Цилиндрический настроечный образец для ультразвукового контроля цилиндрических деталей малого диаметра

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) цилиндрических деталей (прутки, отливки, поковки) диаметром не более 40 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 прямыми и наклонными пьезоэлектрическими преобразователями цилиндрических деталей толщиной не более 40 мм в качестве стандартизованного отражателя используются, в том числе, и цилиндрические отверстия.
Заготовка цилиндрической детали контролируется эхо-методом ультразвуковой дефектоскопии в трех взаимно перпендикулярных направлениях: с торцевой поверхности и боковых (в поперечном направлении - по образующей и в продольном направлении - по 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 чувствительности должны использоваться стандартные цилиндрические настроечные образцы с диаметром, равным диаметру контролируемой цилиндрической детали.
Технология контроля регламентируется следующей нормативной документацией:
- ГОСТ 21120-75 «Прутки и заготовки круглого и прямоугольного сечения Методы ультразвуковой дефектоскопии»;
- ГОСТ 24507-80 «Контроль неразрушающий. Поковки из черных и цветных металлов. Методы ультразвуковой дефектоскопии»;
- ГОСТ Р ИСО 16811-2016 «Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Настройка чувствительности и диапазона».
2
Согласно нормативной документации для настройки чувствительности совмещенных пьезоэлектрических преобразователей при контроле цилиндрических деталей диаметром не более 40 мм регламентируется использование 3-эталонных боковых цилиндрических отверстий диаметром 3 мм, эквивалентная площадь эффективной отражающей поверхности на браковочном уровне которых равна 5,2 мм.
Для настройки чувствительности дефектоскопа рекомендовано использование следующих видов настроечных образцов:
- образцов V1, V2 по ISO-2400 и ISO-7963, изготовленных из металла аналогичного металлу контролируемой детали;
- настроечного образца с зарубкой на противоположной стороне (например, испытательный образец по 6096-00.002 МУ «Методика проведения неразрушающего контроля вала ротора Р-700»);
- настроечных образцов предприятия, разработанных для конкретных условий.
Недостатками стандартизованных настроечных образцов являются:
- недостоверность проводимого контроля, вызванная различием величин сигналов принимаемых преобразователем при настройке чувствительности по плоской поверхности ввода образцов V1, V2 и при проведении контроля по цилиндрической поверхности объекта контроля, обусловленная тем, что акустический контакт плоского преобразователя с плоской поверхностью ввода образцов V1, V2 осуществляется по всей поверхности активного элемента преобразователя, а акустический контакт плоского преобразователя с цилиндрической поверхностью ввода объекта контроля - по линии, т.е. только по части активного элемента преобразователя;
2
- недопустимо большая для контроля цилиндрических деталей аэродинамических моделей диаметром до 50 мм величина (6,0 мм) эквивалентной площади эффективной отражающей поверхности эталонного отражателя-зарубки настроечного образца по 6096-00.002 МУ на браковочном уровне контроля;
- недостаточная точность настройки чувствительности по всему диапазону толщин настроечного образца по 6096-00.002 МУ, так как для настройки используется только всего один эталонный отражатель, расположенный на противоположной стороне настроечного образца, поэтому калибровочная кривая является линейной, а не экспоненциальной и, следовательно, размеры обнаруженных дефектов - занижены;
- эталонные отражатели должны быть равномерно расположены как в продольном, так и в поперечном направлениях сканирования цилиндрической поверхности настроечного образца по 6096-00.002 МУ.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является настроечный образец с прямоугольным пазом на противоположной стороне по ВСН 2-47-81 «Инструкция по ультразвуковому контролю сварных соединений трубопроводов на строительстве объектов нефтяной и газовой промышленности».
Недостатки ближайшего аналога:
2
- недопустимо большая для контроля цилиндрических деталей аэродинамических моделей диаметром до 50 мм величина (7,5 мм) эквивалентной площади эффективной отражающей поверхности эталонного отражателя-прямоугольного паза настроечного образца по ВСН 2-47-81 на браковочном уровне контроля;
- недостаточная точность настройки чувствительности по всему диапазону толщин настроечного образца, так как для настройки используется только всего один эталонный отражатель, расположенный на противоположной стороне настроечного образца, поэтому калибровочная кривая является линейной, а не экспоненциальной и, следовательно, размеры обнаруженных дефектов - занижены;
- эталонные отражатели должны быть равномерно расположены как в продольном, так и в поперечном направлениях сканирования цилиндрической поверхности настроечного образца.
2
Несмотря на существование такого многообразия утвержденных стандартов, потребители металлопродукции вносят в ТУ различные дополнительные требования по качеству продукции и, соответственно, по порядку проведения УЗК. Одними из наиболее ответственных и трудоемких в изготовлении цилиндрических деталей аэродинамических моделей в опытном производстве являются элемент весовой и оси. Эти детали изготавливаются из круглого прутка из стали 30ХГСА. Заготовка, при ее изготовлении, не должна содержать регистрируемой несплошности более 2,5 мм, то есть в 2,1 раз меньше минимально регистрируемой несплошности по принятым ГОСТам.
Задачей полезной модели является разработка нестандартного цилиндрического настроечного образца для настройки чувствительности профилированных пьезоэлектрических преобразователей в поперечном и продольном направлениях сканирования для ультразвукового контроля цилиндрических деталей малого диаметра (не более 40 мм) с эталонными отражателями минимального возможного размера с 2 наборами боковых цилиндрических отверстий.
Технический результат - разработанный настроечный цилиндрический образец с эталонными отражателями минимального возможного размера в виде боковых цилиндрических отверстий для настройки профилированных пьезоэлектрических преобразователей 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 2-а набора эталонных отражателей: 3-й эталонных отражателя в виде хордовых сквозных горизонтальных цилиндрических отверстий диаметром 0,8…1,2 мм, расположенных перпендикулярно продольной оси симметрии цилиндрической поверхности образца, и 3-й эталонных отражателя в виде торцевых глухих горизонтальных цилиндрических отверстий диаметром 0,8…1,2 мм, расположенных в переднем торце образца в вертикальной плоскости симметрии образца параллельно образующей цилиндра. Кроме того, хордовых сквозные горизонтальные цилиндрические отверстия расположены по высоте образца с шагом D/3 и шагом 0,2D по длине образца, торцевые глухие горизонтальные цилиндрические отверстия расположены по высоте образца с шагом по высоте образца D/3, а сам настроечный образец имеет цилиндрическую поверхность ввода ультразвука, где D - диаметр образца. Диаметр горизонтальных цилиндрических отверстий, используемых для настройки чувствительности, равный 0,8…1,2 мм, соответствует минимальному возможному акустическому сигналу от горизонтальных цилиндрических отверстий для распознавания его над уровнем собственных шумов для диапазона толщин проверяемого металла 0…40 мм, а эффективная площадь его отражающей поверхности равна 2,2 мм.
На фигуре 1 показаны стандартизованные образцы V1, V2 по ISO-2400 и ISO-7963 для настройки максимальной чувствительности ультразвукового контроля.
На фигуре 2 показан настроечный образец с зарубкой по 6096-00.002 МУ.
На фигуре 3 показан настроечный образец с прямоугольным пазом по ВСН 2-47-81.
На фигуре 4 показан разработанный нестандартный цилиндрический настроечный образец для настройки чувствительности профилированных пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля цилиндрических деталей малого диаметра (не более 40 мм).
Настроечный образец (см. фигура 4) выполнен составным: его передняя часть является цилиндром диаметром D и длиной (0,7…0,9)D, а задняя часть, для удобства использования, совмещенным по горизонтальной плоскости симметрии полуцилиндром диаметром D и полу параллелепипедом шириной D, высотой D/2 и длиной (1,8…2,0)D (продольные оси симметрии передней и задней частей - совпадают).
В переднем торце передней части настроечного образца расположены 3-й торцевых глухих горизонтальных цилиндрических отверстия диаметром 0,8…1,2 мм и длиной (0,5…0,7)D, параллельные образующей цилиндра, расположенные в вертикальной плоскости симметрии образца с шагом по высоте образца D/3 и смещенные относительно верхнего и нижнего краев образца на D/6. Эти отверстия предназначены для настройки чувствительности профилированных пьезоэлектрических преобразователей в продольном направлении (вдоль окружности цилиндра).
Задняя часть настроечного образца расположена на расстоянии 0,2D от глухих отверстий для исключения ложных эхо-сигналов.
В задней части настроечного образца на расстоянии (1,2…1,4)D от заднего торца (для исключения ложных эхо-сигналов) расположены 3-й хордовые сквозные горизонтальные цилиндрические отверстия диаметром 0,8…1,2 мм, расположенные перпендикулярно продольной оси симметрии цилиндрической поверхности образца с шагом D/3 по высоте образца и шагом 0,2D по длине образца и смещенные относительно верхнего и нижнего краев образца на D/6. Эти отверстия предназначены для настройки чувствительности профилированных пьезоэлектрических преобразователей в поперечном направлении (вдоль образующей цилиндра).
Длины передней части (0,7…0,9)D и задней части (1,8…2,0)D настроечного образца выбраны из условия возможности использования большинства существующих малогабаритных пьезоэлектрических преобразователей.
2
Диаметр горизонтальных цилиндрических отверстий, используемых для настройки чувствительности, равный 0,8…1,2 мм, соответствует минимальному возможному акустическому сигналу от горизонтальных цилиндрических отверстий для распознавания его над уровнем собственных шумов для диапазона толщин проверяемого металла 0…40 мм, а эффективная площадь его отражающей поверхности равна 2,2 мм.
Использование предлагаемой конструкции настроечного образца позволит обнаруживать дефекты изготавливаемых цилиндрических деталей аэродинамических моделей диаметром не более 40 мм с размерами, сравнимыми с разрешающей способности ультразвукового метода неразрушающего контроля.
Предлагаемый настроечный образец изготовлен из стали марки 30ХГСА.