Применение смачиваемости и капиллярности для контроля качества сварных конструкций

Опубликовано Васильченко Ирина Алексеевна вкл 24.01.2014 - 19:52

Автор:

Клыбик Роман

Работа посвящена обзору научной литературы, посвященной теме "Смачивание и капиллярность" и применению данных физических явлений для контроля качества сварных соединений с помощью пенетрантов и керосина. Большой раздел этого материала содержит практическую работу по определению коэффициента поверхностного натяжения различных жидкостей, зависимости высоты подъема жидкости в капилляре от температуры, измерению среднего диаметра капилляров, выявлению дефектов сварных соединений методом капиллярной дефектоскопии (с помощью керосина). В приложениях к работе представлены расчеты, таблицы, график и фотографии.

Скачать:

Вложение	Размер
proekt_13_dlya_vernadskogo.doc	175.5 КБ
prilozhenie_1.docx	822.65 КБ

Предварительный просмотр:

«Применение смачиваемости и капиллярности

для контроля качества сварных конструкций»

Р. Клыбик, 9 кл.

Руководитель И.А. Васильченко,

МОУ гимназия № 7, г. Волгоград

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Смачивание. Краевой угол

2. Мениск. Давление, создаваемое искривлённой поверхностью жидкости

3. Капиллярность

3. РОЛЬ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1. Капиллярный контроль

2. Контроль сварных швов с помощью пенетрантов

3. Контроль швов на непроницаемость с помощью керосина

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

2) Определение зависимости высоты поднятия жидкости в капилляре от температуры

3) Измерение среднего диаметра капилляров

4) Выявление дефектов сварных соединений методом капиллярной дефектоскопии (с помощью керосина)

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6. ЛИТЕРАТУРА

1. ВВЕДЕНИЕ

Изучая в школе физику, я никогда не задумывался, насколько глубоко вошла эта наука в нашу жизнь, и что законы физики применяются в различных отраслях производства. Мой брат работает на заводе «Волгограднефтемаш» сварщиком. От него я узнал, что после выполнения сварочных работ лаборанты проверяют качество швов для выявления малых дефектов, которые при визуальном осмотре почти незаметны. Оказалось, что такой контроль основан на методах капиллярной дефектоскопии. А физической основой такого метода служит явление капиллярности - способность жидкости втягиваться в мельчайшие сквозные отверстия и открытые, с одной стороны, каналы (капилляры). Мне стало интересно, и я решил изучить материал, относящийся к явлению капиллярности.

Цель работы:

исследование влияния типа жидкости (воды, керосина и спирта) на эффективность смачивания ею стекла и подъёма в капилляре; определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости;
определение зависимости высоты поднятия жидкости в капилляре от температуры;
измерение среднего диаметра капилляров.

Объекты исследования: капиллярные трубки известного диаметра, различные жидкости (вода, этиловый спирт, керосин), полоски бумажной салфетки и хлопчатобумажной ткани; керосин, меловая суспензия, кисточка, алюминиевые детали, соединенные с помощью ручной аргонно - дуговой сварки.

Задачи:

изучить литературу по теме «Смачивание и капиллярность».
познакомиться с методом капиллярной дефектоскопии и его использованием для контроля качества сварных соединений.
выполнить практическую работу по измерению диаметра капилляров; определению коэффициента поверхностного натяжения жидкости и зависимости высоты поднятия жидкости в капилляре от её температуры; по приобретению навыков выявления дефектов сварных соединений методом капиллярной дефектоскопии (с помощью керосина).

Метод написания работы: практический.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Смачивание. Краевой угол

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют смачивающей это вещество (рис. 1, а). Например, вода смачивает чистое стекло, но не смачивает парафин. Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам твердого вещества, то жидкость называют не смачивающей это вещество (рис. 1, б).

Характеристикой смачивания или не смачивания является краевой угол . Для смачивающих жидкостей краевой угол острый, а для не смачивающих – тупой.

Рисунок 1

2. Мениск. Давление, создаваемое искривлённой поверхностью жидкости

В трубке с круглым сечением поверхность жидкости представляет собой часть поверхности сферы и называется мениском. У смачивающей жидкости образуется вогнутый мениск (рис. 2, а), а у не смачивающей – выпуклый мениск (рис. 2, б).

Рисунок 2

Так как площадь поверхности мениска больше, чем площадь внутреннего сечения трубки, то под действием молекулярных сил искривлённая поверхность жидкости стремиться выпрямиться и этим создает дополнительное давление рл, которое при смачивании направлено от жидкости, а при не смачивании – внутрь жидкости. Это давление называют лапласовским давлением рл.. Для сферической формы свободной поверхности жидкости с радиусом R это давление выражается формулой (1)

3. Капиллярность

Искривление поверхности жидкости в узких трубках приводит к кажущемуся нарушении закона сообщающихся сосудов. Если в воду опустить узкую стеклянную трубку, то вода втягивается в трубку и её уровень устанавливается на высоте h над уровнем воды вне трубки. Объясняется это тем, что лапласовское давление рл в трубке направлено вверх. Оно и втягивает воду до тех пор, пока не окажется уравновешенным гидростатическим давлением рг столба воды в трубке высотой h, равным

(2), так как

При полном смачивании мениск в узкой трубке имеет форму полусферы и радиус сферической поверхности R равен внутреннему радиусу трубки r, тогда

(4).

Рисунок 3

Подъём воды значителен в трубках, внутренний диаметр которых соизмерим с диаметром волоса, поэтому такие трубки называют капиллярами. Явления, обусловленные втягиванием смачивающих жидкостей в капилляры (рис. 3, а) или выталкиванием не смачивающих жидкостей из капилляров (рис. 3, б) - капиллярные явления.

3. РОЛЬ КАПИЛЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ В КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Дефекты сварных швов приводят к ослаблению прочности изделий и их разрушению в процессе эксплуатации.

1. Капиллярный контроль

Капиллярный контроль основан на способности жидкостей втягиваться в мельчайшие каналы (капилляры), имеющиеся на поверхности материалов, в том числе поры и трещины сварных швов.

Капиллярный метод применяют для обнаружения невидимых или слабовидимых невооруженным глазом поверхностных дефектов с открытой полостью. Но с помощью керосина можно обнаруживать и сквозные дефекты.

2. Контроль сварных швов с помощью пенетрантов

К наиболее распространенным способам контроля качества сварных швов с использованием явления капиллярности относится контроль пенетрантами - веществами, обладающими малым поверхностным натяжением и высокой световой и цветовой контрастностью, позволяющей легко их увидеть. Сущность метода состоит в окраске дефектов, заполненных пенетрантами (Приложение 1). Обычно в качестве красителей используются вещества ярко-красного цвета.

В комплект средства контроля швов входят три баллончика: сам пенетрант; очиститель; проявитель. Методы контроля сварных соединений с использованием разных пенетрантов сводятся к трем операциям - очистке поверхности, нанесению на неё пенетранта и проявлению дефектов с помощью проявителя (Приложение 2).

3. Контроль швов на непроницаемость с помощью керосина

Несмотря на свою простоту, контроль качества сварных соединений с помощью керосина достаточно эффективен и к тому же не требует значительных материальных затрат. Недаром им продолжают широко пользоваться и в наше время, богатое на различные высокофункциональные устройства и приборы.

Керосин способен проникать сквозь мельчайшие трещины в сварных швах, благодаря чему позволяет обнаруживать мельчайшие дефекты. По своей эффективности способ контроля керосином эквивалентен гидравлическому испытанию с давлением 3-4 кгс/мм2. Он основан на том же явлении капиллярности, что и контроль пенетрантами. К слову сказать, в некоторые пенетранты фирменного изготовления керосин входит в качестве составляющего компонента. Контроль сварных швов с помощью керосина предназначен в основном для стыковых соединений, в отношении нахлесточных он менее эффективен. (Приложение 3).

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Цель: исследование влияния типа жидкости на эффективность смачивания ею стекла и подъёма в капилляре; определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости

Оборудование: капиллярная трубка известного внутреннего диаметра; измерительная линейка; сосуды с чистой водой, этиловым спиртом, керосином.

Порядок выполнения работы

Измерил высоту подъема каждой жидкости (Приложение 4). При повторении результатов, занес полученные значения в таблицу.

Жидкость
Вода	2,9∙10-2	1000	0,5∙10-3	73,6∙10-3	0,0150
Керосин	1,25∙10-2	800	0,5∙10-3	24,5∙10-3	0,0059
Этиловый спирт	1,2∙10-2	790	0,5∙10-3	23,0∙10-3	0,0056

Вычислил коэффициенты поверхностного натяжения жидкостей по формуле: . Полученные результаты занес в таблицу.

Оценил погрешность эксперимента по формуле , приняв

Вывод: все исследуемые жидкости смачивают стекло; все жидкости поднимались в капилляре выше краев сосуда; экспериментально я определил коэффициенты поверхностного натяжения данных жидкостей, они составляют:

^[1]

2) Определение зависимости высоты поднятия жидкости в капилляре от температуры

Цель: изучить зависимость высоты поднятия жидкости в капилляре от температуры, построить график этой зависимости в программе Microsoft Excel

Оборудование: капилляр, термометр, окрашенная вода, измерительная линейка, ПК

Порядок выполнения работы

1. Нагрел воду до температуры 900С. Поместил капилляр диаметром 1 мм в сосуд с горячей водой. Измерил высоту поднятия жидкости в трубке. Результаты занес в таблицу:

Температура жидкости, t0С	90	70	50	30	20
Высота подъема жидкости, h, мм	25	26	27	28	29

2. Построил график зависимости высоты подъема жидкости в капилляре от температуры в программе Microsoft Excel (Приложение 5).

5. Вывод: между высотой поднятия жидкости в капилляре и её температурой существует линейная зависимость; с уменьшением температуры жидкости увеличивается высота её подъема в капиллярной трубке, так как при этом уменьшается коэффициент поверхностного натяжения жидкости.^[2]

3) Измерение среднего диаметра капилляров

Цель: измерить средний диаметр капилляров.

Оборудование: сосуд с подкрашенной водой, полоски бумажной салфетки и хлопчатобумажной ткани размером 120 х 10 мм, линейка измерительная.

Порядок выполнения работы

Полосками салфетки и ткани одновременно прикоснулся к поверхности подкрашенной воды в сосуде, наблюдая поднятие воды в полосках (Приложение 6).
Как только прекратился подъём воды, полоски вынул, измерил линейкой высоты поднятия в них воды:
Абсолютные погрешности измерения Δ h1 = 2 мм = 2∙10-3 м и Δ h1 = 2 мм = 2∙10-3 м принял равными удвоенной цене деления линейки. Рассчитал диаметр капилляров: А) Для ткани:

Б) Для бумажной салфетки:

Для воды σ ± Δσ = (7, 3 ± 0, 05)х10-2 Н/ м.

Рассчитал абсолютные погрешности Δ D1 и Δ D2 при косвенном измерении диаметра капилляров:

Погрешностями Δ g и Δ ρ можно пренебречь. Окончательный результат измерения диаметра капилляров: D1 ± Δ D1 = (3,19 ± 0,7)∙10-4 м; D2 ± Δ D2 = (6,32 ± 2,7)∙10-4 м.^[3]

4) Выявление дефектов сварных соединений методом капиллярной дефектоскопии (с помощью керосина)

1. Очистил сварной шов с двух сторон от шлака и грязи;

2. Покрыл одну из сторон шва водной суспензией мела. Подсушил шов феном.

3. Обильно кисточкой намазал обратную сторону шва керосином - 2 раза в течение 15 минут; наблюдал за стороной, на которую нанесена меловая суспензия.

4. Негерметичность шва обнаруживает себя появлением темных полос или точек на меловом покрытии (Приложение 7).

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения этой работы я

1. углубил знания по теме «Смачивание и не смачивание. Капиллярность»;

2. узнал, в чем суть метода цветной дефектоскопии;

3. научился рассчитывать диаметр капилляров по высоте подъема жидкости в различных тканях; коэффициент поверхностного натяжения жидкостей;

4. определил зависимость высоты подъема жидкости в капилляре от температуры;

5. научился строить графики в программе Microsoft Excel;

6. научился выявлять дефекты сварных соединений методом капиллярной дефектоскопии (с помощью керосина).

6. ЛИТЕРАТУРА

1. Жданов Л. С., Жданов Г. Л. Физика для средних специальных учебных заведений: учебное пособие – 3-е изд., перераб. – М.: Наука. Гл. ред. Физ. – мат. литературы., 1981.

2. Царькова О.Г. Физический практикум: Для 7 – 10 классов с углубленным изучением физики/ О.Г. Царькова. – М.: Чистые пруды, 2008. – 32 с.: ил. – (Библиотечка «Первого сентября», серия «Физика». Вып. 20).

7. ЭЛЕКТРОННЫЕ РЕСУРСЫ

3. Элективный курс. Бегство от удивления. [Электронный ресурс]: предметно ориентированный (пробный) элективный курс. URL: znanie.podelise.ru›docs/84012/index-843.html (дата обращения: 15. 11. 2013 г.)

4. Лабораторная работа № 4. Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости. [Электронный ресурс]: программа элективного курса. URL: http://festival.1september.ru/articles/313567/pril2.doc (дата обращения: 13. 12. 2013 г.)

5. Портал о сварке. [Электронный ресурс]: способы контроля сварных конструкций. URL: http://www.welding.su/library/kontrol/kontrol_119.html (дата обращения: 04. 01. 2014 г.)

6. Лаборатория неразрушающего контроля [Электронный ресурс]: контроль проникающими веществами (ПВК). URL: http://pskontrol.ru/index.php/laboratoriya-nerazrushayushchego-kontrolya/metody-kontrolya/pvk/83-kat-uslugi/laboratoriya-nerazrushayushchego-kontrolya (дата обращения: 04. 01. 2014 г.)

[1] Царькова О.Г. Физический практикум: Для 7 – 10 классов с углубленным изучением физики/ О.Г. Царькова. – М.: Чистые пруды, 2008. – 32 с.: ил. – (Библиотечка «Первого сентября», серия «Физика». Вып. 20).

[2] Элективный курс. Бегство от удивления. [Электронный ресурс]: предметно ориентированный (пробный) элективный курс. URL: znanie.podelise.ru›docs/84012/index-843.html (дата обращения: 15. 11. 2013 г.)

[3] Лабораторная работа № 4. Изучение капиллярных явлений, обусловленных поверхностным натяжением жидкости. [Электронный ресурс]: программа элективного курса. http://festival.1september.ru/articles/313567/pril2.doc (дата обращения: 13. 12. 2013 г.)

Предварительный просмотр:

Приложение 1

Комплект средств для контроля сварных швов (пенетрант, очиститель и проявитель)

Приложение 2

Контроль сварных соединений пенетрантом:

1 – очищенная поверхность с трещиной, 2 – нанесенный на поверхность пенетрант заполнил трещину, 3 – очищенная поверхность (пенетрант остался в трещине), 4 – нанесенный на поверхность проявитель вытягивает пенетрант из трещины на поверхность и может создавать светлый фон;