Ультразвуковой контроль объектов со слоистой и неоднородной структурой

ских величин, и, соответственно, двух отделов. Чтобы посмотреть, как работает аналогичный эталон, какие он имеет характеристики, я ездил в Санкт-Петербург во Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева.

- Какой вам видится перспектива развития учреждения?

- Мы исследуем рынок измерительного оборудования, бывая на предприятиях, общаясь

с их главными метрологами, изучая поступающие к нам обращения. Если увеличивается количество заявок на определенную услугу, мы создаем или покупаем нужный эталон, чтобы таким образом удовлетворить потребности промышленности. Появляются новые предприятия, например завод по производству электротранспорта Stadler, происходит переоснащение на БелАЗ, МТЗ и других субъектах хозяйствования, и мы понимаем, что в будущем определенные приборы будут востребованы. К примеру, мы купили эталон специально для того, чтобы проводить госиспытания глазных тонометров.

Повышаются требования к точности изготовления деталей и, соответственно, к эталонному оборудованию. Яркий пример этого - измерение отклонений от плоскостности и прямолинейности. Чтобы удовлетворять запросы промышленности в этой области, мы в 2014 г. приобрели цифровой автоколлиматор, имеющий лучшие характеристики, чем те приборы, которыми мы пользовались ранее.

Помимо бизнес-плана на год мы разработали пятилетний план развития эталонной базы отдела до 2020 г. В перспективе - создание эталона размеров и концентрации частиц в воздухе. Эта работа важна для МЧС, а также медицинских и других предприятий, которые при выпуске продукции предъявляют очень высокие требования к чистоте воздуха в производственных помещениях. Не забываем мы и о таком направлении деятельности, как модернизация эталонной базы. В 2016 г. собираемся начать разработку нового эталона единицы плоского угла - градуса. Прибор, используемый сейчас, появился еще в 1980-х гг. Новый эталон будет строиться на другой приборной базе и иметь лучшие характеристики.

Решая, какой эталон создать, мы помним о том, что он должен удовлетворять потребности промышленности, приносить прибыль и позволять Белорусскому государственному институту метрологии оставаться успешным предприятием. СИ

Ольга КИЕВЛЯКИС

Ультразвуковой контроль объектов

со слоистой и неоднородной структурой

Резюме. Рассмотрены возможности повышения эффективности ультразвукового контроля объектов со слоистой и неоднородной структурой на основе предложенных новых методов и средств акустических измерений. Результаты исследований и разработок, включая структуроскопию чугунов, определение глубины термоупрочненных поверхностных слоев стальных изделий, контроль поршней автомобильных двигателей, подшипников скольжения, находят применение как на предприятиях нашей страны, так и за рубежом.

Ключевые слова: ультразвуковой контроль, упрочненные слои, биметаллы, рассеяние волн, подповерхностные и поверхностные волны, скорость звука, дефекты сцепления материалов.

Неразрушающий контроль (НК) широкого спектра ответственных изделий машиностроительной, станкостроительной, нефтегазовой, авиационной, транспортной и других отраслей промышленности - неотъемлемое звено современного производства, позволяющее обеспечить безопасность работы различных технических устройств, а также способствующее ресурсосбережению. Один из важных путей повышения долговечности и надежности различных узлов и соедине-

ний состоит в использовании упрочняющих технологий, а также в защите поверхности металла от воздействия внешней среды. Для этих целей проводится химико-термическая обработка поверхности, наносятся защитные покрытия, в основу устройства вплавляются упрочняющие конструктивные элементы. Что касается металлоизделий из чугуна, то повышение их прочностных и эксплуатационных параметров достигается не только за счет поверхностной обработки, но и путем использования

технологий, обеспечивающих создание структуры материала с превалирующей концентрацией шаровидного графита.

Контроль объектов указанного типа в процессе как производства, так и эксплуатации - актуальная научно-производственная задача. При этом можно выделить несколько основных направлений разработок Института прикладной физики в области ультразвукового НК, широко применяющихся на предприятиях Беларуси и за рубежом: структуроскопия чугунов; определение глубины упрочненных поверхностных слоев металлоизделий, выполненных ТВЧ-закалкой, другими термохимическими и механическими методами, включая наклеп, накатку; выявление дефектов границы неразъемных соединений, обладающих малой отражающей способностью по отношению к ультразвуковым волнам. Перспективность проводимых работ обусловлена тем, что в основу методик и средств НК положены новые принципы и подходы, обеспечивающие наряду с простотой реализации высокую чувствительность и надежность измерений. Первая и вторая группа задач решается, преимущественно, на базе разработанного нами прибора типа ИЧ - индикатора чугуна (рис. 1), модификации которого для структуроскопии чугунов внедрены и используются на предприятиях Беларуси, включая ОАО «МАЗ», «МТЗ», «БЕЛНИИЛИТ», Лидский литейно-механиче-ский завод, Гомельский завод литья и нормалей, Белозерский энерго-механический завод, ОАО «БАТЭ», а также России -Тверском экскаваторном заводе, ОАО «Ритм» ТПТА, Тутаевском моторном заводе и др. [1].

Работа этого оборудования основана преимущественно

на установленной корреляции между скоростью С ультразвуковых объемных и поверхностных волн и структурой металла как в объеме изделия, так и в поверхностном слое. При этом скорость ультразвука (УЗК) определяется из формулы С = Ь/Д£, где М - истинное время распространения акустического сигнала между двумя приемными преобразователями, расположенными на расстоянии Ь друг от друга (теневой режим), либо отражения сигнала от оппозитной стенки (режим эхо). Повышение содержания шаровидного графита в чугунах сопровождается главным образом ростом модуля упругости Е и, следовательно, скорости упругих волн, так как С~(Е)0-5, что и позволяет с высокой степенью вероятности отбраковать высокопрочный чугун от серого и чугуна с «промежуточной фазой». В электронном блоке таких приборов заложена программа нивелирования влияния состояния акустического контакта, зависящего от шероховатости и радиуса кривизны поверхности г, на точность и надежность

п

Рис. 1. Прибор для ультразвуковой структуроскопии чугунов

измерений скорости УЗК. Контроль может проводиться после дробеструйной обработки отливки, что дает возможность на ранней стадии произвести отбраковку, существенно сократив расходы. Отличие работы ИЧ от зарубежных аналогов заключается в более высокой производительности и надежности измерений как в лабораторных условиях, так и в условиях поточного производства - при запыленности помещений, наличии электромагнитных наводок, высокой влажности воздуха, слабой освещенности и др. Диапазон толщин прозвучиваемых изделий Ь = 0,7-30 см.

Ультразвуковые преобразователи обладают повышенной износоустойчивостью благодаря использованию современных материалов, а сам прибор прост в обращении и не требует от контролера-оператора специальной подготовки.

Контроль глубины упрочненного поверхностного слоя (УПС). Масштабная задача по определению глубины УПС стальных изделий, выполненного ТВЧ-закалкой, термохимической обработкой, лазерным отжигом, борирова-нием, а также механической обработкой (наклепом и накаткой), решается на основе использования установленной зависимости скорости распространения поверхностной (Св) или поперечной (Ст) волны от параметров УПС -его глубины h и твердости В. В этом случае максимальное изменение С'п т в изделии с УПС не превышает 2-3%. То есть для достижения необходимой достоверности контроля нужно измерить скорость (или время) распространения волны между двумя приемными преобразователями, расположенными на расстоянии Ь друг от друга с точностью, близкой к точно-

Алексей Баев,

главный научный сотрудник лаборатории капиллярных явлений Института прикладной физики НАН Беларуси, доктор

технических наук, профессор

Александр Майоров,

завлабораторией капиллярных явлений ИПФ НАН Беларуси, кандидат технических наук

Георгий Коновалов,

ведущий научный сотрудник лаборатории капиллярных явлений ИПФ НАН Беларуси, кандидат технических наук

Рис. 2.

Ультразвуковое устройство для контроля глубины упрочненного ТВЧ-закалкой слоя металлоизделия

сти физического эксперимента, составляющей несколько наносекунд. Такие условия реализуются преимущественно с использованием разработанных нами конструкций малоапертурных электроакустических преобразователей, имеющих рабочую (контактирующую с объектом) поверхность 8~0,1мм2 [2]. При этом скорость измеряется на основе

О 1 2 г

Рис. 3. Рассеяние волн Рэлея при движении преобразователя (1) относительно границы контакта алюминия (2) со сталью (3):

угол падения УЗК в = 0°(4), 5°(5), 7°(6, 7);

6 -эксперимент,

7 - теория

анализа корреляционной функции между двумя подобными сигналами, поступающими на приемные преобразователи от источника излучения. Кроме того, созданное программное обеспечение предполагает применение «компенсационного метода» для отстройки от ошибок, связанных с изменением акустического контакта, а также использование при обработке спектральных характеристик принимаемого сигнала дисперсионной зависимости Л(ы), где ы - угловая частота волны. Это позволяет исключить влияние обезуглероженного слоя и непостоянства твердости материала на его поверхности, а также ряда случайных факторов, обусловленных контактными явлениями, на измерительный процесс. Как показали результаты испытаний и внедренческой деятельности, таким образом можно определять глубину упрочненного ТВЧ-закалкой и цементированием поверхностного слоя среднеуглеро-дистых сталей с погрешностью не более 0,10-0,15 мм в диапазоне измеряемых толщин слоя до 5-6 мм. Разработанное оборудование состоит из специализированного электронного блока и набора первичных пьезоэлектрических преобразователей (рис. 2) для излучения и приема акустического сигнала на рабочих частотах / = 1-5 МГц. Электронный блок

универсален, а конструкция преобразователей (излучателя и приемников УЗК) и рабочая частота определяются геометрией поверхности изделия, возможным диапазоном изменения глубины УПС.

В соответствии с техническими требованиями разработаны ультразвуковые устройства для контроля объектов с контактной плоской, цилиндрической поверхностью, а также имеющих форму галтели или зубчатой структуры. Они внедрены на ОАО «МАЗ», в Корейском институте материаловедения и проходят дальнейшую апробацию на предприятиях Беларуси и России.

Необходимо отметить, что ввиду установленных корреляционных зависимостей разработанные методики и оборудование перспективны также для определения глубины наклепа, накатки, ржавчины и степени микроповрежденности металла определенных марок, а также глубины отбела на чугунах по данным скорости распространения ультразвука и ее дисперсии.

В основу создаваемых в Институте методов и средств контроля сцепления материалов (металл-металл, металл-неметалл, неметалл-неметалл), получаемых в том числе при электродуговой сварке, сварке взрывом, трением, склейкой, пайкой, при газопламенном нанесении порошковых материалов, положены выявленные закономерности формирования акустических полей упругих волн, рассеянных неоднородной границей, а также полей поперечных подповерхностных волн, возбуждаемых под вторым критическим углом падения волны на твердое тело.

Метод оптимизации апертур и фаз мнимых источников УЗК, рассеянных неоднородной границей. При падении акусти-

ческого пучка одновременно на дефектную и бездефектную границу [3, 4] поле рассеяния различных типов упругих мод может быть представлено в виде суперпозиции интегральных

функций: 1 т

Ф = ФИ+£4

1=1

где индекс н соответствует полю ультразвуковых волн, рассеянных бездефектной поверхностью с площадью Sн, а индекс I - участку поверхности ¿-го дефекта с площадью S¿, при отражении от которого волна приобретает фазовый сдвиг АО. При этом угол падения А волны и приема 0, направление прозвучивания выбирают таким образом, чтобы фазовый сдвиг между опорным и отраженным от дефектной поверхности акустическими лучами был преимущественно близок к АО^ж. Как показали анализ выражения (1) и данные эксперимента, именно в этом случае представляется возможным не только повысить (на порядок и более) чувствительность контроля качества контакта неразъемных соединений, но и определять (впервые) площадь дефекта SD [5]. Последняя находится путем варьирования изменения площади сечения акустического пучка SА до такого значения SА = S*А, при котором достигается минимум абсолютной величины функционала Ф, определяемого из (1): SD « ^АЩЯп/ЯЖ, где Ян и Нв - коэффициенты одновременного отражения УЗК от бездефектной и дефектной границы сред соответственно, К - корректирующий коэффициент.

Рис. 3 демонстрирует эффективность использования предложенного метода применительно к контролю границы биметаллов в режиме эхо для случая падения

акустического пучка поверхностных волн на границу биметаллов - алюминий-сталь.

Как видно, даже при АО ~ п/4 наличие моделируемой дефектной границы вызывает изменение амплитуды сигнала А практически в 100 раз при перемещении преобразователя относительно оптимального расположения. При нормальном же падении УЗК указанные изменения амплитуды волны близки по величине к шумовому фону. Предложенный метод и реализующие его средства контроля внедрены для проверки подшипников скольжения, сварки заднего моста грузовых автомобилей, сварки взрывом специзделий (ОАО Мозырский «НПЗ», ОАО «КЗТШ» и др). В отличие от известных, эта разработка позволяет не только существенно повысить чувствительность, производительность и надежность контроля биметаллических соединений, имеющих как положительную, так и отрицательную кривизну контактной поверхности, но и автоматизировать этот процесс.

Исследования показали, что высокая разрешающая способность указанной измерительной системы и ее стабильность достигаются в том случае,

когда ввод (прием) УЗК в объект производится иммерсионным способом. При этом существенно снижается шумовой сигнал, вызванный генерацией «паразитных волн», например волны Стоунли [6], и создается опорный сигнал. Представляется возможным контролировать качество сцепления оловянно-свинцового покрытия подшипников скольжения толщиной до ~0,1—0,05 см и менее и внутренним диаметром до ~8—10 см, используя всего один раздельно-совмещенный преобразователь - без его притирки к поверхности изделия. Благодаря высокой разрешающей способности по глубине и наличию опорного сигнала можно проверять подшипники (и другие подобные объекты) не только со стальной, но и с латунной и чугунной основами, имеющими поры вблизи контролируемой границы, являющиеся источником ложных отражений. Развитие указанного подхода позволило впервые в мировой практике предложить прямой метод и средства ультразвукового контроля (рис. 4) качества сварки газовых (полиэтиленовых) трубопроводов среднего давления для обнаружения наиболее опасных дефектов типа kissing

Рис. 4.

Ультразвуковое устройство для контроля качества сварки полиэтиленовых труб среднего давления

Рис. 5.

Поле излучения источника подповерхностной продольной (1) и поперечной (2) волны в стали; 1= 1,8 МГц

Рис. 6.

Установка

контроля качества

сцепления

нирезистовых

вставок поршней

двигателей

грузовых

автомобилей

bonds (места с такими дефектами характеризуются плотным контактом поверхностей, между которыми в процессе сварки не произошла взаимная диффузия материала).

Разработанный в Институте прикладной физики метод контроля поршней двигателей внутреннего сгорания (биметаллов) реализован в ряде автоматических установок, внедренных на крупных моторостроительных предприятиях России и Беларуси. В его основу положен принцип зондирования границы сцепления нирезистовой вставки с телом поршня подповерхностной вертикально поляризованной поперечной волной (STV), возбуждаемой под вторым критическим углом падения волны на объект контроля

= агсятС/С'^у), где С1 и С8Т¥ - скорости УЗК в контактирующих средах [7]. Исследование таких волн (рис. 5) показало не только принципиальную возможность использования их для обнаружения подповерхностных дефектов с малой отражающей способностью (плоскостных), но и значительно более высокую выяв-ляемость последних, чем при применении подповерхностных продольных (головных) волн.

На автоматизированной установке впервые стало возможно проверять поршни на различных этапах производства - после предварительной обработки и вскрытия вставки, а также после изготовления канавок под поршневые кольца (рис. 6). При этом объектами контроля могут быть 14 типов поршней.

Программно-вычислительный комплекс установки позволяет определять количество дефектов, их общую площадь на каждой границе контакта вставки с основой поршня, а также взаимную площадь их перекрытия. На основе этих данных принимается решение о годности поршня. Применение предложенной инновации дает возможность практически

исключить выход на технологическую линию обработки дефектных изделий, существенно уменьшив потери материальных ресурсов, рабочего времени, а также предотвратить штрафные санкции предприятию - поставщику поршней.

Полезность использования методик ультразвукового контроля, основанных на применении источников подповерхностных поперечных волн и эффектов трансформации волн в окрестности выступа, подтверждают, например, результаты внедрения на ОАО «Азот» методической разработки для проверки основного металла фланцевого разъема трубчатого конвертора на наличие потенциально опасных вертикально ориентированных трещин как в окрестности галтельного перехода конструкции, так и на расстоянии 80-100 мм от него. Благодаря этому была исключена остановка цеха на демонтаж и визуальный контроль сложной технологической конструкции. НИ

See: http:

//innosfera.by/2015/02/Ultrasonic_examination

Литература

1. Баев А. Р., Коновалов Г. Е., Майоров А. Л., Паради-нец В. В. Опыт использования индикаторов структуры высокопрочного чугуна типа ИЧ в условиях производства // Не-разрушающий контроль и диагностика. 2011, № 2. С. 3-14.

2. Баев А. Р., Майоров А. Л., Парадинец В. В., Смовж Л. А. Повышение точности измерения временных интервалов при использовании ультразвуковых преобразователей с локализованным акустическим контактом // Сб. научных трудов «Достижения физики неразрушающего контроля». Мн., 2011. С. 118-123.

3.Баев А. Р. Способ ультразвукового контроля качества склеивания материалов / Патент РБ на изобретение № 15036.-А.Б. № 3, 2012.

4. Baev A. R., Mayorov A. L., Asadchaya M. V. Features of the ultrasonic waves reflection from inhomogeneous boundary оf contacting solids // Materials of 10-th European Conf. on NDT, Moscow, 2010. Р. 234-240.

5. Баев А. Р., Гуделев В. Г., Митьковец А. И. Способ оптоакусти-ческого контроля границы соединения материалов / Патент РБ на изобретение № 17526.- А.Б. № 4, 2013.

6. Баев А. Р., Сергеева О. С., Асадчая М. В., Коновалов Г. Е., Филиппов К. А. Влияние акустической нагрузки на распространение подповерхностных продольных волн // Неразру-шающий контроль и диагностика. 2014, № 2. С. 13-20.

7. Baev A. R., Asadchaya M. V., Konovalov G. E. New aspects of excitation and propagation of subsurface longitudinal and transverse waves // Materials of 10-th European Conf. on NDT, Moscow, 2010. P. 240-247.