Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

5.1.2.1. Контроль стыковых швов

Стыковые сварные соединения толщиной 2 ... 12 мм. Эти сварные со­единения применяют в листовых и труб­ных конструкциях. Их чаще всего выпол­няют односторонней ручной дуговой сваркой или в сварной среде защитных газов. Контроль таких сварных соедине­ний выполняют на высоких частотах (5 ... 10 МГц), поперечными волнами, преобра­зователями с углами ввода 65 ... 75° с возможно меньшей стрелой, чтобы пре­образователь не упирался в валик шва (см. табл. 5.1). Для контроля швов с зачищен-

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Рис. 5.7. Сигнал от провисания и дефекта вблизи корня шва:

Д - эхосигнал от несплошности (дефекта); эхосигнал от провисания (совпадает с Д) ЗС - зона совпадения эхосигналов от корнево­го дефекта и провисания, вертикальные штри­ховые линии отмечают на экране точки отражения от нижней (Н) и верхней (2Н) поверхностей сварного соединения

ными неровностями поверхности можно использовать наклонные преобразователи с меньшими углами ввода, а также ис­пользовать волны Рэлея и Лэмба. Уровень фиксации соответствует эквивалентной площади 4 ... 5 мм2, а дефекты с эквива­лентной площадью 7 ... 10 мм2 обычно не допускаются.

Применяют поперечно-продольное сканирование, причем за один проход преобразователя поперек шва наплавлен­ный металл и околошовную зону контро­лируют прямым и однократно отражен­ным лучом, как показано на рис. 5.1.

Настройку чувствительности при контроле сварных соединений толщиной до 12 мм в России выполняют, как прави­ло, по угловому отражателю (зарубке). Настройку начинают с установки брако­вочного уровня. Чувствительность должна обеспечивать обнаружение зарубки задан­ного размера в СОП. Для этого находят максимальный эхо-сигнал от соответст­вующего углового отражателя, перемещая преобразователь по образцу. Уменьшают эхосигнал до принятого уровня на экране дефектоскопа. При этом запас чувстви­тельности дефектоскопа должен быть не менее 15 дБ, в противном случае считают, что дефектоскоп непригоден для контроля.

Для установки уровня фиксации (контрольного уровня) повышают чувст­вительность дефектоскопа относительно браковочного уровня на 6 дБ. Для уста­новки поискового уровня повышают чув­ствительность дефектоскопа относительно браковочного на 12 дБ.

Отметим возможные ошибки при контроле. В рассматриваемых сварных соединениях часто появляются ошибки проплавления, т. е. провисание металла в корне шва, утяжины и смещение сты­куемых кромок.

Ошибки проплавления вызывают по­явление на экране дефектоскопа ложных сигналов при контроле прямым лучом, причем ложные эхосигналы от провисания часто совпадают по времени с эхосигна - лами, отраженными от надкорневых де­фектов, обнаруженных однократно отра­женным лучом (рис. 5.7), что сильно ус­ложняет расшифровку сигналов на экране дефектоскопа. В [350] показано, что наи­худшее соотношение сигнал/помеха на­блюдается для преобразователей с углами ввода45 ... 50°.

Эхосигналы от дефекта отличают от сигналов неровностей корневой части шва по следующим признакам:

1. По координате эхосигнала. Если обнаружен сигнал вблизи левой границы рабочей зоны линии развертки при кон­троле прямым лучом (правее отметки Н на развертке на рис. 5.7) и его амплитуда превышает браковочный уровень, то это свидетельствует о наличии недопустимого дефекта.

2. По расположению преобразователя относительно валика шва. Сигналы от провисаний обычно выявляются при меньшем расстоянии между преобразова­телем и швом, чем при выявлении надкор - невых дефектов.

3. По сопоставлению координат и амплитуд эхосигналов, измеренных с обе­их сторон шва. В случае, если оба пара­метра имеют значительное различие, предполагают, что обнаружен сигнал от провисания или утяжины, поскольку фор­ма провисания и утяжины часто бывает несимметричной.

4. По пространственному расположе­нию контролируемого участка шва при сварке. На стыках, плоскость которых расположена вертикально, наиболее веро­ятно появление провисаний в части шва, сварка которого велась в горизонтальном положении. На горизонтальных стыках провисания располагаются более равно­мерно по периметру и возникают реже.

5. При контроле по схеме корневой тандем (см. разд. 2.2.5.1) эхосигналы от провисаний обычно не возникают. Кон­троль ведут спаренным (PC) преобразова­телем с большим углом ввода, что необ­ходимо для озвучивания корня шва пря­мым лучом. Как известно, для возникно­вения эхосигнала по схеме эхозеркального метода необходимо, чтобы лучи от излу­чателя отражались от дефекта и дна ОК, а в случае провисания отражения от дна не происходит, эхосигнал не возникает. Даже если сигнал от провисания попадет на приемник, ему будет соответствовать большее время пробега и он будет нахо­дится за пределами рабочего участка раз­вертки.

6. Сам факт наличия провисания или утяжины может быть установлен измере­нием толщины свариваемых элементов (например, труб) на сварном соединении и основном металле. В случае провисания толщина увеличивается, в случае утяжи­ны- уменьшается. Наружный валик шва удаляется или немного заглаживается и его высота учитывается при измерениях.

Отражение от смещения кромок сты­куемых элементов может быть ошибочно принято за корневой дефект. Смещение

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Эхосигнал от кромки трубы Зондирующий импульс

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Рис. 5.8. Сигнал от смещения кромок стыкуемых труб из-за разностеииости (в) и несоосности (б) труб

кромок из-за разной толщины сваривае­мых элементов (рис. 5.8, а) характеризует­ся обнаружением сигнала, выявляемого с одной стороны шва по всей его длине прямым лучом. С другой стороны шва ложный сигнал отсутствует при контроле как прямым, так и однократно отражен­ным лучом. В этом случае следует изме­рить толщину стенок элементов, чтобы оп­ределить причину появления эхосигналов.

Смещение кромок из-за несовпадения поверхностей стыкуемых листов при кон­троле прямым лучом вызывает появление эхосигнала при контроле с одной стороны шва, в то время как при контроле прямым лучом с другой стороны ложный сигнал отсутствует, но возникает эхосигнал при контроле однократно отраженным лучом. Смещение кромок возникает также при несоосности стыкуемых труб. В этом слу­чае появляются ложные сигналы с разных сторон шва в диаметрально противопо­ложных точках шва (рис. 5.8, б).

В некоторых сварных соединениях с V-образной разделкой допускается корне-

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Рис. 5.9. Измерение глубины непровара А зеркальио-теиевым методом:

а - схема контроля; б - огибающие донных сигналов идтп/ий при перемещении преобразователей; в - минимум донного сигнала для параметров: 1 - f= 5 МГц, а = 55°, Го = 53 мм; 2 -/= 5 МГц, а = 50°, L0 = 38 мм;

3 -/= 2,5 МГц, а = 50°, Г0 = 38 мм

вой непровар, если его высота не превы­шает 1 ... 1,5 мм или определенной доли от толщины шва. Превышение непрова­ром заданной высоты можно оценить по амплитуде эхосигнала или условной высо­те, которые сравнивают с амплитудой эхо - сигнала и условной высотой искусствен­ного дефекта типа зарубки или риски [289]. Для этого должны быть предвари­тельно построены графики, связывающие условную и реальную высоты непровара или амплитуды эхосигналов от непровара и искусственного дефекта. Подробно этот способ рассмотрен применительно к свар­ным соединениям толщиной 12 ... 60 мм, где он чаще используется.

Здесь рассмотрим способ оценки вы­соты непровара зеркально-теневым мето­дом, предложенный Л. И Смирновой и

А. П Смирновой. Одинаковые наклонные преобразователи располагают на расстоя­нии L0 друг от друга (рис. 59, а), соответ­ствующем максимуму донного сигнала Uq. Перемещая их совместно, наблюдают ос­лабление огибающей донного сигнала t/д mm /Uо (рис. 5.9, б). Минимальное зна­чение донного сигнала Umm позволяет определить высоту непровара h (рис. 5.9, в).

Возможны также ложные отраже­ния от наружного валика шва (выпукло­сти). Ложный сигнал определяют по коор­динате отражателя. Такие ложные сигналы обычно уменьшаются при пальпировании. Радикальный способ устранения этих сиг­налов - локальная зачистка валика.

Довольно широкое распространение для контроля стыковых сварных соедине­ний труб диаметром до 530 мм с толщи­ной стенки 2 ... 10 мм получили РС - преобразователи хордового типа (см. разд. 2.2.1.2). Они позволяют сформиро­вать в середине шва акустическое поле, параметры которого обеспечивают эффек­тивную выявляемость дефектов в наплав­ленном металле сварного шва и относи­тельно низкий уровень сигналов, отра­женных от неровностей валика усиления и провисания.

Для иллюстрации характеристик и возможностей хордовых преобразователей на рис. 5.10 показаны результаты выявле­ния отверстий с плоским дном в фрагмен­тах труб [80]. На рис. 5.10, а представлено изменение амплитуды эхосигнала при пе­ремещении преобразователя по поверхно­сти трубы на постоянном расстоянии от сечения, в котором расположены отража-

А, дБ

 

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Рис. 5.10. Огибающие амплитуд эхосигналов от отражателей в металле трубы диаметром 42 х 4 при перемещении хордового преобразователя:

а - вдоль сварного шва 1Х 1,2- эхосигналы от торца трубы, 3,4 - ложные сигналы на бездефект­ных участках; 5-10 эхосигналы от отверстий с плоским дном (ось отверстия параллельна оси трубы) на глубине' 1 мм (5, 8), 2 мм (6, 9), 3 мм (7,10); кривые 5-7 - от отверстий диаметром 1 мм, кривые 8 ..10- от отверстий диаметром 1,2 мм); б - вдоль оси трубы 1} (огибающие эхосигналов в зависимости от глубины залегания отражателя по высоте сварного стыка)

 

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

тели. Максимальные амплитуды эхосиг- налов от отражателей, расположенных на разной глубине по толщине стенки трубы, отличаются не более чем на 10 дБ. Разни­ца амплитуд минимального сигнала от отражателя и уровня помех не менее 8 дБ, т. е. отношение сигнал-помеха достаточно велико.

Важно, что при перемещении преоб­разователя по поверхности образца в на­правлении к отражателю (рис. 5.10, б), т. е. перпендикулярно оси сварного шва, ус­ловный размер отражателя не превышает 3 ... 4 мм на уровне 6 дБ от максимума отраженного сигнала. Это означает, что контроль реальных сварных стыков можно проводить, перемещая преобразователь только вдоль оси сварного шва. Попереч­ное перемещение практически исключает­ся, что существенно упрощает процедуру контроля по сравнению с традиционными технологиями. При этом также упрощают­ся требования к аппаратуре и повышается производительность контроля.

Для настройки чувствительности ультразвукового контроля с применением хордовых преобразователей разработаны специальные СОП в виде трубных сегмен­тов с торцевым отверстием с плоским дном. Такие образцы обязательно входят в комплект с преобразователями при изго­товлении и применении. Это позволило решить вопрос о метрологическом обес­печении хордовых преобразователей и настройке чувствительности при контро­ле. Весьма эффективен также контроль тонких сварных соединений системой "Скаруч", как описано в разд. 5.1.7.7.

Ремонт тонких сварных соединений сравнительно прост и недорог, поэтому оценку качества выполняют по упрощен­ному алгоритму - по двухбалльной (одно­уровневой) системе, т. е. без диференциа - ции швов на баллы 2а и 26. Критерием является амплитуда эхосигнала. Если ам­плитуда превышает заданное значение (обычно эхосигнал от зарубки определен­ного размера), сварное соединение браку­ется. Иногда (в частности, при контроле хордовыми преобразователями и системой "Скаруч") дополнительно используют ус­ловную протяженность дефектов и коли­чество дефектов на 100 мм длины сварно­го шва.

Стыковые сварные соединения толщиной 12 ... 60 мм. Швы толщиной 12 ... 30 мм обычно выполняют односторон­ней сваркой, а швы толщиной 30 ... 60 мм - многослойной двусторонней сваркой или односторонней сваркой с вырубкой и под­варкой корня.

Параметры контроля выбирают в со­ответствии с табл. 5.1. С увеличением толщины соединения частоту понижают, угол ввода уменьшают, а размеры настро­ечных дефектов увеличивают. Для соеди­нений толщиной 12 ... 15 мм иногда при­меняют частоту 5 МГц и те же параметры, что для контроля более тонких швов.

При контроле швов, выполненных од­носторонней сваркой, эхосигналы от не­качественного проплава(особенно от про­висания металла) в корне шва также ме­шают расшифровке сигналов на экране дефектоскопа, как и при контроле более тонких соединений. Контроль произво­дится одним преобразователем прямым и однократно отраженным лучом за один проход. Способы отстройки от сигналов, связанных с провисанием, утяжиной, смещением кромок, разной толщиной сва­риваемых элементов, те же, что при кон­троле более тонких соединений.

Если ложные сигналы от провисаний велики, то с целью повышения надежно­сти и помехоустойчивости целесообразно проводить контроль раздельно корневой и остальной части шва. При этом верхнюю часть шва предпочтительнее контролиро­вать однократно отраженным лучом пре­образователем с меньшим углом ввода: 45 ... 50°.

Нередко при односторонней сварке листовых конструкций образуются значи­тельные провисания (3 ... 5 мм). Их жела­тельно удалить шлифовальной машинкой. Если этого не сделать, контроль нижней части швов будет сильно затруднен.

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталейКонтроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталейКонтроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Относительная амплитуда сигнала < А-Аш> Относительная амплитуда сигнала < А - Аа0>

б) г)

Рис. 5.11. Определение высоты непровара и
"висящей" трещины в корневой части шва по амплитуде эхосигнала:

а - схема контроля "корневой тандем"; б - график для определения высоты корневых и
"висящих" трещин; в - схема контроля совмещенным преобразователем; г - график для
определения расстояния "висящей" трещины до внутренней поверхности

В сварных швах, выполненных дву­сторонней сваркой, как правило, ложные сигналы от задней (по отношению к пре­образователю) кромки валика меньше по амплитуде, чем в односторонних швах от провисания, за счет более плавных очер­таний валика шва, и к тому же они распо­ложены дальше по развертке на экране дефектоскопа. В этих швах наиболее ха­рактерным дефектом являются непровары в корне шва. Иногда эти непровары на­столько сжаты (стянуты) остывающим металлом шва, что эхосигнал от них очень слабый. Причины образования таких не­проваров рассмотрены выше. Подобные стянутые непровары встречаются в свар­ных соединениях также при других тол­щинах.

В многопроходных швах опасны шлаковые включения, которые лучше вы­
являть при контроле с обеих сторон шва. При одностороннем прозвучивании воз­можен пропуск шлаковых включений, прилежащих к противоположной стороне разделки шва.

Наиболее опасные дефекты - трещи­ны и непровары, ориентированные пре­имущественно в вертикальной плоскости. Эти дефекты плохо выявляются при про­звучивании одним преобразователем; луч­шие результаты дает контроль по схеме тандем, как рассмотрено в разд. 2.2.5.1 и

3.2.7.3. В судостроительной промышлен­ности предусмотрен обязательный кон­троль рассматриваемых сварных соедине­ний как совмещенным преобразователем, так и по схеме тандем.

Как отмечалось ранее, в сварных со­единениях с V-образной разделкой по ам­плитуде эхосигнала или условной высоте,

которые сравнивают с эхосигналом от искусственного дефекта типа зарубки или риски, можно оценить реальную высоту непровара ши корневой трещины [289]. Для этого должны быть предварительно построены графики связи условной высо­ты (или амплитуды) и реальной высоты дефекта.

Для построения графиков использу­ют образцы сварных соединений с искус­ственными дефектами (рисками) или ре­альными дефектами различной высоты. Желательно иметь набор рисок с высота­ми, равномерно распределенными в диа­пазоне значений 2 ... 20 % номинальной толщины сварного соединения. Рекомен­дуется следующий минимальный набор высоты рисок: 2; 5; 10; 15 и 20 % от тол­щины.

Графики строят для конкретной схе­мы прозвучивания и конкретного типа преобразователя. Для определения реаль­ной высоты трещин могут быть использо­ваны схемы прозвучивания, отличные от схемы, по которой проводится контроль сварного соединения, например схема с двукратным отражением луча. В этом слу­чае раствор пучка лучей увеличивается и расширяется диапазон высот измеряемых дефектов.

На рис. 5.11, а и б приведена схема контроля и график для определения высо­ты корневых непроваров и трещин по ам­плитуде сигнала при измерении по схеме корневой тандем. На оси абсцисс графика отложена разность (в децибелах) амплитуд сигнала от дефекта А и от двугранного угла Ах, на торце образца. График постро­ен для преобразователей с углом ввода 45° на частоту 1,8 МГц с размером пьезопла­стины 14 х 20 мм, которые обеспечивают положение максимума чувствительности на расстоянии 5 мм от внутренней по­верхности сварного соединения. График позволяет определять высоту трещин как выходящих на внутреннюю поверхность, так и невыходящих на нее ("висящих" над поверхностью, рис. 5.11, в). Точность оп­ределения высоты трещин по графику ±0,5 мм.

На рис. 5.11, г приведен график для определения расстояния "висящей" тре­щины от внутренней поверхности сварно­го соединения по амплитуде эхосигнала. График построен для совмещенного ПЭП из комплекта ПРИЗ-Д5 с углом ввода 40°, частотой 2,5 МГц.

Стыковые сварные соединения толщиной 60 мм и более. Такие швы вы­полняют многослойной или электрошла - ковой сваркой. Последняя производится в один проход при щелевой разделке.

Для швов толщиной более 150 мм, если есть доступ к обеим поверхностям стыка, контроль ведут с обеих поверхно­стей. При еще больших толщинах (более 200 мм) швов целесообразен контроль по слоям, причем в каждом слое (примерно через 50 мм по глубине) необходимо ме­нять поисковую чувствительность и на­страивать развертку заново.

При контроле толстостенных швов, ремонт которых весьма дорог, важно не только найти дефект, но и распознать его тип. Для исключения неоправданной пе - ребраковки необходимы количественные информативные признаки, о которых го­ворилось в разд. 3.2.7. Существенно мо­жет помочь дефектоскописту в правиль­ной оценке характера дефекта знание его качественных информативных признаков.

Ложные сигналы - это импульсы от неровностей формирования внутреннего и наружного валиков шва при контроле прямым и однажды отраженным лучами. Для исключения возможной ошибки при оценке результатов контроля следует ис­ключить из обзора сигналы, появляющие­ся на экране дефектоскопа правее грани­цы, соответствующей координате Г, рав­ной одной (прямой луч) или двойной (од­нажды отраженный луч) толщине свари­ваемого элемента. Эта же рекомендация относится к контролю угловых, тавровых и крестообразных соединений со стороны привариваемого элемента. Зону переме­щения преобразователя при его движении к шву следует ограничить положением, соответствующим отражению прямого луча от зоны, прилегающей к границе вы­пуклости шва, на поверхности, противо­положной той, по которой перемещают преобразователь.

Далее рассмотрим пример контроля шва, выполненного электрошлаковой сваркой (рис. 5.12). Односторонний не­провар вблизи одной из поверхностей из­делия наиболее уверенно выявляется при контроле с противоположной стороны изделия (положение преобразователя С). В данном случае амплитуда эхосигнала и его пробег по линии развертки будут больши­ми благодаря угловому эффекту. Из поло­жения В этот дефект выявляется хуже, так как поверхность наплавленного металла неровная, а из положения А - очень плохо.

Односторонний непровар в середине шва характеризуется появлением одиноч­ного отраженного сигнала с координата­ми, соответствующими расположению его по одной из границ поверхностей сплав­ления шва. Со стороны наплавленного металла (положение G преобразователя) непровар характеризуется значительными неровностями, что способствует формиро­ванию эхосигнала большой амплитуды. При прозвучивании со стороны основного металла (положение F) механически обра­ботанная и несплавившаяся кромка основ­ного металла почти зеркально отражает ультразвук. Эхосигнал может появиться лишь от отдельных оплавленных неров­ных участков.

Двусторонний непровар характеризу­ется тем, что в положении G преобразова­теля на экране дефектоскопа могут поя­виться одновременно два сигнала (С), соответствующие отражению УЗК от не­проваров по обеим кромкам сварного шва. Несплавление отличается от непровара тем, что поверхность основного металла расплавляется, но не сплавляется с наплав­ленным металлом. Выявленные несплав - ления характеризуются теми же признака­ми, что и непровар. Однако в некоторых

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Контроль различных типов сварных соединений из углеродистых сталей

Рис. 5.12. Схемы контроля и выявления дефектов в сварном шве толщиной более 60 мм, выполненном электрошлаковой

сваркой

случаях несплавление можно отличить от непровара, так как от него возникает эхо - сигнал значительной амплитуды при кон­троле со стороны наплавленного и основ­ного металла, поскольку обе поверхности несплавления являются неровными.

Отличием трещин от непроваров и несплавлений является то, что они распо­лагаются обычно в средней части наплав­ленного металла (положение D), таким образом, трещины, особенно в швах, вы­полненных электрошлаковой сваркой, можно квалифицировать путем определе­ния координат. При контроле совмещен­ными преобразователями трещины часто дают небольшие эхосигналы и плохо об­наруживаются. В этом случае рекоменду­ется проведение контроля по схеме тан­дем, дифракционно-временным методом или акустической голографией (см. разд. 3.2.7).

Для шлаковых включений характерно то, что амплитуда эхосигнала от них при­близительно одинакова при прозвучива - нии под различными углами (см. табл. 3.2, способ 1). Скопления мелких шлаков и пористые зоны в сварном шве характери­зуются появлением группы эхосигналов небольшой амплитуды. Рыхлость характе­ризуется появлением широкого эхосигна­ла неопределенной формы.

Комментарии закрыты.