Конспект лекций по сварке доцента каф. 104 Варухи Н. А.
1. Введение. 2
1.1 Краткие сведения из истории сварки. 5
1.2 Классификация сварки. 8
2. Процессы нагрева при сварке. 9
2.1 Общие сведения о нагреве при сварке и источниках нагрева. 9
2.2 Пламя газовой горелки. 11
2.3 Электрическая дуга. 12
2.4 Струя плазменной горелки. 17
2.5 Электронный луч. 18
2.6 Луч лазера. 19
2.7 Трение как источник тепла при нагреве. 21
2.8 Джоулево тепло при сварке. 23
2.9 Основные законы, используемые для определения температуры при сварке. 27
3. Способы сварки термического класса. 30
3.1 Дуговая сварка (ДС). 30
Классификация дуговой сварки. 30
Дуга как источник нагрева при ДС. 32
Вольтамперная характеристика дуги (ВАХД). 35
Источники питания (ИП) для дуговой сварки. 36
Требования к ИП.. 36
Источники питания переменного тока для РДС (сварочные трансформаторы). 37
Источники постоянного тока для дуговой сварки. 41
3.2 Дуговая сварка в среде защитных газов. 43
Виды газовой защиты.. 43
Защитные свойства различных газов. 45
Электродные сварочные материалы.. 46
Аргонодуговая сварка. 47
Основные параметры аргонодуговой сварки. 50
Достоинства и недостатки аргонодуговой сварки. 52
Область применения аргонодуговой сварки. 53
Дуговая сварка в среде гелия. 54
Дуговая сварка в среде углекислого газа. 54
3.3 Атомно-водородная сварка. 56
3.4 Плазменная сварка. 57
Сущность плазменной сварки, схема плазмотрона. 57
3.5 Электрошлаковая сварка. 60
Параметры режима электрошлаковой сварки. 63
Оборудование для электрошлаковой сварки. 64
Достоинства электрошлаковой сварки. 66
Недостатки электрошлаковой сварки. 66
Область применения электрошлаковой сварки. 67
3.6 Электронно-лучевая сварка. 68
Оборудование для электронно-лучевой сварки. 71
Достоинства электронно-лучевой сварки. 75
Недостатки электронно-лучевой сварки. 76
3.7 Лазерная сварка. 76
Свойства лазерного излучения. 77
Сварочные установки с твердотельным лазером.. 79
Сварочные установки с газовым лазером.. 82
Достоинства и недостатки лазерной сварки. 84
Область применения лазерной сварки и резки. 85
4. Термомеханический класс. 85
4.1 Контактная сварка. 85
Контактная точечная сварка. 87
Основные параметры режима точечной сварки. 90
Влияние основных параметров режима точечной сварки на прочность сварной точки. 91
Шунтирование тока. 93
Разновидности точечной сварки. 94
Оборудование для точечной сварки. 96
Низкочастотные машины.. 99
Конденсаторные машины для точечной сварки. 101
Клеесварные соединения. 103
Требования к конструированию узлов и деталей под контактную точечную и шовную сварку. 106
Особенности точечной и шовной сварки отдельных металлов и сплавов. 107
4.2 Контактная стыковая сварка. 110
Стыковая сварка сопротивлением.. 110
Стыковая сварка оплавлением.. 111
Машины для стыковой сварки. 112
Проектирование узлов и деталей под стыковую сварку. 113
Конструкция и проектирование оснастки. 114
4.3 Диффузионная сварка. 114
Технологические особенности диффузионной сварки. 115
Защитные среды при диффузионной сварке. 116
Особенности диффузионной сварки различных материалов. 117
Оборудование для диффузионной сварки. 120
4.4 Индукционно-прессовая сварка. 122
5. Механические виды сварки. 125
5.1 Холодная сварка. 125
5.2 Сварка трением. 5
5.3 Ультразвуковая сварка. 12
5.4 Сварка взрывом. 16
5.5 Магнитоимпульсная сварка. 23
6. Пайка. 25
6.1 Сущность процесса пайки металлов. 25
6.2 Припои для пайки. 27
6.3 Способы пайки. 29
Способы по формированию паяного шва. 30
Способы пайки по устранению окисной пленки. 35
Способы пайки по нагреву. 36
7. Контроль качества сварных соединений. 43
7.1 Методы контроля и управления качеством сварных соединений. 43
Факторы качества сварных соединений. 43
Типы и виды дефектов. 44
Классификация методов контроля. 46
7.2 Физические методы неразрушающего контроля. 47
Радиационные методы контроля. 47
Радиографические методы контроля. 49
Радиоскопические методы контроля. 51
Радиометрические методы контроля. 54
7.3 Ультразвуковые методы контроля. 55
Физические основы и классификация методов. 55
Особенности ультразвукового контроля сварных соединений. 60
7.4 Магнитные и электромагнитные методы контроля. 63
Физические основы и классификация методов. 63
Магнитные методы контроля. 64
7.5 Капиллярные методы контроля. 66
7.6 Методы контроля сварных соединений течеисканием. 68
7.7 Статистические методы управления качеством сварки. 69
Введение
Сварка, как прогрессивный способ получения неразъемных соединений, заняла ключевые позиции во всех отраслях машиностроения. Применение сварки во многих отраслях промышленности является одним из основных факторов, определяющих технический прогресс и эффективность производства. В технически развитых странах мира большое внимание уделяется развитию сварочной науки, созданию новых видов сварки, производству автоматизированных сварочных машин, роботизированных сварочных линий и комплексов, применению прогрессивных сварных конструкций, обеспечивающих экономию металла, улучшение качества изделий, снижение трудоемкости и стоимости сварных конструкций. Благодаря творческому труду ученых, инженеров, научно-исследовательских институтов, ВУЗов, предприятий сварочная наука и производство в Украине стоит на высоком научно- техническом уровне.
Широкое применение сварки в машиностроении обусловлено возможностью создания наиболее целесообразных и одновременно технологичных конструкций из заготовок и деталей, полученных наиболее рациональными методами изготовления (штамповкой, прокаткой, литьем, ковкой). Сварные конструкции можно изготовить более легкими на 15-20 %, что особенно важно при производстве летательных аппаратов. До недавнего времени при производстве планеров самолетов из алюминиевых сплавов преобладала клепка. С переходом на новые материалы (жаропрочные, нержавеющие стали, титановые сплавы и др.) сварка стала основным технологическим процессом изготовления планеров, корпусов и двигателей летательных аппаратов.
Если раньше на авиационных заводах слесарносварочные цехи играли вспомогательную роль и больше обслуживали процесс производства (изготовление стапельной оснастки, приспособлений и т.п.), то при изготовлении цельносварных самолетов и летательных аппаратов основные цехи, в первую очередь цехи агрегатной сварки, превратились в сварочные цехи, что потребовало полной перестройки технологического процесса, где преобладает сварка и сопутствующие ей операции (контроль качества сварки, термообработка сварных конструкций). Производство цельносварных летательных аппаратов из титановых, жаропрочных сплавов, никелевых сплавов, нержавеющих сталей, новых алюминиевых и магниевых сплавов с большим диапазоном свариваемых толщин потребовало разработки техпроцессов и оборудования для материалов с ограниченной свариваемостью, механизации и автоматизации сварки кольцевых и продольных швов, криволинейных швов, коротких стыков сложного переменного сечения, швов на панелях двойной кривизны, крупногабаритных ребристых панелей, сотовых панелей. Широко применяется сварка для изготовления современных двигателей летательных аппаратов и их узлов (камеры сгорания, сопла ЖРД, охлаждаемые лопатки, роторы компрессоров, жаровые трубы, трубопроводы, корпусные и другие детали и узлы).
Прогресс авиационной, ракетной и космической техники не мыслим без расширения применения сварки, без создания и развития новых видов сварки на основе достижений науки и техники. Поэтому все новейшие разработки в области в первую очередь находят применение при производстве летательных аппаратов.
Дуговая сварка в защитных газах, автоматическая сварка под слоем флюса, электроннолучевая, плазменная, лазерная, диффузионная сварка, контактная, ультразвуковая, холодная сварка являются основными видами, применяемыми в настоящее время при производстве самолетов, ракет и космических аппаратов.
Если в земных условиях сварка завоевывала свои позиции, последовательно вытесняя традиционные методы получения неразрывных соединений, то при изготовлении конструкций в условиях космоса сварка заняла сразу ведущее положение. Первые опыты по сварке в условиях космоса проводили советские космонавты Шонин и Кубасов на «Союзе 6» еще в 1969 году и получили хорошие результаты. « Вулкан» создан в институте сварки им. Патона.
Сварка конструкций, ремонт космических аппаратов, космическая металлургия стали задачей сегодняшнего дня. Над этими задачами активно работают ученые и инженеры, проводится широкий комплекс исследований металлургических процессов в условиях космоса и невесомости, что создает предпосылки для сборки, монтажа космических станций с применением сварки.
В 1984 году советские космонавты Джанибеков и Савицкая испытали универсальный рабочий инструмент (УРИ) для сварки, резки, пайки и напыления с использованием двух малогабаритных электронных пушек (вторая пушка для напыления). Работы велись на космической станции «Салют 7». Работы по испытанию УРИ проводились в открытом космосе. УРИ разработал институт сварки им. Патона.
В 1997 году институт сварки им. Патона, имеющий большие достижения по разработке оборудования для электронно- лучевой сварки в космосе, заключил соглашение с американским научно-исследовательским центром NACA о проведении совместных работ в этой области.
Классификация сварки.
Классификация сварки устанавливается по физическим, техническим и технологическим признакам. В зависимости от формы энергии, которая используется для образования сварного соединения, сварка делится на классы:
- термический ; термомеханический ;механический.
Вид источника энергии, который непосредственно используется для образования сварного соединения, определяет вид сварки.
Термический класс состоит из следующих видов сварки:дуговая ;электрошлаковая плазменная ; электронно-лучевая ; ионно-лучевая ; сварка тлеющим разрядом ; индукционная ; световая (лазерная) ; газовая ; термитная ; литейная.
Термомеханический класс состоит из следующих видов сварки:
n контактная ; диффузионная ; индукционнопрессовая ; газопрессовая ; термитнопрессовая ; дугопрессовая ; шлакопрессовая ; печная (кузнечно-горновая) ; термокомпрессионная.
К механическому классу относятся виды сварки, где сварные соединения образуются с использованием механической энергии и давления: холодная ; ультразвуковая ; трением ; сварка взрывом ; магнитоимпульсная сварка.
Определение сварки по ГОСТу.
Процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или классическом деформировании, или совместным действием того и другого.
Определение пайки по ГОСТу.
Процесс образования соединения с металлическими связями путем нагрева соединяемых материалов ниже температуры их плавления, их смачивание припоем, затекание припоя в зазор и последующей его кристаллизации.
Процессы нагрева при сварке.
Общие сведения о нагреве при сварке и источниках нагрева.
Нагрев является важнейшим внешним воздействием в большинстве способов сварки. Без анализа распределения температур процессы сварки нельзя представить и понять достаточно полно.
От распределения температур зависят:
1. Металлургические процессы в зоне сварки и, прежде всего, интенсивность металлургических реакций, взаимодействие с вводимыми в зону легирующими элементами, с окружающими газами.
2. Структурные превращения в сварном шве и в зоне термического влияния (ЗТВ), что в значительной мере определяет характеристики сварного соединения, такие, как прочность, ударная вязкость.
3. Внутренние напряжения и деформации, влияющие на точность и работоспособность изделий.
4. Размеры и форма расплавленной зоны (сварного шва).
5. Производительность процесса сварки.
В большинстве случаев при сварке применяют местный нагрев заготовок до температуры выше температуры плавления (при сварке способами плавления) или до температуры ниже , но достаточной для достижения значительных пластических деформаций (при сварке способами давления). При этом используют высокотемпературные источники нагрева.
Обычно сварочные источники тепла должны обладать некоторыми особыми свойствами:
1) высокой температурой Тu, чтобы можно было нагреть металл до высокой температуры;
2) большой тепловой мощностью q для ведения процесса с высокой производительностью;
3) по возможности небольшой площадью введения тепла в изделие Fu в целях уменьшения потерь тепла и снижения разогрева изделия.
При характеристике различных, применяемых в практике способов нагрева необходимо, прежде всего, указать величину названных параметров. Кроме того, принято различать:
а) – эффективную тепловую мощность источника тепла, т.е. количество тепла, сообщаемое в единицу времени нагреваемому телу;
б) эффективный коэффициент полезного действия , равный отношению эффективной мощности источника к его полной тепловой мощности:
;
в) плотность тепловой мощности или плотность теплового потока, равная отношению эффективной тепловой мощности к площади ввода тепла:
;
если тепло вводится по поверхности;
г) если тепло вводится не через поверхность, а возникает в объеме нагреваемого металла (объемный источник, например, при пропускании электрического тока через металл), то вводится объемная тепловая мощность, в котором он действует:
;
д) если тепло вводится в изделие по линии (шириной зоны, по которой вводится тепло, можно пренебречь по сравнению с длиной), то применяют понятие линейной тепловой мощности
,
где: - длина отрезка, по которому вводится тепло.
В сварочной технике получили распространение следующие основные источники тепла:
1) пламя газовой горелки;
2) струя плазмы (сжатая электрическая дуга);
3) электрическая дуга;
4) электронный луч;
5) луч лазера;
6) джоулево тепло;
7) трение.
Помимо указанных основных источников тепла используют также тепло химических реакций при сжигании смесей металлов и окислов металлов (термитов); ультразвуковые, упругие колебания; вспомогательные источники тепла, например, печи для предварительного нагрева изделия перед сваркой.
Рассмотрим кратко источники тепла и их характеристики.
Виды сварки термического класса
Дуговая сварка (ДС).
Дуговая сварка является ведущим способом сварки и занимает первое место среди других видов сварки, как по числу установок (примерно 50%), так и по объему выпускаемой продукции.
Классификация дуговой сварки.
Дуговая сварка относится к термическому классу.
По техническим признакам ДС делится:
1. По способу защиты зоны сварки: в воздухе ; в пене ; по слою флюса ; под слоем флюса ; в вакууме ; в защитных газах (нейтральных - аргон Ar ; гелий He; азот N2 для медных сплавов ; активных - водород H2 ; углекислый газ CO2) ; в парах воды (подводная сварка) ;
2. По степени механизации ДС делится на ручную (РДС), механизированную, автоматизированную и автоматическую (АДС).
По технологическим признакам ДС делится:
1. По виду электрода: ДС плавящимся электродом, ДС неплавящимся электродом (вольфрамовым или угольным стержнем) ;
2. По виду дуги: свободная дуга, сжатая дуга ;
3. По характеру воздействия на металл: дуга прямого действия, дуга косвенного действия, трехфазная дуга ;
4. По роду тока: ДС постоянным током прямой или обратной полярности, ДС переменным током (f =50 Гц), ДС пульсирующим (импульсным) током ;
5. По количеству дуг: однодуговая, двухдуговая, многодуговая ;
6. По количеству электродов с общим подводом сварочного тока: ДС одноэлектродная, ДС двухэлектродная, ДС многоэлектродная.
Вольтамперная характеристика дуги (ВАХД).
Эта зависимость связывает напряжение дуги Ug от тока дуги Ig при постоянной длине дуги рис. 3.2. (для РДС)
Точка А отмечает напряжение холостого хода Uxx источника питания. После зажигания дуги напряжение падает до устойчивого положения (I зона неустойчивого горения дуги). Дальнейшее увеличение тока не вызывает изменения Ug (зона II). Эта зона соответствует средним плотностям тока при РДС (зона II).
Дальнейшее увеличение Ig приводит к увеличению напряжения на дуге (зона III). Этот участок ВАХД соответствует большим плотностям тока при РДС и, особенно, при автоматических способах ДС, где обычно применяют тонкую электродную проволоку и относительно большие токи.
Рис. 3.2. Вольтамперные характеристики дуг для ручной дуговой сварки (ВАХД), длина дуги lg1 больше длины дуги lg2.
При изменении длины дуги lg ВАХД меняется напряжение дуги Ug, но характер зависимости Ug = f (Ig) на участках I, II, III сохраняется.
Источники питания (ИП) для дуговой сварки.
Источники питания могут быть постоянного тока, переменного тока (f =50Гц), источники импульсного тока, инверторные (высокочастотные, f =1- 20Гц) ИП.
Сварочный трансформатор с подвижными вторичными обмотками.
В настоящее время промышленностью выпускаются, в основном, такие ИП для дуговой сварки переменным током (рис.7). По сравнению с рассмотренными выше трансформаторами эти ИП имеют меньшую массу железного сердечника.
Рис.7. Сварочный трансформатор с подвижными вторичными обмотками.
Внутреннее сопротивление Rl такого трансформатора зависит от расстояния l между первичной и вторичной обмоткой. При l max на вторичную обмотку воздействует только магнитный поток Фс, замыкающийся по железному сердечнику, при этом получаем Iкз min.
Iкз min = f (Фс)
По мере уменьшения l на вторичную обмотку оказывает воздействие магнитный поток рассеивания Фр, который замыкается вокруг первичной обмотки по воздуху. При l =0 получим Iкз max = f (Фр max + Фс).
Дуговая сварка в среде защитных газов
Достоинства и недостатки аргонодуговой сварки
Основным достоинством этого способа сварки является возможность с высоким качеством сваривать стали почти всех классов, том числе высоколегированные нержавеющие, теплостойкие, жаропрочные стали, никелевые сплавы, алюминиевые и магниевые сплавы, медь и ее сплавы, титановые сплавы, тугоплавкие металлы и их сплавы.
Аргонодуговая сварка позволяет сваривать тонкостенные изделия с толщиной стенки меньше 1 мм. Этот способ сварки легко механизировать и автоматизировать. Полуавтоматической сваркой с плавящимся электродом и импульсной дугой можно сваривать сварные швы в любых пространственных положениях.
К недостаткам аргонодуговой сварки следует отнести высокую стоимость аргона, сложность и относительно высокая цена оборудования и оснастки, особенно при сварке в камерах с контролируемой атмосферой и в обитаемых камерах, необходимость контроля качества аргона и его химической очистки при сварке изделий ответственного назначения.
Дуговая сварка в среде гелия
Гелий в качестве защитного газа применяют мало, так как его стоимость существенно выше стоимости аргона. Между тем при одном и том же токе дуги в гелии выделяется в 1.5…2 раза больше энергии, чем в аргоне. Это позволяет увеличить глубину проплавления и уменьшить ширину зоны термического влияния, значительно повысить скорость сварки.
Во многих случаях применяют смеси гелия и аргона, аргон повышает стабильность горения дуги, гелий – проплавляющую способность дуги. Оптимальная смесь при сварке вольфрамовым электродом – 35…40% аргона и 60…65% гелия, при сварке плавящимся электродом – 20…25% аргона и 75…80% гелия.
Сварка в активных газах
Плазменная сварка
Сущность плазменной сварки, схема плазмотрона
При плазменной сварке источником нагрева служит высокотемпературная дуговая плазма, которую получают с использованием дуговых плазмотронов. Плазмотроны могут быть косвенного и прямого действия (рис. 6.4).
Если используется только источник питания дугового разряда, подключенный к токоподводящему мундштуку (катод) и корпусу плазмотрона (анод), то это будет плазмотрон косвенного действия. В полость плазмотрона подается плазмообразующий газ (аргон, гелий, азот, пары воды). Между вольфрамовым электродом и корпусом плазмотрона 3 в выходном канале плазмотрона с помощью искрового разряда (от осциллятора) зажигается дуга. Образуется дуговая плазма плазмообразующего газа, которая выдувается через выходное отверстие плазмотрона и используется для нагрева материала.
Рис. 6.4. Схема плазмотрона:
1 - токоподводящий мундштук; 2 - изоляционная втулка; 3 - медный корпус; 4 - защитное сопло; 5- подача плазмообразующего газа; 6 - подача защитного газа; 7 - охлаждающая вода; W - вольфрамовый электрод
Плазмотрон косвенного действия может быть использован для пайки, сварки термической резки, напыления как металлов, так и неметаллов (пластмассы, стекла, керамики, гранита, бетона). Плазмотрон прямого действия наряду с плазмообразующим источником питания небольшой мощности подключается к источнику питания большей мощности. Напряжение этого источника подключается к токоподводящему мундштуку и изделию из электропроводного материала для получения основного дугового разряда прямой или обратной полярности, или дуги переменного тока частотой 50 Гц, или импульсной дуги. В этом случае плазмообразующая дуга небольшой мощности (дежурная дуга) используется для стабилизации и поддержания основного дугового разряда.
Если источник плазмообразующей дуги (дежурной дуги) отсутствует и используется только основной источник питания дугового разряда, то такие устройства называются дуготронами.
Дуговая плазма плазмотронов и дуготронов имеет существенные отличия от дуговой плазмы свободно горящей дуги. Если температура свободно горящей дуги Т»6000°С, то температура дуговой плазмы на выходе плазмотрона может достигать 50000°С.
Температура дуговой плазмы зависит от состава плазмообразующего газа, давления плазмообразующего газа, условий дугового разряда в выходном канале плазмотрона. Стенки этого канала, охлаждаемые проточной водой, понижают температуру периферийных слоев потока плазмы, повышая их электрическое сопротивление. Дуговой разряд стягивается к оси выходного отверстия плазмотрона (дуга отшнуровывается), плотность тока повышается, температура плазмы существенно увеличивается. С повышением давления плазмообразующего газа температура плазмы также повышается.
Зависимость максимальной температуры плазмы от состава плазмообразующего газа показана в таблице.
Газ | Азот | Аргон | Гелий | Пары воды |
Тплазмы, °С |
Таким образом, дуговая плазма плазмотронов является высокотемпературным источником нагрева, позволяющим не только расплавить, но испарить самые тугоплавкие металлы и материалы.
Коэффициент полезного действия h зависит от типа плазмотрона. Для плазмотронов косвенного действия h=30…50%, для плазмотронов прямого действия h=70…90%.
Плотность теплового потока плазмы qFпл существенно выше плотности теплового потока свободно горящей дуги qFд, (qFпл=3…10 qFд), qFпл зависит от типа плазмотрона, мощности дугового разряда, устройства плазмотрона и от других факторов.
Диапазон мощности оборудования для плазменной сварки, термической резки, напыления очень широк: от плазмотронов для микроплазменной сварки деталей толщиной 0.1…2 мм до мощных плазмотронов, позволяющих плавить или резать материалы толщиной до 500 мм. Так мощные плазмотроны могут иметь сверхзвуковое истечение плазмы. В мощных плазмотронах вместо вольфрамового стержня используется медный водоохлаждаемый катод с металлокерамической вставкой, состоящей из материалов с большой термоэлектронной эмиссией (гексоборид лантана, гафний+лантан).
Параметры режима электрошлаковой сварки
Эффективная мощность, которая выделяется в сварочной ванне
,
где U - падение напряжения в шлаковой ванне,
I - ток, протекающий в шлаковой ванне,
hэф. - эффективный КПД.
КПД зависит от теплоотвода в формирующие сварной шов устройства и лежит в пределах 0.6…0.9. При увеличении тока растет глубина металлической ванны, с увеличением напряжения растет ширина металлической ванны и немного возрастает ее глубина. Изменение скорости сварки требует регулирования параметров процесса сварки, в первую очередь – сварочного тока.
Большое влияние на стабильность процесс сварки оказывает влияние глубина шлаковой ванны, ее глубину поддерживают в пределах 30…90 мм.
Исполнительные устройства должны обеспечивать в процессе сварки постоянство глубины металлической и шлаковой ванны.
Недостатки электронно-лучевой сварки
Наличие рентгеновского излучения при торможении потока электронов на поверхности металла. Излучение усиливается по мере роста ускоряющего напряжения. Для защиты от рентгеновского излучения вакуумные камеры внутри снабжены защитным слоем (свинцовые экраны).
При мощном рентгеновском излучении установка должна быть размещена в отдельном помещении, специально оборудованном в соответствие с требованиями техники безопасности.
К недостаткам можно также отнести длительное время подготовки вакуумной камеры к работе, сложность оборудования, необходимость полной автоматизации всех работ в вакуумной камере, высокая стоимость оборудования, высокая квалификация обслуживающего персонала.
Область применения лазерной сварки и резки
Основная область применения маломощных установок для сварки и резки лазерным лучом – электроника, производство интегральных и полупроводниковых элементов, приборостроение.
Для мощных лазеров с непрерывным или высокочастотным излучением принято считать, что при мощности лазерного излучения до 4…10 кВт эффективность применения лазерной сварки выше, чем электронно-лучевой сварки.
В самолетостроении нашла широкое применение лазерная резка для высокоточной размерной вырезки шаблонов на установках с программным управлением.
Ермомеханический класс
Оборудование для точечной сварки
Для точечной сварки применяют различные типы машин. Основным отличающим признаком является характер сварочного тока. По этому признаку машины разделены на четыре типа: машины переменного тока промышленной частоты (однофазные); машины низкочастотные (трехфазные); машины конденсаторные (трехфазные и однофазные); машины постоянного тока (трехфазные с выпрямлением тока во вторичном контуре).
Технологические возможности машин определяются их электромеханическими характеристиками: номинальный сварочный ток; ПВ; мощность, потребляемая машиной при номинальном токе и номинальном ПВ; номинальное усилие сжатия электродов; размеры рабочего пространства (раствор консолей и вылет электродов).
Контактная стыковая сварка
Контактная стыковая сварка широко применяется для изготовления сложных деталей из простых заготовок (узлов шасси летательных аппаратов, тяг, валов, кожухов, карданных валов), для изготовления деталей замкнутой формы (шпангоутов, колец жесткости реактивных двигателей, обводов колес, звеньев цепей), для изготовления длинномерных изделий (трубопроводов, железнодорожных рельсов, заготовок в условиях непрерывной прокатки и т.д.), для изготовления составных режущих инструментов с целью их удешевления (например, сверл с рабочей частью из высоколегированной стали и хвостовиков из конструкционной стали). Схема стыковой сварки показана на рис. 12.14.
Рис. 12.14. Схема стыковой сварки:
1 – свариваемые детали; 2 – зажимные губки; Т – сварочный трансформатор; S – контактор.
Существует два основных способа стыковой сварки: сопротивлением и оплавлением.
Проектирование узлов и деталей под стыковую сварку
Учитывая специфику нагрева и образования сварного соединения при стыковой сварке, необходимо соблюдать ряд требований при проектировании изделий (рис. 12.15).
Рис. 12.15. Подготовка деталей к стыковой сварке:
1 - рациональная; 2 - нерациональная
Форма деталей должна обеспечить возможность надежного закрепления их в зажимах сварочной машины, а также необходимо создать условия для равномерного нагрева и одинаковой пластической деформации обеих заготовок, форму и размеры сечения следует выполнять одинаковыми. Установочная длина деталей выбирается с учетом не только площади сечения деталей, но и их электропроводности и теплопроводности.
Механические виды сварки
Рис.
5.1. Схема установки для сварки ультразвуком:
1 – магнитострикционный преобразователь; 2 – волновод;
2 – наконечники; 4 – свариваемые детали.
Основные параметры режимов ультразвуковой сварки: мощность преобразователя; частота и амплитуда колебаний инструмента; усилие сжатия; время сварки.
Мощность ультразвукового преобразователя выбирается в зависимости от толщины и свойств металла свариваемых деталей. Обычно она равна 4…6 кВт. Амплитуда колебаний инструмента (Обычно в пределах 10…20 мкм) является одной из важнейших характеристик сварочного процесса, влияющей на свойства сварного соединения и на его прочность.
Усилие сжатия необходимо для обеспечения требуемого физического контакта между деталями. Он составляет 100…2000 кН. Сила трения при смещении детали друг относительно друга под воздействием ультразвуковых колебаний также зависит от усилия сжатия.
Время сварки тоже оказывает существенное влияние на прочность сварного соединения. При малом времени сварки соединение получается непрочным, так как углы схватывания занимают небольшую часть поверхности контакта. Если же время сварки слишком большое, то на деталях образуются глубокие вмятины от электродов, наблюдается усталостное разрушение сварного соединения и схватывание электродов с деталями. Время сварки при точечном соединении 0.5…3 с.
Процесс ультразвуковой сварки сопровождается выделением тепла в месте образования соединения в результате трения в контакте между деталями. Максимальная температура в зоне сварки не превышает 0.5…0.7 температуры плавления. В некоторых случаях детали перед сваркой подогревают.
Предварительный подогрев приводит к уменьшению времени сварки и способствует повышению прочности соединения. Однако слишком высокая температура нагрева не позволяет повысить прочность вследствие увеличения текучести металла и обусловленного этим ухудшения передачи ультразвуковых волн в зону сварки.
Имеющийся опыт применения сварки ультразвуком выявил следующие преимущества этого способа:
1. Сварка ультразвуком позволяет соединить разные металлы, хорошо свариваются алюминий, медь, никель, удовлетворительно – высоколегированные стали. Получены соединения на ряде тугоплавких металлов – ниобии, тантале, молибдена и вольфраме. Существенные успехи получены при сварке металлов с неметаллами (полупроводниками, стеклом и некоторыми другими материалами). С помощью ультразвука сваривают детали из пластмасс, получают соединения биологических тканей, что является одним из уникальных примеров использования сварки ультразвуком и одновременно характеризует ее широкие возможности.
2. Возможны соединения тонких и ультратонких деталей, сварка пакетов из фольги, можно приваривать тонкие обшивки и фольгу к элементам несущей конструкции, толщина которых практически не ограничена.
3. Сварка ультразвуком происходит в твердом состоянии без существенного нагрева места сварки, что позволяет соединять химически активные металлы или пары металлов.
4. Не требуется предварительная зачистка поверхности детали, в связи с чем возможна сварка плакированных и оксидированных деталей.
5. Небольшие сдавливающие усилия вызывают незначительную деформацию поверхности деталей в месте их соединения.
6. Сварка ультразвуком более экономична, так как применяется сварочное оборудование малой мощности. Например, для контактной точечной сварки алюминия толщиной 1 мм необходима машина мощностью 100…150 кВт, при ультразвуковой сварке того же соединения – 2.5…5 кВт.
Недостатки ультразвуковой сварки заключаются в следующем. Прежде всего толщина свариваемых деталей ограничена 2.0 мм. Для больших толшин необходимо увеличить частоту колебаний, что приводит к разрушению волновода. Неустойчивость параметров сварки вследствие нестабильности количества энергии, поступающей в зону сварки из-за отклонений в размерах деталей, различного состояния их поверхностей, нестабильности в работе ультразвукового генератора, механизма сжатия и т.п. вызывает значительные колебания прочности сварных соединений.
Ультразвуковая сварка нашла широкое применение для соединения тонких деталей в приборостроении, радиоэлектронной промышленности и особенно в микроэлектронике, а также для полимерных пленок, полимеров.
Пайка
Способы пайки.
Пайка как процесс определяется следующими основными факторами: физическими - температурой, давлением; физико-химическими наличием припоя и флюса; характером взаимодействия паяемого металла с припоем, кристаллизации шва; конструктивными - величиной зазора и нахлестки; технологическими - способом нагрева, способом введения припоя в зазор.
Исходя из названных факторов можно классифицировать сотни разновидностей пайки, где содержится несколько признаков, но любой технологический процесс пайки обязательно сочетает в себе способы по формированию паяного шва, нагреву, удалению окисных пленок. В соответствии с этими факторами получили названия технологические способы пайки.
Способы по формированию паяного шва.
Капиллярная пайка готовым припоем.
Этот способ наиболее широко используют в промышленности, припой в виде прокладок, шайб, колец полностью или частично расплавляется и заполняет зазор за счет капиллярных сил, в контакте металла и припоя происходит атомное взаимодействие и при кристаллизации припоя образуется металлическая связь.
Композиционная пайка.
Этот способ пайки целесообразно применять при больших зазорах между деталями. При этом применяют припой с наполнителем. Наполнитель в виде порошка, сетки волокон образует систему капилляров, которые удерживают расплавленные компоненты припоя в некапиллярном зазоре между паяемыми деталями. При композиционной пайке формирование шва происходит в условиях сильно развитых поверхностей на границе твердой и жидкой фаз, что вызывает существенные диффузионные процессы.
Наиболее высокие механические свойства металлокерамических паяных соединений обеспечивается при диффузионной пайке. Отвод легкоплавкой части припоя в частицы наполнителя ускоряет процесс диффузионной пайки.
Вследствие неспособности композитных и металлокерамических припоев к растеканию и затеканию в зазор, а также вследствие большой усадки при широких зазорах в ряде случаев необходимо приложение давления.
Прессовая пайка.
Для обеспечения требуемого зазора и фиксации деталей при капиллярной сварке используют небольшое давление. Это особо важно при изготовлении тонкостенных крупногабаритных паянных изделий.
В ряде случаев давление при пайке является важнейшим параметром, определяющим качество, надежность и ресурсы работы паяных сое6динений.
Одной из разновидностей прессовой пайки является клиновая пайка, давление прикладывается и при пайке электросопротивлением, выполняемой на контактных машинах, например, при пайке твердосплавного инструмента, электрических контактов с контактодержателями.
Одна из разновидностей прессовой пайки - компрессионная пайка металлов, где давление создается за счет различных коэффициентов линейного расширения паяемых металлов или элементов приспособления. Этот способ применяют также при пайке металлов с неметаллами, если они не поддаются диффузионной сварке.
Некапиллярная пайка
При этом способе пайки зазор между соединяемыми деталями заполняется припоем не под действием капиллярных сил, а принудительно, с приложением внешних сил - гравитационной, электромагнитной и др.
В ряде случаев зазор между паяемыми деталями имеет разделку, как и при сварке плавлением. К капиллярной пайке относят процессы пайки при зазоре между соединяемыми деталями более 0.5 мм.
Этот способ пайки еще называют сваркопайка или пайкосварка. Некапиллярную пайку применяют при заполнении припоем широких трещин и раковин при исправлении дефектов в отливках. Так при исправлении дефектов в чугунном литье применяют припой на основе медных сплавов.
Некапиллярная пайка пригодна главным образом для горизонтально расположенных швов, так как при других положениях шва расплавленный припой вытекает из зоны соединения.
Способы пайки по устранению окисной пленки
Безфлюсовая пайка
Большинство флюсов обладают высокой коррозионной активностью, что требует его полного удаления с паяного соединения после пайки.
При безфлюсовой пайке процесс ведется в нейтральных, инертных газах или в вакууме. Удаление окисных пленок с поверхности паяемого металла происходит за счет их диссоциации при снижении парциального давления кислорода в окружающей атмосфере, растворение кислорода в паяемом металле, связывание его с парами металлов. При этом используется самофлюсующиеся припои, легированные элементами-раскислителями.
Абразивная пайка
Абразивную пайку применяют преимущественно для алюминия и его сплавов.
Перед пайкой паяемые поверхности лудят абразивным способом удаляя окисную пленку под слоем флюса шабером, металлическими щетками, абразивными частицами, погруженными в расплавленный припой. В качестве абразива служит порошок асбеста, металлические порошки, металлические сетки.
Способы пайки по нагреву
Пайка в соляных электрических печах-ваннах.
Пайку погружением в расплавленные соли ведут в электрических печах-ваннах, нагрев производят с помощью ленточных или проволочных электронагревателей, или электродами, погруженными в расплавленную соль.
В качестве нагревательной среды используют различные смеси хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов BaCl2, CaCl2, KCl, NaCl, N2CO3, K2CO3, Na2B4O7, SrO2. Большинство применяемых смесей солей обладают флюсующими свойствами. Рабочие температуры пайки в соляных ваннах 600...1300°С.
Пайка погружением в расплавленные припои.
Имеется две разновидности рассматриваемой пайки: погружением в расплавленный припой и волной припоя.
Установки для пайки погружением состоят из последовательно расположенных ванн для флюсования и пайки.
При пайке волной расплавленного припоя паяемые изделия, нап-
ример, плата с радиодеталями, перемещается над поверхностью расплавленного в ванне припоя, в который специальными вращающими устройствами, насосами или магнитным полем создается волна припоя, смачивающая паяемую поверхность изделий.
Газопламенная пайка.
Источником нагрева служит пламя, полученное при сжигании газообразного или парообразного топлива в смеси с кислородом или воздухом. В качестве такого топлива используют пары керосина, бензина, спирта или газы ацетилен: природный газ, бутан, пропан, водород. При пайке небольших изделий среднеплавкими припоями используют паяльные лампы, работающие на бензине, керосине, спирте, сжиженных газах (бутане, пропане).
При необходимости быстрого нагрева изделия под пайку до температур выше 600°С применяют газовые горелки, работающие на смесях кислорода или воздуха с горючими газами или парами.
При газопламенной пайке припой обычно вносится в зону пайки вручную в виде прутка. Пайка обычно ведется с применением флюса, который наносится на зону пайки еще до нагрева в виде пасты.
Электродуговая пайка.
Для нагрева зон пайки может использоваться дуга, горящая между металлом и угольным электродом или металлом и электродом из припоя. Способ дугового нагрева применяют, например, при пайке медных статорных обмоток и обмоток фазных роторов с использованием самофлюсующихся меднофосфористых припоев.
Пластины припоя, уложенные между паянными деталями, оплавляют дугой, горящей между припоем и угольным электродом.
В Харьковском авиационном институте разработана точечная аргоно-дуговая дозированная пайка, в основе которой положены способы принудительного отрыва одиночной капли припоя заданной массы от плавящейся электродной проволоки из припоя и четкое дозирование тепловой энергии дуги для нагрева зоны пайки. Аргоно-дуговая дозированная пайка используется в приборостроении, например, при изготовлении деталей и узлов различных реле.
Пайка световым и инфракрасным лучами.
Нагрев сфокусированным световым лучом обеспечивает бесконтактный подвод энергии к паяемому металлу, возможность пайки через оптически прозрачные оболочки в контролируемой атмосфере или в вакууме, легко поддается регулированию и контролю.
В качестве источников световой энергии используют мощные дуговые, ксеноновые лампы и менее мощные ионные и галогенные кварцевые лампы инфракрасного излучения.
Для концентрации световой энергии в зоне пайки применяют оптическую систему, состоящую из эллиптического зеркального отражателя, контротражателя, конденсатора. В зависимости от производ-
ственной задачи применяют точечные или щелевые конденсаторы.
Пайка лучом лазера.
Световой луч лазера характеризуется монохроматичностью, когерентностью, параллельностью и высокой плотностью энергии, что позволяет сфокусировать луч лазера в пятно диаметром 1 - 10 мкм без существенной потери энергии и получить плотность энергии в фокусе 109 Вт/см2. Применяя лазер для нагрева зоны пайки, можно обеспечить минимальное нарушение состояние основного металла рядом с паяным швом, паять тончайшие детали, например, в микроэлектронике.
Пайка электронным лучом
Нагрев под пайку электронным лучом позволяет предельно сократить продолжительность взаимодействия расплавленного припоя с паяемым металлом. Пайка производится в вакуумных камерах, что позволяет паять изделия из активных и тугоплавких металлов.
Для точечной пайки обычно применяют расфокусированный электронный пучок, для нагрева всего паяемого изделия применяют сканирующий пучок электронов, например, сканирование пучка электронов по всей поверхности паяемой сотовой панели.
Пайка паяльником.
При пайке легкоплавкими припоями чаще всего используют паяльники. Наконечник паяльника обычно изготовляют из меди, для уменьшения химической эрозии медных наконечников иногда применяют металлические покрытия из железа, никеля, нихрома, серебра. Наконечники паяльников выполняют различной формы - торцевыми, молотковыми, фасонными. Чем массивнее паяемая деталь, тем больше требуется масса паяльника (до 2 кг).
По способу нагрева паяльники делят на три группы: периодического нагрева в пламени паяльной лампы, газовой горелки, в горнах, в печах; непрерывного нагрева пламенем горелки, работающей на горючих газах или жидком топливе; электрического нагрева от нихромовой спирали, расположенной внутри или снаружи медного сердечника, или от дуги, горящей между угольным электродом и медным сердечником.
Контроль качества сварных соединений
Методы контроля и управления качеством сварных соединений.
Классификация методов контроля.
Методы контроля качества сварных соединений делят на два класса: методы разрушающего контроля (РК) и методы неразрушающего контроля (НРК).
Разрушающие испытания проводят на образцах- свидетелях, на моделях, в отдельных случаях на самих изделиях. Они позволяют получить количественные характеристики сварных соединений при механических испытаниях на растяжение, изгиб, сплющивание и т.п.
По характеру нагрузки испытания могут быть статическими, динамическими, усталостными.
Неразрушающие испытания проводят обычно на самих изделиях. При этом качество сварных соединений, например, прочность или надежность, оценивают косвенно по физическим свойствам, имеющим связь с теми или иными дефектами в сварном шве или в зоне термического влияния. Неразрушающие методы контроля можно разделить на три группы:
1.Испытание сварных соединений на изделии без существенного нарушения материала - проверка твердости, химический анализ материала, металлографические исследования и пр.
2.Контроль параметров процесса и режимов сварки.
3.Физические методы неразрушающего контроля – дефектоскопия.
В зависимости от физических явлений, положенных в их основу, эти методы разделяют на 10 основных видов: 1) радиационный, 2) акустический, 3) магнитный, 4) капиллярный, 5) течеискание, 6) электромагнитный, 7) радиоволновой, 8) тепловой, 9) оптический, 10) электрический.
Для контроля качества сварных конструкций летательных аппаратов нашли широкое применение первых 5 видов контроля, из них чаще всего используют радиационные и акустические (ультразвуковые) методы контроля. Последние пять видов находятся еще в стадии исследования и в промышленности почти не применяются.
Ни один из названных методов контроля не обеспечивает необходимую надежность качества сварных соединений на ответственных изделиях. Поэтому при изготовлении сварных конструкций летательных аппаратов применяют сочетание нескольких методов неразрушающих и разрушающих испытаний.
Физические методы неразрушающего контроля.
Радиационные методы контроля.
Физические основы и классификация методов.
При радиационной дефектоскопии сварных соединений используют рентгеновское излучение, g - излучение и поток нейтронов. При прохождении их через вещество происходит его поглощение и рассеивание, что вызывает ослабление выходного излучения. Ослабление зависит от плотности вещества и толщины тела, а также от интенсивности и энергии излучения. Если на пути излучения в веществе встречаются дефекты, то интенсивность и энергия выходного излучения изменяются. Если есть возможность зафиксировать это изменение, то оно может служить в качестве информации о сварочном дефекте или структуре вещества.
Рентгеновское и g - излучение являются разновидностью электромагнитных колебаний, имеющих как волновые свойства, так и корпускулярные.
По сравнению с видимым светом эти излучения имеют значительно меньшую длину волны и, следовательно, обладают большей энергией. Для видимого света l=(4…7)´10-7 м, рентгеновского излучения l=6´10-13…10-9 м, g - излучения
l=10-13…4´10-12 м. С уменьшением длины волны проникающая способность излучения увеличивается.
Источниками рентгеновского излучения служат рентгеновские трубки. Трубка представляет собой вакуумный баллон с двумя впаянными электродами (анодом и катодом). Под действием приложенного напряжения между катодом и анодом испускаемый катодом поток электронов разгоняется до больших скоростей и тормозится на аноде. Кинетическая энергия электрона у поверхности анода равна:
, где (1)
e - заряд электрона (e =1,602´10-19 Кл);
U - напряжение между катодом и анодом, В.
Если энергия E электронов больше, чем энергия перехода электронов атомов вещества анода на более высокие энергетические уровни, то при торможении электронов на аноде происходят такие переходы. При обратном переходе возникает излучение с энергией , равной разности энергий между уровнями.
Частота излучения
, где (2)
- постоянная Планка (=6,625´10-34 Дж/с).
Длина волны l - излучения зависит от напряжения между катодом и анодом. Рентгеновское излучение имеет спектр частот и, следовательно, различные длины волн, так как
, где(3)
- скорость света.
Для данного ускоряющего напряжения минимальную длину волны
, (4)
будет иметь излучение с максимальной энергией.
В искусственных или естественных радиоактивных изотопах при их распаде возникает g - излучение, обладающее большой проникающей способностью. Возникающие при распаде изотопа a - частицы (ядра гелия) и b - частицы (поток электронов) имеют небольшую длину пробега в металле и полностью поглощаются в слое алюминия толщиной 2-5 мм. Нейтронное излучение возникает при делении ядер или в процессе ядерных реакций под действием излучений с высокими энергиями. Взаимодействие нейтронов с ядрами вещества увеличивается с понижением энергии нейтронов, поэтому в дефектоскопии используют тепловые нейтроны с энергией Е=0,01…0,3 эВ (для быстрых нейтронов Е =104…2´107 эВ).
Нейтронная дефектоскопия применяется для контроля качества сварных соединений тяжелых металлов, водородосодержащих материалов и радиоактивных изделий.
В зависимости от способа фиксации дефектоскопической информации различают следующие методы контроля: радиографический (фиксация изображения на фотобумаге или пленке), радиоскопический (наблюдение изображения на экране), радиометрический (регистрация электрических сигналов). Первые два метода получили наибольшее распространение при радиационном контроле сварных соединений.
Ультразвуковые методы контроля.
Физические основы и классификация методов.
В ультразвуковой дефектоскопии используются упругие колебания и волны, распространяющиеся в упругих средах. Колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды относительно точек равновесия передаются соседним частицам и распространяются в среде в виде упругих волн.
Упругие волны характеризуются длиной l, частотой ¦ и скоростью распространения волны с. Эти величины связаны зависимостью:
, (6)
Под ультрафиолетовыми волнами понимают колебания упругой среды, частота которых лежит за верхним пределом слышимости человеческого уха (2´104…109Гц). При частоте свыше 109Гц упругие колебания называют гиперзвуковыми.
В зависимости от упругих свойств среды различают продольные, сдвиговые, нормальные, поверхностные и другие типы колебаний. В продольной волне частицы колеблются вдоль направления распространения волны, а в сдвиговой волне – перпендикулярно. Продольные волны могут быть возбуждены в любых средах, поперечные – только в твердых.
Для неограниченной среды скорость распространения продольной волны:
, где (7)
Е - модуль объемной упругости (модуль Юнга), r - плотность среды, n - коэффициент Пуассона.
Скорость распространения сдвиговых волн Сs в неограниченной среде определяется выражением:
, где (8)
G – модуль сдвига.
На свободной поверхности твердого тела могут распространяться поверхностные волны (волны Рэлея). В тонких пластинах, листах, стержнях, толщина или диаметр которых соизмеримы с длиной волны, могут распространяться нормальные волны или волны Лэмба (симметричные или антисимметричные нормальные волны). Последние вызывают симметричную или антисимметричную упругую деформацию пластины.
Поверхностные и нормальные волны являются комбинациями продольных и сдвиговых волн. Скорость распространения поверхностных волн можно определить из приближенного соотношения:
(9)
Скорость распространения нормальных волн зависит от частоты колебаний и толщины изделия. В тонком листе толщиной d при постоянной частоте можно возбудить определенное число симметричных и антисимметричных волн, отличающихся фазовыми и групповыми скоростями. Скорость распространения нормальных симметричных волн:
(10)
Для нормальных антисимметричных волн:
(11)
По мере прохождения ультразвуковой волны в теле интенсивность ее падает вследствие затухания и рассеивания. При затухании звуковая энергия переходит в тепловую, при рассеивании меняется направление распространения звуковой энергии вследствие отражения от неоднородной среды, имеющих другие акустические свойства. При падении волны на поверхность раздела двух сред под прямым углом часть энергии отражается. Коэффициент отражения зависит от соотношения акустических сопротивлений (rс) сред:
(12)
Законы отражения и преломления ультразвуковых волн аналогичны законам геометрической оптики.
При наклонном падении ультразвукового луча на границу раздела двух сред продольная волна LI отразится под углом b1, равным углу падения a. Если первая среда – твердое тело, то часть падающей энергии продольной волны отразится в виде сдвиговой волны S1 под своим углом g1, меньшим угла b1 (Рис.4). Если вторая среда – твердое тело и r1 с1 < r2 с2,то на границе раздела ультразвуковой луч преломляется с трансформацией в продольную волну L2 и сдвиговую S2 с углами преломления, соответственно, b2 и c2.
Рис.4.Отражение и преломление ультразвуковых волн на плоской границе двух твердых сред при падении продольной волны L1.
Углы падения, отражения и преломления связаны следующими соотношениями:
, (13)
где СL1, СL2, СS1, СS2 - скорости распространения продольных и сдвиговых волн в первой и второй средах соответственно.
Существуют критические углы a кр.1 и aкр.2, при которых во второй среде не образуется преломленные продольные или сдвиговые волны соответственно при b2 =900 или g2 =900. Сварочные дефекты (поры, шлаковые включения, трещины) служат источниками отражения, рассеивания ультразвуковой энергии, так как имеют акустические свойства, отличающиеся от основного металла. Для возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний используют электроакустические преобразователи в виде пластин из пьезоэлектрических материалов: кварца, титанита бария, цирконата титаната свинца и др.
Для удобства в работе и предохранения от механических повреждений пьезоэлектрические пластины помещают в специальном устройстве, называемом искателем. Различают прямые искатели, предназначенные для ввода ультразвуковых колебаний перпендикулярно поверхности контролируемого изделия, и наклонные или призматические искатели, служащие для ввода ультразвуковых колебаний под некоторым углом. Чтобы ввести ультразвуковые колебания в контролируемое изделие, требуется обеспечить акустический контакт между искателем и поверхностью изделия. Для этого используют минеральные масла, глицерин, воду спирт и другие жидкости. Если толщина слоя контактной жидкости больше половины длины волны ультразвуковых колебаний, то такой метод ввода называется иммерсионным, если меньше – контактным.
В зависимости от способа обнаружения дефектов различают три метода ультразвукового контроля: теневой, зеркально-теневой, эхо метод (рис.5).
Рис.5. Схемы ультразвуковых методов контроля сварных швов прямым и призматическим искателями:
а) теневой метод; б) зеркально-теневой метод; в) эхо метод с совмещенными искателями;
г) эхо метод с раздельными искателями (И. – излучатель, П. - приемник).
При теневом методе передающий искатель и приемник размещают на противоположных поверхностях контролируемого изделия. При наличии дефекта в площади действия ультразвукового луча от поверхности дефекта отражаются и рассеиваются ультразвуковые волны, что уменьшает амплитуду прошедшей через изделие ультразвуковой волны, которая фиксируется приемным искателем. Перемещая искатели по поверхности изделия, можно по изменению амплитуды сигнала определить площадь или длину дефекта.
При зеркально-теневом методе излучающий и приемный искатели устанавливают на одной поверхности контролируемого изделия. О наличии дефекта судят по изменению амплитуды ультразвуковой волны, отраженной от противоположной поверхности изделия, которую фиксирует приемный искатель.
При эхо методе пьезометрический искатель является и излучателем, и приемником ультразвуковых колебаний, работающих, как правило, в импульсном режиме. После излучения импульсов ультразвуковых колебаний искатель переключается на прием ультразвукового импульса, отраженного от дефекта. О размерах дефекта судят по амплитуде отраженного сигнала (эхо импульса) или по наличию эхо импульса при перемещении искателя по поверхности изделия.
Широкое применение находят также совмещенные искатели с двумя пьезоэлементами, один из которых работает в режиме генерирования ультразвуковых колебаний, другой – в режиме приема отраженных эхо импульсов.
Импульсный эхо метод является в настоящее время наиболее распространенным методом ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений.
Магнитные и электромагнитные методы контроля.
Физические основы и классификация методов.
Электромагнитные методы контроля основаны на регистрации характерных изменений электромагнитных полей в зонах различных дефектов изделия. Для этих целей используют как постоянные, так и переменные магнитные электрические поля.
В промышленности применяются магнитные и электромагнитные (вихретоковые) методы контроля. Последние пригодны как для ферромагнитных, так и неферромагнитных электропроводных материалов.
Для магнитного и электромагнитного контроля применяют импульсные, постоянные, переменные и комбинированные магнитные и электрические поля. Контроль может проводиться с использованием как остаточного магнитного поля, образовавшегося после намагничивания, так и в процессе намагничивания.
По методам регистрации неоднородностей магнитного поля, вызванного дефектами, методы контроля подразделяют на магнитопорошковый, магнитографический, магнитоферрозондовый, индукционный.
Электромагнитные методы различают в основном по способам получения электромагнитного поля в контролируемом изделии, зависящего от вида применяемого электромагнитного индуктора (охватывающего или накладного).
Причиной возникновения неоднородностей магнитного поля в районе дефекта является вторичное магнитное поле, которое наводится в полости дефекта, так как магнитная проницаемость среды полости существенно отличается от магнитной проницаемости контролируемого металла.
Амплитудное значение составляющих поля дефекта зависит от размеров дефекта, его ориентации относительно внешнего поля, соотношения магнитных проницаемостей среды дефекта и основного материала. Для получения максимального возмущения магнитного поля необходимо, чтобы вектор напряженности внешнего поля был направлен перпендикулярно плоскости дефекта.
Направление намагничивания должно совпадать со швом по его длине. В этом случае валик сварного шва не оказывает существенного влияния на равномерность магнитного поля и возмущение поля над дефектом легко обнаруживается. При поперечном намагничивании валика с большой высотой и малым радиусом напряженность магнитного поля уменьшается над ним и возмущение над дефектом обнаружить трудно.
Нелинейность магнитных свойств материала влияет на структуру магнитного поля и затрудняет получение информации о дефектах. Поэтому на практике используют метод сопоставления магнитного поля контролируемого изделия с эталонным полем специально подготовленного образца.