Методы и средства для измерения внутренних и линейных размеров деталей типа "Корпус" и "Вал"

Исполнительный размер калибра-кольца:

5. По ГОСТ 25347 - 82 для нецентрирующего внутреннего диаметра с основным отклонением Н и 8-го квалитета для интервала св.50 до 65 мм находим предельные отклонения [2]:

Рассчитываем предельные размеры калибра-кольца по нецентрирующему внутреннему размеру:

Исполнительный размер калибра-кольца:

Изображение и условное обозначение калибра-кольца выполняется по ГОСТ 24960-81 «Калибры для шлицевых прямобочных соединений».

2) Рассчитаем исполнительные размеры калибра-пробки для контроля шлицевой втулки .

1. По ГОСТ 25347-82 находим предельные отклонения параметров шлицевой втулки [2]:

Для внутреннего диаметра (d) с основным отклонением Н и 8-го квалитета точности для интервала размеров св.50 до 65 мм:

Для наружного диаметра (D) с основным отклонением Н и 7-го квалитета точности для интервала размеров св.50 до 65 мм:

Для толщины зуба (b) с основным отклонением F и 8-го квалитета точности для интервала размеров св.6 до 10 мм:



2. Рассчитываем наибольший и наименьший предельные размеры параметров шлицевого отверстия:

3. Для центрирующего наружного диаметра D с допуском по 7-му квалитету точности (IT=7) по ГОСТ 7951-80 для интервала размеров св.50 до 65 мм находим значения [3]:

координату середины поля допуска калибра-пробки:

Z_D=7,5 мкм=0,0075 мм;

допуск калибра-пробки по центрирующему диаметру:

H_D=5,0 мкм=0,005мм;

значение границы износа по центрирующему диаметру:

Y_D=15 мкм=0,015 мм.

Рассчитываем предельные размеры (по ГОСТ 7951-80) калибра-пробки по наружному центрирующему диаметру [3]:

Рассчитываем допустимый износ калибра-пробки по центрирующему диаметру:

Исполнительный размер калибра-пробки:



4. По ГОСТ 7951-80 для ширины зуба с допуском по 8-му квалитету точности (IT=8) для интервала св.6 до 10 мм находим значения [3]:

координату середины поля допуска калибра-пробки:

Z_b=12 мкм=0,012 мм;

допуск калибра-пробки по ширине паза:

H_b=4 мкм=0,004 мм;

значение границы износа по ширине паза:

Y_b=18 мкм=0,018 мм .

Рассчитываем предельные размеры калибра-пробки по ширине паза:

Рассчитываем допустимый износ калибра-пробки по центрирующему диаметру:

Исполнительный размер калибра-пробки:

5. По ГОСТ 25347 - 82 для нецентрирующего внутреннего диаметра с основным отклонением h и 8-го квалитета для интервала св.50 до 65 мм находим предельные отклонения [2]:

Рассчитываем предельные размеры калибра-пробки по нецентрирующему внутреннему размеру:

Исполнительный размер калибра-пробки:

Изображение и условное обозначение калибра-пробки выполняется по ГОСТ 24960-81 «Калибры для шлицевых прямобочных соединений».

Изобразим схему расположения допусков шлицевого соединения:

Для шлицевых прямобочных соединений предусмотрено три вида центрирования: по наружному диаметру D, по внутреннему диаметру d и по боковым поверхностям зубьев b.

Для контроля размеров шлицевой втулки и шлицевого вала применяют калибры. Шлицевой калибр-пробка с помощью направляющих вводится в отверстие контролируемой шлицевой втулки. Втулка годна, если калибр-пробка входит в отверстие шлицевой втулки.

Шлицевой калибр-кольцо имеет гладкую направляющую и шлицевую части (лист 2). Калибр-кольцо на контролируемый вал надевают гладкой направляющей частью. Вал годен, если кольцо проходит по шлицевому валу.

2.2 Выбор методов и средств неразрушающего контроля

Выбор метода неразрушающего контроля для заданных видов дефектов производим по таблице, представленной в учебнике под ред. Клюева В.В [7]:



Таблица 13

Методы неразрушающего контроля для заданных видов дефектов

Тип детали	Вид дефекта	Вид неразрушающего контроля
Корпус	Раковины шлаковые	Радиационный (4)
		Акустический (4)
	Неметаллические включения	Радиационный (4)
		Акустический (4)
Вал	Трещины закалочные	Магнитный (4)
		Капиллярный (4)
		Вихретоковый (4)
		Акустический (4)

Были выбраны акустический и радиационный НК.

2.3 Разработка схем приборов неразрушающего контроля

2.3.1 Акустический метод неразрушающего контроля

Акустический НК - вид НК, основанный на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых или возникающих в контролируемом объекте.

Классификация методов контроля

Известно много акустических методов неразрушающего контроля, некоторые из которых применяются в нескольких вариантах. Классификация акустических методов показана на рис. 6. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.

Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные - только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.

Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.

Методы прохождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону от контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект [7].

Рис. 13. Классификация акустических методов неразрушающего контроля

Исторически методы прохождения применяли только для обнаружения несплошностей, меняющих параметры сквозного сигнала вследствие образования за дефектом акустической тени. Поэтому их называли «теневыми». Однако затем эти методы начали использовать для контроля прочности, пористости, структуры и других параметров материала, не связанных с наличием тени. Поэтому теневой метод - частный случай метода прохождения.

Рис.14. Методы прохождения

К методам прохождения относят [7]:

амплитудный теневой метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды волны, прошедшей через контролируемый объект, вследствие наличия в нем дефекта (рис. 14, а);

временной теневой метод, базирующийся на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта (рис. 14,б); тип волны при этом не меняется;

метод многократной тени. Он аналогичен амплитудному методу прохождения, но о наличии дефекта судят по амплитуде сквозного сигнала (теневого импульса), многократно (обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чувствителен, чем теневой или зеркально-теневой, так как волны проходят через дефектную зону несколько раз, но менее помехоустойчив.

В фотоакустической микроскопии акустические колебания генерируются вследствие термоупругого эффекта при освещении образца модулированным световым потоком (например, импульсным лазером), сфокусированным на поверхности образца. Энергия светового потока, поглощаясь в материале, порождает

тепловую волну, параметры которой зависят от теплофизических характеристик объекта контроля. Тепловая волна приводит к появлению термоупругих колебаний, которые регистрируются, например, одним пьезоэлектрическим детектором.

Сканирование поверхности ОК лучом лазера синхронизовано с разверткой экрана дисплея. Сканируя лучом поверхность исследуемого объекта, можно получить информацию о его однородности.

Ультразвуковая реконструктивная томография - сквозное прозвучивание ОК по разным направлениям с выделением особенностей ОК, полученных при разных направлениях лучей.

Метод лазерного детектирования - метод визуального представления акустических полей в твердых средах. Визуализация достигается путем наблюдения за смещениями точек поверхности, вдоль которой распространяется УЗ волна, с помощью лазерного интерферометра.

*Термоакустический метод контроля называют также ультразвуковой локальной термографией. Метод состоит в том, что в объект контроля вводятся мощные низкочастотные (около 20 кГц) УЗ колебания. На дефекте происходит превращение УЗ колебаний в тепло. Повышение температуры фиксируется термовизором. УЗ колебания модулированы по амплитуде частотой в несколько герц. Такую же модуляцию будут иметь и тепловые волны. Это существенно повышает возможность регистрации и локализации дефектов.

*Велосиметрический метод, основанный на регистрации изменения скорости распространения дисперсионных мод упругих волн в зоне дефекта и применяемый при одностороннем и двустороннем доступе к контролируемому объекту (рис. 14, в). В этом методе обычно используют преобразователи с сухим точечным контактом. В варианте с односторонним доступом (рис. 14, верх) скорость возбуждаемой излучателем антисимметричной волны нулевого порядка (а₀) в отделенном дефектом слое меньше, чем в бездефектной зоне. При двустороннем доступе (рис. 14, внизу) в бездефектной зоне энергия передается продольной волной L, в зоне дефекта - волнами а₀, которые проходят больший путь и распространяются с

меньшими скоростями, чем продольная волна. Дефекты отмечаются по изменению фазы или увеличению времени прохождения (только в импульсном варианте) по контролируемому изделию.

В методах отражения используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии.

Эхо-метод (рис. 15, а) основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс I, импульс III, отраженный от противоположной поверхности (дна) изделия (донный сигнал) и эхо-сигнал от дефекта II. Время прихода импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. При совмещенной схеме контроля (рис. 15, а) один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приемника.

Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.

Акустическая микроскопия отличается от обычного эхо-метода повышением на один-два порядка частоты УЗ, применением острой фокусировки и автоматическим или механизированным сканированием объектов небольшого размера. В результате удается зафиксировать небольшие по размеру изменения акустических свойств в ОК. Метод позволяет достичь разрешающей способности в сотые доли миллиметра. Возможна акустическая микроскопия с использованием прохождения волн.

Рис. 15. Методы отражения

Когерентные методы отличаются от других методов отражения тем, что в качестве информативного параметра помимо амплитуды и времени прихода импульсов используется также фаза сигнала. Благодаря этому повышается на порядок разрешающая способность методов отражения и появляется возможность наблюдать изображения дефектов, близкие к реальным. Наиболее эффективным когерентным методом является компьютерная акустическая голография.

Эхо-зеркальный метод основан на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и дефекта, т.е. прошедших путь ABCD (рис. 15, б). Вариант этого метода, рассчитанный на выявление вертикальных дефектов в плоскости EF, называют методом тандем. Для его реализации при перемещении преобразователей А и D поддерживают постоянным значение 1_А + l_D = 2Н tga; для получения зеркального отражения от невертикальных дефектов значение l_A + l_D варьируют [7].

Один из вариантов метода, называемый «косой тандем», предусматривает расположение излучателя и приемника не в одной плоскости (рис. 15, б, вид в плане внизу), а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта.

Другой вариант эхо-зеркального метода - с трансформацией типов волн на дефекте (Т-тандем). Например, преобразователь 2 излучает поперечную волну под углом ввода а, большим 57° (для стали). Угол падения на вертикальный дефект 90° - а будет меньше третьего критического, поэтому произойдет частичная трансформация поперечной волны в продольную, направленную в сторону дна ОК. Продольная волна далее отразится от дна ОК и будет принята другим преобразователем.

Еще один вариант, называемый К-метод, предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия, например располагают приемник в точке С.

Дельта-метод (рис. 15, в) основан на приеме преобразователем для продольных волн 4, расположенным над дефектом, рассеянных на дефекте волн, излученных преобразователем для поперечных волн 2.

Дифракционно-временной метод (рис. 15, г), в котором излучатели 2 и 2', приемники 4 и 4' излучают и принимают либо продольные, либо поперечные волны, причем могут излучать и принимать разные типы волн. Преобразователи располагают так, чтобы получать максимумы эхо-сигналов волн, дифрагированных на концах дефекта. Измеряют амплитуды и время прихода сигналов от верхнего и нижнего концов дефекта.

Реверберационный метод (рис. 15, д) использует влияние дефекта на время затухания многократно отраженных ультразвуковых импульсов в контролируемое объекте. Например, при контроле клееной конструкции с наружным металлическим слоем и внутренним полимерным слоем дефект соединения препятствует передаче энергии во внутренний слой, что увеличивает время затухания многократных эхо-сигналов во внешнем слое Отражения импульсов в полимерном слое обычно отсутствуют вследствие большого затухания ультразвука в полимере.

Конструкции преобразователей

Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) - устройство, предназначенное для преобразования электрической (акустической) энергии в акустическую (электрическую). Принцип работы преобразователя основан на использовании пьезоэлектрического эффекта.

Наиболее широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии получили контактные преобразователи. Конструкции основных типов преобразователей приведены на рис. 16.

Рис.16. Конструкции пьезопреобразователей



Пьезопластина 1 в контактном прямом совмещенном пьезопреобразователе (рис. 16, а) приклеена или прижата с одной стороны к демпферу 2, с другой - к протектору 3.

Пьезопластину, демпфер и протектор, склеенные между собой, называют вибратором. Вибратор размещен в корпусе 6. С помощью выводов 7 пьезопластину соединяют с электронным блоком дефектоскопа. Контактная жидкость (смазочный материал) 4 обеспечивает передачу упругих колебаний ультразвуковой частоты преобразователя к контролируемому изделию 5 и наоборот.

Прямые преобразователи предназначены для возбуждения продольных волн. В контактных наклонных совмещенных преобразователях (рис. 16, б) для ввода ультразвуковых колебаний под углом к поверхности контролируемого изделия применяют призму 8. Эти преобразователи предназначены для возбуждения в основном сдвиговых (поперечных) и поверхностных волн, а также продольных волн, наклонных к поверхности контролируемого объекта.

Вибратор контактных раздельно-совмещенных преобразователей (рис. 16, в) состоит из двух призм 8 с приклеенными к ним пьезопластинами 1, которые разделены электроакустическим экраном 9. Он служит для предотвращения прямой передачи сигналов от излучающей пьезопластины, подключенной к генератору, к приемной пьезопластине, подключенной к усилителю электронного блока дефектоскопа.

Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны ультразвука в пьезоматериале на рабочей частоте. Противоположные поверхности пьезопластины покрыты металлическими (обычно серебряными) электродами для приложения электрического поля. Во избежание пробоя область по краям пластины не металлизируют. Формой электродов определяются работающие участки пьезопластины. На высоких частотах (20 ... 30 МГц) присоединенная масса электродов смещает резонансную частоту пьезопластины в область более низких частот.

Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины, управления добротностью преобразователя и защиты пьезопластины от механических повреждений. Материал и форма демпфера должны обеспечивать достаточное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера без возвращения их к пластине. Ослабление колебаний пьезопластины тем сильнее, чем лучше согласованы характеристические импедансы материалов пьезопластины и демпфера.

Демпферы обычно изготавливают из искусственных смол (эпоксидных) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью, необходимой для получения требуемого характеристического импеданса. Для уменьшения многократных отражений демпфер выполняют в виде конуса, либо тыльную поверхность демпфера выполняют непараллельной пьезопластине. либо в материал демпфера вводят рассеиватели.

Протектор служит для защиты пьезопластнны от механических повреждений и воздействия иммерсионной или контактной жидкости, согласования материала пьезопластины с материалом контролируемого изделия или средой, улучшения акустического контакта при контроле контактным способом. Материал протектора должен обладать высокой износостойкостью и высокой скоростью звука, которая определяет необходимую толщину. Последняя обычно выбирается равной 0,1…0,5 мм.

Для изготовления протекторов применяют кварц, сапфир, бериллий, сталь, твердые сплавы, керамику, а также материалы на основе эпоксидных смол с порошковыми наполнителями (кварцевый песок, корундовый порошок) и т.п.

Для обеспечения стабильности акустического контакта протектор делают из эластичного материала с большим затуханием ультразвука и волновым сопротивлением, близким к сопротивлению контактной жидкости, например из пленки полиуретана. Такой протектор облегает неровности поверхности изделия и способствует устранению интерференции в слое контактной жидкости, т.е. основной причины нестабильности контакта [7].

Для улучшения передачи ультразвука от пьезопластины в иммерсионную жидкость используют четвертьволновые протекторы, обеспечивающие просветление границы пьезопластина -- жидкость.

Призму изготовляют обычно из материала с небольшой скоростью звука (оргстекло, капролон, поликарбонат, полиамидоимид, деклон, эпоксидные компаунды), что позволяет при относительно небольших углах падения получать углы преломления до 90°. Высокое затухание ультразвука в призме обеспечивает ослабление не вошедшей в изделие волны, которое увеличивается в результате многократных отражений. Для улучшения этого эффекта в призме часто предусматривается ловушка, удлиняющая путь отраженных колебаний. На пути этих колебаний располагают зоны небольших отверстий, грани призмы выполняют ребристыми или приклеивают к ним материалы с приблизительно одинаковым характеристическим импедансом, но со значительно большим затуханием.

Для того чтобы в изделие проходили волны только одного типа, угол падения (наклона призмы) делают либо небольшим (при этом поперечные волны практически не возбуждаются), либо в интервале между первым и вторым критическим углами. В этом случае при переходе из призмы в изделие излучаемые пьезопластиной продольные волны трансформируются в поперечные. Для пары оргстекло - сталь эти условия выполняются при углах < 7° и 28° < < 58°. Призмы с малыми углами используют обычно в раздельно-совмещенных, а с большими углами - в наклонных преобразователях. Кроме того, призмы с углами 27 и 60° используют для возбуждения

головной волны и поверхностной волны Рэлея соответственно.

Для возбуждения наклонных к поверхности продольных волн призмы делают с углами 18 ... 24°. Такие преобразователи применяют для контроля сварных соединений из аустенитных сталей. Поперечные волны в изделиях в этом случае являются источником помех.

Для получения произвольных углов ввода применяют универсальные (с переменным углом ввода) преобразователи, в которых с помощью простого механизма пьезоэлемент перемещают по окружности полуцилиндра либо изменяют его положение внутри призмы или локальной ванны.

В раздельно-совмещенных преобразователях призма должна удовлетворять дополнительным требованиям. Например, в толщинометрии важно, чтобы время прохождения колебаний сквозь призму не зависело от температуры, поэтому в этом случае призму изготовляют, например, из плавленого кварца, имеющего малые температурные коэффициенты линейного расширения и изменения скорости ультразвука.

Корпус служит для обеспечения прочности конструкции, а также для экранирования от электромагнитных помех, поэтому корпус из пластмассы металлизируют.

Электрические контакты выполняют пайкой легкоплавкими припоями, особенно на пьезокерамических пластинах, во избежание их располяризации.

Для соединения преобразователя с электронным блоком дефектоскопа применяют максимально гибкий кабель (микрофонный или коаксиальный). Часто для согласования с электронным блоком дефектоскопа внутри корпуса преобразователя размещают трансформатор, катушку индуктивности, резистор, а иногда и предварительный усилитель.

Ультразвуковой эхо-метод

Ультразвуковой эхо-дефектоскоп предназначен для обнаружения несплошностей и неоднородностей в изделии, определения их координат и размеров и характера путем излучения импульсов ультразвуковых колебаний, приема и регистрации отраженных от неоднородностей эхо-сигналов [7].

Преобразователь 2 служит для преобразования электрических колебаний в ультразвуковые, излучения УЗ-полей в изделие, приема эхо-сигналов от отражающих поверхностей в изделии 1.

Синхронизатор 3 обеспечивает синхронную работу узлов дефектоскопа, запуская генератор 4 импульсов возбуждения преобразователя, глубиномер 12, а также генератор развертки 10. Роль синхронизатора иногда выполняет генератор зондирующих импульсов.

Рис.17.Структурная схема эхо-дефектоскопа

Генератор 4 импульсов возбуждения преобразователя вырабатывает высокочастотные электрические импульсы, возбуждающие преобразователь. Обычно генерируются ударные экспоненциально затухающие импульсы, хотя энергетически более рациональной их формой является колоколообразная. В некоторых приборах регулируются амплитуда и длительность генерируемых импульсов.

Приемно-усилительный тракт состоит из усилителя высокой частоты (УВЧ) 6, детектора 7 и видеоусилителя 8. УВЧ выполняется апериодическим (широкополосным) или резонансным. Коэффициент усиления УВЧ во времени регулируется напряжением, подаваемым с блока 9 временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ).



Особенностью усилителя высокой частоты является требование малого времени x_v восстановления чувствительности после воздействия импульса генератора (в случае включения преобразователя по совмещение схеме). На входе (или вблизи входа) усилителя включают калибровочный аттенюатор 5 для относительного измерения амплитуд эхо-сигналов.

Детектор или видеоусилитель обычно снабжают регулируемой отсечкой шумов, исключающей прохождение на выход дефектоскопа сигналов небольшой амплитуды (в том числе шумов). Особенно эффективна компенсированная отсечка, при которой восстанавливаете амплитуда оставшихся после отсечки сигналов. Во многих приборах детектор можно отключать, чтобы на экране 14 наблюдать истинную форму принимаемых импульсов.

Блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) уменьшает коэффициент усиления усилителя в момент излучения кодирующего импульса, а затем восстанавливает его по определенному закону, обеспечивающему компенсацию уменьшения амплитуд с увеличением глубины залегания дефекта. Его также называют блоком временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Но многих приборах система ВАРУ приближенно обеспечивает постоянство предельной чувствительности по глубине.

Генератор развертки 10 предназначен для формирования напряжения развертки луча на экране 14, получения импульсов подсвета и селектирующих импульсов (длительность развертки и селектирующего импульса выбирают с учетом толщины контролируемого слоя).

Рис. 18. Развертка

1. Горизонтальная развертка типа А (рис. 18, а) синхронизирована с перемещением импульса в изделии. Отклонение луча в вертикальном направлении пропорционально амплитуде принятого эхо-сигнала. Сигнал 1 соответствует зондирующему импульсу, сигнал 2 -- донному сигналу; между ними располагается эхо-сигнал 3 от дефекта.

2. Если часть пути ультразвука проходит по неконтролируемой среде, например иммерсионной жидкости, то начало развертки задерживается на постоянный интервал времени или она запускается начальным сигналом 4,отраженным от поверхности изделия (рис.18, б). Задержанная развертка применяется также для увеличения масштаба изображения некоторого участка экрана ЭЛТ («лупа времени»). Штриховыми линиями изображены сигналы, которые при правильной настройке не видимы на экране ЭЛТ. К ним относится, например, импульс 5, соответствующий двукратному прохождению УЗК в иммерсионной жидкости. Для того чтобы оп не попадал в зону, в которой может появиться эхо-сигнал от дефекта, должно выполняться неравенство

,

где r_ж и r -- пути в иммерсионной жидкости и изделии; с_ж и с -- скорости звука в этих средах.

3. Развертка типа В (рис.18, в) представляет собой сечение контролируемого изделия. Отклонение луча по вертикали пропорционально времени пробега импульса в изделии, отклонение по горизонтали -- перемещению искателя по поверхности изделия. Принятые начальный 4 и донный 2 импульсы и эхо-сигнал 3 от дефекта управляют подсветкой луча ЭЛТ. Развертка может быть получена только на ЭЛТ с послесвечением или на самописце.

4. Развертка типа С (рис.18, г) представляет план участка изделия.

Вертикальное и горизонтальное отклонения луча соответствуют перемещению искателя в двух направлениях по поверхности изделия. Эхосигналы 3 от дефектов управляют подсветкой луча ЭЛТ. Развертка может быть получена на ЭЛТ с длительным послесвечением пли на самописце.

В ряде случаев функции генератора развертки и глубиномера совмещаются. Задержанная развертка применяется также для увеличения масштаба изображения некоторого участка экрана («лупа времени»).

Глубиномер 12 служит для определения координат отражателей (дефектов) путем измерения времени пробега импульса до отражателя и обратно. Он выполнен в виде шкалы на экране или устройства, генерирующего вспомогательный импульс, перемещаемый по линии развертки при повороте калиброванной шкалы, либо серию вспомогательных импульсов, разделенных заданными интервалами. В наиболее совершенном виде устройство дает цифровую индикацию расстояния от преобразователя до отражающей УЗК неоднородности [7].

Индикатором служит электроннолучевая трубка, однако в дефектоскопах последних выпусков индикатором является плазменный или жидкокристаллический дисплей. Такие экраны портативны и более экономичны.

Автоматический сигнализатор дефектов 13 предназначен для подачи звукового или светового сигнала при одновременном поступлении на каскад совпадений селектирующего сигнала и видеосигналов, что освобождает оператора от необходимости одновременного наблюдения за экраном дефектоскопа и перемещаемым преобразователем.

Дефектоскопы разделяют на два типа: общего назначения и специализированные. Дефектоскопы общего назначения - это дефектоскопы, на которые в стандартах и технических условиях не установлен конкретный объект контроля, специализированные дефектоскопы - дефектоскопы, на которые в стандартах и технических условиях установлен тип контролируемого изделия.

Дефектоскопы общего назначения предназначены для использования в производственно-монтажных и в лабораторных условиях, а также для комплектации автоматизированных установок.

К дефектоскопам, используемым в производственно-монтажных условиях, предъявляются требования небольшой массы, простоты управления и способности работать в автономном режиме. Приборы для использования в лабораторных условиях, как правило, более универсальны. Они имеют большее число регулируемых узлов, снабжены блоками коммутации для совместной работы нескольких приборов. Приборы для комплектации автоматизированных установок обычно выполняются со сменными узлами, что позволяет расширить их функциональные возможности.

В современных дефектоскопах широко используют элементы вычислительной техники для настройки в диалоговом режиме работы, быстрого воспроизведения

режимов настройки на контроль определенных изделий, автоматического измерения характеристик дефектов.

2.3.2 Магнитный метод неразрушающего контроля

Магнитный вид неразрушающего контроля применяют в основном для контроля изделий из ферромагнитных материалов, т.е. из материалов, которые способны существенно изменять свои магнитные характеристики под воздействием внешнего (намагничивающего) магнитного поля. Операция намагничивания (помещения изделия в магнитное поле) при этом виде контроля является обязательной. Съем информации может быть осуществлен с полного сечения образца (изделия) либо с его поверхности.

По способу получения первичной информации различают следующие методы магнитного вида контроля: магнитопорошковый (МП), магнитографический (МП), феррозондовый (ФЗ), эффекта Холла (ЭХ), индукционный (И), пондеромоторный (ПМ), магниторезисторный (МР). С их помощью можно осуществить контроль: сплошности (методами дефектоскопии) (МП, МГ, ФЗ, ЭХ, И); размеров (ФЗ, ЭХ, И, ПМ); структуры и механических свойств (ФЗ, ЭХ, И).

Из перечисленных методов только магнитопорошковый требует обязательного участия в контрольных операциях человека; остальные методы позволяют получать первичную информацию в виде электрических сигналов, что делает возможным полную автоматизацию процессов контроля. Методы МП и МГ обнаружения несплошностей являются контактными, т.е. требуют соприкосновения преобразователя (магнитный порошок или магнитная лента) с поверхностью изделия; при остальных методах контроля съем информации осуществляется бесконтактно (хотя и на достаточно близких расстояниях от поверхности) [7].

С помощью магнитных методов могут быть выявлены закалочные и шлифовочные трещины, волосовины, закаты, усталостные трещины и другие поверхностные дефекты шириной раскрытия несколько микрометров. Такие методы, как ФЗ, ЭХ, И, МГ, можно использовать на грубых поверхностях, при этом минимальная глубина выявляемых дефектов составляет трехкратную высоту шероховатостей поверхности. С помощью магнитных методов могут быть выявлены закалочные и шлифовочные

трещины, волосовины, закаты, усталостные трещины и другие поверхностные дефекты шириной раскрытия несколько микрометров. Такие методы, как ФЗ, ЭХ, И, МГ, можно использовать на грубых поверхностях, при этом минимальная глубина выявляемых дефектов составляет трехкратную высоту шероховатостей поверхности.

Из геометрических параметров с помощью магнитных методов наиболее часто определяют толщину немагнитных покрытий на магнитной основе, толщину стенок изделии из магнитных и немагнитных материалов.

Контроль структуры и механических свойств изделий осуществляют путем установления корреляционных связей между контролируемым параметром (температурой закалки и отпуска, твердостью и т.д.) и какой-либо магнитной характеристикой (или несколькими).

Магнитные преобразователи

В подавляющем большинстве случаев при магнитном контроле приходится иметь дело с измерением или индикацией магнитных полей вблизи поверхности изделий. Для этого применяют различные магнитные преобразователи, из которых наиболее широкое распространение получили индукционные, феррозондовые, холловские и магниторезистивные. В магнитопорошковых и магнитографических установках применяют различные порошки и ленты [7].

Магнитопорошковые дефектоскопы

Магнитопорошковый дефектоскоп - устройство для выявления нарушений сплошности в изделиях с использованием в качестве индикатора магнитных порошков (магнитолюминесцентных, магниторадиоактивных и др.)

Запись полей дефектов на магнитной ленте воспроизводится с помощью магнитографических дефектоскопов.

Принципиальное устройство магнитографического дефектоскопа рассмотрим на примере универсального прибора МДУ-2У. Его блок-схема показана на рис.19.

Рис. 19. Блок-схема дефектоскопа МДУ-2У:

1 -- блок считывания; 2 -- предварительный усилитель; 3 -- усилитель канала импульсной индикации; 4 -- усилитель канала видеоиндикации; 5 - усилитель импульсов подсветки; 6 -- генератор строчной развертки; 7 - генератор кадровой развертки; 8 -- блок питания; 9 -- электронно-лучевая трубка.

Блок считывания 1 состоит из барабана с двумя магнитными головками (типа магнитофонных). На оси барабана укреплена фотоэлектронная система с обтюраторами, позволяющая осуществлять синхронизацию и селекцию сигналов, поступающих в каналы воспроизведения. Съем сигналов с головок осуществлен с помощью контактных колец и щеток. В блоке считывания 1 имеются устройства запуска разверток (кадровой и строчной) для прижима и продольной подачи ленты при считывании, а также редуктор для привода кадровой развертки.

Сигналы с головок перед подачей в каналы видимой и импульсной индикации усиливаются в блоке предварительного усилителя 2, после чего разделяются по двум каналам. После усиления каналом импульсной индикации 3 сигналы подаются на горизонтально отклоняющие пластины нижней половины электроннолучевой трубки 9. В этой части трубки индикация дефектов воспроизводится в виде импульсов.

Канал видимой индикации 4 служит для преобразования сигналов записи в темные полосы, свидетельствующие о наличии дефектов. Усилитель видимой индикации состоит из двух каскадов; на входе второго из них сигнал записи смешивается с импульсами подсветки, поступающими с усилителя подсветки 5.

Импульсы подсветки поступают в канал видимой индикации, когда одна из головок проходит по магнитной ленте (считывает).

С выхода канала 4 снимаются модулированные сигналы, поступающие на управляющую сетку верхней половины трубки 9. На экране ее получается видимое (телевизионное) изображение дефекта.

Генератор строчной развертки 6 подает пилообразное напряжение на вертикально отклоняющие пластины верхней и нижней половины трубки 9. Генератор кадровой развертки 7 подает пилообразные импульсы на горизонтально отклоняющие пластины верхней половины трубки.

Магнитографический метод нашел наиболее широкое применение в нашей стране для контроля стыковых сварных соединений. За рубежом он применяется для контроля цилиндрических и четырехгранных заготовок на поверхностные дефекты [7].

На рис. 20 показана принципиальная схема автоматического магнитографического устройства. Она отличается тем, что запись полей дефектов осуществляется на непрерывную магнитную ленту, выполненную в форме замкнутой петли. Запись производится при соприкосновении ленты с изделием (в данном случае цилиндрическим), приводимым в поступательно-вращательное движение. Затем движущаяся лента проходит около считывающих головок, сигнал которых может обрабатываться обычным способом (видимая или импульсная индикация) или записываться на бумажную ленту. Для обозначения места дефекта можно применять различные дефектоотметчики, срабатывающие по регулируемому максимальному сигналу. После узла считывания непрерывная магнитная лента проходит мимо стирающей головки, размагничивается и снова готова к записи магнитных полей дефектов.

Рис. 20. Принципиальная схема записи дефектов на бесконечную магнитную ленту при автоматизированном магнитографическом кроле:

1 -- петля магнитной ленты; 2 -- электромагниты; 3 -- натяжной ролик; 4 - ролики направляющие; 5 -- механизм протяжки ленты; 6 -- считывающая головка; 7 -- стирающая головка.

Настройка магнитографических дефектоскопов осуществляется по эталонным магнитным лентам. Эталонные ленты намагничивают на специальных контрольных стыках, сваренных по принятой на данном предприятии технологии, из сталей, применяемых на нем.

Основные узлы дефектоскопа следующие: источники тока, устройства для подвода тока к детали, устройства для полюсного намагничивания (соленоиды, электромагниты), устройства для нанесения на контролируемую деталь магнитной суспензии (или сухого порошка), осветительные устройства, измерители тока (или напряженности магнитного поля) [7].

В зависимости от назначения в дефектоскопах могут быть не все из перечисленных узлов, но могут быть и дополнительные узлы (например, узлы для автоматического перемещения детали и механической разбраковки, дефектоотметчики и т.п.).

В дефектоскопах наиболее широкое распространение получили циркулярное намагничивание пропусканием переменного тока по детали (или через стержень, помещенный в отверстие детали) и продольное намагничивание (постоянным выпрямленным) током. В дефектоскопах используют также импульсные конденсаторные источники тока. В специализированных дефектоскопах (реже в универсальных) широко применяют индукционный способ намагничивания.

Для магнитопорошкового контроля в основном применяют дефектоскопы трех видов [7]:

1) стационарные универсальные;

2) передвижные и переносные универсальные;

3) специализированные (стационарные, передвижные, переносные).

Стационарные универсальные дефектоскопы получили широкое распространение на предприятиях крупносерийного (или мелкосерийного) производства разнотипных деталей. Такими дефектоскопами можно контролировать детали различной конфигурации с производительностью от десятков до многих сотен деталей в час. Скорость контроля значительно возрастает при использовании люминесцентного магнитного способа.

С помощью стационарных универсальных дефектоскопов можно производить намагничивание всеми известными способами (циркулярное, полюсное, комбинированное), контроль в приложенном поле и способом остаточной намагниченности.

Широкое распространение получили переносные и передвижные (менее мощные) дефектоскопы. Как правило, они представляют собой источники переменного, постоянного (однополупериодно-выпрямленного) и реже - импульсного тока. Иногда один дефектоскоп позволяет работать с двумя видами тока.

Передвижные и переносные универсальные дефектоскопы предназначены для намагничивания и контроля деталей в условиях, когда невозможно применять стационарные дефектоскопы, например при намагничивании крупногабаритных деталей по частям, в случае работы в полевых условиях и т.п. Как правило, такие дефектоскопы снабжают комплектом деталей для контроля (сухие порошки и устройства для их напыления, сосуды с суспензией и т.п.).

Переносные и передвижные универсальные дефектоскопы позволяют производить циркулярное намагничивание с помощью токовых контактов, помещаемых на участке детали, продольное намагничивание с помощью кабеля, навиваемого на деталь, или иногда с помощью электромагнита.

Необходимой принадлежностью магнитопорошковых дефектоскопов являются контрольные образцы с тонкими дефектами. Они помогают установить, что оборудование и материалы для контроля являются качественными, а технология контроля соблюдается достаточно точно.

Чувствительность магнитопорошкового метода, определяемая минимальными размерами обнаруживаемых дефектов, зависит от многих факторов, таких как магнитные характеристики материала контролируемой детали, ее формы и размеров, характера (типа) выявляемых дефектов, чистоты обработки поверхности детали. Режима контроля, свойств применяемого магнитного порошка, способа нанесения суспензии, освещенности контролируемого участка детали и т.п.

Магнитное поле дефекта, индикация которого дает возможность его обнаружить, тем больше, чем выше индукция материала и меньше нормальная и дифференциальная магнитные проницаемости. Наилучшими являются условия выявления дефектов в деталях в форме тел вращения (цилиндрах, трубах и т.п.), намагниченных циркулярно. В деталях, намагниченных так, что на их концах или выступах образуются полюсы, создающие поле обратного направления по отношению к намагничивающему полю, трудно обнаружить дефекты. При контроле в приложенном продольном магнитном поле его напряженность должна быть больше (иногда значительно), чем при циркулярном намагничивании, для того, чтобы компенсировать само размагничивание детали.

При контроле способом остаточной намагниченности индукция в детали, намагниченной продольно, из-за ее само размагничивания может быть значительно ниже остаточной индукции, необходимой для обнаружения дефектов. Кроме того, при наличии выступов и резких переходов в детали в ряде случаев создаются локальные магнитные поля, которые притягивают частицы магнитного порошка, что может вводить в заблуждение контролера [7].

Чувствительность метода зависит от типа дефекта. Дефекты обтекаемой формы с округлыми краями выявляются хуже, чем дефекты с острыми краями. Например, волосовины выявляются значительно труднее, чем трещины.

На чувствительность контроля оказывает влияние местоположение дефекта в детали. Подповерхностные дефекты обнаруживаются хуже, чем поверхностные. До глубины залегания примерно 100 мкм чувствительность к обнаружению подповерхностных дефектов практически не уменьшается.

Существенное влияние на чувствительность метода оказывает чистота обработки поверхности контролируемого объекта. Высокая чувствительность контроля может быть достигнута при шероховатости контролируемой поверхности Ra = 1,6 мкм. Если шероховатость контролируемой поверхности Rz = 40 мкм, то при прочих равных условиях могут быть обнаружены дефекты, примерно в 2 раза более грубые, т.е. с раскрытием вдвое большим при равном отношении глубины к раскрытию или со значительно большей глубиной. Это связано с тем, что на шероховатой поверхности

создаются локальные магнитные поля, вызывающие осаждение порошка в виде вуали, на фоне которой тонкие дефекты становятся невидимыми.

Режим контроля определяет возможность обнаружения дефектов требуемых размеров, характеризуется напряженностью намагничивающего поля, способом контроля (в приложенном поле или на остаточной намагниченности) и способом намагничивания.

Наивысшая чувствительность контроля имеет место в случае, когда направление магнитного потока в детали перпендикулярно к направлению выявляемых дефектов.

Для обнаружения дефектов любых направлении применяют намагничивание в двух (или более) взаимно перпендикулярных направлениях или комбинированное.

Свойства применяемых магнитных порошков имеют существенное значение для обеспечения требуемой чувствительности контроля. Интегральным свойством порошков для магнитной дефектоскопии является их выявляемость, т.е. способность обнаруживать тонкие дефекты, размеры которых определяют наивысшую чувствительность метода.

Освещенность места контроля должна быть такой, чтобы валик магнитного или люминесцентного магнитного порошка над дефектом был хорошо различим на поверхности детали. При использовании ламп накаливания и в случае естественного освещения освещенность поверхности детали должна быть не менее 1000 лк. При этом следует применять комбинированное освещение (общее и местное). Освещенность можно проверить с помощью люксметра типа Ю-116 или аналогичного при расположении его преобразователя на поверхности контролируемой детали в зоне осмотра [7].

На деталях из некоторых материалов с высокими магнитными свойствами могут быть обнаружены поверхностные дефекты с раскрытием не более 1 мкм и глубиной более 10 мкм. Однако такая высокая чувствительность недостижима для большинства ферромагнитных материалов. Поэтому высшая чувствительность метода ограничена дефектами с раскрытием (шириной) от 12,5 мкм и глубиной от 25 мкм.

Магнитопорошковый контроль состоит из следующих операций:

§ подготовки детали к контролю,

§ намагничивании детали,

§ нанесении на деталь магнитного порошка или суспензии,

§ осмотра детали,

§ разбраковки,

§ размагничивания.

Подготовка детали к контролю заключается в очистке поверхности детали от отслаивающейся ржавчины, грязи, а также от смазочных материалов и масел, если контроль проводится с помощью водной суспензии или сухого порошка. Если поверхность детали темная и черный магнитный порошок на ней плохо виден, то деталь иногда покрывают тонким просвечивающим слоем белой краски (обычно нитролаком).

Как правило, защитные покрытия на деталях небольшой толшины не ухудшают условий контроля, за исключением электроизоляционных покрытий, которые мешают пропусканию тока через деталь. В этом случае контроль проводят до нанесения покрытия, или удалив покрытие с части детали, или не пропуская ток через деталь. Если толщина покрытий от 20 до 150 мкм то применяют специальные режимы контроля. Детали, покрытые гидрофобной пленкой, водной суспензией не смачиваются, и поэтому при их контроле используют масляную или керосино-масляную суспензию.

Намагничивание детали является одной из основных операций контроля. От правильного выбора способа, направления и вида намагничивания, а также рода тока во многом зависят чувствительность и возможность обнаружения дефектов.

Считают, что постоянный ток наиболее удобен для выявления внутренних дефектов (на расстоянии от поверхности до 2 ... 3 мм). Однако детали с толщиной стенки более 20 ... 25 мм не следует намагничивать постоянным током, так как такие детали после контроля практически невозможно размагнитить. Кроме того, внутренние дефекты можно выявить с помощью переменного (и импульсного) тока, если его амплитуду увеличить в 1,5 ... 2,5 раза по сравнению с амплитудой тока, рассчитанной для выявления поверхностных дефектов. Это справедливо для контроля способом приложенного тока и способом остаточной намагниченности.

Как правило, оборудование для магнитопорошкового контроля позволяет осуществлять циркулярное намагничивание тремя способами: пропусканием тока по детали или через стержень, проходящий в отверстие детали; с помощью контактов, прижимаемых к детали (ток при этом проходит между контактами и намагничивает часть поверхности детали в первом приближении в форме эллипса; большая ось равна расстоянию между контактами, а меньшая 1/2 ... 2/3 этого расстояния), а также с помощью нескольких витков провода, проходящих в отверстие детали и охватывающих частью витка снаружи.

Продольное намагничивание чаще осуществляют с помощью соленоида и реже с помощью электромагнитов (еще реже применяют постоянные магниты). При работе с соленоидом следует иметь в виду, что напряженность поля резко падает при удалении его от края, что ограничивает рабочую зону.

Комбинированное намагничивание возможно только при контроле способом приложенного поля. При этом, необходимо учитывать подвижность порошка в суспензии.

При полюсном намагничивании деталей и контроле способом остаточной намагниченности величина последней может быть значительно меньше требуемого из-за саморазмагничиваюшего поля полюсов детали. Поэтому при контроле способом приложенного поля внешнее намагничивающее поле должно быть таким, чтобы оно могло компенсировать магнитное поле полюсов.

Оптимальный способ нанесения суспензии заключается в окунании детали в бак, в котором суспензия хорошо перемешана, и в медленном удалении из него. Однако этот способ не всегда технологичен. Чаще суспензию наносят с помощью шланга или душа. Напор струи должен быть достаточно слабым, чтобы не смывался магнитный порошок с дефектных мест. При сухом методе контроля эти требования относятся к давлению воздушной струи, с помощью которой магнитный порошок наносят на деталь. Время стекания с детали дисперсной среды, имеющей большую вязкость (например, трансформаторного масла), относительно велико, поэтому производительность труда контролера уменьшается.

Действие прибора для контроля магнитных порошков и суспензий основано на создании искусственного, контролируемого по величине локального магнитного поля на магнитной ленте. Разработанная методика индикации этого поля с помощью контролируемых магнитных порошков (суспензий) позволяет с высокой точностью определять их качество (выявляемость). Могут быть разбракованы магнитные и люминесцентные магнитные порошки, выявляемость которых различается на 10-15%.

Контролер должен осмотреть деталь после стекания с нее основной массы суспензии, когда картина отложений порошка становится неизменной.

Это положение относится к контролю способами приложенного поля и остаточной намагниченности. Различие заключается в следующем. В первом случае суспензия стекает с детали во время ее намагничивания. Этот способ применяют, когда магнитные характеристики материала детали таковы, что при выключении намагничивания магнитное поле дефекта уменьшается до такой степени, что не может удерживать частицы порошка. В случае, когда при намагничивании деталь сильно нагревается или имеется опасность прижогов мест соприкосновения с токовыми контактами, намагничивание можно периодически прерывать. При этом время действия магнитного поля (время прохождения тока по детали) может составлять 0,1 ... 0,5 с, а перерывы 1…2 с. Чем меньше вязкость суспензии, тем длительнее должно быть время действия тока и меньше перерывы.

При контроле способом остаточной намагниченности намагничивание, нанесение суспензии и осмотр могут быть разделены во времени промежутком до 1 ч.

Детали проверяют визуально, но в сомнительных случаях и для расшифровки характера дефектов применяют оптические приборы, тип и увеличение которых устанавливают по нормативным документам. Увеличение оптических средств не должно превышать 10^х.

Разбраковку деталей по результатам контроля должен производить опытный контролер. На рабочем месте контролера необходимо иметь фотографии дефектов или их дефектограммы (реплики с отложениями порошка, снятые с дефектных мест, с помощью клейкой ленты или другими способами), а также контрольные образцы с минимальными размерами недопустимых дефектов.

Вид и форма валиков магнитного и люминесцентного магнитного порошка во многих случаях помогают распознать нарушения сплошности. Труднее выявить дефекты в виде тонких волосовин. В большинстве сталей они могут быть обнаружены только способом приложенного поля. Отложения порошка на волосовинах имеют вид прямых или слегка изогнутых тонких линий. Степень четкости валиков порошка зависит от отношения глубины волосовин к их раскрытию и их расположения относительно поверхности контролируемой детали [7].

Легче обнаруживаются термические, сварочные, шлифовочные и усталостные трещины. Осаждение порошка над трещинами имеет вид четких ломаных пиний с плотным осаждением порошка. Шлифовочные трещины, как правило, обнаруживаются в виде сетки или тонких черточек, направление которых перпендикулярно к направлению шлифования. Закалочные трещины могут быть обнаружены при заниженных режимах контроля (меньшей напряженности поля, чем это требуется для соответствующих уровней чувствительности) или способом остаточной намагниченности на материалах с низкой остаточной индукцией.

Характерную форму имеют валики магнитного порошка, осевшие над флокенами. Обычно это четкие и резкие короткие черточки, иногда искривленные, расположенные группами (реже одиночные). Заковы дают отложения порошка в виде плавно изогнутых линий.

Поры и другие точечные дефекты выявляются в виде коротких полосок порошка, направление которых перпендикулярно к направлению намагничивания. При изменении направления намагничивания соответственно меняется направление валика порошка над порой.

Во многих случаях можно примерно оценить глубину дефектов, изменяя режимы и способ контроля. Дефекты с большим отношением глубины к раскрытию могут быть обнаружены при небольших намагничивающих полях, а также способом остаточной намагниченности.

Подповерхностные дефекты дают менее четкое отложение валика порошка и, как правило, могут быть обнаружены (при глубине залегания более 200 ... 300 мкм) только способом приложенного поля.