Ultrazvuková kontrola odlitků lopatek Regazzo Richard, Regazzová Marcela R&R NDT Zeleneč Článek pojednává o ultrazvukové kontrole odlitků lopatek ze slitinové oceli na odlitky ČSN 422715. Dokumentované výsledky ultrazvukových zkoušek potvrzují, že zkoušení odlitků není jednoduché a pojem náhradní velikost vady u typických objemových vad odlitků vůbec nesouvisí se skutečnou velikostí těchto vad. Ve všech zkoušených odlitkách jsme ultrazvukem zjistili nepřípustné objemové vady a destruktivním ověřením se tento typ vad potvrdil. Podle ČSN 421240 patří zjištěné objemové vady do skupiny vad 4 dutiny, druh vad 44 řediny. Skupina vad 4 dutiny Druh vady 44 řediny Popis vady místní nahromadění malých staženin, projevujících se jako řídká místa v průřezu odlitku Nejčastější příčiny vady nahromadění materiálu v uzlech odlitku, které nelze nálitkovat, oblast působnosti nálitku nezasahuje do celého odlitku, počet nálitků je malý Ačkoliv se jedná o vady 3x až 6x větší než je příčný průřez ultrazvukového svazku, v hloubce vady je náhradní velikost D KSR těchto vad pouze mezi 3 a 5 mm. Pro optimální dvojitou sondu MSEB2H je příčný průřez ultrazvukového svazku 10 mm v hloubce 30 mm a průměr shluku vad, lokalizovaných v této hloubce, ve směru kolmém ke směru prozvučování byl mezi 30 až 60 mm. Proto je velmi důležité hodnotit vady v odlitkách nejen podle náhradní velikosti, ale použít i další kriteria hodnocení vad podle koncového echa, hodnocení podle plochy shluku vad atd. Zjištěné objemové vady (řediny) způsobí nepřípustnou ztrátu koncového echa a rovněž jeden rozměr vad ze tří změřených rozměrů (přesněji jeden náhradní rozměr vad ze tří změřených náhradních rozměrů ) nesplní požadavky předpisu pro hodnocení.
1. Kriteria hodnocení vad Provedení ultrazvukových zkoušek lopatek a jejich hodnocení bylo požadováno podle předpisů: DIN 1690 Technické dodací podmínky pro odlitky z kovových materiálů. Část 2. Červen 1985 SEP 1922 Ultrazvukové zkoušení odlitků z feritických ocelí. 3. vydání. Červenec 1985 Podle čl. 3.3.2.2. Ultrazvuková zkouška v normě DIN 1690 se ultrazvukové zkoušení provádí podle SEP 1922. Na obr.1 je hodnocená oblast lopatek a pro tuto oblast byla požadována kvalita lopatek podle SEP 1922 pro třídu zkoušení I a stupeň jakosti 2. Registrační meze pro třídu zkoušení I jsou definovány: 1) náhradní velikostí vady D KSR vady bez protažení (bodové vady) 4 mm vady s protažením (protáhlé vady) 3 mm 2) poklesem 1.koncového echa 12 db ø 50 ø 150 Obr. 1 Zkoušený objem lopatek 2
Meze přípustnosti pro třídu zkoušení I a stupeň jakosti 2 jsou pro tloušťku lopatky 50 mm v hodnocené oblasti definovány : (stručný výtah pouze základních kriterií předpisu SEP 1922 pro tloušťku do 50 mm) 1) maximální náhradní velikost vady D KSR vady bez protažení (bodové vady) 8 mm vady s protažením (protáhlé vady) 8 mm 2) maximální pokles 1.koncového echa pro sondu o f = 2 MHz 12 db 3) maximální počet bodových registrovaných vad na 1 dm 2 3 4) maximální výška vady v jádře 15 % tloušťky v okraji 10 % tloušťky 5) maximální délka vady 75 mm pro šířku vady menší než nebo maximálně rovnou příčnému průřezu svazku v hloubce vady 6) maximální plocha 1 vady v jádře 100 cm 2 v okraji 6 cm 2 7) oblasti s vadami, které lze posoudit jako a) slévárenské vady nevhodně orientované k ultrazvukovému svazku, b) souvislé vady s protažením, c) trhliny, nebo jiné vady podstatně ovlivňující použitelnost odlitku s náhradní velikostí do 8 mm, je nutné registrovat i když meze registrace nejsou překročeny a rozhodnout o nich na základě konzultace s objednavatelem. 2. Defektoskop, sondy, měrky Defektoskop a sondy Ultrazvukové zkoušky jsme provedli použitím defektoskopů USM 35 a USN 50 fy Krautkrämer, SRN. Optimální sondy jsme vybrali podle výsledků zkoušek těmito sondami : dvojitými MSEB2H, MSEB4H, SEB2H, SEB4H, DA201, přímými K2N, K4N, MB2F, MB4F, MB4S, B2S, B4S, B2F, B4F, a úhlovými MWB 70-4, MWB 60-4, MWB 70-2, MWB 60-2 fy Krautkrämer, SRN. Vzhledem k hrubému zkušebnímu povrchu odlitků lopatek, který byl pouze hrubě broušen pro první zkoušky (s výjimkou lopatek zkoušených po opracování) a tryskán pro druhé 3
zkoušky (po opravě vad vybroušením a vyvařením) jsme jako optimální sondy vybrali dvojitou MSEB2H a úhlovou MWB 70-4. Kontrolní a srovnávací měrky Kontrolní měrka č.2 (K2) podle ČSN EN 27 963 fy INCO. Stupňová měrka 2-3-4-5-6-7-8-9-10 mm fy INCO. Srovnávací měrka s náhradními vadami D KSR = 4 mm v hloubce 5, 10, 20, 30, 40, 50 mm. Srovnávací měrka lopatka č.52 s nepřípustnou vadou. Vazební prostředek, metoda, korekce Vazební prostředek Apeko. Zkoušení ručně s kontaktní vazbou. Korekce 2 db na přechodové ztráty rozdílnou drsností povrchů srovnávací měrky a odlitků. Směry prozvučování Směry prozvučování hodnocené oblasti lopatek dvojitou sondou MSEB2H a úhlovou sondou MWB 70-4 jsou naznačeny na obr.2. Obr. 2 Směry prozvučování lopatek Sonda MSEB2H : z čelního povrchu mezikruží ø150/ø50 a z válcového povrchu ø150 x 50 mm Sonda MWB 70-4 : z kořene lopatky v přechodové části 4
3. Hodnocení vad Ve většině lopatek byla zjištěna nepřípustná vada a klasifikace většiny lopatek byla nevyhovující. Jako příklad uvádíme vyhodnocení lopatky č.55. Kriteria hodnocení 1) kriterium hodnocení podle náhradní velikost vady Prozvučováním lopatky č.55 z čelního povrchu mezikruží se získá vadové echo o náhradní velikosti D KSR > 3 mm. Z maximální výšky vadového echa vyplývá, že náhradní velikost vady je o 4,4 db nad náhradní velikostí D KSR = 4 mm, která je nastavena na výšku 40 % rastru pro dráhu ultrazvuku 30 mm (obr.3 a obr.4). Z AVG diagramu pro sondu MSEB2H odečteme náhradní velikost vady D KSR = 6 mm. Tzn. vada je podle tohoto kriteria přípustná, neboť náhradní velikost vady je menší než D KSR = 8 mm. Poznámka: V praxi se před zkoušení lopatek sestrojí DAC křivka pro náhradní vadu D KSR = 4 mm ve srovnávací měrce. Mezi náhradní vadou D KSR = 4 mm a registrační úrovní D KSR = 3 mm je v AVG diagramu pro sondu MSEB2H rozdíl 4 db. Přenosová korekce je 2 db a tzn., že zesílení se po sestrojení křivky DAC zvýší celkem o 6 db bez změny polohy DAC křivky na obrazovce. DAC křivka potom odpovídá registrační úrovni. Systém zvolený na obr.3 a obr.4 je pouze pro účely dokumentace této vady. 2) Kriterium hodnocení podle maximální délky a šířky protáhlé vady Jedná se o protáhlou vadu, jejíž šířka smí být maximálně rovna šířce svazku v hloubce vady. Pro sondu MSEB2H se odečte z grafu v katalogu sond fy Krautkrämer šířka svazku 10 mm v hloubce 30 mm. Změřená (náhradní) šířka vady je 30 mm. Vada se hodnotí jako nepřípustná. 3) Kriterium hodnocení podle poklesu 1.KE Toto kriterium je prakticky nepoužitelné při zkoušce z čela, vzhledem k nevhodné geometrii protilehlého povrchu v oblasti vad. Při prozvučování v radiálním směru z válcového povrchu se v oblasti bez vad nastaví 1.KE (1.koncového echo) na 80 % rastru. Při prozvučování přes vadu je výška 1.KE menší než 20 % a tzn., že pokles 1.KE je větší než 12 db, obr.5 a obr.6. Vada se hodnotí jako nepřípustná. 5
4) Kriterium hodnocení podle výšky vady Při zkoušení z válcového povrchu v oblasti vady zmizí 1.KE a tzn., že výška vady v osovém směru je větší než 10 mm. Maximální přípustná výška vady v jádře je 15 % tloušťky, tj. 8 mm a v okraji 10 % tloušťky, tj. 5 mm. Vada zasahuje do okrajové oblasti, kde je maximální přípustná výška 5 mm. Vada se hodnotí jako nepřípustná. 4. Dokumentace nepřípustné vady v lopatce č. 55 Dokumentujeme měření optimální dvojitou sondou MSEB2H. Vady by byly stejně vyhodnoceny i sondou MSEB4H, SEB4 nebo DA201, ale vzhledem ke špatné jakosti zkušebního povrchu lopatek a vyšší frekvenci těchto sond 4 a 5 MHz je výhodnější sonda MSEB2H o nižší frekvenci 2 MHz.. V lopatce č.55 byla zjištěna nepřípustná vada. Přibližná plocha vady v radiálním směru změřená prozvučováním z čela je 40 x 30 mm. Ve stejné poloze byla tato nepřípustná vada zjištěna i v lopatce č.52 (srovnávací měrce) a její plocha je 60 x 30 mm. V osovém směru je rozměr vady větší než 10 mm, tzn. příčný průřez svazku, u lopatky č.55 i 52. Podle výsledků prozvučování z čelního a válcového povrchu předpokládáme prostorové (objemové) vady protažené radiálně. Destruktivním ověřením vady v odlitku lopatky č.55 jsme potvrdili předpokládaný druh vad, které podle ČSN 421240 patří do skupiny vad 4 dutiny, druh vad 44 řediny. Dokumentace vady echogramy pro sondu MSEB2H Dokumentace vady echogramy pro její lokalizaci a vyhodnocení sondou MSEB2H je na obr.3 až obr.6. Na obr.7 je profil vady podle výsledků ultrazvukových zkoušek. 6
A) Hodnocení podle vadového echa Obr. 3 Měření na srovnávací měrce s náhradními vadami v různé hloubce. Nastavení vadového echa od náhradní vady D KSR = 4 mm v hloubce 30 mm na 40 % rastru. Obr. 4 Lokalizace vady v lopatce č. 55. Prozvučování z čelního povrchu mezikruží. Maximální vadové echo od vady v lopatce v hloubce 27,4 mm. Výška vadového echa 67 % rastru. Náhradní velikost vady D KSR = 6 mm. 7
B) Hodnocení podle koncového echa Obr. 5 Měření na lopatce č. 55 mimo oblast vad. Prozvučování z válcového povrchu ø150 mm. Maximální 1.koncové echo z oblasti mimo vadu. Výška echa nastavena na 80 % rastru. Obr. 6 Lokalizace vady v lopatce č. 55. Prozvučování z válcového povrchu ø150 mm. Maximální 1.koncové echo přes vadu. Výška echa je 10 % rastru, tzn. pokles o 18 db z výšky 80 % rastru. 8
Obr. 7 Poloha nepřípustné vady v lopatce č.55 podle výsledků ultrazvukových zkoušek. Destruktivní ověření nepřípustné vady Pro destruktivní ověření vady jsme zvolili úběr po 3 mm. První řez do vady je na obr.8 a poslední čtvrtý řez na obr.11. Jak vyplývá z obrázků vada byla potvrzena a její rozměr osovém směru je větší než 10 mm. Rozměry v radiálním směru vyplývají z obrázků. Destruktivním ověřením vady v lopatce se potvrdila vada, která podle ČSN 421240 patří do skupiny vad 4 dutiny, druh vad 44 řediny. 9
Obr. 8 První řez. Shluk vad délky 50 mm a šířky 20 mm. 10
Obr. 9 Druhý řez. Posun o 3 mm, shluk vad délky 50 mm a šířky 20 mm. 11
Obr.10 Třetí řez. Posun o 3 mm, tzn. z výchozí pozice o 6 mm, shluk vad délky 50 mm a šířky 30 mm. 12
Obr. 11 Čtvrtý řez. Posun o 3 mm, tzn. z výchozí pozice o 9 mm, shluk vad délky 50 mm a šířky 20 mm. 13
Obr. 12 Skupina vad 4 dutiny, druh vad 44 řediny. Pohled na nepřípustné vady v lopatce zjištěné po obrobení zkoušené oblasti, tato lopatka nebyla zkoušena ultrazvukem. Poděkování Naše poděkování patří ing. Zdeňku Stachovi z ZVVZ a.s, Milevsko, za zajímavou práci a povolení publikování v našem defektoskopickém časopisu. 14