Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

Рис. 71. Ультразвуковой паяльник УЗП2-0.025

Для ультразвукового лужения создано много различ­ ных ванн, которые уже давно применяются на промышлен­ ных предприятиях. Например, ультразвуковая ванна УВЛ-4, разработанная проектно-конструкторским бюро (ПКБ), предназначена для бесфлюсового лужения и пайки алюминиевых и медных проводов. Внедрение ультразву­ кового метода лужения алюминия исключает необходи­ мость применения специальных агрессивных флюсов, уменьшает трудоемкость процесса лужения на 20—30%, позволяет заменить медные провода алюминиевыми. Уста­ новка для ультразвукового лужения состоит из ванны лужения УВЛ-4 и ультразвукового генератора УГ-32. Продолжительность пайки плетей алюминиевых проводов диаметром до 4 мм без предварительного обезжиривания 3—4 с. Время пайки плети алюминиевого провода с мед­ ным в ванне лужения с предварительным обезжирива­ нием 5— 6 с, рабочая частота 18 кГц; мощность, потреб­ ляемая генератором 800 Вт, масса ванны 18 кг.

Одна из последних моделей ультразвуковых ванн —■ УЗВЛ-0,4-44 является первым промышленным образцом с повышенной рабочей частотой. Она предназначена для лужения легкоплавкими припоями мелких деталей из алюминия и его сплавов, феррита, керамики, стекла и других материалов. Процесс лужения может произво­ диться как непосредственно на отдельных рабочих местах, так и в автоматических линиях. Ультразвуковая ванна УЗВЛ-0,4-44 отличается от других, в том числе и от уль­ тразвуковой ванны УН1-0,4-ВЛ меньшими размерами, имеет хороший внешний вид, более надежна в работе. Питается ванна от ультразвукового генератора УЗГ-З-0,4. Потребляемая мощность ванны 350 Вт, напряжение пи­

210

регулирования температуры 200—450° С, время установ­ ления заданных режимов 30 мин, производительность до 250 присоединений в час, габаритные размеры 500 х 570 X Х500 мм, масса 30 кг.

Промышленное применение ультразвуковой пайки и лужения

Ультразвуковая пайка и лужение находят промышленное применение в следующих технологических процессах: пайка и лужение проволоки из различных материалов без предварительной зачистки, припаивание алюминиевой или медной проволоки к свинцовым выводам конденса­ тора, припаивание свинцовой проволоки к угловым со­ противлениям, пайка и лужение деталей из разнородных металлов и сплавов, лужение керамики, ферритов и стекла и припаивание к ним заземляющих проводников, пайка хромированных штырьков электронных ламп, ис­ правление небольших поверхностных дефектов в отливках

исварных заготовках, пайка деталей из нержавеющей стали и чугуна, лужение деталей и меди, латуни, бронзы

ицинка, полуавтоматическая и автоматическая пайка

деталей электронных ламп методом погружения и др.

Г л а в а VII У Л Ь Т Р А З В У К О В А Я Д Е Ф Е К Т О С К О П И Я

Сущность ультразвуковой дефектоскопии

Ультразвуковая дефектоскопия — один из методов нераз­ рушающего контроля. Она нашла широкое применение

вмашиностроении для обнаружения различных дефектов

вдеталях и заготовках. С помощью ультразвука можно проверять детали больших размеров, так как глубина проникновения ультразвука в металле достигает 8 — 1 0 м. Ультразвуковой метод позволяет обнаруживать очень маленькие дефекты (до ІО- 6 мм), в то время как, например, рентгеновскими лучами можно обнаружить дефекты, раз­ меры которых составляют 1,5—2% от общей толщины изделия. Расчеты показывают, что слой воздуха толщиной 10- 5 мм и более при частоте 5 мГц отражает 100%'послан­

ной энергии, слой менее ІО- 5 —- 90%, а слой 10_ 6 мм — 80%. Ультразвуковые дефектоскопы позволяют выявить не только уже образовавшиеся дефекты, но и оределить состояние повышенной усталости металла, что может при­ вести к выходу из строя деталей или узлов. При этом для контроля нет необходимости разбирать узлы. С по­ мощью ультразвуковых дефектоскопов можно контроли­ ровать структуру металла, определять величины зерна в сталях и графитных включений в чугуне, контролиро­ вать качество железобетонных конструкций, деталей из пластмасс, керамики, камня, дерева и других материалов.

В последнее время широкое применение в дефекто­ скопии нашли волны Рэлея и Лэмба. Волнами Рэлея на­ зывают волны, распространяющиеся вдоль свободной границы твердого тела и затухающие с глубиной. Волнами Лэмба называют упругие возмущения, распространя­ ющиеся в твердой пластинке со свободными границами, у которых имеются смещения как в направлении распро­ странения волны, так и перпендикулярно плоскости пластинки. Волны Лэмба представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе (пластинке со свободными границами). Использование волн Рэлея

212

и Лэмба в технике дефектоскопии позволило решить ряд важных практических задач. При ультразвуковом кон­ троле раньше применяли продольные и поперечные волны, недостаток которых состоит в том, что размеры исследуе­ мых предметов должны%быть намного больше длины волны. В результате импульсный метод ультразвуковой дефекто­ скопии нельзя использовать для выявления дефектов в тонких деталях из-за ограниченной разрешающей спо­ собности. Применение волн Рэлея и Лэмба расширило возможности ультразвуковой дефектоскопии и позво­ лило занять ей первое место среди методов неразруша­ ющего контроля [28]. Использование рэлеевских волн обеспечивает всесторонний неразрушающий контроль по­ верхностного слоя образца (определение степени и глу­ бины термической закалки, остаточных механических напряжений, качества обработки поверхности и т. д.). Скорость, затухание и структура рэлеевской волны за­ висит от механической, термической и других характе­ ристик поверхностного слоя образца, в котором она рас­ пространяется. Следовательно, по скорости и затуханию рэлеевской волны можно получить информацию о состоя­ нии поверхностного слоя образца.

Рэлеевские волны могут распространяться на значи­ тельно большие расстояния, чем продольные и попереч­ ные волны в тех же материалах. Поэтому ультразвуковыми рэлеевскими волнами можно контролировать материалы как с малым, так и с большим затуханием ультразвука. В результате способности рэлеевских волн распростра­ няться на большие расстояния создается возможность одновременного прозвучивания большого участка кон­ тролируемого изделия. Так, при помощи рэлеевских волн обнаружен дефект размером 0,02 мм на расстоянии 4 м. Рэлеевские волны могут применяться для контроля дефек­ тов поверхности и поверхностного слоя образцов и де­ талей различной формы: стержней, балок, пружин, про­ волок, коленчатых валов, сплошных и полых круглых деталей и т. д. Применение волн Рэлея позволяет выяв­ лять все виды дефектов поверхности и поверхностного слоя: трещины, царапины, пустотные полости, расслое­ ния, инородные включения и т. п. Из-за большой отража­ тельной способности рэлеевских волн их часто используют для прецизионного контроля мелких дефектов, например, усталостных трещин и микротрещин в металлах. Если контроль производить непрерывно, можно проследить

213

за трещиной с момента ее зарождения до полного разру­ шения. Рэлеевские волны применяются при дефектоско­ пии импульсным методом (эхо-методом) в контактном и в иммерсионном вариантах. При контактном варианте контроля изделие находится в воздухе, а при иммерсион­ ном варианте оно погружается в ванну с водой и излуче­ ние ультразвуковых волн происходит сначала в воду с последующим преобразованием этих волн в волны Рэлея в изделии.

Ультразвуковые волны Лэмба в ультразвуковой де­ фектоскопии используются для определения упругих и термоупругих характеристик пластинчатых образцов. Обычно волны Лэмба используются для контроля металли­ ческих листов, труб и конструкций. Обнаружение дефек­ тов волнами Лэмба производится с использованием тене­ вого и импульсного методов ультразвуковой дефекто­ скопии.

При контроле дефектов теневым методом излучатель и приемник располагаются у противоположных кромок листа друг против друга и перемещаются синхронно параллельно кромками. Если между излучателем и прием­ ником появится дефект, амплитуда сигнала на индика­ торе уменьшится. Теневой метод менее чувствителен, чем импульсный, но его удобнее применять при автомати­ ческом контроле. При обнаружении дефектов в листах волнами Лэмба импульсный и теневой методы применяются в контактном и в иммерсионном вариантах. Применяя ультразвуковые волны Лэмба, можно обнаруживать са­ мые разнообразные дефекты листового проката: трещины, пустотные полости, инородные включения, дефекты свар­ ного шва, расслоение и т. п. Мелкие трещины, полости, инородные включения обнаруживаются импульсным ме­ тодом. Возможность обнаружения дефектов теневым ме­ тодом определяется размером дефекта и чувствитель­ ностью аппаратуры. Протяженные трещины могут успешно обнаруживаться теневым методом, так как они вызывают значительное ослабление амплитуды ультразвуковой волны.

При контроле дефектов импульсным методом преобра­ зователь перемещается вдоль одной кромки листа. Если на пути распространения ультразвуковых волн появится дефект, то волны отразятся от него и на экране появится отраженный импульс. При отсутствии дефекта на экране будут наблюдаться только два импульса в начале и конце

214

развертки (зондирующий и отраженный от противополож­ ной кромки листа).

Учитывая, что волны Лэмба могут возникать и распро­ страняться в цилиндрическом слое любого радиуса кри­ визны, их стали широко использовать при контроле труб. Чаще всего контроль труб производится иммерсион­ ным вариантом импульсного и теневого методов. Волны Лэмба распространяются по окружности трубы перпен­ дикулярно образующей цилиндрической поверхности. Пе­ ремещая приемник и излучатель вдоль трубы, можно постепенно проконтролировать все ее участки. С помощью ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба можно контролиро­ вать не только листы и трубы, но и тонкостенные кон­ струкции более сложной формы: корпуса судов, прессо­ ванные профили различных судовых, самолетных и авто­ мобильных конструкций. Широкое распространение по­ лучил контроль с помощью этих волн лопаток газовых турбин, кожухов камер сгорания и других тонкостенных самолетных деталей. При этом контроль можно произ­ водить без разборки двигателя, непосредственно на аэро­ дромах, что создает значительные удобства в эксплуатации двигателей и повышает надежность их работы.

Средства контроля должны соответствовать совре­ менному научно-техническому уровню, поэтому все боль­ шее внимание уделяется прогрессивным методам и кон­ тролю качества изделий, один из которых — ультразву­ ковой.

В настоящее время ультразвуковой контроль на­ ходит все большее применение в различных отраслях промышленности. При этом в ряде технологических про­ цессов (прокат стальных листов, изготовление труб и др.) ультразвуковые дефектоскопы встраиваются в автомати­ ческие линии, что значительно ускоряет процесс контроля и повышает производительность труда.

Существует несколько методов ультразвуковой де­ фектоскопии, основными из которых являются: теневой, импульсный; резонансный, метод структурного анализа, импедансный метод, метод свободных колебаний и др. Тот или иной метод применяется в зависимости от харак­ терных особенностей контролируемых изделий (материал, размеры, конфигурация и др.), разновидностей дефектов (раковины, трещины, расслоения, непровары и т. п.), а также от тех параметров, которые необходимо по­ лучить.

215

Теневой метод

Теневой метод основан на ослаблении проходящих уль­ тразвуковых волн при наличии внутри детали дефектов, создающих ультразвуковую тень. При теневом методе используются два преобразователя. Один из них излу­ чает ультразвуковые колебания, другой принимает их. Теневой метод мало чувствителен, поэтому дефект можно обнаружить в том случае, если вызываемое им изменение сигнала не менее 15—20%. Если же дефект очень мал, то ослабление звука будет незначительным, а следова­ тельно, нельзя обнаружить дефект. Существенный недо­ статок теневого метода состоит и в том, что в большинстве случаев невозможно определить, на какой глубине на­ ходится дефект. Кроме того, при контроле изделия трудно определить, есть ли в нем дефекѴйли изменилась толщина изделия. Так как теневой метод не зависит от разреша­ ющей способности излучателя, он нашел широкое приме­ нение при дефектоскопии тонких изделий, в частности, стальных листов.

Ленинградским Электротехническим институтом имени В. И. Ленина разработана ультразвуковая установка УЗУЛ, предназначенная для выявления внутренних де­ фектов (расслоений и закатов) в горячекатаном листовом прокате шириной до 2800 мм. Установка УЗУЛ — иммер­ сионного типа работает по теневому методу дефектоскопии с импульсным излучением ультразвуковых колебаний.

жение обнаруженных дефектов. При скорости контроля 30 м2/мин плотность информации составляет 0,3 см2 листа на каждую точку, регистрируемую на дефекто­ грамме. Фиксируемый минимальный размер дефекта в пло­ скости листа составляет 1 см2 для листов толщиной до 20 мм и 2 см2 — для толщин до 80 мм. Степень выявления дефектов металла, полость которых заполнена инородными массами, зависит от заданного режима чувствительности.

Режим можно регулировать в широких пределах в зави­ симости от требований на качество металла и -от степени окисленное™ поверхности листов. В типовом режиме толщина обнаруживаемых одиночных дефектов металла составляет 0,1 мм и более.

216

Ультразвуковая установка УКЛ-2 также предназна­ чена для контроля листового металла на внутренние де­ фекты (расслоения, неметаллические включения и т. п.). Установка работает ультразвуковым импульсным иммер­ сионным методом с применением десяти пар передающих и приемных пьезоэлектрических преобразователей. Обна­ руженный дефект фиксируется световым и звуковым сигна­ лами и автостопом. Примерные координаты залегания дефекта отсчитывают по шкалам. Все элементы автома­ тики и электроники конструктивно объединены в одном пульте, на верхней панели которого помещены органы управления установкой, ручки настройки, электронно­ лучевой индикатор и световой сигнал. Размеры контроли­ руемых листов: толщина 1—5 мм, длина до 1500 мм, ширина до 1000 мм. Минимальный размер обнаруживае­ мого дефекта 2,5 мм2. Производительность контроля 0,2 мѴмин. Установка работает на частоте 28 кГц, частота следования импульсов 100 Гц.

Центральной лабораторией автоматизации управления трубной промышленности Министерства черной метал­ лургии УССР создан автоматический ультразвуковой дефектоскоп ДСТ-5М (рис. 73), предназначенный для авто­

217