Установка “Луч-3″ предназначена для пайки трубчатых конструкций из высокоактивных металлов и сплавов с нагревом кольцевым электронным пучком, получаемым в высоковольтном тлеющем разряде при температуре ниже 2000 °С. На кольцевой алюминиевый катод нагревателя, размещенный изолированно между двумя дисковыми анодами, подается высокое напряжение отрицательной полярности относительно земли. В концах анода, образующих щель для прохождения пучка, расположены электромагнитные катушки, обеспечивающие отклонение пучка при настройке на место соединения. Разогрев в зоне пайки происходит локально. Мощность нагрева регулируется подачей плазмообразующего газа (аргона, гелия) в область горения тлеющего разряда, время регулирования не превышает 0,5 с.
Существенными недостатками способа нагрева электронным лучом являются сложность установок из-за наличия вакуума и управляющих устройств высокой точности и их высокая стоимость.
Оборудование для пайки в тлеющем разряде. Нагрев паяемых изделий в поле тлеющего разряда обусловлен превращением кинетической энергии положительных ионов в тепловую при бомбардировке катода. Нормальный тлеющий разряд осуществляется в вакуумных камерах в нейтральной или восстановительной атмосфере при давлении газа в камере 2,66…26,6 кПа и силе тока разряда 3…20 А. Как правило, камеру сначала откачивают до давления 13,3 Па, затем заполняют аргоном до давления примерно 133 Па и снова откачивают. Благодаря такой последовательности операций достигаются низкие парциальные давления составляющих воздух газов.
Устойчивый к коротким замыканиям источник питания тлеющего разряда с крутопадающей вольт-амперной характеристикой должен иметь: устройство блокирования случайно возникающих сварочных дуг; возможность регулирования напряжения на межэлектродном промежутке — 100… 1000 В; осуществлять точное и раздельное регулирование силы тока и разрядного напряжения при работе в режиме ПВ-100%.
Нагрев в тлеющем разряде эффективен при сравнительно простой форме изделий. При наличии острых углов, выступающих частей трудно добиться равномерного нагрева. Для этого применяются специальные меры, например, изменение формы анода. Основной проблемой при пайке в тлеющем разряде является опасность перехода тлеющего разряда в дуговой, особенно при появлении паров припоя.
Важнейшими преимуществами тлеющего разряда являются: эффективность не только в стадии нагрева изделия, но и в стадии очистки поверхности изделия и припоя, что позволяет активировать поверхности соединяемых материалов; снижение расхода энергетических и материальных ресурсов; уменьшение габаритных размеров, сложности и стоимости оборудования; повышение его надежности, универсальности, производительности и экономичности; возможность соединения широкого класса материалов и различных их сочетаний.
Оборудование для пайки лазером. Лазерный нагрев обеспечивает высокую концентрацию энергии на очень малой поверхности изделия и высокие скорости нагрева (при плотности 105 Вт/см2 скорость нагрева 104…105 °С/с; при импульсном режиме на границе круга 250 мкм градиент температуры 103…105 °С/см). Наиболее целесообразна пайка лазером разнотолщин-ных деталей при соотношении толщин 1 : 50 и более, особенно, если массивная деталь изготовлена из более легкоплавкого материала.
Лазерное излучение подвергается фокусировке простыми оптическими средствами, оно проникает сквозь прозрачные вещества (стекло, кварц и др.) и может быть непосредственно направлено к месту пайки изделия, находящегося в изолированном, например, стеклянном контейнере, наполненном аргоном, или вакуумированном до требуемой степени остаточного давления. Для управления интенсивностью лазерного излучения изменяют длительность воздействия, площадь пятна нагрева (фокального пятна), выходную энергию.
Лазерная установка представляет собой комплекс оптико-механических и электрических приборов, основным звеном которого является оптический квантовый генератор. Оптические системы в лазерных установках для обработки материалов выполняют разнообразные функции: передачу лазерного излучения в зону пайки и формирование светового пучка необходимых плотности, мощности и конфигурации; наводку излучения в заданный участок, контроль за ходом процесса, оценку результатов.
Оптическая система может содержать све-товолоконную оптику и голограммы, которые содержат информацию о числе элементарных лучей разложения пучка и о точках их фокусировки. Координатные устройства должны обеспечить фиксацию детали на рабочем столе и точность перемещения лазерного луча относительно детали с необходимой скоростью.
Лазерной пайкой получают мелкие конденсаторы, элементы печатных плат, бумажные конденсаторы, токопроводящие пластины, токоприемники на цоколе лампы, соединения контактов интегральных схем и др.
Нагрев газовым пламенем применяют при пайке как легкоплавкими, так и высокотемпературными припоями. Несмотря на ряд недостатков, нагрев газовым пламенем остается незаменимым методом не только при ручной пайке в единичном производстве и при ремонте, но и в массовом механизированном производстве. В этом случае для газопламенного нагрева используют специализированные установки, например, карусельные и конвейерные. Карусельные установки для газопламенной пайки предлагают в широком ассортименте фирмы различных стран, в основном японские и японо-американские. Наиболее типичны двенадцатипорционные установки, хотя число порций может варьироваться широко. Так, установка для пайки алюминия на воздухе включает порции нанесения флюса и припоя, нагрева изделия под пайку и окисления. Движение карусели непрерывно.
Существуют полностью автоматизированные и даже роботизированные установки с программируемыми циклом передвижения горелок к изделию и ориентированные по нему, зажиганием горелки, выполнением всего цикла пайки, отключением горелок и возвращением их в исходную позицию. Эти установки очень эффективны в условиях единичного и мелкосерийного производства.
При экзотермической пайке нагрев, а иногда и образование припоя, осуществляется в результате экзотермической реакции или агрегатного превращения специальных твердых, жидких или газообразных веществ. Экзотермическая смесь может быть внесена при сборке в виде таблеток, пластинок или нанесена на паяемую поверхность как краска. Смесь, продукты реакции которой образуют припой, затекающий в зазоры, обычно состоит из порошков металлов, оксидов и галогенидов щелочных металлов и др. Недостаток этого способа — сильное коробление паяемого металла при малой его толщине после нагрева теплотой экзотермической реакции.
Термитные шашки (табл. 2.6) [2] применяют для пайки телескопических соединений трубопроводов из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т диаметром 6… 12 мм с толщиной стенки 1 мм. Для концентрации теплоты в процессе горения термитной шашки и защиты обслуживающего персонала от воздействия лучистой энергии применяют специальное теплозащитное устройство, состоящее из разъемного тонкостенного кожуха, футерованного изнутри теплозащитным материалом, обладающим повышенной теплостойкостью и прочностью при многократном нагреве, а также образующим активную среду для пайки. Теплозащитное устройство имеет ввод, через который вставлен воспламенитель термитной смеси (нихромовая спираль, либо электрический запальник). Термитная смесь поджигается дистанционно током низкого напряжения (12…36 В), подаваемым на спираль или воспламенитель.
В устройстве предусмотрен также ввод для подачи аргона, защищающего наружные поверхности трубопровода и припоя в процессе нагрева от окисления. С целью устранения непосредственного воздействия продуктов сгорания шашки на соединяемые поверхности трубопроводов установлен металлический экран в виде толстостенной муфты.
При конденсационной пайке нагрев деталей происходит в результате выделения скрытой теплоты испарения. На рис. приведена одна из схем установки, в которой происходит конденсационная пайка.
На дно установки заливают специальную жидкость с низкой температурой испарения. Жидкость химически инертна по отношению к материалам, контактирующим с ней, и химически стабильна (не разлагается) при пайке. Количество теплоты, выделяемой при конденсации паров жидкости на поверхности деталей, достаточно для расплавления припоя, но недостаточно для ухудшения свойств паяемого материала. Жидкость не имеет запаха, не токсична и не воспламеняется при пайке, плотнее воздуха и не вытекает из камеры пайки, имеет ту же температуру, что и кипящая жидкость. Такими свойствами обладает пер-фтортриамиламин (флюоринерт ГС-70) с температурой кипения и конденсации 215 °С. Нагрев паяемых деталей происходит быстро, без изменения их размеров и формы. Простые мелкие детали нагреваются за 10… 15 с, а массивные (до 10 кг) за 30…90 с. Размер зоны с рабочим паром по высоте фиксируется расположением охлаждающего змеевика, конденсирующего пар на заданном уровне.
Для снижения потерь рабочего пара ГС-70 в результате диффузии или конвенции над зоной пайки располагают пар другого инертного вещества — трихлоротрифлуоретана (Р113) с температурой плавления 88 °С и более низкой плотностью, чем рабочий пар. В зоне пайки содержание воздуха настолько мало, что окисление паяемого материала не происходит. Однако при необходимости возможна пайка с достаточно легкоплавким флюсом.
Для получения неразъемного соединения керамических материалов применяют различные технологические процессы пайки, из которых наибольшее распространение получили: пайка расплавленного (размягченного) стекла с твердым металлом; высокотемпературными припоями с предварительной металлизацией керамики (многоступенчатый способ); адгезионно-активными припоями. Пайку неметаллических материалов осуществляют на том же оборудовании, что и пайку металлов, в частности, в печах сопротивления и индукционных печах с контролируемой атмосферой — нейтральной, восстановительной и в вакууме. В установках с индукционным нагревом, который не позволяет проводить прямой нагрев диэлектрических керамических материалов, все варианты оснастки содержат тонкостенный цилиндрический экран из молибдена, графита или другого тугоплавкого материала. Экран служит для нагрева излучением расположенных внутри него керамических деталей. Для каждого конкретного узла необходимо подбирать индуктор и оснастку с экранами, настраивать генератор, что не всегда обеспечивает равномерный нагрев изделия. Для керамических материалов наиболее перспективны установки с радиационным нагревом, как обеспечивающие более равномерный нагрев одновременно большого числа деталей и регулирование температуры и имеющие источник питания низкой стоимости.
В производстве электровакуумных приборов применяют конвейерные вакуумно-водо-родные электропечи с шлюзованием паяемых изделий. Например, печь типа ИО.59.012 обеспечивает производительность 20 изделий/ч. Другие вакуумно-водородные электропечи предназначены для проведения совмещенных процессов спекания керамических материалов и их пайки с металлической арматурой. Для пайки высокоточных и сложных по конструкции изделий применяют специальную оснастку. В результате создаются условия для сохранения геометрических размеров паяемых изделий.
Несмотря на всевозможные технологические и конструктивные преимущества, пайка не всегда обеспечивает требуемые свойства соединений неметаллических материалов. Неравномерный по толщине и составу слой припоя может вносить дополнительные внутренние напряжения, что существенно снижает термостойкость соединения. Напыление компонентов припоя на диэлектрические материалы вызывает снижение электрической прочности и связанные с этим утечки или пробои паяных узлов из порошкового материала.
Значительную часть изделий, содержащих элементы из неметаллических материалов, выполняют с помощью диффузионной сварки [4, 10]: полупроводников, стекла, керамики с металлами и сплавами. Они отличаются большей надежностью и качественностью соединений, высокими эксплуатационными характеристиками. Диффузионную сварку керамики с металлом применяют в основном для торцовых соединений. Параметрами, определяющими процесс сварки, являются температура нагрева изделий, давление, время сварки и среда, в которой производят сварку (вакуум, водород, формиргаз). В технологическом цикле сварки последовательно выполняют следующие операции: получение в камере заданного вакуума (газовой среды) и контроль за его состоянием; нагрев свариваемых деталей с заданной скоростью и выход на заданную температуру сварки при заданном предварительном сжатии свариваемых деталей; создание заданного сварочного давления и поддержание его в процессе изотермической выдержки и охлаждения; проведение изотермического нагрева и поддержание его на заданном уровне; охлаждение свариваемых деталей с заданной скоростью.
Для диффузионной сварки керамических материалов используют универсальные и специализированные сварочные установки, а также различное оборудование для горячего и изостатического прессования. Установка СДВУ-50/006 предназначена для диффузионной сварки изделий любой формы размером 200 х 250 х 400 мм из различных металлических и неметаллических материалов. На установке предусмотрено применение индукционного, радиационного и контактного способов нагрева соединяемых деталей. Установка оснащена электромеханической передачей усилия сжатия до 100 кН.
Многообразие физических методов нераз-рушающего контроля качества сварных соединений, широкий ассортимент сварных изделий и специфичность требований технических условий на них, объем производства и квалификация персонала предопределяют необходимость в широком выборе средств контроля с целью получения наибольшей технико-экономической эффективности от их применения.
В соответствии с классификацией методов неразрушающего контроля (НК) можно выделить оборудование для радиационного, ультразвукового, магнитного, вихретокового, капиллярного контроля, контроля герметичности. Широко применяются ультразвуковые, магнитные, вихретоковые и радиоволновые толщиномеры.
Радиационный контроль. При радиационном контроле сварных соединений в качестве источников проникающего излучения используют рентгеновские аппараты, гамма-дефекто-скопь!, ускорители заряженных частиц и другие устройства. Стационарные, передвижные и переносные рентгеновские аппараты подразделяются на кабельные и моноблочные. В кабельных аппаратах генератор высокого напряжения и рентгеновская трубка выполнены как отдельные блоки, соединенные между собой высоковольтным кабелем, а в моноблочных они находятся в одном корпусе
В зависимости от анодного напряжения рентгеновские аппараты могут быть непрерывного действия и импульсные. В импульсных аппаратах под воздействием импульса высокого напряжения образуется мощный импульс излучения. Эти аппараты, благодаря малым размерам, обладают повышенной технологической маневренностью, что позволяет использовать их в условиях монтажа.
Техническая характеристика рентгеновских аппаратов непрерывного действия приведена в табл. , а импульсных — в табл. также приведены сведения о специализированных аппаратах “Рейс-100И” и “Сире на-3″. Аппарат “Сирена-З” способен перемещаться со скоростью 20 м/мин внутри трубы на расстояние до 36 м. На рис. 3.1 показан рентгеновский аппарат РАП.
Для дефектоскопии сварных соединений в условиях монтажа чаще всего используются гамма-дефектоскопы, состоящие из следующих основных блоков: радиационной головки с источником излучения, коллими-рующей насадки, ампулопровода, механизма управления (ручного или электромеханического). Дефектоскопы с электромеханическим приводом имеют дистанционный пульт управления. В зависимости от вида и назначения дефектоскопы комплектуются также штативами, транспортными или самоходными те- лежками. Техническая характеристика гамма-дефектоскопов приведена в табл.
В качестве высокоэнергетических источников тормозного рентгеновского излучения, обеспечивающих радиографический контроль сварных соединений, литья и проката толщиной до 500 мм по стали, используют ускорители, сообщающие электронам кинетическую энергию в диапазоне 1…100 МэВ. Отечественной промышленностью выпускаются три типа ускорителей — линейные, бетатроны и микротроны. Техническая характеристика некоторых из них представлена в табл.
Радиография основана на регистрации ионизирующих излучений с помощью серебросодержащих детекторов на прозрачной и непрозрачной основах (рентгеновских пленок, бумаг). В последние годы находит применение электрорадиография, которая основана на использовании полупроводниковых детекторов (пластин или цилиндров), сенсибилизируемых и обрабатываемых после экспонирования в специальной компактной аппаратуре. При этом изображение получают на обычной писчей бумаге. Получили распространение электрорадиографические аппараты типа ЭРЕНГ.
Для непрерывного контроля сварных швов применяют интроскопы, состоящие из рентгеновского аппарата, электронно-оптического преобразователя и видеоконтрольного устройства. В процессе контроля изделие равномерно перемещают между рентгеновской трубкой и приемником излучения (электронно-оптическим преобразователем). Такой контроль обеспечивает чувствительность 3…4% при просвечивании стали толщиной до 30 мм, с устройствами накопления 1,0… 1,5%.
Техническая характеристика некоторых радиационных интроскопов приведена в табл. 3.5. Новые возможности в определении распределения плотности, структуры пространственного армирования открываются с использованием различных радиационных томографов. В табл. 3.6 приведены технические данные радиационных томографов объединения “Спектр”. Томографический снимок — это изображение среза изделия в интересующей плоскости.
Компьютеризированная система П-скан (Дания) состоит из трех основных частей: набора специальных сканирующих устройств, позволяющих фиксировать местоположение и траекторию сканирования преобразователя; переносного программируемого процессора PSP-3 для сбора первичной информации о состоянии контролируемого объекта; персонального компьютера и программного обеспечения для последующего анализа полученных данных и документирования.
В ходе сканирования данные о местоположении преобразователя поступают с датчиков в память процессора. В каждой точке, соответствующей заданному шагу сканирования, в память процессора заносятся максимальные значения огибающей эхо-сигналов вдоль луча. Эта информация представляется на дисплее процессора в виде трехмерного изображения, контролируемого объема в проекциях сверху {ТОР), сбоку {SIDE) и с торца {END). Для отсечки сигналов малой амплитуды, связанных с отражениями от структуры металла, на дисплее в виде черных точек отображаются только те эхо-сигналы, которые превышают заранее установленный уровень отображения.
Таким образом, в ходе сканирования при правильно выбранном уровне отображения оператор может видеть области контролируемого участка, которые были прозвучены, и области, в которые акустические волны по каким-то причинам не попали. Такая форма регистрации данных позволяет оператору проводить контроль и в необходимых случаях принимать дополнительные меры по более тщательному сканированию, а также улучшению акустического контакта. По окончании сканирования все данные переносятся из памяти прибора на гибкий магнитный диск. При этом одновременно производится автоматический перенос данных в долговременную память всех режимов настройки.
В необходимых случаях с помощью встроенного в процессор Р8Р-3 печатающего устройства можно выполнить распечатку с результатами контроля. Для полного анализа данных и подготовки заключительной формы отчета о проведенном обследовании применяется персональный компьютер. В этом случае в качестве исходной информации используются данные, записанные при контроле на гибкий магнитный носитель. Форма изображений результатов аналогична форме изображений на дисплее процессора, однако информативность графических изображений значительно увеличена.
Делается цветовая кодировка сигналов, статистическая обработка данных. Компьютер обеспечивает цветовую кодировку в двух режимах: “кодировка изображения” и “кодировка уровней”. В первом режиме цвет изображений соответствует номеру временного интервала на звуковом луче, в котором находятся данные эхо-сигналы. Такие интервалы могут соответствовать, например, зонам контроля прямым и однократно • отраженным лучами. Этих зон может быть максимум четыре для данного контролируемого объема и для их кодировки используется четыре цвета. В режиме “кодировка уровней” восемь градаций цвета соответствуют амплитуде эхо-сигнала независимо от того, в каком временном интервале он находится, и используются для оценки величины дефекта. Результаты обследования представляются в виде цветных распечаток, аналогичных изображениям на дисплее компьютера.
В зависимости от назначения, обусловленного методикой контроля, различают прямые, наклонные (призматические) и раздельно-совмещенные ультразвуковые преобразователи. Прямые преобразователи типа П111 в основном используют для выявления несплошно-стей в материалах и сварных швах со снятым валиком усиления теневым или эхо-импульсным методом. Наклонные преобразователи типа П служат для контроля сварных соединений как теневым, так и эхо-импульсным методами с вводом ультразвуковых волн в зону сварного шва через стенку изделия под углом к поверхности. Раздельно-совмещенные преобразователи типа П112 эффективны для выявления расслоений в материале сварных соединений, пор и шлаковых включений в швах, а также несплавлений в слоистых материалах, получаемых сваркой трением и взрывом.
Для ультразвукового контроля в иммерсионном варианте, когда изделие погружается в ванну и ввод ультразвуковых волн осуществляется через толстый слой жидкости, применяют иммерсионные преобразователи типа П.
