книги / Сварка в машиностроении. 4

величина которой характеризует напряженность или градиент внешнего поля. При наличии внешнего (измеряемого) поля в измерительной цепи феррозонда появляются четные относительно частоты поля возбуждения гармоники. Как пра­ вило, приборы с феррозондовыми преобразователями, применяющиеся в качестве дефектоскопов и измерителей физико-механических свойств, используют только вторую гармонику поля возбуждения. Отличительной особенностью феррозон­ дов от магнитных преобразователей других типов является высокая чувствитель­ ность и малые габариты.

При феррозондовом способе контроля для намагничивания контролируемого участка используют все известные способы циркулярного и полюсного намагничи­ вания. Контроль проводят как в режиме приложенного поля, так и остаточной намагниченности, при питании феррозондов током частотой в десятки и сотни килогерц. Размеры феррозондов, применяемых для дефектоскопии, максимально приближают к размерам дефектов. Длина сердечников обычно составляет 0,5— 5 мм, а расстояние между ними (база) 0,2—2 мм.

Для полуавтоматического контроля качества сварных соединений толстостен­ ных ферромагнитных изделий типа обечаек, барабанов котлов, корпусов реакто­ ров на наличие поверхностных и подповерхностных дефектов типа разнонаправ­ ленных трещин, непроваров, раковин и т. д. на глубине до 5 мм от поверхности разработана феррозондовая установка «Радиан-1М». Принцип действия уста­ новки основан на намагничивании сварного шва изделия переменным магнитным полем и считывании градиентов магнитных полей рассеяния феррозондами-гра­ диентометрами.

В результате использования продольного намагничивания поверхности изде­ лия переменным магнитным полем установка имеет достаточно высокую чувстви­ тельность. Для устранения помех при работе феррозондового преобразователя в переменном поле применено радиоимпульсное возбуждение, синхронизирован­ ное с частотой намагничивающего поля. Это позволило улучшить селективность а следовательно, и надежность контроля. Скорость контроля составляет 2,0 м/мин. Выявляются дефекты глубиной более 0,15 мм, протяженностью более 2 мм.

Для полуавтоматического контроля сварных соединений элементов газо­ плотных панелей, изготовленных из гладких труб путем вварки полосы между ними, созданы феррозондовые установки типа «Магнетон». Установки выявляют дефекты типа разнонаправленных трещин, непроваров и др. по всей толщине швов при скорости контроля до 1 м/с. Толщина сварного соединения до 8 мм, размеры выявляемых дефектов по глубине более 0,15 мм и протяженности более 2 мм. Отличительной особенностью установок «Магнетон» является то, что для контроля дефектов типа трещин любых направлений, непроваров и др. применяют полюсные наконечники, выполненные в виде двух параллелепипедов, которые располагают под углом друг к другу со смещением полюсов по направлению перемещения. Крепление намагничивающего устройства к основанию и установка специальных опорных и направляющих роликов позволяют получить минимальный зазор полюс— изделие с целью оптимального намагничивания изделия под углом к сварному шву и свободного перемещения установки. Сканирующее уст­ ройство обеспечивает плоскоспиральное сканирование сварного шва при отно­ сительном перемещении установки вдоль сварного соединения в процессе кон­ троля.

Дефекты сварных швов могут также обнаруживаться и при циркулярном намагничивании изделия. Для контроля зоны шва электросварных труб диаметром 100—200 мм при скорости до 1 м/с разработана установка ФДСШ-1, состоящая из системы неподвижных феррозондовых градиентометров * устройства циркуляр­ ного намагничивания и измерительного блока. В процессе поступательного дви­ жения сварная труба намагничивается током 2000—2500 А через роликовые токопроводы. Четыре неподвижных феррозонда контролируют зону сварного шва про­ тяженностью 12 мм по периметру. Установки подобного принципа действия обес­ печивают высокую чувствительность контроля и могут выявлять дефекты глуби­ ной более 0,2 мм в линиях трубоэлектросварочных станов.

Рис. 2. Блок-схема установки ВМД-ЗОН:

6 — вращающийся трансформатор; 7 — усилитель с детектором; 8 — пороговое устрой­

Для предотвращения образования трещин, снижения жаропрочности и пла­ стичности сварных швов хромоникелевых сталей аустенитного класса необходимо контролировать содержание ферритной фазы в металле шва. Феррозондовые ферритометры типа МФ-10Ф позволяют измерять содержание ферритной фазы в диа­ пазоне 0,5—60% при относительной погрешности не более 10%. Принцип их ра­ боты основан на измерении искажения магнитного поля накладной системы постоянный магнит — феррозонд, которое имеет место в случае появления в мате­ риале ферритной фазы.

Для контроля физико-механических свойств сварных изделий может быть использован феррозондовый коэрцитиметр КИФМ-1. С его помощью можно из­ мерять коэрцитивную силу на локальном участке изделия и оценивать его проч­ ностные характеристики, коррелирующие во многих случаях с коэрцитивной си­ лой. Намагничивание и размагничивание контролируемого участка осуществ­ ляется электромагнитом, в магнитную цепь которого вмонтировав феррозонд, являющийся индикатором намагниченности материала. Методика контроля за­ ключается в намагничивании контролируемого участка практически до насыще­ ния, выключении тока намагничивания и компенсации до нуля рассеянного поля изделия магнитным полем тока катушки обратного направления. Ток в ка­ тушке, при котором происходит полная компенсация рассеянного магнитного поля изделия, пропорционален коэрцитивной силе.

Феррозондовые приборы позволяют также определять физико-механические свойства изделий, измеряя градиент нормальной составляющей локального маг­ нитного поля, сохраняющегося на поверхности испытуемого участка при его ло­ кальном намагничивании электромагнитом. На подобном принципе работают им­ пульсные магнитные анализаторы ИМА-2А, МФ-10К и другие, имеющие генера­ тор импульсов намагничивания, выносной блок-датчик, в котором размещены малогабаритная катушка для локального импульсного намагничивания и преобра­ зователь (феррозонд, индукционная катушка) для измерения градиента локаль­ ного магнитного следа, а также блок обработки информации.

Наиболее простым измерительным преобразователем напряженности маг­ нитного поля является пассивный индукционный преобразователь, работающий на принципе электромагнитной индукции. Его чувствительность значительно по­ вышается, если он имеет сердечник, изготовленный из материала с высокой маг­ нитной проницаемостью. Отличительными особенностями индукционных пре­ образователей являются повышенная надежность и возможность работы в силь­ ных магнитных полях намагничивающих устройств.

Для контроля дефектов сварных труб диаметром 20—114 мм и 102—220 мм разработаны магнитные установки типа ВМД-ЗОН и ВМД-40Н, использующие индукционные преобразователи. Указанные дефектоскопы одновременно выяв­ ляют дефекты зоны шва и тела трубы, обеспечивая их раздельную регистрацию. Глубина выявляемых дефектов на наружной поверхности 10% от толщины стенки трубы, а на внутренней 20%. Они могут быть встроены в автоматические линии контроля, использующиеся для статистического анализа ЭВМ. Поперечное намаг­ ничивание контролируемого участка трубы осуществляется полюсным электро­ магнитом, вращающимся вместе с индукционными преобразователями вокруг продольно движущейся трубы.

Блок-схема установок ВМД-ЗОН приведена на рис. 2. В установке преду­ смотрена логическая обработка сигналов, позволяющая производить отстройку от влияния зоны шва, оценивать раздельно сплошность тела трубы и зоны шва. Предусмотрена электронная отстройка от колебаний зазора между преобразова­ телем и трубой.

МЕТОД ВИХРЕВЫХ ТОКОВ

Метод вихревых токов основан на возбуждении переменным электромагнитным полем в контролируемом участке вихревых токов и регистрации изменений от дефектов сварного соединения вторичного электромагнитного поля вихревых токов.

Преобразователи, используемые в вихревых дефектоскопах, представляют собой сочетание электрических катушек; их называют накладными, когда пло­ скость катушек преобразователя параллельна плоской контролируемой поверх­ ности; и проходными, когда их помещают соосно снаружи или внутри протяжен­ ного изделия. Дефектоскопы с локальными накладными преобразователями при­ меняют для контроля качества точечной сварки алюминиевых сплавов.

Анализ изменения электрической проводимости в зоне пятна сварной точки показал, что при наличии дефектов типа непровар (слипание) изменение электро­ проводности составляет 1—2% электропроводности основного материала вне зоны сварки. При наличии дефектов в литом ядре это изменение возрастает до 15—17% в зависимости от размеров дефекта. Такое изменение электропроводности, не­ смотря на наличие над литым ядром слоя материала с практически такой же электропроводностью, как у основного материала, может быть достаточно четко зарегистрировано вихретоковыми приборами с накладным локальным преобра­ зователем. Например, вихретоковые дефектоскопы ДСТ-4М, ДСТ-5, ДСТ-6 и ДСТ-9 используют для контроля качества точечных сварных соединений на изде­ лиях из материалов АМгб, Д16, 0,8кп и 15кп.

Указанные приборы позволяют проводить измерения при частоте тока пи­ тания преобразователя 8 кГц и допустимом колебании зазора до 0,3 мм для тол­ щины свариваемых листов от 0,8 до 2,0 мм.

Для контроля дефектов сварных швов труб применяют дефектоскопы с про­ ходными вихретоковыми преобразователями типа ЭЗТД1-1М и ВД-ЗОП. Указан­ ные приборы позволяют обнаруживать дефекты как в зоне сварного соединения, так и в местах основного металла электросварных труб диаметром 1—60 мм, пере­ мещающихся внутри преобразователей со скоростью до 3 м/с. Для увеличения чувствительности вихретоковые дефектоскопы сварных соединений с проходными преобразователями имеют повышенную частоту тока питания (более 1 кГц), ма­ лую базу (расстояние по оси между возбуждающей и измерительной катушками)

Г л а в а 17

КАПИЛЛЯРНЫЕ, МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

КАПИЛЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Капиллярный метод неразрушающего контроля качества сварных соединений основан на капиллярном проникновении дефектоскопических материалов в де­ фекты и их контрастном изображении в оптическом излучении. На сварной шов наносят специальную смачивающую жидкость — индикаторный пенетрант, ко­ торая под действием капиллярных сил заполняет полости поверхностных дефек­ тов. Дефекты обнаруживаются с помощью жидкости, оставшейся в полостях после удаления ее с поверхности. Индикаторные рисунки дефектов обладают способ­ ностью люминесцировать в ультрафиолетовых лучах или имеют специфическую окраску в видимом свете. Заполнение дефектных полостей, открытых с поверх­ ности, специальными свето- и цветоконтрастными индикаторными веществами — основная задача капиллярных методов дефектоскопии.

Для надежного обнаружения дефекта следует возможно большее количество люминофора или красителя извлечь из микрополости дефекта на поверхность. Эффект регистрации дефектов усиливается с помощью средств, способствующих наиболее полному «проявлению» индикаторного вещества (люминесцирующего или цветного), в связи с чем такие средства называют проявляющими.

Технология капиллярного контроля в общем виде состоит из процессов: подготовительного, обработки объекта дефектоскопическими материалами, соб­ ственно контроля и окончательной очистки объекта.

Подготовительный процесс представляет собой сочетание технологических приемов удаления покрытий, загрязнений, обезжиривания и сушки контролируе­ мой поверхности с целью очистки от возможных загрязнений, а также следов обезжиривающих и моющих составов.

Контролируемую поверхность шва очищают с помощью легколетучих жидких растворителей, ультразвука, травильных составов, паров органических раствори телей, абразивных материалов и т. п.

Полости дефектов заполняются при смачивании контролируемой поверх­ ности или погружении детали в пенетрант, распылением пенетранта с помощью воздуха, инертного газа, ультразвука, путем понижения или повышения давле­ ния при нанесении пенетранта, воздействия на объект контроля упругих колеба­ ний частоты звука. Пенетрант удаляют протиркой, промывкой или обдувом кон­ тролируемой поверхности. Далее наносят проявитель с помощью струи воздуха или инертного газа, кистью или щеткой, погружением детали, припудриванием или прижатием ленты пленочного проявителя.

Процесс проявления может быть исключен в случае применения специальных индикаторных пенетрантов (самопроявляющихся, гелеообразующих и др.), не предусматривающих нанесение проявителя.

Дефекты выявляются при внешнем осмотре или осмотре с помощью инстру­ мента; затем регистрируют индикаторный след.'

При обнаружении дефекта с помощью инструментов используют фотографи­ ческое фотоэлектрическое, радиографическое, электроиндуктивное, магнитное, электростатическое и другие взаимодействия соответствующих излучений и полей со специальными индикаторными пенетрантами.

В зависимости от размеров выявляемых дефектов установлены четыре условных уровня чувствительности (габл 1).

Яркость изображения дефектов при люминесцентном методе контроля может находиться в пределах от 34 до 172 нит в зависимости от типа люминесцентного дефектоскопического материала. Поэтому чувствительность следует повышать как созданием специальных пенетрантов, так и увеличением яркости люмине­ сценции существующих пенетрантов путем увеличения ультрафиолетовой облу­ ченности в области длинноволнового ультрафиолетового излучения.

Индикаторные пенетранты подразделяют по следующим основным признакам: по физическому состоянию — на растворы и фильтрующиеся суспензии (для контроля сварных соединений применяют растворы; для материалов со сквозной

пористостью — суспензии); по светоколористическим — на ахроматические, цветные, люминесцентные,

люминесцентно-цветные; по технологическим — на удаляемые органическими растворителями, водо­

смываемые, водосмываемые после действия очистителя или поверхностно-актив­ ных веществ (для последующей эмульсификации), нейтрализуемые гашением лю­ минесценции или цвета.

Проявители подразделяют по физическому состоянию — порошок, суспензия, краска (лак), пленка, химически пассивные, не меняющие колористические свой­ ства индикаторного пенетранта; химически активные (реактивные), меняющие цвет или способность люминесцировать.

Для удобства дефектоскопические материалы создают, испытывают и исполь­ зуют в виде наборов. В набор входят, как правило, индикатор, проявитель, очи­ ститель, тушитель.

Для массового контроля применяют наборы дефектоскопических материалов (табл. 2).

Наиболее характерные процессы капиллярного неразрушающего контроля сварных соединений представлены в табл. 3.

Капиллярные установки подразделяют на стационарные, передвижные и переносные. Стационарные установки состоят из участков пропитки, мойки, сушки, опыления проявляющим порошком и осмотра деталей в ультрафиолетовых лучах. Транспортировка деталей внутри дефектоскопов механизирована. Уста­ новки, как правило, предназначены для выявления поверхностных дефектов.

Принцип действия стационарной установки КД-20Л основан на возбуждении яркой видимой люминесценции специальных составов, заполняющих полости дефектов, под действием ближнего ультрафиолетового излучения. Дефекты вы­ являют визуально. В установке используют девять специализированных источ­ ников излучения в черных колбах, защитное стекло и гибкий экран, поглощающие ультрафиолетовое излучение, не люминесцирующие под его воздействием и про­ зрачные в видимом свете.

Для облучения ультрафиолетовым потоком крупногабаритных объектов, под­ вергаемых местному люминесцентному капиллярному или магнитно-люминесиент-

ному неразрушающему контролю, применяют передвижную установку КД-21Л. Установка смонтирована на передвигаемом на колесах каркасе и имеет следую­ щие основные узлы: облучатель; охлаждаемый водой светофильтр; отклоняющее зеркало в поворотной головке, блок питания В установке используется длинно­ волновое ультрафиолетовое излучение от газоразрядной ртутной лампы ДРШ-1000 мощностью 1000 Вт.

Подвесные УФ-облучатели спроектированы на базе использования газораз­ рядных источников в черной колбе из специального стекла.

Среди средств выявления дефектов малых размеров наиболее широко при­ меняются бинокулярные микроскопы. Они имеют шарнирную рычажную под­ веску, позволяющую осматривать крупные объекты. Микроскопы выпускаются для диапазона фокусных расстояний 190—390 мм.

Удобным средством осмотра мелких сварных объектов являются также настольные крупногабаритные лупы с собственным люминесцентным источником видимого или ультрафиолетового света.

Для выявления поверхностных дефектов в различных изделиях по отдельным участкам применяют переносной ультрафиолетовый облучатель КД-31Л с ртут­ ным высокого давления четырехэлектродным источником излучения мощностью 125 Вт. Диапазон длин волн ультрафиолетового излучения 315—400 нм, тип фильтра УФС6.

В производственных условиях с низковольтной сетью электропитания может

с автоматическим зажиганием, в колбе из черного стекла, мощность каждого ис­ точника 4 Вт.

Дефектоскопические материалы обладают интенсивной окраской, склон­ ностью к высыханию и другими характерными св'ойствами. Их наносят на контро­ лируемые объекты из аэрозольных баллонов, содержащих данный продукт, и инертный сжиженный газ — пропеллент (обычно хладон, прежнее название фреон).

Переносные комплекты создаются из однотипных баллонов, заполненных данным набором дефектоскопических материалов. Для выполнения капилляр­ ного контроля сварных соединений цветным и люминесцентным методами в поле­ вых и цеховых условиях машиностроительных и эксплуатационно-ремонтных

предприятий, а также для неоднократного заполнения аэрозольных баллонов многократного использования дефектоскопическими материалами применяют аэрозольный комплект КД40-ЛЦ с зарядным стендом.

Аэрозольные баллоны скомплектованы по трем типоразмерам в наборы, один из которых обеспечен электроподогревом, что позволяет выполнять капилляр­ ный контроль соответствующими дефектоскопическими материалами при темпера­ туре окружающего воздуха до —40° С. Наборы снабжены вспомогательными сред­ ствами, необходимыми для проведения контроля (кистями, лупами, переносной электрической лампой, распылительными головками, ветошью, перчатками).

Для осмотра деталей в комплекте КД-40ЛЦ предусмотрен переносной ультра­ фиолетовый облучатель КД-31Л. Аэрозольные баллоны заправляют на зарядном стенде. В комплекте используют цветные и люминесцентные дефектоскопические

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Для металлографического исследования структуры металлов сварных швов при­ готовляют шлифы. Шлифы могут иметь различные размеры, конфигурацию и ка­ чество подготовки поверхности. Для изучения макроструктуры изготовляют макрошлифы. Темплеты для макрошлифов вырезают таким образом, чтобы на них вместились все основные участки сечения сварного шва, т. е. литой металл и зона термического влияния. Для детального исследования сварного шва изготовляют не менее трех заготовок шлифов: из корня, середины и кратера швов. Плоскость реза должна быть перпендикулярной к направлению шва. Для удобства обра­ ботки независимо от толщины свариваемого металла толщина темплетов должна составлять 8— 15 мм. Площадь поперечного сечения определяется размерами шва и зоны термического влияния.

После вырезки заготовки подвергаемую анализу сторону шлифуют. Макро­ шлиф изготовляют на плоскошлифовальном станке. Во избежание деформации и перегрева поверхности образца шлифование осуществляют при обильной подаче охлаждающей жидкости. Абразивный круг должен быть острым, так как иначе неизбежны разогрев и прижоги поверхности образца. Обычно применяют электрокорундовые круги. В процессе шлифования образцы необходимо периодически охлаждать водой. При отсутствии абразивного круга поверхность макрошлифа можно доводить на абразивных водостойких шкурках. Окончательная обработка макрошлифа осуществляется шлифовальной шкуркой.

Для исследования микроструктуры изготовляют микрошлифы. Микрошлифы наиболее целесообразно вырезать из макрошлифов. Для этого на макрошлифе определяют необходимый для изучения участок, очерчивают его и вырезают фре­ зой, тонким кругом, электроискровым способом или ножовкой.

Размеры поверхности микрошлифа для удобства обработки не должны превышать 20X20 мм. Толщина микрошлифа должна быть равной 10—15 мм. Небольшие образцы значительно удобнее подвергать механической и электроли­ тической обработке.

Для выявления микроструктуры применяют неглубокое травление, в резуль­ тате которого глубина растравленного слоя составляет не более 10 мкм. При шлифовании абразивами глубина слоя с искаженной структурой даже после тщательной обработки составляет около 50—100 мкм. Следы деформации после обработки фрезой наблюдаются на глубине до 0,2 мм. При этом соблюдают та­ кую же последовательность как и при шлифовании образцов, предназначенных для макроисследования, т. е. обработку начинают наиболее крупнозернистыми абра­ зивными шлифовальными шкурками. При обработке более мелкозернистой шлифо­ вальной шкуркой образец поворачивают на 90е, т. е. изменяют направление обработки, что облегчает определение окончания обработки данной шлифовальной шкуркой. Обработку считают законченной, если видны риски одного направления,

ч. е. те, которые появились в результате обработки последней шлифовальной шкуркой.

Удовлетворительные результаты получают при обработке абразивными шлифовальными шкурками. Основной деталью шлифовальных устройств является вращающийся диск, который располагают в горизонтальной плоскости. К диску прикрепляют шлифовальную шкурку с помощью кольца, внутренний диаметр которого на 1—1,5 мм больше диаметра диска. Шлифовальную шкурку защемляют между торцами диска и кольцом. Наиболее удобным считается диск диаметром 160—180 мм с переменной скоростью вращения. Для шлифов из углеродистых, низко- и среднелегированных сталей частота вращения должна составлять 650— 800 об/мин, для шлифов из низкоуглеродистых сталей 450—600 об/мин. Для того чтобы шлифовальная шкурка изнашивалась равномерно, шлифы в процессе обработки следует перемещать от края круга к центру, а затем от центра к краю круга. Окончательное шлифование следует осуществлять с применением пасты. Размеры зерен последовательно применяемых паст 35—30, 10—8 и 4—0,5 мкм.

Полирование пастами осуществляют на высококачественном сукне типа велюр или тонких фетрах, натянутых на вращающийся диск. Кроме фетра можно применять также тонковолокнистый войлок высокой очистки.

Для химического травления применяют растворы кислот, солей и щелочей. Ионы кислотных остатков, взаимодействуя с ионами металла, переводят их в рас­ твор и тем самым разрушают металл. Наиболее активными являются ионы хлора, проникающие через пленки, которые появляются на поверхности металла при травлении. При травлении щелочами в результате взаимодействия раствора щело­ чей и металлов образуются гидроокиси металлов. Образование комплексных соеди­ нений характерно для переходных металлов, к которым относятся железо, хром, никель, титан и др.

Для глубокого травления (макротравления) примешивают наиболее активные реагенты. В некоторых случаях с целью повышения активности реагентов травле­ ние осуществляют при повышенных температурах.

Для выявления макроструктуры швов на низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных сталях обычно применяют растворы активных кислот (азот­ ной, серной, соляной, пикриновой), их смеси, смеси кислот с хлористыми солями и растворы солей, в частности персульфат аммония. Процесс травления осуще­ ствляют как при комнатной температуре, так и с подогревом до 70—80° С и выше. Во всех случаях образцы после глубокого травления необходимо промыть в чистой воде, затем в растворе соды и снова в воде, протерев их мягкой гигроскопичной ватой и просушив.

Во многих случаях при изучении сварных швов литого металла возникает необходимость в исследовании характера кристаллизационных слоёв. Для выяв­ ления таких слоев на низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных сталях применяют травление в растворах серной, хромовой или пикриновой кислот. Травление этими кислотами основано на избирательном растворении в них фер­ ритной составляющей. Кристаллизационные слои на некоторых участках имеют повышенное содержание примесей, поэтому растравливаются неравномерно, что и способствует их проявлению. Кристаллизационные слои можно также выявлять электролитическим травлением.

Активные кислоты интенсивно воздействуют на поверхность металла и макси­ мально растравливают участки, подвергавшиеся пластической деформации, имею­ щие поры, раковины, значительную неоднородность химического состава, тре­ щины и т. д. Если металл имеет трещины, края их растравливаются в первую очередь и трещины в процессе травления «раскрываются». Поэтому макротравле ние служит надежным методом их обнаружения.

Для сварных швов на углеродистых, низко- и среднелегированных сталях удовлетворительные результаты дает реактив Гейна (СиС12 — 53 г и NH4C1 — 53 г на 1 л воды). Травление осуществляют погружением поверхности образца в реактив в течение 10—60 с. В процессе травления протекает обменная реакция, при которой железо вытесняет медь. Медь осаждается неравномерно. На участках,