Оценка технологической прочности сварного соединения при различных режимах сварки методом акустической эмиссии

2. Barrington-Leigh, C.P., Inan, U.S., and M. Stanley. Identification of Sprites and Elves with Intensified Video and Broadband Array Photometry // Journal of Geophysical Research, vol. 106, No. A2, 2001, P. 1741-1750.

3. Муллаяров В.А., Торопов А.А., Козлов В.И., Каримов Р.Р. Особенности пространственного распределения положительных газовых разрядов на Востоке Сибири // Метеорология и гидрология, в печати (2009).

4. Fernanda T. Sao Sabbas; Davis D. Sentman, Eugene M. Wescott, Osmar Pinto Jr., Odim Mendes Jr., Michael J. Taylor. Statistical analysis of space-time relationships between sprites and lightning // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 65, 2003. P. 525-535.

5. Li, J., Cummer, S.A., Lyons, W.A., and Nelson, T.E. Coordinated analysis of delayed sprites with high speed images and

remote electromagnetic field // Journal of Geophysical Research, vol. 113, 2008, D20206, doiA10.1029/2008JD010008.

6. Barrington-Leigh, C.P., Inan, U.S., M. Stanley, and Cummer, S.A. Sprites triggered by negative lightning discharges // Geophysical Research Letters 26, No. 24, 1999, P. 3605.

7. Barrington-Leigh, C.P., and Inan, U.S. Elves triggered by positive and negative lightning discharges // Journal of Geophysical Research 26, No. 6, 1999, P. 683-686.

8. Marshall, R.A., Inan, U.S., T. Neubert, A. Hughes, G. Satori, J. Bor, A. Collier, and T.H. Allin. Optical observations geomagnetically conjugate to sprite-producing lightning discharges // Annales Geophysicae 23, 2005, P. 2231-2237.

9. Cummer, S.A., Inan, U.S., Bell, T.F., and Barrington-Leigh, C.P. ELF Radiation Produced by Electrical Currents in Sprites // Geophysical research letters, vol. 25, № 8, 1998, P. 1281-1284

Работа поддержана грантами РФФИ 08-02-00348-а, 09-05-98540-р_восток_а и программами Президиума РАН 16 и АВЦП, проект № РНП 2.1.1/2555.

V.I. Kozlov, V.A. Mullayarov, L.D. Tarabukina, A.A. Toropov

Temporal interval between vLF-and-ELF-radio-impulses of lightning discharge

The article presents an analysis of some characteristics of 180 VLF and related ELF-signals caused by ground discharge and presumably, by discharge between a cloud and lower layers of the ionosphere that are revealed in the form of red radiation-sprites. The authors received indices for duration of the ELF-impulse (6-56 ms) and lag after lightning signal before the related ELF-signal appears (up to 7 ms). Upon the completion of the analysis we have received the most probable lag meaning in 1-2 ms

Key-words: VLF-radio-noise, positive discharge of ground lightning, “cloud-ionosphere” discharge, sprite, ELF-radio-signal, lightning sphere, atmospheric.

--------- ФФФ -----------------

УДК 621.791

Г.Н. Слепцов, М.Н. Сивцев, С.С. Семенов, М.М. Эверстов

оценка технологической прочности сварного соединения при различных режимах сварки методом акустической эмиссии

Описана методика оценки технологической прочности сварных соединений замедленного разрушения образцов-вставок при разных технологических процессах сварки с помощью метода акустико-эмиссионной диагностики и фрактографических исследований. Показано, что совокупность параметров акустической эмиссии может служить критерием структурного состояния и основой неразрушающего метода оценки прочностных свойств сварного соединения, выбора оптимальных режимов проведения сварки.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, технологическая прочность сварных соединений, стационарный режим сварки, адаптивно-импульсный режим сварки, замедленное разрушение.

СЛЕПЦОВ Гавриил Николаевич - мл. научный сотрудник Института физико-технических проблем Севера (ИФТПС) СО РАН.

E-mail: g.n.sleptsov@iptpn.ysn.ru

СИВЦЕВ Михаил Николаевич - к.т.н., ведущий научный сотрудник ИФТПС СО РАН.

E-mail: m.n.sivtsev@iptpn.ysn.ru

СЕМЕНОВ Семен Семенович - к.ф-м.н., ст. научный сотрудник ИФТПС СО РАН.

E-mail: semensakha@mail.ru

Эверстов Михаил Михайлович - ведущий инженер ИФТПС СО РАН.

E-mail: mixe06@mail.ru.

Как известно, в процессе пластической деформации металлических материалов постепенно накапливаются и взаимодействуют дефекты кристаллической решетки. Вследствие этого на определенной стадии деформации в материале зарождаются сначала микротрещины, которые, достигнув критического размера, приводят к необратимой повреждаемости материала и в конечном итоге к катастрофическому разрушению. Выявление степени критической повреждаемости в ответственных металлических конструкциях является в настоящее время одним из важнейших направлений в науке о прочности материалов. Особенно это важно для металлических конструк-

1S

ционных материалов, работающих в условиях циклических нагрузок при низких климатических температурах.

Обнаружение деградации структуры и возникновения микро- и макротрещин определенного размера в условиях эксплуатации сварных конструкций в настоящее время возможно, благодаря современным методам неразрушающего контроля сварных конструкций, таким как акустико-эмиссионная диагностика. Экспериментальные исследования процессов деформации и разрушения различных материалов являются важнейшим направлением по изучению корреляций между акустическими и механическими параметрами.

Технологическая прочность низколегированных высокопрочных сталей зависит, в основном, от стойкости сварных соединений, изготовленных из этих сталей, к образованию холодных трещин. Поэтому необходимо уделить внимание вопросам разработки технологии сварки на основе исследования закономерностей и механизма образования холодных трещин замедленного разрушения (ЗР). Существует множество зарубежных и отечественных методов оценки склонности сварных соединений к образованию холодных трещин. Эти методы можно классифицировать по следующим основным признакам: 1) характеру процедуры оценки - косвенные и прямые; 2) характеру параметра оценки - качественные, полуколичественные и количественные; 3) характеру использования критериев оценки - сравнительные и абсолютные; 4) назначению - для выбора сварочных материалов и режима сварки, для оценки технологической прочности сварного соединения, для научных исследований [1].

Из всех включенных в ГОСТ 26388-84 машинных методов испытания сварных соединений на образование холодных трещин метод «Имплант» является наиболее условным [2]. Данный метод наиболее широко применяется промышленно-развитыми странами и имеет большой объем базы данных по различным типам низколегированных сталей, также необходимо учесть, что форма образца-вставки позволяет оценить наиболее чувствительную к образованию холодных трещин часть зоны термического влияния сварного соединения независимо от технологической прочности металла шва.

Испытания имплант-образцов относятся к машинному методу испытаний, который предусматривает доведение металла зоны термического влияния или металла шва сварных образцов до образования холодных трещин под действием растягивающих напряжений от постоянной внешней нагрузки.

Постоянное внешнее нагружение в установке обеспечивается при помощи рычага и проторированного упругого элемента установки, что дает, в свою очередь, стабильное нагружение образца. Блок-схема установки замедленного разрушения «Имплант» приведена на рис. 1.

В качестве исследуемого материала выбрана конструкционная сталь 14Х2ГМР. Образцы-вставки для установки ЗР «Имплант» имели одинаковые геометрические размеры, диаметром сечения 8 мм, площадью поперечного сечения 50 мм2 (рис. 2).

Рис. 1. Блок-схема установки замедленного разрушения «Имплант»

Рис. 2. Схема геометрических размеров образца-вставки «Имплант»

Для регистрации сигналов акустической эмиссии применен акустико-эмиссионный диагностический комплекс «Эксперт-2014», являющийся акустико-эмиссионной диагностической системой нового поколения, позволяющей получать как амплитудные и энергетические, так и спектральные характеристики акустической эмиссии (АЭ). Настройки канала регистрации имели следующие

параметры: порог дискриминации 40 Дб, время определения пика события (акта АЭ) 10000 мкс.

Для реализации различных технологических процессов сварки нами использовалась адаптивная импульсная сварка с применением устройства УДИ-205 (разработка Института физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск). Адаптивная импульсная сварка применяется для получения качественного сварного соединения в высокоответственных сварных конструкциях за счет управления переносом электродного металла и улучшения формирования шва во всех пространственных положениях. Регулировка длительности импульса, паузы осуществляется с помощью дистанционного управления.

Сварка производилась на сварочном устройстве с выпрямителем ВД-306 в комплекте со специализированной приставкой УДИ-205, реализующей адаптивный технологический процесс получения неразъемных соединений.

Сварка осуществлялась при следующих условиях: ток дуги 170 А, напряжение дуги 30 В, погонная энергия составила 27 КДж/см. Данные технологические характеристики процесса сварки сохранялись для различных способов сварки: стационарный - обычный режим сварки, импульсный - адаптивно-импульсная сварка. Оптимальный режим адаптивно-импульсной сварки для данных материалов составил: адаптивный Импульс 3, Пауза 1.

Образец-вставка перед сваркой обрабатывался антисептическим раствором с 95% содержанием этилового спирта, что исключает попадание в сварочное соединение органических веществ. Акустический контакт осуществлялся при помощи солидола [3], шероховатость поверхности соответствовала менее Rz 40 [4]. Сварка для образцов-вставок выполнялась в одинаковых условиях электродами FOX CEL (Е 6010), FOX BVD 90 (Е 9018-G) австрийской фирмы Boiler Welding, диаметром 4 мм.

Фрактографические исследования проводились на растровом электронном микроскопе фирмы «Joel», Japan JSM-6980.

Анализ проведенных экспериментальных данных показал, что параметры акустической эмиссии полностью

коррелируют с механическими параметрами процессов разрушения и деформации материалов, что подтверждается многими работами [5, 6, 7].

Из графика параметра АЭ на рис. 3 достаточно четко определяются основные стадии замедленного разрушения:

I стадия - инкубационный период, где наблюдается постепенное увеличение максимальной амплитуды сигналов, суммарного счета и дискретного распределения плотности энергии сигналов АЭ (рис. 3, 4). В данный период ЗР, вероятно, происходит на стадии микротекучести, которое связано с коллективным движением и размножением дислокаций в области границ зерен преимущественно у поверхностного слоя, а также с их выходом на поверхность и выходом микроконцентраторов напряжений непосредственно на поверхность металла.

II стадия - период роста микротрещин и накопления субструктурных повреждений, которые зависят от технологических и металлургических процессов. Параметры АЭ характеризируются достаточно активной плотностью сигналов на всей стадии ЗР. На этой стадии ЗР происходит значительное увеличение плотности дислокаций с выходом дислокационных скоплений на границы зерен и когерентные границы фазовых включений, а также с формированием дислокационной ячеистой структуры с критической плотностью дислокаций и образованием субмикротрещин [8].

III стадия - период разрушения образца. В данный период развитие макротрещин характеризируются резкими дискретными скачками параметров АЭ, одновременно уменьшается плотность значений ее параметров по причине сокращения активно деформируемого объема, которое обусловливает постепенное снижение уровня АЭ, достигающего своего минимума в момент локализации деформации (образования шейки) [5, 6, 7, 9].

На рис. 4 представлены кривые ЗР, совмещенные с различными параметрами АЭ. Анализ экспериментальных данных параметров АЭ дает основание выделить особые четыре точки на кривых ЗР сварного соединения.

Y

Б627660.00

Рис. 3. Типичная кривая замедленного разрушения сварного соединения: Х - время, час; Y - суммарный счет АЭ, кол-во

Рис. 4. Механические диаграммы разрушения сварного соединения образца 14Х2ГМР и кинетика изменения параметров АЭ

в процессе постоянного внешнего нагружения

Точка № 1 соответствует микропластическому типу деформации. Наличие акустических сигналов при малых деформациях обусловлено, по-видимому, нестационарным движением дислокации вдоль плоскостей легкого скольжения, которое сопровождается процессами их генерации и торможения [9].

Точка № 2 соответствует величине напряжений, равной пределу прочности сварного соединения; с этого момента наблюдается постепенное увеличение суммарного счета сигналов АЭ за счет развития микротрещин.

Точка № 3 соответствует резким возрастаниям активности сигналов АЭ, ответственных за накопление повреждений в структуре сварного соединения на предраз-рушающем состоянии образца.

Точка № 4 соответствует максимальным значениям параметров АЭ. На кривых накопления числа импульсов и энергии на точке № 4 возможно резкое возрастание значений этих параметров, что соответствует гипотезе о лавинном накоплении повреждений в материалах. Резкий спад активности сигналов АЭ указывает на формирование шейки на рабочей зоне образца.

Металлографические исследования образцов, выполненных адаптивной импульсной сваркой, выявили значительное измельчение структуры металла шва и наиболее подверженные структурным изменениям зоны терми-

ческого влияния (ЗТВ). В результате происходит повышение микротвердости и прочности в этих зонах, что уменьшает возможность возникновения участков разупрочнения в околошовной зоне и повышает стойкость к возникновению и распространению трещин в сварном соединении в целом [10].

Исследования поверхности разрушений позволяют утверждать, что по характеру распределения активности параметров АЭ возможно определить основной характер разрушения материала.

Например, при сварке в стационарным режиме, получили следующие кривые энергетических параметров АЭ замедленного разрушения сварного соединения (рис. 5). Как видно на кривой, распределение энергетических параметров имеет достаточную активность, что предполагает хрупкое разрушение материала, т.е. сварное соединение имеет низкую сопротивляемость к разрушению по прочностным свойствам. Это положение подтверждает распределение сигналов АЭ на рис. 6, вид которого говорит о низкой энергоемкости материала.

Исследования микроструктуры поверхности разрушения, полученные при стационарной сварке, тоже подтверждают, что данный материал имеет низкую сопротивляемость к разрушению (рис. 7).

Рис. 5. Кривая замедленного разрушения сварного соединения, выполненного стационарной сваркой

У 331730 00

♦

139560.00 142170 00

,

0.00- ^ -.У*1 * * V* * *

0.00 20.00 40.00

80.00 100.00 120.00 140.00 160.00 ^

Энергия, дБ

Рис. 6. Распределение сигналов АЭ при замедленном разрушении сварного соединения, выполненного стационарной сваркой

” Ш У -  я . _/ V ?*•!> 'Щ '' V ЯУ

V V *Г V ;  ^ ' ' -

... л  0 -

К'**' - ’ ; -54* . ' , ‘4'л л 1 I

5 к и ' >Х110 100мт 48 40 5Е1

Рис. 7. Поверхность разрушения образца -хрупкое внутризеренное разрушение

По образцам, сваренным адаптивно-импульсной сваркой, получили следующие результаты. Как видно на кривой, энергетические параметры (рис. 8) имеют низкую активность, что дает предположение о вязкохрупком разрушении, т.е. сварное соединение имеет высокую сопротивляемость к разрушению по прочностным свойствам. Данное положение подтверждается получен-

ным распределением на (рис. 9), вид которого говорит о высокой энергоемкости материала.

Исследования микроструктуры поверхности разрушения, полученные при адаптивно-импульсной сварке, подтверждают, что данный материал имеет высокую сопротивляемость к разрушению рис. 10.

У

120.00

•

« • .м * •• ; . • * ь?* ♦ * . * « • * • * • | ч

л • • *• •* • *. ♦ «. - • . • !* • • ♦ * . * * : * * •• . • * * • * \

•/ • V * * * • •• ♦ . К* :

0.00-

28/04/200612:38:14

Время. Часы

Рис. 8. Кривая замедленного разрушения сварного соединения, выполненного адаптивно-импульсной сваркой

X

У ** . *

*

♦ ♦ ♦ *

• • • • • • ч •* . •

0.00- щ к'~ ‘ Д у/ ; * .. * • • *

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 80.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 150.00 160.00 170.00

Энергия, дБ

Рис. 9. Распределение сигналов АЭ при замедленном разрушении сварного соединения, выполненного адаптивно-импульсной сваркой

Вязкий характер разрушения Хрупкое внутризеренное разрушение с вязким гребнем отрыва

и излом ямочного разрушения свидетельствуют о достаточно высоком сопротивлении материала разрушению

Рис. 10. Поверхность вязко-хрупкого разрушения - 60% вязкой составляющей и 40% хрупкой составляющей.

В очаге развития трещины имеется утяжка

Из анализа экспериментальных данных видно, что при использовании адаптивно-импульсного режима сварки увеличивается сопротивляемость к разрушению сварного соединения, т.е. применение импульсной сварки способствует улучшению технологической прочности сварных соединений.

Выводы

• Параметры акустической эмиссии (энергия, амплитуда и длительность и др.) уже на стадии деформационного упрочнения при постоянном внешнем нагружении коррелируют со структурным состоянием материала.

• Анализ совокупности параметров АЭ позволяет оценить характер разрушения. Данное положение дает

возможность утверждать о технологической прочности сварных соединений и выявить моменты предельных состояний при постоянном внешнем нагружении.

• Анализ совокупности параметров АЭ дает возможность разделить замедленное разрушение сварных соединений на три стадии разрушения образца-вставки: I стадия - инкубационный период, II стадия - период роста микротрещин и накопления субструктурных повреждений, III стадия - период разрушения образца.

• По параметрам АЭ можно достаточно четко выделить момент образования микротрещин в образце-вставке, что, в свою очередь, является одной из важных составляющих образования холодных трещин в сварном соединении. Отсюда следует, что с помощью анализа совокупности параметров АЭ деформации и разрушения

возможно указать достижение напряженного состояния материала до напряжения образования трещины сРо6р. Напряжение образования трещины сРобр является важным технологическим параметром для оценки технологической прочности сварных соединений.

• При использовании адаптивно-импульсного режима сварки увеличивается сопротивляемость к разрушению сварного соединения, т.е. применение импульсной сварки способствует улучшению технологической прочности сварных соединений.

• Параметры АЭ могут служить критериями структурного состояния и основой неразрушающего метода оценки (прогнозирования) прочностных свойств сварного соединения, выбора оптимальных режимов проведения сварки.

Л и т е р а т у р а

1. Слепцов О.И., Михайлов В.Е., Петушков В.Г., Яковлев Г.П., Яковлева С.П. Повышение прочности сварных конструкций для Севера. - Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - 223 с.

2. ГОСТ 26-26388-84 Метод «Имплант». Машинный метод испытания сварных соединений на образование холодных трещин.

3. ГОСТ 26-2666-90 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые.

4. ГОСТ 27-655-88. Акустическая эмиссия. Термины, определение и обозначения.

5. Андрейкив А. Е., Лысак Н. В. Использование акустической эмиссии для оценки трещиностойкости материалов при монотонном нагружении // Физ.-хим. механика материалов. -1983. - № 4. - С. 110-114.

6. Буйло С.И., Попов А.В. Акустико-эмиссионный метод оценки параметров процесса накопления повреждений в задаче прогнозирования ресурса изделий ответственного назначения // Дефектоскопия РАН. - 2001. - № 9. - С. 45-53.

7. Буйло С.И. Определение параметров процесса накопления повреждений и оценка критерия разрушения по восстановленным значениям потока актов акустической эмиссии // Дефектоскопия. - 1997. - № 7. - С. 15-23.

8. Андрейкив А.Е., Лысак Н.В. Метод АЭ в исследовании процессов разрушения. - Киев : Наукова думка, 1989. - 175 с.

9. Семашко Н.А., Шпорт В.И., Марьин Б.Н., Пекарш А.И., Муравьев В.И., Евстигнеев А.И. Акустическая эмиссия в экспериментальном материаловедении. - М. : Машиностроение, 2002. - 240 с.

10. Сараев Ю.Н., Ларионов В.П., Слепцов О.И., Сивцев М.Н., Безбородов П.П., Муратов А.А. Обеспечение эксплуатационной надежности и экологической безопасности высокоответственных конструкций, работающих в условиях Сибири и Крайнего Севера, с использованием адаптивных технологий импульсной сварки // Труды II Евразийского симпозиума по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата : пленарные доклады. - Якутск : ЯФ ГУ «Изд-во СО РАН» 2004. - 264 с.

G.N. Sleptsov, M.N. Sivtsev, S.S. Semenov, M.M. Everstov

An assessment of technological durability of welded joint at various welding modes:

acoustic emission technique

The article presents an assessment method of technological durability for welded joints of retarded destruction of samples-insets at various technological welding processes using the acoustic-emission diagnostics method and fractographic research. It is observed that the sum total of parameters of acoustic emission can serve as a criterion for structural state and a base for safe method of assessment of durable qualities of the welding joint and for optimal welding mode option.

Key-words: acoustic emission, technological durability of welding joints, stationary welding mode, adaptive-impulse welding mode, retarded destruction