РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 6, с. 752-756
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^^^ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 537.86+620.179.17+621.03
ВЛИЯНИЕ МОЩНОГО ПОТОКА ЭЛЕКТРОНОВ НА ЭЛЕКТРОННУЮ ПРОВОДИМОСТЬ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД
© 2004 г. Ю. И. Сазонов
Поступила в редакцию 10.11.2003 г.
Изложены результаты экспериментального воздействия мощного потока электронов при электронно-лучевой сварке (ЭЛС) алюминиевых сплавов на электронную проводимость сплавов с целью изучения возможности электромагнитно-акустического контроля ЭЛС.
Возможности физических методов контроля сварных соединений, использующих эффекты электромагнитного поля, в большой степени обусловлены электрофизическими свойствами свариваемых материалов. Электромагнитная генерация ультразвуковых колебаний осуществляется взаимодействием первичного поля с полем вихревых токов, на величину которых влияют электропроводность и магнитная проницаемость контролируемой среды. Тем самым стабильность метода и условий преобразования упругих и электромагнитных колебаний на поверхности материала в значительной степени зависит от анизотропии этих параметров в различных зонах сварного шва.
При электронно-лучевой сварке, как и при других способах сварки плавлением, соединения имеют два ярко выраженных участка: переплавленный металл шва и зону термического влияния в основном материале [1]. Особенности строения зоны термического влияния сплавов с полиморфным превращением заключаются в том, что в ней имеются участки полной и частичной перекристаллизации [2].
Количественная оценка физических свойств различных зон сварного шва осуществлялась измерением электропроводности механически обработанных образцов, вырезанных поперек сварного шва (прибор ИЭ10-60).
Значения электропроводности основного материала ст1, околошовной зоны а2 и переплавленного металла а3, полученные усреднением измерений в различных точках сечения шва и на внешних поверхностях образца, приведены в таблице, а также на диаграмме (см. Приложение).
При сопоставлении данных видно, что электропроводность в зонах сварного шва и основного металла имеет различную величину, которая зависит также от ширины зоны переплавленного металла в шве. При меньшей ширине сказывается влияние конечных геометрических размеров измерительного преобразователя прибора.
Дальнейшие исследования электропроводности проводились точечным преобразователем электромагнитного дефектоскопа (дефектометр 2.835 Института д-ра Фёрстера), который равномерно перемещали по поверхности образца перпендикулярно сварному шву. Запись аналогового сигнала с выхода прибора на ленте самописца позволила получить непрерывную качественную картину распределения электропроводности в бездефектных швах (рис. 1).
Кривая для сплава М40Т (рис. 1а) имеет значительный подъем в околошовной зоне сплавления, в среднем на 5.. .7% по сравнению с основным металлом. На образце из сплава АмгбМ (рис. 16) и 1201 повышенной электропроводности в зоне термического влияния не наблюдается. Переплавленный металл сварного шва во всех случаях соответствует минимальному значению электропроводности на кривой.
Для выяснения причин различного характера кривых проведены металлографические исследования. На макрофотографии образца из сплава М40Т (рис. 2а) отчетливо видны зона кристаллизации переплавленного металла и прилегающие к ней зоны полной и частичной перекристаллизации. С левой стороны шва - естественный непровар.
Микроструктурный анализ (рис. 26) показывает наличие окисных плен на границе кристаллитов в переплавленном металле. В зоне полной перекристаллизации происходит оплавление и укрупнение интерметаллидной фазы СиА12, что соответствует закалочной структуре. По мере удаления от оси сварного шва в зоне частичной перекрис-
Таблица
Сплав Ширина шва, мм °1, МСм/м °2, МСм/м °3, МСм/м
М40Т 1.2 16.5 18.0 16.7
М40Т 2.5 16.5 18.5 16.0
М40Т 3.5 16.5 18.7 15.6
АмгбМ 2.0 15.5 15.5 14.5
о, МСм/м
18 16 14 12
о, МСм/м
02
(а)
Го
_|_I_|_I_I_1_
16 15 14 13
0 10 20 30 40 50 I, мм Ось шва
0 10 20 30 40 50 I, мм Ось шва
Рис. 1. Экспериментальные результаты распределения электропроводности в алюминиевых сплавах (образец из сплава М40Т (а) и АмгбМ (б).
(а) I II III
/ / /
10
П
ШШ ё
шШщ I
20 30 (б)
40
50 I, мм
. 111
* --
Рис. 2. Макроструктура образца из сплава М40Т (а) и микроструктура трех зон сварного шва (б).
таллизации размеры интерметаллидных включений уменьшаются.
На образцах из сплава АмгбМ (рис. 3) зона термического влияния не имеет структуры полной перекристаллизации. Переплавленный металл содержит мелкие включения интерметаллидной фазы, а в зоне термического влияния - более крупные. Также укрупняются и зерна а-твердого раствора.
Резким изменением структуры металла в шве и околошовной зоне соответствуют перегибы кривых (см. рис. 1). Закристаллизовавшийся металл шва обладает минимальной электропроводностью. В зонах термического влияния характер кривой за-
висит от условий кристаллизации шва и химического состава сплава. На примере термоупрочняемого сплава М40Т в зонах непосредственного контакта с расплавленной фазой расположены области закалочных структур с характерным подъемом (о2) на кривой электропроводности. На образцах из сплавов АмгбМ и аналогичного ему 1201, маловосприимчивых к термообработке, закалочные зоны с повышенной электропроводностью отсутствуют, что отражается на форме кривой.
Полученные результаты показывают, что основной причиной, вызывающей анизотропию электропроводности в сварном шве, являются по-
0
(а) I II
/ /
Рис. 3. Макроструктура образца из сплава АмгбМ (а) и микроструктура двух зон сварного шва.
О
(а)
О
(б)
(в)
Л-
О
Рис. 4. Экспериментальные результаты распределения электропроводности в алюминиевых сплавах при наличии дефектов типа непровар на различной глубине (глубина дефектов уменьшается от (а) к (в)).
лиморфные превращения в металле. При равномерном тепловложении по длине шва структурные зоны имеют постоянную ширину и расположены симметрично относительно оси шва, что удовлетворительно совпадает с графиком распределения электропроводности.
Статистический анализ дисперсий электропроводности различных структурных зон, проведенный по критерию Фишера [3], показал их однородность, что позволило сравнить их средние значения. Процедура анализа однородности средних значений оь о2 и о3 сводилась к определению
критерия Стьюдента, расчетное значение которого с доверительной вероятностью 0.95 оказалось больше табличного [4-5]. Следовательно, влияние шумового фона, вызванного неодинаковой электропроводностью структурных составляющих сварного шва и соизмеримого с сигналом от дефекта, можно значительно уменьшить, если контроль проводить с индивидуальной настройкой на каждой структурной зоне и выдерживать точную ориентацию преобразователя относительно шва.
Влияние дефектов различной величины на показания дефектоскопа показано на рис. 4, где от-
четливо видна зависимость падения электропроводности в области переплавленного металла от глубины дефектов типа "непровар". Малые дефекты не искажают симметричных подъемов кривой в зонах закалочной структуры (о2).
Таким образом, можно сделать следующие выводы.
1. Сварные швы алюминиевых сплавов М40Т, АмгбМ, 1201, выполненные электронно-лучевой сваркой, обладают анизотропией электропроводности, средние значения которой в металле шва, околошовной зоне и в основном материале статистически разделимы.
2. Измерением величины электропроводности можно различать структурные зоны сварного шва и приближенно определять их ширину.
3. Позонный контроль с индивидуальной настройкой в сочетании с точной ориентацией преобразователя дает возможность проводить контроль сварного шва с чувствительностью, не уступающей контролю основного материала.
4. Открытая закономерность в распределении электропроводности затрудняет неразрушающий контроль электромагнитными методами [6] и предъявляет повышенные требования к электромагнитно-акустическим преобразователям (эмиконам). Принципиальную возможность контроля могут обеспечить эмиконы с переменным сечением катушек [7] и адаптивные электромагнитно-акустические системы [8, 9].
Автор выражает глубокую признательность B.C. Антонюк за оказанную помощь в проведении металлографических исследований, В.Г. Волкову за предоставленную диаграмму (см. Приложение) и Д.С. Лукину за стимулирующее обсуждение и поддержку работы.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Диаграмма удельной электрической проводимости алюминиевых сплавов.
о, МСм/м
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
CD О
з £
S о
5 а S а. £ 10
с «
о «
3 S s н
Й О
и VO g &
в 0
.. п
о о В
в S
р а
л о
г 1 н
hQ
со
CS
и
CJ
в
к
Ал8
Вторичные сплавы
И1201ТЩ 1201М
L ^■ЛК4-1Т1^Н АК4-1М
|Д1Т| | Д1М |
1 |Д!6Т| Д16М |
Амг6 Амг5
Амг3 Амг
Амц
АД1
Ал2
Ал9
Ал23
Ал19
Ал5
Ал4
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
о, МСм/м
I I Область возможного '-' пережога
Недостаточный нагрев под ^т
закалку или неполный отжиг
Полный отжиг
Закалка + старение
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Башенко ВВ., Клебанов Г.Н. Электронно-лучевая сварка: Итоги науки и техники. Сварка. М.: ВИНИТИ, 1974. Т. 6.
2. Электронно-лучевая технология / Пер. с нем. Шиллер 3., Гайзиг Н., Панцер 3. М.: Энергия. 1980.
3. Fisher RA. // Proc. Intern. Math. Congr. Toronto. 1928. V. 2. P. 805.
4. Большее Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. 3-е изд. М.: Наука, 1983.
5. Шеффер Г. Дисперсионный анализ / Пер. с англ. 2-е изд. М.: Мир, 1980.
6. Герасимов В.Г., Останин Ю.Я., Покровский АД., Сухорукое В В., Чернов Л.А. Неразрушающий кон-
троль качества изделий электромагнитными методами. М.: Энергия, 1978.
7. Сазонов Ю.И, Немченко В.И. Электромагнитно-акустический преобразователь / А.с. № 466052 (СССР). Приоритет от 06.10.72 // Бюлл.: Открытия. Изобретения. Пром. образцы и тов. знаки. 1975. № 13.
8. Сазонов Ю.И, Баусов С И., Бараз Э.М., Щербинин В.Е., Уманская Т.А. Способ бесконтактного ультразвукового контроля / А.с. № 1647383 (СССР). Приоритет от 20.12.88 // Бюллете
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.