Применение метода акустической эмиссии для выявления зон структурной неоднородности в комбинированных сварных соединениях сталей перлитного и аустенитного классов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00657

НазваниеПрименение метода акустической эмиссии для выявления зон структурной неоднородности в комбинированных сварных соединениях сталей перлитного и аустенитного классов

Руководитель Барат Вера Александровна, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-603 - Надежность и отказоустойчивость технических систем. Диагностика технического состояния и испытания

Ключевые слова Разнородные сварные соединения, сварка, акустическая эмиссия, акустико-эмиссионный контроль, диагностика, дефекты, механические испытания, диффузионные прослойки, микроструктура, материаловедение

Код ГРНТИ81.09.81

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Применение сварных конструкций из разнородных материалов позволяет значительно снизить затраты на дорогостоящие материалы, уменьшить массу и габариты изделий, а также повысить надежность и долговечность ответственного оборудования. Однако сварные соединения разнородных сталей обладают рядом специфических особенностей, одной из которых является развитая химическая, структурная и механическая неоднородность. Так, например, при сварке сталей разных структурных классов различие их химического состава приводит к образованию неоднородной структуры в зоне сварного соединения, а именно к возникновению различного рода прослоек у линий сплавления, которые формируются в процессе сварки, термообработки и эксплуатации сварных соединений при повышенных температурах. Наличие этих прослоек является одной из основных причин снижения свойств сварных соединений разнородных сталей и преждевременного разрушения комбинированных конструкций в различных условиях эксплуатации. В современной практике неразрушающего контроля для выявления дефектов сварных соединений используется, как правило, ультразвуковой и рентгеновский контроль. Однако, эти методы при контроле разнородных сварных соединений обладают ограниченной чувствительностью: наличие узких прослоек (например, обезуглероженной и карбидной прослоек в сварных соединениях перлитной стали с аустенитной) создает структурные помехи, маскирующие наличие дефектов. Применение метода акустической эмиссии (АЭ) для диагностики разнородных сварных соединений является потенциально более успешным по сравнению с традиционными методами контроля. Метод АЭ отличается от остальных методов неразрушающего контроля тем, что дефект выявляется не как нарушение сплошности при зондирующем воздействии физическим полем исследуемого объекта, а как источник упругих волн, вызванных релаксацией механических напряжений при деформации и разрушении материала в процессе его нагружения. На основании активности наблюдаемого процесса, его энергетических характеристик, а также по форме наблюдаемых сигналов появляется возможность определения вида дефекта, а в перспективе - стадии его развития и степени опасности. Благодаря этим особенностям метод АЭ успешно используется для идентификации механизмов разрушения при решении сложных проблем в области материаловедения (например, идентификация механизмов двойникования и деформационного скольжения при деформации сталей, прогнозирование кинетики развития усталостных дефектов и др.). Проведение экспериментальных исследований на комбинированных сварных соединениях с применением метода АЭ позволит выявить закономерности генерации АЭ, характерные для различного вида дефектов, включая зоны с высоким уровнем структурной неоднородности (диффузионные прослойки). На основании полученных результатов в дальнейшем можно строить эмпирическую модель повреждений разнородного сварного соединения, представляющую собой совокупность АЭ-образов различных дефектов, что является важным шагом к формированию методических основ промышленной АЭ диагностики разнородных сварных соединений, включающих критерии браковки сварного соединения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Барат В.А., Марченков А.Ю., Поройков А.Ю., Карпова М.В., Бардаков В.В. Применение метода акустической эмиссии и цифровой корреляции изображений при выявлении диффузионных прослоек разнородных сварных соединений Дефектоскопия, № 10, стр.73-75 (год публикации - 2023)
10.31857/S0130308223100081

2. В.А. Барат, А.Ю. Марченков, М.В. Карпова, В.В. Бардаков, С.В. Ушанов Применение метода акустической эмиссии для обнаружения диффузионных прослоек в разнородных сварных соединениях Контроль. Диагностика, №10, Т26, стр 4-10 (год публикации - 2023)
10.14489/td.2023.10.pp.004-010

3. Карпова М.В., Марченков А.Ю., Ушанов С.В., Барат В.А., Свиридов Г.Б. Применение метода акустической эмиссии для выявления диффузионных прослоек в сварных соединениях, выполненных электронно-лучевой сварной Пятая международная конференция Электронно-лучевая сварка и смежные технологии. // Национальный исследовательский университет "МЭИ" Сборник материалов и докладов. - М.: Изд.-во МЭИ, стр.229-308 (год публикации - 2023)

4. В.А. Барат, А.Ю. Марченков, С.В. Ушанов, Е.А. Лепшеев, Г.Б. Свиридов, Н.В. Лаврик, С.В. Елизаров Обнаружение диффузионных прослоек при статическом растяжении комбинированных сварных соединений стали 20 и 12Х18Н10Т методом акустической эмиссии Дефектоскопия (год публикации - 2025)

5. В.А. Барат, С.В. Ушанов, Е.А. Лепшеев, Г.В. Свиридов, Н.В. Лаврик Identification of diffusion interlayers of dissimilar welds under static tension by acoustic emission method EDELWEISS APPLIED SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol. 8, No. 6, 1554-1565, 2024 (год публикации - 2024)
10.55214/25768484.v8i6.2273

6. В.А. Барат, А.Ю. Марченков, М.В. Карпова, В.В. Бардаков, Е.А. Лепшеев, С.В. Ушанов, С.В. Елизаров Применение искусственных нейронных сетей для обнаружения дефектов разнородных сварных соединений методом акустической эмиссии Контроль. Диагностика, том 27, № 12, с.4-13 (год публикации - 2024)
10.14489/td.2024.12.pp.004-013

7. В.А. Барат, А.Ю. Марченков, В.В. Бардаков, Е.А. Лепшеев, Г.Б. Свиридов Распознавание дефектов структуры разнородных сварных соединений на основании спектрального анализа данных акустической эмиссии Информатизация инженерного образования. Материалы VII Международной научно-практической конференции., Сборник: Информатизация инженерного образования. Материалы VII Международной научно-практической конференции. Москва, 2024. С. 66-71. (год публикации - 2024)

8. Барат В.А., Марченков А.Ю, Бардаков В.В, Арзуманян Д.А, Ушанов С.В., Карпова М.В., Лепшеев Е.А, Елизаров С.В. Detection of Diffusion Interlayers in Dissimilar Welded Joints in Processing Pipelines by Acoustic Emission Method Applied Sciences , Appl. Sci. 2024, 14, 10546. https://doi.org/10.3390/app142210546 (год публикации - 2024)
10.3390/app142210546

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведены механические испытания разнородных сварных соединений аустенитной стали 12Х18Н10Т и перлитной стали 20 с применением метода акустической эмиссии (АЭ) при циклическом нагружении в упругой области, как бездефектных образцов, так и образцов, содержащих диффузионные прослойки различной толщины. 2.На основании результатов экспериментов была сформирована выборка данных, включающая диаграммы нагружения и данные АЭ, полученные при циклическом нагружении бездефектных образцов и образцов с диффузионными ферритными прослойками различной толщины от 145 до 600 мкм. Данные соответствуют различным режимам нагружения – циклическое растяжение с амплитудой цикла 200, 220, 240 и 260 МПа и «растяжение-сжатие» с теми с амплитудами цикла 200 и 260 МПа и коэффициентом асимметрии цикла R=-0,1. 3. С целью выявления различий АЭ данных, полученных для бездефектных образцов и образцов с диффузионными прослойками, проведен анализ данных, полученных при циклическом испытании образцов разнородных сварных соединений при различных условиях нагружения. Были установлены значения АЭ параметров характерные для деформации бездефектных образцов и образцов с диффузионными прослойками различной толщины, достоверность различий диагностических параметров для дефектных и бездефектных образцов была подтверждена на основании результатов дисперсионного анализа. 4. Установлено, что наличие диффузионных прослоек приводит к увеличению активности и уровня амплитуд импульсов АЭ. Так как диффузионная прослойка является локализованным источником АЭ, при деформации сварного соединения с диффузионной прослойкой на схеме локации в области сварного соединения формируется кластер, представляющий собой область плотной концентрации индикаций, соответствующих событиям АЭ. При максимальном напряжении цикла 200 МПа, близком к эксплуатационным условиям нагружения, среднее значение АЭ активности для бездефектных образцов с доверительной вероятностью 0,95 лежит в диапазоне 0.09-0.14 1/c, а для образцов с диффузионными прослойками в диапазоне 0.39 – 0.56 1/c, квантиль распределения амплитуд импульсов АЭ порядка 0,95 для бездефектных образцов соответствует диапазону 33.8 – 37.1 дБ, для образцов с диффузионными прослойками диапазону 42.8 – 45.8 дБ. 5. Для выявления предразрушающих состояний была дополнительно проведена серия испытаний по циклическому нагружению образцов разнородных сварных соединений на растяжение с максимальным напряжением цикла 260 МПа. Затем был проведен анализ динамики изменения параметров потока данных АЭ: инварианта пуассоновкого потока событий, b-параметра амплитудного распределения и медианной частоты спектра АЭ сигналов. По результатам анализа данных для образцов, содержащих диффузионные прослойки, были выявлены тренды изменения перечисленных выше параметров – монотонное понижение инварианта от 1 до 0.7 и понижение b-параметра от значений 0,3 - 0,4 в начале нагружения до 0,25 в конце. 6. Проведено моделирование акустического тракта объекта контроля, позволяющее оценить затухание и изменение формы АЭ сигнала при распространении по разнородному акустическому тракту. С этой целью исследовалось влияние взаимного расположения источника АЭ и первичного преобразователя, а также расположение источника по глубине (на поверхности и под поверхностью) и его ориентация. Для каждого из случаев проведен расчет АЭ сигналов во временной области, как при расположении точки регистрации сигналов со стороны стали перлитного класса, так и со стороны стали аустенитного класса. 7. С этой целью для учета влияния технологических шумов, присутствующих при проведении АЭ контроля или мониторинга, была разработана методика идентификации сигналов, соответствующих деформации диффузионной прослойки с использованием искусственной нейронной сети. В качестве признаков, позволяющих выявить «полезные» АЭ сигналы на фоне шумов, рассматривались параметры вейвлет-преобразования – коэффициенты, усредненные по времени и масштабу и вейвлет-эксцесс. При уровне шума не более 50 дБ точность классификации составляла не менее 90%, при уровне шума до 55 дБ точность классификации снижалась до 80%. На основании результатов распознавания данных были рассчитаны POD диаграммы в зависимости от расстояния между дефектом и первичным преобразователем и при различных уровнях внешних акустических помех.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты работ, выполненных в проекте, вносят вклад в технологический суверенитет страны благодаря созданию технологий неразрушающего контроля и мониторинга ответственных производственных объектов в том числе в атомной промышленности на оборудовании реакторных установок .