CC BY
10
DOI 10.36622/VSTU.2022.18.3.020 УДК 621.791
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ УЗКИХ КОЛЛЕКТОРНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
В.В. Шурупов, Д.И. Бокарев, В.П. Чумарный, С.В. Сафонов, М.Н. Давыдов Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия
Аннотация: предложен способ, позволяющий определять толщину материала в изделиях сложной конструктивной формы, исключающий возможность применения обычных средств контроля, обеспечивающий высокие чувствительность и точность измерений и не требующий высокой квалификации специалиста. Способ относится к неразрушающим методам контроля и может быть использован при контроле толщины металлических материалов, а также для определения величины проплавления и (или) утонения сварных швов, выполненных преимущественно в труднодоступных для механических средств контроля местах изделий, имеющих, например, узкие коллекторные сварные соединения. При прохождении ионизирующего излучения через твердое тело часть энергии излучения теряется. Количество энергии излучения, прошедшего через материал, изменяется пропорционально его толщине. Таким образом, исследование зависимости изменения интенсивности рентгеновского излучения от наличия и размера несплошности явилось весьма актуальной задачей, решение которой позволило обеспечить одновременный контроль качества сварного соединения на наличие внутренних дефектов и произвести замер толщины соединения. Как показали проведенные исследования, необходимым и достаточным условием для оценки размера искомой величины (толщины соединения) является определение отношения интенсивностей излучений до и после объекта контроля
Ключевые слова: толщина, сварное соединение, ионизирующее излучение, интенсивность, фотометрирование, плотность почернения пленки, радиографирование, коллектор
Введение
Проведение неразрушающего контроля радиационными методами основано на способности ионизирующих излучений, генерируемых источником, проникать с определенной степенью ослабления через сварное соединение и воздействовать на регистрирующее устройство (рис. 1). При радиографии в качестве регистратора используется рентгеновская пленка. При радиоскопии излучение преобразуется в видимое изображение. А при
радиометрическом методе ионизирующее излучение, прошедшее через объект контроля, считывается в виде электрического сигнала.
На практике при оценке качества сварных соединений и основного материала металлических конструкций применяют в основном радиографический контроль, при котором имеется возможность не только оценки, но и документирования результатов контроля.
© Шурупов В.В., Бокарев Д.И., Чумарный В.П., Сафонов С.В., Давыдов М.Н., 2022
Схема реализации процесса радиографии при оценке качества сварного соединения через одну стенку приведена на рис. 1.
1
1 У f 1 / 2
Щ||||||;|
1 \
Рис. 1. Схема радиографического метода контроля: 1- источник излучения; 2-лучи; 3- контролируемое соединение; 4- детектор (рентгеновская пленка)
При прохождении излучения через вещество его интенсивность уменьшается, т.к. часть энергии теряется. Ослабление интенсивности узкого пучка излучения происходит в соответствии с законом ослабления интенсивности [1]:
Jd = Л • * ^, (1)
где J0 - интенсивность излучения при отсутствии контролируемого изделия при выходе из источника, с-1, м-2; Jd -интенсивность излучения после прохождения через изделие толщиной ф; ц - линейный коэффициент ослабления интенсивности излучения (зависит от материала объекта контроля).
После логарифмирования выражения (1) получим:
1п Jd = 1п Jo ' (-цф
Отсюда
ф = -
1п/0
(2)
(3)
Таким образом, из зависимости (3) следует, что толщина металла, через который проникает ионизирующее излучение, может быть установлена при условии определения интенсивности непосредственно со стороны источника излучения и интенсивности прошедшего через контролируемое сечение излучения.
Постановка задачи
Количественно данные интенсивности могут быть определены с помощью фотометрирования, например, при
использовании денситометра. Однако, как показали проведенные исследования, достаточным условием для оценки размера искомой величины (толщины соединения) является определение отношения
интенсивностей излучений до и после объекта контроля.
Известен способ определения размера дефекта в направлении просвечивания, включающий в себя радиографирование дефектного участка с применением канавочного эталона чувствительности [2], просмотр полученной рентгенограммы с созданием дополнительного светового потока переменной мощности в направлении наблюдателя и плавным повышением его интенсивности до исчезновения изображения дефекта и соответствующей канавки дефектометра. Размер дефекта при этом устанавливается по размеру наиболее глубокой канавки дефектометра, изображение которой пропадает при тех же условиях наблюдения [3]. Поскольку дефектом сварного шва является несплошность, то плотность
почернения пленки на этом участке будет большей по сравнению с плотностью почернения прилегающих участков.
Приведенный метод благодаря своей простоте позволяет достичь экспрессность при определении дефекта в материале. Однако существенным недостатком метода является то, что его практическое применение обуславливает дополнительную погрешность измерения, заключающуюся в следующем. Собственная толщина эталона
чувствительности при наложении его на исследуемый материал суммируется с этим материалом. Таким образом, при реальной толщине исследуемого материала
(фактической толщине материала под канавкой) появляется дополнительное изменение оптической плотности
рентгеновского снимка за счет толщины самого эталона чувствительности под канавкой, имитирующей дефект. Кроме того, не рекомендуется оценка величины дефектов по протяженности в глубину сравнением почернения дефекта и канавки эталона на снимке [4].
Близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения толщины слоя кратного ослабления рентгеновского излучения [5], включающий экспонирование рентгеновской пленки, частично накрытой измерительным клином, и по почернению пленки на различных участках, определение слоя кратного ослабления, затем дополнительное экспонирование
рентгеновской пленки, частично накрытой измерительным клином, остальная часть которой экранирована от излучения, например, с помощью свинцовой пластинки. При этом отношение первой и дополнительной экспозиций выбирается равным 1(п-1), где п -требуемая кратность ослабления, а толщина слоя кратного ослабления определяется по одинаковой плотности почернения участков пленки под клином и открыто экспонированного в течение одной из экспозиций участка пленки.
Недостатком приведенного способа является снижение его чувствительности за счет существующего субъективного фактора: по известным данным [6] человек в состоянии обнаружить области, отличающиеся почернением, на 2 %.
Задача, решаемая при разработке предлагаемого метода, состояла в повышении точности контроля толщины металлических
материалов, а также определении величины утонения и (или) проплавления сварных швов с одновременным контролем качества соединений, выполненных в труднодоступных для механических средств контроля местах изделий, исключающих возможность такого контроля.
Методика исследований
Типичной конструкцией изделия с коллекторным сварным соединением является двухслойный сопловой элемент жидкостного ракетного двигателя, изображенный на рис. 2, и его коллекторное соединение, представленное на рис. 3.
Рис. 2. Общий вид двухслойной оболочки жидкостного ракетного двигателя
Рис. 3. Сечение коллекторной части
Поставленная задача была решена тем, что при выполнении ранее известных приемов (экспонирование контролируемого объекта, определение оптической плотности
полученных рентгенограмм и последующее сравнение найденных значений с целью определения слоя кратного ослабления толщины материала контролируемого объекта) для определения отношений плотности почернения рентгенограмм изготавливается эталон из материала, аналогичного исследуемому, представляющий собой пластину переменной дискретной толщины в виде ступенек с базовой (контрольной) толщиной в зависимости от номинальных значений толщины материала или предполагаемой величины, например, проплава и (или) утонения сварного шва контролируемого изделия с интервалом по толщине 0,1 мм и предельным отклонением от номинальной толщины ± 0,05 мм. Выполняется рентгенограмма всех участков различной толщины в течение одной экспозиции. На имеющейся рентгенограмме с помощью фотометрирования определяется оптическая плотность соответствующих участков различной толщины эталона. По полученным данным составляется таблица отношений зависимостей плотности почернения пленки от соответствующих значений толщины эталона. В результате чего имеются количественные зависимости отношений плотности почернения пленки, соответствующие значениям известных толщин исследуемого (контролируемого) материала. Полученные таким образом данные могут быть накоплены и постоянно использоваться в процессе дальнейшей работы, т.к. именно отношения плотностей почернения пленки, соответствующие заданным толщинам для данного материала вне зависимости от режимов экспонирования, являются постоянной величиной.
Для сравнения отношений оптической плотности контролируемого участка изделия используется контрольная пластина толщиной равной номинальному значению толщины исследуемого материала или ее предполагаемой толщине, близкой по значению к одной из толщин эталонного образца. С целью обеспечения равномерности потоков рентгеновского излучения,
проходящих через исследуемый участок и контрольную пластину, применяется делительное устройство, устанавливаемое на рентгеновскую трубку и представляющее собой на выходе из анодного отверстия трубки два раздвоенных цилиндра с углом между их расходящимися осями 30°, и изолированных
друг от друга свинцовой пластиной. А для исключения субъективного фактора и обеспечения точности определения отношений плотностей почернения рентгенограмм эталона, контрольной пластины и исследуемого материала применяется фотометрирование полученных
рентгенограмм.
Как показали эксперименты,
предпочтительным вариантом конструкции эталонного объекта является его ступенчатый профиль с постоянным шагом изменения толщины.
При этом совокупность признаков, отличительных от вышеприведенных [1, 3], сводится к следующим:
- использование фотометрирования с целью исключения субъективного фактора и повышения точности при определении оптической плотности рентгенограмм;
- определение истинных значений толщины контролируемого материала по отношениям плотностей почернения рентгенограмм эталонного объекта, контрольной пластины и исследуемого объекта;
- использование в качестве эталонного объекта пластины ступенчатого профиля с предельным отклонением от номинальных значений контролируемой толщины, составляющим ±0,05 мм, и постоянным шагом изменения толщины равным 0,1 мм;
- радиографирование исследуемого материала и контрольной пластины осуществляют одновременно, применяя при этом делительное устройство, обеспечивающее равномерное распределение потоков рентгеновского излучения и одинаковые фокусные расстояния до контрольной пластины и объекта контроля.
Как видно из представленной совокупности отличительных признаков, она включает в себя новую последовательность приемов определения толщины материала в изделиях, заключающуюся в применении эталонного объекта ступенчатого профиля с постоянным по величине шагом и использовании контрольной пластины толщиной равной или близкой по значению толщине испытуемого изделия, а также применении сравнения отношений оптических плотностей рентгенограмм, определенных с помощью фотометрирования.
Совершенно очевидно, что применяемые ранее способы определения толщины
материалов или размеров дефектов в направлении просвечивания с помощью рентгенографии, основанные на сравнении оптических плотностей почернения эталонных образцов (канавок и т.п.) и расположенных под ними контролируемых участков изделия, имеют невысокую точность из-за наличия ряда факторов, снижающих чувствительность контроля (изменение оптической плотности рентгенограмм за счет дополнительной толщины самих эталонов, визуального определения оптической плотности
контролируемых участков, включающего роль субъективного фактора в появлении погрешности измерения), и, кроме того, не всегда удается наложить эталон чувствительности на контролируемый участок, расположенный в труднодоступном месте, например, узкое коллекторное сварное соединение, представленное на рисунке. Именно толщина такого соединения огневой стенки камеры жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) определяет надежную и безаварийную его работу.
Однако использование именно отношений оптической плотности рентгенограмм (являющихся постоянной величиной для данных снимков вне зависимости от условий экспонирования), соответствующих
экспонированию эталонного объекта, контрольной пластины и исследуемого материала, полученных с помощью фотометрирования, позволяет определить искомую толщину контролируемого материала изделия. Применение предлагаемого способа контроля позволяет определять толщину материала в изделиях сложных форм и конструкций, исключающих возможность применения обычных средств контроля, причем чувствительность способа остается достаточно высокой.
Рис. 4. Сварное соединение огневой стенки камеры ЖРД
Значения параметров предлагаемого способа зависят от физических свойств и толщин контролируемых материалов. Они определены экспериментально с учетом
предварительных рекомендаций, изложенных в литературе.
В общем виде контроль толщины материала и (или) определение величины проплавления (утонения) сварного шва изделий осуществляется следующим образом. На рентгеновскую трубку устанавливается делительное устройство, обеспечивающее равномерное распределение потока излучения и одинаковые фокусные расстояния от торца трубки в двух направлениях, на одном из которых просвечивают контролируемый участок материала, на другом - контрольную пластину толщиной равной номинальному значению толщины исследуемого материала или участка сварного шва (если номинальное значение толщины материала или участка сварного шва не известно, то толщина контрольной пластины может быть выбрана равной одному из имеющихся значений толщины участка эталонного объекта) в течение одной экспозиции. После совместной фотообработки полученных рентгенограмм производится определение отношения оптической плотности места рентгенограммы, соответствующего исследуемому участку материала, и места рентгенограммы, соответствующего установке контрольной пластины. Затем по имеющимся отношениям плотности почернения пленки эталонного объекта и полученным значениям отношения плотности почернения исследуемого материала или участка сварного шва и контрольной пластины определяется значение толщины исследуемого материала или участка сварного шва.
Для иллюстрирования заявляемого способа приведем пример его конкретного осуществления.
При изготовлении камеры сгорания ракетного двигателя существует
необходимость замера толщины кольцевого коллекторного соединения, электронно-лучевой сваркой Из-за больших габаритов особенностей конструкции соединения для замера толщины сварного шва имеющиеся универсальные средства контроля применить невозможно. Изготовление специального мерительного инструмента представляет существенные технические трудности и значительные материальные затраты. Требование чертежа на данное изделие определяет толщину выполненного сварного шва 1,6 ± 0,1 мм, т.е. задача контроля
сварного шва выполненного (см. рисунок). изделия и
в данном случае сводится к определению фактической толщины сварного соединения.
Контроль толщины участка сварного шва производили следующим образом.
Изготавливали эталонный объект из материала Х18Н10Т (аналогичного исследуемому), представляющий собой пластину переменной толщины в виде ступенек с базовой толщиной 1,6 мм с интервалом по толщине 0,05 мм и предельным отклонением от номинальной толщины ±0,2 мм. Выполняли рентгенограмму данного эталона в течение одной экспозиции на следующих режимах: ускоряющее напряжение - 100 кВ, ток эмиссии - 10 тА, фокусное расстояние - 450 мм, время экспозиции - 3 минуты.
На полученной рентгенограмме с помощью фотометрирования определяли оптическую плотность соответствующих участков различной толщины.
По результатам фотометрирования определяли отношения плотностей почернения пленки, соответствующие заданным толщинам образца-имитатора. Полученные результаты составили следующие числовые значения (табл. 1).
Таблица 1
Отношения оптической
Отношения базовой плотности р/пленки в
и дискретных толщин местах базовой
образца-имитатора и дискретных толщин образца-имитатора
1,6 / 1,4 1,15
1,6 / 1,45 1,11
1,6 / 1,5 1,07
1,6 / 1,55 1,03
1,6 / 1,65 0,96
1,6 / 1,7 0,93
1,6 / 1,75 0,90
1,6 / 1,8 0,88
Непосредственно контроль коллекторного сварного соединения выполняли следующим образом. На рентгеновскую трубку устанавливали делительное устройство, обеспечивающее равномерное распределение потока излучения и одинаковые фокусные расстояния от торца трубки в двух направлениях, на одном из которых располагали контрольную пластину из стали Х18Н10Т толщиной 1,6 мм, на другом торце трубки располагался контролируемый участок сварного шва. После одновременного экспонирования обеих пленок, выполненного на тех же режимах, что и экспонирование образца-имитатора, и последующей одновременной их фотообработки
производили фотометрирование пленок, располагавшихся, соответственно, за контрольной пластиной и за контролируемым участком сварного шва.
Полученные результаты составили следующие числовые значения (табл. 2).
Таблица 2
Отношение толщины контрольной пластины к искомой толщине сварного шва Отношение оптической плотности р/пленки, соответствующей установке контрольной пластины и участка сварного шва
1,6 / Х 0,96
Искомая толщина участка сварного шва Х определялась из сравнения отношений плотностей почернения р/пленки,
экспонированного образца-имитатора с соответствующим отношением плотности почернения р/пленки участка сварного шва и контрольной пластины.
В данном случае: Х = 1,65 мм.
Последующее металлографическое
исследование участка сварного шва позволило выполнить замер толщины материала с помощью лупы измерительной ЛИ-2-8 и штангенциркуля ШЦЦ-1-150-0,01 с цифровым индикатором и ценой деления 0,01 мм. Фактический размер составил 1,66 мм, что подтверждает эффективность контроля предложенным способом.
Выводы
1. Установлен характер изменения интенсивности ионизирующего излучения в зависимости от развития внутренних
несплошностей материала в направлении просвечивания.
2. Определены числовые значения плотностей почернения различных участков рентгеновской пленки, соответствующих изменениям номинальных размеров контролируемых металлических конструкций в направлении просвечивания.
3. Предложенный способ определения толщины материала с помощью рентгенографии позволяет достичь высокую точность контроля толщины металлического материала, а его применение в труднодоступных для обычных средств контроля местах позволит снизить затраты, связанные с изготовлением специальных дорогостоящих мерителей. Кроме того, для контроля предлагаемым способом не требуется высокая квалификация специалиста.
Литература
1. Алешин Н.П., Щербинский В.Г. Контроль качества сварочных работ. М.: Высш. шк., 1981. 144 с.
2. ГОСТ 7512-82 Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Радиографический метод.
3. А.с. №577442 СССР, М. кл.2 G01N 23/04. Способ определения размера дефекта в направлении просвечивания / Н.И. Загайнов, Д.Д. Михалицын. № 2373569/25; заявл. 21.06.76; опубл. 25.10.77, бюл. № 39.
4. Контроль качества сварки / под ред. В.Н. Волченко. М.: Машиностроение, 1975. С. 97.
5. А.с. №834472 СССР, М. кл.3 G01N 23/02. Способ измерения толщины слоя кратного ослабления рентгеновского излучения / Н.Г. Мишкинис. № 2819571/18-25; заявл. 07.09.79; опубл. 30.05.81, бюл. № 20.
6. А.с. №568877 СССР, М. кл.2 G01N 23/00. Устройство для денситометрических и/или геометрических исследований / Б.Н. Епифанцев. № 2126348/25; заявл. 10.04.75; опубл. 15.08.77, бюл. № 30.
Поступила 31.03.2022; принята к публикации 14.06.2022 Информация об авторах
Шурупов Владимир Викторович - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии сварочного производства и диагностики, Воронежский государственный технический университет (394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: shurupov. svarka@yandex.ru, тел. (473)278-38-84.
Бокарев Дмитрий Игоревич - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии сварочного производства и диагностики, Воронежский государственный технический университет (394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: bokareff@bk.ru, тел. (473)278-38-84.
Чумарный Владимир Петрович - канд. техн. наук, доцент кафедры технологии сварочного производства и диагностики, Воронежский государственный технический университет (394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: vchumarny@gmail.com, тел. (473)278-38-84.
Сафонов Сергей Владимирович - д-р техн. наук, профессор кафедры автоматизированного оборудования машиностроительного производства, Воронежский государственный технический университет (394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), e-mail: kafedra-ao@mail.ru, тел. (473)246-19-77.
Давыдов Максим Николаевич - аспирант кафедры автоматизированного оборудования машиностроительного производства, Воронежский государственный технический университет (394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), email: kafedra-ao@mail.ru, тел. (473)246-19-77.
METHOD FOR DETERMINING THE THICKNESS OF NARROW COLLECTOR WELDED
JOINTS USING IONIZING RADIATION
V.V. Shurupov, D.I. Bokarev, V.P. Chumarny, S.V. Safonov, M.N. Davydov
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia
Abstract: here we propose a method that allows you to determine the thickness of the material in products of complex structural shape, excluding the possibility of using conventional controls, providing high sensitivity and accuracy of measurements and not requiring high qualification of a specialist. The method relates to non-destructive testing methods and can be used to control the thickness of metal materials, as well as to determine the amount of penetration and (or) thinning of welds made mainly in places that are difficult to reach for mechanical controls of products that have, for example, narrow collector welded joint. When ionizing radiation passes through a solid, part of the radiation energy is lost. The amount of radiation energy transmitted through the material varies in proportion to its thickness. Thus, the study of the dependence of the change in the intensity of X-ray radiation on the presence and size of the discontinuity was a very urgent task, the solution of which allowed us to simultaneously control the quality of the welded joint for internal defects and measure the thickness of the joint. As the conducted studies showed, a necessary and sufficient condition for estimating the size of the desired value (the thickness of the joint) is to determine the ratio of radiation intensities before and after the object of control
Keywords: thickness, welded joint, ionizing radiation, intensity, photometry, film blackening density, radiography, collector
References
1. Aleshin N.P., Shcherbinskiy V.G. "Quality control of welding works" ("Kontrol' kachestva svarochnykh rabot"), Moscow: Vysshaya shkola, 1981, 144 p.
2. GOST 7512-82 "Non-destructive testing. The joints are welded. Radiographic method"
3. Zagaynov N.I., Mikhalitsyn D.D. "A method for determining the size of a defect in the direction of transillumination" ("Sposob opredeleniya razmera defekta v napravlenii prosvechivaniya"), author's certificate of the USSR No. 577442, M. kl. 2 G01N 23/04, no. 2373569/25, dec. 06/21/76, publ. 10/25/77, bul. 39, 1976.
4. Volchenko V.N. ed. "Welding quality control" ("Kontrol' kachestva svarki"), Moscow: Mashinostroenie, 1975, 97 p.
5. Mishkinis N.G. "A method for measuring the thickness of a layer of multiple attenuation of X-ray radiation" ("Sposob izmereniya tolshchiny sloya kratnogo oslableniya rentgenovskogo izlucheniya"), author's certificate no. 834472 USSR, M. kl. 3 G01N 23/02, no. 2819571/18-25, dec. 09/07/79, publ. 05/30/81, bul. 20.
6. Epifantsev B.N. "Device for densitometric and/or geometric studies" ("Ustroystvo dlya densitometricheskikh i/ili geometricheskikh issledovaniy"), author's certificate no. 568877 USSR, M. kl. 2 G01N 23/00, no. 2126348/25, dec. 04/10/75, publ. 08/15/77, bul. 30
Submitted 31.03.2022; revised 14.06.2022 Information about the authors
Vladimir V. Shurupov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: shurupov.svarka@yandex.ru, tel.: +7(473)278-38-84.
Dmitriy I. Bokarev, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: bokareff@bk.ru, tel.: +7(473) 278-38-84.
Vladimir P. Chumarnyy, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: vchumarny@gmail.com, tel.: +7(473)278-38-84.
Sergey V. Safonov, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: kafedra-ao@mail.ru, tel.: +7(473)246-19-77.
Maksim N. Davydov, graduate student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), e-mail: kafedra-ao@mail.ru, tel.: +7(473)246-19-77.
