Способ неразрушающего контроля и устройство для осуществления способа

Использование: для неразрушающего контроля механической детали. Сущность изобретения заключается в том, что устройство неразрушающего контроля механической детали, в частности, такой как турбинная лопатка, содержит источник испускания высокоэнергетического электромагнитного излучения по оси (92) и экран, выполненный из материала, способного поглощать электромагнитное излучение и содержащий проем, форма и размеры которого определены таким образом, чтобы подвергать действию электромагнитного излучения только заданную контролируемую зону детали (12), при этом устройство содержит средства опоры и позиционирования поглощающего экрана и механической детали и средства выравнивания проема экрана и контролируемой зоны механической детали с источником излучения, при этом средства опоры и позиционирования содержат раму (72), содержащую первый (76) и второй (78) ярусы, расположенные друг над другом вдоль оси (92) электромагнитного пучка, при этом второй ярус (78) расположен между первым ярусом (76) и источником (70) и содержит, по меньшей мере, одно место (80, 82, 84) для размещения поглощающего экрана (96), выровненного вдоль оси (92) пучка излучения, по меньшей мере, с одним местом (86, 88, 90) опоры (104) детали первого яруса (76). Технический результат: обеспечение возможности повышения контраста на получаемых изображениях. 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Настоящее изобретение касается способа неразрушающего контроля механической детали, такой как турбинная лопатка, посредством передачи высокоэнергетического электромагнитного излучения через деталь, а также устройства для осуществления способа.

Среди различных технологий неразрушающего контроля известно направление высокоэнергетического электромагнитного излучения, такого как рентгеновское излучение, к контролируемой детали и улавливание выходящего излучения при помощи датчика с целью формирования изображения, отображающего взаимодействие между электромагнитным излучением и внутренней структурой контролируемой детали, что позволяет выявить наличие или отсутствие дефектов в детали.

Однако при такой технологии излучение от источника попадает на всю контролируемую деталь и рассеивается окружающей деталь средой и внутренней структурой этой детали, что приводит к образованию размытых зон и к уменьшению контраста на получаемых изображениях и не позволяет обнаруживать присутствие дефектов.

Этот недостаток имеет большое значение в случае контроля полых лопаток, таких как лопатки турбинной ступени и турбомашины. Действительно, эти лопатки имеют сложную внутреннюю трехмерную структуру и содержат также теплозащитное покрытие, что приводит к значительному рассеянию излучения внутри этих лопаток.

Для решения этой проблемы было предложено располагать средства фильтрации, такие как бериллиевая пластина, между источником электромагнитного излучения и контролируемой деталью, чтобы устранить маломощные составляющие падающего излучения, которые способствуют образованию рассеянного излучения.

Известно также расположение поглощающего экрана вокруг контролируемой детали таким образом, чтобы ограничить или устранить излучение, рассеянное окружающей средой детали.

Тем не менее, ни одно из этих двух решений не является удовлетворительным, так как в первом случае средства фильтрации не только оказываются недостаточными, чтобы устранить все излучение, рассеиваемое внутренней структурой детали, но тоже приводят к уменьшению контраста и чувствительности обнаружения по причине устранения части падающего излучения, и во втором случае экран оказывается не эффективным против излучения, рассеиваемого внутренней структурой детали.

Изобретение призвано предложить простое, эффективное и экономичное решение этих проблем.

В связи с этим объектом изобретения является способ неразрушающего контроля механической детали, в частности, такой как турбинная лопатка, состоящий в том, что на контролируемую деталь направляют высокоэнергетическое электромагнитное излучение, испускаемое соответствующим источником, улавливают излучение, которое проходит через деталь, и формируют изображение детали на основе улавливаемого излучения, отличающийся тем, что он состоит в том, что между источником и механической деталью вставляют экран из материала, который может поглощать электромагнитное излучение, содержащий проем, и проем выравнивают с источником и заданной контролируемой зоной детали, при этом форму и размеры проема определяют таким образом, чтобы подвергать действию электромагнитного излучения только упомянутую контролируемую зону детали.

Согласно изобретению, этот экран располагают между источником электромагнитного излучения и контролируемой деталью, и он пропускает падающее излучение только в направлении определенной контролируемой зоны детали, что позволяет добиться оптимальной чувствительности обнаружения, причем на эту зону попадают все энергетические составляющие испускаемого излучения.

Форму и размеры проема экрана определяют относительно формы и размеров контролируемой зоны детали, что позволяет избежать облучения падающим излучением других частей детали и препятствует образованию излучения, рассеянного внутри детали этими другими частями.

Экран можно располагать на любом расстоянии от источника и от детали, поскольку для ограничения облучения заданной контролируемой зоны, как было указано выше, необходимо адаптировать только форму и размеры проема.

Согласно другому отличительному признаку изобретения, форма проема экрана соответствует проекции контуров заданной контролируемой зоны на плоскость, перпендикулярную к оси пучка, испускаемого источником, и размеры формы проема определяют затем посредством применения отношения подобия, зависящего от осевого положения экрана по отношению к механической детали и к источнику.

Предпочтительно края проема выравнивают с периферическими лучами пучка, излучаемого источником, таким образом, чтобы избежать рассеяния падающего излучения краями проема.

Согласно еще одному отличительному признаку изобретения, поглощающий экран выполняют в виде свинцовой пластины, толщина которой зависит от природы электромагнитного излучения.

Электромагнитный источник может быть источником рентгеновского излучения, и в этом случае толщина свинцовой пластины составляет примерно 8 мм, или может быть источником γ-излучения, и в этом случае свинцовая пластина имеет толщину, превышающую 8 миллиметров, по причине высокой проникающей способности лучей γ, проходящих через материал.

Объектом изобретения является также устройство для осуществления описанного выше способа, содержащее средства опоры и позиционирования поглощающего экрана, средства опоры и позиционирования механической детали и средства выравнивания проема экрана и контролируемой зоны механической детали с источником излучения.

В первом варианте выполнения устройства в соответствии с изобретением средства опоры и позиционирования содержат шарнирную роботизированную руку, выполненную с возможностью захвата механической детали для ее размещения в положение контроля заданной зоны этой механической детали.

Предпочтительно средства опоры и позиционирования содержат площадку, установленную с возможностью перемещения относительно неподвижного источника и содержащую множество гнезд для поглощающих экранов, чтобы иметь возможность последовательно подводить каждый экран для выравнивания с источником и с заданной контролируемой зоной детали.

В этом варианте выполнения роботизированная рука захватывает деталь и ориентирует ее в заранее определенном положении наблюдения заданной зоны механической детали, затем площадку перемещают для выравнивания экрана, соответствующего заданной наблюдаемой зоне, с источником и упомянутой заданной зоной. После этого испускают электромагнитное излучение и снимают изображение. Вышеуказанные операции повторяют для осуществления неразрушающего контроля нескольких зон детали при помощи разных экранов, формы и размеры которых адаптированы для наблюдения этих зон.

Во втором варианте выполнения изобретения средства опоры и позиционирования содержат раму, содержащую первый и второй ярусы, расположенные друг над другом вдоль оси электромагнитного пучка, при этом второй ярус расположен между первым ярусом и источником и содержит, по меньшей мере, одно место для размещения поглощающего экрана, выровненного вдоль оси пучка, по меньшей мере, с одним местом опоры детали(ей) первого яруса.

Согласно другому отличительному признаку изобретения, рама выполнена мобильной в поступательном перемещении вдоль оси, перпендикулярной к оси пучка, и первый и второй ярусы содержат, каждый, несколько вышеуказанных мест, расположенных в линию вдоль упомянутой оси поступательного перемещения.

Предпочтительно каждая опора, установленная в месте первого яруса, содержит выступы для позиционирования, по меньшей мере, одной механической детали для контроля заданной зоны механической детали.

В этом втором варианте выполнения оператор располагает, по меньшей мере, одну деталь на опоре, которая, благодаря выступам, обеспечивает заранее определенную ориентацию заданной контролируемой зоны детали, после чего опору устанавливают в месте первого яруса. Экран, содержащий проем, адаптированный для облучения заданной зоны, устанавливают в место второго яруса, которое выравнивают с осью пучка. После этого осуществляют облучение излучением и получают изображение заданной зоны.

Затем раму перемещают вдоль оси ее поступательного перемещения таким образом, чтобы подвести место первого яруса и место второго яруса по оси электромагнитного пучка, и предыдущие операции повторяют с другими опорами и экраном, обеспечивая наблюдение другой заданной зоны механической детали.

Изобретение и его другие детали, преимущества и отличительные признаки будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничительного примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид известного устройства неразрушающего контроля при помощи электромагнитного излучения в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Фиг. 2 - схематичный вид, иллюстрирующий способ неразрушающего контроля при помощи электромагнитного излучения в соответствии с изобретением.

Фиг. 3 - схематичный вид турбинной лопатки турбомашины и заданной зоны, соответствующей передней кромке, которая является единственной зоной, подвергающейся действию электромагнитного излучения.

Фиг. 4 - вид турбинной лопатки, при этом заданная зона, облучаемая электромагнитным излучением, соответствует ножке лопатки.

Фиг. 5 - схематичный вид устройства для осуществления способа в соответствии с изобретением.

Фиг. 6 - вид в перспективе площадки-опоры экранов, используемой с устройством, показанным на фиг. 5.

Фиг. 7 и 8 - другое устройство для осуществления способа в соответствии с изобретением.

Фиг. 9 - опора деталей, предназначенная для использования с устройством, показанным на фиг. 7 и 8.

Фиг. 10 - схематичный вид в перспективе экрана, используемого с устройством, показанным на фиг. 7 и 8.

Фиг. 11 - схематичный вид краев проема поглощающего экрана, используемого в рамках способа в соответствии с изобретением.

На фиг. 1 показано устройство 10 контроля механической детали 12 путем передачи электромагнитного излучения 14 через деталь 12. Устройство 10 содержит источник 16 электромагнитного излучения высокой энергии, то есть способного проходить через механическую деталь 12. Механическую деталь 12 располагают напротив источника 16 в излучаемом им пучке. Датчик 18 выравнивают с источником 16 и с деталью 12 противоположно источнику 16 относительно детали 12 таким образом, чтобы принимать излучение, проходящее через механическую деталь 12. После этого получают изображение на уровне серого цвета, которое характеризует ослабление излучения при прохождении через механическую деталь 12. В принципе, при помощи такого изображения можно обнаружить наличие или отсутствие дефектов детали 12 относительно контрольного изображения.

Однако это устройство 10 не является удовлетворительным, так как падающее излучение не ограничивается контролируемой зоной 20, и часть падающего излучения 22, излучаемого источником 16, взаимодействует с другими зонами 24 детали 12, что приводит к образованию излучения 26, рассеянного внутри детали 12, которое накладывается на излучение, рассеиваемое контролируемой зоной, и приводит к образованию размытых зон на полученных изображениях, в результате чего снижается чувствительность обнаружения дефектов.

Кроме рассеяния падающего излучения внутренней структурой детали 12, может также происходить рассеяние окружающей деталь средой, что еще больше ухудшает качество получаемых изображений.

Это особенно проявляется в случае турбинных лопаток 12, имеющих сложную внутреннюю трехмерную геометрию, как было указано выше. В результате контроль критических зон, например, таких как передние кромки лопаток или ножки лопаток, невозможно осуществлять с достаточным качеством.

Изобретением предлагается решение этой проблемы за счет вставки экрана 28, поглощающего электромагнитное излучение, между контролируемой деталью 12 и источником излучения, при этом экран содержит проем 30 для прохождения без поглощения части падающего излучения в направлении заданной контролируемой зоны 20 механической детали 12. Форму и размеры проема определяют в зависимости от заданной контролируемой зоны таким образом, чтобы действию электромагнитного излучения подвергалась только упомянутая контролируемая зона, когда проем выравнивают с источником излучения и с контролируемой зоной (фиг. 2).

Благодаря такому способу, можно избежать рассеяния излучения другими зонами детали и средой, окружающей деталь, что позволяет увеличить контрастность изображений зон, облучаемых излучением, и повышает чувствительность обнаружения дефектов.

На практике, форма проема экрана соответствует проекции контуров заданной контролируемой зоны на плоскость, перпендикулярную к оси пучка, излучаемого источником, и затем размеры формы проема определяют посредством применения отношения подобия, зависящего от осевого положения экрана 28 относительно механической детали 12 и источника 16.

На фиг. 3 показана турбинная лопатка 31 турбомашины, содержащая перо 33, соединенное с ножкой 35. Перо 33 содержит переднюю кромку 32 и заднюю кромку 34. Применение способа в соответствии с изобретением позволяет облучать электромагнитным излучением только переднюю часть лопатки, содержащую переднюю кромку (часть 36, ограниченная на фиг. 3 сплошной линией), или только часть ножки лопатки (часть 38, ограниченная на фиг. 4 сплошной линией) за счет использования экрана, имеющего ту же форму, что и заданная контролируемая зона 36 или 38, при этом уменьшают только размеры проема 30 экрана 28, соблюдая принцип подобия в зависимости от положения экрана 28 между источником 16 и механической деталью 12.

Далее следует описание двух устройств, предназначенных для применения способа в соответствии с изобретением. Каждое из этих устройств содержит средства опоры и позиционирования поглощающего экрана, средства опоры и позиционирования механической детали и средства выравнивания проема экрана и контролируемой зоны механической детали с источником излучения.

В первом варианте выполнения, представленном на фиг. 5 и 6, устройство 40 содержит неподвижный источник 42, испускающий электромагнитное излучение в направлении механической детали 44, удерживаемой шарнирной роботизированной рукой 46, выполненной с возможностью захвата механической детали, находящейся, например, в расположенном поблизости складском отсеке 48 (фиг. 5). Роботизированная рука 46 имеет шесть степеней свободы, что обеспечивает ориентацию любой зоны механической детали 44 напротив источника 42 излучения.

Между источником 42 излучения и механической деталью 44 установлена круглая площадка 50, которая содержит несколько полых гнезд 52, выполненных по окружности ее наружной периферии (фиг.6). Каждое гнездо 52 предназначено для размещения плоского поглощающего экрана 54, содержащего только один проем 56.

Каждое гнездо 52 содержит средства предотвращения неверной установки поглощающего экрана 54. Эти средства предотвращения содержат два штифта 58, 60, выполненные на внутреннем бортике 62 гнезда 52 и направленные в сторону источника 42, при этом один из штифтов 58 имеет квадратное сечение, а другой 60 - форму усеченного конуса. Оба штифта 58, 60 предотвращения неверной установки заходят в соответствующие отверстия 62, 64 экрана 50, гарантируя правильную установку экрана 50 в его гнездо 52 и расположение проема 56 каждого экрана 50 в известное заранее определенное положение, предусмотренное для прохождения электромагнитного излучения в направлении заданной контролируемой зоны детали.

Площадка 50 установлена с возможностью поворота вокруг оси 66 относительно неподвижного источника 42 таким образом, чтобы поворот площадки 50 подводил последовательно проем экрана 54 для выравнивания с источником 42 и с данной контролируемой зоной механической детали.

На опоре 70 установлен усилитель 68 яркости, обеспечивающий преобразование высокоэнергетического электромагнитного излучения, передаваемого через деталь 44, в световое излучение, улавливаемое камерой 72.

Для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением устройство 40 используют следующим образом. Сначала на роботизированную руку 46 подают команду, чтобы она захватила механическую деталь 44 в складском отсеке 48 и подвела заданную контролируемую зону, например, ножку лопатки в определенное положение напротив источника. Площадку 50 поворачивают вокруг ее оси 66 таким образом, чтобы подвести проем экрана 54, соответствующего ножке лопатки, для выравнивания с источником 42 и с ножкой лопатки. Затем источник 42 излучает высокоэнергетическое электромагнитное излучение, часть которого поглощается экраном 54, а остальная часть проходит через проем экрана 54 и попадает на ножку лопатки. После этого переданное излучение преобразуется усилителем 68 яркости и улавливается камерой 72.

Для осуществления контроля части передней кромки лопатки достаточно изменить ориентацию детали 44 таким образом, чтобы эта зона оказалась напротив источника 42. Площадку 50 поворачивают таким образом, чтобы экран 54, предназначенный для исследования части передней кромки, оказался выровненным с источником 42 и с деталью 44, после чего производят новую съемку.

В этом устройстве выравнивание проема экрана 54 с заданной контролируемой зоной механической детали в основном производит шарнирная роботизированная рука 46, благодаря своим шести степеням свободы, а поворотная площадка 50 обеспечивает позиционирование экрана напротив источника 42.

На фиг. 7-10 показано второе устройство 68 для осуществления способа в соответствии с изобретением.

Это второе устройство 68 содержит источник 70 высокоэнергетического электромагнитного излучения, расположенный над рамой 72, содержащей стойки 74, поддерживающие первый ярус 76 и второй ярус 78, расположенные друг над другом вдоль оси пучка. Второй ярус 78 расположен между первым ярусом 76 и источником 70 излучения. Каждый ярус содержит три места 80, 82, 84, 86, 88, 90. Места первого и второго ярусов расположены таким образом, чтобы одно место первого яруса было выровнено по оси 92 пучка с местом второго яруса. Места каждого яруса также выровнены вдоль оси 94, перпендикулярной к оси пучка 92, причем эта ось 94 является осью, вдоль которой может перемещаться рама 72.

Каждое из мест 86, 88, 90 второго яруса 78 предназначено для размещения поглощающего экрана 96 в виде пластины, содержащей, по меньшей мере, один проем 98 (фиг. 9). Каждый поглощающий экран 96 заходит в осевом направлении в место 86, 88, 90 второго яруса 78 вдоль оси 100, одновременно перпендикулярной к оси 92 электромагнитного пучка и к оси 94 поступательного перемещения рамы 72.

Контролируемые детали 102 устанавливают в опоры 104, содержащие выступы 106 для позиционирования заданной зоны каждой детали 102 в положение, в котором упомянутая заданная зона выровнена с проемом 98 экрана 96 и с источником 70 (фиг. 7 и 9).

Каждая опора 104 детали заводится перемещением поступательным движением в место 80, 82, 84 первого яруса 76 вдоль оси 100.

На задних концах мест 80, 82, 84, 86, 88, 90 первого и второго ярусов 76, 78 предусмотрены упорные средства (не показаны), которые осуществляют маркировку вдоль оси 100 каждого экрана 96 по отношению к соответствующей опоре 104 детали и, следовательно, маркировку вдоль оси 100 проемов 98 каждого экрана 96 по отношению к заданным контролируемым зонам деталей 102, установленных в соответствующие опоры 104.

Размеры опор 104 деталей и экранов 96 определяют таким образом, чтобы они вставлялись в свои соответствующие места без зазора вдоль оси 94 перемещения рамы, чтобы осуществить маркировку вдоль этой оси 94 проемов 98 экранов 96 второго яруса 78 по отношению к заданным контролируемым зонам деталей 102, установленных в опоры 104 первого яруса 76.

Средства маркировки, используемые в комбинации с выступами 106 опор 104, обеспечивают абсолютное выравнивание проемов 98 экранов 96 второго яруса 78 с заданными зонами контролируемых деталей первого яруса 76.

Хотя это и не показано на фигурах, иллюстрирующих это устройство, в данном случае тоже можно предусмотреть средства предотвращения неверной установки экранов 96 и опор 104 деталей в соответствующие места.

В частном варианте выполнения первый экран 108 содержит четыре проема 110, предназначенные для исследования частей передних кромок четырех турбинных лопаток, и первая опора деталей содержит выступы, выполненные с возможностью позиционирования частей передних кромок четырех разных лопаток. Таким образом, когда экран 108 вставляют в место 86 второго яруса 78 и опору вставляют в соответствующее место 80 первого яруса 76, каждый проем 110 экрана 108 выровнен с частью передней кромки отдельной лопатки. После этого излучают высокоэнергетический электромагнитный пучок, который образует излучение, одновременно передаваемое через четыре части передней кромки четырех лопаток и улавливаемое приемником 112 (фиг. 7 и 8).

Преимуществом этого второго устройства 68 перед первым устройством является возможность одновременного контроля заданных зон нескольких деталей, что позволяет сократить время, необходимое для контроля деталей.

Для осуществления последующего одновременного контроля других зон этих лопаток достаточно расположить лопатки во вторую опору, содержащую предусмотренные для этого выступы, затем поместить эту вторую опору с переустановленными лопатками в место 82 первого яруса 76, при этом соответствующее место 88 второго яруса 78 содержит экран с четырьмя проемами, предназначенными только для облучения других частей электромагнитным излучением. После этого раму 72 перемещают поступательным движением вдоль оси 94, чтобы подвести источник 70 электромагнитного излучения для выравнивания с проемами второго экрана и с другими частями лопаток на второй опоре (фиг. 8).

Ручное перемещение лопаток во второй опоре не представляет трудности для оператора, так как это позволяет ему избежать манипулирования поглощающими экранами, которые являются очень тяжелыми, и эти экраны остаются в своих местах.

Опоры деталей, используемые в этом втором устройстве, можно выполнить, например, из смолы путем литья.

Поглощающие экраны 54, 96, 110 можно выполнять из свинца, и их толщина составляет примерно 8 мм, если электромагнитное излучение является рентгеновским излучением. Можно использовать и другие источники излучения, в частности, источник γ-излучения. В этом последнем случае экран 54, 96, 110 имеет более значительную толщину порядка 15 мм, учитывая высокую проникающую способность излучения этого типа.

Предпочтительно свинцовые экраны покрывают тонким слоем алюминия, чтобы избежать любого загрязнения свинца операторами, манипулирующими экранами. Однако края проемов не содержат алюминия, чтобы избежать образования излучения, рассеиваемого краями проемов.

Чтобы избежать любого излучения, рассеянного краями 114 проема экрана, желательно, чтобы края 114 проема 116 были выровнены с периферическими лучами 118 пучка, излучаемого источником 120, как схематично показано на фиг.11.

Изобретение можно применять в комбинации с известным поглощающим экраном, устанавливаемым вокруг механической детали.

1. Устройство неразрушающего контроля механической детали, в частности, такой как турбинная лопатка, содержащее источник испускания высокоэнергетического электромагнитного излучения по оси (92) и экран, выполненный из материала, способного поглощать электромагнитное излучение, и содержащий проем, форма и размеры которого определены таким образом, чтобы подвергать действию электромагнитного излучения только заданную контролируемую зону детали (12), при этом устройство содержит средства опоры и позиционирования поглощающего экрана и механической детали и средства выравнивания проема экрана и контролируемой зоны механической детали с источником излучения, при этом средства опоры и позиционирования содержат раму (72), содержащую первый (76) и второй (78) ярусы, расположенные друг над другом вдоль оси (92) электромагнитного пучка, при этом второй ярус (78) расположен между первым ярусом (76) и источником (70) и содержит, по меньшей мере, одно место (80, 82, 84) для размещения поглощающего экрана (96), выровненного вдоль оси (92) пучка излучения, по меньшей мере, с одним местом (86, 88, 90) опоры (104) детали первого яруса (76).

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что рама (72) выполнена мобильной в поступательном перемещении вдоль оси (94), перпендикулярной к оси (92) пучка, и тем, что первый (76) и второй (78) ярусы содержат, каждый, несколько упомянутых мест (80, 82, 84, 86, 88, 90), выровненных вдоль упомянутой оси (94) поступательного перемещения.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что каждая опора (104), установленная в месте первого яруса, содержит выступы (106) для позиционирования, по меньшей мере, одной механической детали (102) для контроля заданной зоны механической детали (102).

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, когда проем экрана выровнен с контролируемой зоной механической детали, форма проема (30) экрана (28) соответствует проекции контуров заданной контролируемой зоны на плоскость, перпендикулярную к оси пучка, испускаемого источником (16), и размеры формы проема (30) определены затем посредством применения отношения подобия, зависящего от осевого положения экрана (28) по отношению к механической детали (12) и к источнику (16).

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что края (114) проема (116) выравнивают с периферическими лучами (118) пучка, излучаемого источником (120).

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что поглощающий экран (54, 96, 110) выполнен в виде пластины, толщина которой зависит от природы электромагнитного излучения.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электромагнитный источник (16, 42, 70, 120) является источником рентгеновского излучения или источником γ-излучения.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вокруг механической детали (12) расположен другой экран, выполненный с возможностью поглощения электромагнитного излучения.