Рентгеновский контроль крупногабаритных отливок сложной формы из сплавов группы "силумин"

УДК 620.179.15:539.12.03

Е.И. Косарина, Н.А. Михайлова, А.А. Демидов, Е.М. Турбин

РЕНТГЕНОВСКИЙ КОНТРОЛЬ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК

СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ИЗ СПЛАВОВ ГРУППЫ «СИЛУМИН»

Рассмотрены вопросы рентгеновского контроля крупногабаритных отливок сложной формы из алюминиевых сплавов в условиях производства. Определена технологическая последовательность проведения контроля по разработанным технологическим картам.

Ключевые слова: рентгеновский неразрушающий контроль, технологическая карта, чувствительность, оптимальные режимы и параметры контроля.

Some aspects of X-ray testing of large-sized intricate castings made from aluminum alloys under industrial conditions are discussed. The operational sequence of testing procedure according to the designed flow sheets is defined.

Key words: X-ray testing, flow sheets, sensitivity, optimum modes and parameters of testing.

При производстве авиационной техники в большом объеме используются полуфабрикаты, изготовленные методом литья, из алюминиевых сплавов. Наиболее распространенными являются сплавы системы алюминий-кремний, называемые силуминами. К этой группе относятся сплавы АК12 (АЛ2), АК9ч. (АЛ4), АК5М (АЛ5), АК7ч. (АЛ9), АК7п.ч. (АЛ9-1), АК8М (АЛ32), АК8л (АЛ34), ВАЛ8, из которых изготовляют корпуса агрегатов, крышки, заглушки и пр.

Все отливки проходят стопроцентный рентгеновский контроль. Основным документом, по которому проводят рентгенографический контроль, является технологическая карта контроля (ТКК), в которой указаны применяемые аппаратура и средства контроля, режимы и параметры контроля. Если объект контроля (ОК) сложной формы, то экспонирование проводят несколько раз, меняя схему контроля. Расчет режимов и параметров контроля необходимо осуществлять в соответствии с действующими стандартами или нормами: для изделий авиационной техники основным документом является производственная инструкция ПИ 1.2.226-2008.

В соответствии с требованиями, регламентированными в инструкции, определим технологическую последовательность при составлении карты контроля. Поскольку бездефектную отливку получить невозможно, то все дефекты, содержащиеся в ней, классифицируют как допустимые и недопустимые. Эта градация определяется условиями эксплуатации изделия: механическими, динамическими и температурными нагрузками. Таким образом, конструктор, технолог и металлург определяют размеры предельно допустимых дефектов и их количество. Исходя из этой инфор-

мации следует проводить рентгеновский контроль таким образом, чтобы гарантировано обнаружить недопустимые дефекты. Согласно требованиям ПИ 1.2.226-2008 и других нормативных документов, в том числе европейских норм (ЕЫ), обнаружение предельно допустимого дефекта гарантировано, если минимальный дефект, видимый на рентгеновском снимке, по своим размерам в 2 раза меньше. Размер минимального дефекта, видимого на снимке, принято считать чувствительностью контроля [1, 2]. Чувствительность контроля - исходная информация, располагая которой разрабатывают ТКК. Для отливок ответственного назначения требуемая чувствительность контроля k в зависимости от толщины представлена в таблице [3].

Для рентгеновского контроля непременным условием контролепригодности является возможность двухстороннего доступа к ОК: с одной стороны располагают источник излучения, с противоположной стороны - кассету с радиографической пленкой. Разработку ТКК начинают с определения схемы контроля (относительного расположения источника излучения, ОК и радиографической пленки). Перед проведением контроля следует провести разметку отливки на участки контроля. Разметку проводят исходя из толщины контролируемого участка: за одну экспозицию возможно просвечивание участка, в пределах которого просвечиваемая толщина dпp меняется в пределах - от dПp до dПp+(0Д^0,2)•dПp. Для каждого участка контроля выбирают эталон чувствительности, содержащий элемент, размеры которого в направлении распространения излучения равны чувствительности контроля. Эталон чувствительности следует располагать на стороне ОК, обра-

Чувствительность контроля

Толщина ОК, мм До 5 5-9 9-12 12-20 20-30 30-40 40-50 50-70

Чувствительность k, мм 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,5 0,6

щенной к источнику излучения. На рис. 1 показана зависимость анодного напряжения от толщины ОК из сплавов на основе алюминия. Эта зависимость соответствует требованиям ГОСТ 20426-82

[4]. Рентгеновский аппарат, на котором следует проводить экспонирование участка ОК, должен обеспечивать требуемое напряжение.

Фокусное расстояние F (расстояние «источник-пленка») не должно превышать минимального значения, при котором геометрическая нерезкость иг не превышает значения половины чувствительности контроля:

Т7 2Ф

Fmrn = " a + a

где Ф - размер фокусного пятна рентгеновской трубки; а - расстояние «ОК-пленка»; k - чувствительность контроля.

Продолжительность экспозиции t должна быть такой, чтобы оптическая плотность рентгенограммы была не менее 1,5 Б [2]. Желательно, чтобы продолжительность экспозиции составляла 0,5<t< 10 мин. Нижний предел продолжительности экспонирования обусловлен постепенным выходом в оптимальный режим рентгеновского аппарата. Верхний предел обусловлен тем, что при экспонировании >10 мин происходит накопление рассеянного излучения, отчего снижаются контраст и четкость снимка. Продолжительность экспозиции можно подобрать экспериментально с учетом сказанного выше, либо пользуясь номограммами экспозиций. Номограммы экспозиций представляют собой семейство кривых - зависимости экспозиции от толщины просвечиваемого материала при разных значениях анодного напряжения. Под экспозицией Э (мА-мин) понимают произведение анодного тока трубки I (мА) на продолжительность экспонирования t (мин). На рис. 2 показаны номограммы экспозиций для рентгеновского аппарата РАП90И-5.

Для рентгенографического контроля отливок из алюминиевых сплавов следует использовать радиографические пленки классов CRC4

[5]. К радиографическим пленкам этих классов относятся следующие: фирмы A fa D2 (класс C1); D3 (класс C2); D4 (класс C3); D5 (класс C4); фирмы Kodak DR (класс C1); MX (класс C2); М (класс C3); Т (класс C4) [6].

На рис. 3 представлен эскиз крупногабаритной отливки сложной формы, которая проходит 100%-ный рентгеновский контроль. На примере отливки проведем разработку карты контроля. Перед проведением контроля следует убрать литники, отливку очистить от корки и разметить на участки. Для рассматриваемой отливки количество зон контроля 3, количество участков контроля 4, количество экспозиций на каждом участке 3. Общее количество экспозиций 12.

1120

80

а

5

S 40

0

20 40

Толщина, мм

Рис. 1. Зависимость анодного напряжения от толщины участка алюминиевой отливки

60

U =50 кВ

70

100

к <

n

ч

о

«

о £

10

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Толщина алюминия, мм Рис. 2. Номограммы экспозиций для рентгеновского аппарата РАП90И-5 с характеристиками: анодный ток 5 мА; радиографическая пленка D5; фокусное расстояние 700 мм; оптическая плотность снимков 5=2,0 Б

Зона В..

Зона Б^ Зона А-

f  30 40

IV

„ ! 0610 „

0630

IY \ \ \ 1

\ и in

III

Рис. 3. Эскиз крупногабаритной отливки сложной формы

Для зоны А толщина просвечиваемого материала 15 мм, для зоны Б: 30 мм, для зоны В: 40 мм. Определим чувствительность контроля в соответствии с данными таблицы: выбираем эталон чувствительности или индикатор качества изображения. Проволочные индикаторы качества изображения (ИКИ) с условными обозначениями 6АЬ EN и 10АЬ EN [7] (рис. 4, а) содержат элементы с диаметрами:

1

I

а)

4 отверстия 020 мм

Компенсатор

Рис. 4. Проволочные индикаторы качества изображения (а) и канавочные эталоны чувствительности (б) для рентгеновского контроля отливок из алюминиевых сплавов

Рис. 5. Эскиз компенсатора

- 6^ Е№ W6=1 мм, W7=0,8 мм, W8=0,63 мм, W9=0,5 мм, W10=0,40 мм, W11=0,32 мм;

- 10АЬ Е№ W10=0,4 мм, W11=0,32 мм, W12=0,25 мм, W13=0,2 мм, W14=0,16 мм, W15=0,12 мм, W16=0,1 мм.

Канавочный эталон чувствительности из алюминиевого сплава №1 (рис. 4, б) содержит канавки глубиной ^=0,6 мм, h2=0,5 мм, hз=0,4 мм, h4=0,3 мм, h5=0,2 мм, h6=0,1 мм. Эталон чувствительности или ИКИ следует располагать на стороне объекта контроля, обращенной к источнику излучения, т. е. помещать в наихудшие условия обнаружения элементов, выявление которых определяет достижимую чувствительность. Предпочтительнее применение проволочного ИКИ, поскольку его элементами являются проволочки, выявляемость которых хуже канавок.

Анодное напряжение следует выбирать в зависимости от радиационной толщины контролируемого участка ОК (см. рис. 1).

Примечание. Радиационной толщиной называется суммарная толщина просвечиваемого участка в направлении оси пучка излучения [2].

Для отливки (рис. 3 и 5) при стопроцентном рентгеновском контроле необходимо использовать три режима экспонирования. Режим экспонирования для толщины 15 мм (зона А): анодное напряжение 50 кВ (см. рис. 1), экспозиция 18 мА-мин (см. рис. 2) при фокусном расстоянии 700 мм. Для подтверждения правильности выбранного режима

следует использовать ИКИ 10АЬ Е^ на рентгеновском снимке должна быть видна проволока W11=0,32 мм или эталон чувствительности с канавками №1 - в этом случае видимой должна быть канавка ^=0,3 мм. Режим экспонирования для толщины 30 мм (зона Б): анодное напряжение 65 кВ, экспозиция 35 мА-мин при фокусном расстоянии 700 мм; ИКИ - 6АЬ Е^ видимой должна быть проволока W10=0,4 мм или канавка ^=0,4 мм канавочного эталона №1. Режим экспонирования для толщины 40 мм (зона В): анодное напряжение 75 кВ, экспозиция 45 мА-мин при фокусном расстоянии 700 мм; ИКИ - 6АЬ Е^ видимой должна быть проволока W11=0,5 мм или канавка ^=0,5 мм канавочного эталона №1.

За одну экспозицию контролируют % часть контролируемой отливки (1-!У) (см. рис. 3), ориентируя ее таким образом, чтобы проекция оси пучка излучения попадала на середину контролируемого участка.

Для сокращения экспозиции можно уменьшить фокусное расстояние. Уменьшение фокусного расстояния влечет за собой увеличение геометрической нерезкости, с одной стороны, и уменьшение площади контролируемого участка, с другой стороны. По условиям предельно допустимой геометрической нерезкости фокусное расстояние должно быть не менее

2Ф 2 12 . =--а + а =-— • 40 + 40 = 232 мм.

шт к 0,5

Площадь контролируемого участка, которую можно считать равномерно облученной, равна площади круга диаметром, равным Если контролируемый участок составляет % часть отливки, то наиболее удаленная точка объекта контроля от центра составляет % диаметра, т. е. 155 мм. Таким образом, фокусное расстояние должно быть не менее 232 мм. Если снизить фокусное расстояние до 350 мм, то для сохранения оптической плотности рентгенограммы следует сохранить величину экспозиционной дозы в пределах, определенных номограммами экспозиций, которая (в пределах одного и того же рентгеновского аппарата) составляет: ,,

^ = ,

р2

где и - анодное напряжение; I - анодный ток рентгеновской трубки; t - продолжительность экспозиции; F - фокусное расстояние.

Поскольку экспозиционная доза должна оставаться неизменной, а анодное напряжение регламентировано графиком на рис. 1, анодный ток трубки равен рабочему значению, близкому к максимальному, то возможно лишь изменение продолжительности экспозиции в пределах:

t„

t.

факт

F,

факт

тогда ^акт = • FL = t„

F

2

н.э

факт н.э

3502 7002

= 0,25 • t„

где F„.э, t„.э, Fфaкг, tфaкг - фокусное расстояние и продолжительность экспозиции, определенные по номограммам экспозиции, и фактическое расстояние и продолжительность соответственно.

Для повышения производительности контроля возможно использование компенсаторов - специальных средств, выравнивающих толщину отливки. В частности, для отливки, изображенной на эскизе (см. рис. 3), приведен эскиз компенсатора (см. рис. 5). Компенсатор должен быть выполнен из того же материала, что и отливка; в нем не должно быть дефектов. Применение компенсатора, изображенного на рис. 5, позволяет исключить четыре экспозиции и исключает необходимость экранирования зоны А при просвечивании зон Б и В. Для повышения производительности контроля в перспективе возможна замена рентгенографического метода на рентгеноскопический. Для адаптации радиографических установок при контроле крупногабаритных отливок необходимы специально разработанные манипуляторы и сканирующие системы [8].

Таким образом, разработан основной алгоритм выбора оптимального режима рентгеновского контроля отливок сложной формы из алюминиевых сплавов в соответствии с российскими стандартами и европейскими нормами. Определены значения абсолютной чувствительности контроля в зависимости от толщины отливки.

Показаны способы повышения производительности контроля при сохранении требуемого качества рентгенографических изображений: внесение поправок при изменении параметров контроля и использовании компенсаторов.

2

ЛИТЕРАТУРА

1. Клюев В.В., Соснин Ф.Р. Теория и практика радиаци-

онного контроля: Учеб. пособие для вузов. М.: Машиностроение. 1998. 170 с.

2. Добромыслов В.А. Радиационные методы неразруша-

ющего контроля. М: Машиностроение. 1999. 104 с.

3. Косарина Е.И., Степанов A.B., Саввина H.A. и др.

Практическое руководство по радиографическому методу неразрушающего контроля. М.: Контроль и диагностика. 2006. 106 с.

4. ГОСТ 20426-82 Контроль неразрушающий. Методы

дефектоскопии радиационные. Область применения.

5. Неразрушающий контроль. Пленка для промышлен-

ной радиографии. Ч. 1. Классификация пленочных систем для промышленной дефектоскопии /Аутентичный перевод EN 584-1: 1994. Стандарт Российского науч-технич. сварочного общества М 4 с.

6. Степанов A.B., Косарина Е.И., Саввина H.A. Радио-

графические технические пленки РТ-К и РТ-7Т. Результаты их испытания //Авиационные материалы и технологии. 2012. № 1. С. 37-42.

7. Неразрушающий контроль. Качество изображений при радиографии. Ч. 1: Индикаторы качества изображения (проволочного типа, определение величины качества изображения) /Аутентичный перевод EN462-1: 2001. Стандарт Российского науч.-технич. сварочного общества. М. 6 с.

8. Степанов A.B., Косарина Е.И., Саввина H.A., Усачев В.Е.

Макро- и микропористость в сплавах на основе алюминия и никеля, обнаружение ее рентгеноскопическими методами неразрушающего контроля /В сб.: Авиационные материалы и технологии: Юбилейный науч.-технич. сб. (приложение к журналу «Авиационные материалы и технологии»). М.: ВИАМ. 2012. С. 423-430.