автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Ультразвуковой контроль качества болтовых и заклепочных соединений с натягом в авиаконструкциях

научно-производственное объщщныш по

ташологш машшостроенш "цшггшг

На правах рукописи

уда 620.179.16

Р1М)ВА Татьяна Борисовна

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА БОЛТОВЫХ II ЬАОЕПОФЫл СОдЩПШШ С НЛТПГОМ в АВ;1АК0НС'ГРУКЩ1ЯХ

Специальность: C5.02.II - Мохода контроля и

диагностика в машиностроении

Автореферат

^¡ссеитацип на соисканий ученой степени кандидата технических наук

.Лоск1!а, 1992

/

Гскютл вшюлноип в Центральном аэрогидродцняглическом институт им. npov. П. К.Гукопского.

Научны" руководитель - доктор технических наук,

профессор Ермолов 11.11.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Лопнлкин Л. л.

- кандидат технических наук УральскиП M.II.

Ведущее предприятие - ]ЩТ.

— 0С

Защита состоится "¿У " 1992г. я /V час

в круглом зале ЩМГШЛ1П на заседании специализированного Совета (Д 145.03.03) при Научно-производственном объединен;'!] по технологии машиностроения (ЦШПГГМЛ!;!) по адресу: 109088, Москва, Ж-88, Шарикоподшипниковская, 4, ШПБШ.1А111.

Телефон для справок: Я7Г>-Р5-ЛЗ

С диссертацией мотаю ознакомиться л научно-технической библиотеке ЩШ1ПЖШ.

Автореферат разослан Xf 1901'г.

УченыП секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С каждым годом возрастает потребность в пассажиро- и грузоперевозках, осуществляемых с помощью воздушного транспорта. Увеличение интенсивности эксплуатации авиатранспорта, а ташке тенденция к созданию дорогостоящих аэробусов типа Ил-86, Ил-96 и грузовых супергигантов типа Ант-124 ("Мрия"), остро ставят задачу создания высокоресурсной надежной авиатехники.

Одним из путей повышения долговечности наиболее слабого участка авиаконструкции - соединения элементов - является применение гарантированного натяга. Использование гарантированного натяга в болтовых и заклепочных соединениях с,целью повышения долговечности конструкции предполагает наличие современного высококачественного оборудования для изготовления отверстий и крепежных элементов о высокой точностью, совершенной технологии сборки, методов и средств контроля качества соединений после сборки.

В настоящее время для оценки качества болтовых и болт-заклепочных соединений используют метод, основанный на измерении диаметров отверстия и крепежного элемента и сравнении их с допусками (до сборки). Способ, основанный на измерении величины усилия запрессовки и дающий более точную оценку качества соединения, на практике используется крайне редко, т.к. сборка подавляющего большинства соединений осуществляется вручную. Качество заклепочных соединений оценивают разрушающим способом по величине раздачи отверстия в технологическом образце (после клепки).

Таким образом, необходимость применения натяга и отсутствие методов и средств неразрушающего контроля качества соединений авиаконструкций после сборки делает задачу разработки такой методики весьма актуальной.

Цель работы. Разработка методики ультразвукового контроля качества болтовых и заклепочных соединений с натягом в авиаконструкциях.

Методы исследований. Исследования проводились с использованием методов общей акустики, рентгеноструктурного анализа, рек-ристаллизационного отжига, математических методов обработки результатов экспериментов.

Научная новизна. В работе защищается следующее:

- результаты исследования трансформации продольной волны в поверхностные и поперечные волны и установленные зависимости от величины давления в зоне контакта деталей и деформации заполненного отверстия;

- установленная связь амплитудно-временных характеристик волн обегания-соскальзывания с напряженно-деформированным состоянием заполненного отверстия;

- установленные зависимости амплитуды отраженных упругих волн от напряженно-деформированного состояния для соединений типа "вертикальное отверстие" и "боковое отверстие"

- аналитические выражения, позволяющие оценить размеры контактной поверхности, в пределах которой происходит оценка качества соединения при одностороннем озвучивании отверстия, в завися -мости от параметров соединения и ультразвукового преобразователя.

По результатам работы подучено авторское свидетельство на изобретение 1.' 1455872.

Драктическая ценность. Внедрение ультразвукового метода контроля качества болтовых, болт-заклепочных и заклепочных соединений с натягом, основанного на измерении амплитудно-временных характеристик упругих волн, позволяет не только управлять качеством выпускаемой авиационной техники, но и проводить оценку ее

технического состояния в эксплуатации, повысить эффективность применения других методов неразрушлющего контроля.

Реализация работы. Разработанные способы ультразвукового контроля качества соединений с натягом внедрены в ЦАГИ при ресурсных испытаниях планера самолета Ил-96-300.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены и обсуждены на УП научно-технической конференции по ресурсу самолетов (г.ЭКуковскин, 1983г.), У1 отраслевом совещании "Повышение надежности и качества изделий средствами неразрутающего контроля" (г.Ульяновск, 1989г.), Международной конференции "Испытательное оборудование для экспериментальных исследований механических материалов и конструкций" (г.Москва, 19Ъ9г.).

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Изложена на 209 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 104 рисунка, список литературы, включающий 61 наименование,2 приложения.

СОДЕРЖАШЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность исследуемой проблемы, дана краткая аннотация работы.

В первой главе сделан обзор существующих методов контроля качества соодинений с натягом в различных областях машиностроения. Рассмотренные методы контроля качества соединений с натягом разделены на три группы: разрушающие методы, методы оценки качества в процессе сборки и методы, позволяющие проводить контроль после сборки (в процессе эксплуатации).

В авиационной промышленности для контроля качества соединений с натягом применяют методы первой и второй групп. В других отраслях машиностроения (железнодорожном, нефтяном, химическом) имеется ряд способов, находящихся на разной стадии проработки и позволяющих проводить оценку качества соединений с натягом типа вал-втулка, бандаж-бандаж, матрица-бандаж, трубных соединений,но не болтовых и заклепочных. Конструктивно-технологические особен-

иости болтовых и заклепочных соединений авиаконсгрукций не позволяют напрямую использовать имеющиеся разработки для оценки их качества. Анализ возможностей методов контроля третьей группы показал, что для решения поставленной задачи наи5олее перспективными являются акустические методы, основанные на измерении скорости и импенданса упругих волн.

Проведенный обзор показал актуальность работы и позволил сформулировать задачи диссертационной работы:

- провести анализ контролепригодности соединений с натягом в авиаконструкциях;

- исследовать влияние напряженно-деформированного состояния границы сопряжения деталей на явления трансформации, дифракции, отражения (прохождения) различных типов упругих волн;

- определить информативные параметры акустических сигналов о величине натяга в различных схемах ультразвукового контроля;

- провести анализ акустического тракта предложенных схем контроля, дать характеристику получаемой оценки качества (локальная, интегральная), установить зависимости влияния конструктивных параметров соединения и геометрических параметров преобразователя на размер контролируемого участка контактной поверхности при одностороннем озвучивании отверстия;

- разработать методику ультразвукового контроля болтовых и заклепочных соединений;

- оценить достоверность ультразвукового контроля сопоставлением с методами рентгеноструктурного анализа и рекристаллиза-ционного отжига, а тзкко с испытаниями на сопротивление усталости;

- определить область применения и погрешность ультразвуковой оценки качества соединений с натягом;

- провести испытания и внедрение разработанной методики контроля.

/

Во второй главд приведены результаты исследований влияния напряженно-деформированного состояния границы сопряжения деталей на явления трансформации, дифракции, отражения (прохождения) различных типов упругих волн; описаны исследованные модели соединений с натягом; подучены зависимости амплитудно-временных характеристик от величины натяга (деформации); дана оценка характера получаемой информации (локальная, интегральная).

Анализ контролепригодности соединений авиаконструкций с натягом позволил объединить их с позиций описания акустического тракта в две основные группы: соединения типа "вертикальное отверстие" и "боковое отверстие" (рис.1).

В работах Таборкина Г.Я., Миховски М. и других при рассмотрении явления отраиония упругих волн, граница сопряжения деталей моделируется в виде трехслойной системы, в которой коэффициент отражения зависит от акустических имедансов соединяемых деталей, акустического имеданса и толщины переходного слоя, угла падения ультразвуковой волны. Под воздействием нагрузки параметры переходного слоя и прилегающих слоев соединяемых материалов изменяются. Изменение акустических параметров происходит в результате сложного процесса формирования контакта случашшх профилей реальных поверхностей. Этот процесс сопровождается упругим, упруго-пластическим и пластическим деформированием материала и зависит от многих (¡[акторов, что делает экспериментальные исследования по оценке отражательной способности контактной границы, находящейся под нагрузкой, незаменимыми.

Экспериментальные исследования проводили на конических моделях диаметром от 6 до 12 мм, в которых создавали радиальный натяг от О до 2,4;£ (путем запрессовки стального (ЗОЬТСЛ) или титанового (ВТ-16) конуса (конусность 2°) в отверстие в алюминиевой пластине (Д16Т) толщиной Ю мм. Поле создаваемых натягов было выбрано

таким образом, чтобы охватить диапазон, характерный для болтовых и болт-заклепочных соединений авиаконструкций. Оценку коэффициента отражения, трансформации и дифракции упругих волн осуществляли по величине амплитуда у.з. сигнала. С целью исключения влияния акустического контакта на результаты измерений, ультразвуковой преобразователь приклеивался к пластине с помощью акустопрозрач-ного клея. Величину относительного натяга <У определяли расчетом по перемещению конуса в отверстии. Шероховатость сопрягаемых поверхностей соответствовла требованиям серийной технологии ( = =10-20 мкм).

Для моделей соединений типа "вертикальное отверстие" дано обоснование правомерности применения конической модели для исследования явления отражения ультразвуковых волн. Были получены амплитудные характеристики эхо-сигналов поперечных и поверхностных волн, отраженных от двугранного угла, образованного поверхностями отверстия и пластины. Для поперечных волн характер связи "амплитуда-натяг" качественно изменяется в зависимости от стадии деформирования соединяемых материалов (рис.2). Влияние марок соединяемых материалов, диаметра отверстия, частоты упругих колебаний проявляется в виде количественных изменений. Начальный участок зависимости, характеризующийся близким к линейному падением амплитуды эхо-сигнала, соответствует упругому деформированию материалов, при котором происходит рост сумларной площади фактического контакта соединяемые деталей и возникновение на вершинах основных неровностей пластического течения, приводящего по существу к микроточечной сварке, что способствует прохождению упругих колебаний в крепежный элемент. Развитие пластической деформации в упруго-пластической зоне от микропластичности (в отдельных кристаллитах) к макропластичности сопровождается формированием в зоне контакта тонких слоев материалов с дислокациями и другими дефектами

решетки (зона наклепа). Это приводит к замедлению падения амплитуды эхо-сигнала до минимального уровня и последующему незначительному ее росту. Дальнейшее увеличение натяга приводит к текучести материалов, что проявляется, как правило, в виде горизонтальной площадки амплитудной зависимости . Для моделей о титановым штифтом наличие осцилляций амплитуда эхо-сигнала по мере роста натяга связано с характерным при деформировании титановых сплавов аномальным явлением "скачкообразного течения".

Зависимость положения точки минимума амплитудной характеристики от диаметра соединения объясняется тем, что амплитуда эхо-сигнала отслеживает напряженно-деформированное состояние соединения, которое при одинаковом значении относительного натяга & для соединений разного диаметра различно. Те не амплитудные зависимости , построенные для абсолютного л/ , а не относительного $ натяга, для одного типа контакта (А л - Ст) имеют минимум при близких значениях N =0,00 мм (рис.3).

Наличие точки экстремума в амплитудных характеристиках делает оценку качества соединений в области пластического деформирования материалов не однозначной. Верхний порог диапазона однозначного измерения натяга определяли как точку пересечения участка монотонного падения амплитуда эхо-сигнала с продолжением горизонтальной площадки амплитудной характеристики в области пластического деформирования . Значение порога зависит от марок материалов и диаметра соединения. Для исследованных моделей с титановым штифтом пороговые значения удовлетворяют допускам по натягу для болтовых и болт-заклепочных 'соединений (поло допуска 0,б£- (Г ^1,2'а). Для пары Ал - Ст пороговые значения соединений с номинальным диаметром, превышающем 8 мм, меньше нижней границы допуска. Учитывая, что прочностные характеристики соединений определяются их напряженно-деформированным состоянием, а пороговые значения для

абсолютной величины натяга не зависят от диаметра соединения, предлояено при оценке качества соединении с натягом пользоваться характеристикой "абсолютный натяг".

Для моделей типа "боковое отверстие"исследовали влияние натяга на амплитуду сигнала, отраженного от первой по ходу луча контактной границы соединения, и сигнала, прошедшего в материал, заполняющий отверстие, и отраженного от второй контактной границы. Характер изменения амплитудных характеристик для всех исследованных моделей одинаков (рис.5). По мере увеличения натяга амплитуда эхо-сигнала от первой контактной границы падает, а от второй -возрастает. Разница между амплитудами указанных выше сигналов уменьшается, стремясь к минимуму. При достижении минимальной разницы (0-2 дБ) наблюдается стабилизация обеих амплитуд . Та гаю параметры, как диаметр отверстия, акустичоские свойства контактирующих материалов, частота у.з. колебаний еносят количественные изменения. Оценку качества соединений можно осуществлять по любому из указанных выше сигналов. В работе предложено оценку качества соединений производить по разнице амплитуд сигналов (рис.6). Это позволяет осуществлять одновременный контроль двух диаметрально противоположных участков контактной поверхности, повысить точность оценки качества соединений за счет исключения влияния акустического контакта и увеличения динамического диапазона информационного параметра.

Представленные выше результаты исследований подучены для детектированного эхо-сигнала. Акустический импеданс, определяющий отражательную способность поверхности раздела, для границы, содержащей тонкие слои, является комплексной величиной, мнимая часть которой зависит от изменения фазы отраженной волны. Учитывая это, были получены амплитудные характеристики для первого полупериода недотектированного эхо-сигнала. Повышенная чувстви-

твльность недектированиого сигнала проявилась в увеличении амплитудного динамического диапазона на 3-16 дБ и осцилляциях амплитуда прп больших деформациях отверстия.

Приведенные выше результаты исследований влияния напряженно-деформированного состояния контактной поверхности на амплитуду охо-сигнала подучены для случая одностороннего озвучнвания контролируемого отверстия. Размеры участка контактной поверхности, с которой принимают отклик и судят о качестве соединения является ванной характеристикой контроля. Для соединений авиаконструкцин характерна большая кршзизна контролируемых поверхностей (малые диаметры отверстии), что приводит к сильному расхождению отраженных волн и приему информации с ограниченного участка контактной поверхности. Оценку размеров контролируемого участка при одностороннем озвучивании отверстия проводили на основе законов геометрической акустики в пределах ближней зоны преобразователя,т.к. ктот случай контроля наиболее распространен для соединений авиаконструкцин.

Протяженность контролируемого участка по окружности отверстия оценивается по формуле:

р = ^^ амЬ а - . (I)

90' ^ ^ + (Н И

высота по образующей отверстия:

£ - а , (2)

л ~ Шо«.-^(Ь

где 2а - диаметр пьозоэлемента; 2«- диаметр контролируемого соединения, Н- расстояние до отражающей поверхности, а, - ухол наклона призмы преобразователя, р - угол распространения у.з. волн в контролируемом материале.

Для исследованных моделей и реальных соединений авиаконструкций площадь контролируемого участка составляет 1-5;^ от всей поверхности контакта ( С = 0,6-1,0 мм, к =2-3 мм). При таком

соотношении площадей оценку качества соединения по амплитуде эхо-сигналп можно считать локальной. Локальность оценки является преимуществом ультразвукового метода, позволяющим получать круговые диаграммы качества соединения, которое может выражаться в величинах натяга, деформации, остаточных напряжений. Интегральная оценка качества соединений, широко используемая на практике, получается путем усреднения результатов дискретных измерений вокруг отверстия, максимально возможное количество которых определяют по формуле:

а = (3)

где г - диаметр соединения, £ - величина, определяемая по Формуле (I).

Возможность получения пнтогральной оценки качества соединения путем увеличения количества измерений вокруг отверстия, показана на примере контроля образцов болтового соединения и сравнении результатов с методом запрессовки. При увеличении количества измерений а вокруг отверстия от п. =1 до /г =4, коэффициент корреляционной спязи "амплитуда эхо-сигнала - усилие запрессовки" возрастает от 0,57 до 0,72.

С целью сокращения трудоемкости получения усредненной оценки качества соединений, был осуществлен поиск более производительных схем контроля.

Для соединений типа " вертикальное отверстие" было исследовано влияние нагрузки, действующей на границу сопряжения деталей, на явление трансформации продольной волны. При распространении продольной волны вдоль поверхности сопряжения двух деталей часть ультразвуковой анергии в зоне контакта трансформируется в поверхностные волны и переходит на поверхность другой детали. Некоторая часть энергии трансформируется в поперечные полны, распространяющиеся в обеих деталях, остальная часть продолжает распространяться вдоль контактной грапшде со скоростью продольной волны (рис.7).

Экспериментальные исследования проводили на плоских и конических моделях. Плоская модель состояла из пластины размером 120x4ОхТ мм, где Г=3; 4,5; 9,3; 20; 25 мм (материал Д16) и бруска размером 50x40x25 мм (материал Д16, ВТ-22), которые помещались мезду захватами испытательной машины и нагружались от 0 до Ют. Диапазон изменения нагрузки был определен из расчета устойчивости модели. В зоне контакта давление изменялось от 0 до 24

о

кГ/мм . Шероховатость контактирующих поворхностей составляла Кг* =10-20 мм. С помощью нормального преобразователя в бруске возбуждали продольные волны, распространяющиеся вдоль свободной поверхности и зоны контакта. В пластине осуществляли прием преобразованных колебаний.

По мере увеличения нагрузки амплитуда трансформированной поверхностной ьолны растет, достигая насыщения при значениях контактных напря,ке)шк, близких к условному пределу текучести материала ДЕ6 (602 =23-27 к1/мм^). Изменение акустических свойств контактирующих пар, наличие смазки ц контактной зоне (ЦПАТИМ-201) вносит количественные изменения, не влияя на характер зависимости. Аналогичные результаты были получены на конической модели.

Поперечные волны, порождаемые продольной волной, возбуждаются также только и граничных точках контакта и распространяются во второй детали в виде цилиндрических волн. При одностороннем доступе к соединению можно осуществлять прием поперечных волн, исходящих из обеих границ контактной зоны. Для исследованных плоских моделей (Д16-Д16, ВТ-22 - Д16), влияние нагрузки на амплитуду трансформированной поперечной волны происходит в более узком диапазоне изменения контактных давлений,чим для поверхностной волны, а наличие смазки в контактной зоне еще более сужает его. Увеличение частоты у.з.колебаний до 10 мГц не приводит к расширению

чувствительного участка . Для коническом модели были получены" аналогичные результаты.

Для соединений типа "боковое отверстие" исследовано влияние деформации заполненного отверстия на явление дифракции 2-го типа. Исследования проводили на конических моделях по Т -К -Т схеме образования дифрагированных волн обегания-соскальзывания. Прием и излучение ультразвуковых волн осуществляли по раздельной схеме "тандем". Установлено, что величина деформации отверстия влияет на •чмллнтудно-времонные характеристики волн обегания-соскальзывания. Характор связи "амплитуда - абсолютный натяг" для неоднородных поверхностных воли аналогичен получении.! ранее характеристикам для явления отражения упругих волн (рис.8). С ростом деформации отверстия происходит увеличение скорости неоднородных поверхностных волн, которое зависит от марок контактирующих материалов и диаметра отверстия. При одной и той же деформации отверстия увеличение скорости больше для соединения большего диаметра, а при одинаковых диапетрах - для пары Ал - Ст. Для исследованных моделей максимальное увеличение скорости неоднородных поверхностных волн составило 1?%. При одностороннем доступе к соединению использование явления дифракции второго типа позволяет получить усредненную оценку качества соединения по схеме "тандем" для половины, а по схеме встречной установки преобразователей -85^ контактной поверхности. На данный способ контроля качества соединений получено авторское свидетельство ^ 1455872.

На основании проведенных исследовашш даны рекомендации по ■ выбору схем контроля соединений с натягом:

- для соединений типа "вертикальное отверстие" наиболее пригодной является схема контроля поперечными волнами, основанная на анализе амплитуды эхо-сигнала от двугранного угла, образованного поверхностями отверстия и изделия и позволяющая получать локальные

и интегральные оценки качества в сочении, определяющем сопротивление усталости соединения. Оценку качества соединения в граничных точках контактной поверхности предложено осуществлять по амплитуде эхо-сигнала поверхностной волны;

- для соединений типа "боковое отвароша" рекомендуется способ, основанный на анализе разности амплитуд сигналов поперечной волны, отраженной от первой по ходу луча контактной границы и прошедшей в крапе*шый элемент и отраженной от второй границы. Способ поз-иозволяат осуществлять контроль одновременно в двух диаметрально-противоположных локальных участках контактной поверхности соединения. Для получения интегральной оценки качества соединений предложен способ, основанный на анализе амплитудно-временных характеристик дифрагированных волн обегания-соскальзывания.

В тоетьел гла^о приведены результаты исследований по оценке качества заклепочных соединений, выполненных стрежневыми заклепками в автоматическом режима.

И силу конструктивно-технологических особенностей получения заклепочных соединении исследования проводили на образцах продольных шов изд.1^1-96-300 в четыре этапа - измерение диаметров отверстий до клепки, у.з. измерения амплитуды эхо-сигнала посла клепки, разрезка соединений и измерение диаметров заклепок (диаметров раздачи отверстия), расчет величины натяга. Ультразвуковые измерения проводили по схеме контроля соединении типа "вертикальное отверстие". Образцы изготавливали в ПАИ на экспериментальном стенде, реализующем процесс клепки стержневыми заклепками аналогично автоматам в -666-120, АК-16 или У30-2-АК1-16-2. Фиксированное значение радиального натяга получали путем подбора усилия клепки. Были получены заклепочные соединения с радиальным натягом в зоне контроля от 0,5 до 3,5/5. Лдя получения соответствия в оценках ультразвуковым и разрушающим метода™, измерения диаметра

и амплитуды эхо-сигнала проводили в одном сечении соединения в диаметрально противоположных направлениях с последующим усреднением результатов. Было подучено уравнение регрессии, описывающее связь "амплитуда-натяг" с коэффициентом корреляции г =0,97 (рис.9):

$ = 0,01е°'09А " 0,03 (4)

Характер амплитудной зависимости аналогичен полученным ранее характеристикам для конусных моделей болтовых и болт-заклепочных соединений. Соединение двух алюминиевых сплавов (заклепка В-65, пластины 1163 и В95оч-Т2) приводит к расширению чувствительного диапазона до 2%. Для полученного тарировочного графика проведена оценка погрешности у.з. измерений по величине случайной ошибки. Установлено, что среднее квадратичное отклонение натяга является переменной несимметричной величиной и возрастает по мере роста 8". В таблице приведены результаты расчета верхней (+Д 3 ) и нижней (- д8) границ доверительного интервала для доверительной вероятности Р=0,9.

<5\ « 0.03 0.12 0.33 0.В6 • 2.17

- Д<Г,56 0.03 0.10 0.25 0.61 1.48

+ д<У.% 0.03 0.7 0.16 0.41 1.03

К главе приведены результаты оценки достоверности

у.з. контроля, полученные путем сравнения с результатами испытаний на выносливость, измерения остаточных напряжений рентгеновским методом, оценки зон пластической деформации методом рекристалли-зационного отжига; проведен анализ погрешности оценки среднего значения амплитуда вхо-сигнала в зависимости от количества измерений вокруг отверстия, дана оценка влияния осевого натяга (осевой стяжки) на амплитуду эхо-сигнала.

Создание высоких радиальных натягов в соединениях авиакон-

струкций направлено на повышение их эксплуатационных характеристик и, в частности, долговечности.

Результаты испытаний на выносливость образцов заклепочных соединений показывают, что преимущественное развитие усталостных повреждений происходит в элементе пакета с более высоким уровнем амплитуды эхо-сигнала. Для одного уровня погружения б" долговечность выше у соединений с меньшей амплитудой эхо-сигнала. Данные, приведенные в работе, показывают однозначную связь мевду результатами у.з. контроля и испытаний на выносливость и являются подтверждением достоверности оценки качества соединений ультразвуковым методом. Испытание образцов на различных уровнях нагружения сократило обьемы однотипных выборок до 2-3 образцов, что не позволило произвести количественную оценку достоверности контроля.

Поле остаточных напряжений, образующееся вокруг отверстия при установке крепежа с радиальным натягом, является одним из факторов, определяющих качество соединения. Установление связи между амплитудой эхо-сигнала, полученной путем отражения поперечной волны от двугранного угла по схеме контроля соединений типа "вертикальное отверстие", и величиной остаточных напряжении осуществляли экспериментально но образце заклепочного соединения. Образец бил вырезан из натурной паноли крыла самолета Ил—96—300,'прошед-мей ресурсные испытания. Были получены диаграммы распределения амплитуды эхо-сигнала вокруг каждого соединения, диаграммы распределения средних значений амплитуд сигналов вдоль заклепочного шва для обшивки (материал 1163) и стрингера (материал В95очТ2) , выделены соединения с минимальным, максимальным и средним значениями амплитуды сигнала, для которых с помощью рентгеновского метода были получены эпюры распределения остаточных напряжений по толщине пакета. Установлена однозначная связь амплитуды эхо-сигнала с величиной остаточных напряжений, которая в исследованном

диапазоне (от 4 до 16 кГ/мм^) описывается линейной зависимостью Аср=19,3-1,56"ост> с коэффициентом корреляции г =0,95 (рис. 10). Погрешность у.з.измерений, оцененная по максимальному отклонению, не превышает 12# от измеряемой величины.

С помощью метода рекристаллизационного отжига подучено наглядное подтверждение влияния степени деформирования контактирующих материалов на амплитуду эхо-сигнала. Для заклепочных соединений, выбранных по результатам у.з. измерений, с помощью метода рекристаллизационного отгшга, разработанного н 1И1АТ , был проведан анализ структуры материалов и контактной зоне. Вводимые в процессе пластического деформирования дислокации и другие дефекты решетки, при отжиге являются центрами рекристаллизации. При правильном выборе температурно-временных режимов отжига рекристаллизация начинается в наклепанном слоо, который выявляется в виде мелкозернистой зоны на фоне нерекристаллизованной структуры- Для соединений, имеющих максимальную амплитуду эхо-сигнала (Аср. = 34-36 дБ) зона пластической деформации (зона наклепа) отсутствует. Для соединений с минимальной амплитудой эхо-сигнала (Аср.=47-49 дБ) глубина рекристаллнзбванного слоя достигает ОД мм (рис.II). Это подтверждает, что степень деформирования заполненного отверстия влияет на амплитуду эхо-сигнала.

Оценку влияния количесма измерений на точность определения среднего значения амплитуды эхо-сигнала Аср.проводили по величине случайной ошибки. Сравнение проводили для случаев определения.' Аср. по результатам измерений вокруг отверстия с шагом 10°(36 измерений) и 90° (4 измерения) на шести заклепочных соединениях. Установлено, что погрешность оценки Аср. по четырем измерениям не превышает 2-3 дБ,что находится в пределах точности метода.

Для соединений типа 'вертикальное отверстие" амплитуда эхо-сигнала поперечной волны неоет информацию об отражательной способ-

яости поверхностей двугранного угла, одной гранью которого является боковая поверхность отверстия под крепежный элемент (полезный сигнал), другой - поверхность сопряжения со второй деталью пакета. При сборке авиаконструкций детали, соединяемые с помощью крепежных элементов, с определенным усилием стягиваются друг с другом (осевая стяжка). При этом на поверхностях сопряжения деталей возникает контактное давление, величина которого может влиять на амплитуду эхо-сигнала. Оценку влияния осевой стятаи проводили на образце болтового соединения двух пластин (установка болта в отверстии - свободная). Усилие стяжки пакета изменяли при помощи гидравлического пресса. Установлено, что изменение усилия стяжки

о

от 0 до 2.10 кГс приводит к изменению амплитуды эхо-сигнала на 4 дБ. Дальнейшее увеличение усилия стяжки (до 7.10 кГс) изменяет амплитуду эхо-сигнала незначительно (на 0,5-1 дБ). Диапазон чувствительности амплитуды эхо-сигнала поперечной волны к контактному давлению на поверхности сопряжения соединяемых элементов пакета находится в пределах от 0 до II кГ/мм2, что в 2-2,5 раза меньше диапазона чувствительности к радиальному натягу. Можно предположить, что высокая чувствительность амплитуды эхо-сигнала определяется не только величиной, но и направлением действующих напряжений, сложностью НДС контактной границы.

Для реальных соединений авиаконструкций влияние осевой стяжки на амплитуду эхо-сигнала является постоянной систематической погрешностью.

В пятой главе дано описание технологического процесса у.з. контроля качества заклепочных соединений с натягом, приведены результаты практического применения у.з. метода для оценки качества соединений с натягом в образцах, натурных панелях и конструкциях.

Согласно разработанной методике контроля заклепочных соедине-

ний типа "вертикальное отверстие" контроль осуществляют по совмещенной схеме поперечными волнами на частоте 5 Ш;. Угол наклона преобразователя выбирают исходя из требований контроля прямым лучом. Ультразвуковой преобразователь устанавливают на поверхность контролируемого элемонта пакета около соединения и перемещают в плоскости падения луча до получения на экране дефектоскопа максимального эхо-сигнала от двугранного угла, образованного поверхностью отверстия и противоположной поверхностью контролируемого элемента. Время прихода эхо-сигнала предварительно рассчитывается и интервал развертки стробируется. Правильность установки строб-импульса проверяется на образце заклепочного соединения. Измерение амплитуд эхо-сигналов производят вокруг соединения с шагом 90° (два измерения вдоль шва, два - поперек). По результатам измерений рассчитывают среднео значение амплитуды эхо-сигнала Аср., по которому с помощью тарировочного графика или тост-образцов производят оценку качества соединения. Для клепаных стрингеров на нижних панелях крыла самолета Ил-96-300 предложено оценку годности соединения осуществлять путем сравнения Аср. с браковочным уровном Абр., соответствующем точке пересечения нижней границы доверительного интервала тарировочного графика с нижней границей поля допуска: годное соединение |Аср.| ^ |лбр.|

брак |Аср.| ^ |Абр.|

Это позволяет осуществлять контроль качества заклепочных соединений без перабраковки с вероятностью 0,9.

На образцах, моделирующих болтовые и болт-заклепочные соединения продольных стыков панелей крыла самолета Ил-96-300 с целью определения браковочного уровня для контроля натурных конструкций были проведены у.з. исследования по схемам контроля соединений типа "вертикальное отверстие" и "боковое отверстие". В исследованных образцах были реализованы натяги со средним расчетным знача-

гаем 0,6/2 и 1,6^. Результаты у.з. контроля представлены б пидо гистограмм распределения информационного параметра (средного значения аглплитудн эхо-сигнала; разнит; амплитуд сигналов, отраженных от первой и второй контактных границ соединения). Установлено, что:

- ограниченность диапазона чувствительности у.з. метода не позволяет произвести разделение двух групп соединений со средним натягом 0,6/.! и 1,6/3;

- сроднее значение амплитуды эхо-сигнала (дефектоскоп Ц5К -7, преобразователь МЗ-60- N6), соответствующее нижней границе поля допуска {$=0,6%) составляет:

дяя болтовых соединений - 68 дБ;

для болт-заклепочных соединений - 64 дБ;

- технология сборки болтовых соединений позволяет получать соединения с монышш рассеиванием натяга, чем технология сборки болт-заклопочных соединений.

Для натурной панели крыла самолета Пл-36-300 до начала испытаний на ресурс получены диаграммы распределения среднего значения амплитуды эхо-сигнала в двухрядном болтовом продольном шве в наиболее напряженных зонах (около смотровых люков, всего 160 соединений). Выделена наиболее слабая зона (около люка .'<> 4 находились 4 из 5 обнаруженных прослабленных соединений), в которой в процессе испытаний возникли усталостные повреждения. Результаты испытаний панели подтвердили достоверность у.з. контроля качества соединений с натягом и показали целесообразность проведения такого контроля на натурных конструкциях до начала их испытаний.

Для натурной конструкции Ил-96-300, поступившей в ЦЛГИ на ресурсные испытания,в панели крыла (левая консоль) проведена оценка качества заклепочных соединений, выполненных по ТР-4115.09-85. На основании результатов контроля 644 соединений (стрингер 21) полу-

чаны диаграмма и гистограмма распределения среднего значения амплитуды эхо-сигнала, по которым выявлено 1Т% соединений, имеющих сроднее значение амплитуды сигнала меньше браковочного уровня. Все прослабленные соединения были выделены с целью особого наблюдения за их состоянием в процессе ресурсных испытаний.

При наработке 12000 циклов для зон крыла с повышенным уровнем напряжений проведена оценка качества болтовых, болт-заклепочных и заклепочных соединений. Всего было проконтролировано 1266 соединений, из них 1012 - болтовых и болт-заклепочных, 227 - заклепочных, выполненных по ТГ-4П5.09-Ъ5 и 27 - заклепочных, выполненных по ТР-4420.01-87. Установлено, что не соответствуют требованиям: 20>5 - болтовых и болт-заклепочных соединений; 11% - заклепочных соединений, выполненных по ТР-4П5.09-85; 100/а- заклепочных соединений, выполненных по ТР-4420.01-87.

Данные результаты позволили выделить места, требующие повышенного внимания при регламентных осмотрах в процессе ресурсных испытаний.

Разработанная методика у.з. контроля заклепочных соединений была применена для оценки качества соединений в серийных панелях крыла самолета Ил-96-300 на Воронежском авиационно-производственном объединении (ВАПО). Результаты контроля 91 соединения представлены в виде гистограммы. Установлено, что 17,5$ проконтролированных соединении имеют среднее значение амплитуды сигнала ниже браковочного уровня. Данная информация доведена до сведения технологической службы.

Применение поверхностных волн при контроле образцов односрез-ного соединония (пакет Д16-В95чТ2, болт-заклепока ВТ-16) позволило произвести сортировку соединений с натягом 0,355 и 0,8$. Получены оценки рассеивания амплитуды эхо-сигнала при контроле соединений между пластинами и под головкой (шайбой) крепежного элемента.

Установлена связь амплитуды эхо-сигнала с усилием выпрессовки.

Способ контроля соединений с помощью волн обегания-соскальзы-вания был применен на образцах (проушины шарнирного узла вертолета (соединение проушины ВТЗ-Т1 с кольцевой втулкой 18X21 ИВА, диаметр 38 мм). Изменение скорости неоднородных поверхностных волн в диапазоне от О до 0,4$ составило ^Ь% . Амплитудная характеристика в указанном диапазоне натягов аппроксимируется линейной зависимостью с коэффициентом корреляции г =0,05.

Основные результаты работы:

1. Проанализированы возможные схемы ультразвукового контроля качества болтовых и заклепочных соединений с натягом в авиаконструкциях. Па основании анализа выделены две основные группы соединений типа "вертикальное отверстие" и "боковое отверстие".

2. Для соединений типа "вертикальное отверстие" разработан способ контроля совмещенным наклонным преобразователем с использованием поперечных волн по амплитуде эхо-сигнала от двугранного угла, образуемого поверхностями отверстия и изделия, позволяющий оценивать качество соединений в сечении, определяющем сопротивление усталости.

Для оценки качества соединений в граничных точках контактной поверхности предложен способ контроля совмещенным наклонным преобразователем с использованием поверхностных волн по амплитуде эхо-сигнала.

2.1. Экспериментально установлено, что амплитуда эхо-сигнала поперечных и поверхностных волн имеет общую тенденцию к уменьшению при увеличении натяга.

2.2. Более детальный анализ показал, что характер изменения амплитуды эхо-сигнала зависит от степени деформирования соединяемых материалов. Выделены три характерных участка изменения амплитуды эхо-сигнала: падение, близкое к линейному, в области упругого

деформирования; замедление падения до точки минимума и последующее незначительное возрастание в переходной области от упругого к пластическому деформированию; горизонтальная площадка "насыщения" в области пластического деформирования.

2.3. Введено понятие порогового значения величины относительного натяга, соответствующего верхней границе области его однозначной оценки. Пороговое значение ^ПОр определяют как точку пересечения участка монотонного падения амплитуды сигнала с продолжением горизонтальной площадки в области пластических деформаций.

2.4. Предложено при оценке качества соединений пользоваться величиной абсолютного натяга, являющегося прямой характеристикой деформации отверстия, пороговое значение которого для одного типа контакта не зависит от диаметра соединения.

2.5. Получены формулы для оценки размеров участка контактной поверхности, в пределах которого оценивается качество соединения при одностороннем "озвучивании". Установлено, что высота контролируемого участка определяется параметрами у.з. преобразователя, а протяженность по окружности пропорциональна радиусу кривизны контролируемой поверхности. Для реальных соединений авиаконструкций площадь контролируемого участка составляет 2-3 мм^, что позволяет считать у.з. оценку качества "локальной".

2.6. Предложено оценивать качество соединений по величине среднего значения амплитуды эхо-сигнала, полученного по результатам четырех измерений вокруг отверстия в зонах с наибольшим влиянием конструктивно-технологических параметров на распределение напряженно-деформированного состояния - вдоль и поперек шва. Погрешность оценки Аср. не превышает 2-3 дБ, что находится в пределах точности метода.

2.7. Экспериментально оценено влияние осевой стяжки пакета на амплитуду эхо-сигнала. Погрешность от усилий стяжки, реализуемых

в натурных конструкциях, является постоянной и систематической. Влияние стяжки автоматически учитывается при снятии тарпровочного графика.

3. Для соединений типа "боковое отверстие" разработан способ контроля совмещенным преобразователем с использованном поперечных или продольных волн по амплитуде эхо-сигнала от первой по ходу луча контактной границы отверстия или второй, после прохождения волны в крепежный элемент. .

3.1. Экспериментально установлено, что амплитуда эхо-сигнала

от первой (внешней) границы отверстия имеет общую тенденцию к уменьшению, а амплитуда эхо-сигнала от второй (внутренней) границы - к увеличению по мере роста натяга. Б области пластического деформирования обо амплитуды достигают порогового значения.

3.2. Предложено оценку качества соединений производить по разнице амплитуд сигналов от первой (внешней) и второй (внутренней) контактных границ соединения, что повышает точность измерений.

3.3. Оценка качества соединения при одностороннем озвучивании-локальная, как в п.2.5 и однозначная в области упругого и упруго-пластического деформирования материалов соединения.

4. Установлено, что конструктивно-технологические параметры соединений (марки контактирующих материалов, диаметр отверстия я т.д.) и параметры контроля (тип аппаратуры, частота у.з. колебаний, угол наклона призмы и т.д.) вносят количественные изменения в амплитудные характеристики обоих типов соединений Свертикальное отверстие", "боковое отверстие") , не меняя их качественно.

5. Показана возможность реализации эхо-метода для контроля соединений типа "вертикальное отверстие" и "боковое отверстие" в двух вариантах - по детектированному и недетектированному сигналу. Использование первого подупериода недетектированного эхо-сигнала увеличивает амплитудный динамический диапазон на 3-16 дБ.

2С

6. Укспериментально установлено.влияние деформации заполненного отверстия на амплитудно-временные характеристики волн обегания-соскальзывания. Предложен способ оценки качества соединений типа "боковое отверстие", использующий амплитудную зависимость неоднородных поверхностных волн и позволяющий увеличить площадь контролируемого участка контактной поверхности. Способ защищен авторским свидетельством.

7. Экспериментально подтверждено явление трансформации продольной волны, распространяющейся вдоль контактной поверхности в первой детали, в поверхностные и поперечные волны во второй детали. Установлено, что обе волны возбуждаются только в граничных точках контакта. Получены амплитудные зависимости трансформированных волн от величины давления в зоне контакта.

8. Достоверность результатов у.з. контроля качества соединений с натягом подтверждена результатами испытаний на выносливость образцов и натурной панели крыла самолета Пл-96-300, рентгеновским методом и мотодом рекристаллизационного отжига. Всего было проконтролировано более 2600 болтовых и заклепочных соодинений.

9. Разработанная методика у.з. контроля соединений с натягом позволяет неразрушающим способом оценивать качество соединений в производстве после сборки, наблюдать динамику изменения напряженно^-деформированного состояния соодинений в процессе ресурсных испытаний и в эксплуатации, повысить эффективность применения других методов неразрушающего контроля.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Рыжова Т.Е. Исследование возможности оценки натяга в болт-заклепочных соединениях авиаконструкцил ультразвуковым методом. -В сб.Метода и приборы автоматического неразрушающего контроля. -Рига, 1982, вып.6, с.154-150.

2. Рыжова Т.Б. Исследование натяга в болтовых соединениях авиаконстругащй с помощью ультразвукового метода. -В сб. докл.

У7Т научно-технической конференции по ресурсу самолетов "Комплексное обеспечение ресурса авиаконструкции", 1904, кн.4, с.788-791, ДСП.

3. Ермолов И.II., Рыжова Т.Е. Способ ультразвукового контроля качества сборки соединений с натягом. -В кн.:"Состояние и перспективы развития методов и средств неразруиагощего контроля авиационной техники". Тез.докл. 5-го отраслевого научно-технического совещания . Ульяновск, 1989, с.14.

4. Рыжова Т.Е. Ультразвуковой контроль качества болтовых соединений с натягом. В кн.: "Испытательное оборудование для экспериментальных исследований механических свойств материалов и конструкций". Тез.докл. Мевдународной конференции, Москва, 1909, с.27.

5. A.c. Ja 1455872 (ДСП) . Способ ультразвукового контроля качества сборки деталей, соединенных по цилиндрической поверхности с натягом. Крмолов H.H., Рыжова Т.Е.

э.и,3731-1и0»1».

а/

продольные о тыки крыла

продольные швы крыла

о/

соединения поперечных стыков крила

О

Рнс.1 )изс группы йолтових и закленочных соединений с натягом и авиаконструкциях: а/ - " вертикальное отверстие ь/ - " боковое отверстие ".

Рмс.£ Зависимость амплитуды охо-сигнала /поперечная волна, } = &П'ц/ от величины относительного натяга для контактируй^х пар: Д16-30хГСА / т-Ч>6-ли, о-|Эйми, о-¡910им, • -181к;мм/ и Д16-11Т16 /А-0Смм, + -08мм, х -¡01 Омм/.

Рис.3 Зависимость амплитуды эхо-сигнала /поперечная волна, /»ЬЫГц/ от ведячаиы абсолютного натяга для контактирующих материалов Д16-30ХГСА

/•-¡»бмм, о-(В8мы, «-01Оиы/

5в

60 64

А»дБ

.4 .8 1.2 1.0 2.0 2.4 2.8 6".%

1 1 1 п к

-4 1

\

Рис.4 Зависимость амплитуды вхо-оигнала /поверхностная волна,

У «4МГц / от величины относительного натяга для контактирующей пары В95 Т2-НТ16, 08мм.

О .4

26

34

42

50 5в

66 74

1.ДБ

1. В 1.6 8.0 2.4 2.0 Аух.

1 1 поле допуска натяга

ч

т* • * о8 -8 < -< | о- о

-о > о * *

1 - < г - - - к Ж л

т А с 1

1 1

Рис.б Зависимость амплитуды охо-сигнала /поперечная волна/ от величины «»носнтельного натяга для контактирующих пар: Д16-30ХГСА // -5МГц, 06мм: • - А1,

010мм:® - А. , Д16-ИТ16 /У-4МГЦ, А 08мм: + - А. ,

о- Аг_ е- Д£/

/-21.1ГЦ, (810мм : А - А1,

х- Аг

л- а2/

ДА,дБ

25

20

15

10

5 О

5

X ф»|

' Лх

А

г!оле1 допуска натяга

К

*2

ДА

а2 ~ А1

.4 .8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 0,,%

Рис.6 Зависимость раяности амплитуд сигналов от величины относительного натяга для контактирующих пар: Д16-30ХГСА / / -5МГц,

• -06мм, ¿>-010мм, Х-012км/ н Д16-ПТ16 / У-4МГц,»-р8мм,

/ =2МГц, + -(910мм/

3

а/

приемник^/ поверхностны*^ полн 1 1

( / продольная волна

излучатель продольных иолн

приемник поперечных волн

излучатель

продольных волн

^Формации продольной волны в поверхностные /а/

П .02 .04 .06 .08 .10 .1:: М мм

0 и.Ь 1.О

" I'- ,л>

Рас. в зависимость амплитуда сигнала воли обегания-соскальзывання ох ви>Ч1Ш абсолютного натяга для вар: Д1в-30ХГСА./У-ШГц, в-^бии, о-(Вимм, в-Р12ми/| Д16-ВТ16 /у-и,;гц, • -¡Ьдии/

Эшоры распределения остаточных напряжений в",кГ/мм

Рю.Э Зависимость амплитуды эхо-сигнала от величины относительного натяга для заклепочных соединений / пакет 1163-и96 та, заклепка В65/; • - 1163?4 о •

I

I:

I-

О -10 -20 0 -10-20 О -10 -го

-10

-1Ь

40

ср"

" — ■ «19.3+1. I «0. 56ост 95

\ #4

V о

(6-

-20 6,кГ/мм

Х100

Аср-36.1д

рекристалли зацн отсутствует

Рис.10 зависимость амплитуды охо-сигиала от величины остаточных напряжении.

Рис. 11 Структура материала в зоне заклепочного соединения поел «е рекристаллизационного отжига.