгоритму термограммы отличаются от классических
[9] тем, что они строятся не для фиксированного участка поверхности образца, а для
движущейся зоны. Схема построения термограммы из 32 кадров видеоряда показана
на рис. 2.
Рисунок 2 - Пример построения термограммы из 32 кадров видеоряда
219
Современное материаловедение: материалы и технологии новых поколений
________________________________________________________________________
Металлографический анализ производился для изучения особенностей
строения сварного соединения в области выявления температурных аномалий. Металлографический анализ выполняли с помощью светового оптического микроскопа
Axiavert-200 MAT в комплекте с цифровой камерой при увеличении от 12 до 1000
крат.
Для приготовления металлографических шлифов использовались образцы в
виде параллелепипеда длиной 20-22 мм, шириной 5-7мм и высотой равной толщине
свариваемых пластин. Для выявления микроструктуры использовалась смесь 5%
водных растворов кислот HCl, HNO3 и HF в объемном соотношении 1:1:2.
Экспериментальные результаты
Анализ полученных термограмм (рис. 3) показал, что
температурное поле в зоне сварного шва и по его длине при
различных режимах сварки может быть как достаточно однородным, так и крайне неоднородным. На этом фоне можно
выделить несколько видов аномалий. Первый вид – узкая, белая или светло серая полоса в
центральной части сварного соединения (обозначена цифрой 1
Рисунок 3 - Фрагменты термограмм с участками
на рис. 3а).
сварного шва, полученные при разных режимах
Визуальноизмерительный контроль (ВИК) показал, что такая полоса точно совпадает с появлением видимого непровара на лицевой стороне шва (рис. 4). Второй вид – узкая,
более тёмная, по сравнению с окружающим материалом, полоса в центральной части сварного соединения (обозначена цифрой 2 на рис. 3б). Как правило, такая полоса наблюдается только на части шва. С помощью ВИК не удалось выявить какихлибо особенностей на поверхности
сварного соединения в месте наблюдения тёмной полосы.
На рис. 3в приведен образец,
на котором проявляются обе опиРисунок 4 - Макрофотография непровара
санные выше аномалии, также отме- на лицевой стороне сварного соединения,
ченные цифрами 1 и 2. В данном обсоответствующая термограмме рис. 3а
разце перед сваркой, для внесения
искусственных дефектов, на линии стыка пластин было просверлено пять отверстий
диаметром 5мм на глубину 2.5мм. Отметки, сделанные маркером напротив отверстий, хорошо видны на термограмме и отмечены цифрой 3. Пять коротких непроваров, образовавшихся после прохождения инструмента за отверстиями, хорошо видны на термограмме (рис. 3в). Их положение точно соответствует положению непроваров, обнаруженных визуально. Также между ними хорошо прослеживается более
тёмная, по сравнению с окружающими областями полоса (рис. 3в).
К другим аномалиям можно отнести большие яркие области на краях, а также на самом шве (обозначены цифрой 4 на рис. 3б и 3в). При проведении ВИК по220
Секция 3. Перспективные материалы и технологии в машиностроении
________________________________________________________________________
сле сварки, в таких областях обнаруживается
грат. Кроме того при сварке могут наблюдаться а
неоднородность нагрева по длине шва, небольшая разница температур левой, центральной и правой его сторон. Данные аномалии,
вероятно, связаны с технологией получения
сварного соединения, а не с появлением дефектных областей.
б
Металлографический анализ поперечного сечения шва, проведенный на одном из образцов в месте наблюдения тёмной полосы показал наличие дефектов туннельного типа, залегающих под поверхностью на глубине до 2-3
мм (рис. 5а).
Рисунок 5 - Поперечное сечеДля получения более ясного пространние (а) и шлиф параллельный
ственного представления о дефектах, был вылицевой стороне шва (б)
полнен послойный металлографический анализ
сечений, параллельных поверхности образца, с лицевой стороны сварного соединения. Изображение одного из сечений на глубине 2,4
мм от поверхности приведено на рис. 5б. На фотографии хорошо определяются дефекты, образованные при вращательном движении сварочного инструмента, берущие начало от границы раздела с основным металлом. Размер областей несплошности
может изменяться, но её правая граница всегда находится на стыке шва и основного материала. Опасность дефектов данного типа состоит в том, что он
значительно снижает прочность СТП соединения в
области перехода от сварного соединения к основному материалу.
В другом образце, на термограмме которого
зафиксирована температурная неоднородность в виРисунок 6 - Дефект в виде де темной полосы (рис. 3в), был обнаружен дефект,
зоны разрыхленного материа- показанный на рис. 6. Он представляет собой нела (а) и шлиф параллельный симметричное относительно центра шва скопление
лицевой стороне шва (б)
несплошностей различной формы и размеров. Дефект является протяженным (рис. 6б) и располагается непосредственно под лицевой поверхностью шва на глубине до 1,5 мм. По сути,
описанный дефект является заглаженным сверху «плечами» сварочного инструмента непроваром. Об этом свидетельствует также и его структура, напоминающая
структуру разрыхленной горной породы, которая наблюдается внутри визуально
наблюдаемых непроваров (рис. 4). Несмотря на то, что такой дефект располагается
очень близко к лицевой поверхности шва (минимальную глубину залегания можно
оценить примерно в 100 мкм), его невозможно обнаружить методами ВИК.
На шлифе, параллельном поверхности образца и выполненном на глубине
1 мм, проявляется структура дефекта, представляющая собой набор круговых сегментов, период которых совпадает с периодом чешуйчатости шва. Данный дефект
221
Современное материаловедение: материалы и технологии новых поколений
________________________________________________________________________
является очень опасным. При наличии такого дефекта на протяженном участке
сварного шва конструкция в целом может потерять устойчивость и несущую способность.
Выводы. Анализ температурных аномалий, обнаруженных на поверхности
образца при тепловизионном контроле в процессе сварки трением с перемешиванием, и их сопоставление с данными металлографического анализа позволяет говорить
о перспективности применения тепловизионного контроля для обнаружения опасных внутренних дефектов непосредственно в процессе сварки. В перспективе применение такого подхода может позволить применить регулирование параметров работы сварочного оборудования в зависимости от получаемых данных при тепловизионном контроле, что позволит получать сварные соединения большой протяженности, полученные при оптимизированных параметрах сварки.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Список литературы
R. S. Mishra and M. Mahoney. Friction stir welding and processing. ASM International. 2007. 360 p, Friction stir welding: From basics to applications. Ed. by D.
Lohwasser and Zh. Chen Woodhead Publishing Limited and CRC Press LLC.
2010. 432 p
ISO 25239-5:2011 Friction stir welding – aluminium - part 5: quality and inspection requirements.
ОСТ 134-1051-2010 Сварка фрикционная. Технические требования к сварным
соединениям.
NEM - Nondestructive inspection methods (Torino – July, 20 TH 2011) TASIRSM-PBR-0008 ISSUE 02.
US6719184 (B2) – 2004-04-13 Nondestructive inspection method. HITACHI
LTD.
Кривецкий А.В. Контроль разрушения некоторых металлических изделий по
сигналам электромагнитного излучения/ А.В. Кривецкий, А.А. Бизяев, Г.Е.
Яковицкая// Физ. мезомех. - 2011. - Т. 14, № 5. - С. 39-44.
Vavilov V.P. Thermal/Infrared nondestructive testing.-NDT Handbooks series,
VOL. 5, «Spectrum», Moscow, 2009, M. Vasudevan, N. Chandrasechar,
V.Naduraimuthu, A.K. Bhaduri, B. Raj Real-time monitoring of weld pool during
GTAW using infra-red thermography and analysis of Infra-Red thermal images.
Welding in the world., (2011) v.55. No.07-08. 83-89.
U. Sreedhar, C.V. Krishnamurthy, Krishnan Balasubramaniam, V.D. Raghupathy,
S. Ravisankar. Automatic defect identification using thermal image analysis for
online weld quality monitoring Journal of Materials Processing Technology 212
(2012) 1557– 1566.
В.П. Вавилов Инфракрасная термография и тепловой контроль. - 2-е изд.,
доп.- М.: Изд. дом "Спектр", 2013.- 544 с.: ил. и цв.вкл. 24 с.
222