Файл: Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие..pdf

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