книги из ГПНТБ / Фельдман Л.С. Неразрушающий контроль качества клеесварных соединений

токах ' величина сигнала постепенно уменьшается и ос­ тается постоянной при малых токах. Однако эти изме­ нения настолько малы, что не могут быть использованы для характеристики сварной точки.

Более чувствительным оказался способ контроля точеч­ ной сварки поперечными волнами. Поперечная волна не может распространяться в жидких средах, поэтому она полностью отражается от границы твердый — жидкий металл и не попадает на приемный пьезоэлемент. К тому же при литом ядре больших размеров происходит полное экранирование ультразвукового луча, при ядре малых размеров — частичное экранирование, а при отсутствии расплавления металла луч проходит без изменения.

Было опробовано два способа ввода поперечных ультра­ звуковых колебаний в сварное соединение. Первый способ осуществлялся с помощью призмы из материала, скорость распространения поперечных колебаний в котором такая же, как и продольных колебаний в воде. В этом случае поперечная волна распространяется в материале призмы по тому же направлению, что и продольная волна в воде.

Чтобы в материале призмы распространялась только поперечная волна, угол призмы должен быть больше пер­ вого критического угла. Призмы приклеиваются к плоскому дну обоих электродов. При этом в первом электроде про­ дольная волна преобразуется в поперечную, а во втором — поперечная волна — в продольную. Однако такой метод преобразования неудобен для производства, где электроды часто меняются.

! При втором способе поперечная волна вводится в конт­ ролируемое соединение с помощью конусного дна электро­ дов.^

• Обычно медные электроды имеют угол заточки 125— 135°, при котором продольная волна преобразуется в попе­ речную в результате падения луча из воды в медь (угол па­ дения 22,5—27,5°). Однако при этом поперечная волна несколько отклоняется от оси электродов, в связи с чем необходимо соблюдать определенное расстояние между дном электрода и его рабочей поверхностью, чтобы луч вместе сварного соединения не отклонялся в сторону.

• : Были изготовлены ультразвуковые датчики, рассчи­ танные на частоту 2,4 и 5 Мгц, в которых пьезоэлементы диаметром 6 мм приклеены к демпферу и залиты смолой.-

100

Передающая и приемная головки были встроены' со­ ответственно в нижний и верхний электроды сварочной машины и подключены к ультразвуковому дефектоскопу УДМ-1М. Импульсы, прошедшие через сварное соединение, снимались с селектора дефектоскопа и подавались на при­ ставку, где формировалась огибающая импульса, которая затем регистрировалась на шлейфовом осциллографе. Включение осциллографа осуществлялось от регулятора времени сварочной машины. Запись огибающей ультра­ звуковых сигналов велось в течение всего времени свароч­ ного цикла. Одновременно на пленке фиксировался сва­ рочный ток, измеряемый тороидом. Эксперименты подтвер-

Рис. 54. Осциллограммы контроля точечной сварки стали ВНС толщиной 0,8 + 0,8 мм поперечными ультразвуковыми волнами:

а — О я = 4,3 мм (£>„ — диаметр сварного ядра); б — О я = 1,8 мм; в — пол­ ный непровар; / — сварочный ток; 2— ультразвуковой сигнал.

дили предположение, что в момент образования литого ядра происходит резкое уменьшение прошедшей через свариваемые детали ультразвуковой энергии.

Осциллограммы контроля точечной сварки стали ВНС толщиной 0,8 -4- 0,8 мм приведены на рис. 54. Как видно, к моменту включения сварочного тока устанавливается довольно стабильная амплитуда прошедших через соеди­ нение ультразвуковых сигналов. Спустя некоторое время после подачи сварочного тока наблюдается резкое умень­ шение ультразвукового сигнала. После выключения тока (при остывании сварной точки) сигнал снова увеличива­ ется, причем чем больше ядро, тем раньше начинается уменьшение сигнала. Величина перепада в амплитуде ультразвукового сигнала находится в прямой зависимости от размеров литого ядра. Эксперименты показали, что между диаметром сварной точки и характером изменения ультразвукового сигнала в течение сварочного цикла во всем диапазоне толщин исследуемых материалов (от 0,4

101

до 1,5 мм) существует прямая зависимость, причем харак­ тер зависимостей на частотах 2,5 и 5 Мгц примерно одина­ ков.

Теневой метод ультразвукового контроля поперечными волнами в процессе сварки может быть рекомендован для практического опробования при производстве сварных конструкций из сталей и титановых сплавов.

Ультразвуковой контроль клеевых соединений с помощью акустических дефектоскопов

Для контроля качества клеевых соединений применя­ ются методы, основанные на возбуждении в исследуемом изделии упругих колебаний звукового диапазона.

Простейшим акустическим способом контроля клеевых конструкций, широко применяемым у нас в стране и за рубежом, является простукивание. Изменение тона звука в изделии указывает на наличие дефекта. Несмотря на универсальность, этот способ обладает крупным недостат­ ком — субъективностью оценки качества продукции. Результаты контроля оцениваются на слух и в значитель­ ной, степени зависят от опыта и квалификации оператора.

Фирмой «Дуглас» [791 разработан метод контроля кле­ евых соединений в слоистых панелях. В контролируемой •панели возбуждаются упругие колебания в диапазоне 15—50 000 г^, вводимые в нее снизу. Верхнюю плоскость панели посыпают песком. При соответствующем подборе частоты участки обшивки в местах нарушения склейки совершают более интенсивные колебания, чем зоны с хоро­ шим соединением, в результате чего места с дефектами оголяются. Колебания могут возбуждаться магнитным вибратором, а восприниматься ларингофоном или механи­ ческим ухом с усилителем колебаний и световой сигнали­ зацией.

Недостатками этого метода являются резкая зависи­ мость частоты от размеров и свойств панели, а также вели­ чины дефекта, необходимость двустороннего доступа и затрудненность контроля панелей с криволинейными

.поверхностями.

Дефект клеевого соединения вызывает изменение •всех параметров звукового импульса: его амплитуды, дли­ тельности и спектрального состава. Наиболее сильно изме-

102

няется спектральный состав звукового импульса, причем частоты спектра в отличие от амплитуды и длительности импульса практически не зависят от силы удара по контро­ лируемой конструкции.

На этом принципе использования свободных колебаний разработана серия приборов ЧИКП-2, ЧИКХ1-3, ЧИКП-4. На рис. 55 [4] приведена упрощенная блок-схема дефекто­ скопа ЧИКП-2.

В датчике прибора находится вибратор /, создающий периодические удары по изделию, и пьезоэлектрический приемник 2, преобразующий возбужденные таким образом

сов появляются составляющие более высоких частот, кото­ рые, проходя через фильтр 3, • усиливаются усилителем 4 и отклоняют стрелку индикатора 5.

Частотные составляющие спектра звукового импульса, соответствующие участку с хорошим соединением, практи­ чески полностью задерживаются фильтром, поэтому при отсутствии дефекта стрелка индикатора не отклоняется.

Дефектоскоп ЧИКП-2 предназначен в основном для выявления зон нарушения клеевого соединения между неметаллическим материалом толщиной от 5 до 80 мм и металлическим основанием, при этом минимальная пло­ щадь обнаруживаемых дефектов составляет от 2 до 8 см-. Кроме того, прибор выявляет расслоения в самом неметал­ лическом материале.

Теневой метод ультразвукового контроля [20, 44, 71] может быть использован для проверки качества клеевых соединений в некоторых конструкциях. Основан он на почти полной непрозрачности тончайших газовых прослоек

103

прослоек в непроклеях позволяет надежно выявлять де­ фект .

Теневой метод контроля клеесварных соединений был опробован [25] с применением ультразвукового дефекто­ скопа УДМ-1М. Один из датчиков дефектоскопа соединялся с генератором и излучал импульсы ультразвуковых колеба­ ний, другой — с усилителем дефектоскопа и принимал пришедшие сигналы. При качественной склейке часть

ковые волны не доходят к приемному датчику, и сигналы на экране электронно-лучевой трубки пропадают. Сигнал исчезает, когда дефект полностью закрывает пьезопластинку приемного датчика. При небольшой толщине эле­ ментов конструкций размеры тени практически равны раз­ мерам дефектов. При увеличении толщины элементов или приеме иммерсионным способом необходимо учитывать уменьшение размеров тени. Незначительное поглощение ультразвука в клеесварных соединениях позволяет про­ водить контроль на максимальной частоте дефектоскопа — 5 Мгц. Шаг перемещения датчика выбирают из условий исключения пропуска недопустимого дефекта. При контроле используется световая сигнализация. Теневой метод конт­ роля приемлем для проверки клеевых конструкций про­ стейших форм, где возможен двусторонний доступ и сма­ чивание контролируемой поверхности. Аппаратура для работы этим методом может быть автоматизирована и снаб­ жена устройством для записи результатов контроля.

Недостатки теневого метода:

1) необходимость двустороннего доступа к изделию;

2)трудность контроля изделий сложных форм и зна­ чительных размеров;

3)большие размеры и вес аппаратуры (включающей ванну для погружения изделия) при иммерсионном варианте контроля.

длительности повторных отражений ультразвуковых им­ пульсов в металлических слоях изделия.

Принцип метода можно пояснить на примере контроля двуслойной конструкции, состоящей из металлического листа и приклеенного к нему неметаллического покрытия. В контролируемое изделие от искательной головки ульт-

J04

развукового дефектоскопа вводятся короткие импульсы высокочастотных упругих колебаний. При расположении головки со стороны металла (рис. 56) импульсы входят в него и, достигнув неметаллического покрытия, частично отражаются, частично переходят в покрытие. Отражение энергии упругих волн на границе раздела тем больше, чем сильнее различаются удельные волновые сопротивления сред. В случае доброкачественного склеивания в покрытие переходит заметная часть общей энергии упругого импульса. Затухание ультразвука в металле мало, поэтому на экране

Рис. 56. Схема контроля двуслойной конструкции методом многократных отражений:

дефектоскопа наблюдаются последовательные, многократна отраженные в металлическом слое эхо-сигналы. При отсут­ ствии дефектов склеивания амплитуды эхо-сигналов быстроуменьшаются. Импульсы, многократно отраженные в слое покрытия, на экране не видны, так как в неметаллических материалах ультразвук затухает.

Если клеевое соединение имеет дефект (заполненный, газом промежуток), то от границы раздела с газом, обла­ дающим весьма малым удельным волновым сопротивлением, упругие колебания отражаются без потерь. Это приводит к росту амплитуд отраженных от зоны соединения эхосигналов, что фиксируется по резкому увеличению дли­ тельности наблюдаемой на экране последовательности импульсов.

105-

Для контроля клеевых соединений этим методом можно использовать раздельные и раздельно-совмещенные иска­ тельные головки, в которых функции излучения и приема упругих колебаний выполняют разные пьезопреобразователи.

Для метода многократных отражений можно исполь­ зовать обычные ультразвуковые эхо-дефектоскопы типа УДМ-1М, ДУК-6В и др. Специально для этого метода ВНИИНК разработал прибор ДУК-21.

Метод многократных отражений был опробован при контроле клеесварных соединений. Контроль производили с помощью дефектоскопа УДМ-1М на частоте 2,5 Мгц с ис­ пользованием раздельных и совмещенных головок.

При непроваре со стороны листа, через который вво­ дятся ультразвуковые колебания, количество многократ­ ных отражений увеличивается. При наличии непроклея со стороны нижнего листа количество отражений изменя- «тся незначительно. Клеевая прослойка поглощает ультра­ звуковые колебания значительно больше, чем металл, по­ этому изменение толщины клеевого шва на различных

Для успешного применения метода многократных отра­ жений необходимо, чтобы толщина металлического эле­ мента конструкции была не менее половины длины упругой волны, в противном случае интенсивность многократных отражений резко ослабляется. Наиболее удобны для конт­ роля двухслойные конструкции с небольшой кривизной поверхности и толщинами слоев порядка 3—10 мм.

Метод многократных отражений требует смачивания поверхности ввода колебаний жидкостями (контактный вариант) или погружения контролируемых изделий в жид­ кость (иммерсионный вариант). Другой его недостаток — неудобство проверки изделий со значительной кривизной поверхности.

Ультразвуковой резонансный метод применяют при контроле клеевых соединений [44]. Основан он на исполь­ зовании резонансных явлений, имеющих место -в конт­ ролируемом изделии при возбуждении в нем продольных упругих волн. При этом наблюдается колебание толщины изделия, причем возбуждение его производится на основ­ ной частоте или на высших гармониках. Дефект склеивания отмечается либо по изменению (уменьшению) фиксируемой

406

прибором общей толщины проверяемого изделия в зоне нарушения соединения, либо по резкому изменению амп­ литуд резонансных пиков на экране дефектоскопа, обу­ словленному влиянием дефекта на коэффициент отраже­ ния упругих волн от границы раздела соединяемых эле­ ментов конструкции.

Отечественный ультразвуковой резонансный дефекто­ скоп ДУК-10 позволяет обнаружить дефекты в клеевых соединениях сочетаний металл — металл, металл — пласт­ масса, пластмасса — пластмасса. Прибор имеет диапазон частот от 0,4 до 3 Мгц. Толщина контролируемого слоя со стороны ввода упругих колебаний 1—20 мм.

Некоторая разновидность ультразвукового резонансного метода положена в основу широко распространенного за рубежом прибора «Бондтестер». Отличие заключается в том, что свойства клеевого соединения оцениваются по изменению собственной частоты и добротности колебатель­ ной системы, состоящей из пьезопреобразователя, нагру­ женного контролируемым изделием.

Прибор «Бондтестер» разработан Голландской авиа­ ционной фирмой «Фоккер» [85]. Он позволяет выявлять непроклеи, а также определять прочность клеевых соедине­ ний на отрыв и на срез в зависимости от условий работы контролируемой конструкции без ее разрушения. Прибор определяет когезионную прочность клеевого соединения и практически не реагирует на адгезионную, за исключе­ нием зон полного нарушения адгезии — непроклеев.

При определении прочности соединения на отрыв в изделии и, следовательно, в контролируемом соединении возбуждаются волны сжатия — растяжения (продольные волны), при оценке прочности на сдвиг — сдвиговые (попе­ речные) волны. Таким образом, характер упругих напря­ жений, возбуждаемых в соединении при контроле, соот­ ветствует характеру рабочей нагрузки контролируемой конструкции.

«Бондтестер» имеет два индикатора — стрелочный при­ бор и электронно-лучевую трубку. Стрелочный прибор служит для отсчета прочности на отрыв, по изображению на экране электронно-лучевой трубки оценивается проч­ ность соединения на сдвиг. Комбинация двух отсчетов дает полную характеристику соединения. Однако на прак­ тике в большинстве случаев для оценки прочности соедине­ ния достаточно одного параметра. Например, конструкции

107

типа металл — металл (соединение обшивки с лонжероном, изделие из двух или нескольких листов) оцениваются только по изображению на электронно-лучевой трубке. Прочность соединения между обшивкой и заполнителем (соты, пенопласт), работающих на отрыв, оценивается только по показаниям стрелочного индикатора.

Для перевода показаний «Бондтестера» (рис. 57) в зна­ чения прочности соединения пользуются специальными кривыми, которые строят путем сопоставления показаний

прибора с истинной прочностью, полученной в результате разрушающих механических испытаний вырезанных из изделия образцов.

На рис. 58 приведен график зависимости механических свойств клеевых соединений от смещения сигнала на экране электронно-лучевой трубки. По таким графикам, построен­ ным для каждого типа клеевого соединения, определяют прочностные показатели клеевых соединений.

По данным фирмы «Фоккер» достоверность определе­ ния прочностных свойств клеевых соединений для дюрале­ вых сплавов, при которых 95% всех измерений укладывается в доверительный интервал, составляет ±36 кПсмг. При этом прибор может определять только когезионную проч-

108

кость соединений. При адгезионном характере разруше­ ния нельзя построить однозначные графики зависимости механических свойств от показаний прибора.

с различными параметрами.

т, кГ/ммг-

Рис. 58. Градуировочные кривые для неразрушагаіцего контроля прочности клеевых соединений.

По сообщениям фирмы, прибором можно контролиро­ вать следующие объекты: клеевые соединения листов из легких сплавов и сталей; клеевые соединения между обшивками из легкого сплава и сотовым заполнителем из того же материала, а также сотовые панели из стеклотек­ столита; соединение обшивки с заполнителем в трехслойных паяных сотовых панелях из нержавеющей стали; трех­ слойные панели с армированным стекловолокном, пласт­ массовыми обшивками и стеклотекстолитовым или метал­ лическим сотовым заполнителем; соединения между метал­ лом и пластмассами, между металлом и фрикционными материалами тормозных колодок и фрикционных сцепле-

109