Ультразвуковой способ контроля изделий из кварцевого стекла на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности
ULTRASONIC METHOD FOR MONITORING QUARTZ GLASS PRODUCTS FOR THE PRESENCE OF CRISTOBALITE BY THE ROUGHNESS OF THEIR SURFACE

Изобретение относится к области неразрушающего контроля сырья из кварцевого стекла, например, в виде труб и стержней, предназначенных для изготовления элементов конструкций летательных аппаратов, и служит для обнаружения наличия кристобалита в сырье, с целью повышения качества радиопрозрачной кварцевой керамики.
При изготовлении элементов конструкций летательных аппаратов из радиопрозрачной кварцевой керамики в качестве исходного сырья используют оптически прозрачное кварцевое стекло, например, в виде труб и стержней. Технические характеристики материала, получаемого в процессе изготовления изделий, во многом определяются качеством исходного сырья, в том числе его антикристаллизационной способностью. Одним из основных факторов, влияющих на образование кристаллической фазы в кварцевой керамике, после спекания, является наличие в сырье кристобалита, который по причине значительно большего коэффициента температурного расширения создает дополнительные внутренние напряжения в материале, снижая его прочность и трещиностойкость. Кристобалит начинает образовываться на поверхности кварцевых труб и цилиндров (стержней) при их изготовлении. Визуально поверхность таких труб и цилиндров (стержней) становится матовой, как показано на фиг. 1а. Шероховатость поверхности также увеличивается. Измеряя шероховатость поверхности, можно определять наличие кристобалита на поверхности кварцевых труб и стержней. Без кристобалита внешний вид поверхности кварцевых труб и стержней глянцевый и представлен на фиг. 1б. Главным недостатком визуального метода определения кристобалита является большая длительность и трудоемкость процесса.
Известен способ определения шероховатости поверхности контролируемого изделия при помощи профилометра (Инструкция по визуальному и измерительному контролю РД 34.10.130-96). Для определения шероховатости и волнистости поверхности применяются профилографы-профилометры по ГОСТ 19300-86 (Средства измерений шероховатости поверхности профильным методом. Профилографы – профилометры. Контактные типы и основные параметры) либо образцы шероховатости (сравнения) по ГОСТ 9378-93 (Образцы шероховатости поверхности (сравнения). Общие технические условия). Недостатками данного способа контроля поверхности кварцевых труб и цилиндров (стержней) – низкая производительность контроля и большая погрешность измерения из-за малого радиуса кривизны кварцевых труб и цилиндров.
Известен способ ультразвукового измерения шероховатости поверхности металлической трубы (RU 2431135 C1, G01N 29/04, G01B 17/08, 17.06.2010). Предварительно ультразвуковой преобразователь устанавливают по нормали на внешнюю гладкую смазанную контактной жидкостью поверхность первого контрольного образца с шероховатой донной поверхностью, имеющей шероховатость, равную минимальному значению диапазона измеряемых величин шероховатости, периодически вводят в образец ультразвуковой сигнал, изменяя угол установки ультразвукового преобразователя на внешней поверхности первого контрольного образца в пределах не более величины первого критического угла, принимают отраженные сигналы от донной поверхности образца и из всей совокупности принятых отраженных сигналов определяют максимальную величину амплитуды первого или второго отраженного от донной поверхности сигнала и запоминают ее, затем устанавливают ультразвуковой преобразователь по нормали на внешнюю гладкую смазанную контактной жидкостью поверхность второго контрольного образца с шероховатой донной поверхностью, имеющей шероховатость, равную максимальному значению диапазона измеряемых величин шероховатости, и аналогично определяют максимальную величину амплитуды первого или второго отраженного от донной поверхности сигнала и запоминают ее, после чего, используя значения измеренных амплитуд, определяют величину шероховатости внутренней поверхности трубы. Недостатком данного способа является определение шероховатости внутренней поверхности труб, низкая производительность контроля, а также способ не позволяет определять шероховатость кварцевых стержней.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ контроля шероховатости поверхности за счет учета влияния шероховатости на трансформацию продольных ультразвуковых волн (SU 1310339 A1, G01B 17/08, G01N 29/04, 15.05.1987). При вводе в изделие продольных ультразвуковых волн происходит их трансформация на неровностях поверхности, в результате в изделии распространяются импульсы продольной и поперечной волн. Регистрируя их амплитуды и сравнивая друг с другом, с учетом поправки на затухание по толщине изделия, находят по тарировочной зависимости величину шероховатости. Способ реализуется следующим образом. Прямой ультразвуковой преобразователь устанавливают на контролируемую поверхность изделия, нормально к ней излучают продольную ультразвуковую волну, принимают отраженные от дна изделия эхо-сигналы продольной волны и поперечной волны, возникающей за счет трансформации продольной волны на шероховатости поверхности изделия. Измеряют амплитуды их колебаний и вычисляют их разность. По тарировочной зависимости определяют величину шероховатости контролируемой поверхности.
Недостатком данного способа, взятого в качестве прототипа, является невозможность определения шероховатости поверхности тонких изделий (менее 50 мм) из-за низкой разрешающей способности серийных ультразвуковых дефектоскопов, применяемых при проведении контроля.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение качества изделий из кварцевого стекла, предназначенных для изготовления конструкций летательных аппаратов, за счет обеспечения ультразвукового контроля изделий из кварцевого стекла на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен:
отличающийся тем, что
1. Ультразвуковой способ контроля изделий из кварцевого стекла на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности, заключающийся в том, что на поверхности контролируемого изделия с помощью ультразвукового преобразователя излучают и принимают отраженные ультразвуковые волны и по их амплитуде, с учетом тарировочной зависимости, определяют шероховатость поверхности изделия,  ультразвуковой преобразователь размещают в призме из оргстекла, контроль шероховатости поверхности изделия производят посредством измерения отраженных ультразвуковых поверхностных волн Рэлея, возникающих при трансформации продольных ультразвуковых волн частотой в интервале 20-30 МГц, направленных под углом от 60 до 70 градусов к нормали поверхности изделия на границу раздела сред оргстекло – поверхность изделия, при этом шероховатость поверхности изделия более 1,4 мкм указывает на наличие кристобалита.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изделия из кварцевого стекла используют кварцевые трубы или стержни.
Для формирования ультразвуковых поверхностных волн (волн Рэлея) в кварцевых изделиях применяются призмы ультразвуковых преобразователей из оргстекла, показанные на фиг. 2 Призмы предназначены для установки ультразвукового преобразователя под углом наклона от 60 до 70 градусов к нормали поверхности контролируемого изделия. Ультразвуковые преобразователи настроены на резонансную частоту в интервале 20МГц-30МГц. На фиг. 3 (а, б) представлен ультразвуковой преобразователь, расположенный в призме для определения шероховатости поверхности кварцевых труб; на фиг. 3 (в, г) представлен ультразвуковой преобразователь, расположенный в призме для определения шероховатости поверхности кварцевых стержней. Опытным путём построена тарировочная зависимость шероховатости поверхности изделия от амплитуд отраженных ультразвуковых волн.
На экране ультразвукового дефектоскопа при увеличении шероховатости поверхности кварцевых труб и стержней, присутствуют ультразвуковые сигналы от поверхностных волн, отраженных от поверхности с шероховатостью. На фиг. 4 показан внешний вид экрана дефектоскопа при: а) отсутствии кристобалита и шероховатости поверхности кварцевых труб  менее 1,4 мкм, б) при наличии кристобалита и шероховатости поверхности более 1,4 мкм кварцевых труб, в) отсутствии кристобалита и шероховатости поверхности менее 1,4 мкм кварцевых стержней, г) при наличии кристобалита и шероховатости поверхности более 1,4 мкм кварцевых стержней.
a.
На фиг. 5 приведен график зависимости амплитуды волны Рэлея А от шероховатости поверхности кварцевых труб и стержней RНа экспериментально полученном графике видно, что амплитуде ультразвуковой волны 30 дБ соответствует шероховатость поверхности 1,4 мкм, амплитуде ультразвуковой волны 54 дБ соответствует шероховатость поверхности 3 мкм. Измерения проводились на измерителе шероховатости и ультразвуковом дефектоскопе. Амплитуда отраженной ультразвуковой волны Рэлея возрастает с увеличением шероховатости поверхности и уменьшается при ее снижении. Наличие ультразвуковых сигналов, отраженных от поверхности с шероховатостью, позволяет фиксировать кристобалит.
При шероховатости поверхности более 1,4 мкм на поверхности кварцевого материала методом рентгенофазового анализа обнаружен кристобалит.
Осуществление заявленного способа подтверждается следующими примерами.
Пример 1.
Контроль кварцевых труб и стержней на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности на частотах 30МГц и 20МГц.
На фиг. 6 представлен внешний вид экрана дефектоскопа при контроле изделий из кварцевого стекла (кварцевых труб) на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности на частоте 30 МГц.
На фиг. 7 представлен внешний вид экрана дефектоскопа при контроле изделий из кварцевого стекла (кварцевых стержней) на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности на частоте 20 МГц.
По осциллограммам, представленным на фиг. 6 и фиг. 7 видно, что затухание ультразвуковой поверхностной волны Рэлея с увеличением частоты увеличивается из-за уменьшения длины волны. Это подтверждается амплитудой волны Рэлея, отраженной от шероховатости поверхности изделия и излученной на ультразвуковой преобразователь (на частоте 20 МГц – амплитуда сигнала составляет 60% вертикальной развертки экрана дефектоскопа, а на частоте 30 МГц – амплитуда сигнала составляет 38% вертикальной развертки экрана дефектоскопа). Контроль производился на одном и том же участке кварцевой трубы. При уменьшении частоты ультразвуковой волны ниже 20МГц ультразвуковая волна будет огибать шероховатости поверхности, а при частоте выше 30 МГц – затухать и рассеиваться, не достигнув областей с шероховатостью поверхности.
Пример 2.
Контроль кварцевых труб на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности при различных углах наклона ультразвуковых преобразователей на частоте 20МГц.
На фиг. 8 представлен внешний вид экрана дефектоскопа при контроле изделий из кварцевого стекла на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности с углом наклона ультразвукового преобразователя 60градусов на частоте 20 МГц.
На фиг. 9 представлен внешний вид экрана дефектоскопа при контроле изделий из кварцевого стекла на наличие кристобалита по шероховатости их поверхности с углом наклона ультразвукового преобразователя 70 градусов на частоте 20 МГц.
По осциллограммам, представленным на фиг. 8 и фиг. 9 видно, что с увеличением угла наклона ультразвукового преобразователя от 60 до 70 градусов увеличивается количество энергии ультразвуковой волны, переходящей в волну Рэлея. В связи с этим возрастает амплитуда волны Рэлея, отраженной от поверхности с шероховатостью. При угле наклона ультразвукового преобразователя менее 60 градусов амплитуда составляет 20% вертикальной развертки экрана дефектоскопа, а при угле наклона ультразвукового преобразователя более 70градусов амплитуда составляет 60% вертикальной развертки экрана дефектоскопа. Контроль производился на одном и том же участке кварцевой трубы.
Из представленных выше примеров можно сделать вывод, что интервал частот ультразвуковых волн 20-30 МГц и угол наклона ультразвукового преобразователя в интервале от 60 до 70градусов являются оптимальными.
Пример 3.
Контроль кварцевых труб на наличие кристобалита по различной шероховатости их поверхности на частоте 20МГц.
На фиг. 10 представлен внешний вид экрана ультразвукового дефектоскопа при шероховатости поверхности 1,0 мкм.
На фиг. 11 представлен внешний вид экрана ультразвукового дефектоскопа при шероховатости поверхности 1,4 мкм.
На фиг. 12 представлен внешний вид экрана ультразвукового дефектоскопа при шероховатости поверхности 2,3 мкм.
На фиг. 13 представлен внешний вид экрана ультразвукового дефектоскопа при шероховатости поверхности 3,0 мкм.
По графикам, представленным на фиг. 10 - фиг. 13 видно, что с увеличением шероховатости поверхности (увеличения количества кристобалита) увеличивается амплитуда волны Рэлея, отраженной от поверхности с шероховатостью.
Использование предложенного способа позволит качественно повысить определение наличия кристобалита в изделиях из кварцевого стекла, применяемых для элементов конструкций летательных аппаратов, и, как следствие, повысит надежность и прочность данных конструкций.