СПОСОБ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА СВАРНОГО ШВА В ПРОЦЕССЕ СВАРКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD AND DEVICE OF WELDED JOINTS TESTING BY ACOUSTIC EMISSION DURING WELDING

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано для контроля качества сварных швов в процессе сварки методом акустической эмиссии.
Известен способ обнаружения в процессе сварки дефектов в сварных швах и определения их местоположения, включающий прием возникающих в зоне сварки акустических сигналов не менее чем двумя размещенными на свариваемой конструкции вдоль свариваемого шва приемными преобразователями, фильтрацию принимаемых акустических сигналов по величине заданной пиковой амплитуды, регистрацию и обработку отфильтрованной информации с аналого-цифровым преобразованием и вычислением координат источников акустических сигналов, сравнение получаемых координат и при их совпадении для заданного количества сигналов принятие решения о наличии дефекта сварного шва. Кроме того, дополнительно принимают акустические сигналы, возникающие в зоне остывания, прием сигналов из зон сварки и остывания осуществляют в широкой полосе частот, для регистрации используют волновую форму широкополосного акустического сигнала, а для фильтрации дополнительно определяют среднюю амплитуду, соотношение пиковой и средней амплитуд, а также, по крайней мере, одну характеристику спектра акустического сигнала, отражающую степень его высокочастотности, и задают, помимо пороговой величины пиковой амплитуды, пороговые величины параметра соотношения пиковой и средней амплитуд и параметра высокочастотности сигнала для процессов сварки и остывания, при этом при приеме один из приемных преобразователей сигнала, превышающего все три порога фильтрации для процесса сварки, автоматически понижают на заданный период времени пороги для этого и соседних с ним приемных преобразователей до значений порогов фильтрации для процесса остывания сварного шва и продолжают регистрацию последующих акустических сигналов, после обработки которых судят о качестве сварного шва и о степени опасности обнаруженных в нем дефектов (Патент РФ №2156456, G01N 29/14, приоритет от 7.06.1999 г., Бюл. №26, 2000 г.), принятый за аналог.
Недостатком данного способа является то, что процесс сварки и остывания сварного шва проходит при разных значениях порогов срабатывания, то есть при разной чувствительности. Это означает, что поскольку в процессе сварки пороги срабатывания высокие, то возможен пропуск сигналов от опасных дефектов. Кроме того, процесс перестройки порогов срабатывания требует дополнительного времени контроля, в течение которого возможен пропуск опасных дефектов.
Известно многоканальное акустико-эмиссионное устройство для диагностики конструкций, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре измерительных канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, программируемого основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит генератор калибровочных импульсов и последовательно соединенные оперативное запоминающее устройство, устройство управления, выход которого соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера, два ключа, причем первый вход первого ключа соединен с выходом акустического преобразователя, а второй вход первого ключа соединен со вторым входом второго ключа и входом двухпозиционного ключа, первый вход второго ключа соединен с выходом предварительного усилителя, с выхода предварительного усилителя через замкнутые второй и двухпозиционный ключи сигналы акустической эмиссии поступают на вход фильтра, при этом первый выход двухпозиционного ключа соединен с последовательно соединенными фильтром, программируемым основным усилителем, аналого-цифровым преобразователем, выход которого соединен со входом цифрового мультиплексора, а второй выход двухпозиционного ключа соединен с выходом генератора калибровочных импульсов, вход которого соединен с первым выходом устройства управления. Кроме того, выход программируемого усилителя соединен с узкополосным перестраиваемым фильтром, выход которого соединен со входом компаратора, выход которого соединен с соответствующим входом счетчика времени прихода, выход которого двунаправленной шиной соединен со вторым входом устройства управления, а управляющие входы двухпозиционных ключей объединены и соединены с третьим управляющим входом устройства управления, а управляющие входы программируемых усилителей объединены и соединены с четвертым входом устройства управления (Патент РФ №2296320, G01N 29/04, приоритет от 7.09.2005 г., Бюл. №9, 2007 г.), принятое за аналог.
Основным недостатком является то, что в устройстве, принятом за аналог, время прихода сигнала акустической эмиссии определяется по срабатыванию цифрового компаратора. Поскольку в данном устройстве в каждом канале отсутствуют фильтры высоких частот, то срабатывание цифрового компаратора происходит по быстрой моде, которая обладает низкой амплитудой, что приводит к значительной погрешности при определении координат дефектов.
Наиболее близким по технической сущности является многоканальное акустико-эмиссионное устройство для определения координат источников сигналов акустической эмиссии на металлической конструкции, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, компаратор, оперативное запоминающее устройство, шину компьютера. Кроме того, выход основного усилителя каждого канала соединен с неинвертирующим входом компаратора, инвертирующий вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а входы цифроаналоговых преобразователей всех каналов блока объединены и соединены с первым выходом таймера-счетчика, а выходы компараторов каждого канала блока соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами таймера-счетчика, а четыре выхода таймера-счетчика соединены с первыми входами оперативных запоминающих устройств каждого канала блока, выходы аналого-цифровых преобразователей каждого канала блока шиной соединены со вторыми входами оперативного запоминающего устройства соответствующего канала, выходы которых соединены с сигнальным процессором в каждом канале, выходы сигнальных процессоров двунаправленной шиной соединены с 1…4 входами цифрового мультиплексора, пятый вход которого двунаправленной шиной соединен с пятым входом таймера-счетчика, а выход цифрового мультиплексора двунаправленной шиной соединен с микропроцессором блока, первый выход которого соединен со входом генератора калибровочных импульсов, выход которого соединен с акустическим преобразователем имитатора, второй выход микропроцессора блока двунаправленной шиной соединен с шиной компьютера, которая, в свою очередь, соединена с центральным процессором компьютера (Патент РФ №2356043, МПК G01N 29/14, приоритет от 27.06.2007 г., Бюл. №14, 2009), принятое за прототип.
К числу недостатков данного устройства следует отнести невозможность рассчета энергии Е и активности N сигналов акустической эмиссии в кластерах, по которым осуществляется браковка свариваемого участка сварного шва в реальном времени в процессе сварки. Эти характеристики могут рассчитываться только в центральном процессоре компьютера после окончания сварки. Поэтому в устройстве, принятом за прототип, увеличивается время определения энергии и активности сигналов акустической эмиссии, в результате чего происходит остывание сварного шва до определения координат дефектов.
При разработке заявляемого способа акустико-эмиссионного контроля качества сварного шва в процессе сварки и устройства для его осуществления была поставлена задача повышения достоверности контроля дефектов, сокращения времени обработки акустико-эмиссионной информации, позволяющей определять координаты и степень опасности дефекта сварного шва в процессе сварки и остывания.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом способе акустико-эмиссионного контроля качества сварного шва в процессе сварки, заключающемся в том, что устанавливают пороги селекции выше уровня шумов, осуществляют прием возникающих в зоне сварки акустических сигналов смещенными друг относительно друга и относительно сварного шва К широкополосными акустическими преобразователями, усиление принимаемых акустических сигналов, их фильтрацию по величине заданной пиковой амплитуды и степени высокочастотности спектра акустического сигнала, аналого-цифровое преобразование, регистрацию времен прихода сигналов акустической эмиссии на акустические преобразователи, вычисление координат источников акустических сигналов, при этом по результатам акустико-эмиссионного контроля строят картину локализации сигналов акустической эмиссии и выделяют активные области, характеризующиеся повышенным количеством сигналов акустической эмиссии, по цифровой форме сигналов акустической эмиссии проводят кластеризацию группы сигналов для каждой пьезоантенны, состоящей из трех акустических преобразователей, выделяют группы сигналов, объединенных в кластеры, проводят их локализацию, причем для каждого кластера регистрируют активность и энергию сигнала акустической эмиссии и задают пороговые величины по активности и по энергии сигнала для процесса сварки, продолжают регистрацию акустических сигналов и при возникновении второго пика энергии сигнала акустической эмиссии и при превышении им порога селекции по энергии с одновременным превышением порога по активности сигналов кластера сварной шов бракуют.
Поставленная задача решается также за счет того, что многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля качества сварного шва в процессе сварки, состоящее из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя, предварительного усилителя, фильтра, основного усилителя, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора и входом аналого-цифрового преобразователя акустического канала, а также содержит цифроаналоговый преобразователь, оперативное запоминающее устройство, таймер, мультиплексор, устройство управления блоком, выход которого соединен с шиной компьютера, связанной с центральным процессором компьютера. Кроме того, согласно изобретению в каждый канал дополнительно введены детектор аналогового сигнала, аналоговый интегратор, а также введены аналоговый сумматор, аналого-цифровой преобразователь энергии сигналов, микропроцессор, при этом в каждом канале выход основного усилителя соединен со входом аналогового детектора канала, выход которого соединен с аналоговым интегратором канала, а выходы аналоговых интеграторов блока соединены с соответствующими входами аналогового сумматора, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя энергии сигнала, цифровой выход которого соединен с первым входом микропроцессора, выход которого соединен с управляющими входами аналоговых интеграторов блока, а входы цифроаналоговых преобразователей каждого канала блока объединены и соединены с первым выходом устройства управления, а их выходы соединены с инвертирующими входами компараторов соответствующих каналов, аналоговые выходы компараторов и цифровые выходы аналого-цифровых преобразователей каналов соединены со входами цифрового блока таймера и мультиплексора, первый цифровой выход которого соединен с оперативным запоминающим устройством, выход которого двунаправленной шиной соединен с первым цифровым входом устройства управления блоком, второй выход мультиплексора двунаправленной шиной соединен со вторым цифровым входом микропроцессора, третий вход которого двунаправленной щиной соединен со вторым выходом устройства управления блоком.
На фиг.1 приведена функциональная схема многоканального акустико-эмиссионного устройства для контроля качества сварного шва в процессе сварки. На фиг.2 приведена функциональная схема, поясняющая процесс разбиения сварного шва на участки для проведения кластеризации. На фиг.3 показана браковка дефектного сварного шва. На фиг.4 показана браковка бездефектного сварного шва.
Устройство, реализующее способ акустико-эмиссионного контроля качества сварного шва в процессе сварки (фиг.1), содержит:
1…n - блоки;
2 - акустический преобразователь;
3 - предварительный усилитель;
4 - полосовой фильтр;
5 - основной усилитель канала;
6 - аналоговый компаратор;
7 - аналого-цифровой преобразователь акустического канала;
8 - цифроаналоговый преобразователь;
9 - оперативное запоминающее устройство;
10 - цифровой блок таймера и мультиплексора;
11 - устройство управления блока;
12 - интерфейсная шина PCI;
13 - центральный процессор компьютера;
14 - детектор аналогового сигнала;
15 - аналоговый интегратор;
16 - аналоговый сумматор;
17 - аналого-цифровой преобразователь энергии сигнала;
18 - микропроцессор.
Практическая реализация предлагаемого устройства выполняется по известным схемам. Их основные характеристики изложены в следующих источниках:
1. Схема предварительного усилителя 3 приведена в книге (А.Н.Серьезнов, Л.Н.Степанова и др., под редакцией Л.Н.Степановой. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций - М.: Радио и связь, 2000, с.83, рис 3.3).
2. Аналоговый компаратор собран на микросхеме LM311.
3. Полосовые фильтры 4 выполнены по двухзвенной схеме активных фильтров второго порядка на операционных усилителях МС33282 фирмы «Motorolla». Пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.105, рис.3.9).
4. Детектор аналогового сигнала выполнен по схеме амплитудного выпрямителя, пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.121, рис.4.3).
5. Аналоговые интеграторы 10 выполнены на операционных усилителях МС33282 фирмы «Motorolla». Пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.94, рис.3.4).
6. Аналоговый сумматор 11 выполнен на операционных усилителях МС33282 фирмы «Motorolla». Пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.43, рис.1.17, б).
7. Основной усилитель канала 5 собран на операционном усилителе МС33282 фирмы «Motorolla». Пример реализации приведен в книге (Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1988, с.37 рис.1.14, б).
8. Цифроаналоговый преобразователь 6 собран на микросхемах AD7545 и МС33272.
9. Устройство управления каналом, цифровой блок таймера и мультиплексора выполнены на программируемых логических интегральных схемах ПЛИС фирмы «Altera» EPF10K10TC.
10. Аналого-цифровой преобразователь 8 акустического канала выполнен на микросхеме AD9220, аналого-цифровой преобразователь энергии сигналов 13 - на микросхеме AD7822 фирмы Analog Devices.
11. Оперативное запоминающее устройство 14 выполнено на микросхемах статического ОЗУ AS7C1026.
12. Микропроцессор собран на микросхеме ATmega 8535.
Информация о микросхемах находится на официальных сайтах фирм Analog Devices, Motorolla, Altera, (Motorolla - www.moto.com: фирмы ALTERA - www.altera.com; фирмы Analog Devices - www.ad.com. фирмы Burr-Brown Corporation - www.burr-brown.com).
Многоканальное акустико-эмиссионное устройство для контроля качества сварного шва в процессе сварки (фиг.1) состоит из 1…n блоков, каждый из которых содержит четыре канала, состоящих из последовательно соединенных акустического преобразователя 2, предварительного усилителя 3, фильтра 4, основного усилителя 5, выход которого соединен с неинвертирующим входом аналогового компаратора 6 и входом аналого-цифрового преобразователя 7 акустического канала, а также содержит цифроаналоговый преобразователь 8, оперативное запоминающее устройство 9, цифровой блок таймера и мультиплексора 10, устройство управления блоком 11, выход которого соединен с шиной компьютера 12, связанной с центральным процессором компьютера 13. Кроме того, в каждый канал дополнительно введены детектор аналогового сигнала 14, аналоговый интегратор 15, аналоговый сумматор 16, аналого-цифровой преобразователь энергии сигналов 17, микропроцессор 18, при этом в каждом канале выход основного усилителя 5 соединен со входом аналогового детектора канала 14, выход которого соединен с входом аналогового интегратора канала 15, а его выход - с соответствующими входами аналогового сумматора 16, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя энергии сигнала 17, цифровой выход которого соединен с первым входом микропроцессора 18, выход которого соединен с управляющими входами аналоговых интеграторов 15 блока, а входы цифроаналоговых преобразователей 8 каждого канала блока объединены и соединены с первым выходом устройства управления блока 11, а их выходы соединены с инвертирующими входами компараторов 6 соответствующих каналов, выходы компараторов 6 и цифровые выходы аналого-цифровых преобразователей 7 каналов соединены со входами цифрового блока таймера и мультиплексора 10, первый цифровой выход которого соединен с оперативным запоминающим устройством 9, выход которого двунаправленной шиной соединен с первым цифровым входом устройства управления блоком 11, второй выход мультиплексора 10 двунаправленной шиной соединен со вторым цифровым входом микропроцессора 18, третий вход которого двунаправленной шиной соединен со вторым выходом устройства управления блоком 11.
Устройство представляет собой четырехканальный блок, подключенный через шину PCI 12 к центральному процессору 13 компьютера.
Предложенная система и способ работают следующим образом.
Перед началом контроля процесса сварки проводится подготовка исходных данных, по которым проводится кластеризация источников сигналов акустической эмиссии. Для этого зону сварного шва разбивают на участки, размер которых определяется ошибкой вычисления координат источника сигналов акустико-эмиссионной системой (фиг.2). Для каждого участка определяются разности времен прихода сигналов акустической эмиссии для акустических преобразователей, входящих в пьезоантенну. Разности времен прихода определяются либо экспериментально, либо расчетным путем по известным расстояниям от акустических преобразователей 2 до участков шва и известной скорости звука (фиг.2). Перед началом работы устанавливаются пороги селекции выше уровня шумов. Полученные значения разностей времен прихода, соответствующие номеру участка сварного шва (номеру кластера), записываются во внутреннее запоминающее устройство микропроцессора 18. Для этого центральный процессор компьютера 13 через шину PCI 12 записывает информацию во внутреннее оперативное запоминающее устройство микропроцессора 18 через устройство управления блока 11.
Центральный процессор компьютера 13 через шину PCI 12 подает в устройство управления блоком 11 команду записи порогового значения для каждого канала, и устройство управления по последовательной линии посылает код порогового напряжения в цифроаналоговые преобразователи 8 каждого канала блока, на выходах которых формируются пороговые напряжения. Пороговое напряжение поступает на инвертирующий вход аналогового компаратора 6. На неинвертирующий вход аналогового компаратора 6 поступает напряжение с выхода основного усилителя 5. Для записи в цифровой блок таймера и мультиплексора 10 значения интервала времени измерения для одного сигнала акустической эмиссии центральный процессор компьютера через шину PCI 12 подает в устройство управления блоком 11 команду записи значения времени измерения и код времени измерения поочередно для каждого канала. При этом устройство управления блоком 11 транслирует эти данные в микропроцессор 18, который записывает их в цифровой блок таймера и мультиплексора 10.
Для запуска процесса измерения сигналов акустическими каналами блока центральный процессор компьютера 13 через шину PCI 12 подает в устройство управления блока 11 команду запуска измерения. Затем команда транслируется в микропроцессор 18. По этой команде запускается счетчик времени в микропроцессоре 18. Одновременно микропроцессор 18 разрешает работу таймера в цифровом блоке и подает команду сброса аналоговых интеграторов 15. В процессе контроля сварки возникают акустические сигналы, поступающие на входы акустических преобразователей 2, работающих в режиме прямого пьезоэффекта, которые преобразуют их в электрические сигналы. После преобразования электрические сигналы с выходов акустических преобразователей 2 поступают на предварительные усилители 3, где усиливаются на 40 дБ. С выходов предварительных усилителей 3 сигналы поступают на вход полосовых фильтров 4, обеспечивающих подавление паразитных сигналов за пределами полосы пропускания. С выходов фильтров 4 сигналы поступают на входы основных усилителей 5, где усиливаются и затем подаются на входы аналого-цифровых преобразователей 7, которые преобразуют аналоговые сигналы в цифровой эквивалент. Дискретизация сигналов акустической эмиссии происходит с частотой 4 МГц. Выходные шины аналого-цифровых преобразователей 7 подключены к входам цифрового блока таймера и мультиплексора 10, который поочередно подключает их к входу оперативного запоминающего устройства 9, в котором сохраняются результаты измерений.
Сигналы акустической эмиссии с выходов основных усилителей 5 одновременно поступают и на входы детекторов аналоговых сигналов 14, и аналоговых интеграторов 15, коэффициент передачи и постоянная времени которых подобраны таким образом, чтобы сигналы на их выходах по окончании времени измерения были пропорциональны энергии акустических сигналов в соответствующем канале. Кроме того, сигналы акустической эмиссии с выходов основных усилителей 5 поступают и на неинвертирующие входы аналоговых компараторов 6. В случае превышения сигналом порогового уровня аналоговый компаратор 6 выдает сигнал на цифровой блок таймера и мультиплексора 10, запуская счетчик времени измерения. При этом одновременно регистрируется время прихода сигнала акустической эмиссии в счетчике общего времени эксперимента микропроцессора 18. Микропроцессор 18 разрешает работу аналоговых интеграторов 15. По окончании времени измерения цифровой блок таймера и мультиплексора 10 останавливает запись информации в оперативное запоминающее устройство 9. Микропроцессор 18 считывает из цифрового блока таймера и мультиплексора 10 значения времен прихода сигналов акустической эмиссии. По значениям разностей времен прихода сигналов акустической эмиссии микропроцессор 18 по данным, записанным в его внутреннем оперативном запоминающем устройстве, относит событие к одному из кластеров. Для каждого кластера микропроцессор 18 подсчитывает число событий и считывает результат измерения энергии акустико-эмиссионных сигналов аналого-цифровым преобразователем 17 (фиг.3, фиг.4). После окончания приема сигнала микропроцессор 18 запрещает работу интеграторов 15 и обнуляет их выходы. Устройство управления блоком 11 выставляет на шину PCI 12 сигнал прерывания, по которому центральный процессор компьютера 13 может считывать из оперативного запоминающего устройства 9 и микропроцессора 18 через устройство управления блоком 11 дискретную реализацию сигналов акустической эмиссии, номер кластера, номер и энергию регистрируемого сигнала. Таким образом, в процессе сварки сварного шва микропроцессор 18 выделяет наиболее активные кластеры и формирует для них зависимость энергии и активности сигналов акустической эмиссии от времени (фиг.3, фиг.4). По виду зависимости энергии и суммарного счета сигналов акустической эмиссии в кластере проводится браковка сварного шва. На фиг.3 в качестве примера показана браковка дефектного сварного шва. Первый пик сигнала акустической эмиссии соответствует процессу сварки и остывания сварного шва и присутствует в сигнале всегда и с течением времени он затухает. Однако, если после окончания первого импульса возникает второй, то он связан с возникновением дефекта в сварном шве. Если второй импульс превысит порог селекции, то, следовательно, в сварном шве имеется дефект. Кроме того, если одновременно с браковкой по энергии имеется превышение порога селекции по активности, то сварной шов бракуется. На фиг.4 показан не отбракованный бездефектный сварной шов.
Сокращение времени обработки акустико-эмиссионной информации позволяет сварщику определять по экрану монитора место дефекта и осуществлять дополнительную операцию сварки на стадии формирования сварного шва до его остывания в месте локализации дефекта и оперативно его исправлять с минимальным объемом выборки металла.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает более высоким быстродействием, состоящим в том, что оно позволяет в реальном времени осуществлять кластеризацию сигналов акустической эмиссии, измерять энергию и активность сигналов в кластере и по ним осуществлять браковку сварного шва до остывания. Акустико-эмиссионное устройство может быть использовано для мониторинга процесса сварки металлических конструкций.
Предлагаемый способ и устройство могут использоваться при построении систем мониторинга процесса сварки металлических конструкций, так как позволяют осуществлять браковку сварного шва в реальном времени до его остывания.