Общие вопросы неразрушающего контроля
УДК 620.179
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ ДЕФЕКТНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ГТД
Д. С. Ложкова, И. С. Краснов
Рассмотрены вопросы оценки дефектности сварных соединений основных деталей ГТД. Проведены экспериментальные исследования и выбран наиболее оптимальный метод контроля для ускорения набора данных о выявленных дефектах.
Ключевые слова: автоматизированный у.з. контроль, дефектность материала, сварные соединения, основные детали двигателя, рентгеновский вычислительный томограф.
С целью обеспечения безопасной эксплуатации авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) в "Нормах летной годности двигателей воздушных судов" введено требование оценивать "возможность разрушения детали в пределах одобренного ресурса от дефектов в материале, дефектов, внесенных при изготовлении и эксплуатации", то есть необходимо подтверждать ресурс основных деталей [1—8] (в первую очередь деталей из титановых сплавов, гранулируемых сплавов и деталей, полученных с использованием литья и сварки) путем расчета вероятности их разрушения в эксплуатации, в том числе и из-за внутренних дефектов, не выявленных при неразру-шающем контроле. Для применения вероятностных методик расчета необходима количественная информация о наличии в изделии металлургических дефектов. За рубежом работы в области содержания металлургических дефектов ведутся достаточно давно. Так, для заготовок титановых дисков имеются графики предполагаемого количества газонасыщенных включений на 1000 фунтов сплава как функция размера этих включений (АСС33.14-1 [9]). В связи с этим было принято решение о проведении научно-исследовательской работы, имеющей целью разработку основных подходов для оценки дефектности материала, с использованием экспериментального оборудования ФГУП "ВИАМ", ОАО "Авиадвигатель", ООО "АТГ".
В ходе поисковых работ, а также при изучении зарубежной нормативной документации обнаружен ряд подходов, применение которых позволяет количественно оценить содержание дефектов в деталях:
металлографические исследования шлифов (эффективно только для дефектов малых размеров);
пролив расплава материала через сетку (для оценки количества дефектов типа неметаллических включений в некоторых металлах);
математическое моделирование процесса изготовления заготовок, начиная с процесса литья (для деформируемых жаропрочных никелевых сплавов);
флотации гранул в тяжелой жидкости (для оценки количества неметаллических включений в заготовках дисков, получаемых методами порошковой металлургии);
накопление статистической информации о дефектах, выявленных при неразрушающем контроле.
В связи с тем, что направленность исследований, описанных в данной статье, была сориентирована на детали, полученные с использованием сварки [10—15], то в качестве основных подходов были предложены металло-
Дарья Сергеевна Ложкова, научный сотрудник ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов", Москва. Тел. 8-916-370-37-95. E-mail: lozhkovads@gmail.com
Иван Сергеевич Краснов, инженер ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов", Москва. Тел. 8-926-723-99-21. E-mail: vanozz@mail.ru
графические исследования шлифов и накопление статистической информации о выявленных дефектах методами НК на предприятиях отрасли. Первый из них является достаточно дорогостоящим, поэтому в качестве приоритетного был выбран второй подход, основанный на определении количества оставшихся (пропущенных при неразрушающем контроле) в сварном шве дефектов на основании накопленной статистической информации о дефектах (количество, размеры), обнаруженных при неразрушающем контроле, а также известной вероятности их обнаружения. Вероятность обнаружения при данном подходе определяется на специальном комплекте образцов, изготовленных из того же материала и по той же технологии, что и контролируемая деталь. Работы по оценке достоверности у.з. контроля уже проводились в ФГУП "ВИАМ" [16—18]. Статистические данные о количестве выявленных дефектов собираются при серийном неразрушающем контроле, а также при дополнительных высокочувствительных исследованиях, которые позволяют увеличить скорость набора данных, но не являются обязательными к проведению на каждом изделии, а служат только для набора статистики, так как браковка осуществляется по нормам серийного контроля. Также статистические данные возможно дополнить металлографическими исследованиями изделий, которые были забракованы по требованиям нормативной документации, применяемой при серийной технологии контроля.
В качестве объекта исследования, используемого для отработки вышеописанного подхода и выбора альтернативного высокочувствительного факультативного метода НК, который может применяться, например, после задержания изделия, для получения информации о содержании внутренних несплошностей, был выбран барабан компрессора вертолетного двигателя, изготовленный из титанового сплава ВТ8 и отработавший свой ресурс. Исследования его сварных соединений, полученных с использованием технологии электронно-лучевой сварки, проводили с использованием различных методов НК, а именно:
рентгенографического — по серийной технологии контроля, применяемой на предприятиях отрасли;
иммерсионного у.з. метода с вводом у.з. колебаний с цилиндрической поверхности (в качестве факультативного метода НК);
иммерсионного у.з. метода с вводом у.з. колебаний с торцевой поверхности, полученной при разрезке барабана параллельно сварному соединению (в качестве дополнительного метода НК после задержания изделия на участке контроля).
Рентгенографические исследования сварных соединений проводили с использованием рентгеновского аппарата РАП 150М по предварительно подобранным оптимальным режимам рентгенографического контроля с использованием индикатора качества изображения на основе железа Бе 13, Бе 14. Контроль проводили при постоянной величине анодного тока 1а = 80 мкА и постоянном анодном напряжении Па = 80 кВ, время экспозиции ^ = 3 мин. По результатам рентгенографического контроля было выявлено более 52 пор размером от 0,3 до 1,0 мм.
Исследования с вводом у.з. колебаний с цилиндрической поверхности барабана проводили с использованием у.з. иммерсионной установки Ь8-500 ЬР совместно с фокусированным преобразователем Рапате1хю8 У327 с центральной частотой 10 МГц и фокусным расстоянием по воде 2,4 дюйма. Схема контроля представлена на рис. 1. Для настройки дефектоскопического модуля использовали контрольный образец из сплава ВТ-8 с контрольным отражателем (КО), эквивалентным по отражающей способности плоскодонному отверстию диаметром 0,8 мм, расположенным на глубине 4 мм. Настройку дефектоскопического модуля у.з. иммерсионной установки осуществляли следующим образом: амплитуда эхосигнала от КО, эквивалентного плоскодон-
ному сверлению диаметром 0,8 мм, располагающегося на глубине 4 мм, составляла 80 % по экрану дефектоскопа, уровень фиксации (высота строба) — 40 и 20 % по экрану дефектоскопа, угол наклона акустической оси преобразователя относительно нормали к цилиндрической поверхности бараба-
Рис. 1. Схематическое представление контроля сварного соединения с вводом у.з. колебаний
с цилиндрической поверхности.
на составляет 20 град, что эквивалентно углу ввода сдвиговых у.з. колебаний в объект исследования 45 град, расстояние от торца преобразователя до места входа у.з. колебаний в объект контроля вдоль направления распространения у.з. пучка — 32 мм. По результатам исследований были выявлены и зафиксированы зоны с повышенной амплитудой эхосигналов (рис. 2), природа возникновения которых была установлена впоследствии.
Зоны с повышенной амплитудой эхосигнала
Рис. 2. Результаты у.з. контроля зоны сварного шва с цилиндрической поверхности в виде
развертки типа С.
Для реализации у.з. исследования продольными волнами в осевом направлении барабан был разрезан на отдельные кольца, содержащие сварные соединения, и была сформирована плоская торцевая поверхность ввода с шероховатостью не более Яа 1,25. Схема контроля представлена на рис. 3.
Настройку дефектоскопического модуля установки осуществляли аналогичным образом, что и при вводе у.з. колебаний с цилиндрической поверхности при расстоянии по воде от торца преобразователя до поверх-
Рис. 3. Схематическое представление контроля сварного соединения с вводом у.з. колебаний с плоской торцевой поверхности (штриховой линией показана плоская торцевая
поверхность ввода).
ности ввода ЖР = 55 мм. В результате исследований также было зафиксировано множество аномальных зон с повышенной величиной амплитуды эхосигнала (рис. 4), пропущенных предыдущими двумя методами НК. В связи с этим наиболее перспективным методом для сбора статистических данных по выявленным несплошностям малого размера предположительно являлся именно этот метод НК.
Рис. 4. Результаты у.з. контроля зоны сварного шва с плоской торцевой поверхности в виде
развертки типа С.
По результатам исследований всеми тремя методами НК выявленные аномальные зоны были классифицированы на 2 типа:
первый тип — выявлены всеми тремя опробованными методами; второй тип — выявлены только у. з. методом контроля с вводом у. з. колебаний с торцевой поверхности.
Для установления природы возникновения аномальных зон, а также в случае выявления несплошностей, определения их размеров были проведены металлографические исследования и исследования с использованием рентгеновского вычислительного томографа.
Металлографические исследования образцов сварных соединений в местах предполагаемого залегания дефектов проводили методом последовательного снятия слоев металла на шлифовальном станке Tegramin-25 фирмы 81гиеге. Предварительное шлифование (выравнивание поверхности) проводили на круге 8Ю-Рар#320 при скорости 300 об/мин и усилии 30 Н,
финишное шлифование — на круге MD Piano #220 при скорости 150 об/мин и усилии 30 Н, сошлифовывая по 50 мкм за каждый цикл. При шлифовании в качестве смазочно-охлаждающей жидкости использовали лубрикант "DP-суспензия М 9 мкм".
Внешний вид и размеры дефектов после каждого ци
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.