Бесконтактные методы ультразвукового контроля изделий из немагнитных токопроводящих материалов

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

УДК 621.791

А. В. Пущенко, В. И. Кириллов, С. В. Шибкова Научный руководитель - В. В. Богданов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НЕМАГНИТНЫХ ТОКОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ.

Проведен анализ известных бесконтактных методов ультразвукового контроля изделий. Рассмотрены основные недостатки и преимущества этих методов. Изложены технологические преимущества радиоционно-акустического метода контроля.

Известен целый класс акустических методов контроля, позволяющих осуществлять НК путём бесконтактной генерации УЗ колебаний в материалах. Это широко известные и достаточно исследованные методы: ёмкостной, искровой и электромагнитно-акустический (ЭМА), а также быстро прогрессирующие и находящиеся в стадии интенсивной разработки: опто-акустический и радиационно-акустический. В основе всех этих методов лежат различные по своей физической сущности процессы бесконтактного возбуждения акустических колебаний в материалах. Кроме того, часть из них обладает свойством обратимости, т. е. физические эффекты, используемые для генерации УЗ колебаний, также позволяют осуществлять с их помощью бесконтактную регистрацию этих колебаний.

В настоящее время для решения задач НК изделий, изготовленных из немагнитных токопроводящих материалов, относительно широкое распространение получил ЭМА-метод. Это связано с его сравнительно большими функциональными возможностями: обратимостью, способностью генерации в материалах различных типов акустических волн - продольных, сдвиговых и волн Рэлея. Использование в качестве ЭМА-детекторов преобразователей, изготовленных на основе постоянных магнитов из редкоземельных металлов (РЗМ), позволило значительно улучшить технические и эксплуатационные характеристики аппаратуры НК, созданной на базе ЭМА-метода.

Хотя ЭМА-метод позволяет возбуждать акустические волны с амплитудой, достигающих величин 105 Па, однако коэффициент двойного преобразования ЭМА-детекторов, работающих в режиме приём-излучение на несколько порядков ниже, чем пьезо-преобразователей работающих в аналогичном режиме. К тому же недостаточно высокая стабильность параметров возбуждаемых акустических волн, сильная зависимость амплитуды сигнала от зазора между ЭМА-преобразователем и объектом контроля затрудняют анализ полученных результатов и существенно понижают чувствительность метода. Поэтому использование ЭМА-аппаратуры для НК в специальном машиностроении ограничено, как правило, областью толщинометрии.

Интенсивное развитие лазерной и ускорительной техники, исследования динамических процессов, протекающих при взаимодействии импульсов когерентного электромагнитного излучения и импульсных потоков заряженных частиц с различными материа-

лами позволило разработать и создать принципиально новые способы бесконтактного возбуждения акустических колебаний: опто-акустический и радиационно-акустический. Эти способы отличаются от известных существенно большей степенью дистанционности, большим значением амплитуд возбуждаемых акустических импульсов и более широким частотным спектром генерируемых УЗ колебаний.

Лазерная генерация УЗ колебаний в конденсированных средах возможна за счет взаимодействия групп оптических волн с материалом. В случае металлов это взаимодействие происходит на поверхности. Возбуждаемые акустические волны могут распространяться непосредственно от источника на поверхности твёрдого тела, либо могут быть результатом ударного фронта, который сначала изменяет фазу материала, а на более поздней стадии распространения ослабляется и превращается в акустическую волну. При сопоставлении двух экстремальных ситуаций, которые определяются интенсивностью падающего лазерного импульса видно, что при очень низких плотностях энергии свет вызывает только подъём температуры за счёт теплопроводности без изменения фазы материала. С другой стороны, когда плотность энергии очень высокая, в течение нескольких световых циклов происходит многофотонная ионизация на поверхности материала, что вызывает формирование плазмы. Между этими двумя крайними ситуациями существует широкий диапазон промежуточных вариантов, в которых важное значение для генерации акустического излучения могут иметь изменение фазы материала, давление на его поверхности вследствие испарения, термоэлектронная эмиссия и возбуждение ударных волн.

Метод генерации УЗ колебаний в материалах импульсными пучками заряженных частиц является наиболее универсальным средством возбуждения акустических волн бесконтактным способом [1]. Этот метод может быть использован для бесконтактной генерации УЗ колебаний практически в любых материалах и изделиях любой формы. Механизм взаимодействия импульсных пучков заряженных частиц, в частности электронов, с твёрдым телом существенно зависит от их плотности тока. При плотностях тока в десятки и сотни кА/см2 происходит поверхностное разрушение металлических изделий и образование плазмы, распространяющейся с большой скоростью, что вызывает образование ударных волн, а в некото -рых случаях приводит к разрушению материала или к

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

изменению его физико-механических параметров. При плотностях тока электронов единицы кА/см2 и менее взаимодействие импульсных пучков заряженных частиц с материалом идет без разрушения.

По сравнению с известными способами бесконтактной генерации УЗ колебаний в материалах, ра-диационно-акустический обладает следующими преимуществами:

обеспечивает более высокое значение коэффициента трансформации падающей энергии в поглощенную;

крайне слабая зависимость коэффициента трансформации энергии от состояния поверхности изделия;

расширяет функциональные возможности метода дефектоскопии акустическими волнами за счёт возможности дополнительной информации использования путём регистрации прошедшего ионизирующего излучения.

Серьёзным недостатком радиационно-акусти-ческого метода является его необратимость. Однако использование бесконтактных детекторов УЗ колебаний для регистрации акустических сигналов, генерируемых импульсными пучками заряженных частиц, позволяет эффективно компенсировать это неудобство. Для этих целей наиболее подходящими являются ЭМА-преобразователи.

Библиографическая ссылка

1. Богданов В. В., Жуков В. К., Симанчук В. И. Особенности бесконтактной регистрации ультразвуковых колебаний генерируемых импульсными пучками электронов в алюминиевых сплавах // Технология : науч.-техн. сб. ЦНТИ «Поиск», 1990. Вып. 7. С. 79-83.

© Пущенко А. В., Кириллов В. И., Шибкова С. В.,

Богданов В.В., 2011

УДК 621.791.763

А. В. Пущенко, А. Н. Успенский Научный руководитель - Н. В. Успенский Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И СОЗДАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛС ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Предложены и экспериментально обоснованы новые возможности по управлению формированием сварного шва при электронно-лучевой сварке путем программирования распределения энергии электронного луча в сварочной ванне, за счет соответствующих разверток луча.

Найдены развертки электронного луча, позволяющие значительно повысить качество сварных соединений за счет устранения корневых дефектов.

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) относится к методам сварки высококонцентрированными источниками энергии и обладает широкими технологическими возможностями, позволяя соединять за один проход металлы и сплавы толщиной от 0,1 до 400 мм. ЭЛС в вакуумных камерах выполняется преимущественно при давлении остаточных газов порядка 10-2 Па, Благодаря этому ЭЛС оказалась эффективной для соединения деталей из любых металлических материалов, особенно сплавов на основе химически активных металлов, таких как алюминий, титан и тугоплавкие элементы. При этом обеспечиваются максимальная пластичность и вязкость сварных соединений.

Недостатками существующей технологии ЭЛС изготовления корпусных конструкций из сплава АМГ6 является высокая вероятность появления корневых дефектов и пористости, в особенности при несквозном проплав-лении и в процессе вывода электронного пучка при завершении сварки. Эти недостатки связаны с технологическими возможностями используемого электроннолучевого оборудования У-250 и преодолеть их на указанном оборудовании не представляется возможным.

Указанное оборудование в настоящее время физически и морально устарело и требуется его замена.

Качество шва при ЭЛС, как и при любом способе сварки плавлением, определяется в частности сово-

купностью технологических и энергетических параметров процесса. Поддержание на требуемом уровне энергетических параметров процесса сварки обеспечивает при неизменных технологических условиях постоянство эксплуатационных параметров сварного соединения: геометрических размеров, структурных, прочностных и других показателей.

Рис. 1. Корневые дефекты

Корневые дефекты шва - наиболее распространенный вид дефектов, они могут иметь место при сварке любых материалов в режиме несквозного проплавления в любом пространственном положении.

Они заключаются в непостоянстве глубины про-плавления и в наличии полостей или несплавлений в корневых пиках. Корневые дефекты имеют гидроди-