книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

Если же стержень расположить над дефектной зоной, то пеирнклеенный участок обшивки будет колебаться, как заж а­ тый по контуру диск, независимо от всей конструкции. Так как жесткость обшивки намного меньше жесткости всей конструк­ ции, сила реакции Fp' резко уменьшится. На этом принципе ра­ ботает прибор ИАД-2.

Рис. 113. Принципиальная схема контроля качества склейки методом свободных колебаний:

/ — к о н т р о л и р у е м о е и з д е л и е ; 2 — э л е к т р о м а г н и т ; 3 — м и к р о ­ ф о н ( п ь е з о э л е м е н т ) ; 4 — у с и л и т е л ь ; 5 — и н д и к а т о р

При фазовом варианте уменьшение импеданса контроли­ руемого изделия, вызываемое дефектом, сопровождается изме­ нением фазы силы реакции и, следовательно, фазы снимаемомого с пьезоэлемента датчика электрического сигнала. Обыч­ но дефект вызывает значительный фазовый сдвиг. Измеряя фазовый сдвиг между принятым сигналом и напряжением воз­ буждающего излучатель генератора, можно выявить дефекты по обусловленному ими изменению фаз.

Пмпедансный метод позволяет обнаруживать зоны наруше­ ния жесткой связи между элементами слоистых конструкций: непроклеи, непропаи, расслоения, слабую адгезию, неполную полимеризацию и т. п. Метод позволяет контролировать изде­ лия как с плоскими, так и с кривыми поверхностями.

По амплитудному и фазовому варианту работает прибор IIАД-3 с рабочей частотой I—6,5 КГц. Оптимальная частота подбирается в зависимости от параметров контроля.

М е т о д с в о б о д н ы х к о л е б а н и й основан на анализе частотного спектра свободных колебаний и системе, возбуж­ денной ударом. Сущность метода заключается в следующем. Если твердое тело, обладающее определенной массой, гиб­ костью и механическим сопротивлением возбудить резким уда­ ром, то в нем возникнут свободные (или собственные) зату­ хающие колебания.

351

При заданных размерах и форме изделия, однородности материала, из которого оно изготовлено, частота собственных колебаний изделия является величиной определенной. При на­ личии в изделии дефекта (расслоения, раковины и т. п.) пара­ метры колебательной системы (гибкость, масса) меняются, что ведет к изменению частоты собственных колебаний и лагорифмнческого декремента затухания.

На рис. 113 показана схема контроля качества склейки ме­ тодом свободных колебаний. Боек датчика, укрепленный на якоре эдектомагпита 2, ударяет по поверхности контролируе­ мого изделия 1 с частотой питающего электромагнит перемен­ ного тока, возбуждая в изделии свободные колебания. Микро­ фон 3 (пьезоэлемент), установленный на поверхности изделия, воспринимает эти колебания и передает их в виде электриче­ ских сигналов на усилитель 4, на выходе которого включено реле, управляющее сигнальной лампой индикатора 5. Если дат­ чик попадает на участок пепроклея, амплитуда возбуждаемых в изделии колебаний падает, сигнал на выходе усилителя уменьшается, реле срабатывает и загорается сигнальная лампа.

Этот метод позволяет контролировать слоистые конструк­ ции на наличие зон нарушения жесткой связи между слоями, а также обнаруживать внутренние дефекты в массивных изде­ лиях.

Г л а в а XV

РАДИАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

§ 57. Характеристика методов

Различные виды проникающей радиации находят весьма широкое применение в современной технике. Дефектоскопия с помощью рентгеновских и гамма-лучей, а также потоков ней­ тронов, толщинометрия с использованием гамма- и бета-лу­ чей, рентгено-структурный анализ, позволяющий измерять в из­ делиях величину внутренних остаточных напряжений, рентге­ новская спектроскопия — это далеко не полный перечень обла­ стей использования проникающей радиации.

Рентгеновские лучи применяются уже давно. Несколько позже стали использовать гамма-лучи; а в последние годы —

3 5 2

j'l поток нейтронов. .Радиационная гамма-дефектоскопия полу­ чает все большее распространение, так как она обладает оче­ видными преимуществами перед другими видами радиацион­ ной дефектоскопии. К ним в первую очередь относятся надеж­ ность, автономность, маневренность, простота обслужива­ ния, экономичность.

Области применения рентгеновской и гамма-дефектоскопии очень близки и их целесообразно рассматривать вместе.

Под рентгеновской и гамма-дефектоскопией понимается контроль качества материалов и изделий методом их просве­ чивания рентгеновскими или гамма-лучами. Эти методы широ­ ко используются при контроле качества литья и сварных сое­ динений с целью обнаружения таких дефектов, как неметалли­ ческие, шлаковые и флюсовые включения, усадочные ракови­ ны и рыхлости, газовая пористость, различные виды ликваций, трещины, непровары и т. п.

Из различных методов рентгеновского и гамма-просвечива­ ния чаще применяется радиографический метод, т. е. получе­ ние изображения объекта на специальной фотографической пленке.

Рентгеновские и гамма-лучи имеют одинаковую физиче­ скую природу, однако источники их получения разные. Подоб­ но видимому свету, рентгеновские и гамма-лучи представляют собой электромагнитные колебания, однако длина их волн зна­ чительно короче длины волн света. Рентгеновские лучи зани­ мают большой участок спектра электромагнитных колебаний,

полностью включает в себя указанный диапазон волн гаммалучей и, учитывая их одинаковую природу, иногда термин «гамма-лучи» применяется к электромагнитным колебаниям с энергией более 100 кэВ1, независимо от их источника.

Рентгеновские лучи возникают при взаимодействии быстро' движущихся электронов с веществом. Результатом этого взаимодействия является торможение электронов. Большая часть освобождающейся при этом энергии переходит в тепло- и лишь незначительная ее часть (около 1%) идет на образова­ ние квантов рентгеновских лучей. Энергия образующихся кван­ тов может иметь значение от нуля до полной кинетической энергии движущихся со скоростью v электронов. В результате образуется непрерывный спектр длин волн рентгеновских лу­ чей, получивший название тормозного излучения.

Кроме непрерывного спектра, рентгеновские лучи имеют и линейчатый, так называемый характеристический спектр, об­ разующийся при вполне определенной кинетической энергии электронов. Характеристические рентгеновские лучи возникают в результате перехода в веществе электронов атома на более близкие к ядру орбиты. С помощью характеристических рент­ геновских лучей выполняются рентгеновский структурный и спектральный анализы.

В дефектоскопии используется тормозное рентгеновское из­ лучение.

Источниками рентгеновских лучей являются рентгеновскиетрубки и бетатроны. Трубки распространены наиболее широ­ ко. Они представляют собой стеклянный корпус с вмонтиро­ ванными в него электродами. В стеклянном корпусе создан ва­ куум порядка 10~7 мм рт. ст. Катод трубки обычно имеет вид спирали, помещенной в фокусирующее устройство. Анод труб­ ки, применяющейся для дефектоскопии, выполнен в виде диска из вольфрама и принудительно охлаждается маслом или во­ дой. Накал нити катода трубки осуществляется от низковольт­ ного источника тока — трансформатора, через реостат. При нагреве нить накала, в силу явления термоэлектронной эмис­ сии, становится источником электронов. Приложенное к элек­ тродам трубки высокое напряжение создает между катодом и анодом электрическое поле, электроны ускоряются по направ­ лению к аноду и ударяются в него с большой скоростью, в ре­ зультате возникает тормозное рентгеновское излучение.

Кинетическая энергия электрона, ударяющегося в катод. трубки со скоростью v, равна — тгг, где т — масса электро­

на. Работа, совершенная электрическим полем по ускорению электрона до скорости о под действием приложенной к трубке разности потенциалов U, равна eU, где е — заряд электрона. Следовательно,

— mv2 = e ll.

2

354

Если вся энергия электрона перейдет только в энергию фо­ тона, то его длина волны может быть определена из уравнения

Зто наименьшая длина волны тормозного спектра рентгенов­ ских лучей при напряжении на трубке, равном U вольт.

Из последнего соотношения следует, что при увеличении по­ тенциала U на трубке длина волны рентгеновского излучения уменьшается.

Из практики известно, что чем короче длина волны рентге­ новского излучения, тем больше его проникающая способ­ ность. Таким образом, при увеличении напряжения, подводи­ мого к рентгеновской трубке, будут возникать более проникаю­ щие лучи с меньшей длиной волны и большей энергией, т. е. более жесткие рентгеновские лучи.

Рентгеновские лучи с большой длиной волны и меньшей проникающей способностью называют «мягкими».

В промышленной дефектоскопии широко применяются рент­ геновские трубки, работающие при напряжении до 400—800 кВ. Однако в связи с увеличением толщин контролируемых дета­ лей в настоящее время разработаны конструкции специальных рентгеновских трубок, позволяющих получать лучи с энергией до 1—2 МэВ.

Источники высокого напряжения, питающие рентгеновскую трубку, создают либо постоянное, либо пульсирующее на­ пряжение, имеют различные схемы и внешнее оформление, их конструкции подробно описаны 'в специальных руководствах. В табл. 37 приведены марки отечественных рентгеновских про­ мышленных установок.

В последние годы в качестве источника «жестких» рентге­ новских лучей стали применять бетатроны.

Бетатрон представляет собой индукционный циклический ускоритель электронов. Конструктивно он выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка которого питается обычно током промышленной частоты напряжением в несколько тысяч вольт (рис. 114). Роль вторичной обмотки трансформатора выполняет тороидальная вакуумная камера, в которой элек­ троны, полученные от нити накала, двигаются по круговой ор­ бите. Ускорение электронов происходит под действием элек­ трического поля, индуцируемого переменным магнитным по­ лем. В результате циклического ускорения на круговой орбите, электроны приобретают очень большую кинетическую энергию, после чего направляются на мишень, изготовленную из тяже­ лого металла. При торможении электронов возникает рентге­ новское излучение.

В бетатронах, предназначенных для дефектоскопии, элек­ троны ускоряются до энергии 15—35 МэВ, поэтому проникаю­ щая способность возникающей радиации, кванты которой об­ ладают энергией того же порядка, значительно выше, чем у обычных рентгеновских трубок и гамма-излучающих радиоак­ тивных изотопов.

Рис. 114. Схема бетатрона:

Основными преимуществами бетатронов являются возмож­ ность просвечивания изделий большой толщины; небольшие размеры фокусного пятна, что повышает резкость изображе­ ния дефекта; небольшие экспозиции при просвечивании. Недо­ статки — сравнительно небольшая площадь облучения и бо­ лее сложное осуществление биологической защиты от излуче­ ния.

Отечественной промышленностью освоен выпуск несколь­ ких типов бетатронов с энергиями излучения от 3 до 30 МэВ. Так, бетатрон типа Б5М-25 для промышленной дефектоскопии рассчитан на максимальную энергию излучения в 25 МэВ с плавным ее регулированием от 7 МэВ. Поле просвечивания бетатрона на расстоянии 1 м от мишени составляет 200 мм по вертикали и от 20 до 250 мм по горизонтали.

Бетатрон питается от сети переменного трехфазного тока (50 Гц) напряжением 220 или.380 В. Вес установки около 3 т.

Гамма-лучи представляют собой коротковолновое электро­ магнитное излучение, испускаемое возбужденным атомным ядром. Гамма-излучение наблюдается при радиоактивных пре­ вращениях атомных ядер и при ядерных реакциях.

356

Т а б л и ц а 37

При этих процессах образуются возбужденные ядра ато­ мов, обладающие избытком энергии.

Атомное ядро, подобно атому, представляет собой кванто­ во-механическую систему с дискретным набором энергетиче­ ских уровней. Переход ядра с более высокого энергетического' уровня, обладающего более высокой энергией, на уровень с более низкой энергией, сопровождается излучением гаммакванта, энергия которого равна разности энергий уровней, между которыми произошел переход.

Вследствие этого гамма-излучение • имеет линейчатый спектр, который состоит не из непрерывного, в отличие от тор­ мозного рентгеновского излучения, а дискретного набора длин волн.

Энергия излучаемых гамма-квантов зависит от элемента, ядра которого находятся в возбужденном состоянии, и от ве­ личины их возбуждения. Небольшая длина волны гамма-лучей

О О»

большинства ядер, составляющая от 0,001 А до 1 А (10-п — 10-8 см), приводит к тому, что их волновые свойства проявляются слабо. Наиболее важной характеристикой гаммалучей, характеристикой их корпускулярных свойств, являете» энергия гамма-кванта.

3 5 7

При радиоактивном распаде ядер энергия излучаемых гам­ ма-квантов лежит в пределах от 10 кэВ до 5 МэВ, однако при некоторых ядерных реакциях могут возникать гамма-лучи и с более высокой энергией. Гамма-лучи с энергией до 100 кэВ, «мягкие» гамма-лучи, ничем, кроме своего ядерного происхож­ дения, не отличаются от характеристических рентгеновских лучей.

При распаде радиоактивных ядер встречаются и другие виды излучений (альфа-излучение — поток ядер гелия, бетаизлучение — поток электронов), проникающая способность ко­ торых во много раз меньше проникающей способности гаммалучей.

Источниками гамма-лучей являются естественные и искус­ ственные радиоактивные элементы. В дефектоскопии исполь­ зуются искусственные радиоактивные элементы. В табл. 38 приведены наиболее широко применяющиеся в дефектоскопии радиоактивные изотопы элементов и рекомендуемые области их применения (толщина просвечиваемых материалов).

Т а б л и ц а 38

Государственными стандартами (ГОСТ 16001—70, ГОСТ

16002—70, ГОСТ 16003—70 и ГОСТ 16004—70) установлены источники излучения для гамма-дефектоскопии (ГИД) с раз­ личной мощностью экспозиционной дозы гамма-излучения.

358

Соответствующие количества радиоактивных элементов по­ мещаются в ампулы, изготовленные из нержавеющей стали марки Х18Н10Т. Ампулы с радиоактивными препаратами хра­ нят в свинцовых контейнерах.

Для просвечивания промышленностью выпускаются уста­ новки ГУП (гамма-установка промышленная), в которых по­ мещаются ампулы с радиоактивным источником (ГОСТ

16760—71, ГОСТ 16761—71, ГОСТ 15843—70).

Взаимодействие рентгеновских и гамма-лучей с веществом сопровождается рядом характерных явлений, некоторые из ко­ торых являются существенными для дефектоскопии. Проходя через вещество, рентгеновские и гамма-лучи поглощаются, т. е. происходит преобразование энергии ионизирующего излу­ чения в другие виды энергии или в энергию других видов из­ лучения. Фотон, попадая в вещество, может взаимодейство­ вать с ядром или орбитальными электронами его атомов. При взаимодействии фотонов с орбитальными электронами атомов вещества, некоторые из них могут потерять связь с ядром, т. е. происходит высвобождение электронов вещества, образуются фотоэлектроны. Это явление носит название фотоэлектриче­ ского эффекта. Образующиеся фотоэлектроны могут вызывать люминесценцию некоторых веществ, что широко используется в рентгено- и гамма-дефектоскопии. Поглощение проникающей радиации веществом происходит также за счет возникновения вторичного характеристического излучения (флюоресценция), образования пар и других эффектов.

Наряду с поглощением происходит и рассеяние энергии рентгеновских и гамма-лучей при их прохождении через мате­ риал. Рассеяние зависит только от плотности просвечиваемого материала и приводит к возникновению отраженного излуче­ ния.

В результате рентгеновские и гамма-лучи, проходя через вещество, теряют часть своей энергии — ослабляются. Суммар­ ное ослабление лучей в веществе будет тем больше, чем боль­ ше атомов они встретят на своем пути, т. е. чем выше плот­ ность материала и чем больше его толщина.

Количество фотонов, поглощенных в слое, пропорционально'

толщине слоя. На основании сказанного может быть состав­ лено дифференциальное уравнение, решение которого пред­ ставляет собой экспоненциальную функцию:

/ = 7 0е - ^,

где / — интенсивность излучения, прошедшего через материал толщиной х.

359

ц— линейный коэффициент ослабления, который характе­ ризует относительное уменьшение интенсивности из­ лучения на единицу толщины материала — поглоти­ теля.

Рис. 115. График поглощения излучения вещест­ вом

На рис. 115 представлен график поглощения излучения, по­ казывающий изменение интенсивности лучей в зависимости от толщины просвечиваемого образца. Из рассмотренной зависи­ мости следует, что с увеличением толщины контролируемого изделия уменьшается интенсивность прошедших через него лу­ чей, а следовательно, должна падать и чувствительность ме­ тода.

Отметим еще ряд свойств проникающей радиации. Рентгеновские и гамма-лучи способны ионизировать нейт­

ральные атомы и молекулы газов, а также увеличивать прово­ димость некоторых полупроводников. Это свойство лучей ис­ пользуется для измерения их интенсивности. Например, с по­ мощью ионизационной камеры (одного из элементов дозимет­ рической аппаратуры) по изменению в ней ионизационного то­ ка определяется поглощенная газом лучистая энергия, пропор­ циональная энергии падающего излучения.

Для оценки величины поглощенного излучения вводится понятие экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излуче­ ния, характеризующей ионизацию в воздухе в поле источника

.проникающей радиации. За единицу экспозиционной дозы при­ нят рентген. Один рентген соответствует такому количеству энергии проникающей радиации, которое образует в 0,001293 г воздуха ионы, несущие заряд в одну электростатическую еди­ ницу количества электричества каждого знака.

Рентгеновские и гамма-лучи вызывают почернение фото­

360