Цилиндрический настроечный образец для настройки чувствительности профилированных пьезоэлектрических преобразователей при проведении ультразвукового контроля цилиндрических деталей диаметром до 300 мм

Полезная модель относится к устройствам неразрушающего контроля структуры и дефектов металлических изделий и может быть использована при изготовлении образцов для настройки условной чувствительности акустических ультразвуковых дефектоскопов при ультразвуковом контроле (УЗК) цилиндрических деталей (прутки, отливки, поковки) диаметром до 300 мм.
Для выпуска высококачественной конкурентоспособной металлопродукции (в том числе наукоемких аэродинамических моделей), удовлетворяющей запросам российских и зарубежных потребителей, необходимо качественное проведение неразрушающего контроля внутренней структуры используемых материалов в процессе производства.
В настоящее время одним из наиболее часто используемых видов неразрушающего контроля является ультразвуковой контроль. Технология проведения ультразвукового контроля описана, например, в книге И.Н. Ермолова и др. «Неразрушающий контроль. Справочник, том 3. Ультразвуковой контроль». М.: Машиностроение, 2004, с. 330-460. Для измерения размеров дефектов производится настройка условной чувствительности (эталонирование) акустического дефектоскопа, т.е. жесткое задание его чувствительности по опорному акустическому сигналу, полученному от какого-либо искусственного отражателя определенных геометрических размеров. Условная чувствительность акустического дефектоскопа, определяемая как возможность при контроле выявлять отражатели (дефекты) заданного размера, является важнейшим параметром, определяющим достоверность и воспроизводимость результатов контроля. Поэтому обнаружение дефектов, оценка их величины и степени допустимости для данного изделия должны производиться на строго определенных уровнях условной чувствительности. Браковочный уровень условной чувствительности характеризуется максимальной величиной эквивалентной площади искусственного отражателя, предельно допустимой по действующим техническим условиям для данного изделия. Технология настройки условной чувствительности акустических ультразвуковых дефектоскопов с совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями по настроечным образцам находит все большее применение ввиду низкой стоимости и высокой воспроизводимости результатов настройки. Размеры и форма искусственных отражателей зависят от степени ответственности изделия и регламентируются нормативной технической документацией, согласно которой при ультразвуковом контроле прямыми и наклонными пьезоэлектрическими преобразователями цилиндрических деталей толщиной до 300 мм в качестве стандартизованного отражателя используются, в том числе, и цилиндрические боковые искусственные отражатели.
Заготовка цилиндрической детали контролируется эхо-методом акустической ультразвуковой дефектоскопии в трех взаимно перпендикулярных направлениях: с торцевой поверхности и боковых (в поперечном направлении - по образующей и в продольном направлении - вдоль окружности цилиндра) поверхностей. Для цилиндрических деталей диаметром менее 300 мм контактная поверхность пьезоэлектрических преобразователей (или переходной призмы) должна быть профилирована. Профилирование контактной поверхности пьезоэлектрического преобразователя (или переходной призмы) по ГОСТ Р ИСО 16811-2016 необходимо для обеспечения постоянного угла ввода и надежного постоянного акустического контакта всей поверхности активного элемента преобразователя с объектом контроля. Соответственно и для настройки условной чувствительности акустических ультразвуковых дефектоскопов с пьезоэлектрическими преобразователями должны использоваться цилиндрические настроечные образцы с диаметром, равным диаметру контролируемой цилиндрической детали.
Технология контроля регламентируется следующей нормативной документацией:
ГОСТ Р ИСО 16811-2016 «Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Настройка чувствительности и диапазона»;
ГОСТ 24507-80 «Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии»;
ГОСТ 21120-75 «Прутки и заготовки круглого и прямоугольного сечения Методы ультразвуковой дефектоскопии».
2
Согласно нормативной документации для настройки условной чувствительности акустических дефектоскопов с совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями при контроле цилиндрических деталей диаметром от 40 мм до 300 мм регламентируется использование 4 эталонных цилиндрических боковых искусственных отражателей с эквивалентной площадью эффективной отражающей поверхности на браковочном уровне от 19,6 мм (диаметр отверстия - 5 мм).
Известен настроечный образец 2009.1.11.002 колеса цельнокатаного наружным диаметром 957 мм и 1050 мм для ультразвукового контроля по СТО РЖД 1.11.002-2009 цельнокатаных колес из стали марок 1, 2, Т, Л по ГОСТ 10791-89, содержащий следующие эталонные искусственные отражатели для настройки условной чувствительности акустических ультразвуковых дефектоскопов с профилированными совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями:
2 цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 5 мм, расположенных на расстояниях 10 мм и 30 мм от цилиндрической поверхности ввода при сканировании прямыми и наклонными пьезоэлектрическими преобразователями в продольном (по окружности цилиндра) направлении;
пропил высотой 1,5 мм на донной цилиндрической поверхности объекта контроля диаметром 44 мм при сканировании наклонными пьезоэлектрическими преобразователями в поперечном (вдоль образующей цилиндра) направлении.
Недостатками данного настроечного образца являются
недостаточная рабочая толщина настроечного образца (44 мм), не обеспечивающая настройки условной чувствительности в диапазоне толщин до 300 мм;
2
недопустимо большая для контроля цилиндрических деталей аэродинамических моделей диаметром до 300 мм величина (19,6 мм) эквивалентной площади эталонного искусственного отражателя диаметром 5 мм;
недостаточная точность настройки условной чувствительности по всему диапазону толщин, так как для настройки используется максимум 2 эталонных искусственных отражателя, расположенных либо вблизи поверхности сканирования, либо на противоположной донной стороне настроечного образца, поэтому кривая условной чувствительности является линейной, а не экспоненциальной и, следовательно, размеры обнаруженных дефектов - занижены;
эталонные искусственные отражатели должны быть равномерно расположены как в продольном, так и в поперечном направлениях сканирования цилиндрической поверхности настроечного образца;
несоответствие марки стали данного настроечного образца стали 30ХГСА;
несоответствие диаметра (~1000 мм) данного настроечного образца диапазону диаметров (0…300 мм) контролируемых деталей аэродинамических моделей.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является цилиндрический настроечный образец СОП А2-СЧ из комплекта «КОИД-САУЗК-ОС-1» из стали марок A1, А2, A3, А4 по ГОСТ 4728-96 диаметром 180 мм, содержащий группы эталонных плоскодонных искусственных отражателей диаметром 3 мм, 5 мм, 9 мм, расположенных на донной стороне настроечного образца на глубинах залегания плоскодонных искусственных отражателей 90 мм, 118 мм, 146 мм, 175 мм для настройки условной чувствительности акустических ультразвуковых дефектоскопов с совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями при сканировании прямыми пьезоэлектрическими преобразователями в поперечном (вдоль образующей цилиндра) направлении.
Недостатками данного настроечного образца являются
в конструкции настроечного образца отсутствуют эталонные искусственные отражатели для настройки условной чувствительности при сканировании в продольном (по окружности цилиндра) направлении;
эталонные искусственные отражатели должны быть равномерно расположены как в продольном, так и в поперечном направлениях сканирования цилиндрической поверхности настроечного образца;
используемые в настроечном образце эталонные плоскодонные искусственные отражатели позволяют настраивать условную чувствительность только для прямых пьезоэлектрических преобразователей;
2
2
недопустимо большая для контроля цилиндрических деталей аэродинамических моделей диаметром до 300 мм величина эквивалентной площади эталонного искусственного отражателя: 19,6 мм для диаметра 5 мм и 63,6 мм для диаметра 9 мм;
несоответствие марки стали данного настроечного образца стали 30ХГСА;
несоответствие диаметра (~280 мм) данного настроечного образца диапазону диаметров (0…300 мм) контролируемых деталей аэродинамических моделей.
Наиболее близким прототипом к заявляемому объекту является цилиндрический настроечный образец для ультразвукового контроля цилиндрических деталей малого диаметра (патент №204315).
Настроечный состоит из двух частей: цилиндра диаметром D и длиной (0,7…0,9)D и совмещенным по горизонтальной плоскости симметрии полуцилиндром диаметром D и полупараллелепипедом шириной D, высотой D/2 и длиной (1,8…2,0)D. В переднем торце образца в вертикальной плоскости симметрии параллельно образующей цилиндра расположены 3 эталонных торцевых глухих горизонтальных цилиндрических отверстия диаметром 0,8…1,2 мм и длиной (0,5…0,7)D с шагом по высоте образца D/3 и смещены относительно верхнего и нижнего краев образца на D/6. На расстоянии (1,2…1,4)D от заднего расположены 3 эталонных хордовых сквозных горизонтальных цилиндрических отверстия диаметром 0,8…1,2 мм с шагом D/3 по высоте образца и шагом 0,2D по длине образца и смещенных относительно верхнего и нижнего краев образца на D/6.
Недостатками данного настроечного образца (прототипа) являются
несоответствие требованиям нормативной документации, согласно которой для настройки условной чувствительности акустических дефектоскопов с профилированными совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями при контроле цилиндрических деталей диаметром от 40 мм до 300 мм регламентируется использование 4 искусственных эталонных отражателей;
невозможность использования эталонных цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 0,8…1,2 мм для настройки условной чувствительности на глубинах более 100 мм, так как акустический сигнал от них сравним с уровнем шумов;
недостаточная точность настройки условной чувствительности по всему диапазону толщин как в продольном, так и в поперечном направлениях сканирования цилиндрической поверхности настроечного образца, обусловленная использованием только 3 эталонных искусственных отражателей.
2
Несмотря на существование такого многообразия утвержденных стандартов, потребители металлопродукции вносят в ТУ различные дополнительные требования по качеству продукции и соответственно требования на порядок проведения УЗК. Одними из наиболее ответственных и трудоемких в изготовлении цилиндрических деталей аэродинамических моделей в опытном производстве являются адаптеры и оси. Эти детали изготавливаются из круглого прутка из стали 30ХГСА. Заготовка, при ее изготовлении, не должна содержать несплошности более 6,5 мм, то есть в 3 раза меньше минимальной регистрируемой несплошности по принятым ГОСТам.
Задачей полезной модели является разработка нестандартного цилиндрического настроечного образца для настройки условной чувствительности акустических дефектоскопов с совмещенными профилированными пьезоэлектрическими преобразователями при проведении ультразвукового контроля в поперечном и продольном направлениях сканирования цилиндрических деталей диаметром до 300 мм с эталонными искусственными отражателями минимального возможного размера.
Технический результат - разработанный настроечный цилиндрический образец с эталонными искусственными отражателями минимального возможного размера в виде цилиндрических боковых искусственных отражателей для настройки условной чувствительности акустических дефектоскопов с профилированными совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями как в поперечном направлении сканирования - по образующей, так и в продольном направлении сканирования - по окружности цилиндра.
2
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что цилиндрический настроечный образец содержит 4 эталонных горизонтальных сквозных хордовых цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 2,5…3,5 мм, предназначенных для настройки условной чувствительности акустических дефектоскопов с совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями в поперечном направлении сканирования (вдоль образующей цилиндра), расположенных в задней части настроечного образца на расстоянии (1,83…2,7)D от заднего торца с шагом (0,03…0,2)D по длине образца, с шагом D/4 по высоте образца и смещенные относительно верхнего и нижнего краев образца на D/8, и 4 эталонных горизонтальных глухих торцевых цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 2,5…3,5 мм и длиной (0,2…1,2)D, предназначенных для настройки условной чувствительности в продольном направлении сканирования (вдоль окружности цилиндра), расположенных в переднем торце передней части настроечного образца в вертикальной плоскости симметрии образца с шагом по высоте образца D/4 и смещенных относительно верхнего и нижнего краев образца на D/8, где D - диаметр цилиндрической поверхности образца. Диаметр эталонных цилиндрических боковых искусственных отражателей, равный 2,5…3,5 мм, соответствует минимальному возможному акустическому сигналу от цилиндрических боковых искусственных отражателей для распознавания его над уровнем собственных шумов для диапазона толщин проверяемого металла до 300 мм, а эквивалентная площадь такого искусственного отражателя равна 6,5 мм.
На фигуре 1 показан настроечный образец 2009.1.11.002 колеса цельнокатаного для ультразвукового контроля по СТО РЖД 1.11.002-2009.
На фигуре 2 показан цилиндрический настроечный образец СОП А2-СЧ из комплекта «КОИД-САУЗК-ОС-1».
На фигуре 3 показан цилиндрический настроечный образец для ультразвукового контроля цилиндрических деталей малого диаметра патент №204315.
На фигуре 4 показан разработанный нестандартный цилиндрический настроечный образец для настройки условной чувствительности акустических дефектоскопов с профилированными совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями при проведении ультразвукового контроля цилиндрических деталей диаметром до 300 мм.
Настроечный образец (см. фигура 4) выполнен составным: его передняя часть является цилиндром диаметром D и длиной (0,25…1,5)D, а задняя часть, для удобства использования, совмещенным по горизонтальной плоскости симметрии полуцилиндром диаметром D и полупараллелепипедом шириной D, высотой D/2 и длиной (1,95…3,5)D (продольные оси симметрии передней и задней частей - совпадают).
В переднем торце передней части настроечного образца в вертикальной плоскости симметрии образца расположены 4 эталонных горизонтальных глухих торцевых цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 2,5…3,5 мм длиной (0,2…1,2)D и шагом по высоте образца D/4 и смещенных относительно верхнего и нижнего краев образца на D/8. Эти отверстия предназначены для настройки условной чувствительности в продольном направлении сканирования (вдоль окружности цилиндра).
В задней части настроечного образца на расстоянии (1,83…2,7)D от заднего торца (для исключения ложных эхо-сигналов) перпендикулярно продольной оси симметрии цилиндрической поверхности образца расположены 4 эталонных горизонтальных сквозных хордовых цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 2,5…3,5 мм с шагом (0,03…0,2)D по длине образца, с шагом D/4 по высоте образца и смещенных относительно верхнего и нижнего краев образца на D/8. Эти отверстия предназначены для настройки условной чувствительности в поперечном направлении сканирования (вдоль образующей цилиндра).
Задняя часть настроечного образца расположена на расстоянии (0,05…0,3)D от эталонных глухих торцевых цилиндрических боковых искусственных отражателей для исключения ложных эхо-сигналов.
Длины передней части (0,25…1,5)D и задней части (1,95…3,5)D настроечного образца выбраны из условия возможности использования большинства существующих пьезоэлектрических преобразователей.
2
Диаметр эталонных цилиндрических боковых искусственных отражателей, равный 2,5…3,5 мм, соответствует минимальному возможному акустическому сигналу от эталонных цилиндрических боковых искусственных отражателей для распознавания его над уровнем собственных шумов для диапазона толщин проверяемого металла до 300 мм, а эквивалентная площадь такого искусственного отражателя равна 6,5 мм.
Использование предлагаемой конструкции настроечного образца позволит обнаруживать дефекты изготавливаемых цилиндрических деталей аэродинамических моделей диаметром до 300 мм с размерами, сравнимыми с разрешающей способности ультразвукового метода неразрушающего контроля.
Предлагаемый настроечный образец изготовлен из стали марки 30ХГСА.