Раздел 1: Общий обзор
Область применения
Данная статья представляет собой общий обзор применения методов неразрушающего контроля в литейной промышленности, которые включают измерение толщины, обнаружение дефектов и определение степени содержания включений графита в чугуне ультразвуковыми средствами.
Потенциальные пользователи
Предприятия черной и цветной металлургии, а также отрасли промышленности, где используются изделия из литого металла.
Рекомендуемые приборы
Искусство литья в специальные формы зародилось тысячи лет назад, но только в последние десятилетия появились ультразвуковые приборы, позволяющие проводить контроль целостности отливок неразрушающими методами. До недавнего времени качество отливок проверялось только по характеру звука при ударах по ним молотком. Сегодня приборы на микропроцессорной базе, используя ультразвуковые волны, позволяют получить гораздо больше информации о внутренней структуре отливок как из черных, так и цветных металлов. Ультразвуковые толщиномеры используются для измерения толщины стенок полых литых изделий, а ультразвуковые дефектоскопы обеспечивают обнаружение неоднородностей внутренней структуры отливок, например скрытой пористости, а также наличия в них включений, рыхлот и трещин. Кроме этого, на основании результатов измерения скорости ультразвука можно определить степень содержания включений графита в чугуне.
Раздел 2: Выбор прибора и процедура контроля
(а) Ультразвуковые измерения толщины
Ультразвуковые приборы широко используются для измерения толщины стенок полых отливок сложной формы, например, блоков автомобильных двигателей. Такие измерения позволяют выявить недопустимое уменьшение или увеличение толщины стенок в различных местах изделия, вызванное неправильным положением литейного стержня. С использованием ультразвуковых толщиномеров измерения толщины стенок могут проводиться при доступе только к внешней поверхности изделия.
Оборудование:
Измерения толщины стенок обычно выполняются одним из прецизионных толщиномеров производства компании Olympus (Panametrics-NDT). Если толщина металла превышает 12,5 мм, рекомендуется использовать версии этих толщиномеров, обеспечивающие более глубокое проникновение ультразвука в металл. Выбор преобразователя зависит от диапазона измерения толщины и акустических свойств конкретного металла. Наиболее широко используются преобразователи М106, М1036 (оба с частотой 2,25 МГц), М109 и М110 (оба с частотой 5 МГц). Для измерения толщины отливок с очень большой толщиной (более 50 мм) или отливок большой площади рекомендуется преобразователь М101 (500 КГц).
Контактные жидкости:
При литье в песчаные формы у отливок образуется грубая поверхность, затрудняющая контакт рабочей поверхности преобразователя с изделием. В этом случае рекомендуется использовать гелевую контактную жидкость (D) или глицерин (B).
Состояние поверхности:
Если поверхность отливки очень груба, минимальная толщина, которая может быть измерена данным преобразователем, увеличивается из-за акустической реверберации в слое контактной жидкости. С другой стороны, из-за плохого акустического контакта между преобразователем и поверхностью объекта контроля уменьшается также максимальная толщина измерения. Хотя в большинстве случаев возможно проведение измерений толщины отливок с грубыми поверхностями, результаты измерений могут быть улучшены за счет предварительной обработки поверхности объекта контроля.
Геометрия объекта контроля:
Для проведения точных ультразвуковых измерений толщины внутренняя и внешняя поверхности отливки должны быть приблизительно параллельны или концентричны. При значительном расхождении стенок относительно друг друга правильные эхосигналы на толщиномер поступать не будут.
Колебания скорости ультразвука:
Точность ультразвуковых измерений толщины непосредственно зависит от точности используемого значения скорости ультразвука в материале объекта контроля. Скорость ультразвука в отливках, выполненных как из черных, так и из цветных металлов, может значительно колебаться из-за различия металлов по твердости, а также из-за различной степени содержания включений графита (в чугуне). Неоднородность структуры зернистости на различных участках отливок больших размеров, вызванная неравномерным остыванием, также может вызвать колебания скорости ультразвука в одном изделии. Для обеспечения максимальной точности измерений настройка скорости ультразвука должна всегда выполняться с использованием стандартных образцов, имеющих известную толщину, и по свойствам соответствующих реальным объектам контроля.
Шумы:
Крупнозернистая структура некоторых металлов может вызвать появление перед истинным донным эхосигналом шумов, приводящих «зависанию» толщиномера на ложных показаниях. Чаще всего это происходит при использовании стандартных установок для проведения измерений. В этом случае шумы довольно легко обнаружить при просмотре изображения эхосигналов. Обычно шумы можно устранить простой настройкой усиления толщиномера и/или обнулением зоны появления шумов, а также использованием преобразователей с низкой частотой. В качестве примеров см. рис. 1 и 2.
Рисунок 1: Шумы, вызывающие ложные показания. Донный эхосигнал находится в правой части экрана.
Рисунок 2: Правильные показания толщины после настройки начального усиления и временной регулировки чувствительности.
(б) Ультразвуковая дефектоскопия
В процессе литья внутри металлических изделий могут образовываться различные дефекты. Это могут быть рыхлоты, инородные включения или трещины. Все эти дефекты могут быть обнаружены и идентифицированы опытным оператором с помощью ультразвукового дефектоскопа с соответствующим преобразователем.
Оборудование:
Для дефектоскопического контроля литья может быть использован любой из дефектоскопов серии Epoch (модели Epoch 650, Epoch 6LT) производства компании Olympus (Panametrics-NDT). Для контроля отливок обычно используют раздельно-совмещенные преобразователи, такие как преобразователи серии DHC с частотами от 1 до 5 МГц, которые позволяют уменьшить ложные эхосигналы от слоя контактной жидкости, скапливающейся в неровностях грубой поверхности объектов контроля, а также оптимизировать эхосигналы от включений нерегулярной формы. В некоторых случаях, в частности для обнаружения трещин, могут использоваться наклонные преобразователи. В специальных системах ультразвукового контроля с автоматическим сканированием используются иммерсионные преобразователи с теми же частотами.
Процедура контроля:
Зернистая структура отливок как черных, так и цветных металлов сильно затрудняет проведение ультразвуковой дефектоскопии из-за ложных эхосигналов от границ зерен. Амплитуда этих ложных эхосигналов, или шумов, возрастает с увеличением размеров зерна. Кроме этого, как и при измерении толщины, грубые поверхности отливок, выполненных в песчаных формах, затрудняют проникновение ультразвука в объект контроля и уменьшают амплитуду истинных донных эхосигналов. Эти факторы определяют минимально возможные размеры дефектов, которые могут быть обнаружены в конкретных условиях. По этой причине очень важное место отводится выбору преобразователя и настройке дефектоскопа. Для настройки дефектоскопа рекомендуется использовать образцы, выполненные из материала объекта контроля и содержащие известные дефекты, подтвержденные другими методами неразрушающего контроля. Эхосигналы от этих известных дефектов следует сохранять и затем сравнивать с эхосигналами от реальных дефектов. Очень удобны для уменьшения уровня шумов полосовые фильтры, установленные на дефектоскопах модели Epoch 650.
На рисунках 3 и 4 изображены результаты обычного контроля рыхлот в чугунной отливке толщиной 20 мм с использованием дефектоскопа модели Epoch 650 с раздельно-совмещенным преобразователем D784-RP (частота 3,5 Мгц, размер пьезоэлемента 6 мм). На рисунке 3 изображен донный эхосигнал (в правой части экрана), а также обычные шумы и эхосигналы низкого уровня от зерен. На рисунке 4 изображен эхосигнал, свидетельствующий о наличии рыхлот, четко выделяющийся на фоне фоновых шумов.
Рисунок 3: Эхосигнал, полученный при контроле отливки хорошего качества
Рисунок 4: Эхосигнал, свидетельствующие о наличии в отливке рыхлот
Чаще всего в отливках встречаются такие дефекты, как рыхлоты, пористость и включения. В некоторых случаях возникает необходимость обнаружения трещин или нарушений целостности металла. При поиске трещин всегда необходимо учитывать специфическую форму отливки, а также возможное положение, размер и ориентацию трещин. При этом следует использовать стандартные образцы, содержащие известные или искусственные дефекты. Когда грань трещины параллельна рабочей поверхности преобразователя, рекомендуется использовать прямые преобразователи. Если же трещина перпендикулярна рабочей поверхности преобразователя, рекомендуется использовать наклонные преобразователи. Следует иметь в виду, что из-за низкой скорости ультразвука в чугуне и цветных металлах, реальный угол ввода призм, предназначенных для использования на стали, будет меньше. Реальные углы ввода ультразвука при использовании таких призм должны быть рассчитаны по закону Шелла.
(в) Измерение степени содержания включений графита в чугунных отливках
Размеры и распределение включений графита в чугуне оказывают значительный эффект на механические свойства чугуна. Контроль прочности чугуна особенно важен в автомобильной промышленности и других отраслях промышленности, где чугун используется для изготовления деталей, от качества которых зависит безопасность эксплуатации конечной продукции. Степень содержания включений графита в чугуне рассчитывается по результатам измерения скорости ультразвука, которое может быть проведено ультразвуковыми средствами. Ультразвуковые приборы обеспечивают неразрушающий метод измерений, альтернативный исследованиям поперечного сечения изделий с помощью микроскопа или проведениям проверок прочности на разрыв, которые связаны с разрушением объекта контроля.
Для измерения степени содержания включений графита в чугунных отливках рекомендуется использовать толщиномеры с функцией измерения скорости ультразвука в материале объекта контроля. Можно использовать и другие толщиномеры, а также дефектоскопы серии Epoch производства компании Olympus (Panametrics-NDT). При использовании дефектоскопов значение скорости ультразвука в материале объекта контроля рассчитывается в процессе настройки дефектоскопа.
Для получения более подробной информации о выборе оборудования и порядке проведения измерений степени содержания включений графита в чугуне обращайтесь в Диагност.
