X
تبلیغات
وبلاگ تخصصی مهندسی جوش
Introduction to Radiographic Testing

Introduction
History
Present State
Future Direction

Physics of Radiography
Nature of Radiation
X-Radiation
Gamma Radiation
Activity
Decay Rate
  -Carbon 14 Dating
Ionization
Inverse Square Law
Interaction of Radiation and Matter
Linear Attenuation Coefficient
Half-Value Layer
Sources of Attenuation
  -Compton Scattering
Geometry Unsharpness
Filters in Radiography
Scatter/Radiation Control
Radiation Safety

Equipment & Materials
X-ray Sources
Radio Isotope Sources
Radiographic Film
Exposure Vaults

Techniques & Calibrations
Imaging Consideration
Contrast
Definition
Radiographic Density
Film Characteristic Curves
Exposure Calculations

Controlling Quality

Film Processing
Viewing Radiographs
Radiograph Interp - Welds
Radiograph Interp - Castings

Advanced Techniques
Real-time Radiography
Computed Tomography
XRSIM

References

Quizzes

History of Radiography

X-rays were discovered in 1895 by Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) who was a Professor at Wuerzburg University in Germany. Working with a cathode-ray tube in his laboratory, Roentgen observed a fluorescent glow of crystals on a table near his tube. The tube that Roentgen was working with consisted of a glass envelope (bulb) with positive and negative electrodes encapsulated in it. The air in the tube was evacuated, and when a high voltage was applied, the tube produced a fluorescent glow. Roentgen shielded the tube with heavy black paper, and discovered a green colored fluorescent light generated by a material located a few feet away from the tube.

He concluded that a new type of ray was being emitted from the tube. This ray was capable of passing through the heavy paper covering and exciting the phosphorescent materials in the room. He found that the new ray could pass through most substances casting shadows of solid objects. Roentgen also discovered that the ray could pass through the tissue of humans, but not bones and metal objects. One of Roentgen's first experiments late in 1895 was a film of the hand of his wife, Bertha. It is interesting that the first use of X-rays were for an industrial (not medical) application, as Roentgen produced a radiograph of a set of weights in a box to show his colleagues.

Roentgen's discovery was a scientific bombshell, and was received with extraordinary interest by both scientist and laymen. Scientists everywhere could duplicate his experiment because the cathode tube was very well known during this period. Many scientists dropped other lines of research to pursue the mysterious rays. Newspapers and magazines of the day provided the public with numerous stories, some true, others fanciful, about the properties of the newly discovered rays.

Public fancy was caught by this invisible ray with the ability to pass through solid matter, and, in conjunction with a photographic plate, provide a picture of bones and interior body parts. Scientific fancy was captured by the demonstration of a wavelength shorter than light. This generated new possibilities in physics, and for investigating the structure of matter. Much enthusiasm was generated about potential applications of rays as an aid in medicine and surgery. Within a month after the announcement of the discovery, several medical radiographs had been made in Europe and the United States, which were used by surgeons to guide them in their work. In June 1896, only 6 months after Roentgen announced his discovery, X-rays were being used by battlefield physicians to locate bullets in wounded soldiers.

Prior to 1912, X-rays were used little outside the realms of medicine and dentistry, though some X-ray pictures of metals were produced. The reason that X-rays were not used in industrial application before this date was because the X-ray tubes (the source of the X-rays) broke down under the voltages required to produce rays of satisfactory penetrating power for industrial purposes. However, that changed in 1913 when the high vacuum X-ray tubes designed by Coolidge became available. The high vacuum tubes were an intense and reliable X-ray source, operating at energies up to 100,000 volts.

In 1922, industrial radiography took another step forward with the advent of the 200,000-volt X-ray tube that allowed radiographs of thick steel parts to be produced in a reasonable amount of time. In 1931, General Electric Company developed 1,000,000 volt X-ray generators, providing an effective tool for industrial radiography. That same year, the American Society of Mechanical Engineers (ASME) permitted X-ray approval of fusion welded pressure vessels that further opened the door to industrial acceptance and use.

A Second Source of Radiation

Shortly after the discovery of X-rays, another form of penetrating rays was discovered. In 1896, French scientist Henri Becquerel discovered natural radioactivity. Many scientists of the period were working with cathode rays, and other scientists were gathering evidence on the theory that the atom could be subdivided. Some of the new research showed that certain types of atoms disintegrate by themselves. It was Henri Becquerel who discovered this phenomenon while investigating the properties of fluorescent minerals. Becquerel was researching the principles of fluorescence, wherein certain minerals glow (fluoresce) when exposed to sunlight. He utilized photographic plates to record this fluorescence.

One of the minerals Becquerel worked with was a uranium compound. On a day when it was too cloudy to expose his samples to direct sunlight, Becquerel stored some of the compound in a drawer with his photographic plates. Later when he developed these plates, he discovered that they were fogged (exhibited exposure to light). Becquerel questioned what would have caused this fogging. He knew he had wrapped the plates tightly before using them, so the fogging was not due to stray light. In addition, he noticed that only the plates that were in the drawer with the uranium compound were fogged. Becquerel concluded that the uranium compound gave off a type of radiation that could penetrate heavy paper and expose photographic film. Becquerel continued to test samples of uranium compounds and determined that the source of radiation was the element uranium. Bacquerel's discovery was, unlike that of the X-rays, virtually unnoticed by laymen and scientists alike. Relatively few scientists were interested in Becquerel's findings. It was not until the discovery of radium by the Curies two years later that interest in radioactivity became widespread.

While working in France at the time of Becquerel's discovery, Polish scientist Marie Curie became very interested in his work. She suspected that a uranium ore known as pitchblende contained other radioactive elements. Marie and her husband, French scientist Pierre Curie, started looking for these other elements. In 1898, the Curies discovered another radioactive element in pitchblende, and named it 'polonium' in honor of Marie Curie's native homeland. Later that year, the Curies discovered another radioactive element which they named radium, or shining element. Both polonium and radium were more radioactive than uranium. Since these discoveries, many other radioactive elements have been discovered or produced.

Radium became the initial industrial gamma ray source. The material allowed castings up to 10 to 12 inches thick to be radiographed. During World War II, industrial radiography grew tremendously as part of the Navy's shipbuilding program. In 1946, man-made gamma ray sources such as cobalt and iridium became available. These new sources were far stronger than radium and were much less expensive. The manmade sources rapidly replaced radium, and use of gamma rays grew quickly in industrial radiography.

Health Concerns

The science of radiation protection, or "health physics" as it is more properly called, grew out of the parallel discoveries of X-rays and radioactivity in the closing years of the 19th century. Experimenters, physicians, laymen, and physicists alike set up X-ray generating apparatuses and proceeded about their labors with a lack of concern regarding potential dangers. Such a lack of concern is quite understandable, for there was nothing in previous experience to suggest that X-rays would in any way be hazardous. Indeed, the opposite was the case, for who would suspect that a ray similar to light but unseen, unfelt, or otherwise undetectable by the senses would be damaging to a person? More likely, or so it seemed to some, X-rays could be beneficial for the body.

Inevitably, the widespread and unrestrained use of X-rays led to serious injuries. Often injuries were not attributed to X-ray exposure, in part because of the slow onset of symptoms, and because there was simply no reason to suspect X-rays as the cause. Some early experimenters did tie X-ray exposure and skin burns together. The first warning of possible adverse effects of X-rays came from Thomas Edison, William J. Morton, and Nikola Tesla who each reported eye irritations from experimentation with X-rays and fluorescent substances.

Today, it can be said that radiation ranks among the most thoroughly investigated causes of disease. Although much still remains to be learned, more is known about the mechanisms of radiation damage on the molecular, cellular, and organ system than is known for most other health stressing agents. Indeed, it is precisely this vast accumulation of quantitative dose-response data that enables health physicists to specify radiation levels so that medical, scientific, and industrial uses of radiation may continue at levels of risk no greater than, and frequently less than, the levels of risk associated with any other technology.

X-rays and Gamma rays are electromagnetic radiation of exactly the same nature as light, but of much shorter wavelength. Wavelength of visible light is on the order of 6000 angstroms while the wavelength of x-rays is in the range of one angstrom and that of gamma rays is 0.0001 angstrom. This very short wavelength is what gives x-rays and gamma rays their power to penetrate materials that light cannot. These electromagnetic waves are of a high energy level and can break chemical bonds in materials they penetrate. If the irradiated matter is living tissue, the breaking of chemical bonds may result in altered structure or a change in the function of cells. Early exposures to radiation resulted in the loss of limbs and even lives. Men and women researchers collected and documented information on the interaction of radiation and the human body. This early information helped science understand how electromagnetic radiation interacts with living tissue. Unfortunately, much of this information was collected at great personal expense.

Present State of Radiography

In many ways, radiography has changed little from the early days of its use. We still capture a shadow image on film using similar procedures and processes technicians were using in the late 1800's. Today, however, we are able to generate images of higher quality and greater sensitivity through the use of higher quality films with a larger variety of film grain sizes. Film processing has evolved to an automated state, producing more consistent film quality by removing manual processing variables. Electronics and computers allow technicians to now capture images digitally. The use of "filmless radiography" provides a means of capturing an image, digitally enhancing, sending the image anywhere in the world, and archiving an image that will not deteriorate with time. Technological advances have provided industry with smaller, lighter, and very portable equipment that produce high quality X-rays. The use of linear accelerators provide a means of generating extremely short wavelength, highly penetrating radiation, a concept dreamed of only a few short years ago.

While the process has changed little, technology has evolved allowing radiography to be widely used in numerous areas of inspection.  Radiography has seen expanded usage in industry to inspect not only welds and castings, but to radiographically inspect items such as airbags and canned food products. Radiography has found use in metallurgical material identification and security systems at airports and other facilities.

Gamma ray inspection has also changed considerably since the Curies' discovery of radium. Man-made isotopes of today are far stronger and offer the technician a wide range of energy levels and half-lives. The technician can select Co-60 which will effectively penetrate very thick materials, or select a lower energy isotope, such as Tm-170, which can be used to inspect plastics and very thin or low density materials. Today gamma rays find wide application in industries such as petrochemical, casting, welding, and aerospace.

Addressing Health Concerns

It was in the Manhattan District of US Army Corps of Engineers that the name "health physics" was born, and great advances were made in radiation safety. From the onset, the leaders of the Manhattan District recognized that a new and intense source of radiation and radioactivity would be created. In the summer of 1942, the leaders asked Ernest O. Wollan, a cosmic ray physicist at the University of Chicago, to form a group to study and control radiation hazards. Thus, Wollan was the first to bear the title of health physicist. He was soon joined by Carl G. Gamertsfelder, recently graduated physics baccalaureate, and Herbert M. Parker, the noted British-American medical physicist. By mid 1943, six others had been added. These six include Karl Z. Morgan, James C. Hart, Robert R. Coveyou, O.G. Landsverk, L.A. Pardue, and John E. Rose.

Within the Manhattan District, the name "health physicist" seems to have been derived in part from the need for secrecy (and hence a code name for radiation protection activities) and the fact that it was a group of mostly physicists working on health related problems. Activities included developing appropriate monitoring instruments, physical controls, administrative procedures, monitoring radiation areas, personnel monitoring, and radioactive waste disposal. It was in the Manhattan District that many of the modern concepts of protection were born, including the rem unit, which took into account the biological effectiveness of the radiation. It was in the Manhattan District that radiation protection concepts realized maturity and enforceability.

Future Direction of Radiographic Education

Although many of the methods and techniques developed over a century ago remain in use, computers are slowly becoming a part of radiographic inspection. The future of radiography will likely see many changes. As noted earlier, companies are performing many inspections without the aid of film.

Radiographers of the future will capture images in digitized form and e-mail them to the customer when the inspection has been completed. Film evaluation will likely be left to computers. Inspectors may capture a digitized image, feed them into a computer and wait for a printout of the image with an accept/reject report. Systems will be able to scan a part and present a three-dimensional image to the radiographer, helping him or her to locate the defect within the part.

Inspectors in the future will be able to peal away layer after layer of a part to evaluate the material in much greater detail. Color images, much like computer generated ultrasonic C-scans of today, will make interpretation of indications much more reliable and less time consuming.

Educational techniques and materials will need to be revised and updated to keep pace with technology and meet the requirements of industry. These needs may well be met with computers. Computer programs can simulate radiographic inspections using a computer aided design (CAD) model of a part to produce physically accurate simulated x-ray radiographic images. Programs allow the operator to select different parts to inspect, adjust the placement and orientation of the part to obtain the proper equipment/part relationships, and adjust all the usual x-ray generator settings to arrive at the desired radiographic film exposure.

Computer simulation will likely have its greatest impact in the classroom, allowing the student to see results in almost real-time. Simulators and computers may well become the primary tool for instructors as well as students in the technical classroom.

Nature of Penetrating Radiation

The Electromagnetic Spectrum

X-rays and gamma rays differ only in their source of origin.  X-rays are produced by an x-ray generator and gamma radiation is the product of radioactive atoms.  They are both part of the electromagnetic spectrum. They are waveforms, as are light rays, microwaves, and radio waves. X-rays and gamma rays cannot been seen, felt, or heard. They possess no charge and no mass and, therefore, are not influenced by electrical and magnetic fields and will generally travel in straight lines. However, they can be diffracted (bent) in a manner similar to light.

Both X-rays and gamma rays can be characterized by frequency, wavelength, and velocity. However, they act somewhat like a particle at times in that they occur as small "packets" of energy and are referred to as "photons."  Due to their short wavelength they have more energy to pass through matter than do the other forms of energy in the electromagnetic spectrum. As they pass through matter, they are scattered and absorbed and the degree of penetration depends on the kind of matter and the energy of the rays. 

Properties of X-Rays and Gamma Rays

  • They are not detected by human senses (cannot be seen, heard, felt, etc.).
  • They travel in straight lines at the speed of light.
  • Their paths cannot be changed by electrical or magnetic fields.
  • They can be diffracted to a small degree at interfaces between two different materials.
  • They pass through matter until they have a chance encounter with an atomic particle.
  • Their degree of penetration depends on their energy and the matter they are traveling through.
  • They have enough energy to ionize matter and can damage or destroy living cells.

X-Radiation

 

X-rays are just like any other kind of electromagnetic radiation. They can be produced in parcels of energy called photons, just like light. There are two different atomic processes that can produce X-ray photons. One is called Bremsstrahlung and is a German term meaning "braking radiation." The other is called K-shell emission. They can both occur in the heavy atoms of tungsten. Tungsten is often the material chosen for the target or anode of the x-ray tube.

Both ways of making X-rays involve a change in the state of electrons. However, Bremsstrahlung is easier to understand using the classical idea that radiation is emitted when the velocity of the electron shot at the tungsten changes. The negatively charged electron slows down after swinging around the nucleus of a positively charged tungsten atom. This energy loss produces X-radiation. Electrons are scattered elastically and inelastically by the positively charged nucleus. The inelastically scattered electron loses energy, which appears as Bremsstrahlung. Elastically scattered electrons (which include backscattered electrons) are generally scattered through larger angles. In the interaction, many photons of different wavelengths are produced, but none of the photons have more energy than the electron had to begin with. After emitting the spectrum of X-ray radiation, the original electron is slowed down or stopped.

Bremsstrahlung Radiation
X-ray tubes produce x-ray photons by accelerating a stream of electrons to energies of several hundred kilovolts with velocities of several hundred kilometers per hour and colliding them into a heavy target material. The abrupt acceleration of the charged particles (electrons) produces Bremsstrahlung photons. X-ray radiation with a continuous spectrum of energies is produced with a range from a few keV to a maximum of the energy of the electron beam. Target materials for industrial tubes are typically tungsten, which means that the wave functions of the bound tungsten electrons are required. The inherent filtration of an X-ray tube must be computed, which is controlled by the amount that the electron penetrates into the surface of the target and by the type of vacuum window present.

The bremsstrahlung photons generated within the target material are attenuated as they pass through typically 50 microns of target material. The beam is further attenuated by the aluminum or beryllium vacuum window. The results are an elimination of the low energy photons, 1 keV through l5 keV, and a significant reduction in the portion of the spectrum from 15 keV through 50 keV. The spectrum from an x-ray tube is further modified by the filtration caused by the selection of filters used in the setup.

The applet below allows the user to visualize an electron accelerating and interacting with a heavy target material. The graph keeps a record of the bremsstrahlung photons numbers as a function of energy. After a few events, the "building up" of the graph may be accomplished by pressing the "automate" button.

K-shell Emission Radiation
Remember that atoms have their electrons arranged in closed "shells" of different energies. The K-shell is the lowest energy state of an atom. An incoming electron can give a K-shell electron enough energy to knock it out of its energy state. About 0.1% of the electrons produce K-shell vacancies; most produce heat. Then, a tungsten electron of higher energy (from an outer shell) can fall into the K-shell. The energy lost by the falling electron shows up in an emitted x-ray photon. Meanwhile, higher energy electrons fall into the vacated energy state in the outer shell, and so on. K-shell emission produces higher-intensity x-rays than Bremsstrahlung, and the x-ray photon comes out at a single wavelength.

When outer-shell electrons drop into inner shells, they emit a quantized photon "characteristic" of the element. The energies of the characteristic X-rays produced are only very weakly dependent on the chemical structure in which the atom is bound, indicating that the non-bonding shells of atoms are the X-ray source. The resulting characteristic spectrum is superimposed on the continuum as shown in the graphs below. An atom remains ionized for a very short time (about 1014 second) and thus an atom can be repeatedly ionized by the incident electrons which arrive about every 1012 second.

Gamma Radiation

Gamma radiation is one of the three types of natural radioactivity. Gamma rays are electromagnetic radiation, like X-rays.  The other two types of natural radioactivity are alpha and beta radiation, which are in the form of particles.   Gamma rays are the most energetic form of electromagnetic radiation, with a very short wavelength of less than one-tenth of a nanometer.

Gamma radiation is the product of radioactive atoms. Depending upon the ratio of neutrons to protons within its nucleus, an isotope of a particular element may be stable or unstable. When the binding energy is not strong enough to hold the nucleus of an atom together, the atom is said to be unstable. Atoms with unstable nuclei are constantly changing as a result of the imbalance of energy within the nucleus. Over time, the nuclei of unstable isotopes spontaneously disintegrate, or transform, in a process known as radioactive decay. Various types of penetrating radiation may be emitted from the nucleus and/or its surrounding electrons. Nuclides which undergo radioactive decay are called radionuclides. Any material which contains measurable amounts of one or more radionuclides is a radioactive material.

Types Radiation Produced by Radioactive Decay
When an atom undergoes radioactive decay, it emits one or more forms of radiation with sufficient energy to ionize the atoms with which it interacts. Ionizing radiation can consist of high speed subatomic particles ejected from the nucleus or electromagnetic radiation (gamma-rays) emitted by either the nucleus or orbital electrons.

Alpha Particles
Certain radionuclides of high atomic mass (Ra226, U238, Pu239) decay by the emission of alpha particles. These alpha particles are tightly bound units of two neutrons and two protons each (He4 nucleus) and have a positive charge. Emission of an alpha particle from the nucleus results in a decrease of two units of atomic number (Z) and four units of mass number (A). Alpha particles are emitted with discrete energies characteristic of the particular transformation from which they originate. All alpha particles from a particular radionuclide transformation will have identical energies.

Beta Particles
A nucleus with an unstable ratio of neutrons to protons may decay through the emission of a high speed electron called a beta particle. This results in a net change of one unit of atomic number (Z). Beta particles have a negative charge and the beta particles emitted by a specific radionuclide will range in energy from near zero up to a maximum value, which is characteristic of the particular transformation.

Gamma-rays
A nucleus which is in an excited state may emit one or more photons (packets of electromagnetic radiation) of discrete energies. The emission of gamma rays does not alter the number of protons or neutrons in the nucleus but instead has the effect of moving the nucleus from a higher to a lower energy state (unstable to stable). Gamma ray emission frequently follows beta decay, alpha decay, and other nuclear decay processes.

Activity (of Radionuclides)

The quantity which expresses the degree of radioactivity or the radiation producing potential of a given amount of radioactive material is activity. The curie was originally defined as that amount of any radioactive material that disintegrates at the same rate as one gram of pure radium. The curie has since been defined more precisely as a quantity of radioactive material in which 3.7 x 1010 atoms disintegrate per second. The International System (SI) unit for activity is the Becquerel (Bq), which is that quantity of radioactive material in which one atom is transformed per second. The radioactivity of a given amount of radioactive material does not depend upon the mass of material

present. For example, two one-curie sources of Cs-137 might have very different masses depending upon the relative proportion of non-radioactive atoms present in each source. Radioactivity is expressed as the number of curies or becquerels per unit mass or volume.

The concentration of radioactivity, or the relationship between the mass of radioactive material and the activity, is called "specific activity." Specific activity is expressed as the number of curies or becquerels per unit mass or volume. Each gram of Cobalt-60 will contain approximately 50 curies. Iridium-192 will contain 350 curies for every gram of material. The shorter half-life, the less amount of material that will be required to produce a given activity or curies. The higher specific activity of Iridium results in physically smaller sources. This allows technicians to place the source in closer proximity to the film while maintaining geometric unsharpness requirements on the radiograph. These unsharpness requirements may not be met if a source with a low specific activity were used at similar source to film distances.

Isotope Decay Rate (Half-Life)

Each radionuclide decays at its own unique rate which cannot be altered by any chemical or physical process. A useful measure of this rate is the half-life of the radionuclide. Half-life is defined as the time required for the activity of any particular radionuclide to decrease to one-half of its initial value.  In other words one-half of the atoms have reverted to a more stable state material. Half-lives of radionuclides range from microseconds to billions of years. Half-life of two widely used industrial isotopes are 74 days for Iridium-192, and 5.3 years for Cobalt-60. More exacting calculations can be made for the half-life of these materials, however, these times are commonly used.

The applet below offers an interactive representation of radioactive decay series. The four series represented are Th232, Ir192, Co60, Ga75, and C14. Use the radio buttons to select the series that you would like to study. Note that Carbon-14 is not used in radiography, but is one of many useful radioactive isotopes used to determine the age of fossils. If you are interested in learning more about Carbon-14 Dating, follow this link: Carbon-14 Dating.

The Sequence Info button displays a chart that depicts the path of the series with atomic numbers indicated on the vertical axis on the left, and the number of neutrons shown along the bottom. Colored arrows represent alpha and beta decays. To return to the main user interface, click the "Dismiss" button.

Initially, a selected series contains all parent material, and the amount is represented by a colored bar on a vertical logarithmic scale. Each line represents a factor of ten. In order to step forward through the sequence by a specified number of years, you may type the appropriate number into the "Time Step" field and hit "Enter." A negative time step will backtrack through the sequence.

You may choose a step interval in years and progress through each step by pressing the "Enter" key. The "Animate" button will automate the progress through the series. You can either choose a time step before you animate or leave it at zero. If the time step is left at zero, the system will choose time steps to optimize viewing performance.

Ionization

As penetrating radiation moves from point to point in matter, it loses its energy through various interactions with the atoms it encounters. The rate at which this energy loss occurs depends upon the type and energy of the radiation and the density and atomic composition of the matter through which it is passing.

The various types of penetrating radiation impart their energy to matter primarily through excitation and ionization of orbital electrons. The term "excitation" is used to describe an interaction where electrons acquire energy from a passing charged particle but are not removed completely from their atom. Excited electrons may subsequently emit energy in the form of x-rays during the process of returning to a lower energy state. The term "ionization" refers to the complete removal of an electron from an atom following the transfer of energy from a passing charged particle. In describing the intensity of ionization, the term "specific ionization" is often used. This is defined as the number of ion pairs formed per unit path length for a given type of radiation.

 Because of their double charge and relatively slow velocity, alpha particles have a high specific ionization and a relatively short range in matter (a few centimeters in air and only fractions of a millimeter in tissue). Beta particles have a much lower specific ionization than alpha particles and, generally, a greater range. For example, the relatively energetic beta particles from P32 have a maximum range of 7 meters in air and 8 millimeters in tissue. The low energy betas from H3, on the other hand, are stopped by only 6 millimeters of air or 6 micrometers of tissue.

Gamma-rays, x-rays, and neutrons are referred to as indirectly ionizing radiation since, having no charge, they do not directly apply impulses to orbital electrons as do alpha and beta particles. Electromagnetic radiation proceeds through matter until there is a chance of interaction with a particle. If the particle is an electron, it may receive enough energy to be ionized, whereupon it causes further ionization by direct interactions with other electrons. As a result, indirectly ionizing radiation (e.g. gamma, x-rays, and neutrons) can cause the liberation of directly ionizing particles (electrons) deep inside a medium. Because these neutral radiations undergo only chance encounters with matter, they do not have finite ranges, but rather are attenuated in an exponential manner. In other words, a given gamma ray has a definite probability of passing through any medium of any depth.

Neutrons lose energy in matter by collisions which transfer kinetic energy. This process is called moderation and is most effective if the matter the neutrons collide with has about the same mass as the neutron. Once slowed down to the same average energy as the matter being interacted with (thermal energies), the neutrons have a much greater chance of interacting with a nucleus. Such interactions can result in material becoming radioactive or can cause radiation to be given off.

Newton's Inverse Square Law

Any point source which spreads its influence equally in all directions without a limit to its range will obey the inverse square law. This comes from strictly geometrical considerations. The intensity of the influence at any given radius (r) is the source strength divided by the area of the sphere. Being strictly geometric in its origin, the inverse square law applies to diverse phenomena. Point sources of gravitational force, electric field, light, sound, and radiation obey the inverse square law.

Interaction Between Penetrating Radiation
and Matter

When x-rays or gamma rays are directed into an object, some of the photons interact with the particles of the matter and their energy can be absorbed or scattered.  This absorption and scattering is called attenuation.  Other photons travel completely through the object without interacting with any of the material's particles.  The number of photons transmitted through a material depends on the thickness, density and atomic number of the material, and the energy of the individual photons.

Even when they have the same energy, photons travel different distances within a material simply based on the probability of their encounter with one or more of the particles of the matter and the type of encounter that occurs.  Since the probability of an encounter increases with the distance traveled, the number of photons reaching a specific point within the matter decreases exponentially with distance traveled.  As shown in the graphic to the right, if 1000 photons are aimed at ten 1 cm layers of a material and there is a 10% chance of a photon being attenuated in this layer, then there will be 100 photons attenuated.  This leave 900 photos to travel into the next layer where 10% of these photos will be attenuated.  By continuing this progression, the exponential shape of the curve becomes apparent. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 The formula that describes this curve is:

The factor that indicates how much attenuation will take place per cm (10% in this example) is known as the linear attenuation coefficient, m.  The above equation and the linear attenuation coefficient will be discussed in more detail on the following page.

Transmitted Intensity and
Linear Attenuation Coefficient

For a narrow beam of mono-energetic photons, the change in x-ray beam intensity at some distance in a material can be expressed in the form of an equation as:

Where:

dI

=

the change in intensity

 

I

=

the initial intensity

 

n

=

the number of atoms/cm3

 

s

=

a proportionality constant that reflects the total probability of a photon being scattered or absorbed

 

dx

=

the incremental thickness of material traversed

When this equation is integrated, it becomes:

The number of atoms/cm3 (n) and the proportionality constant (s) are usually combined to yield the linear attenuation coefficient (m). Therefore the equation becomes:

Where:

I

=

the intensity of photons transmitted across some distance x

 

I0

=

the initial intensity of photons

 

s

=

a proportionality constant that reflects the total probability of a photon being scattered or absorbed

 

m

=

the linear attenuation coefficient

 

x

=

distance traveled

The Linear Attenuation Coefficient (m)
The linear attenuation coefficient (m) describes the fraction of a beam of x-rays or gamma rays that is absorbed or scattered per unit thickness of the absorber. This value basically accounts for the number of atoms in a cubic cm volume of material and the probability of a photon being scattered or absorbed from the nucleus or an electron of one of these atoms. The linear attenuation coefficients for a variety of materials and x-ray energies are available in various reference books.

Using the transmitted intensity equation above, linear attenuation coefficients can be used to make a number of calculations. These include:

  • the intensity of the energy transmitted through a material when the incident x-ray intensity, the material and the material thickness are known.
  • the intensity of the incident x-ray energy when the transmitted x-ray intensity, material, and material thickness are known.
  • the thickness of the material when the incident and transmitted intensity, and the material are known.
  • the material can be determined from the value of m when the incident and transmitted intensity, and the material thickness are known.

 

+ نوشته شده توسط رحمان فضلی در دوشنبه بیست و پنجم آبان 1388 و ساعت 0:39 |

Half-Value Layer

The thickness of any given material where 50% of the incident energy has been attenuated is know as the half-value layer (HVL). The HVL is expressed in units of distance (mm or cm). Like the attenuation coefficient, it is photon energy dependant. Increasing the penetrating energy of a stream of photons will result in an increase in a material's HVL.

The HVL is inversely proportional to the attenuation coefficient. If an incident energy of 1 and a transmitted energy is 0.5 is plugged into the equation introduced on the preceding page, it can be seen that the HVL multiplied by m must equal 0.693.

 

If x is the HVL then m times HVL must equal 0.693 (since the number 0.693 is the exponent value that gives a value of 0.5).

Therefore, the HVL and m are related as follows:

The HVL is often used in radiography simply because it is easier to remember values and perform simple calculations. In a shielding calculation, such as illustrated to the right, it can be seen that if the thickness of one HVL is known, it is possible to quickly determine how much material is needed to reduce the intensity to less than 1%.

Sources of Attenuation

The attenuation that results due to the interaction between penetrating radiation and matter is not a simple process.  A single interaction event between a primary x-ray photon and a particle of matter does not usually result in the photon changing to some other form of energy and effectively disappearing.  Several interaction events are usually involved and the total attenuation is the sum of the attenuation due to different types of interactions. These interactions include the photoelectric effect, scattering, and pair production. The figure below shows an approximation of the total absorption coefficient, (µ), in red, for iron plotted as a function of radiation energy. The four radiation-matter interactions that contribute to the total absorption are shown in black. The four types of interactions are: photoelectric (PE), Compton scattering (C), pair production (PP), and Thomson or Rayleigh scattering (R). Since most industrial radiography is done in the 0.1 to 1.5 MeV range, it can be seen from the plot that photoelectric and Compton scattering account for the majority of attenuation encountered.

Summary of different mechanisms that cause attenuation of an incident x-ray beam

Photoelectric (PE) absorption of x-rays occurs when the x-ray photon is absorbed, resulting in the ejection of electrons from the outer shell of the atom, and hence the ionization of the atom. Subsequently, the ionized atom returns to the neutral state with the emission of an x-ray characteristic of the atom. This subsequent emission of lower energy photons is generally absorbed and does not contribute to (or hinder) the image making process. Photoelectron absorption is the dominant process for x-ray absorption up to energies of about 500 KeV. Photoelectron absorption is also dominant for atoms of high atomic numbers.

Compton scattering (C) occurs when the incident x-ray photon is deflected from its original path by an interaction with an electron.  The electron gains energy and is ejected from its orbital position.  The x-ray photon looses energy due to the interaction but continues to travel through the material along an altered path.  Since the scattered x-ray photon has less energy, it, therefore, has a longer wavelength than the incident photon. The event is also known as incoherent scattering because the photon energy change resulting from an interaction is not always orderly and consistent.  The energy shift depends on the angle of scattering and not on the nature of the scattering medium.  Click here for more information on Compton scattering and the relationship between the scatter angle and photon energy.

Pair production (PP) can occur when the x-ray photon energy is greater than 1.02 MeV, but really only becomes significant at energies around 10 MeV. Pair production occurs when an electron and positron are created with the annihilation of the x-ray photon. Positrons are very short lived and disappear (positron annihilation) with the formation of two photons of 0.51 MeV energy.  Pair production is of particular importance when high-energy photons pass through materials of a high atomic number.

Below are other interaction phenomenon that can occur. Under special circumstances these may need to be considered, but are generally negligible.

Thomson scattering (R), also known as Rayleigh, coherent, or classical scattering, occurs when the x-ray photon interacts with the whole atom so that the photon is scattered with no change in internal energy to the scattering atom, nor to the x-ray photon. Thomson scattering is never more than a minor contributor to the absorption coefficient. The scattering occurs without the loss of energy. Scattering is mainly in the forward direction.

Photodisintegration (PD) is the process by which the x-ray photon is captured by the nucleus of the atom with the ejection of a particle from the nucleus when all the energy of the x-ray is given to the nucleus. Because of the enormously high energies involved, this process may be neglected for the energies of x-rays used in radiography.

Effect of Photon Energy on Attenuation
Absorption characteristics will increase or decrease as the energy of the x-ray is increased or decreased. Since attenuation characteristics of materials are important in the development of contrast in a radiograph, an understanding of the relationship between material thickness, absorption properties, and photon energy is fundamental to producing a quality radiograph. A radiograph with higher contrast will provide greater probability of detection of a given discontinuity. An understanding of absorption is also necessary when designing x-ray and gamma ray shielding, cabinets, or exposure vaults.

The applet below can be used to investigate the effect that photon energy has on the type of interaction that the photon is likely to have with a particle of the material (shown in gray). Various materials and material thicknesses may be selected and the x-ray energy can be set to produce a range from 1 to 199 KeV. Notice as various experiments are run with the applets that low energy radiation produces predominately photoelectric events and higher energy x-rays produce predominately Compton scattering events. Also notice that if the energy is too low, none of the radiation penetrates the material.

This second applet is similar to the one above except that the voltage (KVp) for a typical generic x-ray tube source can be selected. The applet displays the spectrum of photon energies (without any filtering) that the x-ray source produces at the selected voltage. Pressing the "Emit X-ray" button will show the interaction that will occur from one photon with an energy within the spectrum.  Pressing the "Auto" button will show the interactions from a large number of photos with energies within the spectrum.

Compton Scattering

As mentioned on the previous page, Compton scattering occurs when the incident x-ray photon is deflected from its original path by an interaction with an electron.  The electron is ejected from its orbital position and the x-ray photon looses energy because of the interaction but continues to travel through the material along an altered path.  Energy and momentum are conserved in this process.  The energy shift depends on the angle of scattering and not on the nature of the scattering medium.  Since the scattered x-ray photon has less energy, it has a longer wavelength and less penetrating than the incident photon.

Compton effect was first observed by Arthur Compton in 1923 and this discovery led to his award of the 1927 Nobel Prize in Physics.  The discovery is important because it demonstrates that light cannot be explained purely as a wave phenomenon. Compton's work convinced the scientific community that light can behave as a stream of particles (photons) whose energy is proportional to the frequency.

The change in wavelength of the scattered photon is given by:

Where:

l

=

wavelength of incident x-ray photon

 

l'

=

wavelength of scattered x-ray photon

 

h

=

Planck's Constant:  The fundamental constant equal to the ratio of the energy E of a quantum of energy to its frequency v: E=hv.

 

me

=

the mass of an electron at rest

 

c

=

the speed of light

 

q

=

The scattering angle of the scattered photon

The applet below demonstrates Compton scattering as calculated with the Klein-Nishina formula, which provides an accurate prediction of the angular distribution of x-rays and gamma-rays that are incident upon a single electron.  Before this formula was derived, the electron cross section had been classically derived by the British physicist and discoverer of the electron, J.J. Thomson. However, scattering experiments showed significant deviations from the results predicted by Thomson's model.  The Klein-Nishina formula incorporates the Breit-Dirac recoil factor, R, also known as radiation pressure. The formula also corrects for relativistic quantum mechanics and takes into account the interaction of the spin and magnetic moment of the electron with electromagnetic radiation. Quantum mechanics is
a system of mechanics based on quantum theory to provide a consistent explanation of both electromagnetic wave and atomic structure. 

The applet shows that when a photon of a given energy hits an atom, it is sometimes reflected in a different direction. At the same time, it loses energy to an electron that is ejected from the atom. Theta is the angle between the scattered photon direction and the path of the incident photon. Phi is the angle between the scattered electron direction and the path of the incident photon.

Geometric Unsharpness

Geometric unsharpness refers to the loss of definition that is the result of geometric factors of the radiographic equipment and setup. It occurs because the radiation does not originate from a single point but rather over an area. Consider the images below which show two sources of different sizes, the paths of the radiation from each edge of the source to each edge of the feature of the sample, the locations where this radiation will expose the film and the density profile across the film. In the first image, the radiation originates at a very small source. Since all of the radiation originates from basically the same point, very little geometric unsharpness is produced in the image. In the second image, the source size is larger and the different paths that the rays of radiation can take from their point of origin in the source causes the edges of the notch to be less defined.

The three factors controlling unsharpness are source size, source to object distance, and object to detector distance. The source size is obtained by referencing manufacturers specifications for a given X-ray or gamma ray source. Industrial x-ray tubes often have focal spot sizes of 1.5 mm squared but microfocus systems have spot sizes in the 30 micron range. As the source size decreases, the geometric unsharpness also decreases. For a given size source, the unsharpness can also be decreased by increasing the source to object distance, but this comes with a reduction in radiation intensity.

The object to detector distance is usually kept as small as possible to help minimize unsharpness. However, there are situations, such as when using geometric enlargement, when the object is separated from the detector, which will reduce the definition. The applet below allow the geometric unsharpness to be visualized as the source size, source to object distance, and source to detector distance are varied. The area of varying density at the edge of a feature that results due to geometric factors is called the penumbra. The penumbra is the gray area seen in the applet.

 

Codes and standards used in industrial radiography require that geometric unsharpness be limited. In general, the allowable amount is 1/100 of the material thickness up to a maximum of 0.040 inch. These values refer to the degree of penumbra shadow in a radiographic image. Since the penumbra is not nearly as well defined as shown in the image to the right, it is difficult to measure it in a radiograph. Therefore it is typically calculated. The source size must be obtained from the equipment manufacturer or measured. Then the unsharpness can be calculated using measurements made of the setup.

For the case, such as that shown to the right, where a sample of significant thickness is placed adjacent to the detector, the following formula is used to calculate the maximum amount of unsharpness due to specimen thickness:

Ug = f * b/a

f = source focal-spot size
a = distance from the source to front surface of the object
b = the thickness of the object

For the case when the detector is not placed next to the sample, such as when geometric magnification is being used, the calculation becomes:

Ug = f* b/a

f = source focal-spot size.
a = distance from x-ray source to front surface of material/object
b = distance from the front surface of the object to the detector

Filters in Radiography

At x-ray energies, filters consist of material placed in the useful beam to absorb, preferentially, radiation based on energy level or to modify the spatial distribution of the beam. Filtration is required to absorb the lower-energy x-ray photons emitted by the tube before they reach the target. The use of filters produce a cleaner image by absorbing the lower energy x-ray photons that tend to scatter more.

The total filtration of the beam includes the inherent filtration (composed of part of the x-ray tube and tube housing) and the added filtration (thin sheets of a metal inserted in the x-ray beam). Filters are typically placed at or near the x-ray port in the direct path of the x-ray beam. Placing a thin sheet of copper between the part and the film cassette has also proven an effective method of filtration.

For industrial radiography, the filters added to the x-ray beam are most often constructed of high atomic number materials such as lead, copper, or brass. Filters for medical radiography are usually made of aluminum (Al). The amount of both the inherent and the added filtration are stated in mm of Al or mm of Al equivalent. The amount of filtration of the x-ray beam is specified by and based on the voltage potential (keV) used to produce the beam. The thickness of filter materials is dependent on atomic numbers, kilovoltage settings, and the desired filtration factor.

Gamma radiography produces relatively high energy levels at essentially monochromatic radiation, therefore filtration is not a useful technique and is seldom used.

Secondary (Scatter) Radiation and Undercut Control

Secondary (Scatter) Radiation
Secondary or scatter radiation must often be taken into consideration when producing a radiograph. The scattered photons create a loss of contrast and definition. Often secondary radiation is thought of as radiation striking the film reflected from an object in the immediate area, such as a wall, or from the table or floor where the part is resting. Side scatter originates from walls, or objects on the source side of the film. Control of side scatter can be achieved by moving objects in the room away from the film, moving the x-ray tube to the center of the vault, or placing a collimator at the exit port, thus reducing the diverging radiation surrounding the central beam.

It is often called backscatter when it comes from objects behind the film. Industry codes and standards often require that a lead letter "B" be placed on the back of the cassette to verify the control of backscatter.

If the letter "B" shows as a "ghost" image on the film, a significant amount of backscatter radiation is reaching the film. The image of the "B" is often very nondistinct as shown in the image to the right.  The arrow points to the area of backscatter radiation from the lead "B" located on the back side of the film.  The control of backscatter radiation is achieved by backing the film in the cassette with a sheet of lead that is at least 0.010 inch thick. It is a common practice in industry to place a 0.005" lead screen in front and a 0.010" screen behind the film.

Undercut

Another condition that must often be controlled when producing a radiograph is called undercut. Parts with holes, hollow areas, or abrupt thickness changes are likely to suffer from undercut if controls are not put in place. Undercut appears as a darkening of the radiograph in the area of the thickness transition. This results in a loss of resolution or blurring at the transition area. Undercut occurs due to scattering within the film. At the edges of a part or areas where the part transitions from thick to thin, the intensity of the radiation reaching the film is much greater than in the thicker areas of the part. The high level of radiation intensity reaching the film results in a high level of scattering within the film. It should also be noted that the faster the film speed, the more undercut that is likely to occur. Scattering from within the walls of the part also contributes to undercut, but research has shown that scattering within the film is the primary cause. Masks are used to control undercut. Sheets of lead cut to fill holes or surround the part and metallic shot and liquid absorbers are often used as masks.

Radiation Safety

Ionizing radiation is an extremely important NDT tool but it can pose a hazard to human health. For this reason, special precautions must be observed when using and working around ionizing radiation. The possession of radioactive materials and use of radiation producing devices in the United States is governed by strict regulatory controls. The primary regulatory authority for most types and uses of radioactive materials is the federal Nuclear Regulatory Commission (NRC). However, more than half of the states in the US have entered into "agreement" with the NRC to assume regulatory control of radioactive material use within their borders. As part of the agreement process, the states must adopt and enforce regulations comparable to those found in Title 10 of the Code of Federal Regulations. Regulations for control of radioactive material used in Iowa are found in Chapter 136C of the Iowa Code.

For most situations, the types and maximum quantities of radioactive materials possessed, the manner in which they may be used, and the individuals authorized to use radioactive materials are stipulated in the form of a "specific" license from the appropriate regulatory authority. In Iowa, this authority is the Iowa Department of Public Health. However, for certain institutions which routinely use large quantities of numerous types of radioactive materials, the exact quantities of materials and details of use may not be specified in the license. Instead, the license grants the institution the authority and responsibility for setting the specific requirements for radioactive material use within its facilities. These licensees are termed "broadscope" and require a Radiation Safety Committee and usually a full-time Radiation Safety Officer.

More information on Radiation Safety
X-ray Generators

The major components of an X-ray generator are the tube, the high voltage generator, the control console, and the cooling system. As discussed earlier in this material, X-rays are generated by directing a stream of high speed electrons at a target material such as tungsten, which has a high atomic number. When the electrons are slowed or stopped by the interaction with the atomic particles of the target, X-radiation is produced. This is accomplished in an X-ray tube such as the one shown here. The X-ray tube is one of the components of an X-ray generator.

The tube cathode (filament) is heated with a low-voltage current of a few amps. The filament heats up and the electrons in the wire become loosely held. A large electrical potential is created between the cathode and the anode by the high-voltage generator. Electrons that break free of the cathode are strongly attracted to the anode target. The stream of electrons between the cathode and the anode is the tube current. The tube current is measured in milliamps and is controlled by regulating the low-voltage, heating current applied to the cathode. The higher the temperature of the filament, the larger the number of electrons that leave the cathode and travel to the anode. The milliamp or current setting on the control console regulates the filament temperature, which relates to the intensity of the X-ray output.

The high-voltage between the cathode and the anode affects the speed at which the electrons travel and strike the anode. The higher the kilovoltage, the more speed and, therefore, energy the electrons have when they strike the anode. Electrons striking with more energy results in X-rays with more penetrating power. The high-voltage potential is measured in kilovolts, and this is controlled with the voltage or kilovoltage control on the control console. An increase in the kilovoltage will also result in an increase in the intensity of the radiation.

A focusing cup is used to concentrate the stream of electrons to a small area of the target called the focal spot. The focal spot size is an important factor in the system's ability to produce a sharp image. See the information on image resolution and geometric unsharpness for more information on the effect of the focal spot size. Much of the energy applied to the tube is transformed into heat at the focal spot of the anode. As mentioned above, the anode target is commonly made from tungsten, which has a high melting point in addition to a high atomic number. However, cooling of the anode by active or passive means is necessary. Water or oil recirculating systems are often used to cool tubes. Some low power tubes are cooled simply with the use of thermally conductive materials and heat radiating fins.

It should also be noted that in order to prevent the cathode from burning up and to prevent arcing between the anode and the cathode, all of the oxygen is removed from the tube by pulling a vacuum. Some systems have external vacuum pumps to remove any oxygen that may have leaked into the tube. However, most industrial X-ray tubes simply require a warm-up procedure to be followed. This warm-up procedure carefully raises the tube current and voltage to slowly burn any of the available oxygen before the tube is operated at high power.

The other important component of an X-ray generating system is the control console. Consoles typically have a keyed lock to prevent unauthorized use of the system. They will have a button to start the generation of X-rays and a button to manually stop the generation of X-rays. The three main adjustable controls regulate the tube voltage in kilovolts, the tube amperage in millivolts, and the exposure time in minutes and seconds. Some systems also have a switch to change the focal spot size of the tube.

X-ray Generator Options

Kilovoltage - X-ray generators come in a large variety of sizes and configurations. There are stationary units that are intended for use in lab or production environments and portable systems that can be easily moved to the job site. Systems are available in a wide range of energy levels. When inspecting large steel or heavy metal components, systems capable of producing millions of electron volts may be necessary to penetrate the full thickness of the material. Alternately, small, lightweight components may only require a system capable of producing only a few tens of kilovolts.

Focal Spot Size - Another important consideration is the focal spot size of the tube since this factors into the geometric unsharpness of the image produced. Generally, the smaller the spot size the better. But as the electron stream is focused to a smaller area, the power of the tube must be reduced to prevent overheating at the tube anode. Therefore, the focal spot size becomes a tradeoff of resolving capability and power. Generators can be classified as a conventional, minifocus, and microfocus system. Conventional units have focal-spots larger than about 0.5 mm, minifocus units have focal-spots ranging from 50 microns to 500 microns (.050 mm to .5 mm), and microfocus systems have focal-spots smaller than 50 microns. Smaller spot sizes are especially advantageous in instances where the magnification of an object or region of an object is necessary. The cost of a system typically increases as the spot size decreases and some microfocus tubes exceed $100,000. Some manufacturers combine two filaments of different sizes to make a dual-focus tube. This usually involves a conventional and a minifocus spot-size and adds flexibility to the system.

AC and Constant Potential Systems - AC X-ray systems supply the tube with sinusoidal varying alternating current. They produce X-rays only during one half of the 1/60th second cycle. This produces bursts of radiation rather than a constant stream. Additionally, the voltage changes over the cycle and the X-ray energy varies as the voltage ramps up and then back down. Only a portion of the radiation is useable and low energy radiation must usually be filtered out. Constant potential generators rectify the AC wall current and supply the tube with DC current. This results in a constant stream of relatively consistent radiation. Most newer systems now use constant potential generators.

Flash X-Ray Generators
Flash X-ray generators produce short, intense bursts of radiation. These systems are useful when examining objects in rapid motion or when studying transient events such as the tripping of an electrical breaker. In these type of situations, high-speed video is used to rapidly capture images from an image intensifier or other real-time detector. Since the exposure time for each image is very short, a high level of radiation intensity is needed in order to get a usable output from the detector. To prevent the imaging system from becoming saturated from a continuous exposure high intensity radiation, the generator supplies microsecond bursts of radiation. The tubes of these X-ray generators do not have a heated filament but instead electrons are pulled from the cathode by the strong electrical potential between the cathode and the anode. This process is known as field emission or cold emission and it is capable of producing electron currents in the thousands of amperes.

Radio Isotope (Gamma) Sources

Manmade radioactive sources are produced by introducing an extra neutron to atoms of the source material. As the material rids itself of the neutron, energy is released in the form of gamma rays. Two of the more common industrial gamma-ray sources for industrial radiography are iridium-192 and cobalt-60. These isotopes emit radiation in a few discreet wavelengths.  Cobalt-60 will emit a 1.33 and a 1.17 MeV gamma ray, and iridium-192 will emit 0.31, 0.47, and 0.60 MeV gamma rays. In comparison to an X-ray generator, cobalt-60 produces energies comparable to a 1.25 MeV X-ray system and iridium-192 to a 460 keV X-ray system. These high energies make it possible to penetrate thick materials with a relatively short exposure time. This and the fact that sources are very portable are the main reasons that gamma sources are widely used for field radiography. Of course, the disadvantage of a radioactive source is that it can never be turned off and safely managing the source is a constant responsibility.

Physical size of isotope materials varies between manufacturers, but generally an isotope material is a pellet that measures 1.5 mm x 1.5 mm. Depending on the level of activity desired, a pellet or pellets are loaded into a stainless steel capsule and sealed by welding. The capsule is attached to short flexible cable called a pigtail.

 

The source capsule and the pigtail is housed in a shielding device referred to as a exposure device or camera. Depleted uranium is often used as a shielding material for sources. The exposure device for iridium-192 and cobalt-60 sources will contain 45 pounds and 500 pounds of shielding materials, respectively. Cobalt cameras are often fixed to a trailer and transported to and from inspection sites. When the source is not being used to make an exposure, it is locked inside the exposure device.

To make a radiographic exposure, a crank-out mechanism and a guide tube are attached to opposite ends of the exposure device. The guide tube often has a collimator at the end to shield the radiation except in the direction necessary to make the exposure. The end of the guide tube is secured in the location where the radiation source needs to be to produce the radiograph. The crank-out cable is stretched as far as possible to put as much distance as possible between the exposure device and the radiographer. To make the exposure, the radiographer quickly cranks the source out of the exposure device and into position in the collimator at the end of the guide tube.  At the end of the exposure time, the source is cranked back into the exposure device. There is a series of safety procedures, which include several radiation surveys, that must be accomplished when making an exposure with a gamma source.  See the radiation safety material for more information.

Radiographic Film

X-ray films for general radiography consist of an emulsion-gelatin containing radiation sensitive silver halide crystals, such as silver bromide or silver chloride, and a flexible, transparent, blue-tinted base. The emulsion is different from those used in other types of photography films to account for the distinct characteristics of gamma rays and x-rays, but X-ray films are sensitive to light. Usually, the emulsion is coated on both sides of the base in layers about 0.0005 inch thick. Putting emulsion on both sides of the base doubles the amount of radiation-sensitive silver halide, and thus increases the film speed. The emulsion layers are thin enough so developing, fixing, and drying can be accomplished in a reasonable time. A few of the films used for radiography only have emulsion on one side which produces the greatest detail in the image.

When x-rays, gamma rays, or light strike the grains of the sensitive silver halide in the emulsion, some of the Br- ions are liberated and captured by the Agions. This change is of such a small nature that it cannot be detected by ordinary physical methods and is called a "latent (hidden) image." However, the exposed grains are now more sensitive to the reduction process when exposed to a chemical solution (developer), and the reaction results in the formation of black, metallic silver. It is this silver, suspended in the gelatin on both sides of the base, that creates an image. See the page on film processing for additional information.

Film Selection
The selection of a film when radiographing any particular component depends on a number of different factors. Listed below are some of the factors that must be considered when selecting a film and developing a radiographic technique.

  1. Composition, shape, and size of the part being examined and, in some cases, its weight and location.
  2. Type of radiation used, whether x-rays from an x-ray generator or gamma rays from a radioactive source.
  3. Kilovoltages available with the x-ray equipment or the intensity of the gamma radiation.
  4. Relative importance of high radiographic detail or quick and economical results.

Selecting the proper film and developing the optimal radiographic technique usually involves arriving at a balance between a number of opposing factors. For example, if high resolution and contrast sensitivity is of overall importance, a slower and finer grained film should be used in place of a faster film.

Film Packaging
Radiographic film can be purchased in a number of different packaging options. The most basic form is as individual sheets in a box. In preparation for use, each sheet must be loaded into a cassette or film holder in the darkroom to protect it from exposure to light. The sheets are available in a variety of sizes and can be purchased with or without interleaving paper. Interleaved packages have a layer of paper that separates each piece of film. The interleaving paper is removed before the film is loaded into the film holder. Many users find the interleaving paper useful in separating the sheets of film and offer some protection against scratches and dirt during handling.

Industrial x-ray films are also available in a form in which each sheet is enclosed in a light-tight envelope. The film can be exposed from either side without removing it from the protective packaging. A rip strip makes it easy to remove the film in the darkroom for processing. This form of packaging has the advantage of eliminating the process of loading the film holders in the darkroom. The film is completely protected from finger marks and dirt until the time the film is removed from the envelope for processing.

Packaged film is also available in rolls, which allows the radiographer to cut the film to any length. The ends of the packaging are sealed with electrical tape in the darkroom. In applications such as the radiography of circumferential welds and the examination of long joints on an aircraft fuselage, long lengths of film offer great economic advantage. The film is wrapped around the outside of a structure and the radiation source is positioned on axis inside, allowing for examination of a large area with a single exposure.

Envelope packaged film can be purchased with the film sandwiched between two lead oxide screens. The screens function to reduce scatter radiation at energy levels below 150keV and as intensification screens above 150 keV.

Film Handling
X-ray film should always be handled carefully to avoid physical strains, such as pressure, creasing, buckling, friction, etc. Whenever films are loaded in semi-flexible holders and external clamping devices are used, care should be taken to be sure pressure is uniform. If a film holder bears against a few high spots, such as on an un-ground weld, the pressure may be great enough to produce desensitized areas in the radiograph. This precaution is particularly important when using envelope-packed films.

Marks resulting from contact with fingers that are moist or contaminated with processing chemicals, as well as crimp marks, are avoided if large films are always grasped by the edges and allowed to hang free. A supply of clean towels should be kept close at hand as an incentive to dry the hands often and well. Use of envelope-packed films avoids many of these problems until the envelope is opened for processing.

Another important precaution is to avoid drawing film rapidly from cartons, exposure holders, or cassettes. Such care will help to eliminate circular or treelike black markings in the radiograph that sometimes result due to static electric discharges.

 

 

+ نوشته شده توسط رحمان فضلی در دوشنبه بیست و پنجم آبان 1388 و ساعت 0:36 |

 مشكلات و معايب در جوشكاري

مقدمه:

در حاليكه يكي از نكته نظرها در عمليات جوشكاري كاهش هزينه تمام شده يك اتصال است، اما همزمان و در كنار آن تلاش براي توليد جوش سالم و بدون عيب و نقص مي باشد. تا به حال تعداد زيادي كشتي ها، پل ها، مخزن ها و اسكلت هاي فلزي بوده اند كه در اثر ايجاد بعضي عيوب در فلز جوش يا منطقه مجاور آن شكسته شده و موجب خسارات مالي و جاني فراواني گرديده اند.

جوش ايده آل با تعريفي كه در ابتداي كتاب آورده شده است تقريبا غير ممكن است و معمولا جوش ها داراي معايبي مي باشند كه در اين بحث به ترتيب به آنها اشاره مي شود. هر كدام از اين معايب تا حد معيني بنا به حساسيت كاربردي موضع اتصال مجاز هستند و معمولا قسمت كنترل مرغوبيت از طريق آزمايش هاي مختلف ميزان اين عيوب را با استاندارد هاي مربوطه مقايسه كرده و آنها را قبول يا رد مي نمايد.

عيوب مي توانند در اثر عوامل مختلف در طرح اتصال، مناسب نبودن جنس مواد مصرفي (فلز قطعه كار،الكترود، پودر، گاز محافظ و ......)، پارامترهاي جوشكاري (ولتاژ، آمپر، قطب، سرعت و .....) عدم مهارت جوشكار در نحوه انجماد و ساختار ميكروسكوپي جوش و منطقه مجاور، وضعيت سطح و مسير اتصال و يا عمليات نا صحيح " پيش گرم" يا " پس گرم" باشد.

همانطور كه اشاره شد عيوب و مشكلات جوشكاري در هر نوع فلز و آلياژ، هر فرآيند جوشكاري و حتي ضخامت و طرح قطعه متفاوت است و گاهي چند عيب به طور مشترك ايجاد مي شود كه تشخيص و بررسي آنها خالي از اشكال نيست ولي در اين بخش سعي خواهد شد عيوبي كه بيشتر معمول و متداول بوده و در ارتباط با مسائل متالوژيكي هستند تشريح شود. طبيعتا بيشتر در مورد فلزات آهني تكيه مي شود، هر چند كه بعضي از عيوب در فلزات آهني و غير آهني مشابه است. بعضي معايب و مشكلات ممكن است ويژه فلز يا آلياژ خاص باشد كه بعدا در بخش هاي جوشكاري آن فلز يا آلياژ بر حسب ضرورت توضيح داده خواهد شد.

معايب و مشكلات جوشكاري ممكن است در مراحل حرارت دادن و ذوب، رسوب دادن فلز جوش، انجماد و سرد شدن و يا در ضمن سرويس قطعه كار ايجاد و مشاهده شود. در زير اهم اين عيوب تا حد لزوم تشريح مي شود:

 

2-1- لكه قوس             Arc stricks

 معمولا جوشكارهاي بي دقت براي شروع قوس با الكترود دستي ابتدا الكترود را بر روي سطح كار در يك يا چند نقطه به طور لحظه اي ميمالند تا بدين ترتيب قوس هاي موقتي ايجاد شده و با گرم شدن نوك الكترود، روشن كردن قوس در محل شروع عمليات جوشكاري تسهيل يابد. نقاط تماس لحظه اي الكترود با سطح كار به صورت لكه هايي مشاهده مي شود كه در حقيقت لايه نازكي از سطح كار مي باشد كه در اثر ايجاد قوس موقت ذوب و سپس سريع سرد شده است، سطح مقطع اين لكه ها در زير ميكروسكوپ ساختار مارتنزيتي بسيار ترد و شكننده اي را نشان مي دهد كه اغلب داراي ترك هاي ريزي نيز مي باش.

علاوه بر اين چون زمان قوس موقت بسيار كوتاه است، فرصت ذوب پوشش الكترود و ايجاد لايه محافظ سرباره يا گاز نمي باشد، بالنتيجه اين لايه نازك ذوب شده در سطح كار در تماس با اكسيژن و ازت از آتمسفر قرار مي گيرد و عدم ورود بعضي تركيبات آلياژي يا اكسيژن زدا از پوشش الكترود به منطقه، خلل و فرج و ذرات اكسيدي زيادي در اين لايه به وجود مي آيد.

اين عوامل سبب مي شود كه اگر احيانا قطعه كار به طريقي تحت تنش قرار گيرد كه لكه هاي نامبرده در مواقع حساس قرار گيرند مي توانند حتي در فواصل دور از محل اتصال نيز نقاط تمركز تنش شده و منجر به ترك برداشتن يا گسيختگي قطعه كار شوند.

 بنابراين جوشكار بايد توجه كند تا اولا تماس هاي لحظه اي لازم براي شروع قوس ابتدايي را در هر الكترود بر روي قطعه اي قراضه كه در مجاور اتصال قرار داه انجام دهد، ثانيا اگر غفلتا بر روي كار اين عمل انجام گرفت آنرا با سنگ زدن تميز كرده و يا با جوش كامل و سالم روي آنرا بپوشاند، ثالثا سعي كند اين لكه قوس ها را در مسير مورد اتصال ايجاد كند تا بعد از رسيدن قوس بر روي آن، اين آثار محو شود.

 

2-2- تخلخل يا مك          Porosity

 خلل و فرج يا حفره ها در جوش چندين نوع بوده و هر يك مي تواند به دلايل مختلف بوجود آيد:

1) خلل و فرجي كه در چند سانتي متري اوليه جوشكاري با استفاده بعضي از الكترودها مشاهده مي شود. اين عيب در اثر فقدان اكسيژن زدايي كافي در ابتداي جوش است همانطور كه قبلا اشاره شد در پوشش الكترودها معمولا مقداري مواد اكسيژن زدا  نظير فرو سيلسيم وجود دارد. در فولادهاي آلياژي با استحكام بالا درصد سيلسيم در جوش معمولا از ميزان معيني نبايد بيشتر شود (حدود 35/0 %) چون اثر معكوس بر روي " درجه حرارت انتقال نرمي به تردي"  (Transition temperature) " در استحكام ضربه اي مي گذلرد، بدين جهت در الكترودهاي مصرفي در اين چنين فولادها نظير سري هاي E100، E110، E120 از نظر حضور فرو سيلسيم و گاه بعضي از عناصر اكسيژن زداي ديگر محدوديتي وجود دارد. اما با پيشرفت عمليات جوشكاري و حضور بيشتر و فعال تر سرباره حاصل از پوشش الكترود، طبيعتا حضور آتمسفر هوا در منطقه حوضچه جوش كاهش يافته و اين عيب به وقوع نمي پيوندد.

در اين مورد براي پرهيز وقوع اين نوع خلل و فرج تدابير مختلفي پيش بيني شده است كه در مورد آنها مختصرا در زير توضيح داده مي شود.

الف: شروع عمليات جوشكاري بر روي قراضه فولادي كه قبلا در ابتداي مسير عمليات جوش الصاق شده است انجام شود و پس از خاتمه جوش از قطعه كار جدا مي شود. واضح است كه اين تدبير در بعضي موارد ممكن است اقتصادي نباشد.

ب: تكنيك يك گام عقب (Back-Step): نقطه شروع كمي عقب تر از محل شروع واقعي است. پس از آغاز جوشكاري، الكترود به ابتداي مسير هدايت شده و عمليات جوشكاري ادامه مي يابد. بدين ترتيب اگر خلل و فرج نيز ايجاد شده باشد با برگشت قوس و ذوب مجدد آن به احتمال زياد بر طرف مي شود.

2) خلل و فرج در دامنه انجماد: اين نوع حفره ها ممكن است در سر تا سر جوش مشاهده شود و خود داراي دو نوع شكل است خلل و فرج هاي كروي شكل كه به صورت متمركز يا پراكنده اي در زير جوش يا حتي روي جوش ديده مي شود. نوع ديگر كه به سوراخ هاي " كرمي شكل" Worm-holes  يا مك هوا Blow holes  مرسوم است.

بعضي گازها در مذاب داراي حلاليت بوده كه در درجه حرارت هاب بالا مقدار اين حلاليت افزايش مي يابد. نمونه اي از اينچنين گازها، هيدروژن مي باشد كه حاصل تجزيه رطوبت وارد شده به مذاب فلز جوش است. در ضمن سرد شدن مذاب پس از اينكه حجم هيدروژن در مذاب از حد اشباع گذشت، مقدار اضافي به صورت حباب هايي شروع به جوانه زدن، رشد، شناور شدن و در صورت امكان خارج شدن از مذاب مي نمايد. احتمال واكنش هيدروژن اضافه بر حد اشباع با S, O, C و توليد گازهاي مولكولي ديگر نظير H2O ، SO2 و CH4 و ... نيز وجود دارد كه در اين حال محصول واكنش به صورت حباب هايي از مذاب بيرون رفته و يا محبوس مي گردد.

ازت جذب شده از هوا نيز تا حدودي رفتاري مشابه داشته و مي تواند عامل تخلخل باشد. علاوه بر آن ازت مي تواند توليد تركيب هاي نيريد كند كه اغلب تاثير سوء بر روي خواص مكانيكي جوش دارد.

عامل ديگر حبابهاي گاز CO مي باشد. در فلز جوش فولادهاي كربني (به ويژه با كربن بالا) معمولاً اكسيژن حل شده ممكن است وجود داشته باشد. در دامنه انجماد، مذاب، محصور در جامد به دليل جدايش از كربن غني شده و احتمال واكنش زير بيشتر مي شود:

C + O = CO

 

در مواردي كه مواد اكسيژن زدا نظير Si و Mn و غيره به اندازه كافي وجود نداشته باشد، واكنش فوق تسريع مي شود. واكنشي مشابه در مورد گوگرد نيز مي تواند اتفاق افتدكه حاصل آن حبابهاي گاز SO2 و يا SH2 مي باشد. بعضي تركيبات فرار آلي يا غير موجود در مواد معدني پوشش الكترود و پودر جوش و يا آلودگي ها (نظير چربي، رنگ و غيره) در روي سطح مسير اتصال، همچنين تجزيه تركيباتي نظير كربنات ها در تركيب مواد در درجه حرارت بالا، عوامل ديگر در ايجاد گاز در حوضچه جوش و بالاخره خلل و فرج مي باشند.

با توجه به نكات بالا و نحوه توزيع حرارت در حوضچه جوش (درجه حرارت بالا در زير قوس يا شعله و درجه حرارت پائين با شيب زياد در انتها و ديواره حوضچه جوش) و رشد كريستال هاي ستوني جامد از ديواره ها به طرف وسط و سطح حوضچه جوش، مي توان پيش بيني كرد كه در سطح انجماد گازها به حالت اشباع درآمده و مقدار اضافي از اين حد به صورت حباب هايي در روي دانه هاي جامد جوانه زده و رشد مي كنند. در صورت شرايط مناسب، فاصله انجماد زياد و ويسكوزيته پائين مذاب و زمان كافي حباب ها مي توانند به سح مذاب آمده و خارج شوند. در مواردي كه شرايط مناسب نباشد حباب ها به حالت شناور يا در حين تكامل در لابلاي دانه هاي جامد در حال رشد، حبس شده و به صورت خلل و فرج يا سوراخ هاي "كرمي" شكل در فلز جوش باقي مي مانند.

نوع ديگر از خلل و فرج در حين ذوب و انجماد ناشي از سهل انگاري جوشكار در مصرف الكترودهايي است كه قسمتي از پوشش آن شكسته و جدا شده است و يا براي صرفه جويي از قسمت انتهايي الكترود كه بدون پوشش است نيز استفاده كرده است.

براي كاهش خلل و فرج حين انجماد نبايد تصور كرد كه اگر درجه حرارت مذاب به كمك پارامترهاي جوشكاري بالا برده شوند ويسكوزيته كمتر شده و حباب ها بهتر رها مي شوند زيرا افزايش درجه حرارت ميزان حلاليت گازها را در مذاب نيز بيشتر مي كند. بنابراين تنها راه جلوگيري از ورود گازها، يا حذف عوامل ايجاد گاز نظير رطوبت، چربي و... است. به عنوان مثال با پيش گرم كردن الكترود و يا انتخاب نوع مناسب ميزان هيدروژن ورودي را با كاهش طول قوس احتمال ورود اكسيژن و ازت، با انتخاب نوع مرغوب تر فولاد (با گوگرد كمتر) شانس ايجاد SO2 و SH2 و همچنين با انتخاب الكترود با مواد اكسيژن زدايي بيشتر (در پوشش) امكان ايجاد CO2 را مي توان كاهش داد.

در فرآيندهايي كه از گاز محافظ استفاده مي شود تدابير كمي فرق مي كند. تركيب، فشار و دبي گاز محافظ، قطر نازل، فاصله نازل تا سطح كار و پارامترهاي ديگر نيز بايد مورد دقت و توجه قرار گيرد.

 

2- 3- ذوب و عمق نفوذ ناقص     

  Inadequate joint penetration incomplete fusion

در اين مورد ابتدا لازم است چند اصطلاح تعريف و مشخص شوند.

الف: عمق نفوذ اتصال  Joint penetration: فاصله سطح ورق تا ته حوضچه يا مرز تحتاني است كه ذوب انجام گرفته است.

ب: عمق نفوذ ريشه اتصال Root penetration : در جوش هاي پخ سازي شده يا شكاف دار فاصله ريشه شكاف تا ته حوضچه جوش يا مرز تحتاني حوضچه جوش را عمق نفوذ ريشه اتصال گويند.

ج: عمق ذوب Dept of fusion : فاصله سطح كار يا سطح شكاف تا مرز جامد و مايع در حوضچه جوش و يا ميزان وسعت پيشرفت ذوب در ديواره ها است.

با توضيح بالا مي توان فهميد كه اتصال با ذوب ناقص يا عمق نفوذ اتصال ناقص يعني چه؟

عمق نفوذ اتصال متأثر ازچند فاكتور است كه مهمترين آنها حرارت داده شده Heat input به موضع جوش است. به عنوان مثال افزايش شدتجريان الكتريكي باعث عميق تر شدن عمق نفوذ اتصال مي شود. فاكتورهاي ديگر كه قابل اندازه گيري و كنترل مي باشند عبارتند از: سرعت پيشرفت جوشكاري، قطب الكترود، نوع پوشش الكترود يا پودر جوش، نوع گاز محافظ، طرح اتصال و زاويه الكترود با سطح كار. گاهي اوقات وضعيت سطح لبه مورد اتصال نظير پوسته اكسيدي ضخيم مي تواند سبب عمق ذوب و نفوذ ناقص شود. لازم به تذكر است كه اين عيب به شكل هاي مختلف: عدم نفوذ ريشه اتصال، عدم ذوب ناقص در ديواره ها و در جوش هاي چند پاسي ذوب ناقص بين پاس در موضع اتصال ديده مي شود.

 

2- 4- جذب گازها           Absorbtion of gases

در بحث مربوط به واكنش گاز- سرباره- فلز اشاره اي به انواع حل شدن گازها و نتايج حاصل از آن شد. در مورد چگونگي ايجاد خلل و فرج نيز عوامل مؤثر براي ايجاد حفره ها (در نتيجه جذب گازها) در جوش تشريح شد. بنابراين سعي مي شود از تكرار مطالب خودداري شود ولي ذكر چند نكته ضروري است:

جذب گازها كه معمولاً اكسيژن، ازت و هيدروژن هست يكي از مشكلات عمده در جوشكاري به ويژه روش هاي ذوبي مي باشد و بسياري از معايب از جمله خلل و فرج، ذرات محبوس شده سرباره (آخال سرباره)                  Slag inclusion ، حساسيت در مقابل ترك برداشتن "هيدروژن تردي" و غيره ناشي از جذب گازها مي باشد.

نكته مهم اينكه ميزان حد اشباع گازها در فلز مذاب به درجه حرارت و فشار گاز بستگي دارد. بنابراين با رقيق كردن گاز (A) به وسيله گاز ديگر (B)، مقداري از گاز (A) از مذاب آزاد مي گردد. ممكن است سؤال شود در عوض گاز (B) به همان مقدار وارد مذاب مي شود؟ اين صحيح است اما بايد توجه داشت كه همه گازها در داخل فلز مذاب حل نشده يا حلاليت يكسان ندارند. به عنوان مثال اگر آتمسفر قوس را با گاز كربن منو اكسيد CO از اكسيژن و ازت رقيق شود واضح است كه ميزان اكسيژن و ازت حل شده در مذاب كاهش مي يابد. راه ورود اكسيژن و ازت از دو طريق مي باشد:

الف: از طريق تماس اتمسفر با مذاب در نتيجه عدم محافظت كامل حوضچه جوش توسط سرباره كافي، يا جريان اغتشاشي (توربولنت) گاز محافظ، يا ناقص قرار گرفتن لبه هاي اتصال در اثر طرح ناقص و آماده سازي اشتباه.

ب: از راه مواد مصرفي شامل ناخالصي ها، كثافات و پوسته هاي اكسيدي روي سطح كار در مسير اتصال، تركيبات پوشش الكترود يا پودر جوش و يا گاز محافظ.

منبع ورودي هيدروژن بيشتر رطوبت هوا، رطوبت و آب تبلور در تركيبات پوشش الكترود يا فلاكس، تركيبات آلي يا غير آلي هيدروژن دار ديگر در مواد پوشش الكترود يا ناخالص ها و چربي ها بر روي سطح كار در مسير اتصال و احيانا گاز هيدروژن يا رطوبت در گازهاي محافظ مي باشد.

اكسيژن و ازت به صورت حباب هاي گازي، ذرات اكسيد و نيتريد و يا محلول در فلز جوش وجود دارند كه هر كدام باعث پايين آوردن كيفيت و خواص فيزيكي و مكانيكي جوش مي گردد، به ويژه مقدار اكسيژن كه اگر از حد 1/0 درصد و ازت از 05/0 درصد افزايش يابد به شدت اثر سوء آنها ظاهر مي شود.

براي رسيدن به خواص ضربه اي خوب مقدار اكسيژن بايد در حد 02/0 درصد باشد كه مي توان به كمك اضافه كردن عناصر اكسيژن زدا نظير Si، Mn، Ti و Al در پوشش الكترود يا داخل مفتول آنرا به حد مينيمم نگهداشت.

ازت در جوش را مي توان توسط عناصري كه ميل تركيبي شديدي با ازت دارند نظير Al، Ti، V و Zr كه توليد نيتريد غير محلول در مذاب مي كنند يا داراي نقطه ذوب بالايي هستند، كاهش داد. اين عناصر نيز ممكن است در فلز قطعه كار، هسته الكترود يا در پوشش تدارك ديد.

هيدروژن حل شده در فلز مذاب نيز به چندين صورت ايجاد مشكل مي كند. در اثناي سرد شدن مذاب و انجماد قسمتي از آن به علت تقليل درجه حرارت و كاهش حلاليت آزاد مي گردد. هيدروژن آزاد شده به صورت مولكولي توليد حباب هاي گازي مي كند و يا در اثر واكنش با تركيبات ديگر نظير:

 

2H + S = SH2, Fe3C + 4H = CH4 + 3Fe, 2H + FeO = Fe + H2O

 

توليد حباب هاي گازي مي نمايد. چون اتم هاي هيدروژن بسيار كوچك هستند مي توانند در داخل كريستال هاي جامد آهن نيز نفوذ كرده و حركت نمايند، بالنتيجه در اثناي سرد شدن فلز جوش تا درجه حرارت محيط مقدار ديگري از هيدروژن مي تواند از محلول بيون آيد. هيدروژن ديفيوز كرده در اين مرحله و هيدروژن باقي مانده به صورت محلول در فلز جوش ايجاد مشكلاتي نظير " هيدروژن تردي" مي كند (بويژه در فولادهاي آلياژي) كه به مراتب ناخواسته تر و مضرتر از ايجاد حباب هاي احتمالي در مرحله ذوب و انجماد است.

 

2-5- ذرات سرباره محبوس شده     Slag inchusion

 هر نوع ذرات غير فلزي محبوس شده در فلز جوش اصطلاحا (ذرات سرباره محبوس شده) آخال Inclusion  مي نامند. منبع اين ذرات لزوما از پوشش الكترود با سرباره نيست، بلكه محصول واكنش هاي مختلف سرباره-گاز-فلز نيز مي تواند باشد. شكل اين ذرات در فلز جوش شبيه شكل آنها در قطعات ريختگي به صورت كروي مي باشد و داراي ابعاد مختلف هستند. مقدار كم اين ذرات تاثير چنداني بر روي خواص مكانيكي ندارد اما در مقدار زياد به ويژه ابعاد بزرگ و احيانا كشيده شده (طويل) بر روي خواص مكانيكي بويژه مقاومت ضربه اي تاثير سوء دارد.

ذرات سرباره يا محصول واكنش هاي عناصر اكسيژن زدا يا اكسيژن (يا اكسيدهاي ناپايدار) در مذاب مي تواند به صورت مايع و يا جامد و به طور هموژن در فلز جوش توزيع شده باشد.

گاه ذرات سرباره محبوس شده به شكل كروي و هموژن در مقطع فلز جوش ديده نمي شود كه علل مختلفي باعث ايجاد آنها خواهد بود كه اهم آنها عبارتند از:

الف- ريخته شدن پوسته شكسته شده الكترود به مذاب.

ب- استفاده از الكترودي كه قسمتي از آن بدون روپوش است.

ج- ورود هوا در اثر سهل انگاري جوشكار در حركات نامناسب الكترود يا مشعل.

د- عدم دقت در تميز كردن سرباره در انتهاي پاس جوش در تعويض هر الكترود.

ﻫ- عدم توجه به تميز كردن سرباره در گوشه ها و زواياي جوش رسوب داده شده پاس قبلي بويژه در لبه هاب پخ سازي شده جناقي با زاويه كوچك.

خطرات ذرات سرباره محبوس شده در حالت غير يكنواخت كه بيشتر در اثر عدم رعايت نكات تكنيكي به وجود آمده اند، راحت تر قابل كاهش و كنترل است. براي تقليل ذرات سرباره محبوس شده كروي و توزيع شده در سرتاسر جوش مطالعات و تحقيقات بسياري شده است كه اين پژوهش ها نشان مي دهد، شكل و چگالي و نوع تركيب ذرات، تركيب و درجه حرارت و ويسكوزيته مذاب، ميزان به هم خوردن و تلاطم محيط ذوب و همچنين ميزان چسبندگي اين ذرات به لايه سرباره عوامل تعيين كننده و موثر در كنترل و كاهش ذرات محبوس شده نهايي هستند. به عنوان مثال ذرات درشت تر سريع تر از ذرات ريز به سطح مذاب شناور مي شوند، يا ذرات در مذاب گرم تر با ويسكوزيته بالاتر سريع تر به همديگر متصل شده و به طرف بالا حركت مي كنند. در عوض مذاب گرم امكان حل شدن بيشتر ذرات و ناخالصي ها در آن را فراهم مي سازد. به هم زدن و تلاطم زياد و سرعت سرد شدن سريع مذاب احتمال محبوس شدن ذرات شناور در مذاب لابه لاي كريستال هاي جامد را افزايش مي دهد.

 

2-6- سوختن             Burning

در بحث هاي گرم كردن فولادها يا آلياژهاي ديگر تا درجه حرارت بالا معمولا اصطلاح سوختن نيز مطرح مي شود. سوختن به سه گونه ديدهشده و مورد بحث قرار مي گيرد:

الف: سوختن در اثناي برشكاري با اكسيژن.

ب: نفوذ اكسيد در ميان مرز دانه ها و ايجاد " تردي".

ج: ذوب جزيي.

حالت اول كه اساس برشكاري با اكسيژن است قبلا اشار شده است. مورد دوم بيشتر در حين عمليات حرارتي در درجات حرارت بالا و زمان طولاني در اتمسفرهاي اكسيد كننده اتفاق مي افتد كه كمتر در جوشكاري هاي ذوبي رخ مي دهد چون همواره گاز يا سرباره قسمت هاي گداخته شده را محافظت مي كند. ذوب يا سوختن جزيي موضوعي است كه در فولادها و آلياژهاي ديگر به وقوع پيوسته و بدين ترتيب است كه گرم كردن تا بالاي درجه حرارت انجماد (نقاطي در مجاورت حوضچه جوش) باعث مي شود تا مرز دانه ها ذوب شوند (بويژه اگر ناخالصي هايي با نقطه ذوب نسبتا پايين نيز وجود داشته باشد)، اگر در اين مناطق عمليات كار گرم انجام شود باعث گسيختگي قطعه مي گردد. حال اگر قطعه سرد شود شبكه مذاب لابه لاي مرز دانه ها منجمد شده و ممكن است خواص فرم پذيري حالت اوليه قطعه هم باز گردد، اما در بعضي موارد اين لايه داراي خلل و فرج و ترك هاي مويي فراوان هستند كه موجب كاهش خواص و كيفيت منطقه بسيار مجاور فلز جوش مي گردد.

 

 

2-7- " زير- برش" يا " سوختگي" و يا " بريدگي كناره جوش"           Under Cutting

در اثناي اتصالات با روش هايذوبي بويژه با قوس الكتريكي فلز اصلي در سرتاسر ديواره شكاف در مسير اتصال ذوب شده و يك " زبانه اي " را به وجود مي آورد (Toe) كه با ذوب شدن الكترود يا فلز پر كننده و انتقال قطرات مذاب از آن به طرف حوضچه جوش زبانه و شكاف مذبور پر مي شود و حتي براي بالا بردن استحكام اغلب سطح فلز رسوب داده شده كمي بالاتر از سطح قطعه كار مي باشد. تعدادي از فاكتورها مانع از پر شدن كامل گوشه ها و لبه هاي اين شكاف مي شود كه به صورت منقطع يا پيوسته با عمق كم يا زياد در سرتاسر مسير اتصال مشاهده مي شود.

در بسياري موارد به نظر مي رسد كه اين حجم كوچك باقي مانده و پر نشده در كناره جوش نمي تواند اهميت چنداني داشته باشد، اما بايد توجه داشت كه چون اغلب به صورت شكاف تيز گوشه اي است، هنگامي كه موضع اتصال تحت تنش قرار گيرد اين شكاف موجب تمركز تنش آن شده و منجر به شروع شكست يا گسيختگي اتصال از آن محل مي شود اين موضوع به ويژه در اتصالاتي كه در شرايط " خستگي" يا تنش هاي سيكلي قرار مي گيرد بسيار حساس و مهم هستند و بايد حتما با ذوب و رسوب مقدار اضافي فلز شكاف پر و بر طرف شود.دلايل به وجود آمدن اين عيب فراوان است كه مي توانند منفرد يا مشترك باشند و اهم آنها عبارتند از: آمپر بالا، جوشكاري بالا، الكترود باريك، سرباره با ويسكوزيته زياد جهت نيروي قوس نادرست و حركت هاي ناصحيح مشعل و يا الكترود براي رفع آن بايد حركت هاي زيگزاكي مناسب با مكث هاي كوتاه در كناره هاي لبه اتصال انجام داده و سرعت پيشرفت جوشكاري را كمي كاهش داد.

 

2-8- ترشح يا جرقه     Spatter    

قطرات ريز فلز را كه از منطقه جوش در اثناي اتصالات ذوبي به اطراف پرتاب مي شوند جرقه يا ترشح مي گويند. اين قطرات ممكن است از حوضچه جوش يا بيشتر از الكترود و مفتول پركننده ناشي شده باشد. هنگامي كه دانه هاي كروي و بزرگ از قطرات مذاب از الكترود به طرف حوضچه جوش منتقل مي شود و ايجاد پل در فاصله قوس مي كند، مداري بسته Short circuit به وجود مي آيد كه عبور شدت جريان از آن باعث گداخته شدن فوق العاده اين پل مي گردد كه با انفجار آن باراني از جرقه هاي گداخته به اطراف حاصل مي شود.

وقوع جرقه به وسيله تعدادي واكنش در فرآيندهاي گوناگون افزايش مي يابد. مقدار گاز اضافي ايجاد شده در اثر سزيع يرد شدن مذاب، واكنش بين عناصر معين در فلز مذاب به عنوان مثال گوگرد با بعضي گازهاي اتمسفر در منطقه حوضچه جوش، نمونه هايي از اين نوع واكنش جرقه زا مي باشند. جرقه هاي درشت در فرآيند جوشكاري با الكترود دستي در اثر طول قوس اضافي و جرقه هاي ريز ناشي از شدت جريان اضافي ايجاد مي شود.

جرقه ها اغلب در حين پرواز در اتمسفر اكسيد شده و بر روي سطح فقط ايجاد لكه هايي مي كنند. اغلب جرقه هاي چسبيده شده برروي سطح در فواصل دور آسان تر با برس سيمي يا وسايل مشابه تميز مي شوند، اما جرقه هاي چسبيده شده در نزديكي مسير اتصال به راحتي تميز نمي شوند و ظاهر جوش را بد منظر مي كنند. از طرف ديگر لكه هاي باقي مانده برروي سطح مي توانند شبيه "لكه هاي قوس" موجب عوارضي شوند.

علاوه بر نكات بالا جرقه و ترشح يكي از مشكلاتي است كه غالباً جوشكارها را با سوزاندن پوست و يا لباس آزرده و ناراحت مي كند و حتي الامكان بايد از ايجاد آن جلوگيري كرد.غالباً با تنظيم پارامترهاي جوشكاري (آمپر، قطب و ولتاژ) يا تعويض الكترود مي توان اين مشكل را كاهش داد.

 

2- 9- انقباض ناشي از انجماد Solidification Shrinkage         

با مراجعه به چگونگي انجماد مذاب در قالب شمش متوجه مي شويم كه سطح مذاب در حين انجماد به تدريج پائين مي آيد چون كريستال هاي جامد داراي حجم كمتري نسبت به حالت مذاب هستند. اين انقباض يكي از مسائل مهم در ريخته گري است. به علت شباهت زياد جوشكاري و ريخته گري از نظر انجماد، گاهي در جوشكاري ذوبي نيز اين عيب ظاهر مي گردد و حاصل آن حفره ايست كه در قسمت مياني يا منطقه اي كه در انتها منجمد مي شود به وجود مي آيد.

وجه تمايز اين حفره با حفره هاي "كرمي" شكل (نوعي از خلل و فرج) سطح دندريتي آن است كه نشان دهنده سطوح نهايي كريستال هاي جامد است. پرواضح است كه "انقباض ناي از انجماد" مي تواند نقطه تمركز تنش بوده و ايجاد گسيختگي يا شكست را آسان كند.

 

2- 10-  سررفتن       Over laping

سررفتن يا جاري شدن فلز جوش مذاب از دهانه اتصال (در قسمت فوقاني يا تحتاني شكاف جوش) عيبي به وجود مي آيد كه ظاهر جوش را بد و احياناً هزينه تميزكاري برروي جوش را افزايش مي دهد. اي عيب غالباً در اثر حرارت زياد (شدت جريان بالا يا سرعت بسيار كم) به وجود مي آيد. سررفتن در روش جوشكاري با الكترود دستي و در وضغيت قائم بيشتر اتفاق مي افتد و معمولاً در اثر زاويه اشتباه الكترود با كار مي باشد.

 

2- 11- "تركيدگي" يا "ترك" Cracking      

"ترك" برداشتن يكي از مهم ترين، حساس ترين و مضر ترين عيب در جوش ها مي باشد. از يك طرف احتمال وقوع آن در رديف گسترده اي از فولادها و فلزات و آلياژهاي غيرآهني وجود دارد، از طرف ديگر موضوع   پيچيده ايست چون اولاً شكل ها، ابعاد، جهت ها و اندازه هاي مختلف داشته، ثانياً در محل هاي مختلف از فلز جوش  Weld metal، خط ذوب Fusion line و منطقه مجاور جوش (H.A.Z) Heat affected zone ايجاد مي گردد. از اين مهم تر، دلايل گوناگوني از قبيل: تركيب شيميايي مواد مصرفي (فلز قطعه كار، مفتول يا الگترود، پودر يا فلاكس و گاز محافظ)، پارامترهاي جوشكاري (آمپر، ولتاژ، سرعت، قطب)، طراحي قطعه و محل اتصال و شرايط عملي و تكنيكي در جوشكاري مي توانند سبب تشديد يا تقليل نوع خاصي از ترك برداشتن شوند. انواع گوناگون تركيدگي در مناطق مختلف بر حسب محل و امتداد به نام هاي خاصي شناخته مي شوند كه عبارتند از:

1-    تركيدگي در حوضچه جوش يا "دهانه انتهايي"                             Weld metal crater cracking  

2-    ترك عرضي در جوش                                                                  Weld metal Transwerse cracking

3-    ترك عرضي در منطقه مجاورش                                                             H.A.Z Transwerse cracking

4-    ترك طولي در فلز جوش                                                            Weld metal longitudinal cracking

5-    تركيدگي "زبانه" يا گوشه اي                                                                                       Toe cracking

6-    تركيدگي زير فلز جوش                                                                                    under bead cracking

7-    تركيدگي در "خط ذوب"                                                                                 Fusion line cracking

8-    ترك ريشه فلز جوش                                                                                Weld metal root cracking

 

 

 

+ نوشته شده توسط رحمان فضلی در دوشنبه بیست و پنجم آبان 1388 و ساعت 0:23 |

مواد قالبگیری


در این بخش به تشریح اجزای اصلی مخلوط ماسه قالبگیری یعنی ماسه،چسب،آب و مواد افزودنی پرداخته می‌شود.
ماسه:
طبق تعریف ماسه عبارت است از ذرات ریز مواد معدنی که قطر آنها از 0.05  تا 1 میلیمتر تغییر می کند.ماسه های مورد استفاده در انواع مختلف با توجه به:
1-ترکیب شیمیایی
2-درجه دیرگدازی
3-نحوه توزیع دانه ها
4-در دسترس بودن به کار گرفته می شوند.
انواع ماسه:
ماسه ها انواع مختلفی دارند که از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
الف) ماسه سیلیسی:
این ماسه به طور گسترده‌ای در ریخته گری به کار میرود و عمده‌‌ترین ماسه مصرفی محسوب می شود.ترکیب اصلی آن سیلیس SiO2 است.
ب) ماسه زیرکن:
ماسه زیرکن که با فرمول شیمیایی ZrSiO4 مشخص می گردد و به عنوان یک ماسه با نقطه گداز بسیار بالا مورد توجه است.
ج) ماسه کرومیتی:
کرومیت یا FeCr2O4ترکیب اصلی این ماسه است و از آن در ریخته گری فلزات با نقطه ذوب بالا استفاده می شود.
د) ماسه اولوین:
ترکیب این ماسه Fe2SiO2 یا Mg2SiO2 است و مخلوطی است از سیلیکات منیزیم و به عنوان ماسه جایگزین در بسیاری نقاط مورد توجه است.ماسه شاموتی:
ماسه شاموتی نوعی کوارتز دانه ریز است که حرارت زیاد دیده است و به عبارت دیگر ماسه ای است که از زینتر کردن ذرات خاک رس به دست می آید.

نگرشی به ماسه های سیلیسی مصرفی ایران
ماسه های مصرفی به دو نوع ماسه های با چسب طبیعی و ماسه های مصنوعی تقسیم میگردند.
1) ماسه با چسب طبیعی:
ماسه با چسب طبیعی محتوی تا 20 درصد خاک ریز و مواد ناخالصی می باشد.کیفیت این نوع ماسه برای قالبگیری ماهیچه سازی بستگی به:
1- مقدار چسب
2- ترکیب شیمیایی ناخالصی
3- نوع مذاب ریختگی دارد.
این ماده در طبیعت بصورت پیش آماده شده وجود دارد.برای استفاده از این نوع ماسه ها تنها مرطوب کردن آنها کافیست از این نوع ماسه در ریخته گری فلزات غیر آهنی با نقطه ذوب پایین نظیر آلومینیوم،برنج ها،برنز ها و قطعات کوچک چدنی استفاده میشود.بطور قطع اینگونه ماسه ها برای ریخته گری قطعات بزرگ چدنی مناسب نیست معایب عمده این نوع ماسه ها عبارت از:
1- پایین بودن درجه دیرگدازی
2- همراه داشتن درصد تقریبا زیادی اکسید های قلیایی و آهک می باشد.
وجود اسیدهای قلیایی در این نوع ماسه باعث پایین آوردن درجه دیرگدازی آن گشته و در نهایت باعث ایجاد عیوبی نظیر ماسه سوزی و چسبیدن ماسه به قطعات ریختگی می شود.از طرف دیگر مواد آهکی در اثر حرارت دیدن به صورت گاز درآمده و در صورتیکه قطعات ریختگی بزرگ و دارای ضخامت زیاد باشند فرصت ورود به مذاب را داشته و در قطعات ریختگی به صورت مک و حفره های گازی باقی می مانند.
از آنجائیکه این ماسه در نقاط مختلف ایران به وفور یافت می شود و نسبتا ارزان در دسترس ریخته گران قرار می گیرد.لذا در اکثر واحدهای کوچک و متوسط ریخته گری ایران به طور وسیعی در مواد قالبگیری و ماهیچه سازی مصرف دارد. ماسه های گرگان ،رشت،گرمسار،اردکان یزد،حسن آباد قم،عین آباد ،محلات و اطراف یزد جزء این گروه ماسه ها هستند.

ماسه های طبیعی بر حسب میزان خاک رس موجود در آنها به سه دسته تقسیم میشوند:
الف) ماسه ضعیف که حداکثر تا 8% خاک رس دارد.
ب)  ماسه متوسط که بین 8 تا 18 % خاک رس دارد.
ج)  ماسه خاک یا ماسه ملات که بیش از 18% خاک رس دارد.
معمولا خاک ماسه های طبقات زیرین بیشتر از لایه های سطحی می باشد و ریختگران بایستی پس از آزمایشات دقیق،ماسه مطلوب خود را تهیه نمایند.در ریخته گری معمولا از ماسه های متوسط استفاده می شود.
2) ماسه های مصنوعی:
ماسه مصنوعی از شکستن ،خرد کردن و غربال کردن سنگهای سیلیس به دست می آیند که با اضافه کردن چسب و مواد دیگر قابلیت قالبگیری در آنها ایجاد می گردد.

ماسه مصنوعی در مقایسه با ماسه طبیعی دارای مزایای زیر می باشد:
1)  درجه دیرگدازی و خلوص بالاتر.
2)  سهولت در کنترل مشخصات فیزیکی و مکانیکی مخلوط.
3)  قابلیت بازسازی و مصرف مجدد.
4)  در دسترس بودن.
محدودیت اصلی ماسه های مصنوعی در مقابل ماسه های طبیعی بالا بودن قیمت تمام شده آنها می باشد .با این وجود این ماسه ها می توانند بخوبی نیازهای صنایع ریختگری ایران را در زمینه چدن و فولادریزی(به باستثناء فولادهای خاص که به مصرف ماسه های زیرکونی-کرومیتی و اولوینی نیاز دارند) تامین کنند.
ماسه ها ی سیلیس مصنوعی رایج ترین ماسه ها قالب گیری در واحدهای ریخته‌گری می باشد و انواع ذرات سیلیسی به عنوان ماده اصلی و دیر گداز ماسه ریخته گری به کار می رود .بیشتر ماسه های قالب گیری از کوارتز معدنی که می‌تواند تا دمای 1700 درجه سانتیگراد را تحمل کند تشکیل شده است.شکلهای دیگر سیلیس تریدیمیت و کریستومالیت می‌باشد.
وجود اکسید های آلومینیوم و آهن خاصیت دیرگدازی ماسه را افزایش میدهند و حضور اکسید های پتاسیم و سدیم و ترکیبات میکا چسبندگی و شکل پذیری ماسه را زیاد و قابلیت دیرگدازی آن را کاهش می دهد و لذا در ترکیبات ماسه سیلیس وجود اکسید های قلیایی و قلیایی خاکی مضر تشخیص داده می‌شود. علاوه بر مسئله فوق وجود انواع اکسید ها باعث ایجاد رنگهای قرمز و قهوه ای،اکسید های سدیم و پتاسیم رنگ ماسه را متمایل به آبی می نماید .علاوه بر ترکیبات شیمیایی که خاصیت دیرگدازی ماسه را تحت تاثیر قرار میدهد مشخصات فیزیکی ماسه مانند اندازه ،پخش و شکل ذرات نیز باید مناسب باشد.
نگرشی به ماسه های کرومیتی و اولیونی ایران
کرومیت و اولوین در صنایع ریخته گری دارای مصارف متعدد و متنوع بوده و لذا ضرورت شناخت منابع آن در ایران و جایگزینی مواد بومی به جای منابع وارداتی وجود دارد.
موارد اصلی مصرف کرومیت و اولیوین در صنایع ریخته گری به قرار زیر است:
1- در ساخت جداره کوره ها-پاتیل ها و ابزارهای کمکی ذوب و استفاده از آنها به عنوان یک دیرگداز مناسب از منابع داخلی.
2- به عنوان یك ماسه مناسب ریخته گری در تولید.
الف)  انواع فولادهای ریختگی بویژه فولادهای استنیتی منگنزی.
ب) قطعات بزرگ چدنی.
ج)  استفاده از آنها به عنوان ماسه رویه در تولید سری قطعات چدنی(قالبگیری ماشینی و استفاده از ماسه تر) بویژه در قسمتهای فوقانی قطعات که تمایل به ماسه ریزی(ناشی از انبساط غیر پیوسته ماسه سیلیسی) دارند.
3.پودر کرومیت و اولیوین را می توان در تهیه بعضی از دوغاب های اولیه دیرگداز در ریخته گری دقیق استفاده کرد و ماسه های کرومیتی و اولوینی نیز می توانند به عنوان دیرگداز در پشت بند(بویژه در مورد قالبهای سرامیکی) مورد استفاده قرار گیرند.

مواد قالبگیری- چسب

انواع چسب ها:
تقسیم بندی چسب ها از دو دیدگاه صورت می گیرد: یکی از نقطه نظر ماهیت و طبیعت چسب ها و دیگری از نظر نحوه انجماد و چگونگی خود گیری و سفت شدن چسب ها .
از نقطه نظر ماهیت چسب ها به دو گروه چسب های آلی و غیر آلی و یا دو دسته قابل حل در آب یا غیر قابل حل در آب تقسیم می شوند.
از نقطه نظر نحوه انجماد و چگونگی سفت شدن و خود گیری ،چسب ها به سه نوع برگشت ناپذیر، میانه و برگشت پذیر تقسیم می شوند.
چسب های آب دار و چسب های غیر آب دار نباید با هم دیگر مخلوط شوند زیرا هر زمان که این عمل صورت پذیرد ، استحکام مخلوط ماسه در حالت تر و در حالت خشک کاهش می یابد. و به خصوص اگر چسب آب دار ، خاک رس باشد ، کاهش استحکام شدید تر است.
یک چسب مناسب باید ذرات ماسه را به یکدیگر اتصال دهد و استحکام قالب و ماسه ماهیچه را در حالت تر و خشک افزایش دهد.
همچنین باید شرایط زیر را فراهم سازد:
1-  در خلال تهیه مخلوط های قالب گیری یا ماهیچه به طور یکنواخت بر روی سطوح ماسه پایه گسترده شود.
2-  در هر دو حالت تر و خشک ، استحکام کافی مخلوط را فراهم سازد.
3-  شکل پذیری مناسب در مخلوط ایجاد نماید ،به طوری که مخلوط قادر باشد همه بخش های قالب را پر کند.
4- کمترین چسبندگی را به سطح مدل و جعبه ماهیچه داشته باشد تا انجام فرایند قالب گیری و ماهیچه سازی امکان پذیر شود.
5-  امکان خشک کردن سریع قالب و ماهیچه را فراهم سازد و در خلال مونتاژ قالب و نگه داری ماهیچه رطوبت جذب نکند.
6-  در خلال مرحله خشک کردن و به هنگام ریخته گری فلز به داخل قالب ، حد اقل گاز را تولید و آزاد سازد.
7-  به دیرگدازی ماسه لطمه نزند و سوختن زودرس ماسه را پدید نیاورد.
8-  امکان آسان خارج سازی ماهیچه را فراهم سازد.
9-  برای افرادی که عملیات تهیه مخلوط ،قالب و ماهیچه را انجام می دهند ، مضر نباشد و گازهای سمی تولید نکند.
10-  ارزان و قابل دسترسی باشد.
معمولا چسب های مورد استفاده در ریخته گری را به دو گروه عمده چسب های قالب گیری و چسب های ماهیچه تقسیم بندی می کنند.
از خاک های رسی می توان به عنوان چسب های قالب گیری نام برد و چسب های سیلیکات سدیم ،اتیل و نیز انواع رزین های مورد مصرف در قالب گیری پوسته و....از جمله چسب های ماهیچه هستند.
خاک رس ها معمولا دارای سه مشخصه هستند:
1-  همراه با مقدار معینی آب ، خودگیر شده و خاصیت پلاستیکی پیدا می کنند.
2-  این مخلوط پس از خشک شدن و دوباره مخلوط کردن با آب ، خود گیر شده و خاصیت پلاستیکی خود را حفظ می کند(درجه حرارت خشک شدن بسیار بالا نیست.
3-  اگر درجه حرارت از مقدار معینی افزایش یابد، خاک رس کلسینه شده(مرده شده) و خاصیت خود گیری و پلاستیکی خود را از دست می دهد.درجه حرارت کلسینه شدن با توجه به نوع خاک رسی متغیر می باشد.
در ریخته گری ،خاک رس ها به سه صورت هستند:
1) کائولین: کائولین سیلیکات خالص آلومینیوم با فرمول شیمیایی Al2O3SiO2.H2O می باشد که به خاک چینی معروف است و به خاطر داشتن آلومین زیاد ، خاک نسوز هم نامیده می شود. ناخالصی هایی مانند سدیم، پتاسیم،آهن و کلسیم که به صورت سیلیکات در این خاک ها پدید می آید ، رنگ آن را از صورتی روشن به قهوه ای تیره مبدل می سازد.کائولین خاصیت خودگیری و چسبندگی کمتری نسبت به خاک های رس دیگر دارد. در صورت استفاده در ماسه قالب گیری مقدار زیادی بین 10 تا 20 درصد کائولین لازم است.
2) بنتونیت: مونت موریونیت نوعی سیلیکات آلومینیوم به فرمول شیمیایی Al2O3.4SiO2.nH2O.می باشد که در بعضی موارد یون های منیزیم نیز به جای یون های آلومینیوم حضور دارند.بنتونیت معروف ترین چسب خاک رسی مورد استفاده در ریخته گری است، از خانواده مونت موریونیت می باشد.در صنعت ریخته گری دو نوع بنتونیت مشخص و معروف وجود دارد. یکی بنتونیت غربی یا سدیمی است که از یون های سدیم اشباع شده و می تواند مقدار زیادی آب جذب نماید و افزایش حجم بسیاری دارد. نوع دوم ، بنتونیت جنوبی یا کلسیمی است که نسبت به بنتونیت سدیمی کمتر فعال می باشد. بنتونیت کلسیمی قالب هایی با استحکام تر بیشتر تولید می کند ، در صورتی که استحکام خشک در درجه حرارت های بالای سدیمی بیشتر است. به طور کلی مقدار افزایش بنتونیت به ماسه 2 الی 5 درصد است.
3) خاک رس ایلیت:در اثر تغییرات میکا و تجزیه پوسته های معینی به دست می آید.این خاک ، مواد چسبی اصلی ماسه با چسب طبیعی می باشد.
چسب های مورد استفاده در ماهیچه سازی:
چسب های ماهیچه بسیار متنوع بوده و انواع مختلفی دارند و هر کدام از این چسب ها به منظور معین و ارائه خواص به خصوصی به ماسه ماهیچه اضافه می شوند.
بیشتر چسب های ماهیچه (که در بسیاری از موارد در ساخت قالب نیز به کار میروند) بعد از یک بار استفاده به دلیل تغییرات ساختمانی قابلیت استفاده مجدد را ندارند.

در هر صورت چسب های مورد استفاده در ماهیچه سازی را می توان به چهار گروه تقسیم کرد:
1) چسب هایی که در حالت یخ زدن سخت و محکم می شوند.آب تنها ماده چسبنده است که در دسته فوق در عملیات ریخته گری مورد استفاده قرار می گیرد.در قطعاتی که در کشور روسیه به کمک این نوع ماهیچه ساخته شده ،ادعا شده که مک های داخلی در پوسته های موتور با استفاده از ماهیچه های یخ زده حذف شده است.
2) چسب هایی که در درجه حرارت اتاق سخت و محکم می شوند:
از این دسته می توان سیلیکات سدیم و سیلیکات های مضاعف آلومینیوم و کلسیم یا سیمان را نام برد که در مورد چسب سیلیکات سدیم در بخش جداگانه ای به طور کامل تشریح شده است.
از چسب های سیمان مورد استفاده می توان سیمان پرتلند ، سیمان کائوچوئی و سیمان شیمیایی را نام برد که مهم ترین این نوع سیمان ها ( به عنوان چسب)، سیمان پرتلند است.
عیب ماهیچه های ساخته شده از این چسب های سیمانی این است که قابلیت از هم پاشیدگی آن قالب ساخته شده کم است.
3) چسب هایی که پس از پختن سخت و محکم می شوند:
این چسب ها به سه گروه فرعی زیر تقسیم می شوند:
الف)  چسب هایی که در حرارت خشک می شوند(روغن ماهیچه):
در روغن ها سخت کردن از طریق پلاریزاسیون و ایجاد ملکول های بزرگ تر به کمک جذب اکسیژن هوا در درجه حرارت های 200 تا 240 درجه سانتی گراد انجام می گیرد. این چسب ها مرکب از سه نوع چسب های روغنی به نام های روغن های گیاهی ،روغن های معدنی و روغن های جانوران دریایی می باشد.
ب)  چسب هایی که بعد از حرارت دیدن و در موقع سرد شدن سخت می شوند:
انواع رزین ها یا به عبارتی صمغ ها در این گروه قرار دارند.صمغ به دو نوع طبیعی و مصنوعی تقسیم می شوند.که از صمغ های طبیعی می توان از شیره درختان نام برد. صمغ های مصنوعی نیز با ترکیبی از اوره و فنل فرمالدئید به وسیله پلیمریزاسیون و از دست دادن آب سخت می شوند.چنین چسب هایی بیشتر در ماهیچه سازی گرم و قالب های پوسته ای به کار می روند.
رزین ها از نوع اوره فرمالدئید بهترین مشخصات و بیشترین کاربرد را در تهیه ماهیچه های کوچک و نازک و آن هایی که پس از ریختن مذاب قابلیت از هم پاشیدگی زیادی لازم دارند ،را ارائه می دهند. فنل فرمالدئید قابلیت از هم پاشیدگی کمتری داشته و در تهیه قطعات بزرگ و فولادی به کار می رود. این صمغ به صورت جامد ومایع در بازار وجود دارند و برای مدت زیادی نباید انبار شوند.
ج) چسب هایی که خاصیت چسبندگی را در حرارت به دست می آورند:
این گروه از چسب ها شامل چسب های سولفیدی ، چسب های نشاسته ای (دکسترین )، ملاس چغندر قند و چسب های پروتئینی هستند. چسب های نشاسته ای یا دکسترین ها جزو چسب های ماهیچه ای می باشند و معمولا جهت افزایش استحکام تر در مخلوط ماسه ماهیچه مصرف می شوند.مقدار 5/. تا 2 درصد وزنی آن ها استحکام فشاری تر ماسه را به اندازه 1 تا 5/2 پوند بر اینچ مربع افزایش می دهد.
ملاس چغندر قند نیز محصول فرعی کارخانه های تولید قند می باشد که اصولا همراه با چسب های دیگر (به جز چسب های روغنی) به ماهیچه اضافه می شوند.چسب های پروتئینی که انواع خالص تجاری آن ژلاتین،کازئین و سریشم می باشد.
4) چسب های خاک رس:
این دسته از چسب ها اصولا به خاطر افزایش استحکام تر ماسه ماهیچه به مخلوط ماسه ماهیچه اضافه می شوند و مهم ترین آن ها خاک رسی نسوز (کائولین)و بنتونیت می باشند که در چسب های قالب گیری نیز به آنها اشاره شد.

مواد قالبگیری-افزودنی‌های ماسه

علاوه بر سه جزء اصلی ماسه قالبگیری (ماسه، چسب، آب) مواد دیگری جهت ازدیاد کیفیت و برطرف کردن بعضی از عیوب خاص به مخلوط اضافه می گردند، چنین موادی بسیار زیاد هستند و لذا در اینجا به برخی از آنها که موارد استفاده زیادتری دارند اشاره می شود:

1)گرد ذغال
Fe2O3 تولید شده در مذاب تولیدات آهنی (چدن و فولاد و...) در اثر تماس با دیواره های قالب که اغلب از جنس سیلیس است وارد واکنش شده و تولید ترکیب زودگداز فایالیت را می دهد که منجر به سوختن ماسه و چسبیدن آنها به سطح قطعه ریختگی می شود(ماسه سوزی).
در اثر افزودن پودر ذغال سنگ یک محیط احیائی که ناشی از سوختن ذغال و خارج شدن گاز Co2 و هیدروژن و هیدروکاربیدهای سبک است، ایجاد می شود.در نتیجه این عمل،از اکسیداسیون سطوح مذاب و ایجاد گاز زود گداز فایالیت جلوگیری می شود. لذا در نهایت باعث نچسبیدن ماسه به قطعه و افزایش صافی سطوح قطعات ریختگی میگردد.

همچنین با افزودن این ماده از عیوبی نظیر انبساط حرارتی (ماسه اندازی)می‌توان جلوگیری نمود. زیرا به وسیله منقبض شدن پودر ذغال در اثر حرارت می توان انبساط ماسه را در اثر گرما جبران نمود. نیز قابلیت خرد شدن ماسه را بهبود می بخشد زیرا ماسه کمتر کلوخه می شود و راحت تر روی shake out خرد می شود.
خواص یک پودر زغال مناسب به شرح زیر است:
الف)مواد فرار موجود در آن زیاد باشد(حدود 30-26 درصد).
ب)میزان خاکستر باقیمانده در زغال نباید از 10 درصد تجاوز کند.
ج)پارامتر مهم دیگر گوگرد موجود در زغال است، زِیرا گوگرد در چدنهای خاکستری تمایل به ایجاد chilled است و مقدار گوگرد باید از %1 تجاوز نکند.
میزان مصرف خاک زغال برای قطعات تا 1000 کیلوگرم 2 الی 4 درصد و برای قطعات سنگین که دارای گرمای بیشتری بوده عمق ماسه‌سوزی شدیدتر است میزان مصرف زغال تا 8  درصد نیز می‌رسد.
2)حبوبات، غلات:(Cereals)
چسب غله‌ای مصرفی در ریخته‌گری عبارت است از پودر ذرات ریز و یا نشاسته‌ ژلاتینی که از ذرات گرفته شده است. نشاسته را می‌توان در ماسه‌های قالبگیری به منظور افزایش استحکام تر یا خشک یا بالا بودن قابلیت فروپاشی (Collapsibility) تا حد 2 درصد به کار گرفت. اگر مقدار نشاست در مخلوط زیاد شود خارج‌سازی قطعه از قالب دشوار خواهد شد. از آنجایی که نشاسته فرار است، استفاده غیر صحیح از آن می‌تواند باعث ایجاد عیوب گازی (Gas Defect) در قطعات شود.
3)گرد چوب(Wood Flour):
گرد چوب یا دیگر مواد سلولزی مثل گرد غله یا ذرت، پوسته حبوبات و سلولز را می‌توان به مقدار 5/0 تا 2 درصد به ماسه‌های قالبگیری افزود. این می‌توانند انبساط ماسه را کنترل کنند. مواد سلولزی پس از بالا رفتن دما مشتعل می‌شوند و بعد از سوختن فضای خالی ایجاد می کنند و از این طریق انبساط مخلوط ماسه قالبگیری کیترل می شود. گرد چوب و مواد سلولزی قابلیت پاشی وقابلیت جاری شدن (Flowability) را نیز اصلاح می کنند و به همین ذلیل سهولت بیشتری در خارج سازی قطعه از قالب ایجاد می کنند.
4)پودر سیلیس:
سیلیس سائیده شده و نرم که ریزتر از 200 مش باشد پودر سیلیس (Silica Flour) نامیده می شود. پودر سیلیس را می توان تا 35 درصد به منظور افزایش استحکام گرم ماسه به کار گرفت.پودر سیلیس چگالی توده (bulk-density)ماسه را افزایش می دهد و به همین دلیل ماسه قالبگیری به دلیل فشردگی بیشتر مقاومت بیشتری در برابر نفوذ فلز مذاب دارد.
5)اکسید آهن:
اکسید آهن ریز به مقدار اندک در برخی ماسه های قالبگیری به منظور افزایش استحکام گرم به کار می رود.
6)ملاس(molasses) ،دکسترین(dextrin).
ملاس ساقه نیشکر یا ملاس چغندر که تصفیه نشده و حاوی 60تا70 درصد شکر یا جامد باشد را میتوان برای افزایش استحکام خشک ماسه و بالا بردن سختی لبه قالب ها به کار گرفت.دکسترین یا صمغ نشاسته را می توان برای همان اهداف مورد استفاده قرار داد.
7)پرلیت:
پرلیت (perlite) یک سیلکات آلومینیم معدنی منبسط شده است.این ماده به مقدار کم و در حد 5/0تا5/1 درصد به منظور پایداری حرارتی (thermal stability) بهتر ماسه به کار می رود این ماده را ممکن است به عنوان عایق کننده تغذیه نیز مورد استفاده قرار داد.
8)آسفالت(asphilt)
یک محصول جنبی حاصل از تجزیه نفت خام است. آسفالت نیز همانند قیر به منظور افزایش استحکام گرم،بهبود سطح تمام شده قطعات ریخته گی آهنی مورد هستفاده قرار می گیرد.
9)قیر زمینی
قیر یک محصول از کک سازی است.طی عملیات کک سازی،قیر در دمای 5/3درجه سانتیگراد از ذغال جدا می شود.قیر تا حد 3 درصد و به منظور اصلاح استحکام گرم و بهبود سطح نهایی قطعات در مخلوط های ماسه برای ریخته گری قطعات آهنی به کار می رود.
10)گیلسونیت
گیلسونیت یک ماده آسفالتی جامد است که در برخی از نقاط زمین از معدن استخراج می شود. این ماده به خوبی فرار است و عملکرد آن شبیه تاثیر زغال در بهبود تمام شده قطعات است.
11)روغن سوخت
روغن سوخت برخی از اوقات به میزان بسیار کم و در حد 01/0 تا1/0 درصد در مخلوط قالبگیری به کار می رود به نظر می رسد که این ماده قابلیت قالبگیری ماسه را بهبود می بخشد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

منابع:

سايت: مهندسی مواد و متالورژی-مطالب آزاد - مواد قالبگیری

ارديبهشت 88

+ نوشته شده توسط رحمان فضلی در شنبه بیست و سوم آبان 1388 و ساعت 23:39 |


Powered By
BLOGFA.COM