Ультрозвуковой контроль. Киселев Д.Ю. Ультразвуковой. Техническая эксплуатация летательных аппара тов и авиационных двигателей самара издательство сгау 2014 2
 Скачать 0.69 Mb.
|
1 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЁВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (СГАУ) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ Рекомендовано редакционно-издательским советом федерального государ- ственного автономного образовательного учреждения высшего образова- ния «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский универси- тет)» в качестве электронных методических указаний для студентов, обучающихся по программе высшего образования по направлению подго- товки бакалавров 162300 Техническая эксплуатация летательных аппара- тов и авиационных двигателей С А М А Р А Издательство СГАУ 2014 2 УДК СГАУ : 6(075) Рецензент канд. тех. наук Б.В. К а р г и н Ультразвуковой эхо-импульсный метод неразрушающего контроля: [Электронный ресурс] :электрон. метод. указания / сост. Д.Ю. Киселев, И.М. Макаровский. – Электрон. текстовые и граф. данные (0,45 Мб). – Самара: Изд-во СГАУ, 2014. – 1 эл. опт. диск (СD-ROM). Рассмотрены основы ультразвукового метода неразрушающего контроля. Описано используемое оборудование при проведении данного вида контроля, методика его настройки. Даны практические рекомендации по проведению кон- троля образцов авиационной техники. Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по на- правлению 162300, а также для смежных авиационных специальностей и направ- лений. УДК СГАУ : 6(075) © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2014 3 УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ АТ Цель работы. Ознакомиться с назначением и физической сущностью ультра- звукового эхо-импульсного метода, устройством и принципом работы ульт- развукового дефектоскопа; получить практические навыки в составлении ра- бочей методики и проведении ультразвукового контроля заданного объекта. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Назначение и физическая сущность метода Назначение. Ультразвуковые методы дефектоскопии и, в частности, эхо-им- пульсный метод, относятся к числу наиболее универсальных методов кон- троля авиационной техники (АТ). Они позволяют контролировать разнооб- разные свойства (длину, толщину, сплошность материала и т.д.) изделий, из- готовленных из акустически прозрачных конструкционных материалов (ме- таллов, пластмасс и др.), не требуют обеспечения непосредственного контак- та с контролируемой поверхностью, что позволяет вести контроль изделий без их демонтажа из конструкции. Метод обладает высокой чувствительно- стью, достаточной для использования его для целей эксплуатационного кон- троля авиационных конструкций (минимальная площадь дефекта, выявляе- мого на расстоянии 2500 мм от излучателя, составляет около 1мм 2 ). К недостаткам метода следует отнести: – высокие требования к контролепригодности конструкций; – низкие показатели надёжности результатов контроля; – сложность аппаратуры и ее применения; – высокие требования к квалификации оператора. В силу указанных недостатков метод широкого применения в эксплуата- ционных предприятиях пока не имеет. В условиях производства, где требова- ния к качеству контроля несколько ниже, метод успешно применяют для вы- явления дефектов литья, сварки, ковки, штамповки, проката и т.д. Физическая сущность метода. Ультразвуковой эхо-импульсный метод основан на способности ультра- звуковых колебаний распространяться в акустически прозрачных материалах и отражаться от границы раздела двух сред с различными акустическими свойствами. Ультразвуковые колебания (УЗК) в акустически прозрачной сре- де распространяются в виде ультразвуковых волн на значительные расстоя- ния и без существенного ослабления. Интенсивность УЗК I x на расстоянии х от излучателя зависит от акустических свойств среды, характеризующихся коэффициентом линейного затухания α, и их начальной интенсивности I 0 : x x e I I 2 0 4 Затухание УЗК в среде зависит от характера упругих связей и строения вещества, частоты колебаний и других факторов. Так, например, при размере зерна близком к половине длины ультразвуковой волны среда становиться акустически «непрозрачной». Большая часть конструкционных материалов (металлов) имеет сравнительно мелкозернистую структуру, которая позволя- ет использовать ультразвуковой метод для контроля деталей, имеющих длину до нескольких метров. Важной характеристикой среды является её акустическое сопротивление Z, которое определяет условия прохождения и отражения УЗК от границы раздела двух сред. Оно определяется произведением плотности среды р на скорость распространения в ней звука С: Z = р С. Акустическое сопротивление различных материалов существенно разли- чаются, так как они различаются по плотности и скорости распространения звука (табл. 1.1). Таблица 1.1 Акустические характеристики некоторых материалов Материал Р, кг/м 3 ·10 3 С L , м/с С Т , м/с Z, кг·с/м 2 ·10 6 Алюминий (сплавы) 2,7 6260 3080 16,9 Железо (сплавы) 7,8 5850 3230 45,6 Медь (сплавы) 8,9 4700 2260 41,8 Магний (сплавы) 1,7 4600 2200 7,82 Титан (сплавы) 4,5 6000 3500 27,0 Органическое стекло 1,18 2670 1120 3,14 Вода 1,0 1456 – 1,5 Минеральное масло 0,97 1477 – 1,43 Воздух 1,29 · 10 -3 331 – 4,2 · 10 – 4 Скорость распространения УЗК, в свою очередь, определяется модулем упругости материала Е и его плотностью ρ. Скорость распространения УЗК в виде продольных волн С прод определяют из выражения: E C прод В твердой среде, наряду с продольными волнами (сжатия-растяжения), распространяются и другие виды ультразвуковых волн (поперечные, поверх- ностные и другие), которые различаются направлением колебаний и скоро- стью их распространения. 5 Так, скорость распространения поперечных (сдвиговых) волн близка к по- ловине скорости продольных, т.е. С попер 0,5 С прод , а скорость поверхностных (сдвиговых) волн С пов близка к половине скорости поперечных волн, т.е. С пов 0,9 С попер Акустические сопротивления газов, жидкостей и металлов соотносятся между собой соответственно, как 1:3000:10000, благодаря чему создаются благоприятные условия для отражения УЗК от границы раздела двух сред (выявления дефектов) и ввода их в деталь. При равенстве акустических сопротивлений контактирующих сред УЗК без отражения переходят из одной среды в другую. При других соотношени- ях акустических сопротивлений происходит частичное или полное отражение ультразвука от границы раздела. Так, от границы раздела «металл-воздух» происходит практически полное отражение УЗК. Ультразвуковые волны распространяются от излуча- теля в виде расходящегося конуса (рис. 1.1,а). Угол расхождения волн φ в среде зависит от coотношения длины волны λ и диаметра излучателя d, т.е. d / 2 , 1 arcsin 2 , а длина волны – от соотношения С (скорости распространения волны в среде) и частоты колебаний f, т.е. f C / . При этом минимальный размер выявляемого дефекта х min состав- ляет более λ/2. В непосредственной близости от излучателя диаметром d («ближняя зо- на») ультразвуковые волны распространяются без расхождения, протяжен- ность зоны 0 r достигает значения 4 / 2 0 d r Так, при частоте УЗК f = 2,5 МГц и диаметре излучателя d = 12 мм протя- женность «ближней зоны» (по стали) составит 0 r =15 мм, а угол расхождения конуса волн φ = 28°. В практике ультразвуковой дефектоскопии металлов обычно используют УЗК с частотой от 0,6 до 15 МГц, для возбуждения которой применяют спе- циальные излучатели. Рис. 1.1. Схема получения и распространения ультразвуковых волн: а – продольных; б – поперечных; в – поверхностных 6 Основной частью излучателя УЗК является пьезоэлектрический преобра- зователь, представляющий собой пластинку, изготовленную из пьезокерами- ческого материала (титаната бария, цирконат-титаната свинца и др.). Преоб- разователи обладают свойством прямого и обратного пьезоэффекта. Если пьезопластинку сжимать или растягивать, то на её электродах возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект), а если пластинку поместить в переменное электрическое поле, то будут изменяться её геометрические раз- меры и возникнут механические колебания (обратный пьезоэффект). В излучателях УЗК пластинки обычно колеблются по толщине. Собствен- ная (резонансная) частота колебаний пластинки f р при этомзависит от тол- щины t и скорости продольных волн С L в её материале: f р = С L /2t. При подаче на пластинку напряжения, частота которого отлична от часто- ты её собственных колебаний, возникают вынужденные колебания, амплиту- да которых значительно меньше, чем на резонансной частоте. Колебания пластины, при определённых условиях, переходят в другую среду, с которой она контактирует. С другой стороны, УЗК могут поступать на пластину из внешней среды. При этом на её электродах возникает переменное электриче- ское напряжение. Устройства, предназначенные для ввода, приема и преобразования УЗК, называют искательными головками или ультразвуковыми щупами. Для обеспечения акустического контакта излучателя с поверхностью вво- да УЗК зазор между ними заполняют контактной смазкой (минеральное мас- ло, вода, глицерин и т.д.). При этом в тело детали вводят до 10% энергии, генерируемой излучателем. При необходимости ввода УЗК в тело детали под углом к поверхности, а также для получения поперечных и поверхностных волн используют акусти- ческие призмы (рис. 1.1 б, в). Действие акустической призмы основано на отражении, преломлении и трансформации УЗК на границе раздела двух сред с различными акустическими свойствами. При падении продольной волны Пр(L) на границу раздела двух сред с раз- личными акустическими сопротивлениями Z 1 и Z 2 под углом α (рис. 1.2) часть энергии отражается и остаётся в первой среде (α = β), а часть переходит во вторую среду, где распространяется под углом L . Одновременно с отраже- нием и преломлением на границе раздела происходит трансформация про- дольных волн L в поперечные Пп(Т), которые распространяются во второй среде под углом T 7 а) б) в) Рис. 1.2. Отражение и преломление волн на границе раздела двух сред с различными акустическими сопротивлениями: а – преломление и отражение с наличием поперечных волн (до критический угол ввода); б – первый критический угол ввода; в – второй критический угол ввода Углы падения, отражения и преломления волны связаны между собой за- висимостью: 1 1 sin sin sin T T L L L C C C , где α, L , T – углы падения, отражения и преломления волны; С L , С L1 , С Т1 – скорости распространения продольных и поперечных волн в первой и второй среде. Используя данную формулу, можно рассчитать значения до критического и критических случаев ввода УЗК. При первом критическом угле (α кр1 ) во второй среде распространяются только поперечные волны, которые имеют меньшую скорость распространения, что способствует повышению чувстви- тельности метода. При втором критическом угле (α кр2 ) волны распространя- 8 ются вдоль границы раздела двух сред в виде поверхностных УЗК, которые используют для выявления поверхностных дефектов (трещин) на деталях сложной конфигурации (кожуха камеры сгорания, лопатки турбин, трубопро- воды и т. д.). 1.2. Ультразвуковой дефектоскоп УД2ВП Назначение. Дефектоскоп предназначен для обнаружения, определения координат и размеров дефектов деталей и узлов (раковин, расслоений, тре- щин и т.д.), измерения толщины, измерения скорости распространения и за- тухания ультразвуковых колебаний в акустически прозрачных материалах. При использовании прямой искательной головки дефектоскоп позволяет вы- являть дефекты площадью около 1мм 2 на глубине до 2975 мм (по стали). При этом минимальная глубина выявления дефектов («мертвая зона») составляет около 8 мм. Относительные погрешности определения координат дефектов (толщин) не превышают 1%. Дефектоскоп позволяет измерять площадь дефектов и сигнализировать о моменте обнаружения дефектов заданных размеров. В нем предусмотрена система измерений малых толщин, задержанной развертки (электронная «лу- па») и другие вспомогательные устройства, расширяющие возможности кон- троля. Работает в диапазоне частот (от 0,5 до 15 МГц) с использованием раз- нообразных по конструкции прямых и призматических искательных головок. Питание дефектоскопа осуществляется от внешнего источника с напряже- нием 7-9В или 4-х аккумуляторов размером С или D. Масса прибора без ак- кумуляторов около 2 кг. Конструкция. Дефектоскоп (рис. 1.3) выполнен в пластиковом корпусе и уложен в чемодане совместно с комплектом искательных головок, блоком и кабелями питания для транспортировки. Рис. 1.3. Передняя панель дефектоскопа УД2В-П 9 Рис. 1.4. Функции доступные из главного меню На передней панели размещена клавиатура, состоящая из 10 клавиш: Клавиша включения и выключения – держать нажатой не менее 2 сек. для включения или выключение прибора. Клавиши выбора группы параметров Клавиша «Сервис» – сервисные функции прибора Клавиши выбора параметра и изменения его значения Клавиша «Ввод» – подтверждение выбора и изменений «Заморозка» сигнала Включение/выключение режима «а-Масштаб» Запись результата измерения (амплитуда, координаты или скорость) в текущий файл памяти результатов. На задней панели размещены: отсек для установки аккумуляторов, под- ставка для установки дефектоскопа в удобное для оператора положение. 10 Устройство и работа дефектоскопа В основу работы дефектоскопа положена способность УЗК распростра- няться в контролируемых изделиях и отражаться от внутренних дефектов и граней изделий. Принятый сигнал усиливается, после чего преобразуется в цифровую форму и обрабатывается микропроцессором и в графическом и цифровом виде отображается на жидкокристаллическом индикаторе. Блок-схема дефектоскопа УД2В-П45 приведена на рис. 1.5. Рис. 1.5. Блок-схема дефектоскопа УД2В-П45 Подготовка дефектоскопа к работе (см. рис. 1.3, 1.4). 1. Подключить шнур питания к источнику сетевого напряжения. 2. Подключить кабель искательной головки к гнезду выхода генератора. 3. Включить дефектоскоп нажатием кнопки в течении не менее 3-х секунд. Через несколько секунд дефектоскоп автоматически перейдет в рабо- чий режим. 4. Активировать функцию ЧАСТОТА. Изменить режим работы в соот- ветствии с подключенным преобразователем НЕТ – для датчиков с двумя пьезоэлементами, ДА – для датчиков с одним пьезоэлементом (совмещен- ных). 5. Активировать функцию ЧАСТОТА. Изменить значение функции (1,25 МГц/1,8 МГц/ 2,5 МГц / 5 МГц / 10 МГц) в соответствии с подключенным преобразователем. 6. Активируйте функцию РЕЖИМ КОНТРОЛЯ. Измените значение функции: ЭХО или ТЕНЕВОЙ. При подключении совмещенного или раз- дельно-совмещенного преобразователя (т.е. при контроле изделия с одной стороны) используйте ЭХО. При работе раздельными преобразователями в теневом режиме (с разных сторон изделия) выберите ТЕНЕВОЙ. 7. Настроить аналоговый фильтр. Выбрать центральную частоту (ТРАКТ- ЧАСТОТА) в соответствии с подключенным преобразователем. Активиро- вать функцию АН.ФИЛЬТР в подменю ТРАКТ и выбрать нужный фильтр в соответствии с табл. 2. 11 Таблица 1.2 Перечень доступных аналоговых фильтров 1,25МГц 1, 8 Мгц 2,5 МГц 5 МГц 10 МГц Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. Выкл. 0,8 ... 2,1 0,8 ... 2,1 0,8 ... 2,1 0,8 ... 2,1 0,8 ... 2,1 1,1 ... 2,2 1,1 ... 2,2 1,1 ... 2,2 1,1 ... 2,2 1,1 ... 2,2 1,5 … 3,0 1,2 ... 4,6 1,2 ... 4,6 1,2 ... 4,6 1,2 ... 4,6 1,8 … 2,8 1,5 … 3,0 1,5 … 3,0 1,5 … 3,0 1,5 … 3,0 1,8 … 2,8 1,8 … 2,8 1,8 … 2,8 1,8 … 2,8 2,4 … 4,7 2,4 … 4,7 2,4 … 4,7 2,4 … 4,7 2,6 … 3,6 2,6 … 3,6 2,5 … 8,6 2,5 … 8,6 2,7 … 4,1 2,7 … 4,1 2,6 … 3,6 2,6 … 3,6 2,9 … 3,8 2,9 … 3,8 2,7 … 4,1 2,7 … 4,1 2,9 … 3,8 2,9 … 3,8 3,1 … 4,3 3,1 … 4,3 3,7 … 6,6 3,7 … 6,6 4,0 … 6,0 4,0 … 6,0 5,1 … 9,3 5,5 … 13,0 8. Выбрать центральную частоту (ТРАКТ-ЧАСТОТА) в соответствии с подключенным преобразователем. Активируя функцию ЦИФ.ФИЛЬТР в подменю ТРАКТ, выбрать нужный фильтр в соответствии с табл. 1.3. Таблица 1.3 Перечень доступных цифровых фильтров Цифровой фильтр 5 МГц 2,5 МГц 1,8 МГц 1,25 МГц Широкополосный 0,5…8 0,5...4 0,5…3,6 0,5…2 Широкий 3,1…6,9 1,55…3,45 1,53...2,10 0,77…1,73 Средний 3,7...6,3 1,85...3,15 0,92…1,58 Узкий 4,2...5,8 2,10...2,90 1,05…1,45 Настройка дефектоскопа для измерений. Данный раздел описывает, как настроить дефектоскоп для определения амплитуды и координат дефектов и измерения толщины. Ниже описано как: • Отрегулировать а– и б-зоны контроля и сигнализацию дефектов. • Выбрать способ определения координат (по пику или фронту сигнала). • Установить единицы, в которых измеряется амплитуда. • Настроить прибор для работы с наклонными преобразователями. 12 1. Установка начала зоны контроля (а-ЗОНА – а-НАЧАЛО) или (б-ЗОНА – б-НАЧАЛО) 1.1. Активировать функцию а-НАЧАЛО (б-НАЧАЛО). 1.2. Изменить начало зоны. 2. Регулировка ширины зон контроля (а-ЗОНА – а-ШИРИНА) или (б- ЗОНА– б-ШИРИНА) 2.1. Активировать функцию а-ШИРИНА (б-ШИРИНА). 2.2. Изменить ширину зоны. Увеличение ширины зоны контроля также увеличивает глубину, на кото- рой проводится контроль. 3. Установка порога зон (высоты зон) (а-ЗОНА – а-ПОРОГ) или (б-ЗОНА – б-ПОРОГ) 3.1. Активировать функцию а-ПОРОГ (б-ПОРОГ). 3.2. Изменить высоту порога зоны. Диапазон регулировки высоты порога от –95% до 95% в режиме радиосигнала и от 0 до 95% высоты экрана в ре- жиме детектирования. Увеличение высоты зоны контроля (называемой порогом зоны) означает, что только более высокие по амплитуде сигналы смогут быть зарегистриро- ваны. 4. Выбор способа измерения координат. Сигналы на экране, пересекающие а-зону контроля, оцениваются по вре- мени прихода для определения координат дефектов или толщины материла изделия. При пересечении зоны для оценки может использоваться либо фронт сигнала (т.е. точка пересечения порога зоны с фронтом импульса), ли- бо пик сигнала (точка с максимальной для зоны амплитудой). Функция ИЗМЕРЕНИЕ-ВРЕМЯ позволяет установить, какой из параметров будет ис- пользоваться для оценки сигнала в а-зоне. 4.1. Активировать функцию ВРЕМЯ (в меню ИЗМЕРЕНИЕ-ВРЕМЯ). 4.2. Изменить способ оценки сигнала ПО ПИКУ или ПО ФРОНТУ. 5. Установка измеряемой величины (ИЗМЕРЕНИЕ-ВЕЛИЧИНА) Дефектоскоп может вычислять пять типов величин, но одновременно на экран выводятся только две-три из них. Для установки выводимых величин: 5.1. Активировать функцию ВЕЛИЧИНА. 5.2. Изменить значение функции. Измеряемые величины: • S, мм – путь луча. Если функция ДАТЧИК-УГОЛ больше нуля прибор будет вычислять также координаты X и Y для контроля наклонными преобразователя- ми. 13 • V, м/с – скорость звука. Для вычисления скорости звука необходимо задать в функции ИЗМЕРЕНИЕ-ОБРАЗЕЦ толщину образца, в котором измеряется ско- рость. • H, % – амплитуда в % высоты экрана. • H, дБ – амплитуда – соотношение между высотой пика сигнала в а-зоне и высотой порога а-зоны (либо АРК). • A, дБс – разница между пиком эхо-сигнала в а-зоне и амплитудой эта- лонного эхо-сигнала. Если значение ДАТЧИК-УГОЛ больше нуля прибор будет показывать координаты X и Y одновременно с амплитудой; если равно 0, будет по- казана только Y координата. 6. Использование наклонных преобразователей При использовании наклонного преобразователя для правильного расчета координат дефекта необходимо установить следующие параметры: - Угол ввода ультразвуковых колебаний в материал в подменю ДАТЧИК- УГОЛ. - Толщину образца в подменю ИЗМЕРЕНИЕ-ОБРАЗЕЦ (для правильно- го расчета номера луча). 6.1 Настройка угла ввода УЗК (ДАТЧИК-УГОЛ). Активировать функцию УГОЛ и изменить значение функции. Доступные углы ввода от 0 до 85° с шагом 0.1°. Угол ввода УЗК должен быть указан на маркировке или в паспорте пре- образователя. Данный угол указывается для определенного материла, как правило, для стали. Необходимо помнить, что угол ввода колебаний в материал с другой скоростью распространения колебаний будет иным. 6.2 Ввод толщины образца (ИЗМЕРЕНИЕ-ОБРАЗЕЦ) При контроле пластин лучи распространяются с многократным отражени- ем от граней. Для правильного расчета глубины дефекта необходимо задать толщину пластины. В этом случае глубина дефекта будет отображаться в ви- де Y1=… (для прямого луча), Y2=... (для однократно отраженного) и тд. Активировать функцию ОБРАЗЕЦ и изменить значение функции. 1.3. Общие рекомендации по проведению ультразвукового контроля Выбор частоты УЗК. При выборе частоты УЗК учитывают, что c повы- шением частоты (f УЗК ) уменьшается длина волны, т.е. минимальный размер (x min )выявляемого дефекта. В силу этого рабочую частоту УЗК выбирают из условия: x min ≥ /2, т.е. min 2 / x С f УЗК , где С – скорость звука в материале детали (см. табл. 1.1); 14 х min – минимальный размер дефекта, плоскость которого перпендикулярна к направлению прозвучивания. При выборе частоты УЗК необходимо помнить, что повышение частоты приводит к увеличению затухания УЗК в материале детали и ухудшению ус- ловий их ввода. В поликристаллических материалах (сталь, чугун и др.) зату- хание УЗК обусловлено, главным образом, рассеянием энергии на границах зерен. Величина затухания при этом зависит от соотношения длины волны УЗК и размера зерна материала. Как правило, в авиационных конструкцион- ных материалах размер зерна позволяет использовать УЗК с частотой до 5 МГц, которая обеспечивает выявления дефектов площадью около 1мм 2 Ввод УЗК обычно осуществляют контактным способом, при котором из- лучающая поверхность щупа непосредственно соприкасается с контролируе- мой поверхностью. В силу того, что контактирующие поверхности имеют определенную шероховатость, возникает переменный по величине воздуш- ный зазор, который препятствует передаче энергии УЗК от излучателя в из- делие и обратно. Для повышения эффективности ввода УЗК зазор между контактирующими поверхностями заполняют жидкостью (акустической смазкой). В этом случае на поверхности ввода УЗК возникает акустическая система, состоящая из излучателя, смазки (жидкости) и поверхности ввода, прочём каждая составляющая этой системы имеет свои акустические свойства. В си- лу различия высот микронеровностей на контактирующих поверхностях, толщина жидкой прослойки в каждой точке поверхности ввода УЗК будет иметь различные значения. По мере приближения толщины прослойки к зна- чению /4 происходит заметное ухудшение условий ввода УЗК. В силу чего, при контроле деталей с грубо обработанной поверхностью невозможно ис- пользовать высокие частоты УЗК. Выбор частоты УЗК в этом случае ведут с учётом шероховатости поверхности ввода f УЗК ≤ С ж / R Ζ, где С ж – скорость УЗК в жидкости (контактной смазке), м/с; R Ζ – высота микронеровностей на поверхности ввода УЗК, мкм. Выбор типа искательной головки. При контроле деталей относительно простой конфигурации с дефектами типа «расслоение» (раковины, рыхлости, включения и т.д.) обычно применя- ют продольные УЗК, которые водят прямой искательной головкой (см. рис. 1.1, а). Направление ввода УЗК при этом выбирают перпендикулярно к плос- кости ожидаемого дефекта. Для выявления дефектов, плоскость которых ориентирована под углом к поверхности ввода менее 45°, применяют поперечные УЗК, которые вводят при помощи призматических искательных головок (см. рис. 1.1,б). 15 Поверхностные УЗК (см. рис. 1.1, в) применяют для выявления дефектов, локализирующихся в поверхностных слоях материала детали (трещины, сва- рочные швы на тонкостенных конструкциях, лопатки ГТД и т.д.). Отличи- тельной особенностью поверхностных волн является то, что они распростра- няются в поверхностном слое материала, повторяя рельеф детали на значи- тельных расстояниях от места ввода. Выбор способа ввода УЗК. При контроле конструкций используют несколько способов ввода УЗК: контактный, струйный, иммерсионный и другие. При контактном способе ввода УЗК искательную головку плотно прижи- мают к поверхности ввода УЗК. Для уменьшения потерь энергии в зоне кон- такта на поверхность ввода УЗК наносят тонкий слой контактной смазки. Жидкости, применяемые в качестве контактной смазки, должны хорошо смачивать материал детали и искательной головки, не содержать твердых частиц, не стекать и не вызывать коррозию материала. В качестве контактной смазки обычно используют различные сорта минеральных масел (МС-20, МК-8 и т.д.). При этом вязкие масла типа МС-20 применяют при контроле вертикальных и шероховатых поверхностей, а маловязкие типа МК-8 – в ус- ловиях низких температур и при использовании УЗК высокой частоты (1,6 МГц и выше). При струйном способе ввода УЗК акустическую связь поверхности ввода с искательной головкой осуществляют через небольшой (около 1 мм) зазор, в который под давлением нагнетают контактную смазку. Данный способ обыч- но используют при контроле деталей, имеющих грубо обработанную поверх- ность ввода УЗК. Величина зазора при этом поддерживается относительно постоянной за счет установки на искательную головку специальных упоров. При иммерсионном способе ввода УЗК акустическую связь осуществляют через значительный по толщине слой жидкости. Для этого искательную го- ловку и деталь погружают в ванну с контактной смазкой. Данный способ по- зволяет контролировать детали сложной конфигурации с шероховатой (необ- работанной) поверхностью. Кроме того, имеется возможность автоматизации контроля. Проверку качества акустического кон- такта во всех случаях осуществляют по ам- плитуде сигнала, отраженного от «донной» поверхности детали. Намного сложнее ре- шается этот вопрос при контроле без «дон- ного» сигнала. В качестве примера контроля без «дон- ного» сигнала рассмотрим порядок контро- ля реборд барабана колеса КТ – 141. На рис. 1.6 показан участок несъемной реборды ба- Рис. 1.6. Схема ультразвукового контроля не съёмной реборды барабана колеса КТ-141 16 рабана, где обычно возникают трещины усталости от воздействия борта ши- ны при рулении ВС. Внешний торец реборды барабана 1 механически обработан и может быть использован для ввода УЗК с частотой более 2,5 МГц. Ориентация трещины по отношению к поверхности ввода УЗК позволяет попользовать продольные УЗК. Положение прямой искательной головки 2 относительно торца реборды из-за отсутствия «донного» сигнала необходимо фиксировать в радиальном направлении с помощью водителя 3, так как возможны «ложные» отражения УЗК от внутренней стенки реборды. Поиск дефектов (трещин) при этом про- водят путем перемещения искательной головки вдоль образующей барабана. Выбор дефектоскопической аппаратуры. Ультразвуковой дефектоскоп должен обладать достаточной чувствитель- ностью, дальностью действия, необходимым набором рабочих частот УЗК и искательных головок. Для измерения глубины залегания дефектов он должен быть оснащен глубиномером, а при поиске мелких дефектов – системой ав- томатической сигнализации дефектов (АСД). Когда контроль ведётся в полевых условиях, на первое место выдвигаются требования портативности, универсальности электропитания и высокой на- дежности. В настоящее время отечественные производители дефектоскопической аппаратуры выпускают несколько типов ультразвуковых эхо-импульсных дефектоскопов, которые могут быть использованы для эксплуатационного контроля авиационных конструкций (УДМ-3М, УД-11ПУ, УД-12, УД-2ВП и другие). Все они имеют примерно одинаковые технические характеристики и отличаются друг от друга только по количеству сервисных систем. Выбор способа эталонирования контроля. При проведении контроля возможна «ложная» выбраковка доброкачест- венных деталей и пропуск в эксплуатацию деталей с дефектами. Вероятность возникновения ошибок зависит от совокупного влияния многих факторов: чувствительности аппаратуры, совершенства рабочей методики контроля, квалификации оператора и т.д. Особую опасность представляет пропуск в эксплуатацию деталей с недо- пустимыми дефектами, которые могут привести к разрушению конструкции в очередном цикле эксплуатации. С целью повышения надёжности контроля проводят комплекс мероприятий, в том числе эталонирование контроля. В качестве рабочих эталонов обычно используют отработавшие ресурс или отбракованные по дефектам детали конструкции. В местах появления «типовых» дефектов на них наносят контрольные отражатели УЗК (запилы, сверления, зарубки и т.д.), имитирующие по отражающей способности де- фекты заданных размеров. Число отражателей выбирают произвольно, одна- ко с увеличением их числа точность оценки надёжности контроля повышает- 17 ся. Обычно для каждого объекта устанавливают нижний предел надёжности результатов контроля, отвечающий задан- ному уровню безотказности конструкции и экономической эффективности проведения контроля. Наиболее высокой надёжностью отли- чается контроль, который проводят с ис- пользованием аппаратуры, настроенной на оптимальный уровень чувствительности. При этом настройку дефектоскопа прово- дят с использованием эталона чувствительности (рис. 1.7), который имеет контрольный отражатель 1 по отражающей способности УЗК эквивалентный минимальной площади ожидаемого дефекта. Перед проведением контроля конструкции искательную головку устанав- ливают на поверхность ввода УЗК эталона чувствительности. Затем по ам- плитуде эхо-сигнала, полученного от контрольного отражателя 1, задают не- обходимую чувствительность дефектоскопа (высота сигнала от контрольного отражателя эталона должна быть 30…40 мм). 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ В ходе выполнения лабораторной работы решают следующие задачи. 1. Разработка рабочей методики ультразвукового контроля заданного объ- екта. 2. Проведение ультразвукового контроля заданного объекта согласно ра- бочей методике. 2.1. Разработка рабочей методики ультразвукового контроля На сегодняшний день накоплен достаточно большой опыт применения ультразвукового метода для целей эксплуатационного контроля авиационных конструкций. Несмотря на это, в каждом конкретном случае приходится со- ставлять рабочую методику проведения контроля, которая учитывает особен- ности материала заданного объекта, характер ожидаемых дефектов, условия проведения работ, технические возможности аппаратуры и другие факторы, влияющие на эффективность ультразвукового контроля. Разработку рабочей методики ультразвукового контроля обычно ведут в следующей последовательности. 1. Установить наименование и условия работы заданного объекта. 2. Установить характер, локализацию и размеры ожидаемых дефектов. 3. Установить акустические свойства материала объекта. 4. Установить расположение и состояние поверхностей ввода УЗК. Рис. 1.7. Конструкция эталона чувствительности 18 5. Составить схему ультразвукового контроля объекта. 6. Выбрать рабочую частоту УЗК. 7. Выбрать вид и направление ввода УЗК. 8. Выбрать способ ввода УЗК. 9. Выбрать тип дефектоскопа и искательной головки. 10. Выбрать способ эталонирования контроля. 2.2. Проведение ультразвукового контроля Ультразвуковой контроль заданного объекта проводят в соответствии с разработанной рабочей методикой и с учётом общих рекомендаций по при- менению ультразвукового метода. Контрольные вопросы 1. Назначение и физическая сущность ультразвукового эхо-импульсного метода контроля АТ? 2. Факторы влияют на чувствительность ультразвукового контроля? 3. Принцип работы ультразвукового эхо-импульсного дефектоскопа? 4. Как проводят выбор параметров ультразвукового контроля? Содержание отчета 1. Краткие сведения о назначении и физической сущности ультразвуково- го метода контроля. 2. Основные технические данные дефектоскопа УД2-ВП. 3. Рабочая методика ультразвукового контроля заданного объекта. 4. Результаты ультразвукового контроля заданного объекта в виде заклю- чения о «годности» к эксплуатации с эскизом выявленных дефектов. 19 Учебное издание УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХО-ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ Электронные методические указания Составители: Киселев Денис Юрьевич Макаровский Игорь Мстиславович Редактор И.И. Спиридонова Довёрстка И.И. Спиридонова Заказ . Арт. 69 / 2014 Самарский государственный аэрокосмический университет. 443086 Самара, Московское шоссе, 34. _________________________________________________ Изд-во Самарского государственного аэрокосмического университета. 443086 Самара, Московское шоссе, 34 |