Методика электронной спекл-интерферометрии для контроля качества биметаллов, полученных сваркой взрывом

Работа проводится совместными усилиями Пензенского государственного университета и Пензенским инновационным центром Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской Академии Наук (ПИЦ ИСМАН)

Надёжность работы любого объекта, особенно относящегося к опасным техническим устройствам, определяется условиями контроля его качества ещё на стадии изготовления. Особенно актуален данный вопрос для технологий, предназначенных для выпуска продукции в химическом машиностроении, металлургии, атомной энергетике, военной технике и др., где требуется сочетание высокой прочности, жаростойкости, коррозионной и эрозионной стойкости материалов. Контроль качества применяемых материалов осложняется использованием биметаллических и многослойных композитов, получаемых, в том числе и сваркой взрывом.
Отсутствие эффективного метода контроля произведенного взрывом биметаллического или многослойного материала ограничивает широкое применение данной технологии. В большинстве случаев используют так называемые неразрушающие способы контроля (НК), позволяющие определить наличие или отсутствие в изделиях тех или иных дефектов, косвенно характеризующих их прочность и надежность. Эти испытания основаны на различных физических явлениях: прохождении и передаче энергии, либо вещества.
Такие традиционные методы НК, как, радиационный, акустический, магнитный, вихретоковый, капиллярный, охватывающие до 95% проводимого в настоящее время контроля, для биметаллических материалов использовать не всегда представляется возможным. Это связано с тем, что основному контролю подлежат большие поверхности, в которых в качестве дефектов могут выступать узкие щелеобразные непровары или спаи, а также литые зоны с рассредоточенными усадочными раковинами. Данные дефекты возникают в местах контакта соединяемых поверхностей и, соответственно, глубина их залегания регламентируется толщинами свариваемых материалов, которые могут меняться от миллиметра до несколько сотен миллиметров.
Перспективным в этой связи может служить использование голографических методов контроля, обеспечивающих возможность измерения деформации поверхности трехмерных объектов с высокой точностью. С появлением фотоприемных матриц, способных воспроизводить сравнительно высокие пространственные частоты, а также с развитием методов цифровой обработки изображений, особую роль в измерении деформаций получают фотоэлектронные корреляционные спекл-интерферометрические методы неразрушающего контроля, которые предлагается использовать для изделий, полученных сваркой взрывом.
Метод голографической интерферометрии позволяет выявить не только поверхностные дефекты, но и дефекты, скрытые на значительной глубине. Наиболее подходящим способом нагружения исследуемого объекта в таких случаях является приложение температурных градиентов. Возможно также применение импульсного возбуждения для определения неоднородных включений, раковин и трещин внутри металлических изделий. На исследуемый объект подается механический импульс. В момент возбуждения и после него голографируется поверхность объекта. При наличии неоднородности в его массе скорость распространения деформаций различна, что приводит к появлению искажений в картине интерференционных полос, наблюдаемых на восстановленном изображении поверхности. Для освещения объекта необходимо использовать импульсный лазер.

На кафедре «Сварочное, литейное производство и материаловедение» Пензенского государственного университета разработана методика электронной спекл-интерферометрии для контроля качества биметаллов, полученных сваркой взрывом.
В основу метода положено использование гелий-неонового лазера, излучение которого через формирующую оптику направляется на исследуемую поверхность биметалла. Рассеянное излучение от поверхности, отразившись направляется на фотоприемную матрицу. Фотоприемная матрица располагается в плоскости изображения объектива. Система зеркал установки, ориентированных друг к другу под углом ~ 180 градусов и имеет регулировки, позволяющие сдвигать изображения исследуемой поверхности относительно друг друга, поэтому этот интерферометр называют интерферометром с разделением спекл структур.
На фотоприемной матрице формируются два когерентных изображения, интерферирующих друг с другом. Фотоприемная матрица через контроллер вывода изображения соединена с ПЭВМ через порт USB. На обратной стороне исследуемой поверхности биметалла расположены нагревательные элементы (см. рис.1) необходимые для создания температурной деформации.
В плоскость фотоприемной матрицы приходят волны, рассеянные различными участками исследуемой поверхности и за счет сдвига одного изображения относительно другого на величину дельта на фотоприемной матрице формируются два интерферирующих волновых фронта.

Рисунок 1 - Функциональная схема фотоэлектронного корреляционного спекл-интерферометра	Рисунок 2 – Интерферограмма

На рисунке 2 приведена интерферограмма, полученная для угла наблюдения ψ2= ψ1=10° при нагревании заведомо дефектного биметаллического образца (Сталь 10 толщиной 8 мм + Алюминий АД0 толщиной 2 мм) размером 100x250 мм. Температура нагрева составляет 200°С при скорости нагрева 5°С в секунду.

Температурное воздействие приведет к тому, что появится не только деформация, но и ее форма будет определяться наличием и величиной внутренних дефектов. В цифровом разностном изображении форма интерференционных полос определяет изолинии равных разностей хода дельта , соответствующих деформаций или их производных (см. рисунок 2). Анализ изолиний позволяет четко определить наличие дефекта(ов) в композиционном материале и установить его форму, размеры и глубину залегания.
По данному научному направлению коллектив принимал участие в выполнении государственного оборонного заказа Министерства обороны РФ, Федеральной космической программы.

Разработка была удостоена диплома двенадцатого Международного промышленно-экономического форума «Россия Единая»

Наверх страницы