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

I[АУЧН0-11Р01 ¡ЗВОДСТВЕШЮЕ ОБЪЩ1ШШ по

ташологш машшюстроешы "цшштмаш"

IIa правах рукописи 620.173.16

РЫлХШ Татьяна Борисовна

УЛЬТРАЗВУКОМ,! КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА БОЛТОВЫХ И ЗАКЛЕПОЧНЫХ С0лД!ПЫШ.1 С ПАТЛГОМ В АВЛАКОИСТРУКЦШХ

Специальность: C5.02.II - ¡.ютодн контроля и

диагностика ь машиностроении

Автореферат

диссертации на соискание ученой стенеии кандидата технических наук

Лоск па, Iöaü

Га^отл риполнопп п Цонтрпльном ачрогидродпнамическом института им. про'?. П. К.Гукопокого.

Поучим" руководитель - доктор технических наук,

профессор Ермолов П.II.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Вопнлкин Л.Х.

- кандидат технических наук Уральский МЛ.

Веющее предприятие - ШЛТ.

Защита состоится " & Ч " К." 1992г. л /Ч 00 час в круглом зале 1ШШПШ111 на заседании специализированного Совета (Д 145.03.03) при Научно-производственном объединении по технологии машиностроения (ЦШШТМЛ'Л) по адресу: 109088, Москва, Ж-88, Шарикоподшипниковская, <1, Ц11ШГШЛШ.

Телефон для справок: Я75-Р5-33

С диссертацией мотло огшакоштьсл р научно-технической библиотеке ЦШШТМЛШ.

Автореферат разослан " £3 " XI_ГЛ!9"г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

Ъ«.«/ |.-ако И

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. С каждым годом возрастает потребность в пассажиро- и грузоперевозках, осуществляемых с помощью воздушного транспорта. Увеличение интенсивности эксплуатации авиатранспорта, а также тенденция к созданию дорогостоящих аэробусов типа Ил-86,

и.грузовых супергигантов типа Ант-124 ("Мрия"). остро ставят задачу создания высокорасурсной 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 с высокой точностью, совершенной технологии сборки, методов и средств контроля качества соединении 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 величина 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, рентгеноатруктурного 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 зависи -мости от параметров соединения и ультразвукового преобразователя.

По результатам работы получено авторское свидетельство на изобретение № 1455872.

Практическая 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 неразрушащего 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.Чуковский, 1983г.), У1 отраслевом совещании "Повышение надежности и качества изделий средствами неразрушающего контроля" (г.Ульяновск, 1989г.), Международной конференции "Испытательное оборудование для экспериментальных исследований механических материалов и конструкции" (г.Москва, 19В9г.).

Структура и обьем работы. Диссертация состоит пз 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^ приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе сделан обзор существующих методов контроля качества соединений 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, недтяном, 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-

ности болтовых II заклепочных соединений авиаконструкций не позволяют напрямую использовать имеющиеся разработки доя оценки их качества. Анализ возможностей методов контроля третьей группы показал, что для решения поставленной задачи наиболее 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, отранения (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 озвучнвании отверстия;

- разработать методику ультразвукового контроля болтовых и заклепочных соединений;

- оценить достоверность ультразвукового контроля сопоставлением с методами рентгеноструктурного анализа и рекристаллиза-цпонного отжига, а также 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 главе приведены результаты исследований влияния напряженно-деформированного состояния границы сопряжения деталей на явления трансформации, дифракции, отражения (прохондения) различных типов упругих волн; описаны исследованные модели соединений с натягом; подучены зависймости 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.П.

В работах Таборкина Г.Я., Миховски 1,1. и других при рассмотрении явления отражения 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 сдучашых профилей реальных поверхностей. Этот процесс сопровождается упругим, упруго-пластическим и пластическим деформированием материала и зависит от многих факторов, 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 0 до 2,4^ (путем запрессовки стального (ЗОхГСЛ) или титанового (ВТ-16) конуса (конусность 2°) в отверстие в алюминиевой пластине (Д16Т) толщиной 10 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 амплитуды 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 <Г 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 суммарной площади фактического контакта соединяема деталей и возникновение на вершинах основных неровностей пластического течения, приводящего по существу к мйкро-точечной 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

решают (зона наклепа). Это приводит к замедленны падания амплитуда 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 осцилляции амплитуды эхо-сигнала по маре 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 соединении разного диаметра различно. Те же амплитудные зависимости , построенные для абсолютного л/ , а не относительного & натяга, для одного типа контакта (Л л - Ст) имеют минимум при близких значениях N =0,08 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 опроделяли как точку пересечения участка монотонного падония 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 0,6/^- & ¿1,2$). Для пары Ал - Ст пороговые значения соединений с номинальным диаметром, превышающем С мм, меньше нижней границы допуска. Учитывая, что прочностные характеристики соединении определяются их напряженно-деформированным состоянием, а пороговые значения для

абсолютной величины натяга не зависят от диаметра соединения, предложено 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 мезду амплитудами указанных выше сигналов уменьшается, стремясь к минимуму. При достижении минимальной разницы (0-2 дБ) наблюдается стабилизация обеих амплитуд . Так;о параметры, как диаметр отверстия, акустические свойства контактирующих материалов, частота у.з. колебаний вносят 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.С). 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 получены 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 чуветви-

тельность недектированного сигнала проявилась в увеличении амплитудного динамического диапазона на 3-16 дБ и осцилляциях амплитуда при больших деформациях отверстия.

Приведенное выше результаты исследований влияния напряженно-дифориированного состояния контактной поверхности на амплитуду эхо-сигнала получены для случая одностороннего озвучивания контролируемого отверстия. Размеры участка контактной поверхности, с которой принимают отклик и судят о качестве соединения является ванной характеристикой контроля. Для соединений авиаконструкцин характерна большая кривизна 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. этот случаи контроля наиболее распространен даю соединений авиаконструкцин.

Протяженность контролируемого участка по окружности отверстия оценивается по формуле:

I = о.Шл а - . (I)

90* ^ + (Н Н

высота по образующей отворстия:

£ - а , (2) л ~ со)<х

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

Для исследованных моделей и реальных соединении авиаконструкции 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-сигнала можно считать локальной. Локальность оценки является преимуществом ультразвукового метода, позволяющим получать круговые диаграммы качества соединения, которое мокет выражаться в величи- , нах натяга, деформации, остаточных напряжений. Интегральная оценка качества соединении, широко используемая на практике, получается . путем усреднения результатов дискретных измерений вокруг отверстия, максимально возможное количество которых определяют по Формуле:

(3)

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

Возможность получения интогральной 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 п. вокруг отверстия от л =1 до п- =4, коэффициент корреляционной связи "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, па япление трансформации продольной волны. При распространении продольной волны вдоль поверхности сопряжения двух деталей часть ультразвуковой энергии в зоне контакта трансформируется в поверхностные волны и переходит на поверхность другой детали. Некоторая часть энергии трансформируется в поперечные волны, распространяющиеся в обеих деталях, остальная часть продолжает распространяться вдоль контактной границы со скоростью продольной волны (рис.7).

Экспериментальные исследования прородили на плоских и конических моделях. Плоская модель состояла из олаотины размером 120х40хГ мм, где Г=3; 4,5; 9,3; 20; 25 мм (материал Д16) и бруска размером 50x40x25 мм (материал Д16, ВТ-22), которые помещались мевду 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 р

кг/мм . Шероховатость контактирующих поверхностей составляла

=10-20 мм. С помощью нормального преобразователя в бруске возбуждали продольные полни, распространяющиеся вдоль свободной поверхности и зоны контакта, а пластине осуществляли прием преобразованных колебаний.

По кюре увеличения нагрузки амплитуда трансформированной поверхностно:! волны растет, достигая насыщения при значениях контактных напряжений, близких к условному пределу текучести материала Д16 (602 =23-27 к1/мм^). Изменение акустических свойств контактирующих пар, наличие смазки в контактно;! 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 в 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 исследоьанных плоских моделей (Д16-Д16, ВТ-22 - Д16), влияние нагрузки на амплитуду трансформированной поперечной волны происходит в более узком диапазоне изменения контактных давлений,чьм для поверхностной волны, а наличие смазки в контактной зоне еще более су/каот его. Увеличение частоты у.з.колебаний до 10 мГц не приводит к расширению

чувствительного участка . Для конической модели были получены ана-логичныо 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 амплитудно-временные характеристики волн обегания-соскальзывания. Характер связи "амплитуда - абсолютный натяг" для неоднородных по-лорхностннх волн аналогичен полученным 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 - От. Для исследованных моделей максимальное увеличение скорости неоднородных поверхностных волн составило 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 преобразователен -G5/Î контактной поверхности. Па данный способ контроля качества соединений получено авторское свидетельство ¡j 1455072.

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

- дая соединений типа "боковое отварошв" рекомендуется способ, основанный на анализе разности амплитуд сигналов поперечной волны, отраженной от первой по ходу луча контактной границы и прошедшей в краденный элемент и отраженной от второй границы. Способ поз-позиоляет осуществлять контроль одновременно в двух днаметрально-проишоположних локальных участках контактной поверхности соединения. Для получения интегральной оценки качества соединений предложен способ, основанный на анализе амплитудно-временных характеристик дифагировашшх волн обегания-соскальзывания.

И третьей глаъо приведены результаты исследований по оценке качоства заклепочшх соединении, выполненных стрежневыми заклепками в автоматическом режима.

Б силу конструктивно-технологических особенностей получения заклепочных соединении исследования проводили на образцах продольных шов изд.1Ы-96-300 в четыре этапа - измерение диаметров отверстий до клепки, у.з. измерения амплитуды эхо-сигнала после клепки, разрезка соединений и измерение диаметров заклепок (диаметров раздачи отверстия), расчет величины натяга. Ультразвуковые измерения проводили по схеме контроля соединений типа "вертикальное отверстие". Образцы изготавливали в МАИ на экспериментальном стенде, реализующем процесс клепки стержневыми заклепками аналогично автоматам б -66&-120, АК-16 или У30-2-АКД-16-2. Фиксированное значение радиального натяга получали путем подбора усилия клепки. Были подучены заклепочные соединения с радиальным натягом в зона контроля от 0,5 до 3,5/5. Для получения соответствия в оценках ультразвуковым и разрушающим методами, измерения диаметра

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

(5" = 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.3> измерений по величине случайной ошибки. Установлено, что среднее квадратичное отклонение натяга ^ является переменной несимметричной величиной и возрастает по мере роста 5" . В таблице приведены результаты расчета верхней (+Д $ ) и нижней (-д8) границ доверительного интервала для доверительной вероятности Р=0,9.

<г. * 0.03 0.12 0.33 0.86 2.17

- 0.03 0.10 0.25 0.61 1.48

+ д(5",% 0.03 0.7 0.16 0.41 1.03

В четвертой 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 эхо-сигнала б 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 нагружения б" долговечность выше у соединений с меньшей амплитудой эхо-сигнала. Данные, приведенные в работе, показывают однозначную связь между результатами у.э. 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 (¡акторов, 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 напряжений осуществляли экспериментально но образце заклепочного соединения. Образец был внрозан из натурной панели 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

диапазона (от 4 до 16 кг/мм*2) описывается линейной зависимостью Аср=19,3-1,56"осг> 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 получено наглядное подтверждение влияния степени деформирования контактирующих материалов на амплитуду эхо-сигнала. Для заклепочных соединений, выбранных по результатам у.з. измерении, с помощью метода рекристаллизационного отжига, разработанного и 1ШАТ , был проведен анализ структуры материалов в контактной зоне. Вводимые в процессе пластического деформирования дислокации и другио 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 уоне 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 рекристаллизованного слоя достигает ОД мм (pnc.II). Это подтверждает, что степень деформирования заполненного отверстия влияет на амплитуду эхо-сигнала.

Оценку влияния количества 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-

ности 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 стяжки 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

о

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/мм*2, что в 2-2,5 раза меньше диапазона чувствительности к радиальному натягу. (Ложно предположить, что высокая чувствительность амплитуды эхо-сигнала определяется не только величиной, но и направлением действующих напряжений, сложностью НДС контактной границы.

Дгс7 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 мП(. Угол наклона преобразователя выбирают исходя из требований контроля прямым лучом. Ультразвуковой преобразователь устанавливают на поверхность контролируемого элемента 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 иа образце заклепочного соединения. Измерение амплитуд эхо-сигналов производят вокруг соединения с шагом 90° (два измерения вдоль шва, два - поперек). По результатам измерений рассчитывают среднее значение амплитуды эхо-сигнала Аср., по которому с помощью тарировочного графика или тест-образцов производят оценку качества соединения, ¡¡¿т клепаных стрингеров на низших панелях крыла само- \ лета Пл-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 перобраковки с вероятностью 0,9.

На образцах, моделируюишх 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 значе-

нием 0,6$ и 1,6%. Результаты у.з. контроля представлены в виде гистограмм распределения информационного параметра (среднего значения амплитуды эхо-сигнала; разницы 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 0,6/1 и 1,6$;

- сроднее значение амплитуды эхо-сигнала (дефектоскоп Ч5К -7,

преобразователь МЗ-60- N6), соответствующее нижней границе поля

допуска (<?=0,6&) составляет:

для болтовых соединений - 68 дБ;

для болт-заклепочных соединений - 64 дБ;

- технология сборки болтовых соединений позволяет получать соединения с меньшим рассеиванием натяга, чем технология сборки болт-зашшпочных соединений.

Ддя натурной панели крыла самолета Ил-96-300 до начала испытаний на ресурс под/ченн 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 лгока И 4 находились 4 из 5 обнаруженных прослабленных соединений), в которой в процессе испытаний возникли усталостнно повревденпя. Результаты испытаний паноли 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 ЦЛИ 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 14% соединений, имеющих среднее 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-заклепочаых и заклепочных соединений. Всего было проконтролировано 1266 соодине-ний, из них 1012 - болтовых и болт-заклепочных, 227 - заклепочных, выполненных по TP-4II5.09-ÍÍ5 и 27 - заклепочных, выполненных по ТР-4420.01-87. Установлено, что не соответствуют требованиям: 20/о - болтовых и болт-заклепочных соединений; 11$ - заклепочных соединений, выполненных по TP-4II5.09-85; 100$- 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 соединений имеют среднее значение амплитуды сигнала ниже браковочного уровня. Данная информация доведена до сведения технологической службы.

Применение поверхностных волн при контроле образцов односрез-ного соединения (пакет Д16-В95чТ2, болт-заклепока BT-I6) позволило произвести сортировку соединений с натягом 0,3% и 0,Ь%. Подучены оценки рассеивания амплитуды эхо-сигнала при контроле соединений между пластинами и под головкой (шайбой) крепежного элемента.

Установлена связь амплитуды эхо-сигнала с усилием пыпрессовки.

Способ контроля соединений с помощью волн обегания-соскальзы-вания был применен на образцах (проушины шарнирного узла вертолета (соединение проушины BT3-TI с кольцевой втулкой 18Х2НЧВА, диаметр 38 мм). Изменение скорости неоднородных поверхностных волн в диапазоне от 0 до 0,4% составило - Ъ% . Амплитудная характеристика в указанном диапазоне натягов аппроксимируется линейной зависимостью с коэффициентом корреляции г. =0,85.

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 определяют как точку пересечения участка монотонного падения амплитуды сигнала с продолжением горизонтальной площадки в области пластических деформаций.

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

2.5. Получены фюрмулы 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 округлости 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 постоянно)!, и систематической. Влияние стяжки автоматически учитывается при снятии тарпровочного графика.

3. Для соединений типа "боковое отверстие" разработан способ контроля совмещенным преобраэователом с использованием 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 nepDoii (внешней) границы отверстия имеет общую тенденцию к уменьшению, а амплитуда эхо-сигнпла от второй (внутренней) границы - к увеличению ио мере роста натяга. В области пластического деформирования обе 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 и т.д.) и параметры контроля (тип аппаратуры, частота у.з. колебать", угол наклона призмы и т.д.) вносят количественные изменения в амплитудные характеристики обоих типов соединений Свертикалыюе 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 недетектировэнному сигналу. Использование первого подупериода недегектированного эхо-сигнала увеличивает амплитудный динамический диапазон на 3-16 дБ.

6. Экспериментально установлено.влияние деформации заполненного отверстия на амплитудно-временные характеристики волн обагашш-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.

0. Достоверность результатов у.з. контроля качества соединении с натягом подтверждена результата™ испытаний на выносливость образцов и натурной панели крыла самолета Нл-96-300, рентгеновским методом и методом рекристадлизационного 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 соединений в процессе ресурсных испытаний и в эксплуатации, повысить эффективность применения других методов неразрушающего контроля.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Рыжова Т.Б. Исследование возможности оценки натяга в болт-заклепочных соединениях авиаконструкции ультразвуковым методом. -В сб.Методы и приборы автоматического нерэзрушэющего контроля. -Рига, 1982, вып.6, с.154-158.

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

УП научно-технической конференции по ресурсу самолетов "Комплексное обеспеченно ресурса авиаконструкций", 1904, кн.4, с.708-791, ДСП.

3. Ермолов И.II., Рыжова Т.Б. Способ ультразвукового контроля качества сборки соединений с натягом. -В кн.:"Состояние и перспективы развития методов и средств неразрушагощего контроля авиационной техники". Тез.докл. 6-го отраслевого научно-технического совещания . Ульяновск, 1989, с.14.

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

5. Л.с. Js 1455872 (ДСП) . Способ ультразвукового контроля качества сборки доталей, соединенных по цилиндрической- поверхности с натягом. Ермолов H.H., Рыжова Т.Б.

э.11.5731-1U0»«»,

а/

продол ыше о тыки крыла

о/

продольные швы крыла

соединения поперечных стыков крыла

УмсЛ Две группы болтовых и и ааиаконструкциях: а/ - " 6/ - "

заклепочных соединений с натягом вертикальное отверстие ", боковое отверстие

.4 .В 1.* 1.6 2.0 2.4 2.0

О .04 .00 .12 .16 Л'.ым

А, дБ

А,дЬ

Рис.2 Зависимость амплитуды охо-сигнала /поперечная волна, } =Ы.Тц/ от величины относительного натяга для контактируют»х пар: Д16-30ХГ0А / е-06мы, о-0вмм, в-01Оим, в-|912мм/ и Д16-ИТ16 / А-0Смм, + -08им, х-0Юмм/.

Рвс.З Зависимость амплитуды эхо-сигнала /поперечная волна, /»быГц/ от величавы абсолютного ватяга для контактирующих материалов Д16-30ХГСА

/•-рвмм, о -(90мм, «-(910им/

о .4 .8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 Ô~.%

во

64

A,ДБ

1 I 1 п к

V _1 1

\

Рис.4 Зависимость амплитуды яхо-сигнала /поверхностная волна,

f «4МГц / от велачикы относительного натяга для контактвруюцеЯ пары В95 Т2-НТ16, 08мм.

О .4 .8 1.2 1.6 g.О 2.4 2.3

26

34

42

50 58

ев

74 1,ДБ

-1— 1 ■ ' 1 поле допуска натяга

ч

\ • Г) ooS г8" i - • -о- о

N t ri -о »—О 4

Ô < ----i л

(Г А С К

ч

i 1 1

Fie.б Зависимость амплитуда вхо-с«гнала /поперечная волна/ от величины ««ноентельного натяга для контактирующих пар: Д16-30ХГСА /У-31Гц, 06ми: • - А^, о- Ag.

010мм:» - А, , А„/ Д16-ВТ1в /У-4МГЦ, ±

08мм: + - Aj, х- Ag

/-21,1Гц, 010мм: A- Aj, Д- Ag/

ДА, дБ

25

£0

15

10

5 О

6

ж 4» > *

Т-1-Г-

золе допуска

натяга

К

*2 6^*1

ДА

а о

Ag - Aj

4 .8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 0,%

Ряс.6 Завасамость рааноста амплитуд сигналов от вел чины относительного натяга для контактвру»-

щих пар: Д16-30ХГСА / f -5МГа,

• -06мм, à-010мм, х-012мм/ и Д16-ВТ16 / у «4МГц,о-08мм,

/ -2МГц, + -010мм/

о

а/

приемнику/ поверхностны з^— ПОЛИ 1 I

{ / продольная волна

излучатель продольных волн

б/

приемник поперечных волн

Ь ±

продольнаЛ волна

излучатель

продольных волн

-Формации продольной волны в поверхностные /а/

1 :■ -У.

О_О

Рис. 8 Зависимость ашыитуды сигнала волы обеганжя-соскальзывання ох вы1Ши абсолютного натяга для ■ар: Д16-30ХГС А//«ЕЫГц, е-рвым, о-Ц>имм, «-Р12ым/» Д16-БТ16 и «ЬМГи, • -0амм/

Эшоры распределения остаточных напряжений С, кГ/мм

Рмо.9ааВ»с»иость амплитуды эхо-сигнала от величины относительного натяга для заклепочных соединений / пакет 1163-И96 Т2, заклепка П65/5 1163?4 о- В95очТ2.

Г

о -ю -го о -ю-20 о -ю -¿о

-10 -15 -¡.'О 6, кГ/нм

х100 |Аср-49.4д.

32

40

А ., с&

"Г

Аср -19.3+1.5 6001 Г »0. 9Ь

2 ' - зона

заклепка рекристаллизации

хЮО

■ Аср"36-1д

рекристаллиэаци отсутствует

Рис.10 зависимость амплитуды эхо-сигнала от величины остаточных напряжении.

-|ис. 11 Структура материала в зоне заклепочного соединения по^ ле рехристаллизационного отжига.