4. Дефектоскопия

Уровень надежности и ресурс изделия во многом зависят от своевременного определения дефектов в металлах (раковин, трещин, неметаллических включений) и вновь образовавшихся трещин во время испытаний или эксплуатации. Особую опасность данные дефекты представляют для наиболее ответственных деталей двигателя (рабочих лопаток, дисков компрессора и турбин, форсунок, стенок жаровых труб, валов, шестерен). Для контроля состояния материала этих деталей применяются разнообразные методы дефектоскопии: магнитные, электрические, оптические, ультразвуковые и интроскопические.

ГОСТ 18353-79 устанавливает следующие виды неразрушающего контроля:

1) магнитный;	7) радиационный;
2) электрический;	8) акустический;
3) вихретоковый;	9) оптический;
4) радиоволновой;	10) радиографический;
5) тепловой;	11) голографический.
6) капиллярный;

Рассмотрим возможности методов дефектоскопии, рис. 4.1.

Наибольшее применение для контроля изделий при производстве ЖРД получили радиационная дефектоскопия, акустические методы (ультразвуковая дефектоскопия, акустическая эмиссия), капиллярная дефектоскопия и метод вихревых токов (электромагнитный).

Рис. 4.1. А - поверхностные дефекты; Б - подповерхностные дефекты;

В - внутренние дефекты; Г - дефекты на недоступной стороне.

4.1. Акустические методы (ультразвуковая дефектоскопия, акустическая эмиссия)

4.1.1. Ультразвуковая дефектоскопия

Ультразвуковые методы дефектоскопии основаны на использовании зависимости параметров упругих колебаний, возбуждаемых в контролируемом объекте, от наличия дефектов.

Ультразвуковые колебания (УЗК) представляют собой упругие колебания с частотой, лежащей выше предела слышимости, т.е. более 12...20 кГц.

При частоте выше 1 МГц угол раскрытия пучка ультразвуковых лучей настолько мал, что можно рассматривать условия распространение ультразвуковых колебаний на основе законов геометрической оптики.

Основными характеристиками ультразвуковой волны являются длина волны , частота и скорость распространения :

. (4.1)

Ультразвуковые колебания излучаются и принимаются пьезоэлектрическими пластинами из кварца, титаната бария и других материалов, преобразующих электрические колебания, возбуждаемые специальным генератором переменного напряжения высокой частоты, в упругие колебания той же частоты.

Узел преобразования электромагнитных колебаний в упругие называют преобразователем. Наибольшее распространение получили нормальный, наклонный и раздельно-совмещенный преобразователи.

Нормальный преобразователь применяется для возбуждения продольных волн, пьезоэлектрическая пластина в его корпусе располагается параллельно контролируемой поверхности.

В раздельно-совмещенном преобразователе имеются две пьезоэлектрические пластины, включенные по раздельной схеме, но объединенные в одном корпусе.

Преобразователь в совокупности с ультразвуковым дефектоскопом обеспечивает выявление неоднородностей в изделии, определение координат и условных размеров посредством излучения импульсов приема и регистрации отражаемых сигналов.

В производстве используются серийные дефектоскопы типа УД10-УА, УД11-УА, УД11-ПУ, УД12-ПУ и др.

Для обеспечения акустического контакта с изделием применяются различного рода жидкости (масло, глицерин) или специальные пасты.

Для настройки дефектоскопа используются стандартные или изготавливаются специальные образцы (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Образец для настройки чувствительности ультразвукового дефектоскопа (b - толщина контролируемого листа)

С их помощью устанавливается уровень чувствительности, необходимый для выявления недопустимых дефектов. В образце высверливаются отверстия, выфрезеровываются пазы или выбираются насечки и другие отражатели, имитирующие (по своей отражательной способности) недопустимые дефекты.

Для ввода ультразвуковых волн под углом к поверхности или возбуждения сдвиговых, поверхностных, нормальных волн посредством трансформации из падающей волны служит призма. Такой преобразователь называется призматическим. Схематично его устройство показано на рис.4.3.

Процесс ультразвукового контроля заключается в следующем: на поверхность детали наносится акустическая смазка. Сканирование поверхности контролируемого объекта преобразователем ведется в направлении, перпендикулярном плоскости наиболее вероятного расположения дефектов. Преобразователь в процессе контроля перемещается таким образом, чтобы все участки заготовки, детали или сварного шва оказались в зоне контроля.

Надежность результатов ультразвуковой дефектоскопии зависит от состояния поверхности, формы детали, структуры материала.

Наилучшее результаты достигаются при контроле полуфабрикатов, заготовок, деталей, имеющих несложную форму, с шероховатостью поверхности . Ультразвуковой контроль возможен при наличие хотя бы одностороннего доступа к контролируемой детали для непосредственного контакта преобразователя с поверхностью; при контроле сварных швов величина околошовной зоны должна обеспечивать возможность сканирования ее преобразователем.

Рис. 4.3. Схема устройства призматического преобразователя наклонного типа: 1 - корпус; 2 - призма; 3 - серебряные контакты;4 - пьезопластина; 5 - контактные провода

Элементы изделий, закрытые обшивкой, не могут контролироваться этим методом.

Чувствительность ультразвукового метода резко понижается при наличие толстых неметаллических покрытий или грубой обработки поверхности.

Разработан ряд методов ультразвуковой дефектоскопии; наиболее широко применяются теневой и ЭХО-метод.

При теневом методе контроля (метод сквозного прозвучивания) излучатель и приемник ультразвуковых колебаний разделены, и дефект, попавшийся на пути упругих волн, ослабляет принимаемый сигнал или задерживает его приход.

При ЭХО-методе короткий ультразвуковой импульс отражается от дефекта и других неоднородностей, а затем принимается тем же или другим преобразователем.

Листы, плиты, поковки контролируются ЭХО-методом. Этим методом можно выявить флокены, остатки усадочных раковин, инородные включения, окисные плены и другие внутренние дефекты. Контроль ведется на частотах 1.8...5.0 МГц.

В первую очередь нормальным преобразователем проверяется поверхность, со стороны которой производился последний этап ковки, так как большинство дефектов обычно образуется параллельно этой поверхности. Затем проверяются другие поверхности. Отдельно контролируются участки, на которых возможно образование трещин.

Ультразвуковой контроль сварных соединений производится с помощью универсальных дефектоскопов ЭХО-методом с включением наклонного преобразователя по совмещенной схеме.

Схема прозвучивания сварного шва представлена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема прозвучивания сварного шва

Угол ввода колебаний выбирают таким, чтобы расстояние от преобразователя до шва было бы как можно меньше, а направление луча возможно более близкое нормали сечению, в котором площадь ожидаемых дефектов максимальна. Контроль ведется прямым и однажды отраженным лучем. Наплавленный металл по толщине проверяют продольно-поперечным сканированием околошовной зоны. Для повышения надежности контроля преобразователь в процессе сканирования непрерывно поворачивают на угол . Для надежного выявления дефектов сварной шов прозвучивают с двух сторон. Контроль с одной стороны допускается в исключительных случаях.

Наиболее существенными факторами, ограничивающими применение ультразвукового метода, является толщина свариваемого металла (не менее 4 мм) и повышенный коэффициент затухания (стали аустенитного класса).

4.1.2. Акустико-эмиссионный неразрушающий контроль

Одним из новых методов неразрушающего контроля является метод акустической эмиссии (АЭ). Он является пассивным и основан на улавливании акустических сигналов, возникающих в твердом теле.

АЭ – физическое явление, связанное с излучением волн твердым телом при изменении его напряженно-деформированного состояния.

Явления АЭ рассматривают на двух уровнях – микроскопическом и макроскопическом. В первом случае источниками АЭ являются дислокации и точечные дефекты кристаллической решетки, а во втором – процессы пластической деформации, растрескивания, разрушения.

Зависимость коэффициента интенсивности напряжения от числа импульсов АЭ при росте трещины вызвана тем, что перед фронтом трещины образуется зона пластической деформации, изменение объема которой определяется коэффициентом интенсивности напряжений. Число импульсов АЭ пропорционально числу импульсов источников в пластически деформированном объеме:

, (4.2)

где - параметры, зависящие от материала, его состояния, условия роста трещин ( );

- коэффициент интенсивности напряжений.

Прямые эксперименты на образцах с дефектами показывают, что при их нагружении излучение АЭ начинается раньше, чем при нагружении образцов без дефектов. Отмечено, что чем больше дефект, тем раньше начинается излучение АЭ.

Процессы пластической деформации и роста трещины различаются по амплитудным распределениям сигналов АЭ. При росте трещины сигналы АЭ характеризуются большой амплитудой и достаточно большими интервалами следования по сравнению с АЭ от процесса пластической деформации. При использовании эффекта АЭ для неразрушающего контроля одной из первоочередных технических задач является определение параметров АЭ, несущих информацию о дефектах.

Основные параметры АЭ определяются ГОСТ 25.002-80.

Существующие традиционные методы контроля выявляют несплошности материала. Однако не все такие дефекты могут привести к отказу или разрушению. Определить несплошность как дефект, способный вызвать отказ конструкции, в настоящее время можно только методом АЭ.

Для приема и обработки сигналов АЭ разработана специализированная аппаратура и приборы производственного назначения (АРКС-101, АМУР-4Д, АРД-31, АРД-41 и др.).

Многофункциональные приборы лабораторного и производственного назначения (АФ-11, ИАС-3, ИАС-4).

Система АЭ контроля представляет собой сложную аппаратуру, имеющую большое количество каналов (4..50) и использующую ЭВМ (АФ-33, АФ-35, АМУР-8, серия 1032 и др.).

Важным преимуществом АЭ контроля является возможность его совмещения с технологическими процессами. АЭ метод позволяет производить измерения без сканирования объекта контроля. Сигналы АЭ распространяются в металлах на значительное расстояние и обслуживаются преобразователями, установленными на поверхности объекта контроля.

В производстве ДЛА АЭ контроль используется при технологических испытаниях корпусов энергетических установок, элементов газоводов и трубопроводов, а также при выполнении сварки плавлением.

АЭ контроль энергетических установок, элементов газоводов и трубопроводов совмещается с прочностными испытаниями их внутренним давлением. Измерение параметров АЭ осуществляется в течение всего цикла испытания: при нагружении, выдержке, снижение давления. Результаты измерений регистрируются самописцами, цифропечатующими устройствами, ОЗУ вычислительных систем. Полученные данные предварительно отрабатываются и сравниваются с характеристиками эталонного бездефектного объекта.

АЭ контроль позволяет обнаруживать развивающиеся дефекты в реальном масштабе времени, выявить момент образования течей в основном металле на сварных швах, осуществлять контроль качества всех сварных швов и основного металла при отсутствии доступа к ним, контролировать качество всей продукции.

АЭ контроль при сварке плавлением позволяет обнаруживать трещины в процессе остывания шва, определять их расположение. Затем методами рентгеновской и ультразвуковой дефектоскопии определяют размер технологического дефекта.

4.2. Капиллярная дефектоскопия

Основное назначение капиллярных методов - выявить невидимые или слабо видимые глазом дефекты, выходящие на поверхность (трещины, плены и другие нарушения сплошности). Эти методы используются преимущественно при контроле деталей из неферромагнитных материалов, однако могут использоваться и при контроле стальных деталей (когда использование магнитных методов затруднено) и деталей из неметаллов. Форма контролируемой поверхности может быть сложной, не доступной для визуального осмотра.

Капиллярные методы контроля позволяют в стационарных условиях выявить трещины с шириной раскрытия на поверхности менее 1 мкм.

Сущность методов капиллярной дефектоскопии заключается в следующем (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Основные этапы контроля деталей капиллярными методами: а - проникающая жидкость 1 заполнила полость трещины; б - проникающая жидкость удалена; в - на деталь нанесена проявляющая краска 2, над трещиной образован индикаторный рисунок 3.

На предварительно очищенную поверхность контролируемой детали наносится слой индикаторной жидкости (пенетранта). Под воздействием капиллярных сил жидкость проникает в полость дефекта и удерживается там. По прошествии времени необходимого для заполнения индикаторной жидкостью полости дефекта, ее остатки удаляются с поверхности детали. Затем на деталь наносится проявляющий состав. За счет сорбционных сил часть оставшегося в полостях дефектов пенетранта извлекается (вытягивается) проявителем, образуя на поверхности (над дефектом) контролируемой детали индикаторный след. Ширина индикаторных следов в десятки раз больше, чем ширина раскрытия поверхностных трещин, что позволяет увидеть их невооруженным глазом и говорит о наличие невидимых трещин. Улучшению видимости этих следов способствует также их контрастность на фоне поверхности контролируемого изделия.

В качестве пенетрантов используются красители и люминесцентные жидкости, обладающие высокой проникающей способностью. При использовании люминесцентных пенетрантов осмотр деталей должен производится при ультрафиолетовом освещении. При этом индикаторные следы люминесцируют, а вся остальная поверхность детали остается темной.

В зависимости от пенетранта выделяют цветную и люминесцентную капиллярную дефектоскопию.

Достоинствами капиллярной дефектоскопии являются:

- высокие чувствительность и разрушающая способность;

- относительно высокая достоверность контроля;

- наглядность результатов контроля;

- возможность контроля деталей в разной степени сложности;

- возможность контроля в один прием широких зон деталей;

- возможность контроля деталей из различных материалов;

- универсальность основных технологических операций и их простота;

- возможность быстрой подготовки контролеров;

- низкая стоимость.

Основным условием успешного использования капиллярных методов является доступность контролируемого участка.

4.3. Магнитные методы контроля

Магнитные методы контроля применяются для обнаружения поверхностных и скрытых дефектов в деталях из ферромагнитных материалов. Они основаны на свойстве металла быстро намагничиваться и размагничиваться и создавать разную магнитную индукцию в местах дефекта. Основным является метод магнитной порошковой дефектоскопии при котором суспензия магнитного порошка осаждается в виде пятен на местах дефектов.