Ультразвуковой контроль композитов

Когда слышишь про ультразвуковой контроль композитов, первое, что приходит в голову — авиация или космос. А на деле-то в литейке композитных узлов проблем не меньше. Особенно с теми же металлокомпозитами, где наполнитель и матрица имеют разную акустику. У нас в ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье с этим столкнулись, когда начали делать ответственные узлы для нефтехимии — там, где в стальную основу интегрированы неметаллические вставки для терморазвязки.

Почему стандартные методики УЗК тут не работают

Помню, первый раз попробовали прозвонить такой узел обычным дефектоскопом УД2-70 — получили такую кашу на экране, что хоть выбрасывай оборудование. Оказалось, композиты из-за слоистой структуры дают не отражённый сигнал, а дисперсию волны. Пришлось переходить на фазо-инверсные методы, но и там свои заморочки.

Особенно сложно с высокохромистым чугуном — материал-то анизотропный, плюс в композитных сборках часто идёт с полимерными прокладками. Как тут отделить несплошность от границы раздела фаз? Мы сначала думали, что дефект, а это оказался технологический зазор по чертежу. Теперь всегда требуем у конструкторов паспорт материалов — без него даже не начинаем контроль.

Кстати, для портовой техники это менее критично — там нагрузки статические. А вот для судовых насосов, где вибрация, пришлось разрабатывать отдельную методику. Спасибо, в ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье накопили статистику по разным режимам работы, теперь знаем, в каких узлах вероятнее всего расслоение.

Оборудование, которое реально выручает

Перепробовали кучу импортных дефектоскопов, но под наши задачи лучше всего зашёл Olympus OmniScan MX2 с кастомными настройками. Не реклама, просто факт — его программное обеспечение позволяет строить карты неоднородностей с привязкой к кривизне поверхности. Для литых деталей, где геометрия редко бывает идеальной, это спасение.

Хотя и у него есть нюансы — например, при контроле жаропрочной стали с керамическими включениями приходится использовать низкочастотные преобразователи. Но тогда падает разрешение... В общем, всегда идём на компромисс между точностью и вероятностью пропуска дефекта.

Кстати, самый неочевидный случай был с деталью для металлургического оборудования — там вроде бы монолитная отливка, но при УЗК вылезла аномалия. Разрезали — а там полость с технологическим связующим, которое не выгорело при термообработке. Теперь всегда спрашиваем у технологов, какие связующие используются в формах.

Типичные ошибки при контроле слоистых структур

Чаще всего ошибаются с углами ввода — ставят стандартные 45-70 градусов, а для ультразвуковой контроль композитов нужны пологие углы, иначе волна просто не проходит границу раздела. Мы в цехе даже таблицу висит с расчётами для разных пар материалов — сталь-резина, чугун-баббит, нержавейка-фторопласт.

Вторая беда — калибровка. Если для однородных материалов всё просто, то здесь эталон должен повторять не только геометрию, но и структуру. Пришлось заказывать специальные образцы с искусственными дефектами — дорого, но без этого никак. Особенно для ответственных узлов в нефтехимии, где последствия могут быть катастрофическими.

И да, никогда не доверяйте автоматической оценке дефектов — алгоритмы часто принимают за дефект участок с изменённой плотностью материала. У нас был случай, когда система забраковала абсолютно годную деталь только потому, что в том месте была литниковая система — металл там имел другую структуру.

Практические кейсы из нашего опыта

Для дорожно-строительной техники делали кронштейн из легированной стали с резиновыми демпферами. При ультразвуковой контроль сначала получали стабильный сигнал, но после термоциклирования появлялись помехи. Оказалось, резина при нагреве меняет акустическое сопротивление — теперь контролируем такие узлы только после всех термических операций.

С лесозаготовительной техникой ещё интереснее — там вибрационные нагрузки плюс ударные. Пришлось разрабатывать методику с использованием tandem-метода, когда два преобразователя работают в паре. Но это требует идеальной стыковки поверхностей... В общем, пришлось даже техпроцесс пересматривать, чтобы обеспечить доступ для датчиков.

А вот с углеродистой сталью проще — её акустические свойства предсказуемы. Но когда она в паре с композитными вставками, всё равно нужна адаптация методик. Мы обычно начинаем с импульсно-эхового метода, а если есть сомнения — переходим на теневой или зеркальный.

Что в итоге работает на производстве

За годы работы в ООО Чжэньцзян Синшэн Стальное Литье пришли к выводу, что универсального решения для композитов нет. Каждый тип узла требует своей методики, а иногда — и специальной оснастки. Например, для контроля сферических поверхностей пришлось заказывать поворотные устройства с ЧПУ — дорого, но дешевле, чем брак на сборке.

Сейчас внедряем цифровые двойники процессов контроля — моделируем распространение УЗ-волн в сложных структурах. Пока сыровато, но уже помогает оптимизировать точки установки преобразователей. Особенно для крупногабаритных отливок, где полный прозвон занимает несколько часов.

Главный урок — не пытаться слепо копировать методики для однородных материалов. Композиты живут по своим законам, и иногда паразитный сигнал оказывается более ценным, чем 'красивая' эхограмма. Как говорится, лучше знать все аномалии своего производства, чем идеально настроить оборудование на эталон.