Разработать технические средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля специзделия

   Введение

 

Одним из действенных резервов повышения качества и надежности продукции машиностроения и других отраслей является неразрушающий контроль.  Наибольшее развитие получила ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими методами неразрушающего контроля она обладает важными преимуществами: высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин и непроваров, большой производительностью, возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса, низкой стоимостью контроля.

Ультразвуковые методы контроля позволяют получить информацию о дефектах, расположенных на значительной глубине в различных материалах, изделиях и сварных соединениях. Автоматизация ультразвукового контроля не только повышает производительность труда, но и позволяет получить объективную картину качества изделия или сварного соединения, подобную рентгенограмме. Методы ультразвуковой дефектоскопии стали основными в различных отраслях народного хозяйства: в энергетике, тяжелом и химическом машиностроении, на железнодорожном транспорте, в судостроении. Ежегодно методами ультразвуковой дефектоскопии контролируются сотни тысяч метров сварных соединений металлоконструкций, десятки тысяч трубных соединений, котлоагрегатов, сварных стыков рельсов, оценивается качество деталей сосудов и аппаратов высокого давления, поковок, труб, листового проката и другой продукции. Эта работа выполняется операторами-дефектоскопистами. От их квалификации, теоретической и практической подготовки во многом зависит объективность получаемых результатов контроля.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ характеристик объекта  контроля

 

В данном курсовом проекте необходимо разработать технические средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля специзделия изображенного на рисунке 1.1.

 

 

 

 Рисунок 1.1–Объект контроля

 

Материалом контролируемой детали является сплав АМГ5. АМГ5 – алюминиевый деформируемый сплав с высокой коррозионной стойкостью. Буквы Мг обозначают магний, а цифра 5 указывает на процентное содержание основного легирующего элемента. Также в состав сплава входит незначительное количество марганца, железа, кремния, цинка, титана, меди и бериллия. Марка АМГ5 хорошо сваривается и подходит для создания сложных конструкций.  

 Характерной особенностью современного крупносерийного производства слиткового литья является непрерывность технологического цикла получения заготовки, что требует одновременно больших количеств жидкого металла. Поэтому плавка деформируемых алюминиевых сплавов осуществляется преимущественно в плавильных печах ванного типа большой емкости, доходящей до 40 г и более. Плавка больших масс металла, особенно в топливных печах ванного типа, в случае окислительной атмосферы сопровождается повышенным окислением металла, в результате чего увеличиваются потери металла и степень загрязненности расплава неметаллическими включениями. Кроме того, значительно ухудшаются условия металлургической обработки расплава при рафинировании. Поэтому для получения высококачественных деформируемых алюминиевых сплавов необходимо уделять большое внимание защите расплава от излишнего окисления и правильному выбору метола и технологии рафинирования металла. Акустические характеристики АМГ5 [1]:     

• Скоростьпродольныхволн:6320м/с;
• Скорость сдвиговых волн: 3190 м/с;
• Плотность материала: 2650 кг/м3;
• Коэффициент Пуассона:0.31[2]

Технология получения специзделия-центробежное литье и токарная обработка .

Принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение фор-мы расплавом и формирование отливки происходят при вращении формы вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при ее вращении по сложной траектории. Этим достигается дополнительное воздействие на расплав и затвердевающую отливку поля центробежных сил. Процесс реализуется на специальных центробежных машинах и столах.

Чаше используют два варианта способа, в которых расплав заливается в форму с горизонтальной или вертикальной осью вращения. В первом варианте получают отливки – тела вращения малой и большой протяженности, во втором – тела вращения малой протяженности и фасонные отливки.

Токарная обработка — один из возможных способов обработки изделий путем срезания с заготовки лишнего слоя металла до получения детали требуемой формы, размеров и шероховатости поверхности. Она осуществляется на металлорежущих станках, называемых токарными.

Для данного объекта контроля наиболее вероятными являются дефекты типа внутренних несплошностей, которые имеют форму сфер и трещины, внутренние и наружные, которые имеют форму дисков. Кроме того могут появиться опасные дефекты в виде трещин в месте ступенчатого изменения сечения диаметра.

Минимально выявляемые размеры дефектов (раковины, трещин и пор) следующие: bmin=1,5×10-3м, bmax= 5×10-3м.

В отливке могут иметь место следующие типы дефектов

Трещины поверхностные и внутренние, разрывы появляются из-за значительных напряжений в металле при деформации. При обработке давление металл неоднократно подвергается нагреву и охлаждению, что приводит к возникновению внутренних напряжений, способствующих образованию внутренних разрывов и трещин (рисунок 1.2).

 

Рисунок 1.2- Внешний вид трещин в поковке

 

Поры (газовая полость) - полость    произвольной формы, образованная газами, задержанными в расплавном металле, которая не имеет углов. Газовая пора - газовая полость, обычно сферической формы [3] .

Усадочная раковина - это дефект отливки в виде открытой или закрытой полости с грубой шероховатой иногда окисленной поверхностью, образовавшейся вследствие усадки при затвердевании металла [3] (рисунок 1.3).

 

Рисунок 1.3- Внешний вид пор и раковин в поковке

 

В нашем случае, в поковке имеются такие дефекты как раковины, поры и трещины, поэтому методика контроля должна быть разработана в соответствии с их размером и расположением и глубиной залегания в объекте

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Сравнительный  анализ известных методик и  технических средств УЗ контроля  отливок.

 

2.1 Сравнительный  анализ известных  методик УЗ контроля 

 

Ультразвуковой контроль заготовки проводится с помощью прямых совмещенных, прямых раздельно-совмещенных и наклонных преобразователей с углом ввода от 35 до 70°. При возможности выбора предпочтителен угол ввода 45°. Контроль заготовок осуществляется эхометодом, а при использовании прямых совмещенных преобразователей - также зеркально-теневым методом, если конструкция заготовки обеспечивает получение донного сигнала. Схема контроля, обеспечивающая наибольшую достоверность обнаружения несплошностей различной формы и ориентации (полный контроль), должна предусматривать прозвучивание каждого элементарного объема заготовки в трех взаимно перпендикулярных или близких к ним направлениях.

 Прозвучивание прямым преобразователем в каком-либо направлении может быть заменено прозвучиванием наклонным преобразователем в направлении, близком к требуемому. Схемы контроля заготовок простой формы приведены в рисунке 2.1, где также показана возможность замены прямого преобразователя раздельно-совмещенным и наклонным (знак "или"). При этом контроль наклонным преобразователем выполняется в двух противоположных направлениях с разворотом преобразователя на угол 180°.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1– Схемы контроля заготовок

Полые  цилиндрические  заготовки(рисунок2.1,  поз.3а и3b) контролируются  по  хорде наклонным  или  прямым  преобразователем  с  насадкой  таким  образом,  чтобы  угол  ввода обеспечивал  прохождение  ультразвукового  пучка  продольных  или  поперечных  волн  в направлении, близком к касательной к внутренней цилиндрической поверхности, или падение на нее под углом45±5°.

Основные  типы  дефектов  в  поковке  –  газовые  поры,  усадочные  раковины ,трещины и другие ориентированные вдоль оси поковки - продольные дефекты. Значительно реже встречаются дефекты, ориентированные поперек оси поковки - поперечные дефекты. Возможны также дефекты, параллельные или почти параллельные поверхностям трубы типа расслоения. Они часто выходят на одну из поверхностей или близки к ней, поэтому обнаруживаются при контроле на продольные или поперечные дефекты.

 В  связи с тем ,что основные дефекты продольные, УЗ-волны направляют в поперечной плоскости, т.е. перпендикулярно к оси (рисунок 2.2). Обычно продольные УЗ-волны из призмы преобразователя или из иммерсионной жидкости вводят под углом  к наружной поверхности. В результате преломления в стенке трубы образуется поперечная волна под углом ввода а, которая отражается от продольных дефектов.

Рисунок 2.2– Ввод поперечных волн в контролируемое цилиндрическое изделие

 

При контроле отливке применяют эхометод, эхо-теневой метод, зеркально-теневой метод.

Эхометод основан на регистрации эхосигналов от дефектов - несплошностей. На экране УЗ-дефектоскопа отображается информацию двух видов. Горизонтальная линия соответствует времени пробега импульса в ОК, а это время пропорционально пути импульса. Высота пиков (импульсов) пропорциональна амплитудам эхосигналов .

На рисунке 2.3 показаны схемы контроля эхометодом совмещенным преобразователем на продольные (вдоль оси трубы), поперечные дефекты и расслоения. Эти схемы контроля используют наиболее часто. Контроль по схемам рисунка 2.3, а и б выполняется с применением поперечных или нормальных волн [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.3– Контроль эхометодом совмещенным преобразователем

 

При контроле поковок уместно применение хордового прозвучивания, которое используется для выявления трещин и пор, выходящих на наружную  поверхность контролируемого изделия (рисунок 2.4):

 

 

Рисунок 2.4–Хордовое прозвучивание

 

Так же при контроле трещин ,пор и раковин будет использована следующая схемы прозвучивания прямым преобразователем (рисунок 2.6):

 

Рисунок 2.6–Схема ввода УЗ-волн наклонного преобразователя для обнаружения трещин,пор и раковин

 

В нашем случае при контроле поковки для выявления  наклонных трещин и трещин, выходящих на поверхность объекта будет целесообразно применить эхо- метод, используя при этом наклонный раздельно-совмещённый преобразователь с акустической задержкой, а для выявления раковин и продольных трещин,  будет применяться  прямой преобразователь для уменьшения пути УЗ-волн в объекте.

 

2.2. Анализ  дефектоскопов 

 

В этом разделе будут рассмотрены основные технические устройства, использующиеся в промышленности при УЗ контроле поковок.

УСД-60. Ультразвуковой дефектоскоп УСД-60 (UCD-60) поиска дефектов в металле, пластмассе и других однородных материалов (рисунок 2.7) [5]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.7 - Ультразвуковой дефектоскоп УСД-60

 

Новый универсальный ультразвуковой дефектоскоп USD-60 позволяет воспользоваться всем богатством возможностей современной цифровой техники: выводить сигнал в виде А, B, C -сканов, подключать датчик пути для построения координатной развертки изделия. Дефектоскоп УСД-60 позволяет измерять толщину изделий с высокой точностью и коррекцией V-образности, проводить ручной, автоматизированный контактный и иммерсионный (специальная и-зона) контроль.

Отличительные особенности ультразвукового дефектоскопа УСД-60, приведены в таблице 2.1

 

Таблица 2.1 Отличительные особенности УЗ дефектоскопа УСД-60

Дисплей	Цветной TFT 135 x 100 мм (640 х 480 точек)
Усилитель	широкополосный 0.4 - 20 МГц
Работа с кривой амплитуда-расстояние	измерение уровня сигнала в дБ относительно кривой и режим АСД по кривой АРК
Частота повторения ЗИ	до 2000Гц
Измерение спектра сигнала
Зоны контроля	три независимых, с индивидуальной логикой определения дефекта
Вывод сигналов в виде А-, В-, С- сканов

 

Технические характеристики ультразвукового дефектоскопа УСД-60 указаны в таблице 2.2.

 

Таблица 2.2.Технические характеристики УСД 60

Развертка: с шагом 0,01 / 0,1/ 1/ 10/ 100 мкс	мин.: 0 - 2,67мкс
	макс.: 0 - 1000 мкс
Задержка:	от -4 мкс до 1000 мкс, с шагом 0,01 / 0,1/ 1/ 10/ 100 мкс
Диапазон скоростей:	1000 - 9999 м/с
Задержка в призме	- 100 мкс, с шагом 0,01 / 0,1/ 1 и 10мкс
Демпфирование	25 ом / 50 ом/ 1000 Ом
Входной импеданс	50 Ом / 600 Ом
Зондирующий импульс	радиоимпульс, с амплитудой 50 или 200 В, с изменяемой длительностью от 16 до 500 нс, с шагом 16 нс
Демпфер зондирующего импульса	регулируемый от 0 до 15 полупериодов с задержкой демпфирования от 0 до 7 полупериодов
Частота повторений ЗИ	регулируемая от 20 до 2000Гц, с шагом 1/ 5/ 10 или 100Гц
Усилитель	широкополосный 0.4-20 МГц (-6 дБ)
Диапазон регулировки усиления	100 дБ, с шагом 0.5, 1, 2 или 6 дБ
Временная Регулировка Чувствительности (ВРЧ)	диапазон до 70 дБ, 12 дб/мкс, с построением кривой по 32 опорным точкам, введенным вручную или от контрольных отражателей