При механизированном и автоматизированном контроле сварных соединений и наплавки, чаще всего используют щелевой (полуиммерсионный) ввод УЗ-колебаний и прием отраженных сигналов через локальную жидкостную ванну. Для создания такой ванны в зазоре (щели) между преобразователем и поверхностью изделия применяют уплотняющие устройства всевозможных конструкций. Преобразователи, снабженные устройствами для создания щелевого зазора и локализации контактной жидкости, получили название ультразвуковых искательных головок. Такая искательная головка обеспечивает возможность контроля сварных соединений с прямолинейной, вогнутой, выпуклой или переменного профиля поверхностью без подгонки и притирки уплотняющего элемента по изделию.
По уровню механизации оборудование можно подразделить на средства малой механизации и автоматизированные системы. К средствам малой механизации относится тележка-дефектоскоп НК-120 для УЗК сварных швов полотнищ из листовой стали (например, заготовок рулонированных резервуаров). Тележка представляет собой платформу с расположенными по продольной оси катками, профиль которых зеркально повторяет профиль валика усиления сварных швов сваренного полотнища. Перемещаясь по сварному шву, дефектоскоп контролирует его с помощью двух или четырех преобразователей, расположенных по обе стороны от валика усиления.
Примером автоматизированной установки является установка НК-106, предназначенная для ультразвукового контроля сварных швов газонефтепроводных труб большого диаметра в потоке сварочных станов. Отличительными особенностями установки НК-106 являются: система отслеживания поверхности трубы; механоакустический блок, обеспечивающий возможность осуществлять контроль по прямой, К-образной и Ж-образной схемам. Контроль проводится при расположении сварных швов в горизонтальной плоскости за один проход.
Для контроля качества сварки взрывом биметаллических труб и три металлических колец созданы автоматизированные установки НК с раздельно-совмешенными преобразователями. Контроль осуществляется при вращении изделий и прямолинейном движении искательной головки, т. е. при относительном перемещении головки по спиральной траектории с шагом 8 мм. Компьютер, согласно заданной программе, управляет работой приводов, обрабатывает и выдает на экране дисплея информацию о качестве акустического контакта, наличии дефектов и их координатах, осуществляет распечатку информации в цифровом виде и управляет работой отметчика дефектов.
Ультразвуковой контроль наплавки чаще всего применяется в энергетическом машиностроении и для контроля элементов буровой техники. При контроле наплавки контролируется зона сплавления основного и наплавленного металла и непосредственно наплавленный слой изделия. При ультразвуковом контроле наплавки обычно применяют прямые или раздельно-совмещенные преобразователи.
Контроль проводится как со стороны основного металла, так и со стороны наплавленного слоя. Например, в Институте электросварки им. Е. О. Патона разработаны установка и технология автоматизированного ультразвукового контроля цапф лап буровых долот.
Для контроля кольцевых швов сваренных газо- и нефтепроводов диаметром 720… 1420 мм в полевых условиях предназначено полуавтоматическое устройство НК-143 “Спутник” , транспортная часть которого разработана на базе устройства для газовой резки труб “Ор-бита-2″. Устройство устанавливается на трубу и крепится с помощью разъемных поясов, являющихся направляющими для самоходного механоакустического блока. Два многоэлементных преобразователя подвешены шарнир-но в вилках амортизаторов и располагаются по обе стороны сварного стыка.
Одним из видов неразрушающего контроля является сопоставление скоростей звука с целью определения напряженного состояния материала. Так, прибор НЗМ001 предназначен для ручного контроля эхо-импульсным методом механических напряжений или механических усилий. Этим прибором проверяются детали с диаметром не менее 8 мм и длиной 20…4500 мм. Отношение длины к диаметру должно быть не более 7. Контроль напряжений осуществляется от 7 МПа до предела текучести материалов со скоростями распространения продольных ультразвуковых колебаний 2500…7000 м/с, с затуханием не более 0,3 дБ/см на частоте 5 МГц.
Определение механических напряжений проводится путем измерения приращения или относительного изменения времени распространения УЗК, вызванного изменением прикладываемых механических усилий. Блок с индикацией аналогового сигнала и цифровой информации позволяет обеспечивать большую точность и воспроизводимость результатов измерений. Микропроцессорный блок обеспечивает обработку измерений и их запоминание. В памяти могут храниться параметры упругих характеристик материалов, тариро-вочные данные и другие характеристики, необходимые для обработки результатов акустических измерений. Объем памяти позволяет запоминать данные не менее, чем для 128 материалов.
Наличие встроенного аналого-цифрового преобразователя позволяет автоматически учитывать в процессе контроля влияние различных внешних воздействий, например: геометрических размеров, температуры. Имеется возможность подключения к прибору внешних регистрирующих, запоминающих устройств и ЭВМ.
Магнитный и вихретоковый контроль. Оборудование для магнитного и вихретокового контроля характеризуется наличием полеза-дающих устройств и средств обнаружения магнитного поля рассеяния дефекта. При этом используется широкий спектр частот, начиная от постоянного магнитного поля до переменных полей с частотами десятков мегагерц.
Магнитные дефектоскопы предназначены для контроля качества сварных соединений изделий из ферромагнитных материалов. По способу регистрации дефектов их можно разделить на магнитопорошковые, магнитографические, фсррозондовые, индукционные и др. Намагничивание изделий при контроле производится в результате приложения внешнего магнитного поля или пропускания через деталь электрического тока. К. основным узлам дефектоскопов для магнитопорошкового контроля относятся: источники тока; устройства подвода тока, полюсного намагничивания (соленоиды, электромагниты); средства нанесения на контролируемую деталь суспензии; осветительные устройства; измерители тока.
Набор средств, имеющихся в стационарных универсальных установках, позволяет производить циркулярное, полюсное и комбинированное намагничивание, что обеспечивает надежный магнитопорошковый контроль как в приложенном поле (для деталей из магнито-мягких материалов), так и способом остаточной намагниченности (для изделий из маг-нитотвердых материалов).
Для магнитопорошкового контроля изделий из ферромагнитных материалов широкое распространение получили переносные и передвижные дефектоскопы, например, ПМД-70, МД50 и др. В качестве индикаторных средств используются как магнитные, так и магнито- люминесцентные порошки, пасты и суспензии. Эффективно применение для экспресс-контроля магнитопорошковых дефектоскопов типа “МАГЭКС”, в комплект которых входят малогабаритные намагничивающие устройства, источником магнитной энергии в которых служат высокоэффективные постоянные магниты. Масса таких устройств 1…2 кг, они позволяют намагничивать изделия по участкам, непрерывно протяженные участки , например, протяженные стыковые сварные соединения, а также изделия сложной геометрической формы с возможностью независимой регулировки межполюсного расстояния и напряженности магнитного поля.
При магнитографическом контроле поля рассеяния дефектов фиксируются на магнитную ленту, накладываемую на поверхность сварного шва. Намагниченность ленты определяется приложенным магнитным полем и полями рассеяния дефектов. Информация о дефекте считывается с помощью магнитографического дефектоскопа, имеющего лентопротяжное устройство, индукционную головку и осциллографический индикатор. Для воспроизведения записи ленту перемещают вдоль вращающейся индукционной головки. Возникающий в головке электрический сигнал пропорционален величине поля рассеяния дефекта.
Для намагничивания контролируемых сварных швов применяют передвижные намагничивающие устройства типа ПНУ и др. Для магнитографического контроля используется несколько типов магнитографических дефектоскопов полуавтоматических установок на их основе. В дефектоскопе МДУ-2У применена теневая и импульсная индикации сигналов от дефектов. Верхняя часть экрана трубки отведена для теневой индикации с размером кадра 35 х 140 мм, а нижняя — для импульсной с размером кадра 70 х 120 мм.
В дефектоскопе МД-40Г осуществляется воспроизводство магнитограмм на электрохимической бумаге и аналоговая запись сигналов, полученных от преобразователей. Принцип действия дефектоскопа основан на построчном считывании с магнитной ленты полей, зафиксированных в процессе контроля, с последующей обработкой и частотной селекцией сигналов. Для магнитографического контроля применяют различные магнитные ленты, отличающиеся магнитными свойствами, размерами и пр.
Дефектоскопы, у которых в качестве входного преобразователя используются индукционные и феррозондовые преобразователи, находят применение для автоматизированного контроля качества изделий из ферромагнитных материалов. Так, индукционный дефектоскоп типа ДИТ-1К предназначен для проверки труб диаметром 20… 102 мм при скорости движения менее 4 м/с. Максимальная толщина стенки контролируемой трубы 6 мм. Особен- ностью дефектоскопа является использование бесконтактной поперечной системы намагничивания. Прибор обнаруживает поверхностные дефекты глубиной более 0,22 мм, а также подповерхностные дефекты труб.
Для контроля качества холоднокатанных и холоднотянутых труб диаметром 20… 102 мм предназначен индукционный дефектоскоп ДК, а для контроля холоднокатанных полос — дефектоскоп МД-. На основе фер-розондовых преобразователей созданы установки УФКТ-1М и МД-10Ф для контроля качества ферромагнитных изделий. С их помощью выявляются трещины, волосовины, раковины в стенках труб. Феррозондовый дефектоскоп типа МД-10Ф предназначен для контроля качества бесшовных труб диаметром 20… 146 мм с толщиной стенки менее 12 мм. В дефектоскопе имеются восемь вращающихся вокруг трубы феррозондовых преобразователей, сигналы которых, пропорциональные изменению магнитного поля дефектов, обрабатываются и регистрируются восьмиканальной аппаратурой с осциллографическим индикатором и блоком автоматики. Дефектоскоп управляет работой устройства сортировки труб.
Для полуавтоматического контроля качества поверхности и сварных соединений толстостенных ферромагнитных изделий разработаны феррозондовые установки “Радиан-1М” и “Магнетон-2М”. Ряд феррозондовых магнитных дефектоскопов предназначен для контроля качества рельс, уложенных в пути. Работа дефектоскопов типа МРД основана на намагничивании в продольном направлении постоянным магнитом контролируемого участка рельса и считывании феррозондом поля дефекта. Магнитный контроль применяется для обнаружения поверхностных дефектов наплавленного слоя.
Вихретоковые дефектоскопы используют для контроля поверхности электропроводящих материалов путем возбуждения в них вихревых токов и регистрации изменения их полей дефектами. Так выявляют поверхностные и подповерхностные дефекты в сварных соединениях, измеряют геометрические размеры, определяют электрические и магнитные характеристики материалов. В дефектоскопах, как правило, реализованы амплитудно-фазовый и амплитудно-частотный способы контроля. Преобразователи дефектоскопов выполняются проходными или накладными, в зависимости от формы изделия контроля (листы, прутки, трубы, проволока и др.). Известны вихретоковые дефектоскопы ВД- и др. Чувствительность ферромагнитных материалов этих приборов позволяет выявлять дефекты с глубиной 0,1 мм и протяженностью 0,5 мм.
Вихретоковый метод можно применять также и для поиска поверхностных дефектов в наплавленном слое изделий.
Одним из основных технических требований к универсальной многоканальной системе является требование применимости состава оборудования. Это означает, что форматы сообщений, аппаратура сопряжения устройств и логика управления ими, а также конструктивные характеристики системы должны быть такими, чтобы присоединение нового устройства к данной системе не вызывало никаких изменений кроме изменений в программном обеспечении. Таким образом, можно расширять и модернизировать систему по мере выявления новых требований или разработки новых более совершенных устройств, тем самым предотвращая ее нормальное старение.
Одним из примеров подобного решения является многоканальная система АФ, построенная по модульному принципу. Модуль состоит из восьми групп (по четыре канала каждая). При необходимости контроля крупных объектов к одной ЭВМ подключается требуемое число модулей, ограничение связано только с емкостью оперативной памяти ЭВМ. В зависимости от размеров контролируемого изделия система АФ-33 может содержать 4 — 384 каналов.
В ИЭС им. Е. О. Патона разработана АЭ-система ИИСТД-1 для измерения и оценки параметров акустической эмиссии, возникающей при деформировании материала и предшествующей их разрушению. Система обеспечивает: вычисление местоположения источников АЭ; определение диагностических, энергетических и статистических характеристик процессов АЭ из разных источников; оперативное отображение и документирование информации. Информация поступает по 48 каналам. При нагружении испытываемой конструкции возникающие в зоне контроля вспышки АЭ преобразуются в электрические сигналы, усиливаются, селектируются и поступают в устройства измерения относительных задержек прихода волны. Одновременно измеряется амплитуда и энергия приходящего сигнала. Полученная информация формируется в сообщение, передаваемое в ЦВМ через устройство связи системы. Рассчитывается место вспышки АЭ, уточняется влияние амплитуды и энергии вспышки, локализуется зона эмиссии. В каждой из локализованных зон эмиссии фиксируются интенсивность последней и количество вспышек АЭ.
В процессе испытаний информация о состоянии объекта может индицироваться на видеоконтрольном устройстве и распечатываться в виде таблиц и графиков. Математическое обеспечение системы включает программы: диспетчера, рабочие и ввода информации. В системе предусмотрен аппаратурный и программно-тестовый контроль проверки ее работоспособности. Тенденции развития
— Развитие неразрушающих методов контроля тесно связано с научно-техническим прогрессом сварки и материаловедения. Пока нельзя обеспечить гарантированное качество ответственных сооружений и сварных конструкций без использования средств неразру-шающего контроля. Совершенствование средств неразрушающего контроля происходит в соответствии с достижениями в области электроники, приборостроения, вычислительной техники. Новые возможности в дефектоскопии открываются с разработкой различных компьютеризированных систем. С помощью ЭВМ обрабатываются большие объемы информации и обеспечивается высокая достоверность результатов исследований, визуализируются дефектные зоны.
— Для многих технологий свойственны дефекты с малым раскрытием (оксидные пленки, слипания, структурные пятна), выявление которых внутри соединения требуют сложных методик, характеризующихся повышенной чувствительностью, большим числом измерений и особыми алгоритмами обработки информации. При этом производится запись информации на уровне структурных шумов материала и выбор браковочных порогов, адаптированных к структуре, что можно выполнить только с использованием вычислительной техники.
— Распространение в промышленности изделий из композитных материалов, керамики и пластмасс потребует разработки низкочастотных и особовысокочастотных ультразвуковых дефектоскопов, акустических микроскопов, распространения микрофокусных аппаратов и на их основе рентгеновских микроскопов. Новые возможности открываются с созданием специальных волоконно-оптических преобразователей.
— В области наплавки и защитных покрытий возможно создание систем, измеряющих толщину слоя, его адгезию, пористость, твердость, шероховатость, химический состав, наличие внутренних дефектов и статистическое представление результатов исследований.
— Дальнейшее развитие получат комплексные системы неразрушающего контроля в технической диагностике ответственных сварных объектов, с повторяющимися отдельными видами неразрушающих испытаний. Приближаются по значимости ультразвуковые и радиационные виды неразрушающего контроля.
Сварка выполняется по двухэлектродной схеме неплавящимся электродом в среде аргона. Во время сварки головка с электрододер-жателями неподвижна, вращаются детали.
Установка Н предназначена для механизированной сварки в защитной среде азота кольцевых швов силовых полупроводниковых приборов, свариваемый материал — ковар и коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т. В состав установки входит вращатель, узел элек-трододержателей и трехпозиционный стол. На первой позиции происходит центровка и фиксация изделия в цанге вращателя, на второй позиции из изделия откачивается воздух (разрежение менее 1,31 Па), а затем происходит заполнение камеры азотом. На третьей позиции происходит сварка кольцевого стыка. При сварке вращается изделие, двухэлектрод-ная головка неподвижна. После окончания сварки производится выгрузка сваренного изделия. Производительность установки составляет 180…200 изделий/ч.
Автоматическая установка Н-108 работает по методу контактного плавления при герметизации трубных каналов из коррозионно-стойкой стали. Отличительной особенностью установки является то, что приварка заглушек производится внутри трубы на глубине до 4 м. Двухэлектродная сварочная головка приводится в движение приводом, установленным снаружи у торца трубы.
Сварка контактным плавлением может производиться на переменном или постоянном токе. В качестве источников питания могут быть использованы трансформаторы, выпрямительные устройства, кислотные или щелочные аккумуляторы электроэнергии, обеспечивающие необходимые электрические параметры сварочной цепи. Сила сварочного тока обычно составляет 100…500 А и более при напряжении холостого хода 2…6 В.
Источники питания. Для сварки контактным плавлением Институтом электросварки им. Е. О. Патона созданы специализированные источники питания типов И и И-18. Главным требованием, предъявляемым к специализированным источникам питания, является обеспечение стабильности режима сварки по установленной программе, независимо от колебаний напряжения питающей сети, нагрева токопроводящих кабелей и электродов и многих других факторов, влияющих на параметры сварочной цепи. На рис. представлена диаграмма одной из возможных технологических программ изменения силы сварочного тока во времени . Первый участок программы характеризуется плавным ростом силы тока, что позволяет исключить выброс металла в контакте электрод—деталь в начальный момент сварки. На участке сила тока должна стабильно поддерживаться постоянной. На участке происходит плавное снижение силы тока в связи с окончанием сварки, что исключает появление кратеров и выброс металла из сварного шва на заключительном этапе сварки. В ряде случаев участок может быть более сложным.
В состав источника питания И входит однофазный силовой трансформатор. Стабилизация режима сварки и управление по заданной программе осуществляются тиристор-ным регулятором напряжения типа РНТО, включенным в первичную обмотку сварочного трансформатора. При сварке постоянным током сварочная головка подключается к источнику через выпрямительный блок. Переменное напряжение сварочного трансформатора выпрямляется диодами блока с последующей фильтрацией дросселем. Стабилизация амплитуды выпрямленного напряжения производится ограничительными диодами блока, шунтирующими сварочную цепь. Питание источника осуществляется от сети с напряжением 220 В. Пределы регулирования сварочного тока 5… 1500 А.
Более совершенный источник питания И представляет собой выпрямитель, преобразующий трехфазный переменный ток номинальным напряжением 380 В в постоянный. Управление процессом сварки осуществляется с помощью микропроцессорной системы на базе однокристальной микроЭВМ. Регулирование силы тока в сварочной цепи и выполнение заданной программы его изменения производится посредством блока силовых транзисторов (типа ТКД 165-250-1), включенного последовательно в сварочную цепь. Система управления допускает набор 16-ти программ, при необходимости их число может быть увеличено до 32. Пределы регулирования сварочного тока 10… 1000 А.
Источник питания И-185 отличается от И-176 наличием однофазного силового сварочного трансформатора. Управление током сварочной цепи осуществляется посредством тиристорного контактора серии КТ, включенного в первичную цепь силового трансформатора. Блок программного управления выполнен на базе однокристальной микроЭВМ. Пределы регулирования сварочного тока 10… 1000 А, питание источника осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220 В.
