Неразрушающие методы контроля позволяют проверять качество поковок и деталей (на отсутствие наружных и внутренних дефектов) без нарушения их целостности и могут быть использованы в сплошном контроле. К таким методам контроля относятся рентгено- и гамма-дефектоскопия, а также ультразвуковая, магнитная, капиллярная и другие виды дефектоскопии.
Рентгенодефектоскопия
Рентгенодефектоскопия основана на способности рентгеновского излучения проходить через толщу материала и поглощаться последним в различной степени в зависимости от его плотности. Излучение, источником которого является рентгеновская трубка, направляют через контролируемую поковку на чувствительную фотопластинку или светящийся экран. Если в поковке имеется дефектное место (например, трещина), излучение, проходящее через него, поглощается слабее, а фотопленка засвечивается сильнее. Регулируя интенсивность рентгеновского излучения, получают изображение в виде ровного светлого фона в бездефектных местах поковки и отличительного темного участка - в месте нахождения дефекта.
Выпускаемые промышленностью рентгеновские установки позволяют просвечивать стальные поковки толщиной до 120 мм, а поковки из легких сплавов - до 250 мм.
Гамма-дефектоскопия
Контроль поковок гамма-дефектоскопией аналогичен контролю рент- генодефектоскопией. На определенном расстоянии от исследуемого объекта устанавливают источник гамма-излучения, например капсулу с радиоактивным кобальтом-60, а с противоположной стороны объекта - устройство для регистрации интенсивности излучения. На индикаторе интенсивности (фотопленке) проявляются дефектные участки, имеющиеся внутри заготовки или поковки. Толщина контролируемых заготовок (поковок, деталей) достигает 300 .. .500 мм.
Во избежание облучения при использовании в качестве методов контроля рентгено- и гамма- дефектоскопии необходимо строго соблюдать требования безопасности и быть предельно осторожным.
Рис. 9.7. Установка для ультразукового контроля металла: 1 - осциллограф, 2, 3, 4 - световые импульсы, 5 - блок, 6 -головка, 7 - поковка, 8 - дефект
Ультразвуковая дефектоскопия
Ультразвуковая дефектоскопия является наиболее распространенным методом контроля, позволяющим проверять поковки толщиной до 1 м. Установка для ультразвукового контроля эхо-методом (рис. 9.7) состоит из искательной головки 6 и блока 5, в котором размещены генератор ультразвуковых электрических колебаний (частота свыше 20 кГц) и осциллограф 1. Головка 6 представляет собой пьезоэлектрический преобразователь электрических колебаний в механические.
С помощью искательной головки на исследуемый участок поковки 7 направляют импульс ультразвуковых колебаний, который отразится сначала от поверхности поковки, затем (с некоторым опозданием) - от дефекта 8 и еще позже - от донной поверхности объекта. Отраженный импульс (эхо) вызывает колебание пьезокристалла искательной головки, который преобразует механические колебания в электрические.
Электрический сигнал усиливается в приемнике и регистрируется на экране осциллографа 1: расстояние между импульсами 2,3 и 4 определяет глубину нахождения дефекта, а форма кривых - величину и характер последнего.
Магнитная дефектоскопия
Наиболее распространенным видом магнитной дефектоскопии является магнитно-порошковый метод, применяемый для контроля магнитных сплавов железа, никеля и кобальта. Стальную деталь намагничивают электромагнитом, а затем покрывают суспензией из керосина и магнитного порошка. В местах наличия дефекта частицы магнитного порошка скапливаются, копируя форму и размеры не только поверхностных трещин, но и дефектов, расположенных на глубине до 6мм.
Магнитно-порошковый метод позволяет выявить крупные и очень мелкие дефекты шириной 0,001 ...0,03 и глубиной до 0,01 ... 0,04 мм.
Капиллярная дефектоскопия основана на свойстве жидкостей под действием капиллярных сил заполнять полости поверхностных дефектов (трещин). Используемые для контроля жидкости либо обладают способностью люминесцировать под действием ультрафиолетового излучения (люминесцентная дефектоскопия), либо имеют окраску, четко выделяющуюся на общем фоне поверхности. Например, при люминесцентной дефектоскопии поковки погружают в раствор минерального масла в керосине, промывают, просушивают, а затем опыляют порошком оксида магния. Если осматривать невооруженным глазом такую поверхность при свете ртутной лампы, на фоне темно-фиолетовой поверхности поковки ясно видны ярко-белые трещины. Метод позволяет определять наличие трещин шириной от 1 до 400 мкм.
Дефектоскопия-комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов, Дефектоскопия включает разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.), составление методик контроля, анализ и обработку показаний дефектоскопов. В основе методов дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых лучей, гамма-лучей, радиоволн, ультразвуковых упругих колебаний, магнитного и электрического полей и др.
Дефектоскоп устройство для обнаружения дефектов в изделиях методами неразрушающего контроля. Различают дефектоскопы магнитные, рентгеновские, ультразвуковые, электроиндуктивные и др. Они выполняются в виде переносных, лабораторных приборов или стационарных установок. Переносные дефектоскопы обычно имеют простейшие индикаторы для обнаружения дефектов (стрелочный прибор, световой или звуковой сигнализатор и т, Д.); лабораторные дефектоскопы более чувствительны, часто оснащаются осциллоскопическими и цифровыми индикаторами, В стационарных дефектоскопах - наиболее универсальных - предусмотрены самозаписывающие устройства для регистрации показаний и их объективной оценки.
Некоторые дефектоскопы позволяют проверять изделия, движущиеся со значительной скоростью (например, трубы в процессе прокатки), или сами способны двигаться относительно изделия (например, рельсовые дефектоскопы). Существуют дефектоскопы для контроля изделий, нагретых до высокой температуры.
Наиболее простым методом дефектоскопии является визуальный, осуществляемый невооруженным глазом или с помощью оптических приборов (например, лупы). Для осмотра внутренних поверхностей, глубоких полостей и труднодоступных мест применяют специальные трубки с призмами и миниатюрными осветителями (диоптрийные трубки) и телевизионные трубки. Для контроля, например, качества поверхности тонкой проволоки используют лазеры. Визуальная дефектоскопия позволяет обнаружить только поверхностные дефекты (трещины, плены, закаты и др.) в изделиях из металла и внутренние дефекты в изделиях из стекла или прозрачных для видимого света пластмасс, Минимальный размер дефектов, обнаруживаемых невооруженным глазом, составляет 0,1-0,2 мм, а при использовании оптических систем - десятки микрон.
Более широкое распространение получил метод оптического контроля в связи с созданием оптического квантового генератора (ОКГ). С его помощью можно производить контроль геометрических размеров изделий со сложной конфигурацией, несплошностей, неоднородностей, деформаций, вибраций, внутренних напряжений прозрачных объектов, концентраций, чистоты газов и жидкостей, толщины пленочных покрытий, шероховатости поверхности изделий, Первым ОКГ был рубиновый генератор, активным элементом которого являлся цилиндрический стержень из кристалла рубина с внедренными в его решетку ионами хрома. Возбуждение активных частиц в ОКГ осуществлялось воздействием на активный элемент светового излучения высокой интенсивности с помощью газоразрядных ламп-вспышек и ламп непрерывного горения серийного производства (оптическая накачка). Управление излучением частиц (создание обратной связи) производилось с помощью зеркал, одно из которых полупрозрачно на длине волны генерации. В резонаторе (системе из двух зеркал и помещенного между ними активного элемента) устанавливаются стоячие волны. Типы колебаний (или моды) отличаются друг от друга.
Широкое распространение получили газовые оптические квантовые генераторы. В них активным элементом является газ или смесь газов. Наибольшее распространение получил ОКГ на смеси гелия и неона. Возбуждаются газовые генераторы в основном электрическим разрядом в газовой среде. Основным элементом гелий-неонового ОКГ (как и других. ОКГ) является газоразрядная трубка, выполненная из стекла или кварца. Почти все ОКГ работают в непрерывном режиме. Для создания обратной связи, так же как и в твердотельных 1 ОКГ, используются зеркала, образующие резонатор.
В 1948 г. физик Д. Габор предложил метод контроля, основанный на интерференции волн. В процессе контроля качества на фотопленку одновременно с "сигнальной" волной, 1 рассеянной объектом, направляют "опорную" волну от того же источника света. При интерференции этих волн возникает картина, содержащая полную информацию об объекте, которая фиксируется на светочувствительной поверхности - голограмме. При облучении голограммы или ее участка опорной волной видно объемное изображение объекта. Голограмму можно получить с помощью волн любой природы и любого диапазона частот.
Рентгенодефектоскопия основана на поглощении рентгеновских лучей, которое зависит от плотности среды и атомного номера элементов, образующих материал среды. Наличие таких дефектов, как трещины, раковины и инородные включения, приводит к тому, что проходящие через материал лучи ослабляются в различной степени. Регистрируя распределение интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие и расположение различных неоднородностей материала.
Интенсивность лучей регистрируют несколькими методами. Методами фотографии получают снимок детали (материала) на пленке. Визуальный метод основан на наблюдении изображения детали на флуоресцирующем экране. Наиболее эффективен этот метод при использований электронно-оптических преобразователей. Ксерографическим методом получают изображения на металлических пластинках, покрытых слоем вещества, поверхности которого сообщен электростатический заряд,
Чувствительность методов рентгенодефектоскопии определяется отношением протяженности дефекта в направлении просвечивания к толщине детали в этом сечении и для различных материалов составляет 1 - 10%. Применение рентгенодефектоскопии эффективно для деталей сравнительно небольшой толщины, так как проникающая способность рентгеновских лучей с увеличением их энергии возрастает незначительно. Рентгенодефектоскопию применяют для определения раковин, грубых трещин, ликвационных включений в литых и сварных стальных изделиях толщиной до 80 мм и в изделиях из легких сплавов толщиной до 250 мм. Для этого используют промышленные рентгеновские установки с энергией излучения от 5-10 до 200*400 кзв (1 зв = 1,60210 - Ю"19 Дж). Изделия большой толщины (ДО 500 мм) просвечивают сверхжестким электромагнитным излучением с энергией в десятки Мэтв. получаемым в бетатроне,
Гамма-дефектоскопия имеет ту же физическую сущность основы, что и рентгенодефектоскопия. но при этом используются гамма-лучи, испускаемые искусственными радиоактивными изотопами различных металлов (кобальта, иридия, европия, тантала, цезия, туллия и др.). При гамма-дефектоскопии используют энергию излучения от нескольких десятков кэв до 1-2 Мэв для просвечивания деталей большой толщины. Этот метод имеет существенные преимущества перед реитгенодефектоскопией: аппаратура для гамма-дефектоскопии сравнительно проста, источник излучения компактный, что позволяет обследовать труднодоступные участки изделий. Кроме того, этим методом можно пользоваться в том случае, когда применение рентгенодефектоскопии затруднено (например, в полевых условиях). При работе с источниками рентгеновского и гамма-излучения должна быть обеспечена эффективная биологическая защита.
Радиодефектоскопия, основанная на проникающих свойствах микрорадиоволн, позволяет обнаруживать дефекты главным образом на поверхности изделий обычно из неметаллических материалов. Радиодефектоскопия металлических изделий из-за малой проникающей способности микрорадиоволн ограничена. Этим методом определяют дефекты в стальных листах, проволоке в процессе их изготовления, а также измеряют их толщину или диаметр, толщину диэлектрических покрытий и т.д. От генератора, работающего в непрерывном или импульсном режиме, микрорадиоволны через рупорные антенны проникают в изделие и, пройдя усилитель принятых сигналов, регистрируются приемным устройством.
При инфракрасной дефектоскопии используются инфракрасные (те иловые) лучи для обнаружения непрозрачных для видимого света включений. Инфракрасное изображение дефекта получают в проходящем, отраженном или собственном излучении исследуемого изделия. Этим методом контролируют изделия, нагревающиеся в процессе работы. Дефектные участки в изделии изменяют тепловой поток. Поток инфракрасного излучения пропускают через изделие и регистрируют его распределение теплочувствительным приемником. Неоднородность строения материалов можно исследовать и методом ультрафиолетовой дефектоскопии.
Инфракрасная интроскопия дословно означает тепловое внутривидение и позволяет видеть внутреннюю структуру таких важных для радиоэлектроники материалов, как полупроводники. Наличие в полупроводниках мельчайших примесей резко ухудшает их свойства. Интроскопы позволяют точно контролировать монокристаллы полупроводников, находить нарушения структуры и микротрещины.
Магнитная дефектоскопия основана на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов, служит магнитный порошок (закись - окись железа) или его суспензия в масле с дисперсностью частиц 5-10 мкм. При намагничивании изделия порошок оседает в местах расположения дефектов (метод магнитного порошка). Методом магнитного порошка можно обнаружить трещины и другие-дефекты на глубине до 2 мм.
Чувствительность метода магнитной дефектоскопии зависит от хмагнитных характеристик-материалов, применяемых индикаторов, режимов намагничивания изделия и др.
Поле рассеяния можно фиксировать на магнитной ленте, которую накладывают на исследуемый участок, намагниченного изделия (магнитографический метод). Этим методом контролируют главным образом сварные швы трубопроводов толщиной до 10-12 мм и обнаруживают на них тонкие трещины и непровар.
Используют на практике малогабаритные датчики (феррозонды), которые при движении по изделию в месте дефекта указывают на изменение импульса тока, что регистрируется на экране осциллоскопа (феррозондовый метод). Феррозондовый метод наиболее целесообразен для обнаружения дефектов на глубине до 10 мм и в отдельных случаях до 20 мм в изделиях правильной формы. Этот метод позволяет полностью автоматизировать контроль и разбраковку.
Намагничивание изделий производится магнитными дефектоскопамш. создающими магнитные поля достаточной напряженности. После проведения контроля изделия тщательно размагничивают,
Методы магнитной дефектоскопии применяют для исследования структуры материалов (магнитная структурометрия) и измерения толщины (магнитная толщинометрия).
Магнитная структурометрия построена на определении основных магнитных характеристик материала (коэрцитивной силы, индукции, остаточной намагниченности, магнитной проницаемости). Эти характеристики, как правило, зависят от структурного состояния сплава, подвергаемого различной термической обработке. Магнитную структурометрию применяют для определения структурных составляющих сплава, находящихся в нем в небольшом количестве и по своим магнитным характеристикам значительно отличающихся от основы сплава, для измерения глубины цементации, поверхностной закалки и т.п.
Магнитная толщинометрия основана на измерении силы притяжения постоянного магнита или электромагнита к поверхности изделия из ферромагнитного материала, на которую нанесен слой немагнитного покрытия, и позволяет определить толщину этого покрытия.
Электроиндуктивная (токовихревая) дефектоскопия основана на возбуждении вихревых токов переменным магнитным толем датчика дефектоскопа. Вихревые токи создают свое поле, противоположное по знаку возбуждающему. В результате взаимодействия этих полей изменяется полное сопротивление катушки датчика, что и отмечает индикатор. Показания индикатора зависят от электропроводности и магнитной проницаемости металла, размеров изделия, а также от изменений электропроводности из-за структурных неоднородностей или нарушений сплошности металла. Датчики токовихревых Дефектоскопов изготовляют в виде катушек индуктивности, внутри которых помещают изделие (проходные датчики) или которые накладывают на изделие (накладные датчики).
Применение токовихревой дефектоскопии позволяет автоматизировать контроль качества проволоки, прутков, труб, профилей, движущихся в процессе их изготовления со значительными скоростями, вести непрерывное измерение размеров. Токовихревыми дефектоскопами можно контролировать качество термической обработки, оценивать загрязненность высокозлектропроводных металлов (меди, алюминия), определять глубину слоев химико-термической обработки с точностью до 3%, сортировать некоторые материалы по маркам, измерять электропроводность неферромагнитных материалов с точностью до 1%, обнаруживать поверхностные трещины глубиной в несколько микрон при протяженности их в несколько десятых долей миллиметра.
Термоэлектрическая дефектоскопия основана на измерении электродвижущей силы (термоэдс), возникающей в замкнутой цепи при нагреве места контакта двух разнородных материалов. Если один из этих материалов принять за эталон, то при заданной разности температур горячего и холодного контактов величина и знак термоэдс будут определяться химическим составом второго материала. Этот метод обычно применяют в тех случаях, когда требуется определить марку материала, из которого состоит полуфабрикат или элемент конструкции (в том числе готовой конструкции).
Трибоэлектрическая дефектоскопия основана на измерении электродвижущей силы, возникающей при трении разнородных материалов. Измеряя разность потенциалов между эталонными и испытуемыми материалами, можно различить марки некоторых сплавов.
Электростатическая дефектоскопия основана па использований электростатического поля, в которое помещают изделие. Для обнаружения поверхностных трещин в изделиях из неэлектропроводных материалов (фарфора, стекла, пластмасс), а также из металлов, покрытых теми же материалами, изделие опыляют тонким порошком мела из пульверизатора с эбонитовым наконечником (порошковый метод). При этом частицы мела получают положительный заряд, В результате неоднородности электростатического поля частицы мела скапливаются у краев трещин. Этот метод применяют также для контроля изделий из изоляционных материалов. Перед опылением их необходимо смочить ионогенной жидкостью.
Лекция N 10
Дефектоскопия – это область знаний, охватывающая теорию, методы и технические средства определения дефектов в материале контролируемых объектов, в частности в материале деталей машин и элементов металлоконструкций.
Дефектоскопия является составной частью диагностики технического состояния оборудования и его составных частей. Работы, связанные с выявлением дефектов в материале элементов оборудования, совмещаются с ремонтами и техническим обслуживаниями или выполняются самостоятельно в период технического осмотра.
Для выявления скрытых дефектов в конструкционных материалах используются различные методы неразрушающего контроля (дефектоскопии).
Известно, что дефекты в металле являются причиной изменения его физических характеристик: плотности, электропроводности, магнитной проницаемости, упругих и других свойств. Исследование этих характеристик и обнаружение с их помощью дефектов составляет физическую сущность методов неразрушающего контроля. Эти методы основаны на использовании проникающих излучений рентгеновских и гамма-лучей, магнитных и электромагнитных полей, колебаний, оптических спектров, явлений капиллярности и других.
Согласно ГОСТ 18353 методы неразрушающего контроля классифицируют по видам: акустические, магнитные, оптические, проникающими веществами, радиационные, радиоволновые, тепловые, электрические, электромагнитные. Каждый вид представляет собой условную группу методов, объединенных общностью физических характеристик.
Выбор вида дефектоскопии зависит от материала, конструкции и размеров деталей, характера выявляемых дефектов и условий дефектоскопии (в мастерских или на машине). Основными качественными показателями методов дефектоскопии являются чувствительность, разрешающая способность, достоверность результатов. Чувствительность – наименьшие размеры выявляемых дефектов; разрешающая способность – наименьшее расстояние между двумя соседними минимальными выявляемыми дефектами, измеряется в единицах длины или числом линий на 1 мм (мм -1). Достоверность результатов – вероятность пропуска дефектов или браковки годных деталей.
Акустические методы основаны на регистрации параметров упругих колебаний, возбужденных в исследуемом объекте. Эти методы широко применяются для контроля толщины деталей, оплошности (трещин, пористости, раковин и т. п.) и физико-механических свойств (зернистости, межкристаллитной коррозии, глубины закаленного слоя и др.) материала. Контроль выполняется на основании анализа характера распространения звуковых волн в материале детали (амплитуды, фазы, скорости, угла преломления, резонансных явлений). Метод пригоден для деталей, материал которых способен упруго сопротивляться деформациям сдвига (металлы, фарфор, оргстекло, некоторые пластмассы).
В зависимости от частоты акустические волны подразделяют на инфракрасные – с частотой до 20 Гц, звуковые (от 20 до 2∙10 4 Гц), ультразвуковые (от 2∙10 4 до 10 9 Гц) и гиперзвуковые (свыше 10 9 Гц). Ультразвуковые дефектоскопы работают с УЗК от 0,5 до 10 МГц.
К основным недостаткам ультразвуковых методов относятся необходимость достаточно высокой чистоты поверхности деталей и существенная зависимость качества контроля от квалификации оператора-дефектоскописта.
Магнитные методы основаны на регистрации магнитных полей рассеивания над дефектами или магнитных свойств контролируемого объекта. Их применяют для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов в деталях различной формы, изготовленных из ферромагнитных материалов.
При магнитопорошковом способе для обнаружения магнитного потока рассеивания используют магнитные порошки (сухой способ) или их суспензии (мокрый способ). Проявляющийся материал наносят на поверхность изделия. Под действием магнитного поля рассеивания частицы порошка концентрируются около дефекта. Форма его скоплений соответствует очертанию дефекта.
Сущность магнитографического метода заключается в намагничивании изделия при одновременной записи магнитного поля на магнитную ленту, которой покрывают деталь, и последующей расшифровке полученной информации.
Магнитные силовые линии результирующего поля направлены по винтовым линиям к поверхности изделия, что позволяет обнаруживать дефекты разной направленности.
После контроля все детали, кроме бракованных, размагничивают. Восстановление неразмагниченных деталей механической, обработкой может привести к повреждению рабочих поверхностей из-за притягивания стружки. Не следует размагничивать детали, подвергающиеся при восстановлении нагреву сварочно-наплавочными и другими способами до температуры 600…700 о С.
Степень размагниченности контролируют, осыпая детали стальным порошком. У хорошо размагниченных деталей порошок не должен удерживаться на поверхности. Для этих же целей применяют приборы, снабженные феррозондовыми полюсоискателями.
Для контроля деталей магнитопорошковым способом серийно выпускают стационарные, переносные и передвижные дефектоскопы. Последние включают в себя: источники тока, устройства для подвода тока, намагничивания деталей и для нанесения магнитного порошка или суспензии, электроизмерительную аппаратуру. Стационарные приборы характеризуются большой мощностью и производительностью. На них можно проводить все виды намагничивания.
Вихретоковые методы основаны на анализе взаимодействие внешнего электромагнитного поля с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых возбуждающей катушкой в электропроводящем объекте.
Методы вихревых токов позволяют обнаруживать поверхностные дефекты, в том числе под слоем металлических и неметаллических покрытий, контролировать размеры покрытий и деталей (диаметры шаров, труб, проволоки, толщину листов и др.), определять физико-механические свойства материалов (твердости, структуры, глубины азотирования и др.), измерять вибрации и перемещения деталей в процессе работы машины.
Дефектоскопия деталей радиационными методами основана на регистрации ослабления интенсивности радиоактивного излучения при прохождении через контролируемый, объект. Наиболее часто применяются рентгеновский и γ-контроль деталей и сварных швов. Промышленностью выпускаются как передвижные рентгеновские аппараты для работы в условиях мастерских, так и портативные для работы в полевых условиях. Регистрация результатов радиационного контроля осуществляется визуально (изображение на экранах, в том числе стереоскопическое изображение), в виде электрических сигналов, фиксацией на фотопленке или обычной бумаге (ксерорадиография).
Достоинства радиационных методов: высокое качество контроля, особенно литья, сварных швов, состояния закрытых полостей элементов машин; возможность документального подтверждения результатов контроля, не требующего дополнительной расшифровки. Существенными недостатками являются сложность аппаратуры и организации выполнения работ, связанной с обеспечением безопасного хранения и использования источников радиационного излучения.
Радиоволновые методы основаны на регистрации изменения электромагнитных колебаний, взаимодействующих с контролируемым объектом. На практике получили распространение сверхвысокочастотные (СВЧ) методы в диапазоне длин волн от 1 до 100 мм. Взаимодействие радиоволн с объектом оценивают по характеру поглощения, дифракции, отражения, преломления волны, интерференционным процессам, резонансным эффектам. Эти методы применяют для контроля качества и геометрических параметров изделий из пластмасс, стеклопластиков, термозащитных и теплоизоляционных материалов, а также для измерения вибрации.
Тепловые методы. В тепловых методах в качестве диагностируемого параметра используется тепловая энергия, распространяющаяся в объекте, излучаемая объектом, поглощаемая объектом. Температурное поле поверхности объекта является источником информации об особенностях процессов теплопередачи, которые, в свою очередь, зависят от наличия внутренних и наружных дефектов, охлаждения объекта или его части в результате истечения среды и т.п.
Контроль температурного поля осуществляют с помощью термометров, термоиндикаторов, пирометров, радиометров, инфракрасных микроскопов, тепловизоров и других средств.
Оптические методы. Оптический неразрушающий контроль основан на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом. Для получения информации используют явления интерференции, дифракции, поляризации, преломления, отражения, поглощения, рассеивания света, а также изменение характеристик самого объекта исследования в результате эффектов фотопроводимости, люминесценции, фотоупругости и других.
К числу дефектов, обнаруживаемых оптическими методами, относятся нарушения сплошности, расслоения, поры, трещины, включения инородных тел, изменения структуры материалов, коррозионные раковины, отклонение геометрической формы от заданной, а также внутренние напряжения в материале.
Визуальная энтроскопия позволяет обнаружить дефекты на поверхностях объекта. Энтроскопы (видеобороскопы) для внутреннего обследования труднодоступных мест объекта включают в себя зонд из стекловолокна, с помощью которого исследователь может проникать вовнутрь объекта, и экран визуального наблюдения поверхности, а также принтер для видеозаписи исследуемой поверхности объекта. Применение оптических квантовых генераторов (лазеров) позволяет расширить границы традиционных оптических методов контроля и создать принципиально новые методы оптического контроля: голографические, акустооптические.
Капиллярный метод дефектоскопии основан на капиллярном проникновении индикаторных жидкостей в полости поверхностных и сквозных несплошностей объекта, и регистрации образующихся индикаторных следов визуально или с помощью преобразователя (датчика).
Капиллярные методы применяют для обнаружения дефектов в деталях простой и сложной формы. Эти методы позволяют обнаруживать дефекты производственно-технологического и эксплуатационного происхождения: трещины шлифовочные, термические, усталостные, волосовины, закаты и др. В качестве проникающих веществ используют керосин, цветные, люминесцентные и радиоактивные жидкости, а также применяют метод избирательно фильтрующихся частиц.
При использовании цветных жидкостей индикаторный рисунок получается цветным, обычно красным, который хорошо выделяется на белом фоне проявителя – цветная дефектоскопия. При использовании люминесцирующих жидкостей индикаторный рисунок становятся хорошо видимым под воздействием ультрафиолетовых лучей – люминесцентный метод. Контроль характера индикаторных рисунков осуществляется визуально-оптическим методом. При этом линии рисунка обнаруживаются сравнительно легко, так как они в десятки раз шире и контрастнее, чем дефекты.
Простейшим примером капиллярной дефектоскопии является керосиновая проба. Проникающей жидкостью служит керосин. Проявитель – мел в виде сухого порошка или водной суспензии. Керосин, просачиваясь в слой мела, вызывает его потемнение, которое обнаруживается при дневном свете.
Достоинствами капиллярной дефектоскопии являются универсальность в отношении формы, и материалов деталей, хорошая наглядность результатов, простота и низкая стоимость материалов, высокая достоверность и хорошая чувствительность. В частности, минимальные размеры обнаруживаемых трещин составляют: ширина 0,001 – 0,002 мм, глубина 0,01 – 0,03 мм. Недостатки: возможность обнаружения только поверхностных дефектов, большая длительность процесса (0,5 м – 1,5 ч) и трудоемкость (необходимость тщательной очистки), токсичность некоторых проникающих жидкостей, недостаточная надежность при отрицательных температурах.
Трещины в деталях можно обнаруживать с помощью керосиновой пробы.
Керосин обладает хорошей смачивающей способностью, глубоко проникает в сквозные дефекты диаметром более 0,1 мм. При контроле качества сварных швов на одну из поверхностей изделия наносят керосин, а на противоположную – адсорбирующее покрытие (350...450 г суспензии молотого мела на 1 л воды). Наличие сквозной трещины определяют по желтым пятнам керосина на меловой обмазке.
Для выявления сквозных пор и трещин широко используются гидравлический и пневматический методы испытаний.
При гидравлическом методе внутреннюю полость изделия заполняют рабочей жидкостью (водой), герметизируют, создают насосом избыточное давление и выдерживают деталь некоторое время. Наличие дефекта устанавливают визуально по появлению капель воды или отпотеванию наружной поверхности.
Пневматический метод нахождения сквозных дефектов более чувствителен, чем гидравлический, так как воздух легче проходит через дефект, чем жидкость. Во внутреннюю полость деталей закачивают сжатый воздух, а наружную поверхность покрывают мыльным раствором или погружают деталь в воду. О наличии дефекта судят по выделению пузырьков воздуха. Давление воздуха, закачиваемого во внутренние полости, зависит от конструктивных особенностей деталей и обычно равно 0,05 – 0,1 МПа.
Методы неразрушающего контроля не являются универсальными. Каждый из них может быть использован наиболее эффективно для обнаружения определенных дефектов. Выбор метода неразрушающего контроля определяется конкретными требованиями практики и зависит от материала, конструкции исследуемого объекта, состояния его поверхности, характеристики дефектов, подлежащих обнаружению, условий работы объекта, условий контроля и технико-экономических показателей.
Поверхностные и подповерхностные дефекты в ферромагнитных сталях обнаруживают намагничиванием детали и фиксацией при этом поля рассеивания с помощью магнитных методов. Те же дефекты в изделиях, изготовленных из немагнитных сплавов, например, жapoпpoчныx, нержавеющих, нельзя выявить магнитными методами. В этом случае применяют, например, электромагнитный метод. Однако и этот метод непригоден для изделий из пластмасс. В этом случае оказывается эффективным капиллярный метод. Ультразвуковой метод малоэффективен при выявлении внутренних дефектов в литых конструкциях и сплавах с высокой степенью анизотропии. Такие конструкции контролируют с помощью рентгеновских или гамма лучей.
Конструкция (форма и размеры) деталей также обусловливает вы-
бор метода контроля. Если для контроля объекта простой формы можно применить почти все методы, то для контроля объектов сложной формы применение методов ограничено. Объекты, имеющие большое количество выточек, канавок, уступов, геометрических переходов, трудно контролировать такими методами, как магнитный, ультразвуковой, радиационный. Крупногабаритные объекты контролируют по частям, определяя зоны наиболее опасных участков.
Состояние поверхности изделия, под которым подразумевают ее шероховатость и наличие на ней защитных покрытий и загрязнений существенно влияет на выбор метода и подготовку поверхности к исследованиям. Грубая шероховатая поверхность исключает применение капиллярных методов, метода вихревых токов, магнитных и ультразвуковых методов в контактном варианте. Малая шероховатость расширяет возможности методов дефетоскопии. Ультразвуковой и капиллярный методы применяют при шероховатости поверхности не более 2,5 мкм, магнитный и вихретоковый – не более 10 мкм. Защитные покрытия не позволяют применять оптические, магнитные и капиллярные методы. Эти методы можно применять только после удаления покрытия. Если такое удаление невозможно, применяют радиационные, и ультразвуковые методы. Электромагнитным методом обнаруживают трещины на деталях, имеющих лакокрасочные и другие неметаллические покрытия толщиной до 0,5 мм и неметаллические немагнитные покрытия до 0,2 мм.
Дефекты имеют различное происхождение и отличаются по виду, размерам, месту расположения, ориентации относительно волокна металла. При выборе метода контроля следует изучить характер возможных дефектов. По расположению дефекты могут быть внутренними, залегающими на глубине более 1 мм, подповерхностными (на глубине до 1 мм) и поверхностными. Для обнаружения внутренних дефектов в стальных изделиях используют чаще радиационный и ультразвуковые методы. Если изделия имеют сравнительно небольшую толщину, a дефекты, подлежащие выявлению, достаточно большие размеры, то лучше пользоваться радиационными методами. Если толщина изделия в направлении просвечивания больше 100-150 мм или требуется обнаружить в нем внутренние дефекты в виде трещин или тонких расслоений, то применять радиационные методы нецелесообразно, так как лучи не приникают на такую глубину и их направление перпендикулярно направлению трещин. В таком случае наиболее приемлем ультразвуковой контроль.
Дефектоскоп – это электронное устройство, предназначенное для обнаружения скрытых дефектов в твердых изделиях. Прибор позволяет диагностировать отклонения от нормы без создания нагрузки или разрушения изучаемого объекта. С его помощью можно оценить однородность структуры изделия, наличие на его поверхности послаблений в результате коррозии, отклонения химического состава или наличие микротрещин.
Где используется дефектоскоп
Дефектоскопы используются в машиностроении и строительстве. С их помощью проверяются различные узлы и агрегаты, а также заготовки. Эти приборы являются незаменимыми в нефтегазовой промышленности и энергетике. С их помощью проверяются трубы и цистерны на наличие слабых стенок. Данное оборудование позволяет выявлять брак, что исключает его применение на строительстве ответственных объектов. С помощью дефектоскопов можно контролировать надежность сварных швов, слоя клея или плотность пайки.
Это оборудование производится в переносном и стационарном варианте. Отдельные модели позволяют ввести сканирование даже тех объектов, которые двигаются на высокой скорости. Такие приборы применяются для проверки труб, которые протягиваются через область сканирования. Также существуют большие дефектоскопы, передвигаемые на вагонетке по рельсам. Эти приборы используются в строительстве и промышленном производстве, в частности самолетов и кораблей. Существует масса видов дефектоскопов адаптированных под определенные условия эксплуатации. В металоперерабатывающей промышленности применяются устройства, которые могут выявлять дефекты в разогретых металлических заготовках.
Конструкции дефектоскопов
Для обеспечения работы дефектоскопа используются различные физические явления, природа которых существенно отличаются друг от друга. В связи с этим существует масса конструктивных особенностей этих приборов.
Среди самых распространенных дефектоскопов, которые массово производятся, можно выделить:
- Акустические.
- Магнитопорошковые.
- Вихретоковые.
- Феррозондовые.
- Электроискровые.
- Термоэлектрические.
- Радиационные.
- Инфракрасные.
- Радиоволновые.
- Электронно-оптические.
- Капиллярные.
Каждый из этих типов оборудования обладает своими сильными сторонами и слабостями. В связи с этим они могут подходить идеально для одних целей, но быть непригодными для других. Чтобы сделать правильный выбор дефектоскопа, важно предварительно разобраться с принципом действия каждой разновидности.
Акустический дефектоскоп
Также называется импульсным или ультразвуковым. Он работает по принципу эха. На изделие, которое тестируется, направляется короткий ультразвуковой импульс, после чего его колебания регистрируются. В результате на экран выводится карта дефектов. Этот прибор является одним из самых востребованных. Он дает вполне четкую картину тех дефектов, которые скрыты на поверхности. К достоинствам подобного оборудования можно отнести то, что оно работает с разными материалами. Существует масса подвидов акустических дефектоскопов, которые также работают от ультразвуковой волны.
Магнитопорошковый дефектоскоп
Применяется для контроля деталей различных форм. С его помощью можно сканировать сварные швы и углубления, получаемые при сверлении. Важный недостаток метода заключается в том, что он позволяет проверять только поверхностные отклонения. Он не сможет определить внутренние проблемы, если они не имеют внешнего выхода. Для обеспечения сканирования деталей применяется специальный порошок, который рассредоточивается по поверхности объекта и заполняет имеющиеся в нем неровности и трещины. После этого проводится сканирование магнитного поля, что позволяет находить место наибольшего скопления порошка. Это позволяет создавать карту дефектов, поскольку порошок не задерживается на нормальных гладких поверхностях, а забивается в неровности
Недостаток данного метода заключается в том, что для него необходимо покупать магнитный порошок. Он является расходным материалом, поэтому быстро заканчивается и высыпает в роли грязи, которую нужно периодически собирать.
Вихретоковые дефектоскопы
Действуют по физическому принципу вихревых токов. Данный аппарат возбуждает вихревые токи в зоне тестирования, после чего анализирует состояние объекта по их поведению. Данный метод является одним из самых неточных. Глубина контроля трещины составляет до 2 мм. В связи с этим получить объективную картину действительного состояние измеряемой поверхности сложно.
Феррозондовый дефектоскоп
Вырабатывает импульсы тока, которые посылаются на изучаемую поверхность. По их поведению происходит анализ имеющихся дефектов. Данное оборудование является довольно чувствительным и может выявлять неровности с глубиной от 0,1 мм. Данным оборудованием осуществляется контроль качества литых деталей, металлопроката и сварочных соединений.
Электроискровые дефектоскопы
Создают электрический разряд между своим чувствительным щупом и изучаемой поверхностью. Щуп представляет собой пучок электродов, что увеличивает площадь изучения. Разряды пробиваются через воздушный промежуток между поверхностями. В результате осуществляется создание карты изучаемого объекта с отмеченными повреждениями. Для обследования таким методом необходимо чтобы объект изучения был изготовлен из токопроводящего материала.
Термоэлектрический дефектоскоп
Работает по физическому принципу электродвижущей силы, которая возникает при нагреве участка контакта между двумя различными материалами. Данное оборудование является одним из самых дорогостоящих, поскольку требует использование высококачественных материалов, которые позволяют фиксировать минимальные изменения температуры между эталоном и изучаемой поверхностью.
Радиационные
Осуществляют облучение объектов рентгеновскими лучами и нейтронами. Они работают по такому же принципу что и применяемый в медицине рентген аппарат. В результате получается радиографический снимок или светлое изображение на экране прибора. Данное оборудование является небезопасным для оператора, поскольку рентгеновские лучи неблагоприятно влияют на здоровье. Прибор позволяет проводить действительно глубокое изучение объектов, но может применяться далеко не на всех материалах.
Инфракрасные
Отправляют тепловые лучи, которые отбиваются от поверхности объекта и позволяют анализировать отклонение от нормы. На экране прибора просматривается тепловая карта, где участки с дефектами имеют измененные цвета. Данное оборудование позволяет выявлять дефекты, но не дает точной картины об их характеристиках. Тяжело определиться с глубиной трещин, поскольку рассматриваются только очертания нарушенных участков.
Радиоволновые
Генерируют радиоволны, которые направляются на предмет изучения. Потому как они отбиваются от предмета, можно определить не только трещины или утолщение, но и диаметр и даже толщину изоляционного покрытия. Подобное оборудование применяется для работы с металлами и другими материалами.
Электронно-оптические
Применяются для контроля объектов, которые находятся под высоким напряжением. Ими пользуются электромонтажники. Подобное оборудование позволяет не только выявить места перелома проводов, но и качество работы изоляции.
Капиллярное дефектоскопирование
Подразумевают покрытие изучаемой поверхности специальным индикаторным веществом, которое заполняет имеющиеся микротрещины. В тех местах, где толщина вещества больше, его цвет более насыщенный в сравнении с ровными участками. По этим цветам визуально определяются углубления. Этот метод подразумевает использование не электронного прибора, а только индикаторное вещество и лупу или микроскоп.
Критерии выбора
Выбирая дефектоскоп, следует обратить внимание на некоторые характеристики, которые являются ключевыми. В первую очередь нужно ориентироваться по диапазону измерения. Разные модели отличается чувствительностью. Самое точное устройство способно выявлять дефект, глубина которого составляет всего 1 мкм. Для определенных целей такая чувствительность действительно нужна, но для прочих является излишней. К примеру, если необходимо найти микротрещины на коленвале или других вращающихся деталях, то лучше использовать точное оборудование. Если же нужно проанализировать состояние металлического каркаса в строительстве, то подобные микротрещины не столь важны. Учитывая толщину тела арматуры или балок, маленький дефект глубиной 1 мкм никак не сможет стать причиной того, что металл лопнет, особенно если он используется в тех целях, для которых предназначен.
Также выбирая дефектоскоп, следует ориентироваться по тому, для каких материалов оно предназначено. Одни модели могут работать только с металлами, в то время как другие являются универсальными. Также по отношению к дефектоскопам важным понятием является производительность. Она показывает скорость сканирования. Чем она выше, тем быстрее можно оценить состояние объекта. Если ориентироваться по данному показателю, то безусловными лидерами являются вихретоковое и феррозондовое оборудование. Если использовать магнитопорошковый прибор, то продолжительность диагностики займет много времени, к тому же возникнет необходимость растирать порошок.
Рассматривая дефектоскопы, стоит в первую очередь отдать предпочтения ультразвуковым приборам. Они не несут вреда для оператора как радиационные, при этом дают вполне достаточное представление об имеющихся дефектах и целесообразности отправки детали в выбраковку.
Методы с использованием проникающих сред.
Это - методы для контроля герметичности соединений в резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и других подобных сооружениях. Различают методы течеискания и капиллярный.
Методы течеискания.
1. Испытание водой. Ёмкость наполняют водой до отметки, несколько превышающей эксплуатационную, и контролируют состояние швов. В закрытых сосудах давление жидкости можно повысить дополнительным нагнетанием воды или воздуха. Состояние шва можно также проверить сильной струей воды из брандбойта под давлением 1 ат, направленной нормально к поверхности шва.
2. Проба керосином. Благодаря малой вязкости и незначительному по сравнению с водой поверхностному натяжению керосин легко проникает через самые малые поры. Если поверхность шва с одной стороны обильно смочить керосином, а противоположную сторону заранее побелить водным раствором мела, то при наличии дефекта на светлом фоне проявятся характернвые ржавые пятна.
3. Проба сжатым воздухом. Шов с одной стороны обмазывают мыльной водой, а с противоположной обдувают сжатым воздухом под давлением 4 ат.
4. Проба вакуумом. Шов с одной стороны обмазывают мыльной водой. Затем к шву с этой же стороны приставляется металлическая кассета в виде плоской коробки без дна, но окаймленной снизу резиновой прокладкой, с прозрачным верхом. Вакуум-насосом в кассете создается небольшое разряжение.
Капиллярный метод.
На конструкцию наносят специальную жидкость (индикаторный пенетрант), которая под действием капиллярных сил заполняет полости поверхностных дефектов. Затем жидкость удаляют с поверхности конструкции. Если в жидкости был порошок, то он отфильтруется и скопится в дефектах; при использовании жидкости без порошка на конструкцию после удаления жидкости наносится проявитель - мел (в виде порошка или водной суспензии), который реагирует с жидкостью в дефектах и образует индикаторный рисунок высокой цветовой контрастности. При применении реактивов образуются даже рисунки, способные люминисцировать в ультрафиолетовых лучах и при дневном свете.
Акустические методы.
Ультразвуковой метод.
Контроль дефектов производится с помощью сквозного прозвучивания объекта. На участках без дефектов скорость ультразвуковой волны не падает, а на участке с дефектами, содержащими воздух, волна полностью затухает или скорость её заметно уменьшается.
Контроль качества сварных швов стыковых соединенийпроизводится следующим образом. Для обнаружения шлаковых включений, раковин, газовых пор, трещин, непроваров чаще всего применяют эхо-метод, когда источник и приёмник волн совмещены в одном преобразователе (поочередно происходит пуск волны и её приём). Преобразователь - призматический, позволяющий пускать и принимать волну под углом к вертикали. Перемещают преобразователь зигзагообразно вдоль сварного шва. Отражение волны от противоположной грани соединенных сваркой конструктивных элементов (скорость волны, на прямом и обратном пути которой, возможно, встретился дефект) сравнивают с эталонными отражениями (скоростями), полученными на предварительно сваренных эталонных фрагментах соединений с искусственно сделанными дефектами.
Метод акустической эмиссии основан на регистрации акустических волн в металле при его пластическом деформировании.
Регистрируя скорость движения волн, можно обнаружить накопление опасных разрушений (зоны концентрации напряжений) в процессе нагружения конструкций и их эксплуатации. Специальная аппаратура «слышит» треск металла.
Методы с использованием ионизирующих излучений.
Радиографический метод с использованиемрентгеновского или -излучения:
При просвечивании дефект спроецируется на пленку в виде затемненного пятна, по которому можно определить положение дефекта в плане и его величину в направлении, перпендикулярном направлению просвечивания. О величине дефекта в направлении просвечивания судят, сравнивая интенсивность затемнения пятна с интенсивностями затемнений, получившихся на фотопленке от прорезей разной глубины на эталоне чувствительности. Глубину залегания дефекта определяют смещением источника излучения параллельно пленке и пуском потока под новым углом к ней, как это уже описано для бетонных конструкций.
Пуск потока под новым углом преследует еще одну цель: выявить дефекты, вытянутые перпендикулярно первоначальному направлению потока, пересекаемые им по меньшему протяжению и вследствие этого оставшиеся «незамеченными».
Магнитные, электрические и электромагнитные методы.
Магнитные методы основаны на регистрации полей рассеяния над дефектами или на определении магнитных свойств контролируемых изделий. Различают методы: магнитопорошковый, магнитографический, феррозондовый, преобразователя Холла, индукционный и пондеромоторный.
Магнитопорошковый метод. Любая ферромагнитная деталь состоит из очень маленьких самопроизвольно намагниченных областей - доменов. В размагниченном состоянии магнитные поля доменов направлены произвольно и компенсируют друг друга, суммарное магнитное поле доменов равно нулю. Если деталь помещается в намагничивающее поле, то под его влиянием поля отдельных доменов устанавливаются по направлению внешнего поля, образуется результирующее магнитное поле доменов, деталь намагничивается.
Магнитный поток в бездефектной зоне распространяется прямолинейно по направлению результирующего магнитного поля. Если же магнитный поток наталкивается на открытый или скрытый дефект (прослойку воздуха или неферромагнитное включение), то он встречает большое магнитное сопротивление (участок с пониженной магнитной проницаемостью), линии магнитного потока искривляются и часть их выходит на поверхность конструкции. Там, где они выходят из конструкции и входят в неё, возникают местные полюса N, S и магнитное поле над дефектом.
Если намагничивающее поле снять, местные полюса и магнитное поле над дефектом всё равно останутся.
Наибольший возмущающий эффект и наибольшее местное магнитное поле вызовет дефект, ориентированный перпендикулярно направлению линий магнитного потока. Если через исследуемую конструкцию пропустить ток одновременно постоянный и переменный, это позволит создать переменное направление намагничивания и выявить различно ориентированные дефекты.
Для регистрации местных магнитных полей над дефектами применяют мелкоразмолотый железный сурик, окалину и т.п., выбирая цвет порошка контрастным по отношению к цвету предварительно зачищенной поверхности конструкции; порошок наносят сухим (напыление) или в виде суспензии - водной (что предпочтительнее для строительных конструкций) или керосино-масляной. Вследствие намагничивания и притягивания друг к другу частиц порошка, над дефектами он оседает в виде заметных скоплений.
Для регистрации местных магнитных полей (дефектов) в сварных швах используют магнитографический метод. Намагничивание производят соленоидом, витки которого располагают параллельно шву по обеим его сторонам; на шов накладывается магнитная лента (аналогичная применяемой в звукозаписи, но несколько большей ширины). Местное магнитное поле запишется на ленте. Прослушивают запись на звуковом индикаторе.
Феррозондовый метод основан на преобразовании напряженности магнитного поля в электрический сигнал. Перемещая два зонда по поверхности конструкции после её размагничивания, выискивают местные магнитные поля над дефектами; возникающая в этих местах электродвижущая сила зафиксируется прибором.
Эффект Холла заключается в том, что если прямоугольную пластину из полупроводника (германия, антимонита, арсенида индия) поместить в магнитное поле перпендикулярно вектору напряженности и пропустить по ней ток в направлении от одной грани к другой противоположной, то на двух других гранях возникнет электродвижущая сила, пропорциональная напряженности магнитного поля. Размеры пластины 0,7х0,7 мм, толщина 1 мм. Местные магнитные поля над дефектами выискивают, перемещая прибор по конструкции после её размагничивания.
Индукционный метод. Выискивание местных магнитных полей над дефектами в сварных швахпроизводится с помощью катушки с сердечником, которая питается переменным током и является элементом мостовой схемы. Возникающая над дефектом электродвижущая сила усиливается и преобразуется в звуковой сигнал или подаётся на самопишущий прибор или осциллограф.
Пондеромоторный метод. Через рамку прибора протекает электрический ток, образуя магнитное поле вокруг себя. Прибор устанавливают на железнодорожный рельс, подвергаемый намагничиванию внешним магнитным полем. Магнитные поля взаимодействуют друг с другом, рамка поворачивается и занимает какое-то положение. При перемещении по рельсу и обнаружении потока рассеяния над дефектом, рамка меняет первоначальное положение.