Методы контроля, выявляющие дефекты

Внешний осмотр сварного соединения. Внешним осмотром можно выявить наружные дефекты соединения: подрезы, незаверенные кратеры, наплывы, поверхностные поры, непровары, трещины, прожоги, наличие смещения сваренных деталей.

Перед осмотром сварной шов и прилегающие поверхности зачищают от окалины, шлака, брызг металла. Для осмотра можно применить лупу с 5-10-кратным увеличением.

Проверка сварных швов на непроницаемость. Проверка на непроницаемость проводится для емкостей, работающих под давлением жидкостей или газов, после проверки наружным осмотром и устранения дефектов.

Испытание гидростатическим давлением производится одним из двух способов.

Первый способ заключается в полном или частичном заполнении водой для открытых емкостей с временем выдержки 2...24 ч. Емкость считается выдержавшей испытание, если в течение установленного времени не будет пропусков воды и не снизится ее уровень.

Второй способ заключается в том, что закрытые сосуды (котлы, трубопроводы) заполняются водой с созданием избыточного контрольного (в 1,5...2 раза выше рабочего) давления. Изделие выдерживается под избыточным давлением 5 мин, потом давление снижают до рабочего, околошовную зону (на 15...20 мм от шва) обстукивают молотком с круглым бойком. Участки шва с течью в виде капель и запотевания отмечаются мелом. Вода сливается, а отмеченные участки шва вырубаются и завариваются, после этого изделие подвергается повторному испытанию.

Испытание давлением газа применяется для определения непроницаемости емкостей или трубопроводов, работающих под давлением.

При проверке испытуемая емкость герметизируется и в нее подают газ (воздух, азот, инертные газы) до получения в ней давления, заданного техническими условиями. Затем все сварные швы промазываются мыльным раствором (100 г мыла на 1 л воды). Признаком брака служит появление мыльных пузырей на промазанной поверхности.

Малогабаритные емкости при возможности герметизируют заглушками, погружают в ванну с водой и подают газ под давлением на 10...20% выше рабочего. Дефекты в швах определяют по появлению пузырьков газа в воде у швов.

Испытание аммиаком основано на свойстве некоторых индикаторов (водный раствор азотнокислой ртути или спирто-водный раствор фенолфталеина) изменять окраску под действием сжиженного аммиака. При этом способе контроля сварных швов тщательно очищается поверхность сварного соединения от шлака, ржавчины и масла. После этого на одну сторону шва укладывается бумажная лента или ткань, пропитанная индикатором, а с другой стороны нагнетают воздух с примесью 1% аммиака. Давление воздуха не должно превышать расчетного для испытуемой конструкции.

При наличии дефектов в шве аммиак окрашивает бумагу или ткань с индикатором в серебристо-черный цвет через 1...5 мин.

Изготовление и монтаж сварных конструкций производится в соответствии со Строительными нормами, правилами и техническими условиями. Существующие способы контроля сварных швов и изделий позволяют выявлять практически все дефекты их, встречающиеся в практике сварки. В зависимости от ответственности сварных конструкций применяют соответствующие способы контроля. Наиболее целесообразны комплексные испытания, включающие ряд параллельно используемых методов контроля. В табл.48 приведен Перечень методов контроля, обычно используемых для проверки качества различных сварных конструкций.

Наружный осмотр и проверка размеров шва. Пользуясь лупой с 10—20-кратным увеличением, можно заметить мелкие волосяные трещины и поры. Если предполагают наличие трещины, то исследуемый участок металла зачищают личным напильником, наждачной бумагой, промывают спиртом и травят 10%-ным раствором азотной кислоты до появления матовой поверхности. После осмотра металл зачищают наждачной бумагой и протирают денатурированным спиртом для удаления кислоты.

Подготовку кромок швов проверяют шаблонами или универсальными измерителями (см. гл. VIII). В необходимых случаях методы контроля указываются в технических условиях на изготовление сварных конструкций.

Испытание механических свойств наплавленного металла и сварного соединения. Для этих испытаний (ГОСТ 6996—66) одновременно со швом сваривают пробные пластины из того же металла и на тех же режимах. Из пластин изготовляют образцы установленной ГОСТ 6996—66 формы и размеров. Образцы подвергают испытаниям в лаборатории для определения механических свойств наплавленного металла или сварного соединения: временного сопротивления при разрыве, относительного удлинения, ударной вязкости, твердости.

Исследование макро- и микроструктуры. Макроструктуру металла, видимую невооруженным глазом, получают на отшлифованной поверхности образца, протравленной 10%-ным водным раствором азотной кислоты. Шлиф делают на образцах, вырезанных из шва или пробных пластин. Макроструктура выявляет непровары, шлаковые включения, раковины, поры, трещины, несплавление и пр.

Микроструктуру исследуют при увеличении в 100—1000 раз под микроскопом. Поверхность шлифа должна быть тщательно отполирована и протравлена 2—4%-ным спиртовым раствором азотной кислоты или другими специальными реактивами. Микроструктура позволяет обнаружить в шве перегрев и пережог металла, наличие окислов по границам зерен, изменение структуры и состава металла при сварке, микроскопические трещины и пр.

Исследование макро- и микроструктуры проводят в лаборатории и по их результатам судят о правильности режима сварки. Эти испытания позволяют также установить причины дефектов в шве и предупредить их появление в процессе сварки.

Гидравлические и пневматические испытания сосудов. Цель пневматических испытаний — проверка плотности шва. Гидравлические испытания, помимо проверки плотности швов, дают возможность определить прочность сосуда при наибольших нагрузках.

При гидравлическом испытании сосуд наполняют водой и с помощью насоса в нем создают давление, превышающее максимальное рабочее давление для данного изделия. Для сосудов, у которых рабочее давление менее 5 кгс/см², величина пробного гидравлического давления берется на 50% больше величины рабочего давления, но не ниже 2 кгс/см². При рабочем давлении свыше 5 кгс/см² пробное гидравлическое давление должно на 25% (но не менее чем на 3 кгс/см²) превышать рабочее давление.

Под пробным давлением сосуд выдерживают 5 мин. Затем давление снижают до рабочего и швы обстукивают на расстоянии 15—20 мм от кромок закругленным молотком весом 1 кГ, после чего швы тщательно осматривают. Места, в которых обнаружены течь или потение, отмечают мелом и после снятия давления вырубают или удаляют поверхностной резкой и вновь заваривают.

Пневматическое испытание выполняется сжатым воздухом только при рабочем давлении сосуда. Плотность швов проверяют, обмазывая их мыльным раствором или погружая в воду, если это позволяют габариты сосуда. В местах пропуска воздуха появляются пузыри. В целях безопасности пневматическое испытание производят только после предварительного гидравлического испытания сосуда.

Проверка плотности шва. Плотность шва проверяют керосином. Шов с одной стороны обмазывают мелом, разведенным на воде. После высыхания мела шов с обратной стороны смачивают керосином. При наличии неплотностей, пор и трещин керосин просачивается через них и на меловой окраске появляются желтые пятна. Этим способом проверяют швы резервуаров, не работающие под давлением.

Плотность швов проверяют и химическим методом (по способу С. Т. Назарова). Для этого швы снаружи оклеивают полосками бумаги или прокладывают по ним марлевые бинты; бумага и бинты пропитываются предварительно 5%-ным водным раствором азотнокислой ртути или фенолфталеина. В испытуемый сосуд под рабочим давлением накачивают воздух, содержащий примесь 1% аммиака. Проникая через неплотности и поры шва, аммиак вызывает потемнение полосок бумаги или бинтов в месте расположения дефекта.

Для испытания плотности швов днищ резервуаров применяют следующий способ. Пространство под днищем герметизируют плотным водонепроницаемым грунтом и под днище впускают аммиак из баллонов в смеси с воздухом, создавая под днищем давление 0,8—1,0 кгс/см². Швы с другой стороны днища тщательно зачищают и поливают 10%-ным спиртоводным раствором фенолфталеина, имеющим вид молока. В местах неплотностей аммиак проникает через шов и окрашивает раствор в красный цвет. Следует иметь ввиду, что остатки шлака на шве, обладая свойствами щелочи, также могут вызвать покраснение раствора, что не является признаком неплотности шва. Данный способ не позволяет также выявить мелкие загрязненные дефекты шва.

Применяют также вакуумный способ проверки плотности швов, например, днищ резервуаров. Шов смачивают мыльным раствором и на проверяемый участок устанавливают вакуумную камеру с крышкой из прозрачного плексигласа. Камера не имеет дна и уплотняется на поверхности листа резиновой прокладкой. При откачке вакуум-насосом воздуха из камеры в ней появляются пузыри в местах расположения дефектов шва (трещин, пор и др.).

Плотность сварных и паяных швов проверяют также с помощью гелиевых и галоидных течеискателей. При проверке гелиевыми течеискателями в контролируемом сосуде создают вакуум, а швы снаружи обдувают смесью гелия с воздухом. При неплотности в шве гелий проникает в сосуд, а затем поступает в течеискатель, который обнаруживает присутствие гелия в сосуде. Другой способ состоит в том, что в контролируемый сосуд подают под давлением гелий, а специальным щупом, соединенным с вакуум-насосом и камерой течеискателя проводят по швам и улавливают протекание гелия из сосуда. Применяют гелиевые течеискатели ПТИ-4А и ПТИ-6. Течеискатель ПТИ-6 имеет высокую чувствительность, равную 10^-7 см³ мм рт. ст./сек.

При использовании галоидных течеискателей внутри контролируемого сосуда создают избыточное давление и вводят галоидный газ (фреон-12), который проникает через неплотности шва и улавливается вакуумным щупом течеискателя.

Галоидный течеискатель ВАГТИ-4 имеет чувствительность меньшую, чем гелиевый, равную 10^-4-10^-5 см³ мм рт. ст./сек. Галоидные течеискатели нельзя применять в цехах, где производят сварку и пайку с флюсами, содержащими фтор и хлор, так как присутствие этих газов в воздухе цеха вызывает ложные сигналы в течеискателе.

С помощью течеискателей можно обнаруживать микроскопические течи, которые не могут быть выявлены другими методами. Этот способ применяется при проверке плотности швов ответственных изделий (например, сосудов и трубопроводов с вакуумной теплоизоляцией для хранения и транспортирования сжиженных газов - кислорода, азота, водорода).

Просвечивание швов. Просвечиванием обнаруживают внутренние дефекты — трещины, непровары, поры, шлаковые включения. Этим способом проверяют швы ответственных изделий, например сосудов, работающих под давлением. Для просвечивания применяют рентгеновские лучи или излучение радиоактивных элементов (гамма-лучи). Эти лучи, не видимые человеческим глазом, способны проникать через толщу металла, действуя на светочувствительную фотопленку, приложенную к шву с обратной стороны.

В тех местах шва, где имеется дефект, поглощение лучей металлом будет меньше, и они окажут более сильное воздействие на чувствительную к лучам эмульсию пленки. Поэтому в данном месте на пленке после проявления будет темное пятно, по размерам и форме соответствующее имеющемуся дефекту. Снимок шва на пленке называется рентгенограммой (или гаммограммой) шва. Обычно просвечивают 10—25% общей длины швов. В особо ответственных конструкциях просвечивают все швы.

Для просвечивания применяют рентгеновские аппараты, состоящие из специального трансформатора с выпрямителем и особой лампы — рентгеновской трубки.

В качестве источников гамма-лучей используют следующие радиоактивные вещества:

Кобальт-60 обладает наиболее жесткими, сильно проникающими лучами, поэтому применяется для просвечивания тяжелых металлов большой толщины. Остальные изотопы имеют значительно более мягкое излучение и используются для меньших толщин. Наиболее мягкое (приближающееся к рентгеновскому) излучение дает тулий-170, используемый для просвечивания малых толщин и легких сплавов.

Определение дефектов при просвечивании гамма-лучами металла толщиной хуже, чем при просвечивании рентгеновскими лучами. Поэтому гамма-лучи используют только в тех случаях, когда рентгеновские лучи применить нельзя из-за формы изделий, малой доступности шва или слишком большой толщины металла.

Однако просвечивание гамма-лучами имеет и ряд преимуществ перед рентгеновским, а именно: обеспечивается возможность просвечивания труднодоступных мест на изделии; возможность просвечивания швов одновременно в нескольких точках; возможность контроля кольцевых швов из одной точки; безотказность и длительность (несколько лет) работы радиоактивных препаратов; простота, невысокая стоимость и легкость транспортировки просвечивающей установки. Просвечивание рентгеновскими и гамма-лучами выполняет только специально обученный персонал. Радиоактивное и гамма-излучение опасно для человеческого организма при длительном воздействии на него. Поэтому при просвечивании применяются специальные меры защиты обслуживающего персонала и окружающих лиц от действия этих лучей (свинцовые контейнеры, экраны и пр.).

Схемы способов просвечивания сварных швов показаны на рис. 197. На рис. 198, а показан переносный защитный контейнер, а на рис. 198, б - ампула для радиоактивного вещества.

Для рентгеновского просвечивания применяют промышленные установки РУП-120-5 и РУП-200-5. Для просвечивания гамма-лучами — установки (дефектоскопы) ГУП-Со-0,5-1; ГУП-Со-5-1 и ГУП-Со-50. Используются также дефектоскопы РИД-21-Г (рис. 199) конструкции Института радиационной техники, имеющие облегченные контейнеры не из свинца, а из вольфрамового сплава.

ГОСТ 7512-55 установлены условные обозначения дефектов швов, обнаруживаемых при расшифровке рентгено-и гаммограмм: П — газовые включения (поры); Ш — шлаковые включения; Н — непровары; НС — непровар сплошной; Тп — трещины поперечные; Тпр — трещины продольные; Тр — трещины радиальные.

По характеру распределения дефекты делятся на следующие группы: А — отдельные дефекты; Б — цепочка дефектов; В — скопление дефектов. Например, запись на рентгенограмме длиной 100 мм— ПБ-1-15, Тп-4-1, Ш-0, Н-0 означает, что на участке шва 100 мм выявлены: цепочка пор размером 1 мм на протяжении 15 мм; одна поперечная трещина длиной 4 мм; шлаковых включений и непроваров не обнаружено.

Ультразвуковой метод контроля швов. Ультразвуковой метод контроля основан на способности высокочастотных (свыше 20 000 гц) колебаний, не воспринимаемых человеческим ухом, проникать в металл шва и отражаться от поверхности пор, трещин и других дефектов. Ультразвуковые колебания получают при помощи пластинки из кварца или титаната бария (пьезодатчика). Когда к такой пластинке подводят переменный ток высокой частоты (0,8—2,5 Мгц), то она начинает излучать пучки ультразвуковых колебаний, направленных под прямым углом к ее большим граням. Эта же пластинка при попадании на нее таких колебаний извне преобразует их в переменный электрический ток. При ультразвуковом контроле пьезодатчик посылает короткие импульсы упругих колебаний (длительностью 0,5—1 мксек), разделенные более продолжительными паузами (1—5 мксек).

Эти колебания проникают в металл и, если встречают на своем пути дефект, то отражаются от него и воспринимаются вновь той же (или второй) пластинкой пьезодатчика, вызывая отклонение луча на экране осциллографа. По времени от посылки до приема сигнала можно определять не только наличие, но и глубину залегания дефекта. Пьезодатчик помещен в призматическую искательную головку, называемую щупом. В процессе контроля щуп (или два щупа — посылающий и принимающий сигналы) перемещают вдоль шва, сообщая возвратно-поступательные движения.

Так отыскивают дефекты, расположенные в различных зонах шва. Схема ультразвукового дефектоскопа дана на рис. 200. На экране осциллографа 4 первоначальный сигнал дает пик а; обратный сигнал, отраженный от противоположной стороны листа, дает пик е. Если в шве имеется дефект, то часть пучка колебаний отражается от этого дефекта и дает на экране промежуточный пик б. Расстояние между пиками а и б позволяет определить глубину залегания дефекта.

На рис. 201 показаны внешний вид дефектоскопа и посылаемые им сигналы.

Промышленностью выпускаются ультразвуковые дефектоскопы УЗД-7, УЗД-НИИМ-5, ДУК-11ИМ и ДУК-13ИМ для выявления внутренних дефектов (трещин, пор, расслоений, непроваров и т. п.) площадью 2 мм² и более. При наличии такого дефекта загорается лампочка, появляется звук в наушниках телефона и возникает импульс на экране электроннолучевой трубки. Прибор имеет 14 искательных головок. Контролируемая толщина металла от 8 до 750 мм, частота 2,5 Мгц. Приборы ДУК-13ИМ на полупроводниках выпускаются в портативном исполнении.

Ультразвуковой метод может применяться при толщине металла свыше 3—4 мм. При толщине швов менее 8—10 мм выявление дефектов этим методом требует высокой квалификации контролера. Поэтому ультразвуковой контроль обычно используют для металла толщиной 12—15 мм и более; он особенно эффективен при толщине металла 30—50 мм и выше. Для лучшего прохождения колебаний через поверхность металла, прилегающую к шву, на нее наносят тонкий слой трансформаторного, турбинного или машинного масла или глицерина. В настоящее время ультразвуковой метод контроля является наиболее распространенным. С его помощью обычно выявляют местонахождение скрытого дефекта, а затем шов в данном месте просвечивают рентгеновскими или гамма-лучами для определения характера и размеров дефекта.

Магнитный метод. Этот способ контроля основан на изменении направления линий магнитного потока около места расположения дефекта, который они огибают вследствие меньшей магнитной проницаемости дефекта по сравнению с целым металлом (рис. 202). По способу определения места залегания дефекта существуют два способа контроля: порошковый (сухой или эмульсионный) и индукционный. При сухом способе порошок закиси-окиси железа (окалины) с частицами размером 5—10 мк наносят на поверхность шва с помощью сита или распылителя. При эмульсионном способе шов покрывают жидкой смесью (эмульсией) из указанного порошка, разведенного в керосине или трансформаторном масле. Затем изделие намагничивают с помощью постоянного или переменного сварочного тока до 200 а от преобразователя или трансформатора. Ток пропускают по обмотке, имеющей несколько витков, окружающих изделие. Под действием возникающего в изделии магнитного поля частицы железного порошка располагаются гуще около места с дефектом: непроваром, трещинами. Поскольку этим способом выявляются только дефекты, расположенные перпендикулярно направлению магнитных линий, то каждый участок нужно проверять дважды: один раз намагничивая его поперек, а второй — вдоль шва.

При индукционном способе применяют дефектоскоп системы К. К. Хренова и С. Т. Назарова (рис. 203). В тот момент, когда искателем 1 проводят над местом расположения дефекта, в нем индуктируется ток, который затем проходит в усилитель 2 и дает звуковой сигнал в телефоне 3; при этом одновременно загорается сигнальная лампа.

Магнитным методом можно выявить в сварных швах изделий из стали и чугуна с толщиной стенки от 6 до 25 мм мелкие внутренние трещины и непровары на глубине до 5—6 мм. Дефекты на большей глубине, а также поры и шлаковыключения этим методом не определяются. Магнитный метод (так же, как ультразвуковой) служит для предварительного определения наличия дефектов и места их залегания в сварных швах, затем эти участки просвечивают для установления размеров дефекта.

Магнитографический метод. Этот метод разработан и внедрен институтом ВНИИСТ для контроля сварных швов стальных трубопроводов. Он является усовершенствованной разновидностью магнитного метода.

Обнаруженные дефекты отмечаются на ферромагнитной ленте, подобной применяемой для звукозаписывающих установок. Вследствие неоднородности металла шва в месте расположения дефекта изменяется его магнитная проницаемость, поэтому меняется степень намагничивания ленты на этом участке.

Наличие дефекта, например трещины, увеличивает остаточную намагниченность ленты. Если затем ленту пропустить через аппарат для воспроизведения магнитной записи, а получаемые импульсы передавать на осциллограф, то по величине и форме отклонения луча на экране осциллографа можно судить о величине и характере дефекта шва. Магнитографический метод контроля достаточно прост и точен, им можно проверять швы, находящиеся в различных пространственных положениях, он безвреден для обслуживающего персонала. Этот метод может применяться для проверки стали толщиной не более 12 мм. На рис. 204 схематически показан этот способ контроля.

Для контроля сварных соединений трубопроводов и резервуаров применяются магнитографические дефектоскопы (например, типа МД-11). На экране дефектоскопа появляется изображение участков шва с дефектами. Прибор выявляет: макротрещины вдоль оси шва и под некоторым углом к ней в различных участках по сечению шва; непровары глубиной 4—5% от толщины металла; цепочки шлаковых включений и пор, а также отдельные шлаковые включения и газовые поры размером 4—5% от толщины металла.

Контроль с помощью электронно-оптического преобразователя. Схема устройства электронно-оптического преобразователя показана на рис. 205. Шов 1 просвечивается рентгеновскими лучами, которые, пройдя стеклянную стенку вакуумной трубки, вызывают свечение слоя 3 флуоресцирующего вещества, нанесенного на алюминиевый экран 2. На экране возникает изображение шва. Непосредственно на слой 3 флуоресцирующего вещества нанесен фотокатод 4. Свечение экрана выбивает электроны фотокатода, число которых в каждой его точке пропорционально яркости свечения экрана и интенсивности лучей, прошедших через шов. Выбрасываемые катодом электроны ускоряются высоким напряжением от внешнего источника питания и попадают на анод — флуоресцентный экран 5, вызывая его свечение яркостью в 1000 раз большей, чем у экрана 2.

На экране 5 возникает уменьшенное изображение шва, которое наблюдатель 7 рассматривает через оптическую увеличительную линзу 6. Этим методом можно просматривать все сварные швы, выявляя скрытые в них дефекты.

Контроль сварных швов просвечиванием рентгеновскими лучами с применением электронно-оптических преобразователей позволяет в несколько раз увеличить производительность этой операции и автоматизировать ее. На рис. 206 показана схема автоматизированного способа такого контроля с применением телевизионных экранов для наблюдения дефектов сварки. Максимальная чувствительность метода контроля при помощи электронно-оптических преобразователей достигается при определении дефектов в легких сплавах.

Испытание швов на межкристаллитную коррозию. На межкристаллитную коррозию испытывают только изделия, сварные соединения которых подвергаются действию агрессивных сред. Методы и порядок контроля регламентируются ГОСТ 6032—58.

Цветная дефектоскопия. Этот метод применяется для выявления поверхностных дефектов швов и околошовной зоны: трещин, пор, шлаковых включений, непроваров, выходящих на поверхность шва. При помощи цветной дефектоскопии можно обнаружить трещины глубиной свыше 0,1 мм и шириной до 0,001 мм на любых металлах, а также выявить участки, пораженные межкристаллитной и ножевой коррозией. Сварное соединение тщательно очищают и обезжиривают бензином Б-70 или ацетоном. После просушки наносят в два слоя краску, состава: керосин Т-1 или Т-2—500 см³, скипидар — 500 см³ и анилиновый краситель «Судан-4» темно-красного цвета— 10 г. После высыхания краски контролируемый участок покрывают белой краской состава: каолина — 500 см³, воды — 1000 см³. Проникшая в дефекты красная краска адсорбируется слоем белого покрытия и дает на нем изображение дефекта, если после высыхания покрытия протереть шов ветошью,