Сравнение компьютерной томографии с ультразвуковым методом контроля

Язык труда и переводы:
УДК:
620.192.46
Дата публикации:
22 сентября 2021, 12:39
Категория:
А8. Материаловедение
Авторы
Аннотация:
Исследованы детали и заготовки, изготовленные из алюминиевых сплавов с использованием ультразвукового контроля и компьютерной томографии. Показан перспективный метод неразрушающего контроля — компьютерная томография и рассмотрены ее преимущества по сравнению с ультразвуковым методом контроля. Часто при контроле деталей из металлических материалов возникают сложности в определении характера неоднородностей и природы их возникновения. Исследования проводили на деталях и заготовках, изготовленных из алюминиевого сплава АМг6, следующими методами контроля: ультразвуковым, компьютерной томографией. Томографию деталей и заготовок осуществляли промышленным компьютерным томографом V|tome|x m 300 General Electric.
Ключевые слова:
неразрушающий контроль, томограф, дефектоскопы, ультразвуковой контроль, компьютерная томография
Основной текст труда

Введение

Часто при контроле деталей из металлических материалов возникают сложности в определении характера неоднородностей и природы их возникновения. Цель настоящей статьи — показать целесообразность применения томографии как дополнительного источника информации при формировании экспертного мнения по этим неоднородностям на примере алюминиевого сплава АМг6.

Исследования проводили на деталях и заготовках, изготовленных из алюминиевого сплава АМг6, следующими методами контроля: ультразвуковым (УЗК), компьютерной томографией (КТ). Томографию деталей и заготовок осуществляли промышленным компьютерным томографом V|tome|x m 300 General Electric (Германия) [1, 2]. Факультативно КТ проводилась на четвертом (УЗК поковок) этапе производства деталей, где соответственно сравнивался УЗК с КТ.

Сравнение компьютерной томографии с ультразвуковым методом контроля

Рассмотрим неоднородности в материале изделия, которые помогла выявить КТ на этапе УЗК поковок. По сравнению с другими способами контроля УЗК имеет следующие основные преимущества:

  • лучшее выявление плоскостных дефектов;
  • высокая скорость контроля;
  • безопасность для персонала.

При определенных недостатках УЗК (необходимость разработки специальных методик и ультразвуковых преобразователей для каждой контролируемой детали для изделий с неплоской поверхностью; относительная сложность расшифровки результатов контроля, определения места расположения, размера и характера дефекта) этот метод контроля благодаря высокой производительности и малой стоимости является наиболее распространенным.

Ультразвуковой контроль полуфабрикатов из алюминиевого сплава АМг6 проводили эхо-методом спомощью дефектоскопа УД9812 совместно с преобразователями П111-2,5-14 и П112-2,5-14. Вследствие сложности расположения несплошностей в объекте контроля примененяли преобразователи с частотой 2,5 МГц. Использование более высоких частот при контроле оказывает влияние на отраженные эхосигналы от несплошностей, расположенных не перпендикулярно к направлению ввода ультразвуковых волн. Согласно требованиям технологической инструкции 023000.25020.00046 [3] для алюминиевых сплавов диаметр контрольного отражателя для регистрации устанавливается на уровне 1,6 мм, что соответствует площади 2 мм2. В связи с этим настройку прибора выполняли по стандартным образцам с искусственным дефектом типа «плоскодонное отверстие» диаметром 1,6 мм.

В качестве поискового был принят уровень эхоимпульса ниже уровня фиксации, указанного в технологической инструкции 023000.25020.00046 [3], на 6 дБ (рис. 1). В процессе контроля в области центра продольной оси поковки были выявлены множественные эхоимпульсы выше поискового уровня, но ниже уровня фиксации. В центральной области наблюдались также множественные эхосигналы ниже поискового уровня.

Рис. 1. Снимок экрана дефектоскопа, показывающий А-скан экрана дефектоскопа с эхоимпульсами, наблюдаемыми в процессе контроля: #1 — уровень браковки; Ф — уровень фиксации; П — поисковый уровень; S — селектор, предназначенный для выбора режима измерений

Снимок экрана дефектоскопа, показывающий А-скан с эхосигналом от возможного дефекта при контроле преобразователем П112-2,5-14 приведен на рис. 1. На рис. 1 строб (зона контроля) #1 показывает уровень браковки при ультразвуковом контроле, строб Ф — уровень фиксации, П — поисковый уровень, S — селектор, предназначенный для выбора режима измерений. Уровень эхосигналов оказался ниже уровня регистрации на 2,2 дБ. Подобный уровень эквивалентного отражения можно получить от несплошности площадью около 1,55 мм2.

Для анализа эхоимпульсов УЗК алюминиевой поковки проводили ее томографию, за один сеанс которой была построена 3D-модель (рис. 2).

а
б
в
г

Рис. 2. Томографический снимок поковки из сплава АМг6: defect 1 — дефект 1; position — позиция дефекта; probability — вероятность дефекта; diameter — диаметр дефекта; volume — объем дефекта; projected area – проекция дефекта на плоскость; а — вид сверху (top 1);
б — вид сбоку (right 1); в — вид спереди (front 1); г — объемная модель поковки (3D)

Автоматическое определение дефектов осуществляли при помощи дополнительного модуля к программе VGStudio MAX, в котором использовался алгоритм поиска пор VGDefX объемом от 0,01 до 5 мм3. На рис. 2 представлено томографическое изображение, которое состоит из трех ортогональных разрезов поковки (Top 1, Right 1, Front 1) и 3D-модели с прозрачностью 70 % для видимости цветных дефектов и их формы. В нашем случае сечение проведено в месте дисклокации дефекта объемом 1,53 мм3 (см. рис. 2).

Анализ полученных изображений двух видов показывает, что пики на А‑сканах дефектоскопа, показанные на рис. 1, представляют собой эхосигналы от внутренних несплошностей, образовавшихся из газовых пузырей или неметаллических включений при прокатке или ковке, распространяющиеся ближе к оси поковки и вдоль волокон металла. Шлаковые и песчаные включения не способны пластически деформироваться и при обжатии слитка распадаются на большое число обломков с острыми углами, образуя при вытяжке цепочки вдоль волокон.

Программное обеспечение томографа обладает возможностью определения размера в любой плоскости. В нашем случае размеры дефектов колеблются по оси X от 0,19 до 1,2 мм, по оси Y от 0,17 до 1,66 мм и по оси Z от 0,26 до 7,1 мм с максимальной площадью проекции до 3,43 мм2 (площади проекций по оси Z показаны цветной масштабной линейкой). Меньший уровень площади проекции несплошности, выявленный при УЗК, объясняется использованием непритертого пьезоэлектрического преобразователя. Однако следует отметить, что протяженные дефекты с шириной раскрытия меньше 1 мм при УЗК выявлены не были. Это обусловлено физическими свойствами ультразвуковой волны (дифракция ультразвуковых волн) и требованиями технологической инструкции, предотвращающими перебраковку заготовок при проведении неразрушающего контроля.

Таким образом, характер полученных дефектов КТ свидетельствует о недопустимости дальнейшего использования исследуемой поковки для изготовления фланца, работающего под давлением. Можно использовать эту поковку для изготовления других деталей, предварительно удалив сердцевину с дефектами, границы сверления которых легко определяются в программном обеспечении.

С помощью специализированного программного обеспечения VGStudio MAX можно увидеть сечение исследуемого объекта любой плоскостью, провести анализ пор, пустот, сопоставить ее с CAD-данными исследуемого объекта, а также импортировать полученную модель объекта в CAD-систему (обратное проектирование).

В таблице предложен усовершенствованный способ выбора соответствующего метода неразрушающего контроля [4, с. 83].

Рекомендации по применению методов неразрушающего контроля

Дефекты, объекты контроля, их характеристики и условия контроля

Применимость методов дефектоскопии

1

2

3

4

5

6

7

Дефекты производственного происхождения

В поковках, штамповках и профилях

Закаты, заковы

Ш

О

О

Ш

Н

Н

Ш

Флокены

О

Н

О

Ш

Н

Н

Ш

Расслоения, внутренние трещины

Н

Н

Н

Ш

Н

О

Ш

Трещины и рванины, выходящие на поверхность

Ш

Ш

О

Ш

Н

Н

Ш

Включения

О

О

Н

Ш

Н

О

Ш

При сварке

Трещины

Ш

Ш

Ш

Ш

Н

О

Ш

Непровары

Ш

Н

Н

Ш

Н

О

Ш

Шлаковые включения

Н

Н

Н

О

Н

Ш

Ш

Раковины, пористость

Н

О

Н

О

Н

Ш

Ш

При пайке

Трещины

Н

О

Н

О

О

О

Ш

Непропаи

Н

О

Н

О

О

Ш

Ш

Пористость

Н

Н

Н

О

Н

Ш

Ш

При механической обработке

Шлифовочные трещины

Ш

Ш

О

О

Н

Н

Ш

Рихтовочные трещины

Ш

Ш

Ш

Ш

Н

О

Ш

Надрывы

Ш

Ш

Н

Н

Н

Н

Ш

Разностенность и подрезы

Н

Н

Н

Н

Н

Ш

Ш

При термической обработке

Закалочные трещины

Ш

Ш

Ш

Ш

Н

О

Ш

Несоответствие структуры

Н

Н

О

Н

Н

Н

Ш (нано-КТ)

Несоответствие толщины упрочненного слоя

Н

Н

О

Ш

Н

Н

Ш (нано-КТ)

При литье

Раковины, пористость

Н

О

Н

Ш

Н

Ш

Ш

Трещины (поверхностные)

Ш

Ш

Ш

Ш

Н

О

Ш

Разностенность

Н

Н

Н

Н

Н

Ш

Ш

Ликвация

Н

Н

Н

Ш

Н

Ш

Ш

Спаи

Ш

О

О

Ш

Н

Н

Ш

Включения

О

Н

Н

Ш

Н

Ш

Ш

Дефекты, возникающие при эксплуатации

Усталостные и другие открытые трещины

Ш

Ш

Ш

Ш

Н

О

Ш

Точечные коррозионные поражения

Н

Ш

Н

О

Н

Ш

Ш

Механические повреждения поверхности (забоины, вмятины, риски и др.)

Н

Н

Н

О

Н

Н

Ш

растрескивание и межкристаллитная коррозия

Н

Ш

О

Ш

Н

О

Ш

деформация и разрушение закрытых деталей

Н

Н

Н

О

Н

Ш

Ш

трещины и коррозионные поражения в закрытых участках

Н

Н

Н

О

Н

О

Ш

Зоны и условия контроля

Контроль всей поверхности

Ш

Ш

О

О

О

Ш

Ш

местный контроль (отдельных зон)

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Демонтированные детали

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Недемонтированные детали

(контроль в узле)

При доступе с двух сторон

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш (мало-габаритные)

При доступе с одной стороны (дефект с противоположной)

Н

Н

О

Ш

Ш

Н

Ш (мало-габаритные)

При ограниченных подходах (в труднодоступных местах)

Н

Н

О

О

Н

О

Ш (мало-габаритные)

При отсутствии подходов (закрытые детали)

Н

Н

Н

О

Н

О

Ш (мало-габаритные)

Место расположения дефектов

Поверхностные

Ш

Ш

Ш

О

Н

Ш

Ш

Подповерхностные (на глубине 0,3...1 мм)

О

Н

О

О

О

Ш

Ш

Внутренние (глубинные дефекты)

Н

Н

Н

Ш

О

Ш

Ш

Дефекты, расположенные в ослабленных участках детали (галтелях, пазах, отверстиях, на острых кромках и т. д.)

Ш

Ш

Ш

О

Н

Ш

Ш

Физические свойства материала контролируемых объектов

Ферромагнитные

Ш

Ш

О

Ш

Ш

Ш

Ш

Немагнитные с мелкозернистой структурой

Н

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Немагнитные с крупнозернистой структурой

Н

Ш

Ш

О

Ш

Ш

Ш

Неметаллические

Н

О

Н

Ш

Ш

Ш

Ш

Форма и размеры контролируемых деталей

Простая (одинакового сечения)

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Сложная (с различной кривизной в зоне контроля)

Ш

Ш

О

О

Н

Ш

Ш

Крупногабаритные и массивные

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

О

О

Микродетали (миниатюрные изделия)

Н

О

О

Н

Н

О

Ш

Микродетали толщиной более 1 мм

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Ш

Микродетали толщиной менее 1 мм

Ш

Ш

Ш

О

Н

О

Ш

В таблице  приняты следующие обозначения: 1 — магнитопорошковый метод; 2 — капиллярный метод; 3 — токовихревой (накладных датчиков) метод; 4 — метод УЗК; 5 — акустический метод; 6 — метод рентгенографического и \gamma -контроля; 7 — КТ; применение методов: Ш — широкое, О — ограниченное, Н — неприменим.

Заключение

Компьютерную томографию можно использовать в производственном секторе на следующих этапах контроля  и производства:

  • входной контроль заготовок и контроль изделий ответственного назначения из металлических и неметаллических материалов в целях поиска, локализации и идентификации скрытых дефектов, образующихся в процессе изготовления;
  • обратное проектирование — создание 3D-модели отсканированной детали;
  • сравнение реальных размеров исследуемых деталей и узлов с размерами математической модели;
  • проведение координатных измерений.
Литература
  1. Промышленный компьютерный томограф V|tome|x m240/m300. Группа компаний Ostec. URL: http://ostec-3d.ru (дата обращения 27.06.2021).
  2. Гончаров В.В. Компьютерная томография в металловедении // ХХХ Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России»: сб. докладов: в 2 т. Москва, 22–25 сентября 2020 г., Союз машиностроителей России, МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. Т. 1. С. 121–124.
  3. Технологическая инструкция 023000.25020.00046. Изготовление поковок и штамповок из черных и цветных металлов и сплавов. Введена 18.11.2013. Химки: АО «НПО Лавочкина», 2013. 52 с.
  4. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы. М.: Металлургия, 1981. 648 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.