Акустические методы
УДК 620.179.16
АНАЛИЗ СРАВНИТЕЛЬНОЙ ДОСТОВЕРНОСТИ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ПРУТКОВОГО ПРОКАТА ИЗ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ
В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, В.А. Стрижак, А.В. Пряхин, Е.Н. Фокеева
Представлены результаты сравнительных испытаний электромагнитно-акустического зеркально-теневого метода многократных отражений и альтернативных (визуального, волно-водного акустического и вихретокового) методов при контроле прутков в производственных условиях на разных заводах и рассчитана их сравнительная достоверность.
Ключевые слова: акустический волноводный, электромагнитно-акустический зеркально-теневой, вихретоковый методы неразрушающего контроля, прутковый прокат, металлография, дефекты, достоверность.
ВВЕДЕНИЕ
Работоспособность большинства машин и стабильность их эксплуатационных характеристик ограничивается ресурсом работы пружин, что наиболее характерно для современных видов транспорта, объектов военной и космической техники, нефтедобывающего оборудования и электроэнергетики. Рис. 1 иллюстрирует, как видоизменяется унаследованное
Рис. 1. Фото дефекта прутка-заготовки (а) и дефекта при производстве пружины, унаследованного от прутка (б): раскатанное загрязнение (круг 0 14 мм).
от прутка-заготовки раскатанное загрязнение в поверхностный дефект после высокотемпературной механической обработки при производстве пружины. Использование неразрушающих методов контроля качества прутков из рессорно-пружинных сталей при изготовлении пружин позволяет повысить качество и надежность выпускаемых изделий.
Виталий Васильевич Муравьев, доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой "Приборы и методы контроля качества" ИжГТУ, ведущий научный сотрудник ФТИ УрО РАН, г. Ижевск. Тел. (3412) 58-88-97. E-mail: nedzv@istu.ru
Ольга Владимировна Муравьева, доктор техн. наук, профессор кафедры "Приборы и методы контроля качества" ИжГТУ, ведущий научный сотрудник ФТИ УрО РАН, г. Ижевск. Тел. (3412) E-mail: nedzv@istu.ru
Виктор Анатольевич Стрижак, канд. техн. наук, доцент кафедры "Приборы и методы контроля качества" ИжГТУ, г. Ижевск, Тел. (3412) 58-88-97. E-mail: str@istu.ru
Андрей Васильевич Пряхин, заведущий лабораторией кафедры "Приборы и методы контроля качества" ИжГТУ, г. Ижевск. Тел. (3412) 58-88-97. E-mail: pmkk@istu.ru
Елизавета Николаевна Фокеева, канд. техн. наук, инженер-технолог ООО "НПЦ" "Пружина", г. Ижевск.
Традиционно для неразрушающего контроля пруткового проката используют вихретоковый, магнитный и у.з. методы контроля, имеющие общий недостаток — необходимость сканирования поверхности прутка, что требует соответствующей механизации и автоматизации. Достоверность и воспроизводимость у.з. метода, требующего применения контактной жидкости, существенно зависит от качества обработки поверхностей контролируемых объектов.
Вихретоковые и магнитоиндукционные методы (несмотря на преимущество бесконтактной работы) выявляют лишь поверхностные и приповерхностные дефекты, при этом получаемая информация зависит от ряда факторов (зазор, магнитные и электрические свойства объекта), что приводит к проблемам при идентификации дефектов.
Перспективными подходами к решению перечисленных проблем у.з. и вихретоковой дефектоскопии пруткового проката являются использование не требующего сканирования акустического волноводного эхоимпульсного метода [1—3] и электромагнитно-акустического (ЭМА) зеркально-теневого метода многократных отражений (ЗТММ) [4—6], позволяющего отстроиться от качества акустического контакта при сканировании.
Для определения достоверности и чувствительности методов неразру-шающего контроля к дефектам прутков из рессорно-пружинных сталей проведены сравнительные производственные испытания разработанных авторами акустического волноводного и ЭМА ЗТММ, а также альтернативных (визуального и вихретокового) методов.
АКУСТИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ МЕТОД
Волноводный метод реализован с помощью акустического дефектоскопа прутков АДП, использующего эхоимпульсный метод контроля на нулевой симметричной моде волны Похгаммера в области минимальной дисперсии скорости (стержневой волны). Дефектоскоп внедрен на ООО "НПЦ "Пружина" для входного контроля прутков, предназначенных для производства пружин.
Конструктивно дефектоскоп представляет собой стационарную установку и включает в себя (рис. 2): блоки электроакустических преобразователей (ЭАП); блоки генератора зондирующих импульсов и предусилителя (ГПУ); блок усиления, коммутации и источника питания (УКП); персональный компьютер (ПК) с блоком аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и специализированным программным обеспечением (ПО). Генератор блока ГПУ вырабатывает электрический импульс, подаваемый на излучатель блока ЭАП, что приводит к возникновению акустического импульса, распространяющегося в прутке, опирающемся на опоры стеллажа, со скоростью стержневой волны. Акустический импульс, отраженный от дефектов и от противоположного торца прутка, принимается на том же торце приемником блока ЭАП и в виде электрического сигнала поступает на предусилитель блока ГПУ. Блок коммутации УКП поочередно включает в работу оба акустических канала. Дефектоскопию производят с двух торцов прутка с целью уменьшения неконтролируемых (мертвых) зон со стороны блоков ЭАП. Электрический сигнал с усилителя УКП поступает на вход АЦП и далее в память персонального компьютера.
Результатом контроля являются дефектограммы по двум каналам в графическом и табличном видах с информацией о длине контролируемого прутка (мм), координатах обнаруженных дефектов (мм) и амплитудах эхосигна-лов от них (%). С целью отстройки от качества акустического контакта и эффективности возбуждения волны в различных марках стали амплитуда эхоимпульса от дефекта нормируется к амплитуде первого эхоимпульса от торца прутка. Амплитуда эхоимпульса от дефекта является основой для автоматического заключения о годности или браке прутка в соответствии с
уровнем браковки, который рассчитывают исходя из предельного отклонения диаметра тела прутка от номинального значения в соответствии с ГОСТ 14959—79 "Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали".
6 — блок УКП; 7 — ПК с платой АЦП и специализированным ПО.
Результаты исследования процессов взаимодействия стержневых волн с искусственными и естественными поверхностными и внутренними дефектами показали [7], что в отличие от других видов неразрушающего контроля проката (магнитный, вихретоковый) акустический дефектоскоп АДП реагирует лишь на изменение свойств материала, определяемых механическим
импедансом Zмех = рС5 = ^J~EpS прутка (5" — площадь сечения; С — скорость ультразвука; р — плотность среды; Е — модуль Юнга), а также на участки, содержащие концентраторы напряжений, например, вмятины, механические повреждения, утяжины, подрезы, плены, закаты, расслоения, трещины, волосовины и другие. В качестве примера на рис. 3б представлены дефектограммы волноводного акустического контроля прутка с локальным дефектом в виде неметаллического включения размерами 0,05x0,15 мм (рис. 3а).
Отметим, что глубина и раскрытие трещин, размеры включений составляют сотые или тысячные доли от длины акустической волны на основной частоте спектра зондирующих импульсов (20 кГц) [7], что объясняется существенно меньшими потерями на затухание и отсутствием потерь на расхождение за счет формирования волны с плоским фронтом.
Прогрессивность волноводной технологии состоит в том, что при возбуждении зондирующих импульсов с торцов прутка длиной до 10 м не требуется применения контактных и иммерсионных жидкостей, какой-либо
подготовки поверхности объекта контроля, сканирования преобразователей по объекту. Метод обладает высокой производительностью (до 1000 прутков в смену в ручном варианте контроля), одинаковой чувствительностью к дефектам вне зависимости от глубины их залегания и расстояния до преобразователя.
б
2401,2 178:
Длина, мм
Зондирующий импульс
........||| »щими^
Серия многократных переотражений по диаметру прутка в дефектной области
Рис. 3. Обнаруженный дефект — неметаллическое включение 0,05x0,15 мм (круг 0 21 мм, сталь 60С2ХФА, специальная отделка поверхности, ОАО "Ижсталь") (а) и соответствующие дефектограммы акустического волноводного (б) и ЭМА ЗТММ в бездефектной и дефектной
областях (в).
При использовании дефектоскопа АДП имеется ряд ограничений: требования по минимальной длине прутка (100-кратное превышение диаметра), минимальному (10 мм) и максимальному (30 мм) диаметрам прутка ввиду отклонения от условия минимальной дисперсии скорости; большая мертвая зона (100 мм) вблизи торца, невысокая разрешающая способность и возможность интерференции волн, отраженных от множественных близлежащих дефектов, приводящие к сложности точной локализации координат дефектов по длине прутка вследствие использования низких частот [8], сложность выявления дефектов, протяженных по длине прутка при отсутствии изменений в механическом импедансе прутка.
ЗЕРКАЛЬНО-ТЕНЕВОИ МЕТОД МНОГОКРАТНЫХ ОТРАЖЕНИИ
Технология ЗТММ реализована с помощью ЭМА-преобразователя проходного типа, обеспечивающего излучение (прием) поперечных волн с осевой поляризацией во всех радиальных направлениях в поперечном сечении прутка [9], принцип действия которых представлен на рис. 4. Операцию дефектоскопии пруткового проката осуществляют при поступательном движении прутка относительно проходного ЭМА-преобразователя.
Благодаря отсутствию потерь на границе преобразователь — объект контроля за счет использования бесконтактного ЭМА-преобразователя и меньшему расхождению волны вследствие формирования цилиндрического фронта обеспечивается возможность получения серий многократных отражений в прутке, что позволяет существенно повысить чувствительность
а
ЗТММ. Рис. 3в представляет результат дефектоскопии ЗТММ прутка с локальным дефектом "неметаллическое включение" при сканировании в бездефектной и дефектной областях и их соответствие дефектограмме волно-водного акустического метода. Браковочным критерием является ослабление сигналов многократных отражений с расстоянием.
Рис. 4. Схема контроля проходн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.