Краткое содержание: Основы контроля пористости литья
- Рентгеновский контроль (РТ) позволяет обнаружить подповерхностную пористость на глубине до 2% от толщины материала. — Контроль размеров и визуальный осмотр не позволяют выявить внутренние пустоты, которые являются причиной 12-18% отказов в полевых условиях.
- В соответствии со стандартом ASTM E505, эталонные рентгенограммы определяют четыре уровня степени пористости алюминиевого литья. — Как правило, автомобильные заказчики требуют уровень защиты 2 или выше для структурных компонентов и уровень 1 для деталей, имеющих критически важное значение для безопасности.
- В более чем 80% новых рентгеновских установок цифровые детекторные матрицы (DDA) заменили пленочные рентгеновские аппараты. — Они обеспечивают результаты за секунды, а не за минуты, при этом контрастная чувствительность превосходит требования стандарта ASTM E2597.
- Грамотно разработанный протокол рентгеновского контроля окупается в течение 6 месяцев. за счет сокращения количества возвратов от клиентов, процента брака и затрат на механическую обработку отливок, содержащих скрытую пористость.
Почему мы проверяем рентгеновским излучением каждую критически важную с точки зрения безопасности отливку?
На нашем литейном заводе в Нинбо мы производим литые детали из цинка и алюминия для автомобильных компонентов — дверных ручек, корпусов замков, кронштейнов и крепежных элементов, которые клиенты устанавливают в автомобили, продаваемые в Северной Америке, Европе и Азии. Каждая отливка, покидающая наше предприятие, проходит контроль размеров. Но контроль размеров показывает только то, имеет ли деталь правильную форму — он ничего не говорит о том, что находится внутри металла.
Я видел отливки, которые идеально соответствовали размерам, измеренным на координатно-измерительной машине — каждое измерение отличалось от номинального на 0,05 мм — и выходили из строя в процессе эксплуатации после 3000 циклов из-за скопления подповерхностной пористости, занимавшего 15% площади поперечного сечения в критическом несущем участке. Поскольку пористость находилась на глубине 1,5 мм ниже поверхности.Поэтому визуальный осмотр этого не обнаружил. Деталь выглядела идеально. Она имела идеальные размеры. И она сломалась. Вот почему мы сверлят рентгеновскими лучами каждую критически важную для безопасности отливку — не образец, не подмножество для статистического контроля процесса, а каждую отдельную деталь в партии.
Физика пористости при литье — и почему это важно для автомобильной промышленности.
Пористость в отливках, полученных методом литья под давлением, образуется двумя различными механизмами, и протокол рентгеновского контроля должен быть разработан для обнаружения обоих. Газовая пористость возникает из-за растворенного водорода или захваченного воздуха, которые образуют сферические пустоты — обычно диаметром от 0,1 до 1,0 мм — по мере затвердевания расплавленного металла. Усадочная пористость возникает из-за объемного сжатия во время затвердевания и образует нерегулярные, дендритные пустоты, сконцентрированные в последних областях, которые застывают — обычно в местах перехода от толстого к тонкому сечению, вокруг внутренних стержней и рядом с литниками и каналами.
Поскольку поры газовой пористости имеют сферическую форму с гладкими внутренними поверхностями, это объясняется тем, что они образуют сферическую форму.Таким образом, они действуют как концентраторы напряжений с теоретическим коэффициентом концентрации напряжений (Kt) приблизительно 2,0-2,5. Отливка с 5% газовой пористостью по объему в несущей секции будет демонстрировать снижение усталостной прочности на 20-30% по сравнению со здоровой отливкой той же геометрии. Поскольку пористость, возникающая из-за усадки, приводит к образованию пустот неправильной формы с острыми внутренними углами, эти пустоты имеют неправильную форму.Таким образом, коэффициент концентрации напряжений может достигать 3,5-5,0, а отливка с эквивалентной объемной долей усадочной пористости может демонстрировать снижение усталостной прочности на 40-60%. Именно поэтому в технических условиях заказчики уделяют усадочной пористости больше внимания, чем газовой пористости, даже при одинаковой объемной доле.
Он ASTM E505 Стандарт предоставляет эталонные рентгенограммы для оценки пористости алюминиевых отливок, классифицируя степень выраженности пористости от уровня 1 (наилучший) до уровня 4 (наихудший). Большинство спецификаций автомобильных компонентов требуют уровня 2 или выше для конструкционных деталей — то есть отсутствие признаков пористости, превышающих 2% от толщины сечения на любом изображении, — и уровня 1 для критически важных с точки зрения безопасности компонентов, таких как кронштейны тормозной системы, крепления рулевой колонки и точки крепления ремней безопасности. В нашем литейном цехе имеется полный набор эталонных рентгенограмм ASTM E505, и каждый оператор рентгеновского аппарата обучен сравнивать изображения в реальном времени с эталонными стандартами.
Технологии рентгеновского контроля: пленочные рентгеновские снимки, цифровые детекторные матрицы и компьютерная томография.
За последнее десятилетие литейная промышленность стремительно перешла от пленочной рентгенографии к цифровым системам. Каждая технология играет свою специфическую роль в комплексной программе контроля пористости:
Плёночная рентгенография (RT-F): Традиционный метод использует пленку из галогенида серебра, облученную рентгеновскими лучами, проходящими через отливку. Пленка обеспечивает наивысшее пространственное разрешение — до 10-20 микрон при использовании мелкозернистой пленки — но требует химической обработки, 5-10 минут на экспозицию и затрат на расходные материалы в размере 3-8 долларов за изображение. Пленка остается эталонным стандартом для разрешения споров и контроля качества первого образца, и наша лаборатория контроля качества поддерживает возможности работы с пленкой специально для этих целей. Потому что пленочная рентгенография обеспечивает самое высокое пространственное разрешение среди всех рентгенографических методов.Поэтому мы используем его, когда заказчику требуется обнаружение пористости размером менее 50 микрон — как правило, для компонентов топливных систем и отливок, изготовленных под высоким давлением в гидравлических системах.
Цифровые детекторные матрицы (DDA / DR): Основной инструмент современной рентгеновской дефектоскопии на производстве. Плоский детектор преобразует рентгеновские лучи непосредственно в цифровое изображение за 1-5 секунд — по сравнению с 5-10 минутами для пленочных детекторов. Пространственное разрешение обычно составляет 100-200 микрон (шаг пикселя детектора), чего достаточно для обнаружения пористости размером более 0,2 мм в цинковых и алюминиевых отливках толщиной до 25 мм. Контрастная чувствительность на ASTM E2597 (Стандартная практика для характеризации методом DDA) составляет 1-2% от толщины материала — это означает, что система может обнаружить изменение плотности на 1-2% на пути рентгеновского излучения. Благодаря тому, что системы DDA исключают химическую обработку и обеспечивают мгновенное получение цифровых изображений.Таким образом, производительность контроля увеличивается в 10-20 раз по сравнению с пленочным контролем — наша система DDA проверяет 120-180 отливок в час при крупносерийном производстве, по сравнению с 8-12 в час при использовании пленочного контроля.
Компьютерная томография (КТ): Наиболее точный метод позволяет получить трехмерную объемную реконструкцию отливки из сотен двухмерных рентгеновских проекций, сделанных под разными углами. КТ позволяет различать пористость с точностью до 5-10 микрон и обеспечивает точное трехмерное определение местоположения, размера и морфологии каждой пустоты. Компромисс заключается в стоимости и скорости: КТ-сканирование одной автомобильной отливки занимает 10-30 минут, а стоимость КТ-системы составляет 250 000–500 000 долларов. Мы используем КТ для первичной проверки новых пресс-форм, для анализа отказов возвращенных деталей и для разработки технологических процессов, а не для контроля качества готовой продукции. Поскольку компьютерная томография позволяет точно определить трехмерное местоположение пористости относительно поверхности отливки, она позволяет получить эти данные.Поэтому этот метод имеет исключительную ценность для определения того, попадает ли обнаруженное отклонение в допустимую зону, определенную инженерным чертежом заказчика, — чего невозможно с уверенностью определить с помощью двухмерной рентгенографии для сложных геометрических форм.
Наш протокол рентгеновского контроля на производстве
Для контроля качества литья из цинка и алюминия, используемого в автомобильной промышленности, наш протокол основан на систематическом рабочем процессе, разработанном для максимизации производительности при одновременном обеспечении того, чтобы ни одна партия критически важных с точки зрения безопасности отливок не имела необнаруженной пористости:
- Закрепление детали (15 секунд на деталь): Отливка помещается в специальное приспособление, которое обеспечивает ее правильную ориентацию и расстояние от источника до детектора (SDD) для получения заданных изображений. Приспособление разработано таким образом, чтобы критически важные участки — переходы от толстого к тонкому слою, зоны литниковых каналов и стыки выступов со стенками — располагались под оптимальным углом к рентгеновскому лучу. Конструкция приспособления специфична для каждого артикула и проверяется в процессе утверждения производственных деталей (PPAP).
- Рентгеновское облучение (2-5 секунд на один снимок): Для цинковых отливок толщиной до 10 мм мы используем напряжение трубки 120-150 кВ при токе 3-5 мА. Для алюминиевых отливок толщиной до 25 мм — 160-200 кВ при 5-8 мА. Параметры экспозиции устанавливаются в процессе валидации процесса и фиксируются в рецепте контроля — оператор выбирает номер детали, и система автоматически применяет правильные настройки.
- Автоматический анализ изображений (3-8 секунд на один снимок): Программное обеспечение DDA применяет алгоритм обнаружения пористости, который выявляет дефекты, превышающие пороговое значение контрастности (обычно 1,5% от толщины материала) и пороговое значение площади (обычно минимальный размер дефекта 0,5 мм²). Алгоритм сравнивает каждый дефект с эталонными рентгенограммами ASTM E505, загруженными в цифровую библиотеку системы, и присваивает уровень серьезности.
- Проверка оператором (5-10 секунд на деталь): Автоматизированный анализ отмечает все изображения, превышающие допустимый порог. Оператор просматривает отмеченные изображения на мониторе высокого разрешения. Поскольку автоматизированные алгоритмы имеют частоту ложноположительных результатов приблизительно 3-5% из-за особенностей геометрии отливки, имитирующих пористость (тонкие секции, отверстия в стержнях, намеренно отлитые надписи).Поэтому перед отклонением любой детали обязательна проверка оператором. Оператор может принять, отклонить или передать деталь на техническую экспертизу.
- Регистрация и отслеживание данных (автоматическое): Результаты каждой проверки — успешной или неуспешной — регистрируются с указанием серийного номера детали или номера партии, даты/времени, идентификатора оператора и файлов рентгеновских снимков. Эти данные хранятся в течение как минимум 5 лет в соответствии с требованиями автомобильных заказчиков и доступны для проверки в любое время.
Поскольку система DDA автоматически захватывает и регистрирует каждое изображение, она делает это автоматически.Таким образом, мы можем обеспечить 100% прослеживаемость результатов контроля — если отливка выходит из строя в процессе эксплуатации через 3 года после производства, мы можем получить исходные рентгеновские снимки этой конкретной детали или партии и определить, произошла ли поломка из-за пористости, присутствовавшей на момент изготовления, но ниже допустимого уровня, или из-за механизма, не связанного с качеством отливки.
Критерии приема: что на самом деле означает «пройдено»?
Одно из самых распространенных заблуждений, с которыми я сталкиваюсь, — это предположение, что "рентгеновский осмотр" означает "нулевую пористость". Это не так. Поскольку все отливки под давлением содержат определенную степень микропористости — это неотъемлемая часть процесса затвердевания.Таким образом, критерии приемки определяют, какой уровень пористости является функционально приемлемым для предполагаемого применения. Вопрос не в том, «есть ли пористость?», а в том, «находится ли пористость на таком уровне, который ставит под угрозу функциональность детали?».
Наши стандартные критерии приемки, соответствующие практике автомобильной промышленности, определяют три зоны на каждой детали:
- Критическая зона (КЗ): Области, обозначенные на чертеже заказчика как критически важные с точки зрения безопасности, — как правило, резьбовые отверстия, отверстия для запрессовки, высоконагруженные галтели и участки, подверженные усталостным нагрузкам. Пористость, превышающая уровень 1 по стандарту ASTM E505 (менее 1% от толщины сечения, без единичных пустот, превышающих 0,5 мм), является основанием для отбраковки. Усадочная пористость в критической зоне ни при каких обстоятельствах не допускается.
- Функциональная зона (ФЗ): Области, не являющиеся критически важными с точки зрения безопасности, но необходимые для функционирования механизма — монтажные фланцы, элементы выравнивания и уплотнительные поверхности. Допустима пористость до уровня ASTM E505 Level 2 при условии, что ни одна отдельная пустота не превышает 1,0 мм, а общая площадь пустот в любом поперечном сечении не превышает 3%.
- Некритическая зона (НЗ): Декоративные поверхности, не несущие нагрузки выступы и материалы, существующие исключительно для обеспечения технологичности производства. Допустима пористость до уровня ASTM E505 Level 3.
Эти зоны должны быть четко обозначены на техническом чертеже заказчика или указаны в спецификации компонента. Поскольку без этой информации оператор рентгеновского аппарата не может определить, относится ли обнаруженное показание к критической или некритической зоне.Таким образом, карта зон загружается в алгоритм проверки вместе с параметрами экспозиции. Программное обеспечение для автоматизированного анализа применяет различные пороговые значения допустимости в зависимости от зоны — показание, которое вызвало бы сигнал о недопустимости в критической зоне, может быть принято без проверки оператором в некритической зоне.
Часто задаваемые вопросы
Какой уровень пористости допустим для автомобильных цинковых отливок, полученных методом литья под давлением?
Это зависит от функции детали и классификации зоны. Большинство автомобильных заказчиков указывают стандарт ASTM E505 уровня 2 или выше для функциональных компонентов, и уровень 1 для деталей, критически важных с точки зрения безопасности. Поскольку цинковые отливки под давлением обычно обладают меньшей газовой пористостью, чем алюминиевые, из-за более низкой растворимости водорода в цинке и более быстрого затвердевания.Поэтому цинковые отливки более стабильно достигают показателей пористости уровня 1-2, чем алюминиевые отливки аналогичной геометрии. Критерии приемки должны быть определены в спецификации компонента — никогда не следует предполагать, что применяется стандарт по умолчанию.
Чем отличается рентгеновский контроль от испытаний под давлением при обнаружении пористости отливок?
Рентгеновский контроль и испытание под давлением являются взаимодополняющими, а не альтернативными методами. Рентгеновский контроль обнаруживает пористость независимо от того, взаимосвязаны ли поры — он выявляет пустоты независимо от их связности. Испытание под давлением (обычно с использованием сжатого воздуха под водой или гелия для обнаружения утечек) обнаруживает только ту пористость, которая создает непрерывный путь утечки от внутренней поверхности к внешней. Поскольку 60-70% пористости отливки состоит из изолированных, не связанных между собой пустот.Поэтому одних только испытаний под давлением недостаточно для выявления большей части пористости, которая ослабляет конструкцию отливки, но не приводит к утечке. Для компонентов, содержащих жидкость (корпуса клапанов, корпуса насосов), мы проводим как рентгеновские, так и гидравлические испытания. Для конструкционных компонентов достаточно одних только рентгеновских исследований.
Как часто следует калибровать рентгеновское оборудование?
Пер ASTM E1255 (Стандартная практика для рентгеноскопии) Работоспособность системы должна проверяться в начале каждой смены с помощью линейных парных датчиков или дуплексного проволочного индикатора качества изображения (IQI). IQI устанавливается на зажим для детали в том же положении, что и отливка, и система должна обеспечивать разрешение заданного количества линейных пар или пар проводов, чтобы подтвердить отсутствие ухудшения пространственного разрешения. Кроме того, контрастная чувствительность должна проверяться еженедельно с помощью ступенчатого клина с известными шагами толщины. Поскольку панели детекторов DDA постепенно деградируют в течение 3-5 лет эксплуатации из-за радиационного повреждения сцинтилляционного слоя, это происходит постепенно.Поэтому ежеквартальный анализ тенденций показаний IQI крайне важен — постепенное снижение пространственного разрешения в течение нескольких кварталов указывает на то, что срок службы панели детектора подходит к концу, и ее замену следует запланировать до того, как качество изображения упадет ниже допустимого уровня.
Можно ли проводить рентгеновский контроль отливок после механической обработки?
Да, и во многих случаях контроль после обработки более ценен, чем контроль до обработки. Поскольку механическая обработка удаляет литейную корку — слой более мелкозернистого и плотного материала толщиной 0,2–0,5 мм, образующийся в результате быстрого затвердевания на поверхности матрицы.Таким образом, пористость, которая в литом состоянии была надежно скрыта под поверхностью, может обнажиться или приблизиться к поверхности после механической обработки. Отливка, прошедшая рентгеновский контроль до механической обработки, может выйти из строя после обработки, если режущий кромка пересечет скопление пор, которое ранее находилось на глубине 0,8 мм ниже поверхности, а теперь находится на глубине 0,2 мм ниже поверхности. Для компонентов, критически важных с точки зрения безопасности, мы рекомендуем проводить рентгеновский контроль после окончательной операции механической обработки, а не до нее.
Какова стоимость внедрения рентгеновского контроля на производственной линии литья под давлением?
Стоимость установки высокоточной рентгеновской системы DDA с автоматизированной обработкой деталей и программным обеспечением для анализа изображений составляет 80 000–150 000 долларов. В эту сумму входят рентгеновская трубка, плоскопанельный детектор, радиационный кожух, крепление для деталей, конвейер или роботизированная система обработки деталей, а также программное обеспечение для контроля качества. Эксплуатационные расходы (электроэнергия, замена рентгеновской трубки каждые 3–5 лет (8 000–12 000 долларов) и ежегодная калибровка) составляют приблизительно 5 000–8 000 долларов в год. Поскольку стоимость возврата автомобильного компонента безопасности одним покупателем — включая упаковку, сортировку, транспортировку и административные расходы — обычно превышает 25 000 долларов.Таким образом, предотвращение даже 3-4 возвратов в год покрывает всю стоимость рентгеновской системы. Экономическая целесообразность еще выше, если учесть предотвращенные затраты на механическую обработку бракованных отливок — рентгеновский контроль перед обработкой предотвращает потерю машинного времени и инструментов на отливках, которые в конечном итоге будут забракованы.