За каждой плавно работающей зубчатой передачей стоит кусок стали, который покупатель почти никогда не видит напрямую: материал внутри заготовки. Усадочная раковина литья, закалочные трещины, волосовины, закаты, неметаллические включения и закалочные трещины не видны на чертеже готовой шестерни, и тем не менее любая из них может погубить ведомый вал, шейку прокатного стана или ступень ветровой турбины за месяцы до расчётного ресурса. Магнитопорошковый и капиллярный методы ловят то, что лежит на поверхности или у самой поверхности, но дефекты, залегающие на глубине нескольких миллиметров под кожей, для обоих невидимы, и именно они разрушаются под усталостной нагрузкой. Ультразвуковой контроль, УЗК, это общепромышленный способ заглянуть в объём стальной заготовки или готовой шестерни, не разрезая её. В этом руководстве объясняется, как реально работает метод эха-импульса, какие внутренние дефекты он умеет и не умеет находить, на какие нормы опираются покупатели и цеха, как читать протокол УЗК, чтобы отличить настоящее заключение от формальной отметки, и что включить в заказ-наряд, чтобы оплаченный контроль действительно был выполнен.
При эхо-импульсном ультразвуковом контроле короткие пачки высокочастотных колебаний, обычно от одного до десяти мегагерц, из пьезоэлектрического преобразователя вводятся в деталь через тонкий слой контактной жидкости, например глицерина, геля или масла, который выдавливает воздушный зазор между поверхностью преобразователя и сталью. Звук проходит в однородной стали с почти постоянной скоростью около пяти тысяч девятисот метров в секунду, пока не встретит границу с другим акустическим сопротивлением. На границе часть энергии отражается прямо обратно в преобразователь, а часть идёт дальше. На экране прибора первый вертикальный импульс это начальный импульс от поверхности, часто называемый главной отметкой, а эхо от противоположной стенки детали, донная волна, приходит позже и отмечает весь звуковой путь. Любой внутренний отражатель, пора, трещина или цепочка шлака, лежит между преобразователем и дном и даёт собственное эхо в точке горизонтальной оси, соответствующей глубине, потому что глубина равна скорости звука, умноженной на половину измерённого времени прохода. Чем выше эхо на экране и чем лучше оно сравнивается с эталонным отражателем известного размера, например отражательным отверстием с плоским дном, тем крупнее оценивается дефект. Более высокие частоты преобразователя дают лучшую разрешающую способность по глубине и чувствительность к мелким дефектам, но быстрее затухают в крупнозернистой литой или кованой стали, поэтому на толстых или зернистых участках часто опускаются до двух или двух и одной четвёртой мегагерца, тогда как чистовые участки допускают пять и более. Ручное перемещение преобразователя по профилю зуба, отверстию, ступице и диску регулярной сеткой и сравнение каждого эхо с калиброванной кривой расстояние-амплитуда, позволяет специалисту решить, является ли отклик настоящим плоскостным дефектом или просто геометрией в виде шпоночной канавки, галтели или изменения сечения.
УЗК нацелен на объём шестерни, и вероятные дефекты зависят от того, как изготовлена заготовка. В литых заготовках для шестерён опасные внутренние особенности это усадочные раковины, микропористая усадка, газовые раковины и неметаллические включения, скопления шлака или песка, которые разрывают звуковой путь и рассеивают широкие размытые эха. В кованых заготовках УЗК ищет кузнечные трещины, развитыны, закаты и подковы, типично образующиеся на концах или в тяжёлых сечениях, где деформация была неравномерной, а также цепочки неметаллических включений, вытянутых по направлению волокна. После термообработки УЗК применяют повторно, потому что закалка может внести закалочные трещины, которые начинаются в глубине диска или у корня зуба и никогда не выходят на поверхность до того, как шестерня уже откажет в работе. Логика выбора неразрушающего метода по месту проста. Магнитопорошковый и капиллярный методы реагируют на несплошности на поверхности или непосредственно под ней, поэтому они правильные инструменты для шлифовочных трещин, закалочных трещин, вышедших на кожу, машиностроительных закатов и поверхностных кузнечных складок. Они дёшевы, быстры и чувствительны на поверхности, но пустота или трещина, залегающие на глубине сорок миллиметров внутри ступицы, не оставляют следа вообще. Радиографический метод тоже видит объём насквозь, но плохо ловит плоскостные ориентированные дефекты, вроде плотной усталостной трещины параллельно лучу. Поэтому УЗК это стандартный объёмный метод для тяжёлых шестерён: он достаёт глубоко, чувствителен к плоскостным отражателям и выполняется на цеховом месте без плёнки, зон радиационной безопасности и долгих циклов обработки.
Результаты УЗК хороши ровно настолько, насколько хорош норматив, по которому их судят, и первый уровень контроля это человек, выполняющий сканирование. Промышленная практика обычно требует, чтобы операторы имели сертификацию, например ISO 9712 или эквивалентную национальную схему, по ультразвуковому контролю на соответствующем уровне, где второй уровень умеет оценивать и фиксировать индикации, а третий отвечает за утверждение методик и интерпретацию. Для кованых стальных шестерён покупатели обычно ссылаются на рамки приёмки из таких норм, как EN 10228-3 для стальных поковок, ASTM A388 для тяжёлых стальных поковок или ISO 4992-2 для стальных отливок и поковок в редукторах, в зависимости от отрасли и конечного рынка. Для литых заготовок соответствующее семейство это часто EN 12680 часть три для отливок в машинах, таких как шестерни, вместе с материальными пунктами, входящими в нормы расчёта зубчатых передач. Внутри каждой нормы детали присваивают класс качества или степень приёмки, от мягкого к жёсткому, а индикации оценивают по калиброванным эталонным кривям, например кривой расстояние-амплитуда, которая компенсирует естественное падение высоты эхо по мере углубления отражателя в стали. Индикация описывается её эквивалентным размером, выраженным как диаметр отражательного отверстия с плоским дном, который дал бы ту же высоту эхо, и своей условной протяжённостью, когда плоскостный трещиноподобный отражатель обходят по длинной оси. Всё, что выше эталонной кривой или длиннее допустимой протяжённости, попадает в зону брака данного класса; всё, что ниже, приемлемо для данного применения.
Протокол УЗК, который вы не можете истолковать, с точки зрения закупки почти не лучше, чем отсутствие протокола вообще. Первое, что проверяют, это область охвата: какие торцы, отверстия, ступицы, диски и зоны зубьев сканировались, каким преобразователем и на какой частоте, и какая доля поверхности реально покрыта. Протокол, в котором сказано лишь, что ультразвуковой контроль пройден, без перечисления зон сканирования, просит вас поверить на слово цеху в вопросе охвата, а охват это именно то место, где режут углы. Далее, каждая зафиксированная индикация должна нести глубину, отмеренную от отсканированной поверхности, и осевое или окружностное положение вокруг шестерни, чтобы вы могли понять, лежит ли отражатель в нагруженной зоне у корня, в слабо нагруженном диске или в некритической зоне венца. В протоколе должны быть указаны эквивалентный размер и условная протяжённость каждой индикации, применённый класс приёмки и чёткий вывод принять или забраковать относительно этого класса. Достоверность приходит из согласованности: номер сертификации и уровень оператора, модель прибора и серийные номера преобразователей, дата калибровки, используемый эталонный образец, дата и время сканирования должны быть на месте, а протокол должен совпадать с номером плавки или серийным номером самой шестерни. Если протокол не показывает ни одной индикации на отливке, у которой видны следы прибыльных частей, или ссылается на класс качества, который никогда не появляется на вашем чертеже, относитесь к нему как к документу, который надо проверить, а не как к доказательству доброкачественности материала.
Включение УЗК в ваш запрос, а не обнаружение его при окончательной приёмке, это то, как вы делаете предсказуемыми надбавку по цене и сроку. Явно укажите норму и класс приёмки: сошлитесь на EN 10228-3, ASTM A388 или ту рамку, которую признаёт ваш конечный заказчик, и назовите требуемый класс, вместо того чтобы просить УЗК так, будто один годится всем. Укажите время контроля: большинство покупателей просят УЗК на черновой кованой или литой заготовке до того, как вложены деньги в дорогую механическую обработку, затем повторно после термообработки и в идеале до чистового шлифования, чтобы закалочную трещину нашли до того, как она превратится в брак на последней операции. Укажите охват: стопроцентное сканирование ступицы, диска и зоны зубьев или согласованный план выборочного контроля производственной партии, и укажите, какие поверхности должны быть отсканированы. Укажите, должен ли протокол для каждой регистрируемой индикации включать координатное местоположение, эквивалентный размер и условную протяжённость. Укажите, должен ли контроль наблюдаться независимой третьей стороной, классификационным обществом, инспектором заказчика или аккредитованной лабораторией, и нужна ли вам распечатка исходного эхо, приложенная к протоколу. Наконец, спросите, как УЗК влияет на цену и срок: полный объёмный скан с наблюдением третьей стороной на тяжёлой заготовке добавляет и контрольные часы, и календарное время, а предварительное бронирование в запросе позволяет цеху спланировать окно сканирования, подготовку поверхности контакта и калибровочные образцы ещё до прибытия поковки.
Ультразвуковой контроль не заменяет размерный контроль, испытания твёрдости или визуальные поверхностные проверки, которые входят в приёмочный пакет шестерни. Он добавляет единственную информацию, которую эти методы дать не могут: заключение о внутреннем объёме стали, которую вы покупаете. Когда метод, норма, квалификация оператора, охват и указанные в протоколе индикации все записаны, сверены и привязаны к серийному номеру детали, УЗК становится доказательством договорного уровня, а не расплывчатым обещанием доброкачественного материала. Если вы покупаете шестерни для прокатных станов, горнодобывающих приводов, судовых передач, энергетического оборудования или любой службы, где лопнувшая ступица или скрытая закалочная трещина остановят производственную линию, назначение эхо-импульсного УЗК с названным классом приёмки в запросе это малая цена по сравнению с простоем, который может вызвать один залегающий дефект.