Магнитные методы контроля

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Магнитные методы контроля

Для обнаружения в изделиях из ферромагнитных материалов различных дефектов: нарушений сплошности, отклонений от правильных геометрических размеров, несоответствия структурного состояния заданным техническим условиям, а также для физического анализа при исследованиях фазовых превращений в сплавах -- часто применяются магнитные методы. Магнитные методы контроля основаны на измерении различных магнитных характеристик, являющихся достаточно чувствительными индикаторами для обнаружения упомянутых выше дефектов. Магнитные методы являются высокопроизводительными, не требуют нарушения целостности изделия, и с успехом применяются в промышленной и научно-исследовательской практике для контроля качества ответственной продукции, эффективно заменяя контроль по механическим свойствам или проверку химического состава и т. п., которые часто требуют разрушения изделий. Важнейшими методами магнитного контроля являются магнитная дефектоскопия, магнитная толщеметрия и магнитоструктурный анализ /1, c202/.

1.1 Магнитная дефектоскопия

Основы метода. В намагниченном изделии магнитный поток, встречая препятствия с малой магнитной проницаемостью (трещины, неметаллические включения), рассеивается, и если упомянутые препятствия (дефекты) расположены неглубоко, то на поверхности изделия в месте выхода силовых линий создается магнитная поляризация, которая может быть обнаружена специальными магнитными индикаторами (например, частицы ферромагнитных веществ и, в частности, окислы железа). Наиболее интенсивное рассеивание силовых линий происходит при направлении магнитного потока перпендикулярно направлению дефекта, что необходимо учитывать при намагничивании изделия. В зависимости от магнитных свойств материала контролируемого изделия применяются два метода контроля.

А. Контроль на остаточной намагниченности заключается в том, что подлежащие контролю деталь предварительно намагничивают и уже после прекращения действия намагничивающего поля поливают магнитной суспензией, т. е. взвесью ферромагнитных частиц в жидкости. Этот метод применяется для контроля деталей из большинства конструкционных и инструментальных сталей после закалки или закалки и отпуска. Б. Контроль в приложенном магнитном поле заключается в том, что поливка магнитной суспензией производится во время намагничивания. Этот метод применяется для контроля деталей из материалов, имеющих коэрцитивную силу менее 10 (малоуглеродистые стали, конструкционные стали после отжига), а также в рядя случаев для контроля деталей сложной формы изначительных сечений.

Феррозондовый метод был разработан и начал широко применяться сравнительно недавно. Метод хорош тем, что он открывает возможности автоматизации контроля. Сущность метода заключается в том, что локальное поле рассеяния магнитного потока, протекающего по изделию и возникающего вследствие появления на его пути какого-либо дефекта (трещины, расслоения, раковины), регистрируется феррозондовым датчиком.

Феррозонды представляют собой пермаллоевые или ферритовые сердечники длиной 2--6 мм с двумя обмотками. Первая обмотка -- возбуждающая, питается переменным током от специального генератора, вторая -- измерительная, несет информацию о наличии и изменениях во внешних магнитных полях. Обмотки возбуждения включены так, что в каждый данный момент магнитные потоки в двух полузондах направлены в одну сторону.

Методика контроля сводится к тому, что изделие намагничивается до насыщения (или находится в приложенном поле) и по его поверхности сканируется датчик феррозондового прибора. Учитывая чрезвычайно высокую чувствительность феррозондов (можно измерить поле 800 ма/м или 10-6 э), этим методом можно выявлять мельчайшие дефекты, способные создать поле рассеяния.

Изготовив несложное приспособление, обеспечивающее перемещение датчика по поверхности детали (с учетом формы и размеров контролируемого объекта), можно наладить автоматический или полуавтоматический контроль деталей на наличие трещин с помощью нашедшего широкое применение ферро-зондового полюсоискателя типа ФП-1 (ФП-1У) /2, c 92/.

В магнитографическом методе для индикации полей рассеяния используют магнитную ленту (аналогичную ленте, применяющейся для магнитофонной записи). Методика контроля состоит в следующем. Намагничивают контролируемый участок сварного шва или детали, затем к этому участку плотно прижимают магнитную ленту той ее стороной, на которой находится магнитный слой. После выдержки в течение 30--40 сек. Ленту аккуратно снимают с контролируемого участка. Экспонированную таким образом пленку помещают в лентопротяжный механизм блока воспроизведения, где она передвигается относительно чувствительной головки, читающей зоны магнитного возмущения, которые вызывают соответствующие импульсы на экране осциллоскопа. Для контроля сварных швов использовал магнитную ленту на ацетатной основе с толщиной магнитного слоя 20--25 мкм. Ленту можно использовать многократно (все зависит от ее механической прочности) благодаря возможности стирать полученную магнитную картину перед повторным ее использованием.

Магнитный порошковый метод неразрушающего контроля начали использовать в двадцатых годах. В настоящее время это один из наиболее изученных и практически освоенных методов неразрушающего контроля. Он достаточно прост по своей методике.

Если намагнитить стальной образец с постоянным сечением, то в нем образуется постоянный и равнозначный по всей длине образца пучок магнитных силовых линий. Встретив на своем пути какое-либо препятствие в виде трещины или инородного включения, часть магнитных силовых линий выходит на поверхность, образуя вокруг этого включения поле рассеяния. Индикаторами поля рассеяния в данном случае служат магнитные порошки или суспензии /2, c95/.

Контроль состоит из трех этапов:

1). намагничивание исследуемого объекта;

2). нанесение индикаторной среды и регистрация имеющихся на его поверхности дефектов;

3). размагничивание объекта.

Чувствительность метода зависит от качества намагничивания и свойств дисперсной среды суспензии -- величины и формы частиц ферромагнитного порошка, а также его магнитных свойств.

С помощью магнитного порошкового метода контроля можно выявлять поверхностные дефекты в виде трещин с шириной раскрытия 0,001--0,03 и глубиной 0,01--0,04 мм.

Магнитно-люминесцентный метод. Для выявления дефектов в ферромагнитных материалах с темной поверхностью иногда необходимо использовать магнитно-люминесцентный метод. С его помощью можно обнаружить тонкие, невидимые невооруженным глазом трещины различного происхождения. От обычного магнитного порошкового метода этот способ отличается применением светящегося магнитного порошка. Свечение его в ультрафиолетовых лучах обусловлено присутствием в нем люминофора, адсорбированного на частицах. Дефекты обнаруживаются по яркому свечению порошка, оседающего над ними в ультрафиолетовых лучах.

Способы намагничивания. Намагничивание деталей осуществляется следующими способами:

а) в поле постоянного или переменного тока большой силы, пропускаемого через деталь (рис. 1, А) или через медный проводник (стержень), вставленный внутрь пустотелой детали (рис. 1, А); при этом деталь намагничивается циркулярным потоком магнитных силовых линий, расположенных в плоскости, перпендикулярной направлению тока, и имеющих вид замкнутых контуров (рис. 2, а);

б) полем соленоида (рис. 1, Б') при этом достигается продольное или поперечное намагничивание;

в) полем электромагнита -- продольное или поперечное намагничивание (рис. 1, Б).

Возможно также комбинированное намагничивание (рис. 1, В и В') путем одновременного воздействия продольного и поперечного или циркулярного и поперечного намагничивающего поля.

Циркулярное намагничивание имеет существенное преимущество благодаря отсутствию полюсности на концах детали, что позволяет контролировать также и эти концы /1, c 202-203/.

Рис. 1. Схемы намагничивания:

А, А' -- циркулярное: Б, Б' -- полюсное; В, В' -- комбинированное

Аппаратура для намагничивания.

Для циркулярного намагничивания необходимо иметь: а) источник постоянного или переменного тока низкого напряжения (4--12 в) и большой силы (до7000 а и более) и б) контактное устройство для подвода тока к детали.

Источником постоянного тока могут служить аккумуляторы, умформеры, выпрямители соответствующей мощности.

Для получения переменного тока требуемой характеристики обычно применяется понижающий трансформатор, являющийся более компактным устройством, чем соответствующий источник постоянного тока Такой трансформатор мощностью 65 ква с автотрансформатором для плавной регулировки силы тока от 0 до 7000 а вмонтирован в дефектоскоп МД-7. Дефектоскоп этого типа относится к простейшему типу и предназначен для присоединения к различным контактным устройствам. В других конструкциях предусматривается контактное устройство, а в комбинированных дефектоскопах, кроме того, и соленоиды для полюсного намагничивания, размагничивания, а также для контроля в приложенном поле. Таким комбинированным является дефектоскоп МД-8 /1, c 203/.

Магнитный порошок и суспензия. Магнитный порошок представляет собой магнитную закись -- окись железа (Fез04), измельченную до величины частиц порядка 5--10 м.

Размагничивание. После магнитного контроля обязательно производится размагничивание путем внесения детали в переменное магнитное поле при постепенном уменьшении напряженности последнего до нуля или продвижением детали через соленоид, питаемый переменным током, или, наконец, путем плавного снижения силы тока, протекающего через деталь. Особо крупные изделия размагничиваются, например, «проглаживанием» плоской спиралью, питаемой переменным током большой силы от дефектоскопа. Операция размагничивания необходима и должна производиться очень тщательно, так как постановка намагниченной детали в конструкцию может привести к серьезным неполадкам (особенно в трущихся частях, а также в сложных конструкциях, оснащенных измерительными приборами) /1, c 205/.

Чувствительность метода в случае контроля конструкционной стали после закалки и отпуска характеризуется следующими размерами и расположением дефектов:

а) крупные, вытянутые вглубь металла дефекты -- непровары, трещины с большой высотой (3--4 мм) и малой шириной(0,01--0,2 мм) четко выявляются при глубине залегания от поверхности до 2,5 мм при контроле в приложенном постоянном поле электромагнита, до 1,5 мм при контроле в приложенном поле переменного тока и до 1 мм в случае контроля на остаточной намагниченности;

б) волосовины шириной 0,04--0,3 мм, высотой 0,05--0,7 мм обнаруживаются соответственно на глубине до 1; 0,5 и 0,3 мм.

Область применения метода магнитного порошка. Метод с успехом применяется для выявления волосовин, крупных шлаковых включений, флокенов, закатов, заковов, расслоев, трещин (закалочных, ковочных, штамповочных, сварочных, шлифовочных, усталостных) и непроваров (в стыко-кромочных соединениях), за-легающим неглубоко от поверхности детали. Контроль может быть проведен на деталях, покрытых тонкими слоями защитных (немагнитных) покрытий лака, краски, хрома, кадмия, цинка.

1.2 Магнитный отрывной метод измерения толщины покрытий

Магнитным методом может быть измерена толщина немагнитных (хром, медь, цинк, кадмий, лаки, краски) или сравнительно слабомагнитных (никель) покрытий на ферромагнитных стальных деталях.

Основы магнитного отрывного метода. Метод основан на измерении силы притяжения или, вернее, силы. необходимой для отрыва постоянного магнитика от поверхности испытуемой детали и убывающей с увеличением толщины покрытия.

Приборы и методика работы. Многие из описанных в литературе магнитных толщемеров, являющихся, в сущности, динамометрами из-за недостаточно рациональной конструкции работают неустойчиво, дают значительный разброс показаний при изменении таких факторов, как, например, кривизна поверхности изделия, и не являются универсальными.

Значительно более совершенна конструкция магнитного толщемера МТ-2, серийно выпускаемого нашей промышленностью. Отличительной особенностью этого прибора является его большая универсальность при сохранении высокой точности (до3-5%).

В приборе магнит укрепляется на конце длинного рычага либо на специальной подвеске. К короткому плечу рычага присоединена силоизмерительная пружина. Для измерения толщины покрытия магнит приводится в соприкосновение с поверхностью изделия и притягивается к ней. Далее, вращение рукояти микрометрического винта пружина растягивается, и в момент отрыва магнита фиксируется величина этого растяжения пружины по шкале микрометрического винта. С помощью специальных градуировочных графиков эти показания микрометрического винта переводятся в толщину покрытия. Универсальность прибора достигается применением специальных насадочных приспособлений, дающих возможность измерять покрытия не только на наружных, но и на внутренних поверхностях деталей. Толщемер позволяет проводить измерения на внутренних боковых поверхностях цилиндрических отверстий, удаляясь от края на глубину до220 мм и на дне несквозных отверстий, расположенных на глубине до 130 мм. Прибор снабжен двумя магнитами, что дает возможность проводить измерения толщины покрытий в довольно широком диапазоне с одинаковой относительной точностью /1, c 205-206/.

1.3 Магнитоструктурный анализ

При магнитоструктурном анализе используется связь основных магнитных характеристик (индукция, намагниченность, коэрцитивная сила) ферромагнитных сплавов со структурным состоянием их после различных видов термической обработки .Основными методами магнитоструктурного анализа являются реманентоскопия, коэрцитиметрия, пермеаметрия и феррометрия. При реманентоскопии измеряется кажущаяся остаточная намагниченность изделия, которая всегда меньше истинной остаточной намагниченности материала изделия, что объясняется влиянием коэффициента размагничивания, зависящего от формы и размеров изделия. В данном случае измерения производятся или баллистическим способом, при котором измеряется величина, пропорциональная остаточному потоку вектора намагниченности, или магнитометрическим, определяющим величину, пропорциональную остаточному магнитному моменту. В обоих случаях результаты магнитных измерений зависят от размеров и формы изделия, и поэтому наибольшая точность получается при контроле однородных изделий. При коэрцитиметрии измеряется коэрцитивная сила изделия, имеющая наиболее прямую связь с твердостью стали (коэрцитивная сила возрастает с увеличением твердости) и не зависящая от формы и размеров изделия. С помощью специальных приборов -- коэрцитиметров, можно рассортировать однородные изделия по их твердости (например, после отпуска при различных температурах), а также контролировать толщину цементованного, азотированного или закаленного слоя (при поверхностной закалке) на изделии. Можно также оценить свойства глубинных слоев изделия, исключив при этом влияние тонкого поверхностного (например, обезуглероженного) слоя. Пермеаметрия основана на измерении в полях средней напряженности индукции или намагниченности в открытой магнитной цепи (контроль труб, прутков) или в замкнутой цепи (контроль колец шарико и роликоподшипников на различных стадиях механической и термической обработки, заготовок чугунных поршневых колец). Зависимость результатов измерений от формы и размеров изделия при пермеаметрии весьма значительна.

Феррометрия позволяет выявить наличие небольших количеств ферромагнитных составляющих в изделиях из сплавов на неферромагнитной основе и в других случаях неферромагнитных составляющих в сплавах на ферромагнитной основе. Небольшие (недопустимые по техническим условиям) количества мартенсита, феррита, сложных карбидов в изделиях из специальных аустенитных сталей или остаточный аустенит в закаленных на мартенсит изде-лиях обычно не могут быть выявлены при испытаниях на твердость. Определение индукции или намагниченности в полях большой напряженности в первом случае или определение намагниченности в полях средней напряженности во втором может дать больший эффект.

Магнитоструктурный анализ может применяться лишь после тщательной проверки его на изделиях определенного типа из заданных сплавов. Наиболее надежные результаты магнитоструктурный анализ может дать только при разумном сочетании его с другими видами контроля /1, c 206-207/.

2. Люминесцентный метод контроля

Для выявления дефектов, выходящих на поверхность из материалов (трещины, поры) в изделиях из различных материалов и в особенности не обладающих ферромагнитными свойствами, применяется люминесцентный метод.

Основы люминесцентного метода. Метод основан на способности некоторых жидкостей светиться при облучении ультрафиолетовым светом. Испытание производят следующим образом. Контролируемую деталь после тщательной очистки погружают в соответствующую жидкость и выдерживают в ней 10--15 мин. При этом жидкость смачивает не только поверхность, но и проникает в дефектные места. Затем изделие промывают, но жидкость удаляется только с поверхности, тогда как полости дефектов остаются заполненными. Далее поверхность детали «припудривается» тонкодисперсным «проявляющим» порошком, обладающим высокой поглотительной способностью. Порошок извлекает жидкость из полостей дефектов на поверхность, и, смачиваясь ею, прилипает к поверхности. При последующей обдувке детали воздухом избыток порошка удаляется, а прилипшие за счет жидкости частицы обрисовывают контуры дефектов. Если теперь деталь осветить в темном помещении ультрафиолетовыми лучами, то будет наблюдаться свечение за счет флуоресценции жидкости в местах дефектов, которые становятся видимыми в виде светящихся пятен или линий.

Характеристика рабочей жидкости для люминесцентного контроля. Обычно в качестве рабочей жидкости применяется смесь, состоящая из 15% (по объему) трансформаторного масла и 85% керосина. Эта смесь дает синевато-белое свечение удовлетворительной яркости. Значительно лучшей рабочей жидкостью, дающей яркое желто-зеленое свечение, обладающей оптимальной вязкостью и способностью легко образовывать эмульсию с водой (что необходимо для смывания жидкости с поверхности и, следовательно, для получения четкой и контрастной картины), является смесь следующего состава (в объемных процентах):

Керосин.......................................................74

Вазелиновое масло (медицинское).............15

Бензол .........................................................11

В качестве проявляющего порошка наилучшие результаты дают окись магния или углекислый магний.

Аппаратура. Для облучения контролируемых деталей служит ртутно-кварцевая лампа ПРК-2 или ПРК-4, дающая при горении спектр ультрафиолетовых лучей в диапазоне от 1000 до 1360 A. . Облучение (рис.2) производится в затемненной кабинете через фильтр из «черного» стекла толщиной 3--4 мм (для отделения видимого света).

Рис. 2. Схема люминесцентного контроля: 1 -- ртутно-кварцевая лампа; 2 -- рефлектор; 3 -- фильтр из «черного» стекла: 4 -- контролируемая деталь; 5 -- дефект

Область применения люминесцентного метода. При использовании люминесцентного метода надежно выявляются выходящие на поверхность трещины, поры, рыхлоты, окисные плены, засоры и т. д.

Выявляемость этих дефектов улучшается с увеличением сечения полости дефекта (для трещин -- с увеличением их протяженности). Метод с успехом может быть применен для контроля литых и в отдельных случаях деформированных металлов, а также для изделий из неметаллических материалов/1, c 207-208/.

3. Термоэлектрический метод контроля

Термоэлектрический метод обычно применяется для контроля сплавов по составу (разделения по маркам).

Основы термоэлектрического метода. Как известно, сила тока, возникающего в замкнутой цепи, составленной из двух разнородных металлов, определяется величиной термоэлектродвижущей силы (т. э. д. с.), зависящей от природы обоих металлов и от разности температур между спаями. Если один из металлов выбрать в качестве постоянного эталона и задаться определенной разностью температур, то величина т. э. д. с. будет определяться только природой второго металла. При изменении состава или свойств второго металла будет получаться различная величина т. э. д. с.

Аппаратура и методика контроля. Приборы для анализа металлов по т. э. д. с. были впервые разработаны в нашей стране, а в последние годы получили распространение за рубежом. Принципиальная схема подобного прибора приведена на рис. 3.

Рис.3 Принципиальная схема термоэлектрического прибора

Прибор оформлен в виде компактной вилки (рис.3), несущей горячий и холодный контакты, концы которых имеют форму призматических ножей. Нож горячего контакта нагревается с помощью небольшой печи, работающей от понижающего трансформатора. Температура горячего контакта может регулироваться реостатом в цепи нагревателя.

магнитный покрытие люминесцентный металл контроль



Рис.4. Контроль материала термоэлектрическим методом

К клемме К (рис.4) присоединен конец провода из константана (показано пунктиром), другой конец которого введен в отверстие ножа горячего контакта. Таким образом, термопарой «константан -- материал контакта» можно измерять температуру горячего контакта. Для этого к клеммам Л и К подключается гальванометр. Когда нужная температура установится, гальванометр переключается на клеммы А и Б; в этом положении он измеряет т. э. д. с. между эталоном (материал контактов) и испытуемым изделием. Контакт с изделием осуществляется прикладыванием ножей к его слегка зачищенной поверхности. Если изделие изготовлено из того же материала, что и контакты, то т. э. д. с. будет равна нулю или близка к нему. Если же материал изделия отличается от контакта, то величина и знак т. э. д. с. могут быть различными. Для разделения небольшого числа (3--4) марок материала температурный режим прибора и материал контактов удобно подбирать так, чтобы различные марки материала давали т. э. д. с. различного знака /1, c 213/.

Таким образом, разделение небольшого числа сплавов в ряде случаев весьма удобно производить методом т. э. д. с. Можно также отбраковывать латунные изделия по содержанию в них железа. Хорошо разделяются электротехнические (кремнистые) стали по содержанию Si. Наиболее сильное влияние на т. э. д. с. железных сплавов оказывают кремний и алюминий. Марганец, никель и кобальт влияют слабо, еще слабее -- хром и молибден. Область применения термоэлектрического метода.

Метод т. э. д. с. позволяет быстро установить соответствие материала детали требованиям технических условий, что представляет большую ценность для производства. Следует также отметить удачные попытки применения метода т. э. д. с. для определения глубины поверхностного слоя на изделии, прошедшем химико-термическую обработку (например, цементованного или обезуглероженного).

4. Просвечивание металлов рентгеновскими и г-лучами

Рентгеновское и г-просвечивание -- один из самых распространенных методов дефектоскопии. Сейчас его применяют почти на каждом машиностроительном предприятии. Область использования ионизирующих излучений и источников излучений не ограничивается дефектоскопией. Просвечивание металлических изделий с помощью рентгеновых лучей и радиоактивного гамма-излучения позволяет выявлять внутренние дефекты (раковины, включения, непровар, ликвацию, трещины и др.) без разрушения самих изделий.

4.1 Рентгеновские лучи

Рентгеновы лучи представляют собой разновидность электромагнитных волн. Длина волны рентгеновых лучей измеряется в ангстремах (1А =10-8 см). Практически используемый диапазон длин волн лежит в пределах от 3 до 0.001A.

Рентгеновы лучи широко применяются для исследования металлов, так как они обладают следующими ценными свойствами:

1) проникают сквозь непрозрачные для видимого света вещества (тем легче, чем меньше порядковый номер элемента в таблице Менделеева и чем жестче лучи);

2) действуют на эмульсию фотопленки и флуоресцирующие вещества, подобно световым лучам;

3) ионизируют газы и вызывают фотоэлектрический эффект;

4) при прохождении через кристаллы дают явление интерференции и дифракции /1, c 187/.

Рентгеновы лучи возникают всегда при ударении о преграду быстро летящих электронов. Этот процесс осуществляется в рентгеновских трубках, а также в специальных приборах--бетатронах.

Общие принципы просвечивания. Рентгеновы лучи пропускают через просвечиваемый объект (рис. 6) на фотопленку (фотографическая дефектоскопия) или флуоресцирующий экран (визуальная дефектоскопия). Лучи, ослабившиеся в объекте, вызывают соответственно почернение пленки или свечение экрана. Если в в объекте имеется дефект, например раковина протяженностью dґ по ходу луча (рис 5).

Рис. 5. Схема просвечивания

Тогда лучи ослабляются по-разному в сечениях с дефектом и без дефекта. Соответственно различным получается почернение пленки (или яркость экрана). Изображение на экране или пленке является геометрической проекцией просвечиваемого образца и имеющихся в нем дефектов. Изображение дефекта будет выглядеть на пленке темнее, чем остальные участки, а на экране светлее. Чем больше разница в почернении пленки или яркости экрана, тем легче выявить дефект. Эта разница зависит не только от размера дефекта, но и от ряда других факторов, обусловливающих чувствительность метода. Под чувствительностью метода дефектоскопии понимают возможность выявления дефектов той или иной величины. Мерой чувствительности при оценке разных методов служит минимальный размер дефекта в направлении просвечивания, который может быть выявлен (его обычно выражают в процентах от просвечиваемой толщины) /1, c 191/.

Выбор метода просвечивания в каждом отдельном случае определяется требованиями чувствительности и экономичности. Фотографический метод дефектоскопии значительно чувствительнее визуального. Он позволяет выявлять дефекты толщиной от 1% при малой толщине изделия и до 2--2,5% при толщинах просвечиваемых изделий более 50--70 мм. При визуальном методе выявляются лишь дефекты, составляющие больше 5--7% от просвечиваемой толщины. Фотометод имеет и ряд других преимуществ: оставляет объективный документ в виде фотоснимка, безопаснее для персонала, позволяет просвечивать большие толщины. Визуальное просвечивание хотя и менее чувствительное, но зато быстрое и более дешевое; оно применяется при дефектоскопии изделий из легких сплавов толщиной не больше 40 мм, и стали -- не больше 8 мм /1, c 192/.

Фотографическая дефектоскопия. Основной метод просвечивания в настоящее время -- фотографический. Рентгеновские лучи, проходя через эмульсию фотопленки, ослабляются в ней согласно уравнению (1):

Id=Io?e-мd (1)

где Io - интенсивность лучей волны л, падающих на вещество;

Id - интенсивность лучей, прошедших через слой вещества толщиной d cм;

e- основание натуральных логарифмов;

м- линейный коэффициент ослабления лучей длиной волны л в данном веществе, являющийся мерой ослабления интенсивности излучения в слое толщиной 1 см.

Поглощенная в эмульсии (т. е. полезная) часть энергии рентгеновых лучей пропорциональна интенсивности I лучей, падающих на пленку, и длительности просвечивания (времени экспозиции ф). Чем больше энергии рентгеновских лучей поглощено в эмульсии, тем большее количество серебра выделяется в ней и тем больше плотность почернения негатива.

Чтобы чувствительность была высокой, режим съемки должен обеспечить получение контрастного и четкого изображения. Под контрастностью понимают разницу в плотности почернения двух смежных участков пленки. Чем больше эта разница при одинаковом различии в интенсивности излучения, падающего на эти смежные участки, тем контрастнее снимок. Повышение контрастности и чувствительности и требует применения при просвечивании возможно более длинноволнового излучения. Однако применение длинноволнового излучения требует большего времени экспозиции и, следовательно, удорожает съемку. Это должно быть учтено при выборе оптимального режима съемки.

Помимо жесткости рентгеновых лучей, на качество снимка влияет вторичное излучение, условия фокусировки и фототехника. Вторичные и рассеянные лучи, возникающие в металле при просвечивании, направлены во все стороны, вуалируют пленку (рис. 6) и ухудшают контрастность /1, c 193/.

Рис. 6. Действие на пленку вторичного и рассеянного излучения (схема)

При неумело выбранном режиме почернение пленки от вторичных лучей может превзойти почернение от первичного излучения. Особенно сильно сказывается рассеянное излучение при просвечивании изделий больших толщины (для стали примерно больше 50 мм). В этом случае относительное уменьшение доли вторичного излучения в общем потоке рентгеновых лучей и, следовательно, большая чувствительность обеспечивается увеличением жесткости рентгеновых лучей.

Для борьбы с рассеянным и вторичным излучением уменьшают облучаемый объем металла и применяют специальные фильтры из тяжелых металлов (свинец, олово), которые помещают между образцом и пленкой. Рассеянные и вторичные лучи, будучи мягче первичных, поглощаются в фильтрах значительно сильнее первичных. Четкость изображения контуров изделия и дефектов обеспечивается, главным образом, малым размером фокуса рентгеновской трубки и максимально допустимым расстоянием от фокуса до объекта (это расстояние недолжно быть меньше 50 см). Несоблюдение этих условий приводит к появлению полутеней и снижению четкости изображения.

Фототехника играет существенную роль в получении качественных снимков, поэтому необходимо правильно выбирать сорт пленки, усиливающие средства, режимы проявления и фиксирования.

Для лучшего поглощения жестких рентгеновых лучей в рентгеновских пленках эмульсия в них, в отличие от обычных фотографических пленок, нанесена с обеих сторон и имеет несколько большую толщину. Это сокращает экспозицию и повышает контрастность /1, c 193/.

Визуальная дефектоскопия. Чувствительность визуальной дефектоскопии связана с яркостью свечения экрана. Чтобы человеческий глаз различал на экране два соседних поля, отношение их яркостей должно быть не меньше 1,15. Чем больше яркость свечения экрана, тем легче воспринимает глаз разницу в освещенности соседних полей, тем выше чувствительность. Повышение яркости до определенного предела достигается повышением напряжения (очень жесткие лучи мало поглощаются флуоресцирующим веществом) и увеличением тока трубки.

Низкая яркость флуоресцирующего экрана при просвечивании больших толщин и тяжелых металлов служит главной причиной малой чувствительности визуального метода и его ограниченности. Соли, применяемые для покрытия флуоресцирующих экранов в визуальной дефектоскопии, должны давать свечение в зелено-желтой части спектра, лучше воспринимаемой глазом. Наиболее употребительны сернистые соединения ZnS и CdS.

4.1 Гамма-лучи

Гамма-дефектоскопия. Применение г-лучей значительно расширило диапазон просвечиваемых изделий по их составу и толщине. Предельная толщина стали, просвечиваемая г-лучами, равна 300 мм. Гамма-лучи образуются при распаде естественных и искусственных радиоактивных веществ. По природе своей они сходны с рентгеновыми лучами, но отличаются большей жесткостью: длины волн г-лучей 0,2?0.0025 A. Каждое радиоактивное вещество испускает улучи определенных длин волн /1, c 195/.

Продолжительность используемого излучения радиоактивного вещества характеризуется периодом полураспада, т. е. временем, за которое распадается половина вещества и, соответственно, вдвое уменьшается интенсивность его излучения. Для разных радиоактивных веществ период полураспада колеблется в широких пределах. Интенсивность г-излучения зависит от активности вещества (т. е. числа распадающихся атомов в единице массы за единицу времени) и его количества. Для г-дефектоскопии в нашей стране применяют в основном искусственные радиоактивные изотопы кобальта Со60 и иридия Ir192 .

Предельная толщина просвечиваемой стали для Со60--250 --300 мм, для Ir192 -- 50--60 мм.

С увеличением толщины просвечиваемого г-лучами объекта процентуальная чувствительность повышается. Проведенные исследования на сварных швах показывают, что для толщины стали меньше 50 мм более чувствителен рентгеновский метод. Он выявляет дефекты в 1,5--2% от толщины объекта. Метод г-дефектоскопии выявляет дефекты в 3--6%. Для толщин больше 50 мм чувствительность гамма- и рентгеновских лучей одинакова. В связи с малыми количествами препарата и небольшой интенсивностью излучения время экспозиции при г-просвечивании обычно значительно больше, чем в случае рентгеновской дефектоскопии. Применяя Со60, можно за счет увеличения количества препарата (дозы) довести продолжительность экспозиции почти до той же продолжительности, что я при использовании рентгеновых лучей. Для того чтобы сопоставить интенсивность излучения разных препаратов, ее обычно выражают через интенсивность г-лучей радия. При этом указывается, какому количеству радия эквивалентна интенсивность данного препарата Знание этих эквивалентов важно при выборе экспозиции /1, c 195/.

Техника съемки г-лучами принципиально акая же, как и рентгеновыми. Применяется такая же пленка, кассеты, дефектометры, режимы фотообработки.

Еще большей проникающей способностью, чем г-лучи, обладает рентгеновское излучение бетатрона. С его помощью можно просвечивать стальные изделия толщиной до500--600 мм. Помимо этого, бетатрон имеет ряд преимуществ: так, площадь фокусного пятна бетатрона составляет сотые доли квадратного миллиметра, т. е. в десятки и сотни раз меньше, чем площадь фокуса в обычных рентгеновских трубках и чем площадь источников г-излучений. Это значительно повышает четкость изображения и чувствительность просвечивания. Вследствие конструктивной сложности бетатроны не нашли еще пока широкого применения.

Основные области применения просвечивания. Просвечивание металлов наиболее широко применяется для контроля качества отливок и сварных соединений. В сварных швах просвечиванием удается выявить дефекты трех видов: непровары, газовые и шлаковые раковины, а также трещины. Для выявления этих дефектов решающее значение имеет правильный выбор направления просвечивания. Оценка качества сварных швов по рентгеновским и г-снимкам производится по трехбалльной системе. Худшие по качеству, непригодные швы оцениваются баллом 1, хорошие -- баллом 3. Просвечивание с успехом применяется для определения разностенности полых изделий и геометрии деталей машин, недоступных непосредственному измерению (вентили, выхлопные клапаны, трубы).

Просвечивание изделий сложной формы вызывает дополнительные затруднения, главными из которых являются: невозможность вести съемку всего изделия при одном режиме и усиленная вуаль от вторичного и рассеянного излучения.

Просвечивание позволяет не только выявить наличие дефекта, но и установить его координаты и толщину в направлении просвечивания.

Просвечивание кованых и штампованных изделий менее эффективно. Это объясняется небольшой толщиной дефектов после их опрессовывания при деформации. Крупные трещины, надрывы, расслой выявляются при просвечивании, если их направление совпадает с направлением лучей. Трещины в виде волосовин обычно не выявляются. В общем случае рентгеновский контроль кованых и штампованных изделий дает обычно не больше, чем тщательный наружный осмотр их через лупу /1, c 199/.

5. Ультразвуковые методы контроля

Краткие сведения об основах ультразвукового контроля. Ультразвук в настоящее время применяют в промышленности очень широко. Ультразвуковые колебания (УЗК) используют для интенсификации различных процессов, очистки деталей от окалины, стружки пригаров, а также для дефектоскопии.

Метод предложен в 1929 г. С. Я. Соколовым и основан на способности ультразвуковых колебаний отражаться от поверхности внутренних неоднородностей металла. Ультразвуковые колебания (УЗК) представляют собой упругие колебания с частотой, лежащей выше предела слышимости. Обладая всеми свойствами упругих колебаний, УЗК благодаря повышенной частоте приобретают и некоторые специфические свойства: с повышением частоты увеличивается направленность УЗК и при частотах порядка мегагерц угол раскрытия пучка У3К столь мал, что к нему можно применить понятие «ультразвуковой луч». Это оправдывается и тем, что законы распространения УЗК (преломление, отражение, дифракция) аналогичны законам геометрической оптики. Благодаря своей направленности, способности проникать в металл на большую глубину и высокому коэффициенту отражения от границы металл -- воздух УЗК могут быть применены для выявления дефектов в металлах/1, c 208/.

При неразрушающем контроле используют несколько методов ультразвукового прозвучивания контролируемых объектов и получения не-обходимой информации: а) теневой б) резонансный в) импульсный метод (эхо-метод)



Рис.7 Схема ультразвукового контроля: а) импульсный метод; б) теневой метод; в) резонансный метод; 1-- блок генератора; 2 -- блок усилителя; 3 -- блок индикатора; 4 -- блок регистрации резонансов; 5 -- демпфер; 6 -- излучатель; 7 -- демпфер приемной головки; 8 -- контролируемый объект; 9 -- дефект

Теневой метод заключается в том, что с одной стороны объекта с помощью излучателя вводится пучок ультразвуковых колебаний, а с другой стороны, с помощью щупа, установленного строго напротив излучателя, регистрируется интенсивность этого пучка, прошедшего через толщу объекта. Если, например, на пути пучка ультразвуковых колебаний окажется расслоение, инородное включение, раковина или другое нарушение сплошности, то часть ультразвуковой энергии от него отразится и интенсивность пучка, падающего на приемный щуп, резко уменьшится, т. е. на приемный щуп упадет тень от дефекта (см. рис. ). Этот метод применим при обязательном двустороннем доступе к объекту контроля. Теневой метод прозвучивания можно использовать в случае контроля металлов, пластмасс, бетона, резин для выявления грубых нарушений склейки и других внутренних дефектов /2, c 81/.

Резонансный метод ультразвукового контроля основан возбуждении в объекте так называемых стоячих волн, возникающих при условии интерференции вводимых в объект упругих колебаний и колебаний, отраженных от раздела объект--воздух (или другая среда). Такая ситуация возможна при условии получения резонанса вследствие совпадения собственной частоты объекта и частоты возбуждаемых в нем упругих колебаний. При этом благодаря резкому снижению входного сопротивления нагрузки и соответственно изменению характеристик блока генератора можно по импульсам на экране осциллоскопа регистрировать момент достижения резонанса. Основная область применения резонансных ультразвуковых приборов--толщинометрия (измерение толщины материала объекта с односторонним доступом). При этом должно соблюдаться, соотношение

d=nл/2=nC/2f (2)

где d --толщина материала объекта;

n-- число, определяющее порядок гармоники (при резонансе n=1);

л -- длина волны;

f --частота ультразвуковых колебаний;

С--скорость распространения волн в материале объекта /2, c 81/.

Ультразвуковой прибор для резонансных измерений представляет собой генератор радиочастоты с частотной модуляцией, осуществляемой обычно в пределах от одной октавы и более. Генератор возбуждает пьезоэлектрический вибратор, который посылает УЗК в металл. Индикатором служит осциллоскоп, развертка которого синхронизирована с изменением частоты. При изменении частоты возникновение стоячих волн в металле приводит к изменению анодного тока генератора и отмечается виде пика на экране осциллоскопа. Если толщина металла изменится, то соответственно изменится и положение пика на экране. На экран может быть нанесен шкала, градуируемая для определенного металла непосредственно по толщине.

Такой прибор может быть применен для измерения толщины металла при доступе с одной стороны, выявления очагов коррозионных поражений в химических аппаратах, трубопроводах, подводной части корпуса корабля и т. д., для выявления расслоя в листовом материале, в биметаллических листах, в подшипниках, для контроля пайки металлических листов и т. д.

Точность работы прибора при определении толщины стенки в диапазоне от 0,8 до 15 мм--около 1%, чувствительность при выявлении расслоев (минимальная площадь дефекта) -- около одного квадратного сантиметра./1, c 211/.

Наиболее широко применяют в дефектоскопии импульсный метод (эхо-метод). Дефектоскопы этого типа позволяют осуществлять контроль при одностороннем доступе к исследуемому объекту. Метод основан на том, что в объект вводятся пачки колебаний (продолжительностью 0,5--8 мкм/сек), иначе импульсы (поэтому метод носит название импульсного эхо-метода), с перерывами 1--5 м км /сек. Если упругие колебания, возникающие в объекте, встречают на своем пути препятствие в виде дефекта (раковины, расслоение, структурная неоднородность и т. д.), то часть их отражается и, как эхо, попадает обратно на излучающую головку. Остальная часть колебаний продолжает свой путь в массе объекта, достигает противоположной его стороны, отражается от раздела объект--воздух (или другая среда) и тоже в виде эха попадает на излучающую головку. Понятно, что от дефекта колебания возвращаются раньше, чем от «дна» объекта. Поэтому сначала на экране дефектоскопа появляется импульс от дефекта, а затем «донный» импульс. На экране они располагаются один за другим на расстоянии, соответствующем времени их возвращения. При прохождении в материале упругие колебания теряют значительную часть энергии, рассеиваясь на границах кристаллов (зерен), и чем более крупнозернистый материал, тем больше ослабляется эхо-сигнал от дефекта и «дна» объекта. Возможна ситуация, при которой эхо-сигнал вообще не достигает искательной головки и на экране отсутствует «донный» импульс или импульс от дефекта.

Поэтому весьма важно при выборе дефектоскопа выяснить коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в контролируемом объекте, определяемый величиной зерна, плотностью и модулем упругости, и подобрать дефектоскоп с соответствующими характеристиками. Этими характеристиками являются: глубина проникновения ультразвуковых колебаний (например в стали), при которой можно наблюдать на экране дефектоскопа стабильный «донный» эхо-импульс; разрешающая способность, когда на экране дефектоскопа можно различить импульсы от близко лежащих дефектов(минимальное расстояние между этими дефектами) «дойного сигнала; чувствительность, определяемая при оптимальных условиях контроля на эталонах или изделиях при выявлении наименьшего дефекта, и величина «.мертвой зоны», иначе зоны, в которой не выявляются дефекты (для современных дефектостопов--порядка 1--Змм).

Успешное использование ультразвукового метода контроля зависит также от правильного выбора способа введения ультразвуковых колебаний в исследуемый объект. Наиболее широко применяется метод смазки, т. е. введения между щупом и поверхностью о6ьекта жидкости (например, трансформаторного масла), заполняющей неровности и позволяющей получить надежный акустический контакт. Применяют также иммерсионный метод, когда изделие и излучающую головку помещают в емкость с жидкой средой; струйный метод, когда в качестве акустического канала используют струю жидкости, и, наконец, бесконтактный метод /2, c 82/.

Ультразвуковые дефектоскопы имеют «мертвую зону», т. е. пространство около поверхности детали, в котором не могут быть обнаружены дефекты. Это объясняется тем, что после излучения импульса, поступающего с генератора, пьезопластина некоторое время продолжает колебаться и длительность этих колебаний превышает время, необходимое для того, чтобы ультразвуковой импульс прошел внутрь детали и, отразившись от дефекта, вернулся обратно. Для гашения этих ненужных колебаний пластину приклеивают или плотно прижимают к демпферу.

Ультразвуковые дефектоскопы широко используют в заводских лабораториях и цехах для контроля крупногабаритных отливок, штамповок, поковок, качества точечной, дуговой и газовой сварки, толщины упрочненных слоев (цементация), качества термической обработки (закалка, отпуск), для определения поверхностных и подповерхностных дефектов, рыхлот, а также для замера толщины стенок, емкостей, с односторонним доступом. Кроме того, ультразвуковые дефектоскопические приборы используются для контроля изделий из органического стекла, фарфора, различного рода пластмасс, за исключением тех, наполнителем которых служат асбест и ему подобные материалы, способствующие интенсивному затуханию ультразвуковых колебаний /2, c 87/.

5. Охрана труда при проведении контроля, защита от рентгеновских и гамма-лучей

Рентгеновы и гамма-лучи при работе без надлежащей защиты оказывают вредное воздействие на организм человека. Продолжительное действие лучей влияет на состав крови (уменьшает число лейкоцитов), вызывает ожоги и тяжелые заболевания. Это вредное воздействие на организм проявляется лишь после получения организмом определенной дозы лучей. Предельной дозой для работников рентгеновских лабораторий признана доза, равная10-5 рентген в секунду. В качестве безопасной дозы облучения гамма-лучами при промышленном радиографировании установлена доза 0,05 рентгена за рабочий день. Меры защиты рассчитаны на то, чтобы доза прямых и рассеянных лучей не превышала указанной выше нормы.

При работе с рентгеновыми лучами участки, где доза выше допускаемой, ограждаются перегородками, изготовленными из свинца или других тяжелых материалов. Для устранения вредных газов (озона и окислов азота), образующихся при работе высоковольтной установки, должна быть установлена вытяжная и приточная вентиляция, обеспечивающая 6-10-кратный обмен воздуха в час.

Для предохранения от непосредственного действия высокого напряжения все части рентгеновского аппарата, находящиеся под высоким напряжением, должны быть ограждены.

Для работников рентгеновских лабораторий установлены трудовым законодательством льготные нормы рабочего времени. Основные мероприятия для уменьшения дозы г-облучения следующие: а) уменьшение времени общего и местного облучения; б) увеличение расстояния от ампулы с радиоактивным препаратом до поверхности тела работающего.

Для реализации этого персонал должен пройти специальную тренировку, чтобы научаться быстро выполнять все операции связанные с установкой ампулы, и пользоваться специальными приспособлениями, исключающими непосредственное соприкосновение руки работающего с ампулой. Все операции по г-дефектоскопии должны выполняться в особом помещении. Если по условиям производства эти операции производятся непосредственно в цехах, то в каждом конкретном случае должны быть установлены границы безопасной зоны и приняты меры к ее ограждению. При хранении и транспортировке ампул должны строго выполняться специальные правила.

Работники по промышленной г-дефектоскопии должны периодически проходить медицинский осмотр с полным анализом крови.

Размещено на Allbest.ru