Название: Проектирование и создание транспортно – технологических внедорожных средств - (Атапин В.Г.)

Жанр: Технические

Просмотров: 1058


Анализ дискретных сигналов акустической эмиссии при остывании сварных соединений

 

Сибирский государственный университет путей сообщения, г. Новосибирск

Алексеев А.Б.

 

Прочность и надежность сварных соединений определяются, прежде всего, правильным выбором и строгим соблюдением технологии и режимов сварки. Неравномерный высокотемпературный нагрев элементов конструкций вызывает появление в них деформаций и напряжений. Основными физико-химическими процессами, протекающими при сварке оплавлением, являются: быстрое расплавление части свариваемых деталей, их взаимодействие с газами и шлаками, кристаллизация, неравномерный нагрев и охлаждение металла в околошовной зоне, возникновение напряжений в металле шва. В процессе сварки некоторый объем металла сварного шва подвергается быстрому нагреву и охлаждению и вследствие этого испытывает вначале расширение, а затем сжатие. Так как свободное расширение и сжатие нагретого металла затрудняется из-за окружающего его холодного металла, в нем возникают вначале сжимающие, а потом растягивающие напряжения. Напряжения, вызванные сваркой, разделяют на временные, возникающие в процессе сварки, и остаточные.  Возникновение напряжений в зоне сварного стыка и характерный для процесса сварки термодеформационный цикл являются одними из причин возникновения дефектов. Особо опасными дефектами считаются трещины, которые в зависимости от механизма образования делят на горячие и холодные. Последние образуются в сварных соединениях при остывании их до относительно невысоких температур.

Перспективным в данном случае представляется акустико-эмиссионный (АЭ) метод контроля, регистрирующий процесс образования несплошностей в сварном соединении. Явление акустической эмиссии используется в неразрушающем контроле уже более полувека, достоверность этого метода определяется его интенсивным использованием на ответственных объектах Госгортехнадзора, в кораблестроении и при создании авиационных конструкций. Цепь физических процессов вызывающих АЭ иллюстрирует рисунок 1. Инициирование акустической эмиссии происходит под действием процессов, создающих в материале объекта контроля (ОК) неравновесное состояние. В результате в ОК происходит образование и эволюция дефектов, которые сопровождаются излучением акустических волн, называемых акустико-эмиссионными сигналами.

 

 

 

 

 

Отличительной особенностью мониторинга качества сварки методом АЭ является то, что имеется возможность для его проведения на различных стадиях технологического процесса – во время сварки, когда сварное соединение только формируется, а также после окончания сварки, до прихода сварного соединения в равновесное состояние или после завершения этого процесса. Если на первых двух стадиях сварки плавлением АЭ появляется под действием внутренних напряжений, то на третьей стадии, после завершения диффузионных и релаксационных процессов для возникновения АЭ от дефектов необходимо общее локальное воздействие на сварочное соединение внешней нагрузкой.

Одной из главных задач при мониторинге сварных соединений в процессе их формирования, последующего охлаждения и термообработки является интерпретация информативных параметров сигналов АЭ.

В лабораторных условиях были изготовлены плоские образцы из стали 45, имеющие специальные площадки для установки преобразователей. Это позволило проводить измерения с определением координат источников сигналов АЭ. Образцы имели в средней части дефектные и бездефектные сварные швы. На подготовленных образцах при их нагреве и охлаждении получены сигналы АЭ. Для регистрации дискретных сигналов АЭ применялась специализированная диагностическая система СЦАД-16.03. В процессе испытаний осуществлялось измерение температуры с помощью инфракрасного пирометра. При этом для первого образца сварка производилась качественно, а для второго - с внедрением алюминиевой проволоки, условно – дефектная сварка. После наложения сварного шва на бездефектный образец были зафиксированы сигналы АЭ небольшой амплитуды (до 300 мВ) из области сварной ванны. Суммарный счёт сигналов находился в пределах  N = (40…60). при этом количество локализованных сигналов соответственно было меньше и составляло Nлок = (20…40). В большинстве измерений, принятые и локализованные сигналы указывали на область сварного соединения с точностью не хуже + 4 сантиметров, что для линейной локации методом РВП достаточно точно. Длина образцов составляла 50 см, а зона термического влияния около 5 см с каждой стороны сварного соединения.

Амплитудное распределение является одним из основных информативных параметров сигналов АЭ и показывает насколько большие изменения происходят в объекте контроля. В акустико-эмиссионном методе контроля одним из браковочных критериев объекта является уровень сигналов АЭ, но для каждого объекта он свой и устанавливается эмпирически. Для образца с бездефектным сварным соединением уровень сигналов относительно невысок. На рисунке 2 приведены зависимости числа импульсов АЭ от времени, полученные после испытаний образца с дефектной сваркой. Во всех экспериментах зарегистрирована значительная активность АЭ (N) – темпа нарастания суммы импульсов АЭ. Причём, чем большее количество импульсов, тем более зависимость близка к линейной. 

Внешний вид сигналов (их спектр) также зависят от объекта контроля. Большое влияние оказывает его форма и геометрия, неоднородность структуры материала и расположение ПАЭ пьезоэлектрической антенны.

При анализе результатов измерений было замечено, что большинство локализованных сигналов можно объединить в группы (кластеры) по сходству спектральных характеристик, что позволяет говорить о схожих характеристиках источников этих сигналов. При этом сигналы больших амплитуд имели всего 2 схожих спектра. Источником этих сигналов, возможно, являлся дефект. Для остывания дефектного сварного шва характерно наличие большого числа локализованных источников АЭ. При контроле заведомо дефектного образца было локализовано более 2000 сигналов, образец остывал около 10 минут. Было зафиксировано резкое повышение уровня амплитуды до 3000 мВ, в то время как амплитуды при контроле бездефектного образца не превышали 1000 мВ.

 

 

 

 

 

Рис. 2 - Зависимость числа импульсов от времени остывания шва с дефектом

а, б, в – данные по трём измерениям, произведённым в разное время;

1 – первый канал АЭ, 2 – второй канал АЭ.

 

Обобщив опытные данные, можно утверждать, что для АЭК показания измерений объектов дефектных и бездефектных хорошо различимо. По спектрам сигналов можно судить о характерах источников сигналов АЭ. Также о дефектности можно судить по суммарному счёту сигналов АЭ и по максимальным амплитудам. При этом эмиссия наблюдается в диапазоне температур остывания от 500°C до 100°С.

 

Библиографический список

Диагностика объектов транспорта методом акустической эмиссии/ под ред. Л.Н.Степановой, В.В Муравьева. М.: Машиностроение, 2004. 368 с.

Иванов В.И., Быков С.П., Рябов А.Н. О критерии оценки степени опасности дефекта по параметрам акустической эмиссии//Дефектоскопия.-1985.-№2.с.62-68.

Шухостанов В.К. Интеллектуальные АЭ-технологии изготовления, эксплуатации и ремонта сварных конструкций//Техническая диагностика и неразрушающий контроль.-1991.-№3.-с.42-48.

Иванов В.И., Белов В.М. Акустико-эмиссионный контроль сварки и сварных соединений. М.: Машиностроение, 1981. -184 с.

 

УДК 661.666.1

 

Создание демонстрационной установки по получению Нановолокнистого углерода

 

Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Ананьев И.В., Варфоломеева А.С., Кувшинов Г.Г.

 

Нановолокнистый углерод имеет сложную анизотропную структуру и разнообразную морфологию. Основным строительным элементом нановолокнистого углерода (НВУ), своего рода «кирпичиком», является графен, представляющий собой плоские гексагены из атомов углерода по типу бензольных колец. Связанные между собой гексагены образуют базальные плоскости. Если графены расположены не в одной плоскости – могут образовываться различные пространственные объемные образования типа фуллеренов, различных нанобус, и т.д. Другой предельный случай – графит, где базальные плоскости параллельны друг другу и состоят из упорядоченных гексагенов.

В зависимости от ориентации базальных плоскостей относительно оси волокна. различают 3 основных вида НВУ:

1.         Базальная плоскость свернута, образуя одностеночную нанотрубку. При наслаивании базальных плоскостей одна на другую получается многостеночная нанотрубка. Угол между осью и базальной плоскостью составляет 0о.

2.         Базальные плоскости расположены преимущественно под углом 45° к оси волокна. Такое расположение также получило название рыбий скелет.

3.         Базальные плоскости расположены перпендикулярно оси волокна.

Возможны случаи, когда из одной частички катализатора растет сразу несколько волокон осьминогообразного типа (октопусы).

В зависимости от степени графитизации углерода, от того какое количество аморфного углерода присутствует и как он распределен, от как распределены центры роста углерода, от того как расположены гранулы (волокна) друг относительно друга – зависит морфология нановолокнистого углерода.

Уникальные свойства НВУ уже сейчас позволяют выделить ряд областей, применение материала в которых даст заметный эффект. Уже сейчас можно выделить следующие перспективные направления:

-в технологиях литиевых батарей и топливных элементов;

-в качестве электродов с большой удельной поверхностью;

-чрезвычайно эффективных сорбентов для хранения водорода, сорбентов для очистки крови, сорбентов для поглощения тяжелых углеводородов, и т.д.;

-носителей катализаторов, уникальных носителей биологически активных веществ;

-в композиционных материалах;

-в качестве катализатора селективного окисления сероводорода в серу;

-использование в качестве элементов приборов и сверх проводниковой электроники;

-и др.

Одним из примеров нетривиальных применений НВУ может послужить решение NASA построить космический лифт для доставки грузов на околоземную орбиту с использованием сплетенных между собой одностеночных нанотрубок в качестве троса [www.cnews.ru].

В литературе, в частности [2], выделяют 2 большие группы способов получения нановолокнистых углеродных материалов.

Первый состоит в испарении графита в дуге, зажигаемой между двумя графитовыми электродами с последующей десублимацией продукта при охлаждении паров в токе инертного газа. К подвидам данного типа можно отнести метод лазерной абляции графита, где мишень помещают в печь, нагретую до 1000...1200°С, и лишь незначительную часть энергии подводят лазерным излучением. Существуют и другие методы получения (в солнечных печах, с помощью различных пучков, и т.д.) Всем этим методам присущи следующие недостатки:

            -высокие энергозатраты при получении;

            -высокие требования по чистоте исходного сырья;

            -сложности по автоматизации процесса;

            -сложности с организацией непрерывного процесса;

            -низкий выход целевого продукта;

            -большое количество примесей (до 50-60\%) и как следствие сложности выделения целевого продукта.

Второй способ основан на разложении углеродосодержащих газов. Данный способ включает в себя две неравномерные группы. К первой группе можно отнести получение нановолокнистого углерода путем диспропорционирования СО, содержащего Fe(СО)5, под давлением [3].

Вторая группа включает гораздо больше вариантов. Пиролизу в принципе могут подвергаться любые углеродсодержащие вещества. Одними из первых были выполненные работы по получению нановолокнистого углерода путем разложением на катализаторах простейших углеводородов парафинового ряда — СН4, в Институте катализа им. Борескова СО РАН [1,4] и в Северо-Восточном университете, г. Бостон, США [5]. Также в литературе описывается множество случаев, когда в качестве исходной реакционной смеси брались другие углеводородные газы. К преимуществам данной технологии можно отнести возможность получения указанных нановолокнистых материалов из бросового сырья – попутного газа, зачастую сейчас просто сжигаемого в факелах на местах добычи [4].

По способу организации процессы можно делить также на две группы — с катализатором на носителе и с летучим катализатором. В первом случае активный компонент катализатора вводится в реакционную зону на подложке или носителе в твердом виде, во втором — в виде паров или растворов, распыленных на мелкие капли. В качестве паров используют карбонилы, фталоцианины, металлоцены и другие соединения металлов, в качестве растворов — например, карбонилы металлов в толуоле. “Растворный” вариант реализуют в инжекторных реакторах [2, 12].

Одним из преимуществ процессов с катализатором на носителе является значительно большее количество нановолокнистого углерода, получаемых на единицу массы катализатора. Удельный выход при получении нановолокнистого углерода составлять десятки и сотни грамм на грамм катализатора.

Каталитические способы разложения углеродосодержащих газов допускают матричный синтез путем, например, выращивания нановолокон на катализаторе, введенном в нанопоры мембран. Только каталитическим разложением, используя возможности процесса химического осаждения из газовой фазы, можно получать структурированные осадки нановолокон на подложках с катализатором, нанесенным в виде упорядоченных островков, полос и любых фигур, т. е. изготавливать элементы приборов [6,7].

Из вышесказанного следует, что наибольшей перспективой для опытно-промышленной реализации является синтез НВУ из углеводородов.

Анализ опубликованных данных показывает, что основные исследования по укрупненному производству ведутся в США, Китае, Южной Корее и России. Так в Институт Катализа им. Борескова реализован периодический реактор с виброожижением [11]. В Tsinghua University, Китай реализован периодический реактор псевдоожижением [10]. В США и Ю. Корее реализуются инжекторные реакторы с жидкими катализаторами [8, 9, 12]. У всех вышеперечисленных реакторов есть свои преимущества и недостатки. Главный их недостаток – работа в периодическом режиме. Но для будущей реализации промышленного процесса предпочтительнее реактор непрерывного действия.

В 2005 году в НГТУ в рамках проекта «Разработка и испытание технологии и демонстрационной установки непрерывного производства нановолокнистых углеродных материалов производительностью 0,5 кг/час из природного газа» был разработан реактор непрерывного действия. Реактор представляет собой горизонтально подвешенный сосуд, в который подается природный газ и катализатор. Равномерное распределение дисперсного материала и предотвращение агломерации гранул углерода достигается за счет виброожижения. Горизонтальное расположение реактора обеспечивает небольшой по высоте слой дисперсного материала, и как следствие, равномерное распределение полей концентраций реагентов и температур. Конструктивные решения реактора позволяют осуществлять непрерывную выгрузку полученного материала. Реактор является идеального перемешивания по газовой фазе и идеального вытеснения по дисперсному материалу.

Для дальнейшей разработки опытно-промышленной установки, как показали первые эксперименты, необходимо сделать ряд серьезных технологических исследований, связанных с отработкой оптимальных конструкционных решений, эффективных режимов работы реактора, изучением влияния масштабных эффектов на интенсивность перемешивания виброожиженного слоя, массопереноса между газовой фазой и слоем, формированием оптимального поля температур и концентраций внутри реактора, и, на основе этих данных уточнить и дополнить кинетическую модель реактора [13, 14].

Для отработки технологических режимов и учета эффектов масштаба на данном этапе необходимо:

1.         Установить причины и исследовать механизм неустойчивости мелкого виброожиженного слоя в зависимости от амплитуды, частоты вибрации и жесткости системы.

2.         Исследовать интенсивность теплоотдачи между виброожиженным слоем частиц и стенкой реактора в рабочих условиях.

3.         Исследовать влияние параметров виброожижения на распределение полей концентраций и температур и их связь с технологическими показателями процесса синтеза нановолокнистого углерода.

4.         Полученные экспериментальные данные позволят оптимизировать работу установки и станут основой развития методов расчета ректоров и математического моделирования рассматриваемого процесса и дальнейшего увеличения масштаба реактора.

Наличие материальной базы и имеющийся опыт позволяют надеяться на успешное выполнение поставленных задач.

 

Библиографический список

В. Б. Фенелонов. Пористый углерод, Новосибирск – 95, - 518с.

Э.Г. Раков. Методы непрерывного производства углеродных нановолокон и нанотрубок, Химическая технология №10, 2003 г, с. 2-7.

Nikolaev P. Bronikowski M.J., Bradley R.K. et all. Gas –phase catalytic growth of single-walled carbon nanotubes from carbon monoxide. Chem. Phys. Lett. 1999 V. 266. P. 323-328.

L.B. Avdeeva, O.V. Goncharova, Kuvshinov G.G. Natural gas utilization based on hydrocarbon decomposition to hydrogen and carbon. // Proceed of 1Russia- Japan. Symp. "RuJap-93", august 2-4-28. 1993, p.157.

Rodrigez N. M. A review of catalytically growth carbon nanofibers // J. Mater. Res. 1993. V.8. N 12. P. 3233-3249/

Kong J., Soh H. T., Cassel A. M. et all. Synthesis of individual single-walled carbon nanotubes on patterned silicon wafers // Nature. 1998. V. 395. P. 878-881.

Dai H. Carbon nanotubes. Opportunities and challenges //Surf. Science. 2002. V. 505. P. 218-241.

Пат. США, №5165909 1.10.1990, опубл.24.11.1992

Пат. США, №6375917. 6.06.1995, опубл. 23.04.2002

Luo G., Li Z., Wei F., Wang Y. Mechanism of carbon nanotubes growth in a nano-aglomirate fluidized bed // Chinese J. Process Ingeniring. 2002. V. 2. N 3. P. 224-229.

Пат. РФ, №2146648. БИ 2000, №8.

G.S. Choi, Y.S. Cho, K.H. Son, D.J. Kim. Mass production of carbon nanotubes using spin-coating of nanoparticles //Microelectronic Engineering 66 (2003) 77–82

Zavarukhin S.G., Kuvshinov G.G. The kinetic model of formation of nanofibrous carbon from CH4 – H2 mixture over a high-loaded nickel catalyst with consideration for the catalyst deactivation // Appl. Catal. A. 2004. V. 272. P. 219.

Кувшинов Г.Г., Могильных Ю.И., Кувшинов Д.Г. и др. Кинетические особенности процесса образования филаментарного углерода при разложении метана на никельсодержащих катализаторах // Химическая промышленность. 1997. № 4. С. 270.

 

УДК 629.03