книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие

Наличие большой мертвой зоны нежелательно, так как она снижает эффективность контроля. Вместе с тем и избавиться от нее полностью не представляется возможным. Однако уменьшить мертвую зону можно до 8— 10 мм путем двойного прозвучивания изделия: в направлении слева направо (поло­ жение а) и справа налево (положение б).

§ 55. Область применения ультразвуковой дефектоскопии

Ультразвуковой контроль заготовок, полуфабрикатов и из­ делий в условиях производства. При ультразвуковом к о н ­ т р о л е л и т ь я необходимо различать два случая: контроль слитков, подлежащих обработке давлением, и контроль фасон­ ного литья. Слитки из различных металлов и сплавов предназ­ начены для изготовления полуфабрикатов и изделий и харак­ теризуются относительно крупными габаритами, простой фор­ мой (цилиндр или прямоугольный брус), неровной поверхно­ стью и крупнозернистой структурой. Крупное зерно в металлах с высоким уровнем упругой анизотропии приводит к сильному затуханию УЗК из-за рассеяния их зернами металла и появле­ нию структурной реверберации. Поэтому контроль таких слит­ ков приходится вести на пониженной частоте 0,25—1,0 МГц. При этом снижается чувствительность контроля. Однако это не играет существенной роли, так как дефекты (раковины, круп­ ные поры, зоны рыхлот и горячие трещины) имеют достаточно большие размеры и хорошо отражают волны, падающие на них с любого направления.

Стальные слитки могут быть прозвучены на глубину до 1 м на частоте 0,25—0,5 МГц, а слитки из легированной стали, вследствие большого затухания УЗК, при этих же частотах — только на глубину 300—400 мм. Слитки из алюминиевых и ти­ тановых сплавов могут быть прозвучены на частотах 1,0— 1,5 МГц на глубину свыше 1 м, а на частоте 2,5 МГц — до 400—500 мм. Слитки из магниевого сплава МЛ-5 на частоте 1,8 МГц могут быть прозвучены на глубину до 600 мм, а на ча­ стоте 2,5 МГц — до 400 мм.

Контроль слитков может быть проведен эхо-методом с по­ мощью совмещенной прямой искательной головки. При этом контроль осуществляется продольными волнами (при вводе УЗК через плоскую поверхность слитка) и комбинацией про­ дольных и сдвиговых волн (при вводе УЗК через кривую по­ верхность). Ввод УЗК в слиток осуществляется контактным или иммерсионным способом. Плоские слитки целесообразно прозвучивать путем сканирования строчками в направлении толщины слитка, а цилиндрические — со стороны торцевой или боковой поверхностей.

341

Ультразвуковой контроль фасонного литья в настоящее время еще очень ограничен. Это объясняется трудностями конт­ роля, обусловленными сложной формой отливок, плохим каче­ ством поверхности, крупнозернистой структурой, различием в величине зерна менаду толстыми и тонкими сечениями. Но в некоторых случаях контроль фасонного литья может быть до­ статочно эффективным. Так, с помощью УЗК удается обнару­ жить грубые раковины в чугунных отливках толщиной до 100— 150 мм, на частотах 0,5— 1,0 МГц. Ультразвуковому контролю с использованием продольных и сдвиговых волн под­ вергают стальное литье, в частности трубы, отлитые центро­ бежным способом.

Ультразвуковой к о н т р о л ь п о к о в о к — одно из наибо­ лее эффективных применений ультразвуковой дефектоскопии. Только с помощью ультразвука можно обнаружить в много­ тонных поковках (заготовках роторов турбогенераторов,круп­ ных штампов, дисков турбин и компрессоров и др.) внутрен­ ние дефекты, например, флокены, зоны рыхлот, остатки уса­ дочных раковин, различные включения, ковочные трещины, внутренние разрывы, расслоения и т. п. Структура металла по­ ковок значительно отличается от структуры слитка, так как металл претерпел определенную деформацию. Зерна металла поковки вытянуты в направлении течения, что определяет ориентировку многих дефектов. Рассеяние УЗК здесь меньше, чем в литье, что позволяет на частоте 0,5— 1 МГц прозвучнвать поковки толщиной до 2 м.

Крупногабаритные поковки целесообразно контролировать контактным способом с помощью прямых головок, после обточ­ ки поверхности заготовки до чистоты V5—V6. При этом контроль можно механизировать, укрепив головку в суппорте станка, что позволит осуществить сканирование по винтовой линии с шагом 10—15 мм.

Контроль крупногабаритных поковок в отличие от контроля слитков требует не только обнаружения крупных дефектов, но и мелких. Поэтому приходится учитывать резкое падение чув­

одинаковой. Для этого следует проводить контроль послойно с использованием задержки развертки и с временной регули­ ровкой коэффициента усиления. При послойном контроле на­ стройка вначале производится по эталону на слой, наиболее удаленный от поверхности ввода УЗК. При контроле этого слоя не принимают во внимание эхо-сигналы, возникающие на экране дефектоскопа в левой части развертки — от неодно­ родностей, залетающих в близлежащих слоях. После контроля

342

дальнего слоя дефектоскоп перестраивают по другому этало­ ну меньшей толщины с контрольным отражателем того же диаметра, понижая при этом чувствительность. Затем прово­ дится контроль этого слоя, после чего прибор вновь перестраи­ вают на следующий слой, чувствительность прибора пони­ жается еще больше и т. д. слоями толщиной 100—150 мм, пока поковка не будет проконтролирована по всей толщине. При контроле крупногабаритных поковок сканирование в зависи­ мости от формы поковок осуществляют по спирали или парал­ лельными строчками.

Ультразвуковой контроль штамповок вызывает значитель­ но большие трудности, чем контроль поковок. Это объясняется не только более сложной формой штамповок, но и ориенти­ ровкой металлургических дефектов вдоль волокон металла. Основное затруднение при контроле штамповок сложной фор­ мы состоит в выборе наиболее рациональных направлений прозвучивания и мест установки искательных головок, исключаю­ щих появление ложных эхо-сигналов на экране прибора, выбо­ ре оптимальных углов ввода УЗК, причем может оказаться, что для выявления тех или иных дефектов целесообразно вво­ дить УЗК в металл на разных участках под разными углами и т. д.

Поскольку металл в штамповке более деформирован, чем в поковке, и зерно мельче, контроль можно проводить на ча­ стоте 2,5 МГц. При контроле штамповок ответственного назна­ чения чувствительность устанавливается более высокой, чем при контроле поковок, из которых эти штамповки изготовлены.

Ультразвуковой к о н т р о л ь п р у т к о в и т р у б , полу­ чаемых прессованием или прокаткой, может быть осуществ­ лен достаточно эффективно. Высокая степень деформации ме­ талла обеспечивает получение мелкозернистой структуры, а шероховатость поверхности прессованных полуфабрикатов позволяет осуществить надежный ввод УЗК без специальной обработки поверхности. Все это благоприятно сказывается на распространении УЗК и позволяет получить достаточно высо­ кую чувствительность контроля.

Ультразвуковой контроль прутков и стержней может быть осуществлен путем сквозного прозвучивания через торец дета­ ли или боковые поверхности. В последнем случае контроль ве­ дется при вращении прутка и перемещении головки вдоль об­ разующей.

Иногда возникает необходимость в контроле прутков по­ верхностными волнами, распространяющимися вдоль образца. Для возбуждения в прутке поверхностных волн ввод продоль­ ных УЗК осуществляют под заданным углом а. Для этого при­ меняют головки с плоской пли вогнутой контактными поверх-

343

ностямн. Наряду с поверхностными волнами в прутке возбуж­ даются и сдвиговые волны за счет кривизны поверхности и ма­ сляной прослойки между головкой и изделием. Для проведе­ ния контроля поверхностными волнами достаточно одного вращения стержня, без перемещения головки. При этом выяв­ ляются дефекты в поверхностном и подповерхностном слоях, ориентированные под углом к оси изделия.

Контроль труб за последние годы стал весьма актуальной проблемой. Во многих отраслях промышленности применяют трубы из различных материалов, имеющие различные диамет­ ры п толщину стенок. Особенно важен контроль для труб от­ ветственного назначения. В ряде случаев необходим контроль толщины труб как в условиях производства, так и эксплуата­ ции.

Трубы малых и средних диаметров с небольшой толщиной стенки могут быть эффективно проконтролированы нормаль­ ными волнами. С увеличением диаметра и толщины стенки труб целесообразно их контролировать сдвиговыми волнами. Контроль может проводиться либо контактным, либо иммер­ сионным способом, причем все изложенные соображения и рекомендации по контролю прутков остаются в силе и при конт­

сдвиговые волны. Отражение продольных и сдвиговых УЗК в сплошном прутке всегда происходит от вогнутой поверхности, что приводит к некоторой фокусировке многократно отражен­ ных лучей. Отражение УЗК в трубе происходит попеременно от выпуклой и вогнутой поверхности. Поэтому большая часть УЗК распространяется по окружности вправо и влево от излу­ чателя.

Для контроля труб в заводских условиях разработано не­ сколько установок. Одна из них, автоматизированная установ­ ка ИДЦ-ЗМ, разработанная ЦНИИТМАШ, позволяет осуще­ ствлять контроль тонкостенных (толщиной 0,2—2,0 мм) труб диаметром от 6 до 60 мм и длиной до 3 м. Контроль ведется при вращении трубы со скоростью 300 об/мин, на частоте 2,5 МГц и позволяет обнаруживать расслоения длиной 3—5 мм и трещины глубиной ~0,05 мм.

Другая установка ИДЦ-8 служит для контроля труб с тол­ щиной стенок от 7 мм и более при соотношении толщины стен­ ки к диаметру 1 : 5. Контроль труб осуществляется сфокусиро­ ванным лучок, падающим на трубу под углом 45° и возбуж­ дающим в стенке сдвиговые волны. При контроле труба пере­ мещается поступательно, а искательная головка вращается.

3 4 4

головками. При этом обнаруживаются металлургические де­ фекты шва — шлаковые включения, раковины, газовые поры, а также трещины и непровары. Оптимальная частота контроля зависит от свариваемого материала и толщины сварного шва. Наиболее распространенной частотой является 2,5 МГц. Одна­ ко при значительной толщине шва, а особенно' при контроле шва в сталях аустенитного класса частоту понижают до 1,5—0,5 МГц, что связано со значительным затуханием УЗК в зоне термического влияния, в два—три раза превышающим затухание в основном металле.

Рис. 110. Схема контроля сварного шва наклонной головкой

Для контроля стыковых сварных соединений применяются призматические головки с различными углами падения УЗК, рассчитанными на распространение в металле сдвиговых коле­ баний под углами от 40 до 80°.

В стыковых сварных швах дефекты чаще всего ориентиро­ ваны параллельно поверхностям свариваемых кромок изде­ лия. Для обнаружения этих дефектов искательные головки устанавливают и перемещают (сканируют) по ровной поверх-

3 4 5

пости свариваемых элементов вблизи валика сварки зигзаго­ образно (рис. ПО). Выявляемость дефектов в этом случае за ­ висит от угла наклона пьезоэлемента, расстояния до дефекта н ориентировки его относительно ультразвукового луча и шага сканирования.

Прозвучивание сварного соединения головкой из положе­ ния .4 не обеспечивает контроля верхней части шва. Контроль ее может быть осуществлен головкой из положения Б, отра­ женным от нижней поверхности лучом, или из положения В головкой, установленной на нижней поверхности изделия. Можно также применить для этой цели другую головку с боль­ шим углом падения УЗК (положение Г).

Так как амплитуда эхо-сигнала с увеличением расстояния до дефекта убывает очень быстро, целесообразно для контроля сварных швов большой толщины применять головки с неболь­ шим углом наклона. Так, сварные швы толщиной 250—300 мм и больше контролируют головками с углом а = 30°, толщиной 200—250 мм —-с углом а = 40°, а более тонкие сварные швы — с утлом а = 504-55°.

Для определения координат дефектов, обнаруженных при ультразвуковом контроле, разработаны расчетные планшеты, позволяющие решить эту задачу для сварных швов различной толщины и разных углов преломления. В специализированном дефектоскопе для контроля сварных швов УЗД — НИИМ-5 оп­ ределение координат производится непосредственно по шкале прибора.

Ультразвуковой контроль элементов конструкций и деталей машин в условиях эксплуатации. В последние годы ультразву­ ковая дефектоскопия нашла широкое применение как средство осмотра и контроля состояния элементов конструкций и дета­ лей машин, подверженных воздействию высоких переменных напряжений и склонных к усталостному разрушению в усло­ виях эксплуатации.

Л о п а т к и т у р б и н и к о м п р е с с о р о в при работе двигателей испытывают высокие механические знакоперемен­ ные нагрузки и иногда получают повреждения от частиц, по­ падающих во всасывающую систему и газовый тракт двигате­ ля. Особенно в тяжелых условиях работают лопатки турбин, так как они подвергаются еще и термическим напряжениям вследствие теплосмен. Все это может привести к образованию трещин усталости и разрушению лопаток по перу или замковой части. Чаще всего трещины возникают на кромках лопаток и развиваются перпендикулярно кромкам.

Эти дефекты могут быть выявлены с помощью поверхност­ ных волн, распространяющихся от одного конца кромки к дру-

346

тому (рис. 111). В этом случае ультразвуковой луч всегда бу­ дет падать на дефект под углом 90° и, следовательно, условия его выявления будут наивыгоднейшими. Вместе с тем такая схема прозвучивания позволяет подвергать контролю любые лопатки, независимо от конфигурации пера.

Рис. 111. Схема контроля кромок лопаток поверхност­ ными волнами:

/ — л о п а т к а ; 2 — п р и з м а г о л о в к и ; 3 — п ь е з о э л е м е н т ; 4 — п у ч о к п р о ­ д о л ь н ы х У З К ; 5 — п о в е р х н о с т н ы е в о л н ы ; 6 — э к р а н д е ф е к т о с к о п а ; Т р— т р е щ и н а н а к р о м к е ; / — г л у б и н а п р о н и к н о в е н и я п о в е р х н о с т н ы х

дение в материале поверхностных волн.

Частота контроля выбирается в зависимости от материала и длины контролируемого участка лопатки. Так, контроль тур­ бинных лопаток, изготовленных из жаропрочных сплавов ЗИ-437А и ЭИ-437Б, длиной 120 мм можно проводить на часто­ те 2,5 МГц. Однако другие лопатки из этого же сплава, но имеющие длину 170— 190 мм, на частоте 2,5 МГц контролиро­ вать нельзя, так как поверхностные волны на этой частоте за ­ тухают и не «пробивают» всей длины лопатки. В этом случае контроль может быть проведен на более низкой частоте, на­ пример 1,8 МГц. Лопатки из сталей ЭИ-961, ЗОХНМА и титана, имеющие мелкозернистую структуру, хорошо прозвучиваются поверхностными волнами на частоте 2,5 МГц до 300 мм. А из алюминиевого сплава ВД-17 — только на частоте 1,5—1,8 МГц, так как в этом материале поверхностные волны с расстоянием быстро затухают.

При контроле головку прикладывают к кромке так, чтобы УЗК были направлены на другой конец лопатки (см. рис. 111).

347

вдоль кромки до конца лопатки и отражаются обратно по тому же пути. На экране в этот момент будут видны два импульса: начальный а и концевой б. Если на пути УЗ К, распространя­ ющихся в поверхностном слое кромки глубиной / (при / = 2,5 МГц, / = 1 мм), встретится дефект, то часть УЗ К отразит­ ся. На экране между импульсами а и б возникнет промежу­ точный импульс в.

При контроле лопаток поверхностными волнами мертвая зона достигает 25—30, а иногда п 40 мм з зависимости от ма­ териала и длины лопатки, размеров головки и углов а паде­

Ультразвуковой контроль лопаток оказался весьма эффектнзым. Достаточно сказать, что весь процесс осмотра лопаток турбин в эксплуатационных условиях занимает от 15 до 50 мни, а лопаток компрессора — 50—60 мин (в зависимости от типа машины).

П ри к о н т р о л е и з д е л и й с з а щ и т и ы м и п о к р ы- т и я м и снятие покрытия с детали и нанесение его вновь свя­ зано с большими трудностями и экономически не выгодно. Поэтому в последнее время уделяется много внимания разра­ ботке способов контроля изделий без снятия защитных покры­ тий. Для этого используется ультразвуковой метод с примене­

лакокрасочного покрытия не влияет на ввод и распространение продольных и сдвиговых УЗК в детали. Дефекты покрытия (глубокие царапины, вспучивание, шелушение и др.) могут прервать ход лучей сдвиговых УЗК, вследствие чего часть воли отразится и на экране дефектоскопа появятся импульсы, кото­ рые могут быть восприняты как отражение УЗК от дефектов материала изделия. Для избежания ошибок разработана ме­ тодика расшифровывания осциллограмм при контроле дета­ лей, защищенных лакокрасочными покрытиями.

2. Лопатки турбин некоторых энергетических машин под­ вергают эмалированию. Контроль таких лопаток затруднен, так как трещины усталости возникают на кромках под эмале­ вым покрытием, причем само покрытие при этом не разрушает­ ся. Проведенные исследования влияния эмалевого покрытия на формирование поверхностных волн в материале, выявляе-

348

мость дефектов на кромке под покрытием и дефектов эмале­ вого слоя позволили установить следующее:

эмалевое покрытие толщиной 60—80 мкм является «про­ зрачным» для продольных волн,, поэтому энергетические поте­ ри при переходе упругих колебаний от головки в кромку лопат­ ки и искажения ультразвукового луча невелики. Поэтому для контроля эмалированных лопаток могут быть применены иска­ тельные головки с углом падения УЗК а, рассчитанным для возбуждения в металле поверхностных волн при контроле та­ ких иге, но не эмалированных лопаток;

эмалевое покрытие практически не оказывает влияния на обнаружение в поверхностном слое кромки лопатки трещин, растрескивания материала, разнозернистости и др.;

дефекты эмалевого покрытия (сколы, шелушение, шерохо­ ватость. растрескивание, сморщенность и наплывы) не выявля­ ются при контроле поверхностными волнами на частоте 1,8—2,5 МГц. Это объясняется большим затуханием упругих волн в эмали, вследствие чего УЗК не распространяются вдоль эмалевого покрытия до конца пера лопатки, а гаснут вблизи излучателя.

3. Наружная поверхность цельноштампованных кожухо камер сгорания покрыта силоксановым лаком. Кожуха других машин имеют алюминиевое покрытие, нанесенное способом металлизации распылением. Тонкий слой силоксанового лака (8—10 мкм) не оказывает существенного влияния на форми­ рование нормальных волн в стенках кожухов, дальность прозвучивания и выявляемость дефектов, поэтому дефекты (риски, закаты, расслоения) надежно выявлялись как до, так и после нанесения силоксанового покрытия на расстоянии до 350 мм от излучателя;

нанесение слоя алюминия на поверхность кожуха методом металлизации распылением резко ухудшает прозвучиваемость материала нормальными волнами, в десятки раз падает даль­ ность и чувствительность контроля, так как металлизационный слой в зависимости от технологических факторов обладает различной пористостью и шероховатостью, что затрудняет ввод УЗК и способствует быстрому их затуханию; кроме того, пористость резко сказывается на упругости напыленного ме­ талла, что приводит к демпфированию ультразвуковых коле­ баний при распространении их по поверхности кожуха с металлнзационным слоем.

Можно привести еще много примеров возможного приме­ нения ультразвуковых методов для контроля изделий в усло­ виях производства и эксплуатации. Однако и приведенных примеров вполне достаточно, чтобы утверждать, что ультразву- . ковая дефектоскопия позволяет решать важные задачи по

3 4 9

контролю изделии не только простои формы в условиях про­ изводства, но и весьма сложных объектов в условиях эксплуа­ тации, в том числе с защитными покрытиями. При этом могут быть использованы все виды ультразвуковых колебании.

§ 56. Звуковые методы контроля

И м п е д а н с н ы й м е т о д основан на использовании за ­ висимости полного механического сопротивления (импеданса) контролируемого изделия от качества соединения отдельных его элементов между собой. Служит для обнаружения зон на­ рушения жесткой связи между элементами слоистых (клееных, паяных) конструкций.

Рис. 112. Принципиальная схема контроля качества склейки импедансным методом:

/ — д а т ч и к : 2 — о б ш и в к а : 3 — с л о й к л е я ; 4 — з а п о л ­ н и т е л ь

Изменение входного импеданса системы может быть обна­ ружено по изменению амплитуды или фазы силы реакции, ока­ зываемой на датчик, возбуждающий в изделии упругие (изгибные) колебания или по изменению собственной частоты дат­ чика.

На рис. 112 показана принципиальная схема контроля по амплитудному методу. Датчиком здесь является стержень, со­ вершающий продольные колебания. Если этот стержень кон­ тактирует с участком, например, обшивки, жестко склеенной с заполнителем (подложкой), вся конструкция колеблется как единое целое, и механическое сопротивление, оказываемое из­ делием стержню, определяется жесткостью всей конструкции. При этом сила реакции Fp изделия на стержень будет значи­ тельной.

3 5 0