CC BY
43
УДК 66.01.09
Курбатов А.Ю., Ветрова М.А., Рыбина Е.О.
ЛАЗЕРНАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ПИРОГРАФИТА
Курбатов Андрей Юрьевич- к.т.н., ассистент каф. ИМиЗК, РХТУ им. Д.И. Менделеева, e-mail: andreikurbatov@vandex.ru
Ветрова Маргарита Александровна - магистр 1 курса каф. ИМиЗК, РХТУ им. Д.И. Менделеева, Рыбина Евгения Олеговна - бакалавр 4 курса каф. ИМиЗК, РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева 125190, Москва, Миусская пл., 9
Лазерная ультразвуковая дефектоскопия является относительно новым, современным направлением в области ультразвуковых исследований в неразрушающем контроле. Описана методика лазерной ультразвуковой дефектоскопии. Представлены данные сопоставительного анализа заготовок из пирографита на основе бездефектного образца.
Ключевые слова: лазерный ультразвук, контроль качества, пирографит, дефектоскопия.
LASER ULTRASONIC DEFECTOSCOPY OF PYROGRAPHITE
Kurbatov A.U., Vetrova M.A.,Rybina E.O.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Laser ultrasonic flaw detection is a relatively new, modern trend in the field of ultrasound in nondestructive testing. The technique of laser ultrasonic flaw detection is described. The data of comparative analysis of pyrographite blanks based on a defect-free sample are presented.
Keywords: laser ultrasound, quality control, pyrographite, flaw detection.
В качестве уплотнения и антифрикционного материала, который может работать как при низких температурах, так и высоких, в авиационной промышленности и ракетно-космической отрасли нашел широкое применение пирографит изотропный. С помощью химического газофазного осаждения изготавливают кольцевые заготовки из пирографита. Самой острой проблемой при производстве данного материала являются включения анизотропного пирографита и/или сажи между слоями. Происходит это в виду отклонения от температурного режима, а так же флуктационной степени увеличения пресыщения газовой фазы. Такие включения чаще всего встречаются в виде прослоек или достаточно крупных кристаллов. Такие дефекты могут находиться как на поверхности заготовок, так и в глубине. Поскольку анизотропные включения являются концентратами напряжения, то их наличие резко уменьшает физические и механические показатели заготовок. Металлография не может обнаружить включения [1]. Однако они могут быть обнаружены ультразвуковым методом. Оба метода имеют ряд отрицательных черт, такие как:
- металлографический микроскоп в поляризационном свете может произвести контроль только торцевой части заготовки и не может быть распространен на весь объем кольца.
- при ультразвуковом контроле дефекты, меньше искусственного размера дефекта (отверстие диаметром 3,0 мм) не могут быть выявлены.
Поэтому по-прежнему актуальна тема разработки метода контроля качества заготовок из пирографита, которая являлась бы достоверной и была бы наиболее чувствительна.
В ходе анализа существующих видов контроля, можно сказать, что радиографический метод малоэффективен, потому что плотности пирографита, анизотропного пирографита и сажи весьма близки (плотность пирографита 1,75-2,11 г/см3, сажи 1,76-1,95). Из-за физических ограничений нельзя использовать традиционный акустический метод[2].
Достаточно большими функциональными возможностями для выявления дефектов, а так же для измерения физико-механических свойств конденсированных сред обладает лазерный ультразвуковой метод.
Лазерная ультразвуковая дефектоскопия является относительно новым, современным направлением в области ультразвуковых исследований в неразрушающем контроле. Возбуждение зондирующего ультразвукового импульса происходит из-за термооптического механизма. Другими словами, сначала происходит поглощение лазерного импульса в
тонкомповерхностном слое среды, которая подлежит исследованию, либо поглощение происходит в специальном оптико-акустическом генераторе. Вторым этапом происходит распространение ультразвукового импульса в исследуемой среде, Затем происходит регистрация рассеивания или
прохождения сигнала с высоким временным разрешением. Ультразвуковые
пьезопреобрвазователи в таком случае работают лишь на прием. Это позволяет оптимизировать режим работы, а так же обеспечить высокую эффективность приема в минимальную единицу времени.
Особенности лазерного ультразвука:
1. Сигнал короткий, непериодический
2. Отсутствуют «мертвые зоны»
3. Высокое продольное расширение
4. Высоко чувствительный лазер. Информацию о физико-химических свойствах контролируемого материала возможно получить, измеряя такие величины как: сечение рассеивания ультразвука, затухания ультразвуковых волн, скорость ультразвуковой волны и др.
Методика лазерной ультразвуковой
дефектоскопии
Контроль заготовок из пирографита методом лазерной ультразвуковой дефектоскопии проводится с целью выявления внутренних дефектов в виде границ слоев осаждения (границ разной плотности) и пор размером не менее 0,3 мм с указанием их количества и глубины залегания. Его проводят после отбраковки изделий, имеющих недопустимые дефекты, обнаруженные при визуальном контроле. Контроль изделий из пирографита проводится с помощью лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М, в составе:
- оптоэлектронный блок, состоящий из импульсного Ш:УАв-лазера, предназначенного для термооптического возбуждения широкополосных ультразвуковых сигналов, и аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
- широкополосный оптико-акустический
преобразователь (ОАП);
- оптоволоконный кабель для доставки лазерного излучения в оптико-акустический преобразователь и др.
Основные технические характеристики дефектоскопа УДЛ-2М представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики дефектоскопа УДЛ-2М
Количество приёмных элементов 1
Полоса рабочих частот ультразвука, МГц 0.1 - 15
Разрешение по глубине, мм:
- для металлов 0.2
- для композиционных материалов 0.1
Разрешение поперечное, мм 3
Максимальные глубины исследования, мм
- для дюрали - для пирографита 65 30
Отношение сигнал-шум, дБ более 50
Рисунок 1 -
Блок-схема лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М
Согласно представленной схеме импульс лазера направляется через волоконно-оптический кабель на оптико-акустический преобразователь (ОАП). Лазерный импульс возбуждает в ОАП широкополосный акустический сигнал. Форма акустического сигнала определяется конструкцией и свойствами ОАП. Ультразвуковой импульс, возбуждаемый в приповерхностном слое ОАП, прошедший звукопровод и зарегистрированный пьезоприемником, является зондирующим или опорным в данном преобразователе (импульс 1). Такой же ультразвуковой импульс проходит в ОАП и частично отражается на границе раздела с лицевой (облучаемой) поверхностью образца из-за рассогласования их акустических импедансов (импульс 2). Этот отраженный импульс проходит в звукопровод с временной задержкой относительно опорного, равной времени его двойного пробега по толщине пластины ОАП. Оставшаяся «часть» зондирующего импульса проходит в контролируемый образец и отражается на неоднородностях его структуры (импульс 3). Отраженный сигнал попадает в призму-звукопровод и тоже регистрируется пьезоприемником с некоторой временной задержкой относительно прихода опорного сигнала, а затем поступает на предусилитель. Сигнал с предусилителя поступает на аналого-цифровой преобразователь и далее на информационно-вычислительный комплекс для считывания, обработки и отображения информации[3 ].
Внешний вид лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М представлен на рисунке 2.
На рисунке 1 представлена блок-схема лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М при контроле структуры материалов.
Рисунок 2 - Внешний вид лазерно-ультразвукового дефектоскопа УДЛ-2М
Контроль заготовок
При подготовке к контролю заготовок и колец из пирографита произвести следующие операции:
- установить контролируемую заготовку (кольцо) из ПГИ на центрирующие кольца оснастки. В зависимости от внутреннего диаметра контролируемого кольца, используются различные центрирующие кольца оснастки. В случае, когда диаметр заготовки (кольца) слишком мал для обеспечения необходимого прижима преобразователя к его лицевой поверхности, необходимо переместить блок прокручивания вверх на одно крепежное отверстие;
- перед установкой заготовки (кольца) необходимо установить отсчетную метку на блоке прокручивания в нулевое положение по шкале лимба;
- перед началом сканирования необходимо установить заготовку (кольцо) таким образом, чтобы прочерченная маркером на его боковой поверхности риска располагалась вертикально в верхнем положении;
- закрепить на оснастке оптико-акустический преобразователь расположив центральную часть его рабочей поверхности приблизительно в 2-х мм от внутреннего края кольца (при толщине кольца не более 3-х мм преобразователь установить по середине между боковыми поверхностями кольца);
- обеспечить необходимый прижим преобразователя к поверхности кольца, подкручивая гайки, фиксирующие прижимную пластину, предварительно.
Результаты контроля изделий из пирографита лазерно-ультразвуковым методом оценивают, сравнивая В-сканы эталонного образца с анализируемым КО-2 В-сканами, полученными в процессе контроля.
В-скан кольца из пирографита (см. рисунок 3) схожий с В-сканом, полученным от КО-2 может указывать на наличие в контролируемом образце пор.
...............
Рисунок 3 - В-скан кольца из ПГИ с дефектом "Поры"
Таким образом, можно решить основную проблему, возникающую при производстве данного материала, а именно включения анизотропного пирографита и/или сажи между слоями. Достаточно большими функциональными возможностями для выявления дефектов, а так же для измерения физико-механических свойств конденсированных сред обладает лазерный ультразвуковой метод. Сравнительный анализ эталонного образца с исследуемым изделием очень прост в исполнении и позволяет за короткий промежуток времени оптимизировать режим работы, что обеспечивает высокое качество изделий из пирографита.
Список литературы
1. Аверина Ю.М., Калякина Г.Е., Наумкина В.А., Сафарова И.С. Способ контроля качества металлических сплавов определением их химического состава // Химическая промышленность сегодня. 2018. № 4. С. 47-55.
2. Кукин В.Н. Электронная микроскопия пироуглерода у углеситалла // Известия Российской Академии Наук. 2011.Том 75 №9. С.1315-1319
3. Электронный ресурс: http://www.avek.ru/
