Методы контроля качества сварных и паяных соединений

Методы контроля бывают двух типов: разрушающие и неразрушающие.

К разрушающим относятся испытания сварных образцов-свидетелей. Сва­ривают их при тех же самых режимах, что и изделия, обычно непосредственно перед началом сварки последних. Всесторонние испытания образцов позволяют косвенным образом судить о качестве сварных соединений в изделиях.

Более точно воспроизвести характер нагружения сварных соединений можно на модельных конструкциях или на самих изделиях, которые выбо­рочно подвергают испытаниям вплоть до разрушения. Необходимое число разрушаемых изделий от партии устанавливается конструктором в каждом конкретном случае.

Неразрушающие методы контроля включают в себя контроль парамет­ров режимов сварки, некоторые испытания свойств сварного шва без его

разрушения (например, измерение твердости, химический анализ металла шва, не затрагивающий целостности конструкции), наконец, физические ме­тоды контроля (дефектоскопия).

Необходимо отметить особое значение контроля основного металла, сварочных материалов, состояния оборудования и технологии сварки.

Виды контроля сварных и паяных конструкций, применяемые в про­мышленности, достаточно разнообразны. К ним относятся технический ос­мотр, контроль радиационный, акустический, магнитный, капиллярный и др. Для проверки герметичности и прочности сварных конструкции применяют­ся гидравлические испытания, испытания сжатым воздухом, различного типа течеискателями. Последние методы контроля представляют вид контроля, называемый течеисканием.

Внешний осмотр. Если внешний осмотр проводится с применени­ем оптических средств (лупы, микроскопа, перископических оптических устройств и т. п.), то такой метод контроля называют визуально-оптическим.

Внешнему и визуально-оптическому контролю подвергается почти 100% всех швов. Такой довольно простой метод контроля позволяет, однако, обнаружить наружные дефекты довольно широкого спектра: подрезы, поры, трещины, незаваренные кратеры, раковины, свищи, неравномерность шва и несоответствие его геометрии требованиям чертежа.

Радиационный контроль. Выявление дефектов основано на различном поглощении металлом и неметаллическими веществами прони­кающего излучения. В качестве источника подобных излучений применяют рентгеновские аппараты, позволяющие получить тормозное (рентгеновское) излучение, различного типа ускорители (ускорители электронов, бетатроны).

При проведении радиационного контроля возможны три основных ме­тода выявления дефектов.

1. Радиографический с фиксацией изображения на пленке или бумаге. Его преимущество — возможность сохранения документального свидетель­ства результатов просвечивания и простота контроля.

2. Радиоскопический (радиационная интроскопия). Дефект в этом слу­чае наблюдается на флюороскопическом экране, экране электронно-оптического преобразователя, рентген-видикона и т. п. Чувствительность радиоскопии несколько ниже, чем радиографии.

3. Радиометрический. Ионизирующее излучение, проникающее сквозь контролируемый участок, преобразуется с помощью сцинтилляционных кри­сталлов или газоразрядных счетчиков в электрические сигналы, которые по­зволяют судить о наличии или отсутствии дефекта в соединении. Безынерци-онность системы дает возможность установить обратную связь между про­цессом сварки и контролем.

Радиационный контроль служит для обнаружения пор, шлаковых вклю­чений, непроваров и трещин.

1 ИШЁ§Ш

R иЛ / 2 _> *Ж Iff.

Рис. 30.1. Принципиальная схема акустических методов контроля

Акустический контроль. С его помощью выявляются многие внутрен­ние дефекты: трещины, пустоты, поры, непровары, расслоения, непропаи и т. п. Вид контроля основан на изменении характера распространения волн (звуковых и ультразвуковых) в сварных или паяных швах.

По способу выявления дефектов акустические методы делятся на эхо-импульсный, теневой, зеркально-теневой, импедансный, метод свободных колебаний, велосимметричный, резонансный.

Эхо-импульсный (эхо-метод) основан на отражении акустиче­ских (ультразвуковой частоты) колебаний от поверхности раздела между дефектом 2 и материалом детали 1 (рис. 30.1, а). Колебания излучаются электроакустическими источниками (И) в виде пластин из пьезоэлектриче­ских материалов. Отраженные от дефекта ультразвуковые колебания улавли­ваются приемником (П), преобразуются затем в электрический импульс, на­блюдаемый на экране осциллографа.

При теневом методе (рис. 30.1, б) приемник устанавливается с об­ратной стороны детали. При наличии дефекта на пути ультразвуковых волн излучателя к приемнику произойдет их значительное уменьшение или даже исчезновение.

Зеркально-теневой метод (рис. 30.1, в) является своего рода комбинацией двух предыдущих. Приемником фиксируется уменьшение от­раженного импульса от данной (зеркальной) поверхности, которое тем больше, чем больше размеры дефекта.

В ряде случаев (при эхо-методе и зеркально-теневом) излучатель и при­емник могут быть объединены в одном устройстве, которое излучает и при-

нимает отраженный сигнал. При теневом методе излучатель и приемник должны быть раздельными.

Суть импедансного метода заключается в следующем: колеблю­щийся стержень 3 (рис. 30.1, г) перемещается по верхней детали /, соеди­ненной сваркой или пайкой с деталью 4. Сила реакции при этом на стержень будет Р_г. При наличии дефекта (например, отсутствии припоя 5) верхняя обшивка над ним колеблется с меньшим сопротивлением и реакция на стер­жень Р₂ будет меньше.

Метод свободных колебаний (рис. 30.1, д) состоит в фиксиро­вании индикатором 7 с последующим усилением изменения частоты свобод­ных колебаний, возбуждаемых в исследуемой детали электромагнитом 6 с бойком. Частота изменится, если между деталями будет нарушена сплош­ность (например, из-за непропая или непровара).

Велосимметричный метод основан на разнице скорости распро­странения акустических волн в соединении с дефектами или без них, а резо­нансный — на изменении резонансной частоты ультразвуковых колебаний.

Для контроля дефектов при сварке и пайке применяются чаще всего эхо-метод, теневой и зеркально-теневой. Можно использовать импедансный ме­тод свободных колебаний.

Велосимметричный и резонансный методы применяют реже, хотя с их помощью также обнаруживаются несплошности. Обычно резонансный ме­тод используют для измерения отклонений толщины покрытия или толщины детали.

При ультразвуковом методе контроля обнаружение дефекта осуществ­ляется посредством продольно-поперечного сканирования искателем иссле­дуемого участка. Надежность такой дефектоскопии во многом определяется квалификацией оператора, поэтому создаются установки с автоматическим сканированием искателя. Важно также иметь чистую и гладкую поверхность, чтобы уменьшить отражение от ее неровностей. С этой целью перед началом контроля поверхность, где будет осуществляться сканирование, покрывается тонким слоем минерального масла, солидола, технического глицерина или спирта.

Ультразвуковая дефектоскопия получила распространение при контроле качества сварных соединений, выполненных всеми методами сварки и пайки. Этим методом можно обнаруживать дефекты в деталях большой толщины: стальных — до 700 мм.

Ультразвуковой метод контроля позволяет установить наличие боль­шинства дефектов, в том числе даже оксидных пленок, расслоений металла. Однако он трудоемок, его надежность зависит в значительной степени от квалификации оператора. Сложнее решить вопрос о документальном оформ­лении результатов контроля. Нельзя считать универсальным метод ультра­звуковой дефектоскопии и с точки зрения возможности обнаружения дефек-

тов любого типа. Как показывает практика, ультразвуковой дефектоскопией не удается надежно отличить при точечном, термодиффузионном и некото­рых других методах сварки участки, действительно сваренные, от тех, где произошло только слипание металла двух деталей. При ультразвуковом кон­троле помехи могут вызываться определенным строением структуры метал­ла, например у аустенитных сталей.

Магнитный контроль. Распределение магнитных силовых линий в случае намагничивания каким-либо образом сварных или паяных деталей изменяется в месте дефекта и может быть зафиксировано одним из следую­щих методов: магнитопорошковым, магнитографическим, индукционным.

При магнитопорошковом методе на деталь наносится ферро­магнитный порошок, предварительно смешанный с керосином, маслом.

Более технологичен магнитографический метод, заключаю­щийся в намагничивании предварительно размагниченной магнитной плен­ки, которая накладывается на контролируемый участок. На пленке фиксиру­ется локальное нарушение магнитных силовых линий в месте дефекта, если такой имеется в шве. Записанная магнитограмма воспроизводится с помо­щью специального считывающего устройства на экране осциллографа.

Индукционный метод заключается в регистрации неоднородности магнитного поля индукционной катушкой. При наличии дефектов распреде­ление магнитного потока изменяется, что фиксируется катушкой, и затем преобразуется в световой или звуковой сигнал.

Магнитный контроль широко применяется для выявления поверхност­ных и подповерхностных (на глубине 2...3 мм) дефектов типа трещин, не-проваров, рыхлот и т. п. в сварных соединениях из ферромагнитных мате­риалов.

Капиллярный контроль. Капиллярный контроль применяется для вы­явления наружных дефектов сварных и паяных соединений: трещин, свищей, расслоений и т. п. Один из вариантов такого контроля — люминесцентный. Сущность его заключается в том, что деталь на 20—30 мин погружают в ин­дикаторную жидкость (например, смесь 85% керосина и 15% трансформа­торного масла). Трещины, поры и другие дефекты подобно капиллярам втя­гивают в себя индикаторную жидкость и хорошо ее удерживают. Деталь вы­тирают насухо и на ее поверхность наносят сорбент — тальк или порошок магнезии. Сорбент через определенное время вытягивает на поверхность часть индикаторной жидкости, оставшейся в дефектах и не удаленной при вытирании детали. Если теперь поверхность детали облучить ультрафиоле­товыми лучами, то индикаторная жидкость, поглощенная сорбентом, будет ярко люминесцировать, свидетельствуя о наличии дефекта.

Вместо люминесцентного метода можно применять цветной метод (ме­тод красок). Он чрезвычайно прост и заключается в нанесении на контроли­руемую поверхность жидкого красителя — красной проникающей жидкости.

Происходит капиллярное втягивание окрашенной жидкости в наружные де­фекты. После очистки и просушки поверхности на нее наносят сорбент — белую проявляющую жидкость. При ее высыхании красная краска из дефектных мест диффундирует в белую, окрашивая ее и выявляя тем самым дефект.

Чувствительность цветного метода очень высока. С его помощью выяв­ляются не только трещины, но и участки, пораженные межкристаллитнои коррозией.

Контроль течеисканием. Назначение метода — определить герметич­ность сварного или паяного соединения. Обнаружение дефекта каким-либо из рассмотренных ранее методов неразрушающего контроля не позволяет, за некоторым исключением (например, определенные визуально сквозные свищи или трещины), сделать вывод о плотности соединения. Поэтому необ­ходимо проводить испытания на герметичность, которые назначаются, как правило, наряду с другим каким-либо контролем.

В зависимости от условий эксплуатации, характера испытуемой конст­рукции для контроля течеисканием используются жидкость и газ. С учетом разновидностей газов и жидкостей можно выделить несколько методов, наи­более широко применяемых при контроле герметичности сварных и паяных изделий: а) водой; б) керосином; в) красками; г) люминофором; д) сжатым воздухом; е) аммиаком; ж) гелием; з) галогенами.

Испытания водой (гидравлические) необходимы для со­судов и аппаратуры, работающих под давлением. Таким образом проверяют не только прочность, но и плотность соединений. Давление воды в изделии при испытаниях выбирается в зависимости от характера и требований к кон­струкции (давление при испытании в 1,5—2 раза больше рабочего). Случай­ное разрушение конструкции при гидравлических испытаниях менее опасно, чем при испытании воздухом, так как давление из-за малой сжимаемости жидкости моментально падает, едва начинается разрушение.

Испытание керосином применяется для сосудов, рассчитанных на работу без давления. Оно заключается в том, что одну сторону соедине­ния, доступную для осмотра, забеливают меловой эмульсией и затем высу­шивают, а противоположную смачивают керосином. Обладая большой про­никающей способностью, керосин, если в соединении нарушена герметич­ность, может проникнуть в мел, на котором появляется характерное масля­нистое пятно.

Испытание красками основано на уже изложенном принципе капиллярности, однако технология самого контроля несколько другая, так как для выявления негерметичности жидкость с добавленной в нее краской наносится со стороны, противоположной той, на которую нанесен сорбент. Аналогично проводятся испытания люминофорами.

Испытание сжатым воздухом проводится после гидравличе­ского. Неплотности обнаруживаются промазыванием швов мыльной пеной, 552

погружением испытываемого изделия в воду или по падению давления кон­трольного манометра, установленного на изделия. Так как испытания сжа­тым воздухом представляют большую опасность, их проводят в специально оборудованных помещениях при самом строгом соблюдении правил техники безопасности. С этой же целью до пневматических испытаний проводят гид­равлические, а также снижают давление при испытании сжатым воздухом до 0,8—1,2 от величины рабочего давления.

Испытания аммиаком, углекислым газом, их сме­сями с воздухом основаны на химической индексации проникающих через несплошности под небольшим избыточным давлением указанных га­зов, вступающих в реакцию с индикатором. Индикатором смачивается бу­мажная лента или полоска марли и накладывается на контролируемый уча­сток. В качестве индикатора при использовании аммиака применяется 5%-ный раствор азотнокислой ртути или раствор фенолфталеина. В результате химической реакции между аммиаком и воздухом на индикаторе появляются темные пятна.

Испытание гелием (масс-спектрометрическое) по­зволяет определять наличие несплошностей с очень высокой чувствительно­стью. Гелий обладает хорошей проникающей способностью. Если в изделии создать вакуум 133 МПа и снаружи все соединения последовательно обду­вать гелием из специального пистолета, соединенного с баллоном, то гелий при наличии несплошностей проникает внутрь изделия. Изделие соединено с масс-спектрометром, где поддерживается более высокий (порядка 0,65 МПа) вакуум. Поэтому гелий попадает в масс-спектрометр, в котором его присут­ствие фиксируется, в результате стрелка индикатора отклоняется или разда­ется звуковой сигнал. Положение дефекта определяется координатами пис­толета в момент срабатывания сигнализации.

Возможен и другой вариант контроля с помощью гелия. В этом случае гелий из баллона накачивается под некоторым давлением в изделие, а масс-спектрометр соединяется со специальным щупом, который перемещают вдоль шва. Если имеется течь, то гелий будет проникать наружу и попадет через щуп в масс-спектрометр течеискателя, а система сигнализации извес­тит оператора о наличии дефекта.

В галогенных течеискателях используется воздух в смеси с фреоном, тетрахлоридом углерода и некоторыми другими газами. Смесью заполняется испытуемый сосуд под избыточным давлением 210⁴—610⁶ Па и его соединения проверяются с помощью щупа. В щупе имеется два элек­трода, из которых анод нагрет до 800—900 °С. Если в соединении имеется сквозной дефект, то галогенный газ, просачиваясь через несплошность, заса­сывается в щуп. Для этого в нем имеется специальный вентилятор, приводи­мый в движение миниатюрным электродвигателем. Молекулы галогенного газа, попадая в межэлектродное пространство, ионизируются. Ионы, обладая

высоким отрицательным потенциалом, усиливают выход положительных ионов с анода. Изменение анодного тока служит сигналом для отклонения стрелки миллиамперметра или подачи импульса тока на телефон.

Выбор конкретного метода контроля течеисканием во многом опреде­ляется его чувствительностью. В табл. 30.1 для сравнения приведена чувст­вительность рассмотренных методов.

В промышленности применяют статистические методы контроля. Их цель — улучшить управление технологическим процессом сварки или пайки на основе методов математической статистики, повысить его стабильность, а также обеспечить математико-статистический выборочный контроль.

Статистические методы управления качеством и выборочный контроль не исключают применения разрушающих методов контроля, а, наоборот, базируются на статистическом материале, полученном этими методами.

Таблица 30.1. Чувствительность методов течсискания (в л-Па/с)

Основной метод	Рабочее тело	Чувствительность
Масс-спектрометрический	Гелий	1,3-Ю"3
Галогенный	Фреоно-воздушные смеси
Пневматический	Воздух, азот (вакуум)	6,5-103
Химический	Аммиачно-воздушные смеси, углекислый газ
Гидравлический	Вода	6,5-Ю3
Керосиновый	Керосин	6,5-Ю2
Люминесцентно-гидравлический	Вода + индикатор	6,5

Контрольные вопросы

1. Какие дефекты могут возникать при различных методах сварки и каковы причи­ны их образования?

2. Что такое разрушающие и неразрушающие методы контроля и в чем особенно­сти их применения?

3. Как можно проверить герметичность сварных конструкций?

4. На каких физических принципах основаны радиационный, акустический и маг­нитный методы контроля?