Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении.

Магистрант Сытник М.А.

Саратовский государственный технический университет, Россия

Выбор неразрушающего контроля для создания автоматизированной системы определения качества термической обработки сварных соединений

Термическая обработка сварных соединений обеспечивает увеличение прочности шва более чем в 1,5 раза [1], что определило повсеместное использование данной операции в технологических процессах изготовления, в том числе и ответственных деталей и узлов авиационной и космической техники.

В процессе контроля качества термической обработки сварных соединений в настоящее время широко распространены методы, так или иначе связанные с изменением свойств (разрушения) исследуемых объектов, т. е. такие операции имеют как минимум два серьезных недостатка.

Первый, прежде всего, относится к металлографии и связан с высокой трудоемкостью и длительностью процедуры контроля (как правило, металлографические исследования требуют длительной пробоподготовки в виде отделения образца от конструкции изделия, его шлифования и травления), а также требуют достаточно высокой квалификации специалиста, исследующего микроструктуру металла.

Второй же заключается в том, что применение разрушающих методов приводит в негодность исследуемый образец, а, следовательно, не может быть применен при контроле выпускаемых изделий.

Альтернативой как металлографии, так и метода определения микротвердости являются неразрушающие методы контроля, все чаще применяемые в современной промышленности. К наиболее распространенным можно отнести радиационный (в том числе и рентгеновский), акустический, вихретоковый и магнитный методы [1]. Далее мы подробно остановимся на последнем.

Область применения в машиностроении магнитного метода дефектоскопии при современном многообразии приборной базы может быть достаточно обширной. К достоинствам данного метода, кроме отсутствия необходимости видоизменять объекты исследования, можно однозначно отнести относительную дешевизну применяемого оборудования, быстроту проведения измерений, а также возможность полной автоматизации процесса контроля, т. е. исследование объектов без участия человека.

Следует отметить, что магнитный метод неразрушающего контроля применим только для контроля изделий из ферромагнитных материалов, т. е. способных изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля. К данным материалам относятся, прежде всего, сплавы, содержащие железо, в том числе и стали, чей диапазон применения в машиностроении особенно широк.

Очевидно, что воздействие высоких температур так или иначе изменяет свойства стальных изделий, при этом изменение фазового состава и механических свойств (например, твердости или прочности) сопровождается соответствующим изменением магнитных характеристик.

Абсолютные показатели магнитных характеристик конструкционных сталей можно легко найти в наиболее распространенных литературных источниках, нашей же задачей является выявление общих закономерностей изменения магнитных характеристик стальных изделий в зависимости от длительности и интенсивности термического воздействия.

В целях решения данной задачи проведем эксперимент и попытаемся выявить реальные зависимости между температурой и временем нагрева изделий, полученных методом холодной деформации, и их магнитными показателями.

Для проведения эксперимента использовались коэрцитиметр «Каскад-01», имеющий следующие характеристики:

- Диапазон измерений коэрцитивной силы по индукции – от 100 до 4000 А/м.

- Диапазон измерений магнитной индукции – от 0,5 до 10 мТл.

- Диапазон измерений остаточной магнитной индукции – от 0,5 до 10 мТл.

- Пределы допускаемой относительной погрешности измерений – 10%.

В качестве объектов исследования взяты заготовки (ролики из калиброванного холодно-тянутого прутка цилиндрического сечения, длиной 40 мм, диаметром сечения – 4 мм) из стали марки 10 кп. Выбор марки, в данном случае, обусловлен ее доступностью, как для исследования, так и для применения в конструкциях тех или иных узлов и механизмов.

Перед термической обработкой произведем замеры начальных магнитных характеристик выборки из 36 изделий.

Здесь и далее измерения производились в следующей последовательности:

- установка «0»;

- помещение образца на полюса электромагнита выносного преобразователя;

- запуск цикла «намагничивание-размагничивание»;

- занесение полученных результатов в протокол эксперимента.

На каждом ролике производились 6 измерений, результаты которых заносились в рабочие таблицы.

Далее объекты партиями по 12 шт. помещались в муфельную печь, где подвергались термическому воздействию в температурном режиме 300-800^ОС (с шагом в 100 ^ОС) и временных интервалах 15 и 30 минут.

При этом объекты помещались в предварительно разогретую печь, после извлечения из нее охлаждались в воздушной среде при температуре 20 ^ОС, после чего повторно производилось измерение их показателей. В связи с тем, что начальное значение параметра коэрцитивной силы выходило за нижнюю границу диапазона измерений прибора, его значения в дальнейших исследованиях не учитывались. Показатели же магнитной индукции и остаточной магнитной индукции заносились в таблицы, для них вычислялись средние значения, занесенные в таблицу 1. Сюда же занесено среднее значение группы объектов, не подвергавшихся термической обработке.

Таблица 1.

Средние значения магнитных характеристик групп объектов.

	Средние значения показателей
Время обработки	15 минут		30 минут
Температура обработки	Магнитная индукция (мТл)	Остаточная магнитная индукция (мТл)	Магнитная индукция (мТл)	Остаточная магнитная индукция (мТл)
Без обработки	1,648	1,95	-	-
300^О С	1,53	1,793333	1,53	1,796667
400^О С	1,375	1,603333	1,42	1,666667
500^О С	1,278333	1,501667	1,275	1,491667
600^О С	1,098333	1,286667	1,018333	1,223333
700^О С	0,89	1,058333	0,845	1,013333
800^О С	0,986667	1,105556	1,03	1,141667

Далее был проведен анализ полученных данных с построением диаграмм зависимостей магнитных характеристик объектов от условий (температуры) их термической обработки (Рис.1, 2).

Анализируя полученные диаграммы, можно сделать вывод о том, что в диапазоне температур от 300 до 700^О С наблюдается обратная зависимость между температурой нагрева объектов и их магнитными характеристиками, однако при температуре свыше указанного диапазона значение данных характеристик снова возрастает. Также проведенным экспериментом установлено, что время нагрева в диапазоне от 15 до 30 минут практически не оказывает влияния на измеряемые параметры.

Рис. 1. Динамика изменения показателей магнитной индукции для объектов в зависимости от температуры и времени нагрева.

Рис. 2. Динамика изменения показателей остаточной магнитной индукции для объектов в зависимости от температуры и времени нагрева.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что магнитный метод неразрушающего контроля в принципе может быть применен в автоматизированной системе контроля термической обработки сварных соединений при измерении параметра «магнитная индукция» («остаточная магнитная индукция»), так как данные параметры коррелируют с показателями внутренних напряжений металла и изменяются в зависимости от условий термического (высокотемпературного) воздействия.

Литература:

1. Фиргер И.В. «Термическая обработка сплавов: Справочник.» – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1982. – 304 с.

2. «Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник», под ред. Клюева В.В., М., изд. «Машиностроение», 2005. – 656 с.