книги из ГПНТБ / Эскин, Г. И. Ультразвук шагнул в металлургию

этот метод, удается получить структуру композиции из дисперсных включений окиси алюминия с размером час­ тиц 1—1,5 мкм и алюминиевого сплава типа АМЦ (рис. 84). На рис. 85 приведены данные по горячей твер­ дости чистого алюминия и алюминия с добавкой 1,0% частиц окиси алюминия размером 1 мкм. При 100°С го­ рячая твердость композиционного материала увеличи­ лась по сравнению с чистым алюминием вдвое, при 200°С прирост твердости составляет 90%.

Используя ультразвуковую обработку расплава с до­ бавками тугоплавких и высокопрочных частиц, удается

Рис. 85. Горячая твердость композиции А1 +1% А120 3 (/) и чистого алюминия (2); образцы отожжены в течение 2 ч при 450°С [46]

создать десятки новых синтетических дисперсных мате­ риалов на основе алюминия, стали и всевозможных спла­ вов самого различного назначения Г. И. Погодиным — Алексеевым [47] описаны возможные составы компози­ ционных материалов, полученных с применением ульт­ развука.

181

ГЛАВА XII

У Л Ь Т Р А З В У К О В Ы Е М Е Т О Д Ы К О Н Т Р О Л Я К А Ч Е С Т В А М Е Т А Л Л О В

Успешное применение изделий из металлов и спла­ вов, надежность металлических конструкций — будь то самолет, мост, прибор или станок — зависит от того, в какой степени удалось получить свободные от дефектов материалы.

ность, горячие и холодные трещины — эти дефекты воз­ никают при плавке и литье; расслоения, волосовины, рва­ нины, закаты возникают позже, на этапах пластического деформирования металла. При термообработке возмож­ ны пережог, закалочные трещины и др. Различные де­ фекты возникают в изделиях и в последующих техноло­ гических операциях при сварке, механической обработке Ит. д.

улучшению качества металлов и сплавов на разных эта­ пах производства. Для этих целей применяют мощный ультразвук (1—10 вт/см2 и выше), способный оказывать активное воздействие на среду.

Оказывается, что ультразвуковые колебания могут быть не менее ценными помощниками человека даже в том случае, если их энергия в тысячи раз меньше. Тогда

182

ультразвук выступает уже не в роли созидателя, а в ро­ ли беспристрастного судьи.

В самом деле ультразвуковые колебания малой ин­ тенсивности (М О '3 вт/см2 и меньше), распространяясь в металлах и сплавах, не вызывают в их структуре никаких изменений. В то же время в зависимости от свойств и структуры металла условия распространения ультразву­ ковых колебаний могут существенно меняться. Особен­ но большое влияние на распространение упругих колеба­ ний оказывают поверхности раздела сред с различными акустическими сопротивлениями (см. введение). Уже упоминавшиеся выше дефекты металла в виде, напри­ мер, газового пузырька или трещины, заполненной возду­ хом, имеют акустическое сопротивление в десятки тысяч раз меньше, чем акустическое сопротивление сплошного металла. Поэтому ультразвуковые колебания, распро­ страняющиеся в металле, отражаются от такого дефек­ та.

Впервые на возможность применения ультразвука для регистрации дефектов в металлах обратил внимание в 1928 г. С. Я. Соколов, которому было выдано первое в мире авторское свидетельство на способ ультразвуковой дефектоскопии [48].

делается для того, чтобы приблизить длину волны к раз­ мерам дефекта и этим самым повысить чувствительность к более мелким дефектам. Так, например, для частоты в 30 Мгц (30-106 гц) длина волны звука в алюминии со­ ставит 0,2 мм, что позволяет обнаружить дефекты разме­ ром 1—2 мм.

При введении ультразвуковых колебаний в контроли­ руемое изделие необходимо создать хороший контакт из­ лучателя с изделием. Поэтому обычно применяют жид­

183

кую прослойку, например слой масла, однако и в этом случае могут иметь место потери «прозрачности» систе­ мы из-за установления стоячих волн. Для устранения этого явления в технике ультразвуковой дефектоскопии применяют импульсный режим излучения и широко ис­ пользуют так называемый иммерсионный метод прозвучнвания, при котором изделие помещают в ванну с водой.

Принцип работы такого импульсного дефектоскопа можно хорошо уяснить из рис. 86, а и б. К цилиндриче­ скому металлическому прутку через тонкий слой масла

3 — дефект

прижимают два датчика ультразвуковых колебаний, из которых первый 1 излучает импульс ультразвуковой вол­ ны, а второй 2 принимает этот импульс. Когда в изделии нет дефектов, излучаемая ультразвуковая волна дойдет до противоположной поверхности изделия и вернется к при­

184

емнику. Если внутри контролируемого изделия есть д<у фект, например трещина 3, то приемный датчик 2 внача­ ле воспринимает сигнал от трещины, а потом от противо­ положной грани изделия. На рис. 86,6 показана карти­ на, возникающая на экране осциллографа импульсного ультразвукового дефектоскопа в случае отсутствия де­ фекта и при контроле изделия с дефектом. Первый им­ пульс— это излученный сигнал, последний импульс-- это сигнал от края изделия и средний импульс— это сигнал от дефекта.

В металлургическом производстве наиболее правильно проводить операцию ультразвукового контроля в самом начале производственного цикла, т. е. контролировать слиток. Это необходимо главным образом потому, что ос­ новные виды дефектов имеют литейное происхождение.

Контроль качества слитков— довольно трудная зада­ ча. На рис. 87 показана схема распространения ультра-

СВПЕ

Рис. 87. Схема распространения ультразвука в поликрнсталлическом твердом теле [48]

185

Звука в поЛикристаллНческом теле, из которой видно, что если размеры зерен соизмеримы с длиной волны, то при наличии анизотропии упругих свойств имеют место зна­ чительные потери импульса ультразвуковой волны [48]. Понятно, что рассеивание ультразвука снижает чувстви­ тельность.

Благодаря кропотливой работе различных научных коллективов в настоящее время удается успешно контро­ лировать стальные слитки длиной до 1 м, алюминиевые и титановые слитки — до 1,5 м и слитки из молибдена и циркония — до 1 м. Никелевые сплавы, латуни и бронзы с трудом поддаются ультразвуковому контролю из-за большого затухания ультразвука.

Применение ультразвука для контроля больших (длинных) слитков и листов поставило задачу автома­ тизации поиска дефектов, чтобы производительность контроля была не ниже производительности самого про­ цесса литья.

Для автоматизации процесса ультразвукового конт­ роля слитков из легких сплавов М. П. Уральским, А. И. Му­ рашовым, А. П. Салтыковым и др. в 1966 г. были созда­ ны установки типа «Сплав». Эти установки (рис. 88) кон­ тролируют слиток послойно с помощью трех дефектоско­ пов, работающих последовательно. Для регистрации сиг­ налов применяется быстродействующая аппаратура с записью результатов поиска на светочувствительной бу­ маге.

Порядок контроля состоит в следующем: исследуемый слиток помещают в ванну с водой на специальные валки, где он получает вращательное движение через фрикци­ онное устройство. К его криволинейной поверхности при­ жимаются датчики ультразвука, совершающие линейное возвратно-поступательное движение. Установки «Сплав» определяют залегание дефекта с точностью до 10%•

186

4 3

Рис. 88. Схема послойного ультразвукового конт­ роля слитка:

/ — генератор радиоимпульсов; 2 — усилитель; 3 —

датчик; 4 — слиток; 5 — ванна; б — валки; 7 — четырехкаиальный сигнализатор дефектов; 8 — мно­

гоканальный самописец

Внедрение в производство автоматизированного кон­ троля слитков позволило почти в два раза повысить ко­ личество выявленных дефектов по сравнению с «ручным» ультразвуковым контролем.

Как ни выгодно осуществлять ультразвуковой конт­ роль слитков, но нередко приходится проверять качест­ во конечной продукции металлургического производства: поковок, штамповок, листов, труб и др.

Рассмотрим, например, принцип действия промыш-

187

ленной установки по ультразвуковому контролю толсто­ листового проката стального листа шириной 3—4 м. Та­ кая установка под маркой УЗУЛ-01 была создана в 1959—1965 гг. В. М. Веревкиным, А. С. Голубевым, Н. А. Евдокимовым, Л. Г. Меркуловым и успешно рабо­ тает на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате им. В. И. Ленина (рис. 89).

Контролируемый лист 1 с помощью крана 2 и гидроподъемного стола 3 опускается на рольганг 4, ус­ тановленный в ванне 5 с водой. При включении рольган­ га лист, двигаясь под водой, сначала проходит между соплами гидросмыва 6, которые очищают его поверх­ ность встречным течением от грязи и пузырей, а затем

188

через систему соосно расположенных друг под другом излучающих 7 и приемных 8 ультразвуковых датчиков, при помощи которых осуществляется ультразвуковой контроль.

После контроля рольганг выносит лист из-под датчи­ ков на второй гидроподъемный стол 9, который вынимает лист из воды. В зависимости от результатов контроля лист далее идет в брак или на склад готовой продукции.

Одновременно с движением листа по рольгангу в ван­ не специальная аппаратура расшифровывает поступа­ ющую от датчиков информацию, а записывающее уст­ ройство автоматически вычерчивает на электротермиче­ ской бумаге дефектограмму контролируемого листа. Дефектограмма представляет собой штриховой план—чер­ теж в масштабе 1:10 к размерам листа, на котором вид­ ны контур последнего, конфигурация и местоположение дефектов.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

Наш рассказ о применении ультразвука в металлур­ гии закончен, а между тем он не исчерпал и половины того, что ультразвуковая технология может дать метал­ лургу. Надо написать очень большую книгу, чтобы под­ робно остановиться на применении ультразвука во всех металлургических процессах, однако даже в этом случае можно не успеть за стремительным развитием ультразву­ ковой техники и технологии.

То, что сегодня составляет лишь предмет размышле­ ний ученого, завтра в руках инженеров превратится в но­ вое достижение техники.

На смену ламповым генераторам ультразвука в тех­ нику приходят полупроводниковые генераторы, а следо­ вательно, возрастает надежность и портативность источ­

189