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.
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.
Ультразвуковой контроль. Широкое распространение в промышленности и строительстве получили импульсные ультразвуковые дефектоскопы (УЗД), предназначенные для обнаружения внутренних дефектов в материалах и сварных соединениях, работающие в диапазоне частот 0,02…30 МГц . В общем случае УЗД включает: генератор электрических импульсов ультразвуковых частот; блок синхронизации и развертки; усилитель; блок индикации; блок автоматической сигнализации о наличии дефекта; блоки временной регулировки чувствительности и питания.
В зависимости от области применения УЗД подразделяют на дефектоскопы общего назначения и специализированные. По целевым функциям дефектоскопы классифицируют на четыре группы: 1) только для обнаружения дефектов (пороговые УЗД); 2) для нахождения дефектов, измерения глубин их залегания и измерения отношений амплитуд сигналов от дефектов; 3) для обнаружения дефектов, измерения глубин их залегания и эффективной площади дефектов; 4) для обнаружения дефектов распознавания их формы или ориентации, измерения глубин залегания, условных размеров.
Основные характеристики отечественных дефектоскопов общего назначения приведены в табл. С их помощью осуществляется ручной контроль сварных соединений эхо-методом, теневым и зеркально-теневым методами. Наиболее распространенный импульсный ультразвуковой дефектоскоп УД2-12 показан на рис. 3.2. Эти дефектоскопы позволяют определять глубину залегания дефектов по цифровому индикатору и оценивать условные размеры дефектов путем измерения отношений амплитуд сигналов, отраженных от дефектов. Дефектоскоп УД2-12 дополнительно позволяет осуществлять ручную настройку на 12 программ работы и автоматическую настройку на заданный режим всех параметров контроля. Для ввода ультразвуковых волн в металл применяются преобразователи различного рода: прямые, наклонные, раздельно-совмещенные, с постоянным и переменным углами ввода, матричные и др.
Основным преимуществом компьютеризированных систем перед обычными ультразвуковыми приборами является существенное повышение объективности и достоверности результатов исследования, которое достигается благодаря следующим новым возможностям оборудования: автоматической регистрации траектории сканирования преобразователя с одновременной записью всех сигналов, поступающих на приемное устройство от объекта; регистрации параметров настройки для последующего воспроизведения анализа и документирования; получению изображения дефекта в трех ракурсах (виды сверху, с торца и сбоку).
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.
