Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

СКАНЕР ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ И ВИХРЕТОКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Иванов А.Н. 1, 2
1 Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук
2 Национальный исследовательский Томский государственный политехнический университет
Разработан сканер для проведения неразрушающего контроля сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, методами вихревых токов и ультразвуковым методом с использованием фазированной антенной решетки. Конструкция сканера позволяет в автоматическом режиме и с высокой точностью позиционировать ультразвуковые преобразователи с фазированной антенной решеткой и вихретоковый преобразователь относительно сварных соединений. Позиционирование осуществляется линейными актуаторами в горизонтальном и вертикальном направлении и является независимым друг от друга. Это позволяет проводить контроль продольных и кольцевых сварных соединений в широком диапазоне геометрических размеров объектов контроля. Кроме того, наличие в конструкции тензометрических датчиков обеспечивает требуемую степень контакта между преобразователем и поверхностью объекта контроля. Указанные особенности конструкции позволяют обнаружить дефекты сварного соединения по всему его объему, а также обеспечивают высокую производительность операций контроля и достоверность получаемых результатов.
неразрушающий контроль
сварка трением с перемешиванием
сканер
позиционирование
метод вихревых токов
ультразвуковой метод с использованием фазированных антенных решеток
1. Егоров А.В. Диагностика сплавов алюминия методом вихревых токов // Известия АлтГУ. – 2014. – № 1/1. – С. 244-247.
2. Колубаев Е.А. Особенности формирования структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. – http://www.science-education.ru/pdf/2013/6/572.pdf.
3. Колубаев Е.А., Морхат Т.В. Особенности микроструктуры сплава Al-Mg, полученной при сварке трением с перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. – http://www.science-education.ru/pdf/2013/6/523.pdf.
4. Коновалов Н.Н. Ультразвуковой контроль односторонних стыковых
сварных соединений при использовании антенных решеток / Н.Н. Коновалов, Н.В. Мелешко // Промышленность и безопасность. – 2012. – № 3(43). – С. 56-60.
5. Патент РФ № 97118390/28, 04.11.1997.
6. Патент РФ № 2010107242/28, 11.07.2008.
7. Патент РФ № 2010107242/28, 11.07.2008.
8. Поляков В.В. Диагностика композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов с помощью сверхминиатюрных вихретоковых преобразователей // Известия Алтайского государственного университета. – 2013. – №. 1/2 (77). – C. 181-183.
9. Самокрутов А.А., Алёхин С.Г., Зверев Е.А. Вихретоковый дефектоскоп / Патент на полезную модель РФ № 114372.2011.
10. Sizova O.V. Microstructure features of aluminum alloys welded joint obtained by friction stir welding // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 872. – P. 174-179.

На сегодняшний день в авиа- и ракетостроении широко используются алюминиевые сплавы сложного состава с улучшенными свойствами. Перспективным методом получения неразъемных соединений таких сплавов является сварка трением с перемешиванием (СТП) [2]. Учитывая особенности структуры СТП-сварных соединений [3,10], для оценки их состояния требуются новые подходы к неразрушающим методам контроля (НК). При этом особое внимание следует обратить на возможности метода ультразвукового контроля с фазированными антенными решетками (ФАР) [4] и метода вихревых токов [1,8], поскольку комплексное применение данных методов позволяет получить наиболее точное представление о качестве СТП-сварных соединений.

На сегодняшний день основными средствами неразрушающего контроля являются либо сканирующие портативные дефектоскопы, либо комплексы неразрушающего контроля со сканерами, в которых вышеуказанные методы используются по отдельности [5-7,9]. Однако у большинства использующихся на данный момент средств сканирования есть ряд существенных недостатков. Среди них – ограничение применимости из-за геометрических размеров объектов контроля и необходимость позиционирования преобразователей непосредственно оператором вручную. Все это приводит к снижению достоверности результатов неразрушающего контроля, снижению его производительности и повышению нагрузки на оператора. Таким образом, перед разработчиками устройств для НК ставятся задачи автоматизации процесса неразрушающего контроля, повышения его производительности и достоверности результатов. Одним из методов решения таких задач является разработка универсальных сканирующих средств с автоматизированным позиционированием.

Принцип работы и описание конструкции

Для решения указанных выше задач был разработан сканер ультразвукового и вихретокового контроля (рис. 1 а, б). Сканер имеет блочную конструкцию и состоит из общего колесного основания 1 с поочередно устанавливаемыми на него и фиксируемого винтами 2 блоками акустического и вихретокового контроля. На основании установлен датчик пути 3 для определения положения дефекта по длине сварного соединения.

Блоки акустического контроля и вихретокового контроля состоят из стоек акустического 4 и вихретокового 5 контроля с соответствующими преобразователями 6, 7 и приводов их позиционирования 8, 9. Приводы позиционирования содержат линейные актуаторы 10, штоки которых жестко соединены со стойками и могут совершать поступательное движение перпендикулярно основанию, позиционируя стойки в горизонтальном направлении.

Стойки с преобразователями горизонтально перемещаются по направляющим 11, 12, обеспечивая позиционирование в направлении перпендикулярном сварному соединению с точностью до 1 мм, что позволяет выполнять настройку сканера для контроля швов шириной до 60 мм. Основной функцией стоек сканера является позиционирование преобразователей в вертикальном направлении и обеспечение заданного усилия прижима призм ФАР и вихретокового преобразователя. Стойки имеют следующую конструкцию (рис. 2).

 а б

Рис. 1. Общий вид сканера: а) акустического контроля; б) вихретокового контроля. 1 – колесное основание; 2 – винты фиксации; 3 – датчик координат; 4 - стойка акустического контроля; 5 – стойка вихретокового контроля; 6 – преобразователь акустический с ФАР; 7 – преобразователь вихретоковый; 8, 9 – приводы позиционирования; 10 – линейные актуаторы; 11, 12 – направляющие

Рис. 2. Конструкция стоек акустического и вихретокового контроля: 1 – корпус; 2 – линейный актуатор; 3 – втулка; 4 – пружина; 5 - тензометрический датчик; 6 – штифт; – пружина; 7 – шток; 8 – направляющие сухари

На корпусе стойки 1 установлен линейный актуатор 2, шток которого жестко соединен со втулкой 3 и может совершать поступательное движение в вертикальном направлении, передавая на неё осевое усилие. Под действием штока актуатора втулка 3 перемещается и передает усилие через пружину 4 на тензометрический датчик 5. Датчик предназначен для отслеживания и контроля осевого усилия, передаваемого от штока актуатора.

Штифт 6 установлен и закреплен во втулке 3 и передает осевое усилие от актуатора 2 на подвижный шток 7, на котором установлены призма ФАР либо вихретоковый преобразователь. При этом шток перемещается скольжением в корпусе 1 по направляющим сухарям 8. Таким образом, обеспечивается позиционирование преобразователей для контроля сварных соединений цилиндрических деталей различного радиуса кривизны с точностью до 1 мм. Кроме того, осевое усилие обеспечивает прижим с усилием до 50 Н и требуемый контакт между преобразователем и поверхностью объекта контроля в автоматическом режиме, а установленные пружины обеспечивают демпфирование преобразователей для предотвращения их повреждений при контроле.

 а

  б

Рис. 3. Сканы сварного соединения, получаемые при операциях: а – контроля по методу вихревых токов; б – контроля по методу ФАР

Метод вихревых токов позволяет обнаруживать поверхностные и подповерхностные несплошности с очень малым раскрытием, такие как трещины и непровары корня шва (рис. 3, а). Метод ФАР позволяет обнаруживать несплошности в объеме сварного соединения, такие как скрытые и открытые непровары, резкие переходы между металлом шва и металлом детали (рис. 3,б). Разработанный сканер, при сочетании ультразвукового и вихретокового методов, даёт возможность проводить комплексную оценку дефектов по всему объему сварных соединений в автоматическом режиме.

Заключение

Указанные особенности конструкции сканера позволяют проводить неразрушающий контроль методами ФАР и вихревых токов со следующими преимуществами:

  • контроль прямолинейных и кольцевых сварных соединений в широком диапазоне геометрических размеров объекта контроля;
  • контроль сварных соединений как изнутри, так и снаружи объекта контроля;
  • автоматическое позиционирование призм ФАР либо вихретокового преобразователя относительно сварного соединения;
  • высокую достоверность обнаружения дефектов;
  • высокую производительность за счет автоматизации операций контроля.

Работа выполнена по проекту № III.23.2.4 фундаментальных исследований СО РАН на 2013–2016 гг., при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0063) в рамках реализации Постановления Правительства РФ №218.

Рецензенты:

Колубаев А.В., д.ф.-м.н., профессор, заведующий лабораторией физики упрочнения поверхности ИФПМ СО РАН, г. Томск;

Тарасов С.Ю., д.т.н., ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН, г. Томск.


Библиографическая ссылка

Иванов А.Н., Иванов А.Н. СКАНЕР ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ И ВИХРЕТОКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15588 (дата обращения: 21.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252