Глава 17

КАПИЛЛЯРНЫЕ, МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ, ТЕПЛОВЫЕ МЕТОДЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

КАПИЛЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Капиллярный метод неразрушающего контроля качества сварных соединений основан на капиллярном проникновении дефектоскопических материалов в дефекты и их контрастном изображении в оптическом излучении. На сварной шов наносят специальную смачивающую жидкость - индикаторный пенетрант, которая под действием капиллярных сил заполняет полости поверхностных дефектов. Дефекты обнаруживаются с помощью жидкости, оставшейся в полостях после удаления ее с поверхности. Индикаторные рисунки дефектов обладают способностью люминесцировать в ультрафиолетовых лучах или имеют специфическую окраску в видимом свете. Заполнение дефектных полостей, открытых с поверхности, специальными свето- и цветоконтрастными индикаторными веществами - основная задача капиллярных методов дефектоскопии.

Для надежного обнаружения дефекта следует возможно большее количество люминофора или красителя извлечь из микрополости дефекта на поверхность. Эффект регистрации дефектов усиливается с помощью средств, способствующих наиболее полному проявлению индикаторного вещества (люминесцирующего или цветного), в связи с чем такие средства называют проявляющими.

Технология капиллярного контроля в общем виде состоит из процессов: подготовительного, обработки объекта дефектоскопическими материалами, собственно контроля и окончательной очистки объекта.

Подготовительный процесс представляет собой сочетание технологических приемов удаления покрытий, загрязнений, обезжиривания и сушки контролируемой поверхности с целью очистки от возможных загрязнений, а также следов обезжиривающих и моющих составов.

Контролируемую поверхность шва очищают с помощью легколетучих жидких растворителей, ультразвука, травильных составов, паров органических раствори телей, абразивных материалов и т. п.

Полости дефектов заполняются при смачивании контролируемой поверхности или погружении детали в пенетрант, распылением пенетранта с помощью воздуха, инертного газа, ультразвука, путем понижения или повышения давления при нанесении пенетранта, воздействия на объект контроля упругих колебаний частоты звука. Пенетрант удаляют протиркой, промывкой или обдувом контролируемой поверхности. Далее наносят проявитель с помощью струи воздуха или инертного газа, кистью или щеткой, погружением детали, припудриванием или прижатием ленты пленочного проявителя.

Процесс проявления может быть исключен в случае применения специальных индикаторных пенетрантов (самопроявляющихся, гелеообразующих и др.), не предусматривающих нанесение проявителя.

Дефекты выявляются при внешнем осмотре или осмотре с помощью инструмента; затем регистрируют индикаторный след.

При обнаружении дефекта с помощью инструментов используют фотографическое фотоэлектрическое, радиографическое, электроиндуктивное, магнитнсе, электростатическое и другие взаимодействия соответствующих излучений и полей со специальными индикаторными пенетрантами.

В зависимости от размеров выявляемых дефектов установлены четыре условных уровня чувствительности (табл 1).

1. Условный уровень чувствительности

Яркость изображения дефектов при люминесцентном методе контроля может находиться в пределах от 34 до 172 нит в зависимости от типа люминесцентного дефектоскопического материала. Поэтому чувствительность следует повышать как созданием специальных пенетрантов, так и увеличением яркости люминесценции существующих пенетрантов путем увеличения ультрафиолетовой облученности в области длинноволнового ультрафиолетового излучения.

Индикаторные пенетранты подразделяют по следующим основным признакам:

по физическому состоянию - на растворы и фильтрующиеся суспензии (для контроля сварных соединений применяют растворы; для материалов со сквозной пористостью - суспензии);

по светоколористическим - на ахроматические, цветные, люминесцентные, люмииесцентно-цветные;

по технологическим - на удаляемые органическими растворителями, водо-смываемые, водосмываемые после действия очистителя или поверхностно-активных веществ (для последующей эмульсификации), нейтрализуемые гашением лю-NUiHecnennHH или цвета.

Проявители подразделяют по физическому состоянию - порошок, суспензия, краска (лак), пленка, химически пассивные, не меняющие колористические свойства индикаторного пенетранта; химически активные (реактивные), меняющие цвет или способность люминесцировать.

Для удобства дефектоскопические материалы создают, испытывают и используют в виде наборов. В набор входят, как правило, индикатор, проявитель, очиститель, тушитель.

Для массового контроля применяют наборы дефектоскопических материалов (табл, 2).

Наиболее характерные процессы капиллярного неразрушающего контроля сварных соединений представлены в табл. 3.

Капиллярные установки подразделяют на стационарные, передвижные и переносные. Стационарные установки состоят из участков пропитки, мойки, сушки, опыления проявляющим порошком и осмотра деталей в ультрафиолетовых лучах. Транспортировка деталей внутри дефектоскопов механизирована. Установки, как правило, предназначены для выявления поверхностных дефектов.

Принцип действия стационарной установки КД-20Л основан на возбуждении яркой видимой люминесценции специальных составов, заполняющих полости дефектов, под действием ближнего ультрафиолетового излучения Дефекты выявляют визуально. В установке используют девять специализированных источников излучения в черных колбах, защитное стекло и гибкий экран, поглощающие ультрафиолетовое излучение, не люминесцирующие под его воздействием и прозрачные в видимом CBefe.

Для облучения ультрафиолетовым потоком крупногабаритных объектов, подвергаемых местному люминеспент{юму капиллярному или магнитно-люминесцент-

2. Наборы дефектоскопических материалов

Отраслевой шифр набора

Условный уровень чувствительности

Рабочие температуры, °С

Отраслевой шифр набора

Условный уровень чувствительности

Рабочие температуры, °G

Люминесцентный метод

Цветной метод

Примечание. Шифры материалов см. [3J (том I, с. 154- 155),

ному неразрушающему контро.лю, примен5гют передвижную установку КД-21Л. Установка смонтирована на передвигаемом на колесах каркасе и имеет следующие основные узлы: облучатель; охлаждаемый водой светофильтр; отклоняющее зеркало в поворотной головке, блок питания В установке используется длинноволновое ультрафиолетовое излучение от газоразрядной ртутной лампы ДРШ-1000 мощностью 1000 Вт.

Подвесные УФ-облучатели спроектированы на базе использования газоразрядных источников в черной колбе из специа.иьного стекла.

Среди средств выявления дефектов малых размеров наиболее широко применяются бинокулярные микроскопы. Они имеют шарнирную рычажную подвеску, позволяющую осматривать крупные объекты. Микроскопы выпускаются для диапазона фокусных расстояний 190-390 мм.

Удобным средством осмотра мелких сварных объектов являются также настольные крупногабаритные лупы с собственным люминесцентным источником видимого или ультрафиолетового света.

Для выявления поверхностных дефектов в различных изделиях по отдельным участкам применяют переносной ультрафиолетовый облучатель КД-31Л с ртутным высокого давления четырехэлектродным источником излучения мощностью 125 Вт. Диапазон длин волн ультрафиолетового излучения 315-400 нм, тип фильтра УФС6.

В производственных условиях с низковольтной сетью электропитания может быть использован электробезопасный ультрафиолетовый облучатель КД-32Л. Он содержит семь люминесцентных источников излучения ЛУФ4-1 - ртутных с автоматическим зажиганием, в колбе из черного стекла, мощность каждого источника 4 Вт.

Дефектоскопические материалы обладают интенсивной окраской, склонностью к высыханию и другими характерными свойствами. Их наносят на контролируемые объекты из аэрозольных баллонов, содержащих данный продукт, и инертный сжиженный газ - пропеллент(обычнохладон, прежнее названиефреон).

Переносные комплекты создаются из однотипных баллонов, заполненных данным набором дефектоскопических материалов. Для выполнения капиллярного контроля сварных соединений цветным и люминесцентным методами в полевых и цеховых условиях машиностроительных и эксплуатационно-ремонтных

3. Технологические процессы капиллярной дефектоскопии сварных соединений

Примечание. Индикаторные жидкости: И-1: бензин 300 см, скипидар 600 см, нориол А или Б 100 см, краситель жирорастворимый темно-красный Ж 10 г/л; И-2: нориол А 150 см, керосин 850 см ; И-3; керосин 500 см, скипидар 500 см, краситель жирорастворимый темно-красный Ж 5 г., краситель жирорастворимый темно-красный 5с 5 г; И-4: керосин 500 см*, скипидар 470 см, ксилол 30 см, краситель жирорастворимый темно-красный 5 с 10 г; И 5: нориол А 5 см, бензин 95 см; И-6: бензин 470 cм ксилол 30 см, скипидар 500 см, краситель жирорастворимый темно-красный Ж 5 г, краситель жирорастворимый темно-красный 5с 5 г; И-7: керосин 200 см, бензин 300 см, скипидар 500 см, краситель жирорастворимый темно-красный Ж 5 г, краситель жирорастворимый темно-красный бс 5 г. Очистители: 0-1: ОП-7 (или ОГМО) 10 г, вода до 1000 см ; 0-2: спирт этиловый. Проявители: П-1: спирт этиловый 500 см, вода 500 см, каолин 350-500 г; П-2: бентонит очищенный 40 г, окись магния 150 г, спирт этиловый 1000 см; ОП-7 (или ОП-10) 5 г; П-4: спирт этиловый 1000 см, каолин 350 г.

предприятий, а также для неоднократного заполнения аэрозольных баллонов многократного использования дефектоскопическими материалами применяют аэрозольный комплект КД40-ЛЦ с зарядным стендом.

Аэрозольные баллоны скомплектованы по трем типоразмерам в наборы, один из которых обеспечен электроподогревом, что позволяет выполнять капиллярный контроль соответствующими дефектоскопическими материалами при температуре окружающего воздуха до -40° С. Наборы снабжены вспомогательными средствами, необходимыми для проведения контроля (кистями, лупами, переносной электрической лампой, распылительными головками, ветошью, перчатками).

Для осмотра деталей в комплекте КД-40ЛЦ предусмотрен переносной ультрафиолетовый облучатель КД-31Л. Аэрозольные баллоны заправляют на зарядном стенде. В комплекте используют цветные и люминесцентные дефектоскопические материалы. Пропеллент - хладон-12. Давление сжатого воздуха 6 кгс/см. Габаритные размеры большого набора 486 X 236 X 374 мм, среднего 400 X X 165 X 280 мм и малого 400 X 165 X 220 мм.

МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ

Для металлографического исследования структуры металлов сварных швов приготовляют шлифы. Шлифы могут иметь различные размеры, конфигурацию и качество подготовки поверхности. Для изучения макроструктуры изготовляют макрошлифы. Те.мплеты для макрошлифов вырезают таким образом, чтобы на них вместились все основные участки сечения сварного шва, т. е. литой металл и зона термического влияния. Для детального исследования сварного шва изготовляют не менее трех заготовок шлифов: из корня, середины и кратера швов. Плоскость реза должна быть перпендикулярной к направлению шва. Для удобства обработки независимо от толщины свариваемого металла толщина темплетов должна составлять 8-15 мм. Площадь поперечного сечения определяется размерами шва и зоны термического влияния.

После вырезки заготовки подвергаемую анализу сторону шлифуют. Макрошлиф изготовляют на плоскошлифовальном станке. Во избежание деформации и перегрева поверхности образца шлифование осуществляют при обильной подаче охлаждающей жидкости. Абразивный круг должен быть острым, так как иначе неизбежны разогрев и прижоги поверхности образца. Обычно применяют электрокорундовые круги. В процессе шлифования образцы необходимо периодически охлаждать водой. При отсутствии абразивного круга поверхность макрошлифа можно доводить на абразивных водостойких шкурках. Окончательная обработка макрошлифа осуществляется шлифовальной шкуркой.

Для исследования микроструктуры изготовляют микрошлифы. Микрошлифы наиболее целесообразно вырезать из макрошлифов. Для этого на макрошлифе определяют необходимый для изучения участок, очерчивают его и вырезают фрезой, тонким кругом, электроискровым способом или ножовкой.

Размеры поверхности микрошлифа для удобства обработки не должны превышать 20X20 мм. Толщина микрошлифа должна быть равной 10-15 мм. Небольшие образцы значительно удобнее подвергать механической и электролитической обработке.

Для выявления микроструктуры применяют неглубокое травление, в результате которого глубина растравленного слоя составляет не более 10 мкм. При шлифовании абразивами глубина слоя с искаженной структурой даже после тщательной обработки составляет около 50-100 мкм. Следы деформации после обработки фрезой наблюдаются на глубине до 0,2 мм. При этом соблюдают такую же последовательность как и при шлифовании образцов, предназначенных для макроисследования, т. е. обработку начинают наиболее крупнозернистыми абразивными шлифовальными шкурками. При обработке более .мелкозернистой шлифовальной шкуркой обра.зец поворачивают на 90°, т. е. изменяют направление обработки, что облегчает определение окончания обработки данной шлифовальной шкуркой. Обработку считают законченной, если видны риски одного направления,

1. е. те, которые появились в результате обработки последней шлифовальной шкуркой.

Удовлетворительные результаты получают при обработке абразивными шлифовальными шкурками. Основной деталью шлифовальных устройств является вращающийся диск, который располагают в горизонтальной плоскости. К диску прикрепляют шлифовальную шкурку с помощью кольца, внутренний диаметр которого на 1-1,5 мм больше диаметра диска. Шлифовальную шкурку защемляют между торцами диска и кольцом. Наиболее удобным считается диск диаметром 160-180 мм с переменной скоростью вращения. Для шлифов из углеродистых, низко- и среднелегированных сталей частота вращения должна составлять 650- 800 об/мин, для шлифов из низкоуглеродистых сталей 450-600 об/мин. Для того чтобы шлифовальная шкурка изнашивалась равномерно, шлифы в процессе обработки следует перемещать от края круга к центру, а затем от центра к краю круга. Окончательное шлифование следует осуществлять с применением пасты. Размеры зерен последовательно применяемых паст 35-30, 10-8 и 4-0,5 мкм.

Полирование пастами осуществляют на высококачественном сукне типа велюр или тонких фетрах, натянутых на вращающийся диск. Кроме фетра можно применять также тонковолокнистый войлок высокой очистки.

Для химического травления применяют растворы кислот, солей и щелочей. Ионы кислотных остатков, взаимодействуя с ионами металла, переводят их в раствор и тем самым разрушают металл. Наиболее активными являются ионы хлора, проникающие через пленки, которые появляются на поверхности металла при травлении. При травлении щелочами в результате взаимодействия раствора щелочей и металлов образуются гидроокиси металлов. Образование комплексных соединений характерно для переходных металлов, к которым относятся железо, хром, никель, титан и др.

Для глубокого травления (макротравления) примешивают наиболее активные реагенты. В некоторых случаях с целью повышения активности реагентов травление осуществляют при повышенных температурах.

Для выявления макроструктуры швов на низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных сталях обычно применяют растворы активных кислот (азотной, серной, соляной, пикриновой), их смеси, смеси кислот с хлористыми солями и растворы солей, в частности персульфат аммония. Процесс травления осуществляют как при комнатной температуре, так и с подогревом до 70-80° С и выше. Во всех случаях образцы после глубокого травления необходимо промыть в чистой воде, затем в растворе соды и снова в воде, протерев их мягкой гигроскопичной ватой и просушив.

Во многих случаях при изучении сварных швов литого металла возникает необходимость в исследовании характера кристаллизационных слоев. Для выявления таких слоев на низкоуглеродистых, низко- и среднелегированных сталях применяют травление в растворах серной, хромовой или пикриновой кислот. Травление этими кислотами основано на избирательном растворении в них ферритной составляющей. Кристаллизационные слои на некоторых участках имеют повышенное содержание примесей, поэтому растравливаются неравномерно, что и способствует их проявлению. Кристаллизационные слои можно также выявлять электролитическим травлением.

Активные кислоты интенсивно воздействуют на поверхность металла и максимально растравливают участки, подвергавшиеся пластической деформации, имеющие поры, раковины, значительную неоднородность химического состава, трещины и т. д. Если металл имеет трещины, края их растравливаются в первую очередь и трещины в процессе травления раскрываются . Поэтому макротравление служит надежным методом их обнаружения.

Для сварных швов на углеродистых, низко- и среднелегированных сталях удовлетворительные результаты дает реактив Гейна (CuCla - 53 г и NH4CI - 53 г на 1 л воды). Травление осуществляют погружением поверхности образца в реактив в течение 10-60 с. В процессе травления протекает обменная реакция, при которой железо вытесняет медь. Медь осаждается неравномерно. На участках,