Методы устранения дефектов сварных швов: обнаружение и способы их устранения

обнаружение и способы их устранения

Сварка — один из самых востребованных процессов металлообработки, позволяющий в самых разных конструкциях соединять стальные детали. В связи с химической неоднородностью металлических поверхностей, кристаллизацией металлов при создании сварного шва, взаимодействии образующего в сварочной ванне жидкого металла с твердыми частицами детали и по ряду других причин нередко в процессе сварки возникают дефекты. Наличие их не только понижает качество готовой конструкции, но также делает ее дальнейшую эксплуатацию опасной для жизни.

Если при проведении контроля качества обнаружены изъяны, влияющие на прочность и надежность изделия, то исправление дефектов сварки в таких случаях является обязательным мероприятием.

Какие дефекты возникают при сварочных работах

В зависимости от причин возникновения, размеров, форм и места размещения на шве различают разные виды дефектов. Чтобы понять какие способы устранения дефектов сварных соединений будут наилучшими, вначале нужно определить их вид и почему они возникли.

Согласно классификации по ГОСТу 30242-97 выделяют следующие группы дефектов:

• трещины в сварочных швах, которые могут быть поперечными, продольными, радиальными и другими;
• нарушение формы шва за счет образования натеков, подрезов, прожогов, выпуклостей, смещений и других изъянов;
• наличие в месте сварки пор, полостей, свищей, кратеров. Они могут скопляться на одном участке или же распределяться по всему шву равномерно;
• непроваренные участки и несплавленные кромки;
• наличие твердых (оксидных, металлических, шлаковых) вкраплений и включений в сварном шве.

По месту расположения дефекты разделяются на внутренние, наружные и сквозные. Конкретное цифровое обозначение классификатором установлено на все образующиеся дефекты сварных соединений и способы их устранения выбираются в соответствии проставленных в местах их присутствия номеров.

Методы обнаружения дефектов

После проведения сварочных работ полученный шов должен проверяться на наличие или отсутствие брака. Только так можно понять требуется или нет устранение дефектов сварки.

Способы для выявления бракованных участков применяют разные:

• визуальный осмотр. Результат будет более точным, если осмотр проводить с применением приборов с увеличительным эффектом;
• магнитный метод, при котором брак определяется степенью искажения волн;
• дефектоскопия. На наличие недостатков указывает изменение цвета сварного соединения после контакта поверхностей со специальным идентифицирующим составом, например, керосином;
  
• исследование ультразвуком. Проводится с помощью дефектоскопа, брак определятся по звуковым волнам посредством измерения их отражения;
• радиационный способ. Сварные соединения просвечиваются рентгеном, в результате все детали дефекта видны на полученном снимке.

Качество полученных в процессе сварки соединений обозначается маркировкой. У каждого профессионального сварщика есть собственное клеймо, которое он ставит на участке выполнения сварки.

Устранение дефектов сварки

Если в ходе контрольных испытаний обнаружен недопустимый для безопасной эксплуатации конструкций брак, то неизбежным процессом является устранение дефектов сварных соединений.

Для ликвидации выявленных недостатков используются следующие методы устранения дефектов сварных швов:

• непровары, сторонние включения, небольшие внутренние трещины подлежат механической вырубке или полной зачистке, после чего проводится повторное сваривание;
• ликвидация крупных и глубоких трещин осуществляется посредством заварки после предварительной их механической зачистки или сверления;
• заварка тонкими слоями или наплавка используется для устранения подрезов и неполных швов;
  
• наплывы уничтожаются механическим путем с применением абразивного инструмента;
• термической обработкой устраняется перегрев металла.

Это основные способы исправления дефектов сварных соединений, которые используются для ликвидации брака. После исправления конструкции повторно проходят контрольные испытания и только при полном отсутствии изъянов разрешается их дальнейшая эксплуатация.

Особенности исправления дефектов

Если выполненные с применением сварки конструкции не соответствуют техническим условиям по причине наличия брака, то здесь важно не только правильно выбрать способы устранения дефектов сварных швов, но также безошибочно выполнить все необходимые действия.

В стальных изделиях бракованные сварные швы исправлять следует плазменно-дуговой резкой или строжкой, после чего эти участки обрабатываются абразивными кругами. Наплавкой ниточного шва ликвидируются подрезы, при этом выполняется наплавка по всей длине дефекта. При исправлении неровностей и наплывов механическим способом нужно следить за общим сечением и не допускать его занижения.

Перед тем как исправляются свищи в сварном шве необходимо сперва провести вырубку, тщательно зачистить образовавшуюся полость и после этого повторно заварить изделие.

Чтобы качественно ликвидировать дефекты сварных швов и способы их устранения провести эффективно, то следует соблюдать несколько простых правил:

• длина исправляемого участка должна превышать длину дефекта;
• ширина вырубки должна быть такой, чтобы максимальный размер нового шва не превышал более чем в два раза его ширину до ликвидации дефекта;
• на поверхностях выборок не должно присутствовать никаких заусенцев и острых углублений, очертания должны быть плавными и без резких выступов;
• при выполнении заварки на прилегающих к дефекту участках нужно обеспечить перекрытие основного металла.

В конструкциях из титана, алюминия и сплавов этих металлов ликвидацию дефектов разрешается выполнять только механическими методами: резкой или абразивной шлифовкой. В некоторых случаях допускается вырубка.

Если при повторном контроле снова будут обнаружены бракованные участки, то такие конструкции опять подлежат исправлению. На одном и том же участке сварного шва количество исправлений не должно превышать трех, в противном случае металлоконструкция выполняется с нуля.

Интересное видео

Основные методы устранения дефектов в сварных соединениях

Содержание страницы

1. Исправление наружных и внутренних дефектов

При обнаружении недопустимых наружных или внутренних дефектов сварных соединений их обязательно исправляют. Наружные дефекты вышлифовывают с обеспечением плавных переходов на участке выборки. Выборку можно не заваривать только в том случае, если в зоне максимальной ее глубины сохранилась минимально допустимая толщина детали. Удаление дефектов с обратной стороны шва производится по всей его длине заподлицо с основным металлом.

Если в процессе механической обработки (вышлифовывания) не удалось полностью исправить наружные дефекты, то их следует полностью устранить как недопустимые внутренние дефекты.

Подповерхностные и внутренние дефекты (дефектные участки) в соединениях из алюминия, титана и их сплавов исправляют только механическим способом — вышлифовыванием абразивным инструментом, обработкой резанием или вырубкой с последующим зашлифовыванием. В ряде случаев в конструкциях из стали допускается удаление дефектных участков воздушно-дуговой или плазменно-дуговой строжкой с последующей обработкой поверхности выборки абразивными инструментами. Детали из углеродистых и кремнемарганцовистых сталей необходимо зашлифовывать до полного удаления следов предыдущей обработки.

Исправлять дефекты подваркой в зоне выборки (рис. 1) в сварных соединениях, подлежащих обязательной термической обработке и выполненных из легированных и хромистых сталей, следует после высокого (при температурах 450 … 650 °С) их отпуска (промежуточного или окончательного) за исключением отдельных случаев, оговоренных в технологической документации.

Рис. 1. Форма разделки шва при выборке внутреннего дефекта

При исправлении дефектных участков целесообразно соблюдать определенные условия. Длина исправляемого участка должна быть на 10 … 20 мм больше длины дефекта с каждой стороны. Ширина выборки должна быть такой, чтобы ширина шва, получаемого после подварки, не превышала его двойную исходную ширину. Форма и размеры подготовленной под подварку выборки должны обеспечивать возможность надежного провара. Поверхность каждой выборки должна иметь плавные очертания без резких выступов, острых углублений и заусенцев. При подварке дефектного участка следует перекрывать прилегающие участки основного металла.

В сварных швах со сквозными трещинами перед подваркой требуется зачистить поверхности детали вдоль трещины (рис. 2, а) и просверлить отверстия на расстоянии 10 мм от концов этой трещины (рис. 2, б) в целях предотвращения ее распространения. Затем нужно произвести разделку трещины в соответствии с рис. 2, в, после чего проварить дефектный участок на полную глубину.

Подварку дефектного участка осуществляют одним из способов сварки плавлением (ручной дуговой, дуговой в защитном газе и т. д.).

Исправленные швы сварных соединений следует повторно проконтролировать в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству конструкции.

Рис. 2. Схемы подготовки сквозной трещины к подварке: а — зачистка поверхности детали вдоль трещины; б — сверление отверстий на расстоянии от концов трещины; в — разделка сквозной трещины

Если при этом вновь будут обнаружены дефекты, то их необходимо повторно исправить с соблюдением определенных требований. Число исправлений одного и того же дефектного участка, зависящее от категории ответственности конструкции, как правило, не превышает трех.

2. Заварка дефектных мест

Технология, рекомендуемая для исправления дефектов сварных соединений аргонодуговой сваркой, следующая:

• подобрать соответствующий режим сварки;
• сварочную дугу возбуждать на технологической пластине и после нагрева электрод переносить на место заварки;
• в процессе заварки и при возбуждении сварочной дуги не допускать соприкосновения конца вольфрамового прутка со сварочной ванной или присадочной проволокой;
• присадочную проволоку подавать только после оплавления кромок разделки и образования сварочной ванны;
• заварку дефектов производить в нижнем положении и под углом не более 30°;
• при многослойной заварке после наложения каждого слоя очищать наплавленный металл шва стальной щеткой;
• вылет вольфрамового электрода по отношению к нижней кромке газового сопла должен составлять 3 … 8 мм;
• горелку следует держать под углом 60 … 80° к поверхности детали в месте заварки дефекта;
• присадочную проволоку держать под углом к оси электрода горелки и вводить в сварочную ванну равномерными возвратнопоступательными движениями часто и небольшими порциями;
• заварку дефектов во всех случаях заканчивать с образованием усиления шва высотой 3 … 5 мм;
• наконечник горелки и вольфрамовый электрод периодически очищать от брызг металла;
• при случайных обрывах дуги ее повторное зажигание производить на шве на расстоянии 30 мм от места обрыва;
• длину дуги поддерживать в пределах 2,5 … 3,0 мм, обрыв дуги производить постепенным ее увеличением;
• процесс заварки начинать с предварительного местного подогрева дефектного места до оплавления кромок.

Если толщина материала детали более 15 мм, заварку дефектного участка следует производить многослойным швом. В этом случае высота наплавленного металла над поверхностью детали должна быть не менее 3 мм.

Для ответственных конструкций допускаются две подварки одного и того же дефектного участка, поскольку при большем числе подварок наблюдается существенное снижение механических свойств металла в этих зонах.

 

Просмотров: 1 535

Виды дефектов сварных швов и методы их устранения

Что такое дефекты сварных швов?

Дефекты бывают нескольких видов — наружные и внутренние. Наружными являются дефекты, которые можно обнаружить визуально при осмотре сварочного шва.

Внутренние дефекты, наоборот, находятся внутри сварочных соединений и их можно увидеть лишь после дефектоскопии, включая рентген и механическую обработку.

Дефекты бывают допустимыми и не допустимыми, в зависимости от требований, предъявляемых к сварочным соединениям и конструкции в целом.

Однако, исходя из самого определения, любые дефекты являются дефектами и требуют их полного устранения либо сведения к минимуму их количества и размеров.

Так как дефекты сварных швов являются причиной, в результате которой есть риск поставить под угрозу стабильность соединения и функциональность сварной конструкции, есть ряд операций, чтобы их устранить. Чтобы свести к минимуму вероятность появления дефектов следует обязательно учитывать:

• 1) Технологию сварки и квалификацию сварщика
• 2) Присадочный материал и свариваемый металл
• 3) Подготовку поверхности под сварку и защитный газ
• 4) Режимы и применяемое сварочное оборудование

Наружные дефекты

К наружным дефектам относятся нарушения геометрических размеров (подрезы, наплывы), непровары и прожоги, незаваренные кратеры.

Основной причиной непроваров является недостаточный сварочный ток, так как он в большей степени влияет на проникновение в металл.

Устранение дефектов этого вида обычно происходит путем повышения мощности сварочной дуги, уменьшением длины дуги и увеличением её динамики.

Также причиной непроваров может быть большая скорость сварки или недостаточная подготовка кромок сварного соединения.

 

Непровары могут быть нескольких видов:

• — когда сварочный шов проникает не на всю толщину металла при односторонней сварке (см. верхнюю часть на рисунке)
• — при двусторонней сварке встык швы не стыкуются друг с другом, образуя несплавление между собой (см. нижнюю часть на рисунке)
• — при сварке в тавр сварочный шов не проникает вглубь, а лишь цепляется за свариваемые кромки

Также причиной непроваров может быть большая скорость сварки или недостаточная подготовка кромок сварного соединения.

Подрезом называется дефект в виде канавки в основном металле по краям сварочного шва.

Это наиболее распространенный дефект при сварке тавровых или нахлесточных соединений, но может также возникнуть и при сварке стыковых соединений. Этот вид дефекта обычно вызван неправильно подобранными параметрами, особенно скоростью сварки и напряжением на дуге.

При угловой сварке (например при сварке длинных швов при сварке балок) подрезы часто возникают из за того, что сварочная дуга направлена больше на вертикальную поверхность.

Расплавленный металл стекает на нижнюю кромку и его не хватает для заполнения канавки.

При слишком высокой скорости сварки и повышенном напряжении, сварной шов образуется «горбатым». Из-за быстрого затвердевания сварочной ванны, в этом случае также образуются подрезы. Уменьшение скорости сварки постепенно сокращает размер подреза и в конечном итоге устраняет этот дефект.

На подрезы влияет также длина сварочной дуги. При слишком длинной сварочной дуге ширина шва увеличивается, тем самым увеличивая количество расплавленного основного металла. Так как при увеличении длины дуги тепловложение остается прежним, его не хватает на весь сварочный шов, кромки быстро остывают, образуя подрезы. Уменьшение длины дуги не только избавляет от подрезов, но и увеличивает проплавление и устраняет такие дефекты, как непровар.

Данный дефект появляется в результате натекания присадочного материала на основной металл без образования сплавления с ним. Обычно причиной этого дефекта является неправильно подобранные режимы сварки и окалина на свариваемой поверхности. Подбор правильного режима (соответствие сварочного тока со скоростью подачи присадочного материала, повышение напряжения на дуге) и предварительная очистка кромок устраняют появления наплывов.

Данный дефект – отверстие насквозь в сварочном шве. В основном причинами прожога являются большой ток, медленная скорость сварки или большой зазор между кромками сварного соединения. В результате происходит прожог металла и утечка сварочной ванны.

Понижение сварочного тока, увеличение скорости сварки и соответствующая подготовка геометрии кромок позволяют устранить прожоги. Прожоги являются очень частым дефектом при сварке алюминия, из его низкой температуры плавления и высокой теплопроводности.

Кратер появляется в конце сварочного шва в результате резкого обрыва дуги. Выглядит он в виде воронки в середине сварочного шва при его окончании. Современное сварочное оборудование имеет специальные программы для заварки кратера. Они позволяют проводить окончание сварки на пониженных токах, в результате чего кратер заваривается.

Внутренние дефекты

К внутренним основным дефектам сварных швов относят трещины (холодные и горячие) и поры.

• Горячие трещины

Горячие трещины появляются в то время, когда металл сварного шва находится в состоянии между температурами его плавления и затвердевания. Они могут быть в двух направлениях – вдоль и поперек сварного шва. Горячие трещины обычно являются результатом использования неправильного присадочного материала (в частности, алюминиевых и CrNi сплавов) и его химического состава (например, высокое содержание в составе углерода, кремния, никеля и др.)

Горячие трещины могут появиться в результате неправильной заварки кратера, в результате резкого прекращения сварки.

• Холодные трещины

Трещины, которые возникают после того, как сварочный шов полностью остывает и затвердевает, называются холодными трещины. Эти дефекты также появляются тогда, когда сварочный шов не соответствует действующим на него нагрузкам и разрушается.

Пористость является одним из основных дефектов сварки, с которыми сталкиваются все сварщики при всех сварочных процессах. Пористость может быть вызвана загрязнением, плохой защитой ванны потоком сварочного газа, маслом, краской, сваркой несовместимых сплавов или даже ржавчиной и окислением металла.

Поры могут различаться по размеру и, как правило, распределяются в случайном порядке по сварочному шву. Они могут находиться как внутри шва, так и на его поверхности.

Основные причины появления пористости:

• 1) Недостаточный поток защитного сварочного газа
• 2) Чрезмерный поток защитного газа. Это может вызвать подсос воздуха в поток газа.
• 3) Сквозняк в зоне сварки. Он может сдувать защитный газ.
• 4) Засорение сварочного сопла или повреждение системы подачи газа (утечка в шлангах, соединениях и т.д.)

Надеюсь, что описанные в этой статье основные виды дефектов сварных швов и соединений, а так же методы их устранения сделают вашу сварку качественной и высокопроизводительной. Помните, что правильный выбор сварочного оборудования и технологии сварки имеет большое влияние как на весь процесс сварки в целом, так и в отдельности на каждые его составляющие.

© Смарт Техникс

Данная статья является авторским продуктом, любое её использование и копирование в Интернете разрешена с обязательным указанием гиперссылки на сайт www.smart2tech.ru

Способы устранения дефектов сварных швов — Секреты красоты и здоровья — Каталог статей

Неполномёрноспгъ швов устраняется наплавкой допол­нительного слоя металла. При этом наплавляемую поверхность необходимо тщательно очистить до металлического блеска абра­зивным инструментом или металлической щеткой.

Чрезмерное усиление шва устраняют с помощью абразивно* го инструмента или пневматического зубила.

Непровар, кратеры, пористость и неметаллические вклю­чения устраняют путем вырубки пневматическим зубилом или расчистки абразивным инструментом всего дефектного участка с последующей заваркой.

Часто применяют выплавку дефектного участка резаком поверхностной кислородной или воздушно-дуговой резки.

Подрезы заваривают тонкими валиковъши швами.

Наплывы устраняются обработкой абразивным инструмен­том или с помощью пневматического зубила.

Наружные трещины устраняются разделкой и последующей заваркой. Для предупреждения распространения трещины по концам ее сверлят отверстия. Разделку трещины выполняют зу­билом или резаком. Кромки разделки зачищают от шлака, брызг металла, окалины и заваривают.

Швы с внутренними трещинами вырубают и заваривают заново.

При наличии сетки трещин дефектный участок вырезают и взамен сваркой накладывают заплату.

Дефекты сварочных швов и причины их образования

От качества сварки зависит дальнейшая эксплуатация конструкции, поэтому дефекты сварных соединений не допускаются. Возникновению дефектов способствует множество факторов, например:

• нарушение технологии работ;
• халатность;
• невысокая квалификация сварщика;
• применение неисправного оборудования;
• производство работ без надлежащей подготовки, в неблагоприятных погодных условиях.

Различают допустимые и не допустимые значения дефектов сварных швов от степени снижения технических параметров изделия по прочности. При допустимых нарушениях исправление дефектов сварки не производится, во втором случае их устранение необходимо. Пригодность изделия к эксплуатации, определение соответствия шва нормам производится по ГОСТ 30242-97.

Способы устранения дефектов сварных швов;

Шлаковые каналы и шлаковые включения.

Поры в сварных соединениях.

Порами называют заполненные газом полости в швах, имеющие округлую, вытянутую или более сложную форму. Они возникают при первичной кристаллизации металла сварочной ванны в результате выделения газов. При дуговой сварке поры выходят или не выходят на поверхность шва, располагаются цепочкой по оси шва или отдельными группами. Поры, выходящие на поверхность шва, иногда называют свищами. Наличие пор при всех условиях нежелательно.

Основной причиной возникновения пор при сварке стали являются водород, азот и окись углерода.

Дефект представляет собой заполненную шлаком несплошности. Канал, как правило, не выходит на поверхность шва.

Шлаковыми включениями называют видимые невооруженным глазом округлые или вытянутые включения шлака, расположенные в металле шва, как у границы сплавления, так и между отдельными слоями или в вершине провара. Шлаковые включения относятся к внутренним дефектам шва. Участки шва, где их величина превышает допускаемую техническими условиями на данный вид продукции, вырубают и заваривают заново.

Непроваром называют местное отсутствие сплавления между свариваемыми элементами, между металлом шва и основным металлом или отдельными слоями при многослойном шве. Участки шва с непроваром, как правило, должны быть удалены и заварены заново.

При сварке металлов образуется большое количество и других, менее распространенных дефектов, таких как зоны несплавления, утяжины, подрезы, прожоги, ожоги, наплывы, кратеры и т.п.

Крупные трещины в швах ликвидируют путем их заварки. Предварительно сверлят сквозные отверстия на расстоянии 40—50 мм от каждого конца трещины, чтобы предупредить ее дальнейшее распространение. Затем пневматическим зубилом, газовым резаком для поверхностной резки или воздушно-дуговым резаком производят V- или Х-образную разделку трещины, зачищают ее кромки от шлака и заваривают обратно-ступенчатым способом . Иногда перед сваркой металл в конце трещины нагревают газовой горелкой до температуры 150—200°С

с тем, чтобы шов и нагретые участки остывали одновременно. Это позволяет избежать появления остаточных напряжений на концах шва.

Швы с внутренними мелкими трещинами, непроварами, газовыми и шлаковыми включениями полностью вырубают или выплавляют и заваривают вновь. Аналогичным образом поступают с пережженными участками.

В сварных конструкциях, изготовленных из углеродистых сталей, применяют как выплавку, так и вырубку швов; в конструкциях же из легированных сталей швы можно только вырубать, так как при выплавке происходит изменение структуры и свойств основного металла.

Рис. 2. Схема исправления сварного соединения с трещиной 1 — места подогрева; 2 — засверленные отверстия; 3 — разделка кромок трещины; 4 — трещина; I, II, III, IV — последовательность заварки

Неполномерность шва устраняют наплавкой дополнительных слоев, а подрезы заваривают тонкими валиковыми швами.

Наплавы, натеки, а также чрезмерное усиление шва удаляют пневматическим зубилом или абразивным инструментом.

При перегреве металла выполняют соответствующую термическую обработку.

Способы устранения дефектов сварных швов

Нарушения размеров и формы шва можно устранить следующим образом. Сделать наплавку дополнительного слоя металла при неполномерности шва, а слишком толстый шов ликвидировать при помощи пневматического зубила или абразивного инструмента. Последний способ можно применить и для устранения наплывов. Подрез зоны сплавления следует заварить тонкими валиковыми швами. Кратеры, непровар, поверхностные и внутренние поры, а также неметаллические включения сначала вырубают пневматическим зубилом или обрабатывают абразивным инструментом, а затем образовавшиеся углубления и впадины заваривают. Можно использовать и выплавку дефектного участка с помощью поверхностной воздушно-дуговой или кислородной резки.

Какие бывают виды дефектов сварных швов?

Причины проблем

Грамотные сталевары понимают, что главное условие качественной сварки & сплошной лист стали. Если же лист недостаточно сплошной, это становится причиной серьёзных проблем. Кроме того, есть другие причины неудач:

• Дефектные швы могут образоваться при неправильной подготовке выбранных сварочных поверхностей.
• Неисправный или неподходящий сварочный инструмент также может испортить работу.
• Низкая квалификация мастера, выполняющего электро- или газосварку также сказывается на качестве результата.
• Неправильный режим сварочного процесса – верный способ сделать плохую стыковку.
• Нарушенная защита сварочной ванны также приводит к ухудшению качества шовной поверхности.
• Если свариваемые детали плохо обработаны, не стоит ожидать стыков правильной формы.
• Высокий процент углерода в сплаве, к сожалению, тоже портит конечный результат.
• Проскальзывающая проволока в держателе.
• Нестабильная работа электросети, постоянные скачки в параметрах.
• Появление люфтов в механизме подачи.
• сдвинутый угол наклона электрода.
• Затёкший в зазор расплавленный металл.

Получается, что до начала работы со сварочным аппаратом следует убедиться в опыте и достаточной квалификации рабочего, исправности инструментария и его соответствии обрабатываемому изделию, хорошем качестве стали, а также выбрать нужный режим работы сварочного аппарата. Соблюдение этих простых правил позволит избежать неприятностей как исполнителю, так и клиенту. Помимо этого, важно ознакомиться с репутацией фирмы, предоставляющей ремонтные услуги, включая сварку.

Выявление изъянов

Когда работа по сварке закончена, необходимо осмотреть изделие, чтобы выявить основные дефекты сварных швов. Мастера при проверке могут воспользоваться:

• поверхностным обмером и осмотром;
• различными методами тестирования непроницаемости;
• специализированными техническими устройствами.

Перед внешним осмотром обязательно нужно удалить загрязнения . Помимо этого, нужно убедиться в том, что форма швов безупречна, а размер везде одинаков. Для проверки размера существуют специальные шаблоны.

Когда мастер испытал непроницаемость и обнаружил непровары, поры и трещины , нужно убедиться в отсутствии внутренних изъянов . Их не так просто заметить. Для этого придётся воспользоваться следующими средствами и способами:

• гамма-лучами или рентгеном;
• магнитным полем ;
• ультразвуковыми колебаниями ;
• можно засверлить контрольное место, но это приведёт к частичному разрушению созданного шва.

Дефекты сварочных швов всегда сопряжены с выполнением ряда сварочных соединений. Однако всё равно нужно стараться допускать как можно меньше ошибок. Главное условие здесь – знание и соблюдение всех нюансов технологического процесса.

Способы устранения изъянов

МЕТОДЫ УСТРАНЕНИЯ ДЕФЕКТОВ СВАРНЫХ ШВОВ

Неполномерность швов устраняется наплавкой дополнительного слоя металла. При этом наплавляемую поверхность необходимо тщательно очистить до металлического блеска абразивным инструментом или металлической щеткой. Чрезмерное усиление шва устраняют с помощью абразивного инструмента или пневматического зубила.

Непровар, кратеры, пористость и неметаллические включения устраняют путем вырубки пневматическим зубилом или расчистки абразивным инструментом всего дефектного участка с последующей заваркой. Часто применяют выплавку дефектного участка резаком поверхностной кислородной или воздушно-дуговой резки.

Подрезы заваривают тонкими валиковыми швами. Наплывы устраняются обработкой абразивным инструментом или с помощью пневматического зубила.

Наружные трещины устраняются разделкой и последующей заваркой. Для предупреждения распространения трещины по концам ее сверлят отверстия. Разделку трещины выполняют зубилом или резаком. Кромки разделки зачищают от шлака, брызг металла, окалины и заваривают. Швы с внутренними трещинами вырубают и заваривают заново. При наличии сетки трещин дефектный участок вырезают и взамен сваркой накладывают заплату.

4 условия реализации ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ

1. паспорт ПРОГРАММЫ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ

ПМ.04 Дефектация сварных швов и контроль качества сварных соединений.

1.1. Область применения программы

Программа профессионального модуля – является частью программы подготовки квалифицированных рабочих, служащих по специальности СПО в соответствии с ФГОС 150709.02 Сварщик :

Дефектация сварных швов и контроль качества сварных соединений и соответствующих профессиональных компетенций:

ПК 4.1. Выполнять зачистку швов после сварки.

ПК 4.2. Определять причины дефектов сварочных швов и соединений.

ПК 4.3. Предупреждать и устранять различные виды дефектов в сварных швах.

ПК 4.4. Выполнять горячую правку сложных конструкций.

1.2. Цели и задачи профессионального модуля – требования к результатам освоения профессионального модуля:

С целью овладения указанным видом профессиональной деятельности и соответствующими профессиональными компетенциями обучающийся в ходе освоения профессионального модуля должен:

иметь практический опыт:

-выполнения зачистки швов после сварки;

-определения причин дефектов сварочных швов и соединений;

-предупреждения и устранения различных видов дефектов в сварных швах;

-выполнения горячей правки сложных конструкций;

-зачищать швы после сварки;

-проверять качество сварных соединений по внешнему виду и излому;

-выявлять дефекты сварных швов и устранять их;

-применять способы уменьшения и предупреждения деформаций при сварке;

— выполнять горячую правку сварных конструкций;

-требования к сварному шву;

-виды дефектов в сварных швах и методы их предупреждения и устранения;

— строение сварного шва, способы их испытания и виды контроля;

-причины возникновения внутренних напряжений и деформаций в свариваемых изделиях и меры их предупреждения.

учебной практики – 180 часов;

лабораторных и практических занятий – 14 часов

Производственная практика -80 часов.

2. результаты освоения ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МОДУЛЯ

Определять причины дефектов сварочных швов и соединений.

Предупреждать и устранять различные виды дефектов в сварных швах.

Выполнять горячую правку сложных конструкций.

Организовывать собственную деятельность, исходя из цели и способов ее достижения, определенных руководителем

Анализировать рабочую ситуацию, осуществлять текущий и итоговый контроль, оценку и коррекцию собственной деятельности, нести ответственность за результаты своей работы.

Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний .

Источники: msd.com.ua, svarkagid.ru, studopedia.su, www.stroyremportal.ru, electrod.biz, velib.com, infourok.ru

Дефекты сварных швов и соединений. Способы их устранения

От качества сварки зависит дальнейшая эксплуатация конструкции, поэтому дефекты сварных соединений не допускаются. Возникновению дефектов способствует множество факторов, например:

• нарушение технологии работ;
• халатность;
• невысокая квалификация сварщика;
• применение неисправного оборудования;
• производство работ без надлежащей подготовки, в неблагоприятных погодных условиях.

Различают допустимые и не допустимые значения дефектов сварных швов от степени снижения технических параметров изделия по прочности. При допустимых нарушениях исправление дефектов сварки не производится, во втором случае их устранение необходимо. Пригодность изделия к эксплуатации, определение соответствия шва нормам производится по ГОСТ 30242-97.

Виды дефектов сварки

Правильный сварочный шов подразумевает однородность состава основного и присадочного материала, образование нужной его формы, отсутствие трещины, непровара, наплыва, наличием чужеродных веществ. Различают следующие виды дефектов сварных соединений:

• наружные;
• внутренние;
• сквозные.

Что собой представляют наружные дефекты?

Наружные дефекты сварных швов и соединений обнаруживаются визуально. Нарушения режима сварки, не соблюдение точности направления и движения электрода из-за спешки или безответственности сварщика, колебания напряжения электричества при производстве сварочных работ приводят к образованию шва неправильного размера и формы.

Характерными признаками наружного вида брака являются: различие ширины продольных швов и катетов угловых, резкость перехода от основной стали к наплавленной.

При ручном способе сварки нарушения происходят вследствие ошибок в подготовке кромок, пренебрежения режимом и скоростью сварки, отсутствия своевременного контрольного обмера. Дефекты сварных швов и причины их образования при ведении автоматического или полуавтоматического способа сварочных работ кроются в чрезмерных скачках напряжения электричества, ошибках в режиме. Различают следующие наружные виды дефектов сварных швов:

Трещины швов бывают горячие и холодные, продольные, поперечные, радиальные. Первые из них имеют место при применении высоких температур от 1100 до 1300°С, воздействующих на свойства металла в плане снижения пластичности, появления деформаций растяжения. Этот вид дефектов сварных швов сопровождается увеличением в составе стали нежелательных химических элементов. Холодные трещины могут появляться при температуре до 120°С во время остывания, позже – под воздействием нагрузок во время эксплуатации. Причиной данного вида брака может стать снижение прочности стали из-за сварочных напряжений или присутствие растворенных атомов водорода.

Трещина в сварочном шве

Подрез характеризуется наличием углубления между сплавленной и основной сталью. Этот вид дефекта сварочного шва встречается больше других. Увеличение напряжения дуги при быстрой сварке, приводит к утончению толщины стали, снижению прочности. Более глубокая проплавка одной из кромок является причиной стекания жидкой стали на другую поверхность, из-за чего канавка сварки не успевает заполниться. В данном случае, дефекты сварки и способы их устранения определяются визуально. Недостатки в работе устраняются путем зачистки, с последующей переваркой.

Подрез сварочного шва

Наплыв возникает, когда сплавленный металл натекает на поверхность основной стали без образования однородной массы с ним. Этому виду брака характерно образование очертания шва без обретения достаточной прочности, что сказывается в общей выносливости металла. Причина брака в применении низкого напряжения дуги, наличие окалин на кромках частей, натекание проплавленной стали при сварке горизонтальных швов, когда поверхность свариваемых конструкций вертикальна. Чрезмерно медленная сварка также приводит к образованию наплывов, из-за появления излишек расплавленного металла.

Наплыв

 Кратеры появляются из-за резкого отрыва дуги. Они имеют вид углублений, где может образоваться непровар, рыхлость материала с усадочным свойством, приводящим к появлению трещин. Кратеры возникают из-за погрешностей сварщика. Так как кратер обычно является причиной появления трещин, из-за чего не допускается, при его обнаружении следует зачистить, затем заваривать повторно.

Образовавшийся кратер в сварочном шве

Свищи имеют вид воронок с углублением на теле шва. Они образуются из раковин или пор достаточно больших размеров, при недостаточной подготовке поверхности элементов сварки и присадочной проволоки. Данный вид дефекта также можно увидеть при визуальном осмотре и подлежат немедленному устранению.

Типичные воронки свища

Внутренние дефекты сварочных швов

Внутренние недостатки сварки визуально обнаружить невозможно. Обычно появляются из-за нарушения технологического процесса сварки и не надлежащего качества материала. При внутренних дефектах также могут появиться трещины, но они не видны или малы, но со временем могут раскрыться. Скрытые трещины опасны тем, что их трудно обнаружить, а напряжение может возрастать постепенно, и может привести к скоротечному разрушению конструкции, поэтому чрезмерно опасны. Причиной брака могут быть огромные напряжения, быстрое охлаждение при использовании углеродистых и легированных сталей. Наиболее распространенные виды данного рода дефектов следующие:

 Непровар происходит при недостаточном сплавлении свариваемых частей шва на местах. Причина кроется в ненадлежащей подготовке кромок, связанных с наличием ржавчины, окалины, недостатком зазора и притуплением кромок. Кроме этого, спешка и быстрая скорость ведения сварки, малая сила тока или смещение электрода от оси шва тоже могут привести к непровару шва. Из-за уменьшения сечения сварного шва появляется концентрация напряжений, что отражается в снижении прочности соединений, которая составляет при вибрационных нагрузках до 40%, а большие участки непроваров – до 70%. При превышении допустимых значений требуется зачистка шва и ее переварка.

Непровар и незаполнение

Поры – это свободные пространства сварного шва, заполненные газом, преимущественно, водородом. Причиной этого вида брака является наличие чужеродных примесей в свариваемых материалах, сырость, недостаточная защита сварочной ванны. При превышении допустимых концентраций пор сварочный шов подлежит переварке.

Поры в сварном шве

Кроме этого, можно отметить шлаковые, вольфрамовые, оксидные включения, также возникающие при нарушении технологии сварочного процесса.

Сквозные дефекты

Этот вид брака подразумевают наличие пор, проходящих через всю толщину сварки, также обнаруживаются визуально. Преимущественно возникают при ведении сквозной сварки. При данном виде дефекта возможно появление прожогов и трещин.

Прожог

Прожог возникает от применения большого тока и медленной сварки. Причина – чрезмерная открытость зазора у кромок, неплотное прилегание подкладок, вследствие чего происходит утечка сварочной ванны. Проверка шва на наличие брака проводится визуально, при его превышении допустимой нормы, требуется зачистка и переварка сварки.

Методы обнаружения, контроля и устранения дефектов

Чтобы обнаружить дефекты сварного шва применяются следующие способы:

1.  визуальный осмотр – проводится с применением увеличительных приборов;
2.  цветная дефектоскопия – основан на изменении цвета специального материала при соприкосновении с текучим материалом, например, с керосином;
3. магнитный метод – измерение искажения магнитных волн;
4.  ультразвуковой метод – применение ультразвуковых дефектоскопов, измеряющих отражение звуковых волн;
5.  радиационный метод – просвечивание сварных швов рентгеном и получение снимка со всеми деталями дефекта.

Для обеспечения качества сварного шва проводится маркировка и клеймение. Каждый сварщик ставит свое клеймо на своем участке сварки.

При обнаружении брака необходимо провести устранение дефектов сварки. Для этого применяют следующие виды работ:

• заварка – используют для ликвидации крупных трещин, предварительно подготовив трещину сверлением и зачисткой при помощи зубила или абразивного инструмента;
•  внутренние мелкие трещины, непровары и включения подлежат полной зачистке или вырубке с повторной сваркой;
•  неполные швы и подрезы сварного шва устраняют наплавкой или заваркой тонкими слоями;
•  удаление наплывов производят механическим путем с помощью абразивного инструмента;
•  перегрев металла устраняют путем термической обработки.

Виды дефектов сварных швов и методы их устранения

Отклонения от утвержденных стандартов, технических условий и требований, возникшие при изготовлении различных изделий или соединении конструкций при помощи сварки, называют дефектами сварного шва (соединения). Они классифицируются по ряду признаков: степени воздействия на качество соединения, характеру проявления, местоположения и т.д.

Основные причины появления дефектов сварных соединений:

• Низкое качество соединяемых материалов.
• Некачественное или неисправное сварочное оборудование.
• Нарушение технологии ведения сварки и неверно выбранные параметры.
• Неправильно подобранные расходные материалы для сварки.
• Недостаточно высокая квалификация специалиста, осуществляющего сварку.

Если дефекты сварного шва не оказывают заметного влияния на эксплуатационные качества изделий или прочность конструкций и укладываются в установленные нормы, то их называют допустимыми. Дефекты, наличие которых может привести к разрушению конструкции или детали при воздействии нормативных нагрузок, считаются недопустимыми и требуют устранения. Причем по техническим требованиям допускается не более двух попыток, так как последующие в любом случае ухудшают качество соединения.

В зависимости от местоположения дефекты сварного соединения делят на 3 группы: наружные, внутренние и сквозные. К первым относятся поверхностные трещины, подрезы, наплывы и кратеры, ко вторым – непровары, поры, свищи и посторонние твердые включения, к третьим – сквозные трещины и прожоги.

Несплавление или непровар – дефект сварного шва, при котором отсутствует прочное соединение между основным и наплавляемым металлом из-за недостаточного взаимного проникновения. Непроваром считается и неполное заполнение полости между соединяемыми поверхностями наплавляемым металлом, или наличие просвета между наплавленными слоями при двусторонней сварке. В любом из этих случаев дефект считается недопустимым и требует устранения путем дополнительного наплавления металла.

Основными причинами непровара являются недостаточно высокий для работы с рабочими поверхностями данной толщины сварочный ток, а также чрезмерно быстрое перемещение электрода. В ряде случаев он является следствием неправильного подбора диаметра электрода или полярности подключения кабелей, а также недостаточного зазора между соединяемыми кромками или их перекос. Иногда данный дефект проявляется при попадании шлака между кромками.

Трещины –  достаточно опасные дефекты сварного шва, часто приводящие к полному разрушению соединения. Выражаются образованием видимых разрывов в наплавленном или основном металле, а также на стыке между ними. Могут быть продольными, поперечными и продольно-поперечными (звездообразными). Различают горячие и холодные трещины. Первые образуются во время перехода металла из жидкого состояния в твердое и обычно являются результатом неправильного выбора типа присадочных материалов. Холодные трещины проявляются после полного остывания металла, а в некоторых случаях уже после воздействия нагрузок.

Основные причины проявления этого дефекта – превышение допустимых нагрузок при эксплуатации, резкие перепады температур, неправильное расположение швов.

Устранение данного дефекта осуществляется путем сверления отверстий на концах трещины для предупреждения распространения, срезом поврежденной части шва и повторной сваркой с учетом причин появления брака.

Подрезы – дефекты сварного соединения, выражающиеся в образовании продольных углублений в основном металле по одну или обе стороны от шва. Как правило, односторонний подрез встречается при сварке поверхностей, расположенных под углом друг к другу, например, тавровых соединений. В данном случае его причиной является стекание расплава на горизонтальную поверхность (на последней в результате образуется наплав), ввиду того что дуга в большей степени направлена на вертикальную. Двусторонний подрез образуется при излишне высоком сварочном токе, длине дуги или скорости перемещения электрода или горелки.

Подрез уменьшает прочность сварочного соединения пропорционально глубине канавок. Устраняется этот дефект достаточно легко – путем наплавления небольшого количества металла в сами углубления.

Наплывы – достаточно распространенные дефекты, выражающиеся в образовании излишков наплавляемого металла, не соединившегося с основным. Причинами этого явления могут быть некачественная предварительная подготовка кромок или недостаточный прогрев основного металла из-за малого тока.

Сами по себе наплавы не ухудшают прочности сварного соединения, однако чаще всего свидетельствуют о наличии иных дефектов – подрезов или непроваров. В связи с этим их устраняют путем среза для проверки качества шва.

Прожоги – дефекты сварочного шва, выражающиеся в образовании сквозного отверстия в наплавляемом металле в результате его утечки из сварочной ванны. Прожог обычно является итогом превышения сварочного тока или низкой скорости перемещения горелки или электрода, а также недопустимо большое расстояние между кромками соединяемых поверхностей. Обычно проявляется при сварке алюминия.

Так как сквозные отверстия снижают прочность сварного соединения, прожоги требуют устранения, которое осуществляется путем их заваривания.

Кратеры – конические углубления в шве, причиной появления которых является резкий обрыв сварочной дуги. Основная опасность данных дефектов заключается в увеличении риска образования трещин, поэтому кратеры подлежат заварке. В качественных современных сварочных аппаратах образование подобных дефектов предотвращается специальными системами, автоматически снижающими ток при обрыве дуги.

Поры, раковины и свищи – дефекты сварного соединения, выражающиеся в образовании внутри наплавленного металла в виде наполненных газом полостей. Бывают внутренними и поверхностными, различными по размеру, форме и природе появления. Обычно возникают в результате чрезмерно интенсивного процесса образования газа в металле, связанного с неправильной подготовкой соединяемых поверхностей, низким качеством  присадок или нарушением условий хранения электродов, а также наличием посторонних примесей в основном и наплавляемом металле.

Наличие пор делает соединение хрупким и неустойчивым к различным видам нагрузок. Устраняется данная проблема путем вырезания части шва и последующим его завариванием с соблюдением требований и технологии.

Твердые (шлаковые, флюсовые, оксидные, металлические и др.) включения в металле шва являются одними самых сложных дефектов, ввиду сложности их обнаружения. Визуально снаружи они незаметны, поэтому могут быть выявлены только при помощи различных инструментальных методов оценки качества соединения.

Основные причины появления посторонних включений в металле – низкое качество расходных материалов и недостаточно качественная подготовка кромок. Устраняются вырезкой шва и повторной сваркой.

Технологические методы предупреждения образования дефектов в сварных соединениях углеродистых и низколегированных сталей

Дефекты, появляющиеся в сварных соединениях углеродистых и низколегированных сталей, различаются по месту расположения (наружные и внутренние) и причинам возникновения. В зависимости от причин возникновения их можно разделить на две группы:

1) кристаллизационные и холодные трещины в металле шва и околошовной зоне, поры, шлаковые каналы, флокены, отклонения от необходимых прочностных и пластических свойств металла шва и сварного соединения, а также неблагоприятные изменения свойств металла околошовной зоны;

2) непровары, подрезы, наплывы, прожоги, кратеры, несимметричность расположения угловых швов, уменьшение размеров швов и др.

 

Стойкость металла шва против кристаллизационных трещин определяется рядом взаимосвязанных факторов. Основные из них – это величина температурного интервала хрупкости (чем шире этот интервал, тем больше вероятность образования трещин), пластичность металла в этом интервале и интенсивность нарастания пластических деформаций по мере снижения температуры металла (темп деформации).

Влияние растягивающих напряжений уменьшается (как уже отмечалось) путем предварительного подогрева, рационального порядка наложения швов и выбора способов и режимов сварки, обеспечивающих минимальную величину этих напряжений. Положительное влияние подогрева обусловлено отдалением момента возникновения растягивающих напряжений и снижением скорости их нарастания в период, когда металл шва обладает пониженной пластичность. Температура предварительного подогрева, при которой не наблюдается образования трещин, зависит от химического состава металла шва, конструкции, сечения деталей и других факторов и обычно изменяется в пределах 150…500°С.

Наиболее широко применяемыми технологическими методами повышения стойкости шва против образования кристаллизационных трещин являются:

• снижение в нем содержания углерода и кремния;

• уменьшение доли участия основного металла в металле шва;

• выбор типа покрытия (электрода или флюса), при металлургическом взаимодействии которых с металлом сварочной ванны происходит очищение ее от вредных примесей и легирование полезными элементами.

Долю основного металла в шве можно снизить применением сварки на малых токах, двумя дугами, по присадочной проволоке и др. Влияние формы шва на стойкость его против образования кристаллизационных трещин наблюдается при дуговой сварке, ЭШС и ЭЛС. Увеличение коэффициента формы шва до определенного предела (примерно 6) повышает стойкость металла шва против образования кристаллизационных трещин. Изменение формы провара – один из широко применяемых технологических методов повышения стойкости металла шва против образования кристаллизационных трещин. Значение коэффициента формы шва не больше 6 (наряду с другими факторами) определяет большую стойкость против образования кристаллизационных трещин швов, выполненных дуговой сваркой, покрытыми электродами и электрошлаковой сваркой, по сравнению со швами, сваренными под флюсом. При типичных для первых двух способов режимах сварки, коэффициент формы шва изменяется в пределах 2,5…5 против 1…2,5 при сварке под флюсом.

Повышению стойкости швов против образования кристаллизационных трещин при ручной дуговой сварке способствует снижение доли основного металла в металле шва, а при ЭШС – наличие сопутствующего подогрева.

Предупреждение холодных трещин в шве, образующихся главным образом при повышенном содержании их в основном металле (околошовных трещин), заключается в регулировании термического цикла сварки путем использования соответствующих технологических режимов, а также предварительного подогрева в диапазоне 150…500°С.

Предупреждение возникновения пор в шве – это ограничение поступления водорода и водяного пара в зону сварки, очистка свариваемых кромок от ржавчины, влаги, масла, краски и других водородосодержащих веществ. При низкой температуре кромки следует очищать от инея и влаги нагревом до температуры 100°С и выше. Ржавчину, масло или краску можно выжигать кислородно-ацетиле новой горелкой и резаком. Сварочную проволоку следует очищать от следов волочильно смазки и других загрязнений, избегать операции травления проволоки при ее волочении (лучше проводить светлый отпуск). Сварочны электроды необходимо надежно упаковывать хранить в сухом помещении. Защитный газ следует применять с минимальной влажностью. Флюс должен быть хорошо прокален.

Избежать пористости от воздействия азота можно путем ограничения его растворения жидком электродном металле и металлическо ванне до величин, меньших растворимости азота в твердом металле, повышением растворимости азота в твердом металле, связывание азота в металле шва в стойкие нитриды. Растворение азота в металле ограничивают применением газовой или шлаковой за щиты зоны сварки от доступа воздуха. Кроме того, нужно исключить все другие возможности поступления азота в зону сварки. Нельзя выполнять прихватки, монтажные и подварочные швы электродами со стабилизирующим покрытием или покрьггыми электродами с отбитой обмазкой. Объемная доля азота в защитных газах должна быть минимальной (0,008…0,010 %).

Поры от выделения оксида углерода возникают при отсутствии или недостаточной раскисленности металла сварочной ванны. Чтобы избежать пористости от выделения оксида углерода, в зону сварки вводят элементы с высоким химическим сродством к кислороду, образующие твердые или жидкие оксиды. Так, небольшие присадки титана или алюминия подавляют реакцию образования оксида углерода Кремний также действует при достаточной его концентрации в расплавленном металле.

На пористость швов существенно влияет скорость кристаллизации сварочной ванны. Если образование и выделение газов при сварке происходит в период, когда ванна находится в жидком состоянии и процесс протекает интенсивно, то пузырьки газов успевают полностью выделиться из сварочной ванны и пористость не образуется.

Снижение скорости сварки, увеличение объема сварочной ванны, начальной температуры основного металла снижают скорость кристаллизации ванны и уменьшают пористость швов.

Для предотвращения несплавления прибегают к обеспечивающим уменьшение разрыва во времени между образованием и заполнением канавки видам сварки:

• на отпуск;

• наклонным электродом углом вперед;

• двумя и тремя дугами;

• с подогревом и др.

В большинстве случаев зазор, образовавшийся между основным металлом и металлом шва, заполнен затекшим туда шлаком. Зону несплавления следует отличать от непровара и подреза, имеющих другие причины появления. Непровар уменьшает сечение шва и вызывает значительную концентрацию напряжений, что иногда может привести к образованию трещин. Непровар по толщине свариваемого металла может быть вызван неправильным выбором режима сварки, не предусматривающим достаточный запас глубины проплавления, или его нарушением в процессе выполнения данного шва (главным образом уменьшением силы тока). Причиной непровара может служить также недостаточно точное направление конца электрода по месту сопряжения кромок. Довольно часто непровары наблюдаются в начале и в конце шва. Это связано с тем, что глубина провара на этом участке вследствие неустановившегося теплового процесса уменьшается.

Подрез – следствие излишне высокого напряжения дуги или недостаточно точного ведения электрода по оси соединения. В первом случав часть канавки, выплавленной дугой в основном металле, не заполняется металлом сварочной ванны. Если ширина канавки меньше ширины шва, который может сформироваться при данном количестве дополнительного металла, то образуется выпуклый шов.

При неточном ведении электрода происходит более глубокое проплавление одной из кромок, и металла сварочной ванны не хватает для полного заполнения образовавшейся канавки. При сварке наклонным электродом или вертикальным электродом с оплавлением кромки, образование подреза облегчается стеканием металла на горизонтально расположению деталь. Появление подрезов при сварке стыковых швов без разделки кромок связано также с плохим растеканием металла

Для предупреждения образования наплыва следует увеличить ширину шва, повысив напряжение дуги, или уменьшить количество металла, образующего усиление. Это достигается путем размещения металла в зазоре между свариваемыми кромками или в разделке.

Прожоги возникают при нарушении режима сварки, увеличении зазора между свариваемыми кромками, изменении положения (наклона) электрода или изделия и неплотном прилегании флюсовой, флюсомедной или стальной подкладки к свариваемым листам. Это недопустимый дефект сварного соединения. Места прожогов должны быть зачищены и заварены заново.

 

Неразрушающий контроль сварных швов

Азбука неразрушающего контроля сварных швов
Перепечатано с разрешения журнала Welding Journal

Понимание преимуществ и недостатков каждой формы неразрушающего контроля может помочь вам выбрать лучший метод для вашего приложения.

Философия, которой часто руководствуются при изготовлении сварных узлов и конструкций, заключается в «обеспечении качества сварного шва». Однако термин «качество сварного шва» относителен. Приложение определяет, что хорошо, а что плохо.Как правило, любой сварной шов имеет хорошее качество, если он соответствует требованиям к внешнему виду и будет бесконечно долго выполнять свою работу, для которой он предназначен. Первым шагом в обеспечении качества сварки является определение степени, требуемой для применения. Стандарт должен быть установлен на основе требований к услуге.

Стандарты, разработанные для обеспечения качества сварки, могут отличаться от работы к работе, но использование соответствующих методов сварки может обеспечить уверенность в том, что применимые стандарты соблюдаются.Каким бы ни был стандарт качества, следует проверять все сварные швы, даже если проверка включает в себя не что иное, как сварщик, выполняющий свою работу после каждого прохода. Красивый внешний вид поверхности сварного шва часто считается показателем высокого качества сварки. Однако внешний вид сам по себе не гарантирует хорошего качества изготовления или внутреннего качества.

Методы контроля неразрушающим контролем (NDE) позволяют проверять соответствие стандартам на постоянной основе, исследуя поверхность и подповерхность сварного шва и окружающий основной материал.Для исследования готовых сварных швов обычно используются пять основных методов: визуальный, проникающий, магнитопорошковый, ультразвуковой и радиографический (рентгеновский). Растущее использование компьютеризации с некоторыми методами обеспечивает дополнительное улучшение изображения и позволяет просматривать в режиме реального времени или почти в реальном времени, проводить сравнительные проверки и архивировать. Обзор каждого метода поможет решить, какой процесс или комбинацию процессов использовать для конкретной работы и провести исследование наиболее эффективно.

Визуальный осмотр (VT)
Визуальный осмотр часто является наиболее экономичным методом, но он должен проводиться до, во время и после сварки.Многие стандарты требуют его использования перед другими методами, потому что нет смысла подвергать явно плохой сварной шов сложным методам контроля. В стандарте ANSI / AWS D1.1 «Правила сварки конструкций — сталь» говорится: «Сварные швы, подлежащие неразрушающему контролю, должны быть признаны приемлемыми при визуальном осмотре». Визуальный осмотр требует небольшого оборудования. Помимо хорошего зрения и достаточного освещения, все, что для этого требуется, — это карманная линейка, измеритель размера сварного шва, увеличительное стекло и, возможно, прямая кромка и угольник для проверки прямолинейности, совмещения и перпендикулярности.

Перед зажиганием первой сварочной дуги необходимо проверить материалы, чтобы убедиться, что они соответствуют требованиям по качеству, типу, размеру, чистоте и отсутствию дефектов. Жир, краску, масло, оксидную пленку или тяжелую окалину следует удалить. Соединяемые детали следует проверить на плоскостность, прямолинейность и точность размеров. Таким же образом следует проверить выравнивание, сборку и подготовку стыков. Наконец, следует проверить параметры процесса и процедуры, включая размер и тип электродов, настройки оборудования и условия для предварительного или последующего нагрева.Все эти меры предосторожности применяются независимо от используемого метода проверки.

Во время изготовления визуальный осмотр сварного шва и кратера на конце может выявить такие проблемы, как трещины, недостаточное проплавление, а также газовые или шлаковые включения. Среди дефектов сварного шва, которые можно распознать визуально, — трещины, поверхностные включения шлака, поверхностная пористость и подрез.

Для простых сварных швов проверка в начале каждой операции и периодически по мере выполнения работ может быть достаточной.Однако, если наносится более одного слоя металлического наполнителя, может быть желательно проверить каждый слой перед нанесением следующего. Корневой проход многопроходного соединения наиболее важен для прочности сварного шва. Он особенно подвержен растрескиванию и, поскольку он быстро затвердевает, может задерживать газ и шлак. При последующих проходах условия, вызванные формой сварного шва или изменениями в конфигурации соединения, могут вызвать дальнейшее растрескивание, а также подрезы и улавливание шлака. Затраты на ремонт можно свести к минимуму, если визуальный осмотр обнаружит эти недостатки до начала сварки.

Визуальный контроль на ранней стадии производства также может предотвратить недосварку и переварку. Нельзя допускать сварные швы меньшего размера, чем указано в спецификациях. Слишком большие бусины излишне увеличивают стоимость и могут вызвать деформацию из-за дополнительной усадки.

После сварки визуальный осмотр позволяет обнаружить множество дефектов поверхности, включая трещины, пористость и незаполненные кратеры, независимо от последующих процедур проверки. Можно оценить отклонения размеров, коробление и дефекты внешнего вида, а также характеристики размера сварного шва.

Перед проверкой поверхностных дефектов сварные швы необходимо очистить от шлака. Перед осмотром не следует проводить дробеструйную очистку, так как ударная обработка может закрыть мелкие трещины и сделать их невидимыми. Например, Кодекс по сварке конструкций AWS D1.1 не допускает упрочнение «корневого или поверхностного слоя сварного шва или основного металла по краям сварного шва».

Визуальный осмотр позволяет обнаружить только дефекты сварной поверхности. Спецификации или применимые нормы могут потребовать, чтобы также была исследована внутренняя часть сварного шва и прилегающие металлические зоны.Неразрушающие исследования могут использоваться для определения наличия дефекта, но они не могут измерить его влияние на работоспособность продукта, если они не основаны на корреляции между дефектом и некоторыми характеристиками, влияющими на обслуживание. В противном случае разрушающие испытания — единственный надежный способ определить работоспособность сварного шва.

Радиографический контроль
Рентгенография (рентген) — один из наиболее важных, универсальных и широко распространенных методов неразрушающего контроля — Рис.1. Рентген используется для определения внутренней прочности сварных швов. Термин «качество рентгеновских лучей», широко используемый для обозначения высокого качества сварных швов, происходит от этого метода контроля.

Рентгенография основана на способности рентгеновских лучей и гамма-лучей проходить через металл и другие материалы, непрозрачные для обычного света, и производить фотографические записи передаваемой лучистой энергии. Все материалы будут поглощать известное количество этой лучистой энергии, и, следовательно, рентгеновские лучи и гамма-лучи могут использоваться для выявления разрывов и включений внутри непрозрачного материала.Постоянная запись на пленку внутренних условий покажет основную информацию, по которой можно определить прочность сварного шва.

Рентгеновские лучи производятся генераторами высокого напряжения. По мере увеличения высокого напряжения, подаваемого на рентгеновскую трубку, длина волны испускаемого рентгеновского излучения становится короче, обеспечивая большую проникающую способность. Гамма-лучи образуются при атомном распаде радиоизотопов. Радиоактивные изотопы, наиболее широко используемые в промышленной радиографии, — это кобальт 60 и иридий 192.Гамма-лучи, испускаемые этими изотопами, похожи на рентгеновские лучи, за исключением того, что их длины волн обычно короче. Это позволяет им проникать на большую глубину, чем рентгеновские лучи той же мощности, однако время экспозиции значительно больше из-за большей интенсивности.

Когда рентгеновские лучи или гамма-лучи направляются на участок сварной конструкции, не все излучение проходит через металл. Различные материалы, в зависимости от их плотности, толщины и атомного номера, будут поглощать лучистую энергию разной длины.

Степень, в которой различные материалы поглощают эти лучи, определяет интенсивность лучей, проникающих через материал. Когда регистрируются вариации этих лучей, становится доступным средство заглянуть внутрь материала. Изображение на проявленной светочувствительной пленке называется рентгенограммой. Более толстые участки образца или материала с более высокой плотностью (включения вольфрама) будут поглощать больше излучения, а соответствующие им участки на рентгенограмме будут светлее — Рис. 2.

В магазине или в полевых условиях надежность и интерпретирующая ценность рентгенографических изображений зависят от их резкости и контрастности.Способность наблюдателя обнаружить дефект зависит от резкости его изображения и его контраста с фоном. Чтобы быть уверенным, что рентгенографическое облучение дает приемлемые результаты, на деталь помещают датчик, известный как индикатор качества изображения (IQI), чтобы его изображение было воспроизведено на рентгенограмме.

IQI, используемые для определения качества рентгенографии, также называются пенетраметрами. Стандартный дырочный пенетраметр представляет собой прямоугольный кусок металла с тремя просверленными отверстиями заданного диаметра.Толщина куска металла — это процент от толщины исследуемого образца. Диаметр каждого отверстия разный и кратен толщине пенетраметра. Пенетраметры проволочного типа также широко используются, особенно за пределами США. Они состоят из нескольких отрезков проволоки разного диаметра. Чувствительность определяется наименьшим диаметром проволоки, который хорошо виден на рентгенограмме.

Пенетраметр не является индикатором или измерителем для измерения размера несплошности или минимального обнаруживаемого размера дефекта.Это показатель качества рентгенографической техники.

Рентгенологические изображения не всегда легко интерпретировать. Следы и полосы от обращения с пленкой, туман и пятна, вызванные ошибками проявления, могут затруднить выявление дефектов. Такие пленочные артефакты могут маскировать несплошности сварного шва.

Дефекты поверхности будут видны на пленке и должны быть распознаны. Поскольку угол экспонирования также влияет на рентгенограмму, анализ угловых швов этим методом затруднен или невозможен.Поскольку рентгеновский снимок сжимает все дефекты, возникающие по всей толщине сварного шва, в одну плоскость, он имеет тенденцию создавать преувеличенное впечатление о дефектах рассеянного типа, таких как пористость или включения.

Рентгеновское изображение внутренней части сварного шва можно просматривать на флуоресцентном экране, а также на проявленной пленке. Это позволяет проверять детали быстрее и с меньшими затратами, но качество изображения хуже. Компьютеризация позволила преодолеть многие недостатки радиографической визуализации, связав флуоресцентный экран с видеокамерой.Вместо того, чтобы ждать проявления пленки, изображения можно просматривать в режиме реального времени. Это может улучшить качество и снизить затраты на производственные операции, такие как сварка труб, где проблему можно быстро выявить и устранить.

Оцифровывая изображение и загружая его в компьютер, изображение может быть улучшено и проанализировано до невиданной ранее степени. Можно наложить несколько изображений. Значения пикселей можно отрегулировать, чтобы изменить оттенки и контраст, выявив мелкие дефекты и неоднородности, которые не проявятся на пленке.Цвета могут быть назначены различным оттенкам серого, чтобы еще больше улучшить изображение и выделить недостатки. Процесс оцифровки изображения, снятого с флуоресцентного экрана, — когда компьютер обрабатывает изображения и передает его на монитор, — занимает всего несколько секунд. Однако из-за временной задержки мы больше не можем рассматривать это «реальное время». Это называется «радиоскопические снимки».

Существующие пленки можно оцифровать для достижения тех же результатов и улучшения процесса анализа.Еще одним преимуществом является возможность архивировать изображения на лазерных оптических дисках, которые занимают гораздо меньше места, чем хранилища старых пленок, и их гораздо легче вызвать при необходимости.

Промышленная радиография, таким образом, представляет собой метод контроля с использованием рентгеновских лучей и гамма-лучей в качестве проникающей среды и уплотненной пленки в качестве носителя записи для получения фотографической записи внутреннего качества. Обычно дефекты сварных швов состоят либо из пустот в самом металле шва, либо из включений, плотность которых отличается от окружающего металла шва.

Радиографическое оборудование излучает чрезмерное количество излучения, которое может быть вредным для тканей тела, поэтому необходимо строго соблюдать все меры безопасности. Для достижения удовлетворительных результатов необходимо тщательно выполнять все инструкции. Только персонал, обученный радиационной безопасности и квалифицированный как промышленный рентгенолог, должен иметь право проводить радиографические исследования.

Контроль магнитных частиц (MT)
Контроль магнитных частиц — это метод обнаружения и определения несплошностей в магнитных материалах.Он отлично подходит для обнаружения поверхностных дефектов в сварных швах, включая неоднородности, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, и те, которые находятся немного под поверхностью.

Этот метод может использоваться для проверки кромок листа перед сваркой, в процессе проверки каждого сварного прохода или слоя, оценки после сварки и для проверки ремонта
— Рис. 3.

Это хороший метод для обнаружения поверхностных трещин любого размера как в сварном шве, так и в прилегающем основном металле, подповерхностных трещинах, неполном сплавлении, поднутрении и недостаточном проплавлении сварного шва, а также дефектов на отремонтированных краях основного металла.Хотя испытание с помощью магнитных частиц не должно заменять рентгенографию или ультразвуковое исследование для оценки геологической среды, оно может иметь преимущество перед их методами при обнаружении плотных трещин и неоднородностей поверхности.

При использовании этого метода зонды обычно размещаются с каждой стороны проверяемой области, и между ними на рабочем месте пропускается большая сила тока. Магнитный поток создается перпендикулярно потоку тока — рис. 3. Когда эти силовые линии встречаются с разрывом, например, с продольной трещиной, они отклоняются и просачиваются через поверхность, создавая магнитные полюса или точки притяжения.Магнитный порошок, присыпанный к поверхности, будет цепляться за зону утечки сильнее, чем где-либо еще, образуя признак неоднородности.

Для проявления этого признака неоднородность должна быть расположена под углом к ​​магнитным силовым линиям. Таким образом, при продольном пропускании тока через заготовку будут видны только продольные дефекты. Помещение заготовки в катушку соленоида создаст продольные силовые линии (рис. 3), которые сделают поперечные и угловые трещины видимыми при нанесении магнитного порошка.

Хотя метод магнитных частиц намного проще в использовании, чем радиографический контроль, он ограничен использованием ферромагнитных материалов и не может использоваться с аустенитными сталями. Соединение между основным металлом и сварным швом с различными магнитными характеристиками приведет к возникновению магнитных неоднородностей, которые могут быть ошибочно интерпретированы как ненадежные. С другой стороны, истинный дефект может быть скрыт порошком, цепляющимся за безвредный магнитный разрыв. Чувствительность уменьшается с увеличением размера дефекта, а также с круглыми трещинами, такими как газовые карманы.Он лучше всего подходит для удлиненных форм, таких как трещины, и ограничивается дефектами поверхности и некоторыми внутренними дефектами, в основном на более тонких материалах.

Поскольку поле должно быть достаточно искажено, чтобы создать внешнюю утечку, необходимую для выявления дефектов, мелкие удлиненные неоднородности, такие как микротрещины, швы или включения, параллельные магнитному полю, не будут обнаружены. Их можно развить, изменив направление поля, и рекомендуется применять поле с двух направлений, предпочтительно под прямым углом друг к другу.

Магнитные порошки можно наносить сухим или влажным способом. Метод сухого порошка популярен для проверки тяжелых сварных деталей, тогда как мокрый метод часто используется для проверки компонентов самолетов. Сухой порошок равномерно посыпается по поверхности с помощью краскопульта, мешка для пыли или распылителя. Мелкодисперсные магнитные частицы имеют покрытие для увеличения их подвижности и доступны в сером, черном и красном цветах для улучшения видимости. В мокром методе очень мелкие красные или черные частицы взвешиваются в воде или легком нефтяном дистилляте.Его можно растекать или распылять, либо деталь можно окунуть в жидкость. Влажный метод более чувствителен, чем сухой метод, потому что он позволяет использовать более мелкие частицы, которые могут обнаруживать очень мелкие дефекты. Флуоресцентные порошки могут использоваться для повышения чувствительности и особенно полезны для определения несплошностей в углах, шпоночных пазах, шлицах и глубоких отверстиях.

Проверка проникающей жидкостью (PT)
Трещины и проколы на поверхности, которые не видны невооруженным глазом, могут быть обнаружены путем проверки проникающей жидкостью.Он широко используется для обнаружения утечек в сварных швах и может применяться с аустентными сталями и цветными металлами, где магнитопорошковый контроль был бы бесполезен.

Пенетрантный контроль часто называют расширением метода визуального контроля. Многие стандарты, такие как AWS D.1. Кодекс гласит, что «сварные швы, подлежащие испытанию на проникновение жидкости, должны оцениваться на основе требований к визуальному контролю».

Используются два типа проникающих жидкостей — флуоресцентные и видимые красители.При флуоресцентном проникающем контроле на поверхность исследуемой детали наносится сильно флуоресцентная жидкость с хорошими проникающими свойствами. Капиллярное действие втягивает жидкость в отверстия на поверхности, а затем удаляется излишек. «Проявитель» используется для нанесения пенетранта на поверхность, и полученная индикация просматривается в ультрафиолетовом (черном) свете. Высокий контраст между флуоресцентным материалом и объектом позволяет обнаруживать мельчайшие следы пенетранта, указывающие на дефекты поверхности.

Проверка пенетранта красителя аналогична, за исключением того, что используются ярко окрашенные красители, видимые при обычном свете — рис. 4. Обычно с пенетрантами красителя используется белый проявитель, который создает резко контрастирующий фон с ярким цветом красителя. Это обеспечивает большую портативность, устраняя необходимость в ультрафиолетовом свете.

Проверяемая деталь должна быть чистой и сухой, потому что любые посторонние предметы могут закрыть трещины или отверстия и исключить проникновение пенетранта. Пенетранты можно наносить окунанием, распылением или кистью, но должно быть достаточно времени, чтобы жидкость полностью впиталась в неровности.Это может занять час или больше при очень сложной работе.

Жидкостный проникающий контроль широко используется для обнаружения утечек. Распространенной процедурой является нанесение флуоресцентного материала на одну сторону сустава, ожидание достаточного времени для возникновения капиллярного эффекта, а затем просмотр другой стороны в ультрафиолетовом свете. В тонкостенных резервуарах этот метод позволяет выявить утечки, которые обычно не обнаруживаются при обычном воздушном испытании с давлением 5–20 фунтов / дюйм2. Однако, когда толщина стенки превышает in дюйма, чувствительность испытания на герметичность снижается.

Ультразвуковой контроль (UT)
Ультразвуковой контроль — это метод обнаружения неоднородностей путем направления высокочастотного звукового луча через опорную плиту и сварки по предсказуемой траектории. Когда траектория пластины звукового луча наталкивается на прерывание непрерывности материала, часть звука отражается обратно. Звук улавливается инструментом, усиливается и отображается в виде вертикального транса на видеоэкране — Рис. 5.

С помощью ультразвукового контроля можно обнаружить, локализовать и измерить как поверхностные, так и подземные детекторы в металлах, включая дефекты, слишком малые для обнаружения другими методами.

Ультразвуковой прибор содержит кристалл кварца или другого пьезоэлектрического материала, заключенный в датчик или зонд. При приложении напряжения кристалл быстро вибрирует. Поскольку ультразвуковой преобразователь прижимается к проверяемому металлу, он передает механические колебания той же частоты, что и кристалл, через соединительный материал в основной металл и сварной шов. Эти колебательные волны распространяются через материал, пока не достигнут разрыв или изменение плотности.В этих точках часть энергии колебаний отражается обратно. Поскольку ток, вызывающий вибрацию, отключается и включается с частотой 60-1000 раз в секунду, кристалл кварца периодически действует как приемник, улавливающий отраженные колебания. Они вызывают давление на кристалл и генерируют электрический ток. Подаваемый на видеоэкран, этот ток вызывает вертикальные отклонения на горизонтальной базовой линии. Полученный узор на лицевой стороне трубки представляет отраженный сигнал и неоднородность.Компактное портативное ультразвуковое оборудование доступно для полевого осмотра и обычно используется при мостовых и строительных работах.

Ультразвуковой контроль менее подходит для определения пористости сварных швов, чем другие методы неразрушающего контроля, поскольку круглые газовые поры реагируют на ультразвуковые испытания как серию одноточечных отражателей. Это приводит к низкоамплитудным характеристикам, которые легко спутать с «шумом базовой линии», присущим параметрам тестирования. Однако это предпочтительный метод испытаний для обнаружения несплошностей и расслоений более простого типа.

Переносное ультразвуковое оборудование доступно с цифровым управлением и микропроцессорным управлением. Эти инструменты могут иметь встроенную память и обеспечивать распечатку бумажных копий или видеонаблюдение и запись. Они могут быть связаны с компьютерами, что позволяет проводить дальнейший анализ, документирование и архивирование, как и радиографические данные. Ультразвуковое исследование требует квалифицированной интерпретации высококвалифицированного и хорошо обученного персонала.

Выбор контроля качества
Хорошая программа проверки неразрушающего контроля должна учитывать ограничения, присущие каждому процессу.Например, и рентгенография, и ультразвук имеют разные факторы ориентации, которые могут определять выбор того, какой процесс использовать для конкретной работы. Их сильные и слабые стороны дополняют друг друга. В то время как рентгенография не может надежно обнаружить дефекты, похожие на ламинацию, ультразвук в этом лучше. С другой стороны, ультразвук плохо подходит для обнаружения рассеянной пористости, тогда как рентгенография очень хороша.

Какие бы методы контроля не использовались, уделение внимания «пяти принципам» качества сварного шва поможет свести последующий контроль к рутинной проверке.Затем правильное использование методов неразрушающего контроля будет служить проверкой, чтобы поддерживать соответствие переменных и качество сварки в пределах стандартов.

Пять P:
1. Выбор процесса — t Процесс должен подходить для работы.
2. Подготовка — t Конфигурация стыка должна быть правильной и совместимой с процессом сварки.
3. Процедуры — Процедуры должны быть подробно описаны и строго соблюдаться во время сварки.
4. Предварительное испытание — Для доказательства того, что процесс и процедуры обеспечивают требуемый стандарт качества, следует использовать макеты в масштабе или смоделированные образцы.
5. Персонал — q квалифицированных человека должны быть назначены на работу.

.

Определение размеров дефектов в сварных швах трубопроводов — чего мы действительно можем достичь?

Протоколы конференции ASME PVP: июля 2004, Сан-Диего, Калифорния PVP2004-2811

Трубопроводы теперь используют пригодность для эксплуатации (FFS) для принятия / отклонения дефектов сварных швов. FFS требует точного измерения высоты дефекта для оценки механики разрушения. Стандартный радиографический метод контроля сварных швов трубопроводов не позволяет проводить такие измерения. Однако более новая ультразвуковая техника в принципе позволяет измерить высоту дефекта.Первоначально для измерения высоты использовались ультразвуковые амплитудные методы, но они оказались ненадежными. Теперь дифракционные методы, особенно времяпролетная дифракция (TOFD), используются совместно. В этом документе содержится обзор предыдущей работы — в основном крупных ядерных исследований, таких как PISC II — и опубликованных исследований размеров трубопроводов. Наилучший размер ядер был в пределах нескольких миллиметров с использованием дифракции. В отличие от ядерной, трубопроводная AUT использует зонную дискриминацию, фокусированные преобразователи, гораздо более тонкий материал и более простые методы анализа.Текущая точность обычно составляет + 1 мм (терминология не определена), что коррелирует с размером пятна луча и типичным сварочным ходом. Запросы на точность + 0,3 мм, вероятно, недостижимы, хотя будущие исследования и разработки должны значительно улучшить размеры трубопровода.

Дефекты неизменно возникают в результате сварки, даже при самых строгих процедурах. На практике нецелесообразно устранять все дефекты путем ремонта, поэтому необходимо использовать некоторые критерии приемки, чтобы определить, какие дефекты следует удалить, а какие оставить.Эта ситуация стала еще более важной с появлением высокопрочных сталей, где шлифование и повторная сварка обычно разрушают контролируемую микроструктуру; ремонт может привести к большему ущербу, чем оставление дефекта в. В последние десятилетия произошел отход от критериев «качества изготовления», когда дефекты принимались или отклонялись в первую очередь на основании того, что могла обнаружить система контроля, к «Пригодности для -Service »(FFS), которые основаны на механике разрушения (также называемой инженерной критической оценкой или ECA).FFS использует данные о вязкости материала, росте трещин и рабочий цикл компонента для оценки срока службы и, следовательно, приемлемого начального размера дефекта. Консерватизм встроен в расчеты, предоставляя допустимые пределы погрешности для входных данных: прочности, темпов роста и измерений дефектов. Как правило, FFS допускает гораздо более крупные дефекты, чем критерии качества изготовления, что снижает процент брака и затраты. Однако для FFS важно точно и надежно измерить ключевой параметр дефекта: высоту дефекта. В 1980-х годах атомная энергетика была ведущей отраслью по исследованию размеров дефектов, и FFS начиналась с этой отрасли. С момента появления автоматизированного ультразвукового оборудования в газопроводной промышленности [1] AUT становится предпочтительным методом контроля благодаря FFS. Использование AUT и FFS в трубопроводной промышленности значительно снизило процент брака (хотя это частично связано со способностью AUT выполнять управление процессом). В течение нескольких десятилетий основным методом контроля сварных швов трубопроводов была радиография, основанная на критериях качества изготовления.Помимо очевидных угроз безопасности, одним из основных недостатков рентгенографии является невозможность измерения высоты дефекта, что исключает возможность использования FFS в качестве опции. За последние пару десятилетий ультразвук стал более распространенным; Ультразвук действительно предлагает возможность измерения высоты дефекта, но на практике это измерение сложно и чревато ошибками. Существует два основных подхода: основанный на амплитуде и основанный на дифракции. Это обсуждается ниже.

Амплитуда vs.Дифракция

Методы определения амплитуды Подходы к раннему определению размеров дефекта основывались на амплитуде возвращенного сигнала и сопоставлении ее с эквивалентным обработанным отражателем, таким как выемка или просверленное сбоку отверстие. Однако корреляция между размером дефекта и амплитудой была плохой [2]; это неудивительно, учитывая количество переменных, связанных с материалом, оборудованием и самим дефектом. Материал имеет потенциальные скоростные и микроструктурные вариации, особенно стали; у оборудования есть потенциальные колебания амплитуды из-за типа генератора импульсов, диапазона частот, кабелей и других внутренних электрических параметров. Возможно, самая большая переменная — это сам дефект. Ультразвук очень чувствителен к ориентации дефекта; также прозрачность, шероховатость, кривизна, расположение играют роль. Обычный ультразвук особенно ненадежен для вертикальных дефектов, хотя использование соответствующих углов обзора, по-видимому, улучшает критерии амплитуды [3]. Немецкий метод DGS сравнивает амплитуды дефектов с амплитудами известного отражателя [4]; это дает дефект «не меньше, чем обработанный отражатель», что бесполезно для FFS.В общем, методы определения размеров на основе амплитуды, как правило, ненадежны, особенно по стандартам, требуемым FFS. Поскольку размер подавляющего большинства дефектов все еще определяется с помощью методов, основанных на амплитуде, независимо от того, спад на 6 дБ, 10 дБ или 20 дБ [5], уместно сделать несколько общих замечаний от полевых экспертов. Во-первых, «размер любого дефекта меньше луча обычно соответствует ширине луча». Это происходит из-за того, что небольшие дефекты имеют тенденцию быть всенаправленными излучателями, поэтому небольшие дефекты имеют тенденцию излучать в любом месте внутри луча.Однако в большинстве случаев небольшие дефекты, как правило, не имеют структурного значения, поэтому исходные данные о размерах мелких дефектов ограничены [6]. Во-вторых, «мелкие дефекты имеют тенденцию к увеличению размера, а крупные — к занижению» [7]. «Ситуация с небольшими дефектами и превышением размеров» легко понять из всенаправленного излучения и распространения луча. Однако большее беспокойство вызывает «крупный дефект — занижение размера». Такая ситуация может легко возникнуть, если, например, дефект изогнут, поэтому луч преобразователя с фиксированным углом скатывается с краев, что дает более низкие измерения амплитуды и размера.Недооценка крупных дефектов потенциально может стать серьезной проблемой для структурной целостности. Подходы к дифракции В конце 1970-х годов компания Silk из Харвелла [8] разработала метод определения размеров (и обнаружения), называемый времяпролетной дифракцией (TOFD). В этом методе использовались дифрагированные волны малой амплитуды от вершин дефекта до дефектов размера, и он оказался значительно более точным, чем критерии амплитуды. Основной принцип TOFD показан на рисунке 1. Явление дифракции является довольно общим в ультразвуке, и был разработан ряд альтернативных методов дифракции со своими преимуществами и недостатками.Стандартный метод TOFD использует отдельный генератор импульсов и приемник с обеих сторон сварного шва или компонента, а также кодирование положения и компьютерную запись данных. TOFD имеет значительные мертвые зоны на OD и ID, а также проблемы с интерпретацией. TOFD также ограничивается наименьшим дефектом, который он может определить, обычно по опусканию луча (около 3 мм для трубопроводов). Тем не менее, результаты калибровки TOFD были впечатляющими. На рисунке 2 показано сравнение размеров на основе амплитуды и TOFD из испытаний по обнаружению дефектов в Великобритании [9]. Рисунок 1: Принципы TOFD Рисунок 2: Амплитуда в зависимости от дифракции от пластины ДДТ 1 (вверху: все методы определения размеров, внизу: только TOFD). Были разработаны различные альтернативные методы дифракции, включая обратную дифракцию и преобразователи смешанного режима. Также были опробованы другие методы, основанные на амплитуде и сигналах: частотный анализ [10], распознавание образов, HOLOSAFT [11]. В общем, ни один из этих последних методов не стал коммерческим, хотя часто используется обратная дифракция. В обратной дифракции используется один преобразователь, который генерирует импульсы и обнаруживает дифрагированные сигналы. Это значительно упрощает систему и позволяет управлять ею вручную. Однако физика обратной дифракции слабее, чем прямая дифракция, и идентификация дифрагированных сигналов иглы может быть затруднена. Тем не менее, обратная дифракция обеспечивает точность, аналогичную TOFD [12], и дает преимущества для определения размеров небольших дефектов (до 0,5 мм в трубопроводах) с меньшими мертвыми зонами [13]. Базовый подход показан на рисунке 3. Рис. 3. Обратная дифракция для определения размера дефекта. Исследования ядерных размеров В то время как многие отрасли были заинтересованы в возможностях определения размеров дефектов [14], атомная промышленность провела серьезные исследования для определения возможностей обнаружения и определения размеров дефектов. Двумя основными круговыми алгоритмами были PISC II и ДДТ. В частности, испытание PISC II было глобальным: около пятидесяти команд проверяли четыре компонента с примерно двумястами дефектами [7]. Размер и объем этого исследования позволили провести хороший статистический анализ результатов, точность размеров и анализ дефектов.Неудивительно, что самый сложный дефект найти — это гладкая трещина. Тем не менее, калибровка показала некоторые прорывы, поскольку были испытаны различные новые методы. PISC II было первым публичным испытанием TOFD, и результаты были обнадеживающими [15]. Общая точность размеров для группы UKAEA Risley составляла несколько миллиметров на листе толщиной в сотни мм (т.е. ~ 1%). Существуют значительные различия между этими ядерными исследованиями и текущими исследованиями размеров трубопроводов: • Во-первых, испытание PISC II было огромным, позволяющим проводить существенные параметрические исследования. • Во-вторых, сосуды под давлением для ядерных реакторов на порядок толще трубопроводов, хотя пропорционально увеличить частоту ультразвука в трубопроводах невозможно из-за затухания в стали. • В-третьих, в атомной промышленности используется растровый TOFD и фокусировка с синтетической апертурой (SAFT), что дает несколько улучшенную точность по сравнению с линейным TOFD в нефтехимической промышленности. • В-четвертых, появилась новая технология, в том числе улучшенная обработка, обработка и отображение данных, а также фазированные массивы.Хотя фазированные решетки не меняют физику, они позволяют проводить многоугловые и оптимизированные проверки. • В-пятых, в трубопроводах обычно используются высокофокусированные преобразователи, что уменьшает размер луча, улучшает отношение сигнал / шум и сводит к минимуму паразитные геометрические отражения. • В-шестых, дефекты трубопровода (d) обычно имеют высоту, равную длине волны ультразвука (λ), что усложняет теоретический анализ. • В-седьмых, PISC использовала плоские поверхности с грунтом, в то время как трубопроводы обычно имеют геометрические отражатели от корня и крышки. • Наконец, требуемое качество (т. Е. Затраченное время и деньги) обычно значительно выше для атомной энергетики, чем для трубопроводов. Оффшорные стояки и связки могут быть исключением. Тем не менее, общие выводы ядерных исследований применимы к трубопроводам. Обнаружение эхо-импульса и определение размера имеют ограничения; TOFD хорош для определения размеров (и обнаружения) в большинстве случаев, но в идеале следует использовать как TOFD, так и эхо-импульс [15]; Возможна точность определения размеров до нескольких миллиметров (лучше для трубопроводов). Процедуры и терминология определения размеров трубопровода В отличие от чрезвычайно дорогих испытаний PISC II, исследования трубопроводов имеют тенденцию быть меньшими и более фрагментированными. Подробности о методологии, как правило, немногочисленны, а объем данных ограничен. К сожалению, многие утверждения трубопроводов и исследования размеров являются собственностью и не могут быть опубликованы. Список ниже содержит некоторые из общедоступных результатов. Для процедур анализа операторы трубопроводов часто разрезают трубы, чтобы получить приблизительный размер дефекта, или замораживают сварные швы, в отличие от тщательной металлографии в PISC II.Это неизбежно приводит к некоторым ошибкам определения размеров и обнаружения; точных данных нет, но металлургические ошибки, по-видимому, того же порядка, что и заявленная точность размеров. Альтернативными методами являются замораживание и секционирование с максимальной амплитудой ультразвука (которая может не быть максимальной глубиной). Сканирование трубопроводов обычно выполняется один раз (как в реальном мире), а подробное сканирование не используется (в отличие от ядерного). Размер трубопровода часто основывается исключительно на размере зоны в соответствии с кодом ASTM E-1961 [16] или модифицированной версии определения размера амплитуды [17].Размер зоны быстрый и приблизительный, а не детализированный, как ядерный. Нечеткая терминология по определению размеров дефекта трубопровода. Обычно точность определения размера дефекта определяется как точность ± Y мм. Научная основа для ± Y мм не всегда указывается, но может быть: 1. Максимальная ошибка (возможно, два стандартных отклонения (σ) или 95% результатов) 2. Стандартное отклонение σ, 3. ASME Среднеквадратичное значение, или 4. Общая полоса ошибок, т. Е. «Диапазон на глаз». Некоторые авторы специально цитируют σ или RMS; в других случаях процедура состоит в том, чтобы нарисовать общую полосу ошибок, часто + 1 мм.Немногие опубликованные результаты подтверждают максимальную ошибку, поскольку многие точки лежат за пределами диапазона ошибок, хотя тексты часто подразумевают, что это так. К сожалению, количество точек данных в исследованиях трубопроводов обычно слишком ограничено для получения достоверной статистики. ASME RMS ASME имеет процедуру измерения точности размеров [18]. Формула для среднеквадратичного отклонения почти идентична стандартному отклонению и суммирует ошибки измерения (в квадрате), делится на количество точек, а затем извлекается квадратный корень.Среднеквадратичная погрешность глубины дефекта не должна превышать 3,2 мм. Что на самом деле люди подразумевают под ошибкой измерения? На многих графиках определения размера ошибок дефекта отображается полоса ошибок примерно ± 1 мм. По мнению автора, этот «диапазон глазного яблока» ± 1 мм обычно цитируется потому, что: 1. Это удобное число для выбора; 2. Диапазон 2 мм примерно соответствует размеру фокусного пятна сфокусированного конвейерного датчика AUT, поэтому более точное определение размера проблематично; 3.Диапазон 2 мм также соответствует типичным размерам зоны трубопровода и проходам GMAW; 4. Для достоверной статистики может быть слишком мало точек данных; и 5. Большинство точек данных лежат в этом диапазоне, особенно заниженные. Физические ограничения По мере приближения размера дефекта к длине волны (0,4-0,5 мм для поперечных волн 7,5 МГц) физика становится проблемой для моделирования дефектов в трубопроводах. (Типичные дефекты трубопровода составляют порядка одного сварочного прохода, то есть 1-3 мм.) Существует два подхода к анализу: аналитический и численный. Аналитический Аналитические подходы, обычно использующие идеализированные трещины, используют теорему Грина, приближения Кирхгофа, приближения Борна и общую теорему дифракции [19]. К сожалению, все эти аналитические подходы используют приближения, чтобы сделать уравнения разрешимыми, и эти приближения недействительны, когда размер дефекта близок к длине волны, как для трубопроводов. Таким образом, аналитическая теория не может решить эту проблему, хотя, очевидно, ультразвук на практике отражается на дефектах с d ~ λ. Числовой Из различных методов выполнения численных оценок трассировка лучей будет практически бесполезна при d ~ λ. Методы конечных элементов и методы конечных разностей должны быть успешными, хотя все еще используются приближения. К сожалению, и FEM, и FDM очень трудоемки и дороги [20], и в этой области было сделано мало работы. Размер фокусного пятна Еще одним важным соображением является минимально достижимый размер фокусного пятна, особенно потому, что минимальный измеряемый размер дефекта может быть ограничен размером фокусного пятна [6].Теоретический размер фокусного пятна зависит от размера апертуры, частоты (т. Е. Длины волны) и фокусного расстояния. Если предположить, что апертура 16 мм, 7,5 МГц и фокусное расстояние 20 мм в воде (то есть очень короткий фокус), полуширина 6 дБ приближается к 2λ, или 1 мм. Это говорит о том, что размеры дефектов не могут быть меньше +0,5 мм [20]. Это коррелирует с текущей точностью определения размеров с помощью таких методов, как обратная дифракция [13], и оптимизированных лабораторных результатов [21]. Напротив, существует мнение о трубопроводах, согласно которому слишком маленькое фокусное пятно вредно [4, 17], особенно при использовании амплитудных подходов.Однако эти результаты указывают на меньшую точность определения размеров по сравнению с зонной дискриминацией и другими подходами (см. Ниже). Существуют также значительные ограничения амплитудных методов, например, дефект должен располагаться в центре луча и быть меньше луча. Корреляция между амплитудой сигнала и размером дефекта очень плохая (см., Например, рисунок 4). Рис. 4: Образец данных трубопровода, сравнивающий амплитуду и измеренный размер дефекта [22] Исследования размеров трубопровода Исследование PNL Battelle В 1981 году Battelle выполнил циклическое обнаружение и определение размеров ядерного трубопровода для NRC [ 23] с использованием семи команд.В этом исследовании изучалось несколько материалов ядерного типа, включая плакированный феррит, литой и деформируемый аустенитный; они также исследовали реальные дефекты, например коррозионное растрескивание под напряжением. Несмотря на то, что приложение, процедуры и технология устарели, а материалы разные, результаты показали, что размер дефекта трубопровода был плохим, с серьезными ошибками. Гентский университет исследований В 1997 году Iploca (Международная ассоциация трубопроводных и морских подрядчиков) профинансировала исследование по обнаружению и определению размеров в Гентском университете [4, 24].В то время как обе бригады AUT обнаружили хорошие результаты, калибровка (только одной бригадой) дала стандартное отклонение размера дефекта в пределах + 1,5-2 мм для дефектов поверхностного разрушения. Этот уровень точности размеров был позже подтвержден аналогичными проектами валидации, спонсируемыми частными компаниями [24]. Работа, проделанная Гентским университетом, также продемонстрировала, что погрешность определения размеров скрытых дефектов может быть весьма значительной. Transco Trials: Недавно Advantica проанализировала внутреннее исследование с использованием финансирования GTI с семью инспекционными компаниями [25].Было имплантировано около девяноста типичных дефектов: пористость, неплавление, растрескивание меди и поперечные дефекты. Хотя основной упор в испытании был сделан на обнаружение дефектов (что было хорошо), размер дефектов не впечатлил. σ изменялось от 1,1 до 1,8 мм [26]. Были обнаружены ошибки размером до 6 мм, в то время как TOFD работал только с более крупными скрытыми дефектами. Результаты Shell Копп и др. [27] опубликовали внутреннее исследование, включая определение размеров дефектов (см. Рисунок 5). Это одни из наиболее полных доступных данных, которые показывают, что существует значительный разброс в пределах диапазона ± 1 мм, плюс несколько точек выбросов.Как и ожидалось, небольшой заниженный размер. Эти результаты типичны для данных о трубопроводе, и на этот график можно наложить несколько собственных исследований. Данные Shell — это набор из нескольких программ, что усложняет анализ. В статье говорится о точности размеров ± 0,3 мм, что невозможно сделать на основании опубликованных данных. Эта точность основана на процентном соотношении размера зоны, что не подтверждается никакими опубликованными или известными частными исследованиями. Кроме того, он игнорирует проблемы размера фокального пятна, корреляции амплитудных дефектов и d ~ λ.Наблюдение за данными дает типичный диапазон точности ± 1 мм. Рис. 5: Калибровочные данные Kopp et al. [27] Исследование Saipem Катальдо и Легори [28] опубликовали ограниченный набор данных для утверждения DNV, который показывает хорошую корреляцию с размером дефекта (см. Рисунок 6). Как и в случае с результатами Shell, размер немного занижен, хотя и немного завышен. Диапазон глазного яблока в ± 1 мм, вероятно, не будет «выходить за рамки». Результаты Saipem могут быть легко наложены на результаты Shell выше. Одним из наиболее интересных наблюдений является сравнение обычных многозондовых и автоматизированных систем с фазированной антенной решеткой. При использовании одной и той же установки (и номинально одних и тех же калибровочных блоков) различия незначительны, как предсказывает физика. Шелл / Шоу [27] использовали мультизонд; ФАР Saipem. Два других сравнения не показали значительных различий в обнаружении с использованием тех же установок [25, 29]. Oceaneering OIS Компания Oceaneering провела квалификацию DNV в начале 2003 года, которая показала заметно более низкую σ, чем Shell, Saipem или другие — σ ~ 0.6 мм. Этот набор данных содержал в основном LoF боковых стенок, хотя стенки трубы были немного тоньше, чем у Saipem. Фактические процедуры проверки и определения размеров не были описаны во внутреннем документе [30]. Результаты показаны на Рисунке 7 Рисунок 7: Сравнение измеренной и фактической высоты дефектов от Oceaneering. На момент написания неясно, почему результаты Oceaneering значительно лучше других. Oceaneering широко использовала TOFD для минимизации значительного превышения размеров (как показано на рисунке 5), но в остальном использовала стандартные процедуры.Фазированные решетки предлагают значительные преимущества при выборе размеров (дополнительные лучи, контролируемый фокус), и, возможно, опыт работы с фазированными системами помог так же, как и усовершенствованные процедуры. Эдисон Институт сварки по круговой схеме Под эгидой GTI EWI выполнила циклическую проверку с двумя трубами, фактически содержащими двадцать четыре дефекта LoF, с несколькими инспекционными компаниями [21]. Результаты показали значительные различия между инспекционными компаниями, даже при использовании номинально идентичных процедур.В частности, в лучшем случае 45% дефектов имели размер в пределах + 0,5 мм, а большинство — в пределах +2 мм (см. Таблицу 1 ниже). Как и в случае с результатами Advantica, только около половины дефектов EWI можно было должным образом проанализировать с помощью TOFD либо потому, что дефекты были слишком малы, либо слишком близко к поверхности. Используя различные методы и много времени, EWI измерил дефекты с точностью +0,6 мм (категория A6-открытый). Подразумевается, что чем больше методов и усилий, тем лучше результаты.Это наблюдение было подтверждено в циклическом исследовании PISC II для сосудов под давлением [7]. 752 Сокращение Описание подхода Точность определения высоты, средняя ошибка «a» в мм и% обнаруженных дефектов a <± 0,5 мм ± 0,5> a <± 2,0 мм ± 2,0> a <± 4,0 мм A1 Сфокусированный мультизонд, амплитудная линеаризация 35% 35% 30% A2 Сфокусированный мультизонд, собственный алгоритм определения размеров 45% 45% 9 6 9 Несфокусированный мультизонд, зонный и амп.Правила 30% 45% 25% A4 Focused PA, 48 эл., Ампл. линеаризация 40% 20% 40% A5 УМ с фокусировкой, 64 эл., ампл. линеаризация 15% 35% 50% A6 Focused PA, 64 эл., секторное сканирование 25% 25% 50% A6 открытое Фокусированное PA, 32% эл., растровое и секторное 25% н / д Таблица 1: Таблица 2 EWI «Достигнутая точность размеров» [21] Det Norske Veritas Исследования DNV по определению размера дефекта с использованием одного набора данных на основе амплитуды и одного набора данных на основе TOFD показали нетипично низкое значение σ [22].Занижение размеров было минимальным, и систематическая ошибка была небольшой в обоих случаях, ~ 0,1 мм, как и в других исследованиях. Стандартное отклонение составляло ± 0,41 для одного набора данных и ± 0,62 для другого набора. Эти результаты показали значительно меньшую ошибку, чем большинство других, примерно треть некоторых других значений, хотя и сопоставимые с результатами Oceaneering. Однако Oceaneering предоставил только 88 точек, в то время как DNV использует 204. Рисунок 8 представляет собой совокупность ряда исследований, и подробностей нет, поэтому сделать выводы об оптимальных методах и процедурах сложно [31].Эта разница может быть связана с анализом, обработкой или статистической обработкой. Еще одно низкое значение σ, полученное по результатам лабораторных исследований из приведенного выше EWI, связано с множеством методов, значительными затратами времени и усилий [21]. Можно ожидать улучшения результатов от такого подробного осмотр [6]. Возможно, наиболее впечатляющие результаты получены из данных Oceaneering с использованием стандартного оборудования [30]. Рисунок 8: Результаты подбора DNV [22] R / D Tech Data R / D Tech имеет некоторые ранние проприетарные данные о размерах, которые могут быть наложены на рисунки 5-8 без значительного искажения.Характеристики аналогичны: некоторый разброс (в пределах диапазона ± 1 мм), ограниченный заниженный размер и некоторый значительный завышенный размер, низкая средняя ошибка определения размера. На практике RMS-анализ точности калибровки с использованием подхода ASME дал значение от более ± 1,1 до 1,7 мм, в зависимости от фактически используемого набора данных (зоны ASTM, модифицированные зоны, TOFD и комбинации). Комбинированные методы дали лучшие результаты (меньшее σ), чем простые зоны. Этот набор данных также показал, что TOFD для трубопроводов ограничен, и, как правило, только половина размеров дефекта может быть непосредственно измерена стандартным TOFD.

На практике, за исключением результатов Oceaneering и EWI, доступные данные кажутся довольно самосогласованными, со среднеквадратичным значением и σ обычно более 1 мм. Большая часть данных может быть наложена без серьезных искажений, из чего следует, что ключевой проблемой являются технологические ограничения, а не опыт оператора или оборудование. Средняя погрешность обычно значительно меньше 1 мм с ограниченным занижением. На данный момент большинство данных свидетельствует о том, что точность определения размеров более σ ± 1 мм нереальна.Запатентованный набор данных R / D Tech предполагает, что «диапазон глазного яблока» ± 1 мм на самом деле является среднеквадратичным или стандартным отклонением <± 1 мм. Однако данные не являются строго сопоставимыми, поскольку условия испытаний различаются, процедуры AUT не идентичны, разделение на секции меняется и т. Д. Как правило, средняя погрешность определения размера мала, обычно близка к нулю мм. Дифракционные методы предлагают гораздо больший потенциал, чем методы амплитуды, хотя TOFD, в частности, имеет ограничения с меньшими дефектами (и дефектами вблизи поверхности).Использование только методов амплитуды обычно ограничивает точность определения диаметра фокусного пятна (~ 2 мм или диапазон глазного яблока ± 1 мм, как было обнаружено в недавних исследованиях) с частыми выбросами. Распределение амплитуд не сильно улучшает значения σ. Уменьшение размера обычно не является серьезной проблемой. В принципе, TOFD должен минимизировать количество общих оверколлов. Текущие запросы на определение размеров дефектов с точностью до ± 0,3 мм на заводе (опять же, терминология не определена) кажутся нереальными из этих опубликованных результатов.Нет никаких доказательств того, что неопубликованные (или собственные) результаты показывают какое-либо существенное улучшение. На ядерных материалах, использующих гораздо более короткие λ и идеальную геометрию, была достигнута повторяемая точность ± 0,1 мм [32]. Однако такие ультразвуковые частоты невозможны в ферритных сталях, которые более микроструктурно ограничены. Хотя некоторая работа была проделана в отношении пределов ультразвука в сталях [33], следует сделать больше конкретно по материалам трубопроводов и условиям AUT. С точки зрения FFS, лучшее решение с современной технологией — добавить ± 1 мм к ± 1.5 мм по всем калибровочным прикидкам за консерватизм; это должно покрыть любой заниженный размер. Для более крупных дефектов лучшим решением является использование нескольких методов, чтобы избежать большого превышения размера (5 мм или более), которое может возникнуть [22]; обычно используют зонную дискриминацию, TOFD, обратную дифракцию и множественные углы [6], если позволяет время (особенно для стояков и сухожилий). К сожалению, эксплуатационные проверки, вероятно, значительно хуже лабораторных циклических проверок. Хорошей новостью является то, что более свежие результаты (Oceaneering и EWI) заметно лучше, чем более ранние результаты (Shell и Advantica). К счастью, ведется работа над альтернативными и улучшенными методами калибровки. R / D Tech работает над рядом плодотворных областей: 1. Обратная дифракция [13]: этот метод предлагает потенциал для измерения дефектов до ± 0,5 мм, хотя он не был подтвержден испытаниями. Основные проблемы — это правильная идентификация сигнала и разрешение звонка. 2. Обработка сигналов TOFD [34]: Этот метод деконволюции сигналов TOFD позволяет определять размер меньших дефектов. Первые результаты обнадеживают, но, как и во всех методах DSP, возможны пропуски зажигания. 3. Улучшенная фокусировка [35]: увеличенное количество элементов и матричный массив должны уменьшить размер фокусного пятна и повысить точность определения размера. Несомненно, в других частях света происходят и другие разработки.

1. Определение размеров дефектов трубопровода AUT становится все более критичным с ростом использования пригодности по назначению, особенно для морских стояков и арматуры. 2. Как правило, TOFD дает лучший размер, чем амплитудные методы, хотя TOFD сильно ограничен для небольших и приповерхностных дефектов. 3. Несколько доступных исследований трубопроводов показывают довольно последовательные результаты, несмотря на различия в процессах. За одним или двумя исключениями существует постоянный диапазон точности, хотя лучшее знание процессов может объяснить некоторые из них. 4. Исследования неизменно показывают тенденцию к завышению, а не занижению, что понятно для небольших дефектов. 5. В трубопроводной отрасли не используется строгий анализ данных или терминология, как это делается в ядерной отрасли, поэтому приведенные точности часто не определяются как диапазон значений, стандартное отклонение, среднеквадратичное отклонение, приближение или что-то еще. 6. Средняя погрешность определения размера мала, обычно значительно меньше 1 мм, со случайной погрешностью определения размера. 7. Большинство исследований показывают, что погрешности определения размеров не превышают ± 1 мм или около того; σ варьируется до ± 2 мм, с некоторыми отклонениями, в зависимости от дефектов, условий и т. д. 8. Нет никаких опубликованных доказательств того, что точность ± 0,3 мм в полевых условиях достижима сегодня. 9. К счастью, на повестке дня стоит ряд усовершенствованных методов, которые должны значительно улучшить калибровку.

г.Эд Гинзель из Института исследований материалов, Ватерлоо, Онтарио, предоставил ценные советы и помощь. Oceaneering OIS предоставила данные, являющиеся собственностью компании DNV.

[1] Гинзель Э.А., 2000, «Механизированный ультразвуковой контроль кольцевых сварных швов трубопроводов — краткая история», NDT.net, 2000, Том 5. № 03, http://www.ndt.net/article/v05n03/eginzel/eginzel.htm [2] Gruber G.J., G.J. Хендрикс и В.Р. Шик, 1984, «Определение характеристик дефектов в сварных швах трубопроводов с помощью спутниковых импульсов», Оценка материалов, Vol.42, стр. 426. [3] Брей А.В. и Р.К. Стэнли, 1995, «Анализ результатов определения размеров дефектов и рассечения дефектов UT в стальных трубах», NDE-Vol 13, NDE для энергетики, ASME, стр. 85. [4] Dijkstra F.H., J. v.d. Энт и Т. Баума, 2000, «Определение размеров дефектов и ECA: современное состояние в AUT», Конференция по трубопроводным технологиям, Брюгг, 21-24 мая. [5] Исмаил М.П. и А. Мухаммад, 1998, «Определение размера дефекта ультразвуковым методом ANDSCAN», Insight vol. 40, нет. 11, стр. 769. [6] Мерфи Р.В., 1987, «Ультразвуковое определение размеров дефектов с использованием методов падения децибел, Том 1: Текст», Проект Совета по контролю за атомной энергией № 85.1.9, Канада. [7] PISC, 1997, Бюллетень 420 Совета по исследованиям в области сварки, абстракция С.Х. Буш, гл. 7. [8] Силк М.Г., 1979, «Определение размера дефекта с помощью ультразвуковой дифракции», British Journal of NDT, стр. 12. [9] Charlesworth J.P. and J.A.G. Temple, 1989, «Ультразвуковая дифракция времени полета», Research Studies Press. [10] Адлер Л., К.В. Кук, H.L. Whaley и R.W. McClung, 1977, «Измерение размера дефекта в образце сварного шва с помощью ультразвукового частотного анализа», Оценка материалов, стр. 44. [11] Шмитц В., В. Мюллер и Г. Шефер, 1984, «Определение размеров и определение характеристик дефектов с помощью HOLOSAFT», Оценка материалов, Vol. 42, стр. 439. [12] Бэби С., Баласубраманян Т. и Р.Дж. Пардикар, 2002, «Оценка высоты поверхностных трещин с помощью ультразвуковых методов», Insight vol. 44 нет. 11, стр. 679. [13] Жак Ф., Ф. Моро и Э. Гинзель, 2003, «Определение размера ультразвукового обратного рассеяния с использованием фазированных решеток — разработки в определении размера дифракционных дефектов на наконечнике», представленный Insight. [14] Циппель В., Дж. Пинчеира и Г.А. Шайба, 2000, «Измерение трещин в стальных пластинах методом TOFD», Журнал производительности построенных сооружений, стр. 75. [15] Хаймор П.Дж., А. Роджерсон, Л.Н.Дж. Поултер, 1988, «Ультразвуковой контроль пластины 2 PISC II ядерными лабораториями Рисли», Британский журнал неразрушающего контроля, стр.9. [16] ASTM 1998, E 1961-98, «Стандартная практика для механизированного ультразвукового исследования кольцевых сварных швов с использованием зональной дискриминации с помощью устройств фокусированного поиска», Американское общество испытаний и материалов. [17] Гросс Б., Т.С. Коннелли, Х. ван Дейк и А. Гилрой-Скотт, 2001, «Определение размеров дефектов с использованием механизированного ультразвукового контроля кольцевых сварных швов трубопроводов», NDT.net, Vol. 6, №7. [18] ASME, 2001, «Демонстрация эффективности систем ультразвукового исследования», Приложение VIII, стр.331, Американское общество инженеров-механиков. [19] Краут Е.А., 1976, «Обзор теорий рассеяния упругих волн трещинами», IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. СУ-23, №3, с. 162. [20] Майр Х.Д., 2003 г., частное сообщение, 2003 г. [21] Лозев М., 2002, «Валидация современных подходов к определению точности размера дефекта кольцевого сварного шва с помощью эхо-импульсов, времяпролетной дифракции и методов ультразвукового механизированного контроля с фазированной решеткой», EWI Project No.45066CAP. [22] Фёрли О., 2002, «Квалификация AUT для прокладки морских трубопроводов и роль неразрушающего контроля», 3-я Европейско-американская конференция по надежности неразрушающего контроля и разминирования », Берлин, 10-13 сентября. [23] Хислер П.Г. и С. Доктор, 1976 г., «Круговая проверка трубопроводов», NUREG / CR-5068, PNNL-10475. [24] Denys R., T. Lefevre, C. de Jaeger, S. Claessens, 2000, Исследование «Критерии приемлемости дефектов сварных швов», Заключительный отчет для группы спонсоров, Laboratorium Soete, Гент, Бельгия, май 2000 г. [25] Морган Л., 2002, «Проведение автоматизированного ультразвукового контроля (AUT) механизированных кольцевых сварных швов трубопроводов», 8-й ECNDT, Барселона. Также www.ndt.net/article/ecndt02/morgan/morgan.htm [26] Морган Л., П. Нолан, А. Киркхэм и П. Уилкинсон, 2003, «Использование автоматизированного ультразвукового контроля (AUT) при испытании трубопроводов», Insight November. [27] Копп Ф., Г. Перкинс, Г. Прентис, Д. Стивенс, 2003 г., «Проблемы производства и контроля стальных подъемников цепной цепи», Конференция по морским технологиям, Хьюстон, 5-8 мая 2003 г. [28] Катальдо Г. и Р. Легори, 2003, «Передовые ультразвуковые методы исследования кольцевых сварных швов трубопроводов», ASME PVP-Vol. 456, Документ номер PVP2003-1852, стр. 49. [29] Sjerve E., D.C. Стюарт, Г.Ф. Брайант, «Сравнение систем контроля кольцевых сварных швов с несколькими зондами и фазированной решеткой», IPC 2000, Международная конференция трубопроводов ASME 2000, Калгари, Альберта, 1-5 октября 2000 г., стр. 827830. [30] Oceaneering International, 2003, частное сообщение. [31] Förli O., 2003, частное сообщение. [32] Линденшмидт К. и М. Молес, 1991, «Измерение глубины трещин в тонкостенных НКТ по ​​времени пролета», Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке, Vol. 11, стр. 2093. [33] Мадж П.Дж., 1981, «Измерение размеров и характеристика дефектов сварных швов с помощью ультразвукового контроля», Часть 3: Влияние металлургических характеристик ферритных сталей », Ссылка Института сварки 3527/11/81. [34] Хонарвар Ф., Дусатко Т., Я.Fan, F. Farzbod, M. Moles, A.N. Sinclair, 2003, «Новый метод обработки сигналов для улучшения сигналов времяпролетной дифракции (TOFD)», ICPIIT VIII, Хьюстон, 18–21 июня 2003 г. [35] GTI, 2003, Проект института газовой технологии «Контроль ширины горизонтального луча с помощью преобразователей с фазированной решеткой RPTG-0334», R / D Tech.

.

Пористость при сварке — дефекты / дефекты сварных швов

Описаны характерные особенности и основные причины несовершенства пористости. Даны рекомендации по передовой практике, чтобы сварщики могли минимизировать риск образования пористости во время изготовления.

Идентификационный номер

Пористость — это наличие полостей в металле сварного шва, вызванное вморожением газа, выделяющегося из сварочной ванны при его затвердевании. Пористость может иметь несколько форм:

• распределено
• поры, разрушающие поверхность
• червоточина
• кратерные трубы

Причина и предотвращение дефектов сварки

Распределенная пористость и поверхностные поры

Распределенная пористость (рис.1) обычно находится в виде мелких пор по всему сварному шву. Поверхностные поры (Рис. 2) обычно указывают на большую распределенную пористость.

Причина

Пористость возникает из-за поглощения азота, кислорода и водорода в расплавленной сварочной ванне, которые затем выделяются при затвердевании и застревают в металле шва.

Поглощение азота и кислорода в сварочной ванне обычно происходит из-за плохой газовой защиты.

Даже 1% вовлечения воздуха в защитный газ вызовет распределенную пористость, а более 1%.5% приводит к образованию пор. Утечки в газопроводе, слишком высокий расход газа, сквозняки и чрезмерная турбулентность в сварочной ванне — частые причины пористости.

Водород может происходить из ряда источников, включая влагу из-за недостаточно высушенных электродов, флюсов или поверхности детали. Жир и масло на поверхности заготовки или присадочной проволоки также являются обычными источниками водорода.

Поверхностные покрытия, такие как грунтовочные краски, и средства обработки поверхности, такие как цинковые покрытия, могут во время сварки выделять большое количество дыма.Риск улавливания выделяющегося газа будет больше в Т-образных соединениях, чем в стыковых, особенно при угловой сварке с обеих сторон (см. Рис. 2) . Особо следует упомянуть так называемые свариваемые грунтовки (с низким содержанием цинка). Нет необходимости удалять грунтовки, но если толщина грунтовки превышает рекомендацию производителя, вероятно возникновение пористости, особенно при использовании сварочных процессов, отличных от MMA.

Профилактика

Источник газа должен быть идентифицирован и удален следующим образом:

Воздухововлечение

— заглушить любую утечку воздуха

— избегать турбулентности сварочной ванны

— использовать наполнитель с адекватным уровнем раскислителей

— уменьшить чрезмерно высокий поток газа

— избегать сквозняков

Водород

— высушить электрод и флюс

— очистить и обезжирить поверхность заготовки

Покрытия поверхности

— очистить кромки стыка непосредственно перед сваркой

— убедитесь, что толщина свариваемой грунтовки меньше рекомендуемой максимальной толщины

Червоточины

Характерно, что червоточины представляют собой поры удлиненной формы (рис.3) , которые на рентгенограмме дают вид костей сельди.

Причина

Червоточины указывают на образование большого количества газа, который затем задерживается в затвердевающем металле шва. Избыточный газ будет образовываться из-за сильного поверхностного загрязнения или очень толстого слоя краски или грунтовки. Захват более вероятен в щелях, таких как зазор под вертикальным элементом горизонтально-вертикального тройника, сваренного угловым швом с обеих сторон.

При сварке тройников в загрунтованных пластинах важно, чтобы толщина покрытия на краю вертикального элемента не превышала рекомендованный производителем максимум, обычно 20 мкм, из-за чрезмерного распыления.

Профилактика

Устранение газов и полостей предотвращает образование червоточин.

Производство газа

— очистите поверхности детали в месте, где будет производиться сварка, и рядом с ним

— удалите любые поверхностные загрязнения, в частности масло, смазку, ржавчину и остатки от операций неразрушающего контроля

— удалите все поверхностные покрытия из области стыка обнажить светлый материал

— убедитесь, что толщина грунтовки ниже максимальной

производителя.

Геометрия стыка

— избегать геометрии стыка, которая создает полость

Кратерная труба

Кратерная труба образуется во время окончательного затвердевания сварочной ванны и часто связана с некоторой газовой пористостью.

Причина

Этот дефект является результатом усадки при затвердевании сварочной ванны. Следовательно, условия, которые увеличивают изменение объема жидкости в твердое тело, будут способствовать ее образованию. Погашение сварочной дуги приведет к быстрому затвердеванию сварочной ванны.

При сварке TIG автогенные методы или остановка подачи сварочной проволоки в сварочную ванну до гашения сварочной дуги повлияют на образование кратера и могут способствовать дефекту трубы.

Профилактика

Дефекты кратерной трубы можно предотвратить, контролируя скорость гашения сварочной дуги или манипулируя сварочной дугой и сварочной проволокой с помощью техники сварщика

Удаление упора

— используйте бирку для снятия тока, чтобы сварочная дуга могла погаснуть за пределы сварного соединения

— зачистить кратер остановки цикла сварки перед продолжением работы со следующим электродом или нанесением следующего цикла сварки

Сварочная техника

— постепенно уменьшайте сварочный ток, чтобы уменьшить размер сварочной ванны (используйте функции наклона вниз или заполнения кратера)

— добавление наполнителя (TIG) для компенсации усадки сварочной ванны

Восприимчивость материалов к пористости

Газы, которые могут вызвать пористость в широко используемом диапазоне материалов, перечислены в таблице.

Основные газы, вызывающие пористость, и рекомендуемые методы очистки

Материал	Газ	Очистка
Сталь C-Mn	Водород, азот и кислород	Шлифование для удаления отложений
Нержавеющая сталь	Водород	Обезжиривание + проволочная щетка + обезжиривание
Алюминий и сплавы	Водород	Химическая очистка + проволочная щетка + обезжиривание + соскоб
Медь и сплавы	Водород, Азот	Обезжиривание + проволочная щетка + обезжиривание
Никель и сплавы	Азот	Обезжиривание + проволочная щетка + обезжиривание

Обнаружение и устранение

Если дефекты нарушают поверхность, их можно обнаружить с помощью метода проникающего или магнитопорошкового контроля.Подземные дефекты обнаруживаются с помощью рентгенографии или ультразвукового исследования. Рентгенография обычно более эффективна для обнаружения и характеристики дефектов пористости. Однако обнаружение мелких пор затруднено, особенно на толстых участках.

Для исправления ситуации обычно требуется удаление путем локальной строжки или шлифовки, но если пористость широко распространена, следует удалить весь сварной шов. Соединение должно быть повторно подготовлено и повторно сварено в соответствии с согласованной процедурой сварки.

Эта статья Job Knowledge была изначально опубликована в Connect, июль / август 1999 г. Она была обновлена, поэтому веб-страница больше не отражает в точности печатную версию.

.

Исключение Гаусса

Тип 2. Умножьте строку на ненулевую константу.

Тип 3. Добавьте одну строку, кратную одной, в другую.

Цель этих операций состоит в том, чтобы преобразовать — или уменьшить — исходную расширенную матрицу в одну из форм, где A ′ является верхним треугольником ( a _ij ′ = 0 для i> j ), любые нулевые строки появляются внизу матрицы, а первая ненулевая запись в любой строке находится справа от первой ненулевой записи в любой более высокой строке; такая матрица называется эшелон .Решения системы, представленные более простой расширенной матрицей, [ A ′ | b ′], можно найти путем осмотра нижних рядов и обратной подстановки в более высокие ряды. Поскольку элементарные операции со строками не меняют решений системы, векторы x , которые удовлетворяют более простой системе A ′ x = b ′, являются в точности теми, которые удовлетворяют исходной системе, A x = b .

Пример 3 : Решите следующую систему с помощью исключения Гаусса:

Расширенная матрица, которая представляет эту систему:

Первая цель — получить нули под первой записью в первом столбце , что означает исключение первой переменной x из второго и третьего уравнений.Для этого выполняются следующие операции со строками:

Вторая цель — получить ноль ниже второй записи во втором столбце, что означает исключение второй переменной, y , из третьего уравнения. Один из способов добиться этого — добавить -1/5 второй строки к третьей строке. Однако, чтобы избежать дробей, есть еще один вариант: сначала поменять местами второй и третий ряды. Замена двух строк просто меняет местами уравнения, что явно не меняет решения системы:

Теперь прибавьте −5 раз вторую строку к третьей строке:

Поскольку матрица коэффициентов была преобразована в эшелонированную форму, «прямая» часть исключения Гаусса завершена.Теперь остается использовать третью строку для оценки третьего неизвестного, затем выполнить обратную подстановку во вторую строку для оценки второго неизвестного и, наконец, выполнить обратную замену в первой строке для оценки первого неизвестного.

Третья строка окончательной матрицы переводится в 10 z = 10, что дает z = 1. Обратная подстановка этого значения во вторую строку, которая представляет уравнение y — 3 z = — 1, дает y = 2.Обратная подстановка обоих этих значений в первую строку, которая представляет уравнение x -2 y + z = 0, дает x = 3. Таким образом, решение этой системы ( x, y, z ) = (3, 2, 1).

Пример 4 : Решите следующую систему с помощью исключения Гаусса:

Для этой системы расширенная матрица (вертикальная линия опущена) составляет

Сначала умножьте строку 1 на 1/2:

Теперь добавление −1 первой строки ко второй строке дает нули под первой записью в первом столбце:

Перестановка второй и третьей строк дает желаемую матрицу коэффициентов верхней треугольной формы:

В третьей строке теперь указано z = 4.Обратная подстановка этого значения во вторую строку дает y = 1, а обратная подстановка обоих этих значений в первую строку дает x = −2. Следовательно, решение этой системы ( x, y, z ) = (−2, 1, 4).

Исключение Гаусса-Джордана . Исключение по Гауссу выполняется путем выполнения элементарных операций со строками для получения нулей ниже диагонали матрицы коэффициентов, чтобы привести ее к эшелонированной форме. (Напомним, что матрица A ′ = [ a _ij ′] имеет эшелонированную форму, когда a _ij ′ = 0 для i> j , любые нулевые строки появляются в нижней части матрицы , и первая ненулевая запись в любой строке находится справа от первой ненулевой записи в любой более высокой строке.Как только это будет сделано, проверка нижней строки (строк) и обратная подстановка в верхние строки определяют значения неизвестных.

Однако можно сократить (или полностью исключить) вычисления, связанные с обратной подстановкой, путем выполнения дополнительных операций со строками для преобразования матрицы из эшелонированной формы в сокращенную форму . Матрица находится в форме сокращенного эшелона, когда, помимо того, что она находится в форме эшелона, каждый столбец, содержащий ненулевую запись (обычно равную 1), имеет нули не только под этой записью, но и над этой записью.Грубо говоря, гауссовское исключение работает сверху вниз, чтобы создать матрицу в форме эшелона, тогда как Гаусс-Жорданов исключение продолжается с того места, где остановился гауссов, а затем работает снизу вверх для создания матрицы в форме сокращенного эшелона. Техника будет проиллюстрирована на следующем примере.

Пример 5 : Известно, что высота, y , брошенного в воздух объекта задается квадратичной функцией от t (время) в форме y = at ² + BT + c .Если объект находится на высоте y = 23/4 в момент времени t = 1/2, при y = 7 в момент времени t = 1, а при y = 2 при t = 2 , определите коэффициенты a, b и c .

Так как t = 1/2 дает y = 23/4

, а два других условия, y ( t = 1) = 7 и y ( t = 2) = 2, дают следующие уравнения для a, b и c :

Следовательно, цель — решить систему

Расширенная матрица для этой системы сокращается следующим образом:

На этом прямая часть исключения по Гауссу завершена, поскольку матрица коэффициентов приведена к эшелонированной форме.Однако для иллюстрации исключения Гаусса-Жордана выполняются следующие дополнительные элементарные операции со строками:

Эта окончательная матрица сразу дает решение: a = −5, b = 10 и c = 2.

Пример 6 : Решите следующую систему с помощью исключения Гаусса:

Расширенная матрица для этой системы —

Кратные значения первой строки добавляются к другим строкам, чтобы получить нули под первой записью в первом столбце:

Затем −1 раз вторая строка добавляется к третьей строке:

В третьей строке теперь написано 0 x + 0 y + 0 z = 1, уравнение, которому не могут удовлетворять никакие значения x, y и z .Процесс останавливается: у этой системы нет решений.

Предыдущий пример показывает, как метод исключения по Гауссу обнаруживает противоречивую систему. Небольшое изменение этой системы (например, изменение постоянного члена «7» в третьем уравнении на «6») проиллюстрирует систему с бесконечно большим числом решений.

Пример 7 : Решите следующую систему с помощью исключения Гаусса:

Те же операции, которые применяются к матрице дополнений системы в примере 6, применяются к матрице дополнений для данной системы:

Здесь третья строка переводится в 0 x + 0 y + 0 z = 0, уравнение, которому удовлетворяют любые x, y и z .Поскольку здесь нет ограничений на неизвестные, на неизвестные не три условия, а только два (представленные двумя ненулевыми строками в окончательной расширенной матрице). Поскольку имеется 3 неизвестных, но только 2 константы, 3–2 = 1 неизвестных, скажем, z , произвольно; это называется свободной переменной . Пусть z = t , где t — любое действительное число. Обратная подстановка z = t во вторую строку (- y + 5 z = −6) дает

Обратная подстановка z = t и y = 6 + 5 t в первую строку ( x + y -3 z = 4) определяет x :

Следовательно, каждое решение системы имеет вид

, где t — любое действительное число.Существует бесконечно много решений, поскольку каждое действительное значение т дает отдельное конкретное решение. Например, выбор t = 1 дает ( x, y, z ) = (−4, 11, 1), а t = 3 дает ( x, y, z ) = (4, — 9, −3) и так далее. Геометрически эта система представляет собой три плоскости в R ³ , которые пересекаются по линии, и (*) является параметрическим уравнением для этой линии.

Пример 7 дает иллюстрацию системы с бесконечным числом решений, как возникает этот случай и как записывается решение.Каждая линейная система, имеющая бесконечно много решений, должна содержать хотя бы один произвольный параметр (свободная переменная). После того, как расширенная матрица была приведена к эшелонированной форме, количество свободных переменных равно общему количеству неизвестных минус количество ненулевых строк:

Это согласуется с теоремой B выше, которая утверждает, что линейная система с меньшим количеством уравнений, чем неизвестных, если она согласована, имеет бесконечно много решений. Условие «меньше уравнений, чем неизвестных» означает, что количество строк в матрице коэффициентов меньше количества неизвестных.Следовательно, приведенное выше уравнение в рамке подразумевает, что должна быть хотя бы одна свободная переменная. Поскольку такая переменная по определению может принимать бесконечно много значений, система будет иметь бесконечно много решений.

Пример 8 : Найти все решения для системы

Во-первых, обратите внимание, что есть четыре неизвестных, но только три уравнения. Следовательно, если система непротиворечива, гарантировано, что у нее будет бесконечно много решений, а это состояние характеризуется по крайней мере одним параметром в общем решении.После построения соответствующей расширенной матрицы исключение Гаусса дает

Тот факт, что в эшелонированной форме расширенной матрицы остались только две ненулевые строки, означает, что 4-2 = 2 переменных свободны:

Следовательно, выбрав y и z в качестве свободных переменных, пусть y = t ₁ и z = t ₂ . Во второй строке сокращенной расширенной матрицы следует

, а первая строка дает

Таким образом, решения системы имеют вид

, где т ₁ т ₂ могут принимать любые реальные значения.

Пример 9 : Пусть b = ( b ₁ , b ₂ , b ₃ ) ^T и пусть A будет матрицей

Для каких значений b ₁ , b ₂ и b ₃ будет ли система A x = b согласованной?

Расширенная матрица для системы A x = b читает

, который гауссовский элиминатин сокращает следующим образом:

Нижняя строка теперь подразумевает, что b ₁ + 3 b ₂ + b ₃ должно быть равно нулю, чтобы эта система была согласованной.Следовательно, в данной системе есть растворины (фактически бесконечно много) только для тех векторов-столбцов b = ( b ₁ , b ₂ , b ₃ ) ^T , для которых b ₁ + 3 b ₂ + b ₃ = 0.

Пример 10 : Решите следующую систему (сравните с Примером 12):

Такая система, как эта, где постоянный член в правой части каждого уравнения равен 0, называется однородной системой .В матричной форме он читает A x = 0 . Поскольку каждая гомогенная система согласована — поскольку x = 0 всегда является решением, — однородная система имеет либо ровно одно решение ( тривиальное решение , x = 0 ), либо бесконечно много. Уменьшение строки матрицы коэффициентов для этой системы уже было выполнено в примере 12. Нет необходимости явно увеличивать матрицу коэффициентов столбцом b = 0 , поскольку никакая элементарная операция со строкой не может повлиять на эти нули.То есть, если A ‘является эшелонированной формой A , то операции элементарной строки преобразуют [ A | 0 ] в [ A ′ | 0 ]. По результатам Примера 12,

Поскольку последняя строка снова подразумевает, что z можно принять как свободную переменную, пусть z = t , где t — любое действительное число. Обратная подстановка z = t во вторую строку (- y + 5 z = 0) дает

и обратная подстановка z = t и y = 5 t в первую строку ( x + y -3 z = 0) определяет x :

Следовательно, каждое решение этой системы имеет вид ( x, y, z ) = (−2 t , 5 t, t ), где t — любое действительное число.Растворителей бесконечно много, так как каждое действительное значение т дает уникальное частное решение.

Внимательно обратите внимание на различие между набором решений для системы в Примере 12 и здесь. Хотя у обоих была одна и та же матрица коэффициентов A , система в примере 12 была неоднородной ( A x = b , где b ≠ 0 ), а здесь — соответствующая однородная система, A x = 0 .Помещая свои решения рядом,

общее решение для Ax = 0 : ( x, y, z ) = (−2 t , 5 t , t )

общее решение для Ax = b : ( x, y, z ) = (−2 t , 5 t , t ) + (−2, 6, 0)

иллюстрирует важный факт:

Теорема C . Общие решения для согласованной неоднородной лиенарной системы, A x = b , равны общему решению соответствующей однородной системы, A x = 0 , плюс частное решение неоднородная система.То есть, если x = x _h представляет собой общее решение A x = 0 , то x = x _h + x представляет общее решение A x + b , где x — любое конкретное решение (согласованной) неоднородной системы A x = b .

[Техническое примечание: теорема C, которая касается линейной системы , имеет аналог в теории линейных дифференциальных уравнений .Пусть L — линейный дифференциальный оператор; то общее решение разрешимого неоднородного линейного дифференциального уравнения, L (y) = d (где d ≢ 0), равно общему решению соответствующего однородного уравнения, L (y) = 0 плюс частное решение неоднородного уравнения. То есть, если y = y _h повторно отображает общее решение L (y) = 0, то y = y _h + y представляет собой общее решение L (y ) = d , где y — любое частное решение (решаемого) неоднородного линейного уравнения L (y) = d .]

Пример 11 : Определить все решения системы

Запишите расширенную матрицу и выполните следующую последовательность операций:

Поскольку в этой конечной (эшелонированной) матрице остаются только 2 ненулевые строки, есть только 2 ограничения, и, следовательно, 4-2 = 2 из неизвестных — скажем, y и z — являются свободными переменными. Пусть y = t ₁ и z = t ₂ .Обратная подстановка y = t ₁ и z = t ₂ во вторую строку ( x — 3 y + 4 z = 1) дает

Наконец, обратная замена x = 1

.