Приборы и методы акустического контроля

Введение

 

Одним из действенных  резервов повышения качества и надежности продукции машиностроения и других отраслей является неразрушающий контроль.  Наибольшее развитие получила ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими методами неразрушающего контроля она обладает важными преимуществами: высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин и непроваров, большой производительностью, возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса, низкой стоимостью контроля.

Ультразвуковые  методы контроля позволяют получить информацию о дефектах, расположенных  на значительной глубине в различных  материалах, изделиях и сварных соединениях. Автоматизация ультразвукового контроля не только повышает производительность труда, но и позволяет получить объективную картину качества изделия или сварного соединения, подобную рентгенограмме. Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных отраслях народного хозяйства: в энергетике, тяжелом и химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте, в судостроении. Ежегодно методами ультразвуковой дефектоскопии контролируются сотни тысяч метров сварных соединений металлоконструкций, десятки тысяч трубных соединений, сварных стыков рельсов, оценивается качество деталей сосудов и аппаратов высокого давления, поковок, труб, листового проката и другой продукции. Эта работа выполняется операторами-дефектоскопистами. От их квалификации, теоретической и практической подготовки во многом зависит объективность получаемых результатов контроля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ характеристик объекта контроля

 

В данном курсовом проекте  необходимо разработать технические  средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля изделия из стали, эскиз которого изображен на рисунке 1.1.

 

 

             

                   

               

                                                                                

         Рисунок 1.1 – Эскиз заданного изделия

 

Изделие изготавливается из двух труб различного диаметра, которые соединяются специальными коническими переходниками посредством сварки. В изделии необходимо произвести контроль сварных швов.

     Сварные швы изделия  выполнены в соответствии с  ГОСТ 14771-76.

     Эскиз сварного шва изображен на рисунке 1.2.

     

        Рисунок 1.2 – Эскиз сварного соединения

 

Таблица1.1 – Параметры  сварного соединения по ГОСТ 14771-76

b, мм	с, мм	e, мм	g, мм	α, град
2,0+1,0;-2,0	2.0+1,0;-2,0	13±4,0	1±1,0	20±2,0

    Материалом контролируемой детали является сталь 12Х18Н10Т. Она имеет следующие акустические и физические характеристики [11].

(Таблица 1.2)

 

Таблица 1.2. – Характеристики стали 12Х18Н10Т

Плотность r	7,63×103 кг/м3
Скорость продольных волн Сl	5760 м/с
Модуль упругости Е	220000 МПа
Температурный коэффициент скорости распространения ультразвука	0,5-0,7 м/с
Модуль сдвига G	77000 МПа;

 

     Сталь 12Х18Н10Т является  аустенитной сталью и применяется  для изготовления  деталей, работающих до 600 °С, сварных аппаратов и сосудов, работающих в разбавленных растворах азотной, уксусной, фосфорной кислот, растворах щелочей и солей и других деталей, работающих под давлением при температуре от —196 до +600 °С, а при наличии агрессивных сред до +350 °С. Обладает хорошей свариваемостью.

    Сварное соединение выполнено полуавтоматической сваркой в углекислом газе. При данном виде сварки применяют только плавящийся электрод. Процесс полуавтоматической сварки заключается в том, что сварочный инструмент перемещается рукой сварщика, а электродная проволока подается по гибкому шлангу с помощью отдельно установленного механизма к соплу сварочного инструмента [3].

      Подготовка металла  под сварку состоит в следующем.  Чтобы в наплавленном металле не было пор (рисунок 1.3) , кромки сварных соединений необходимо зачищать от ржавчины, грязи, масла и влаги на ширину до 30мм по обе стороны от зазора. В зависимости от степени загрязнения зачищать кромки можно протиркой ветошью, зачисткой стальной щёткой, опескоструиванием, а также обезжириванием с последующим травлением. Следует заметить, что окалина почти не влияет на качество сварного шва, поэтому детали после газовой резки могут свариваться сразу после зачистки шлака. Состояние поверхности перед контролем должно быть не менее Rz 40.

 

  Рисунок 1.3 – Пористость в металле шва

 

    На свойство металла  шва влияет качество углекислого  газа. Повышенное содержание в  нем водяных паров и воды  способствует образованию пор  даже при хорошей защите от воздуха.

    В связи с тем, что сталь 12Х18Н10Т, из которой изготовлен объект контроля, является сталью аустенитного класса, существует ряд особенностей при сварке изделий из данного материала.

    Основные трудности сварки рассматриваемой стали обусловлены многокомпонентностью ее легирования и разнообразием условий эксплуатации сварных конструкций. Главной и общей особенностью сварки является склонность к образованию в шве и околошовной зоне горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер. Горячие трещины как правило имеют небольшое раскрытие, слабо шероховатую, почти плоскую поверхность. Отражение от них ультразвука блзко к зеркальному и поэтому он выявляются плохо. К горячим трещинам относятся поперечные, ориентированные поперек оси шва и расположенные в шве или околошовной зоне (рисунок 1.4). Горячие трещины могут наблюдаться как в виде мельчайших микронадрывов, так и видимых трещин. Они могут возникнуть и при термической обработке или работе конструкции при повышенных температурах. Образование горячих трещин связано с формированием при сварке крупнозернистой макроструктуры, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя, и наличием напряжении усадки.

Рисунок 1.4. Поперечные горячие  трещины

 

   Кроме сложности получения на аустенитных высоколегированных сталях и сплавах швов без горячих трещин, имеются и другие особенности сварки, обусловленные особенностями их использовании. К сварным соединениям жаропрочных сталей предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высоких механических свойств при повышенных температурах. Большие скорости охлаждения при сварке приводят к фиксации неравновесных структур в металле шва. В процессе эксплуатации при температурах выше 350° С в результате диффузионных процессов в стали появляются новые структурные составляющие, приводящие к снижению пластических свойств металла шва. Термическое старение при 350—500'" С вызывает появление «475-градусной хрупкости», а при 500—650^е С приводит к выпадению. Выдержка при 700—850° С интенсифицирует охрупчивание металла при более низких температурах и снижение прочности при высоких температурах. При этом возрастает роль интерметаллидного упрочнения. В процессах теплового старения аустенитных сталей ведущее место занимают процессы карбидного и интерметаллидного упрочнения, поэтому для уменьшения склонности сварных соединений жаростойких и жаропрочных сталей к охрупчиванию в результате выпадения карбидов эффективно  снижать  содержание  углерода и основном металле  и   металле  шва.

   В околошовной зоне жаропрочных аустенитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что может повести к образованию в этой зоне трещин (рисунок 1.5).

      Рисунок 1.5. - Трещины

 

 Локальные разрушения характерны для участка перегрева околошовной зоны и являются  межкристаллическими   разрушениями  вследствие  концентрации деформаций по границам зерен и развития процессов межзеренного проскальзывания.

      При сварке в околошовной зоне также возможно образование холодных трещин. Предварительный и сопутствующий нагрев до 350—450° С уменьшает опасность образования холодных трещин. Холодные трещины, как правило, имеют значительно большие размеры, неровную поверхность, сильно развиты в трехмерном пространстве. Довольно легко обнаруживаются по «блестящим точкам», т.е. по участкам, благоприятно ориентированным к падающему лучу ультразвука.  

     Межкристаллитная коррозия в металле шва возникает в результате выделения из аустенита под действием термического цикла сварки карбидов хрома, приводящих к обеднению хромом приграничных объемов зерен. Основными причинами этого являются повышенное содержание в металле шва углерода и отсутствие или недостаточное содержание титана или ниобия. Стойкость шва против межкристаллитной коррозии уменьшается в результате длительного воздействия нагрева при неблагоприятном термическом цикле сварки или эксплуатации изделия.

     Межкристаллитная коррозия основного металла на некотором расстоянии от шва также вызвана действием термического цикла сварки на ту часть основного металла, которая была нагрета до критических температур.

  Общая коррозия, т. е. растворение металла в коррозионной среде, может развиваться в металле шва, на различных участках или в околошовной зоне в целом и в основном металле. В некоторых случаях наблюдается равномерная общая коррозия основного металла и сварного соединения.

   Имеется еще один вид коррозионного разрушения —коррозионное растрескивание, возникающее под совместным действием растягивающих напряжений и агрессивной среды. Разрушение развивается как межкристаллитное, так и транс-кристаллитное. Снижение остаточных сварочных напряжений—одна из основных мер борьбы с этим видом коррозионного  разрушения.

    К дефектам, которые могут  образовываться в процессе сварки, относятся непровары (рисунок 1.6) – это дефекты в виде местного несплавления в сварном соединении вследствие неполного расплавления кромок. Причинам образования непроваров и несплавлений являются: плохая зачистка кромок свариваемых деталей от окалины, ржвчины, краски, шлака, масла  и других загрязнений, блуждание или отклонение дуги под влиянием магнитных полей; электроды из легкоплавкого материала; чрезмерная скорость сварки, при которой свариваемые кромки не успевают  расплавиться; неудовлетворительное качество основного металла, электродов и т.д.

 

Рисунок 1.6 - Непровары  в корне шва

 

 Непровар в корне шва является недопустимым дефектом. Причинами образования непроваров в корне шва, кроме указанных ранее, могут быть: недостаточный угол скоса кромок и большая величина их притупления; недостаточный зазор между кромками свариваемых деталей [4].

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   2 Сравнительный анализ известных методик УЗ-контроля сварных швов

     

        Сварные стыковые соединения обычно контролируют эхо-методом наклонным совмещенным преобразователем с двух сторон шва и по одной поверхности стыка. При этом применяют прямой  (m=0)  и однократно отраженный лучи (m=1)  (рис. 2.1).

             

  Рисунок 2.1- Схема контроля стыковых соединений:

а- прямым лучом; б- однократно отраженным лучом; в- по слоям для соединений большой толщины.

        При контроле швов, выполненных односторонней сваркой, толщиной 10—30 мм эхо-сигналы от провисания металла в корне шва мешают расшифровке сигналов на экране дефектоскопа. Если при сварке провисания шва не образуются или они очень малы, то контроль производится одним преобразователем прямым и однажды отраженным лучом за одни прием. Для соединений толщиной 10—15 мм наиболее эффективно применение стандартного преобразователя с β = 50—53° на частоту 5 МГц.

     Если же ложные сигналы от провисаний велики, то с целью повышения надежности и помехоустойчивости контроль целесообразно проводить раздельно в корневой и остальной части шва. При этом верхнюю часть шва предпочтительнее контролировать однократно отраженным лучом преобразователем с β=40°.[9]

      Однако данный данный объект контроля выполнен из стали 12Х18Н10Т- стали аустенитного класса. Поэтому существуют некоторые особенности контроля сварных соединений аустенитных сварных швов.

      Аустенит - высокотемпературная аллотропическая модификация сплава железа с углеродом. Благодаря легирующим добавкам эта структура сохраняется при комнатных температурах. Аустенитная сталь не ржавеет, не обладает ферромагнитными свойствами.

Сварные соединения из сталей аустенитного класса имеют крупнозернистую анизотропную структуру. Гранецентрированные кристаллы аустенита начинают расти перпендикулярно кромке сварного шва и по мере заполнения шва растут вдоль направления теплоотвода, т.е. перпендикулярно границе расплавленного металла. При нанесении последующего валика шва в нем продолжается рост кристаллитов от предыдущего валика (явление эпитаксиальности). В результате возникают столбчатые кристаллиты, проходящие через все валики шва -транскристаллитная структура.