Настроечный образец для ультразвукового контроля плоских деталей

Полезная модель относится к устройствам неразрушающего контроля структуры и дефектов металлических изделий и может быть использована при изготовлении образцов для настройки чувствительности ультразвуковых дефектоскопов при ультразвуковом контроле (УЗК) плоских деталей (прокат, отливки, поковки) толщиной 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 чувствительности (эталонирование) дефектоскопа, т.е. жесткое задание его чувствительности по опорному акустическому сигналу, полученному от какого-либо стандартизованного отражателя определенных геометрических размеров. Чувствительность 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 чувствительности. Браковочный уровень чувствительности характеризуется максимальной величиной эквивалентной площади дефекта, предельно допустимой по действующим техническим условиям для данного изделия. Технология настройки чувствительности по стандартным образцам находит все большее применение ввиду низкой стоимости и высокой воспроизводимости результатов настройки. Размеры и форма отражателей зависят от степени ответственности изделия и регламентируются нормативной технической документацией, согласно которой при ультразвуковом контроле плоских деталей толщиной до 300 мм наклонными пьезоэлектрическими преобразователями на фазированных решетках в качестве стандартизованного отражателя преимущественно используются боковые цилиндрические отверстия.
Заготовка детали контролируется эхо-методом ультразвуковой дефектоскопии наклонными совмещенными пьезоэлектрическими преобразователями. Технология контроля регламентируется следующей нормативной документацией:
- ГОСТ Р ИСО 16811-2016 «Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Настройка чувствительности и диапазона»;
- ГОСТ 21120-75 «Прутки и заготовки круглого и прямоугольного сечения Методы ультразвуковой дефектоскопии»;
- ГОСТ 22727-88 «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля».
Согласно нормативной документации для настройки чувствительности совмещенных пьезоэлектрических преобразователей на фазированных решетках регламентируется использование следующих размеров эталонных боковых цилиндрических отверстий:
2
- ∅3 мм -применяется для толщин 0…100 мм (эквивалентная площадь эффективной отражающей поверхности эталонного отражателя на браковочном уровне равна 7,1 мм - например раковина 2,5 мм × 2,8 мм);
2
- ∅5 мм - применяется для толщин 100…200 мм (эквивалентная площадь эффективной отражающей поверхности эталонного отражателя на браковочном уровне равна 19,6 мм - например раковина 4,4 мм × 4,5 мм);
2
- ∅8 мм - применяется для толщин 200…300 мм (эквивалентная площадь эффективной отражающей поверхности эталонного отражателя на браковочном уровне равна 50,2 мм - например раковина 7,0 мм × 7,1 мм).
Для настройки чувствительности дефектоскопа рекомендовано использование следующих видов настроечных образцов:
- образцов СО-1, СО-2, СО-3, СО-4 по ГОСТ 14782-86 (см. фиг. 1), изготовленных из металла аналогичного металлу контролируемой детали;
- образцов V1, V2 по ISO-2400 и ISO-7963, изготовленных из металла аналогичного металлу контролируемой детали;
-образца по ISO/DIS 19675-2012;
- настроечных образцов предприятия, разработанных для конкретных условий.
Недостатком стандартизованных настроечных образцов являются недостаточная высота образцов (не более 100 мм), поскольку они разрабатывались для проверки и настройки характеристик дефектоскопа и одноэлементных преобразователей.
Известен настроечный образец для настройки дефектоскопов с наклонными преобразователями на фазированных решетках по ISO/DIS 19675-2012 «Неразрушающий контроль качества материалов. Технология ультразвукового контроля качества материалов. Спецификации калибровочного образца, предназначенного для поверки оборудования, содержащего устройства с фазированными решетками (PAUT)». Образец размерами 300 мм × 100 мм × 25 мм изготовлен из стали СТ.20 и содержит: сегменты цилиндрической поверхности радиусами 50 мм и 100 мм и двугранный плоский угловой сегмент с углом при вершине 67,5° (для проверки и настройки характеристик дефектоскопа) и 4-е боковых цилиндрических отверстия диаметром 3 мм, расположенных равномерно по высоте образца (для настройки чувствительности дефектоскопов).
Недостатками устройства являются:
- недостаточная высота настроечного образца (100 мм), не обеспечивающая ультразвукового контроля всех толщин (до 300 мм) заготовок деталей аэродинамических моделей,
2
- недопустимо большая для контроля деталей аэродинамических моделей в диапазоне толщин 0…300 мм величина (8,4 мм) эквивалентной площади эффективной отражающей поверхности эталонных отражателей на браковочном уровне контроля.
Прототипом к заявляемому объекту является настроечный образец (Патент №196339, МПК G01N 29/30, 2020), выполненный в виде параллелепипеда высотой 50 мм с боковыми сторонами в виде сегментов цилиндров, в котором расположены: четыре боковые цилиндрические отверстия и четыре плоскодонные отверстия диаметрами 0,9…1,2 мм. Недостатками прототипа являются:
- недостаточная высота настроечного образца (50 мм), не обеспечивающая ультразвукового контроля всех толщин (до 300 мм) заготовок деталей аэродинамических моделей;
- плоскодонные отверстия не используются для настройки чувствительности пьезоэлектрических преобразователей на фазированных решетках;
- отверстия диаметрами 0,9…1,2 мм невозможно использовать на глубинах больше 100…150 мм ввиду недостаточной величины отраженного акустического сигнала от бокового цилиндрического отверстия диаметром 0,9…1,2 мм.
2
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. Одной из наиболее крупногабаритных, ответственных и трудоемких в изготовлении деталей аэродинамических моделей является крыло. Эта деталь изготавливается из проката стали 30ХГСА толщиной 0…150 мм (малогабаритное) и 0…300 мм (крупногабаритное). Заготовка, при ее изготовлении, не должна содержать регистрируемой несплошности более 2,5 мм (для малогабаритного крыла, то есть в 2,8…20,1 раз меньше минимально регистрируемой несплошности по принятым ГОСТам) и более 5 мм (для крупногабаритного крыла, то есть в 1,4…10 раз меньше минимально регистрируемой несплошности по принятым ГОСТам).
Задачей создания полезной модели является разработка нестандартного настроечного образца для настройки чувствительности прямых и наклонных пьезоэлектрических преобразователей на фазированных решетках для ультразвукового контроля плоских деталей толщиной до 300 мм с эталонными отражателями в виде боковых цилиндрических отверстий минимального возможного размера.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что настроечный образец для ультразвукового контроля содержит боковые сквозные цилиндрические отверстия диаметрами 2,5…3,5 мм и 0,8…1,2 мм, расположенные таким образом, чтобы в каждом из диапазонов толщин образца: (0…0,35)А; (0…0,5)А; (0…0,8)А; (0…0,97)А находилось не менее 3-х боковых сквозных цилиндрических отверстий одного диаметра, расположенных на расстояниях от верхней плоскости образца, определяемых по экспоненциальной функции, где А-высота образца. Боковые сквозные цилиндрические отверстия обоих диаметров расположены на следующих расстояниях от верхней плоскости образца: (0,04…0,06)А, (0,1…0,2)А, (0,2…0,3)А, (0,4…0,5)А, (0,65…0,75)А, (0,9…0,97)А.
На фиг. 1 показаны стандартизованные образцы для настройки максимальной чувствительности ультразвукового контроля.
На фиг. 2 показан образец по ISO/DIS 19675-2012.
На фиг. 3 показан образец, принятый за прототип.
На фиг. 4 показан разработанный нестандартный настроечный образец.
Разработанный нестандартный настроечный образец (фиг. 4) содержит 6 боковых сквозных цилиндрических отверстий диаметром 2,5…3,5 мм и 6 боковых сквозных цилиндрических отверстий диаметром 0,8…1,2 мм, расположенных таким образом, чтобы в каждом из диапазонов толщин образца: (0…0,35)А; (0…0,5)А; (0…0,8)А; (0…0,97)А находилось не менее 3-х боковых сквозных цилиндрических отверстий одного диаметра, расположенных на расстояниях от верхней плоскости образца, определяемых по экспоненциальной функции. Так, например:
- в диапазоне толщин контролируемого металла (0…0,35)А могут использоваться отверстия на расстоянии от верхней плоскости образца (0,04…0,06)А, (0,1…0,2)А, (0,2…0,3)А,
- в диапазоне толщин контролируемого металла (0…0,5)А могут использоваться отверстия на расстоянии от верхней плоскости образца (0,1…0,2)А, (0,2…0,3)А, (0,4…0,5)А,
- в диапазоне толщин контролируемого металла (0…0,8)А могут использоваться отверстия на расстоянии от верхней плоскости образца (0,1…0,2)А, (0,4…0,5)А, (0,65…0,75)А,
- в диапазоне толщин контролируемого металла (0...0,97)А могут использоваться отверстия на расстоянии от верхней плоскости образца (0,2…0,3)А, (0,65…0,75)А, (0,9…0,97)А, где А-высота образца.
Боковые сквозные цилиндрические отверстия расположены на следующих расстояниях от верхней плоскости образца: (0,04…0,06)А, (0,1…0,2)А, (0,2…0,3)А, (0,4…0,5)А, (0,65…0,75)А, (0,9…0,97)А.
Боковые сквозные цилиндрические отверстия диаметром 2,5…3,5 мм предназначены для настройки чувствительности дефектоскопа в диапазоне толщин (0…0,97)А. Боковые сквозные цилиндрические отверстия диаметром 0,8…1,2 мм предназначены для настройки чувствительности дефектоскопа в диапазоне толщин (0…0,5)А. Боковые сквозные цилиндрические отверстия диаметром 0,8…1,2 мм смещены в горизонтальной плоскости относительно отверстий диаметром 2,5…3,5 мм на расстояние (0,015±0,02)В для исключения наложения отраженных от них ультразвуковых сигналов, где: В - длина образца.
Диаметр боковых сквозных цилиндрических отверстий 0,8…1,2 мм соответствует минимальному возможному акустическому сигналу от боковых сквозных цилиндрических отверстий для распознавания его над уровнем собственных шумов для диапазона толщин проверяемого металла 0…150 мм. Диаметр боковых сквозных цилиндрических отверстий 2,5…3,5 мм соответствует минимальному возможному акустическому сигналу от боковых сквозных цилиндрических отверстий для распознавания его над уровнем собственных шумов для диапазона толщин проверяемого металла 0…300 мм.
Проверка соотношения сигнал/шум может проводиться по любому из отверстий двух диаметрами 0,8…1,2 мм и 2,5…3,5 мм. Проверка и настройка характеристик дефектоскопа может проводиться по сегментам цилиндрической поверхности радиусами (0,45…0,5)А и (0,9…0,97)А в соответствующих диапазонах толщин. Первое левое отверстие диаметром 2,5…3,5 мм расположено на расстоянии (0,28…0)В от левого края образца, а последующие - на расстоянии (0,03…0,04)В друг от друга (в вертикальной проекции). Ширина настроечного образца выбрана из условия превышения габаритных размеров существующих пьезоэлектрических преобразователей и равна (0,065…0,1)В. Ширина основания образца выбрана из условия не затенения внешними границами отраженного от отверстий ультразвукового сигнала и равна (0,2…0,25)В.
2
2
Для повышения качества ультразвукового контроля материала плоских заготовок деталей аэродинамических моделей и качества изготовления аэродинамических моделей предлагается использовать вновь разработанный нестандартный настроечный образец для настройки чувствительности прямых и наклонных пьезоэлектрических преобразователей на фазированных решетках для ультразвукового контроля плоских деталей (см. фигура 4) высотой А с 6-тью парами эталонными отражателями в виде боковых цилиндрических отверстий минимально возможных диаметров 0,8…1,2 мм и 2,5…3,5 мм для диапазонов толщин 0…150 мм и 0…300 мм, что позволит повысить чувствительность ультразвукового контроля в 2,4…9,7 раз за счет уменьшения эквивалентной площади эффективной отражающей поверхности эталонных отражателей на браковочном уровне до величин 2,7 мм и 5,2 мм.
Настроечный образец выполнен в виде параллелепипеда длиной В. Для проверки и настройки характеристик дефектоскопа боковые стороны образца выполнены в виде сегментов цилиндров радиусами (0,45…0,5)А и (0,9…0,97)А (А - высота образца). Ширина образца равна (0,065…0,1)В, что позволяет использовать его для настройки большинства типов наклонных пьезоэлектрических преобразователей на фазированных решетках. Шесть боковых цилиндрических отверстий диаметром 2,5…3,5 мм расположены параллельно плоскости ввода ультразвука (верхней плоскости образца) на расстоянии от нее: (0,04…0,06)А, (0,1…0,2)А, (0,2…0,3)А, (0,4…0,5)А, (0,65…0,75)А, (0,9…0,97)А, причем первое из них расположено на расстоянии (0,28…0,3)В от левого края образца, а последующие - на расстоянии (0,03…0,04)В друг от друга (в вертикальной проекции). Шесть боковых цилиндрических отверстий диаметром 0,8…1,2 мм расположены параллельно плоскости ввода ультразвука (верхней плоскости образца) на расстоянии (0,015±0,02)В от соответствующих отверстий диаметром 2,5…3,5 мм.
Использование предлагаемой конструкции настроечного образца позволит обнаруживать дефекты деталей аэродинамических моделей с минимально возможными размерами на толщинах до 300 мм.
Предлагаемый настроечный образец изготовлен из стали марки 30ХГСА