Учебно-методический комплекс по учебной дисциплине Контроль и испытания продукции для направления специальности 1-54 01 01-01 Метрология, стандартизация и сертификация (машиностроение и приборостроение)

211

перестройки его структуры. Такие явления, как возникновение и развитие трещин под влиянием внешней нагрузки, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций,–наиболее характерные источники акустической эмиссии. Контактирующие с изделием пьезопреобразователи принимают упругие волны и позволяют установить

место их источника (дефекта).

Пассивными акустическими методами являются вибрационно-

диагностический и шумодиагностический. При первом анализируют

параметры вибраций какой-либо отдельной детали или узла (ротора,

подшипников, лопатки турбины) с помощью приемников контактного типа,

в звуковом и низкочастотном (до нескольких десятков кГц), ультразвуковом диапазоне частот. Ко вторым–колебания в высокочастотном ультразвуковом диапазоне частот: обычно от нескольких сот кГц до 20 МГц.

Высокочастотные методы обычно называют ультразвуковыми.

Из рассмотренных акустических методов контроля наибольшее практическое применение находит эхо-метод. Около 90 % объектов,

контролируемых акустическими методами, проверяют эхо-методом.

Применяя различные типы волн, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих металлических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия неизвестна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-

механические свойства материалов.

212

Зеркально-теневой метод используют вместо или в дополнение к эхо-

методу для выявления дефектов, дающих слабое отражение ультразвуковых волн в направлении раздельно-совмещенного преобразователя. Дефекты

(например, вертикальные трещины), ориентированные перпендикулярно поверхности, по которой перемещают преобразователь(поверхности ввода),

дают очень слабый рассеянный сигнал и донный сигнал благодаря тому, что на их поверхности продольная волна трансформируется в головную, которая в свою очередь излучает боковые волны, уносящие энергию. Пример применения зеркально-теневого метода–контроль рельсов на вертикальные трещины в шейке. По чувствительности этот метод и обычно в 10–100 раз хуже эхо-метода.

Эхо-зеркальный метод также применяют для выявления дефектов,

ориентированных перпендикулярно поверхности ввода. При этом он обеспечивает более высокую чувствительность к таким дефектам, но требует,

чтобы в зоне расположения дефектов был достаточно большой участок ровной поверхности. В рельсах, например, это требование не выполняется,

поэтому там возможно применение только зеркально-теневого метода. Эхо-

зеркальный метод в варианте «тандем» используют для выявления вертикальных трещин и непроваров при контроле сварных соединений.

Дефекты некоторых видов сварки, например, непровар при электронно-

лучевой сварке, имеют гладкую отражающую поверхность, очень слабо рассеивающую ультразвуковые волны, но такие дефекты хорошо выявляются эхо-зеркальным методом. Дефекты округлой формы (шлаковые включения,

поры) дают большой рассеянный сигнал и хорошо регистрируются совмещенным преобразователем, в тоже время зеркальное отражение от них слабое. В результате сравнения отраженных сигналов определяют форму дефекта сварного соединения. Дельта и дифракционно-временной методы также используют для получения дополнительной информации о дефектах при контроле сварных соединений. Эффективная трансформация волн на дефекте произойдет, если угол падения на плоский дефект меньше третьего

213

критического, либо если продольная волна возникает в результате рассеяния на дефекте. Для создания хорошего контакта приемного прямого преобразователя с поверхностью сварного соединения валик усиления зачищают. С помощью этого метода довольно точно определяют положение дефекта вдоль сварного шва, что важно для его автоматической регистрации.

Эхо-теневой метод применяют также при контроле сварных соединений. Например, при автоматическом контроле сварных соединений искатели располагают по обе стороны от шва и принимают как отраженные,

так и прошедшие сигналы. Последние используют для контроля качества акустического контакта и обнаружения дефектов, ориентированных таким образом, что эхо-сигналы от них очень слабы.

Теневой и эхо-сквозной методы используют только при двустороннем доступе к изделию, для автоматического контроля изделий простой формы,

например, листов в иммерсионной ванне. Перемещение листа вверх и вниз между преобразователями в иммерсионной ванне не изменяет времени прохождения сигналов от излучателя к приемнику, что существенно упрощает конструкцию установки. Чувствительность теневого метода к дефектам в 10–100 раз меньше, чем эхо-метода в связи с большим влиянием помех. Применение эхо-сквозного метода в значительной мере устраняет этот недостаток. Теневой метод применяют также для контроля изделий с большим уровнем структурной реверберации, т.е. шумов,

связанных с отражением ультразвука от неоднородностей, крупных зерен,

дефектоскопии многослойных конструкций и изделий из слоистых пластиков. Сквозной сигнал попадает на приемник раньше, чем структурные реверберации, что позволяет его зарегистрировать на фоне шумов. При контроле тонких изделий с очень высоким уровнем структурных шумов более высокую чувствительность обеспечивает временной теневой метод.

Теневой и временной методы позволяют обнаруживать крупные дефекты в материалах, где контроль другими акустическими методами затруднен или невозможен: крупнозернистой стали, сером чугуне, бетоне,

214

огнеупорном кирпиче. Теневой метод применяют вместоэхо-метода при

исследовании физико-механических свойств материалов с большим затуханием и рассеянием акустических волн, например, при контроле

прочности бетона по скорости ультразвука. Для этой цели применяют не только теневой метод, но (в более общем виде) метод прохождения.

Например, излучатель и приемник располагают с одной стороны изделия, на

одной поверхности и измеряют время и амплитуду сквозного сигнала головной волны.

Локальный метод вынужденных колебаний применяют для измерения малых трещин при одностороннем доступе. Контактный резонансный

толщиномеры. Для автоматического измерения толщины стенок тонких труб лучший результат дает иммерсионный резонансный толщиномер.

Интегральный метод вынужденных колебаний применяют для определения модулей упругости материала по резонансным частотам продольных, изгибных или крутильных колебаний образцов простой формы,

вырезанных из материала изделия, т.е. при разрушающих испытаниях.

В последнее время этот метод используют также для неразрушающего контроля небольших изделий: абразивных кругов, турбинных лопаток.

Появление дефектов или изменение свойств материалов определяют по изменению спектра резонансных частот. Свойства, связанные с затуханием ультразвука (изменение структуры, появление мелких трещин), определяют по изменению добротности колебательной системы.

Реверберационный, импедансный, велосимметрический, акустико-

топографический методы и локальный метод свободных колебаний используют в основном для контроля многослойных конструкций.

Реверберационным методом обнаруживают, в основном, нарушения соединений металлических слоев (обшивок) с металлическими или неметаллическими силовыми элементами или наполнителями. Импедансным

215

методом выявляют дефекты соединений в многослойных конструкциях из

методом свободных колебаний контролируют, в основном, изделия из полимерных композиционных материалов. Акустико-топографический метод применяют для обнаружения дефектов преимущественно в металлических

служат для диагностики работающих механизмов. Метод акустической

и диагностики во время эксплуатации. Его важными преимуществами перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков или даже всего изделия без сканирования его преобразователем. Основной его недостаток как средства контроля– трудность выделения сигналов от развивающихся дефектов на фоне помех

(кавитационных пузырьков в жидкости, подаваемой в объект при гидроиспытаниях, трения в разъемных соединениях и т.д).

В акустических методах контроля применяют дефектоскопы.

Ультразвуковой дефектоскоп УД2-70 (рис. В.1 приложения В) предназначен для контроля продукции на наличие дефектов типа нарушения сплошности и однородности материалов, полуфабрикатов, готовых изделий и сварных соединений, для измерения глубины и координат их залегания, измерения отношений амплитуд сигналов от дефектов. Также имеются специальные меню, которые применяются для выявления дефектов в деталях и узлах локомотивов и и в деталях элементов колесных пар вагонов, в которых записаны типовые настройки прибора.

Основные технические характеристики на ультразвуковой дефектоскоп УД2-70 представлены в табл. В.1 приложения В.

216

2.4.12 Радиационные методы контроля

Радиационные методы контроля основаны на регистрации и анализе проникающего ионизирующего излучения. Используется рентгеновское,

гамма-излучение, потоки нейтрино и т.д. Проходя через толщу изделия,

проникающие излучения по-разному ослабляются в дефектном и бездефектном сечениях и несут информацию о внутреннем строении вещества и наличии дефектов внутри изделия. Эти методы используются для контроля сварных и паяных швов, отливок, проката и т.п.

Система радиационного контроля (система РК) состоит из четырех основных элементов (рис. 2.59): источника излучения, объекта контроля,

детектора излучения, средства расшифровки и оценки результатов контроля.

Рис. 2.59. Система радиационного контроля:

1–источник излучения; 2–объект контроля; 3–детектор излучения; 4–средства расшифровки и оценки результатов контроля

Свойства элементов системы контроля, которые влияют на результаты,

называют характеристиками системы контроля или ее параметрами.

217

Средства расшифровки и оценки результатов контроля обусловлены

в пространстве и во времени, например, расстояние от источника излучения

до детектора, время экспозиции и т.п. Система РК в целом также

характеризуется величиной дефектов, выявляемых с заданной вероятностью

и производительностью контроля. Требования к этим основным

характеристикам зависят от требований к качеству контролируемых изделий.

По используемым видам ионизирующего излучения РК подразделяется на виды:

1)рентгеновский контроль;

2)контроль моноэнергетическим β-излучением;

3)контроль тормозным излучением ускорителей электронов;

4)контроль потоком тепловых нейтронов;

5)γ-контроль;

6)контроль потоком протонов;

7)контроль немоноэнергетическим β-излучением радиоактивных

изотопов;

8)контроль потоком позитронов.

В зависимости от задач, стоящих перед контролем, и вида изделия,

наиболее эффективен тот или другой вид излучения. Так, для контроля сварных и паяных соединений эффективно использование 1–7-го видов излучений; для контроля слитков и отливок и обнаружения в них трещин,

пор, рыхлот, ликваций–1, 3, 5-й виды; неправильности формы внутренних закрытых полостей также уверенно обнаруживаются этими видами излучения. Микродетали, элементы электронной техники–дефекты пайки,

обрывы и оплавление проводов обнаруживаются при применении 1, 2, 4, 6-го видов, а усталость материала (контроль деталей и узлов, бывших в эксплуатации)–8-м видом.

218

Способы регистрации радиационных изображений подразделяются на

три группы:

1)радиографические (фотографический, ксерорадиографический,

строборадиографический и т.п.);

2)радиоскопические (способы радиационной интроскопии:

визуальные радиационные, т.е. видение радиационных изображений на

стереорадиоинтроскопические);

3)радиометрические (ионизационный; спектрометрический;

сцинцилляторный).

Наибольшее распространение получили рентгенография,

рентгеноскопия и γ-контроль. Для создания ионизирующего излучения используются рентгеновские аппараты (рентгеновские трубки); ускорители заряженных частиц; радиоактивные изотопы. Рентгеновские трубки служат источниками характеристического и тормозного излучений в широком диапазоне энергий (от 0,5 до 1000 кэВ). Их используют для просвечивания стальных листов, деталей до 120–160 мм.

Ускорители электронов являются источниками высокоэнергетического тормозного излучения (до 35 МэВ). Используются для просвечивания стальных листов большой толщины (>450 мм). Они служат также источниками β-излучения большой энергии и генераторами нейтронного потока. Радиоактивные изотопы являются источником рентгеновского β- и γ-

излучений, потоков нейтронов и позитронов, и используются для просвечивания стальных изделий толщиной до 200 мм.

Для получения рентгеновского излучения используют рентгеновскую трубку, представляющую собой стеклянную колбу, из которой откачан воздух до 10–4–10–6 Па. В сосуд впаяны два электрода–катод в виде спирали из толстой вольфрамовой проволоки и анод из медного полого цилиндра

(«антикатод») с приваренной к нему мишенью из вольфрама. К спирали катода подается низковольтное напряжение (2–12 В), а к электродам–

219

высокое напряжение (более 10 кВ). При накале спирали вследствие

термоэлектронной эмиссии из нее вылетают электроны, которые

специальным устройством фокусируются в узкий пучок и под действием электрического поля с большой скоростью движутся к аноду.

Проходящий через трубку ток измеряется миллиамперметром

на пульте управления. Ток трубки регулируется изменением степени накала

нити катода. Электроны, попадающие на мишень анода, тормозятся в ней и теряют скорость, а следовательно, и кинетическую энергию. Частично

кинетическая энергия электронов превращается в лучистую энергию, которая

выделяется в виде фотонов тормозного излучения, используемого при дефектоскопии изделий, а часть переходит в тепловую. Участок мишени

анода, на котором фокусируется рентгеновское излучение, называется действительным фокусным пятном трубки. Проекция его в направлении выхода лучей–эффективным фокусным пятном.

Интенсивность излучения рентгеновской трубки можно регулировать анодным током и напряжением. При изменении тока (т.е. нагрева катода)

рентгеновского излучения соответствует максимальной энергии кванта.

Энергия кванта тем больше, чем выше скорость электронов.

Поскольку электроны, испускаемые катодом, имеют непрерывное распределение скоростей, энергетический спектр тормозного излучения имеет непрерывный характер, т.е. в нем присутствуют кванты со всевозможными значениями энергий–от нуля до некоторого максимального значения, отвечающего максимальной кинетической энергии тормозящихся электронов. Если энергия электрона настолько велика, что он выбивает электроны с внутренних оболочек атомов вещества мишени, на фоне непрерывного спектра тормозного излучения возникает линейчатый спектр характеристического излучения (рис. 2.60). Подбирая материалы мишени,

можно получать различные спектры.

220

Существуют различные модификации конструкции рентгеновской трубки. Двухэлектродные трубки (с U ≤ 200–300 кВ) имеют электрическую фокусировку электронов, при которой размер фокусного пятна не изменяется во всем диапазоне регулировки анодного тока и напряжения. Трубки с вынесенным анодом, используемые для панорамного просвечивания,

имеют дополнительную магнитную фокусировку. При напряжениях от

300 кВ до 2 МВ применяют секционированные (каскадные) трубки, которые имеют дополнительные промежуточные кольцевые электроды,

обеспечивающие выравнивание электрического поля по длине трубки.

Рис. 2.60. Сплошной (1) и линейчатый (2) спектры рентгеновского излучения для мишени из молибдена при U = 35 кВ

Рентгеновский аппарат состоит из электронной рентгеновской трубки,

(электронная пушка). Система инжекции смонтирована в отдельном блоке или под облицовочным кожухом электромагнита. Электромагнит предназначен для индуцирования в вакуумной камере бетатрона электрического поля, необходимого для ускорения и управления движением электронов. Стеклянная кольцевая камера расположена между полюсами