Капиллярные методы

УДК 620.179.111

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИСТОЧНИКОВ

УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ КАПИЛЛЯРНОГО

ЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО КОНТРОЛЯ

А.И. Андреев³,А.С.Генералов^1,*

¹Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский

институт авиационных материалов» Национального исследовательского центра «Курчатовский

институт» (НИЦ «Курчатовский институт» — ВИАМ), Россия 105005 Москва, ул. Радио, 17

²Общество с ограниченной ответственностью «АРИОН» (ООО «Арион»),

Россия 603093 Нижегородская обл., Нижний Новгород, ул. Родионова, 134, литер А, помещение 3

³ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Российский университет транспорта» (РУТ (МИИТ)),

Россия 127994 Москва, ГСП-4, г. ул. Образцова, 9, стр. 9

E-mail: ^*viamlab622@gmail.com; ^**info@ari-on.ru

Поступила в редакцию 29.12.2021; после доработки 17.01.2022

Принята к публикации 17.01.2022

Предложен комплексный подход по оценке эффективности различных источников ультрафиолетового излучения,

используемых при проведении капиллярного люминесцентного метода неразрушающего контроля. Приведены спек-

тральные характеристики излучения современных отечественных и зарубежных УФ-облучателей, используемых при

контроле деталей и узлов авиационной техники в авиационной отрасли. Определены основные параметры, позволяю-

щие наиболее полно оценить ультрафиолетовые источники на соответствие требованиям отечественных и зарубежных

нормативных документов по энергетическим характеристикам источников на этапе осмотра технологического процесса

капиллярного контроля. Показано влияние использования УФ-источников различного типа на результаты контроля

образцов и деталей с различными конструктивными особенностями, содержащих производственные и эксплуатацион-

ные дефекты различного размера. Установлено, что для оценки различных УФ-облучателей характеристик, указанных в

их технической документации (паспортах), для дефектоскописта недостаточно. Данный подход позволит оценить и

выбрать современные источники УФ-излучения с учетом требований стандартов, действующих на предприятиях.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, капиллярный контроль, ультрафиолетовое излучение, источник ультра-

фиолетового излучения, пенетрант, спектр люминесценции, спектр поглощения.

DOI: 10.31857/S0130308222010055

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных методов неразрушающего контроля, применяемым для оценки качества

продукции при производстве и эксплуатации деталей и узлов авиационной техники, как простой,

так и сложной конфигурации, является метод капиллярного контроля, позволяющий выявлять на

поверхности несплошности материала различного размера. Данный метод позволяет регистриро-

вать дефекты за счет формирования индикаторного рисунка в местах расположения несплошно-

стей материала, размеры которого значительно превышают ширину раскрытия дефекта. Самым

контрастным и, соответственно, самым чувствительным методом капиллярного контроля является

люминесцентный, обнаруживающий поверхностные дефекты шириной раскрытия 1 мкм и менее.

Основным отличием данного метода является то, что осмотр контролируемых поверхностей дета-

лей на наличие дефектов проводится в затемненных помещениях с использованием источника

ультрафиолетового излучения ближнего диапазона (УФ-А), позволяющего визуально регистриро-

вать яркие и контрастные индикаторные рисунки с максимумом спектра излучения, соответствую-

щим максимальной чувствительности зрительной системы человека над несплошностями матери-

ала различного размера. Эффективность обнаружения дефектов при проведении капиллярного

люминесцентного контроля зависит от размера индикаторного следа, его цветовой или яркостной

контрастности по отношению к фону, полученному на поверхности. При регистрации индикации

обычно учитывают три взаимосвязанные субъективные характеристики, такие как оттенок цвета,

его контрастность и яркость. Восприятие цвета наблюдаемого флуоресцентного свечения от инди-

кации дефекта зависит от многих факторов: формы и размера индикации; фотолюминесцентных

характеристик красителей, входящих в состав используемых дефектоскопических материалов

(спектра поглощения и люминесценции), их концентрации; спектрального распределения и интен-

Оценка эффективности использования источников ультрафиолетового излучения...

сивности излучения УФ-источников; цвета, яркости и размеров фона наблюдения (цветовой кон-

траст). Обязательно необходимо отметить, что характеристики фона зависят от шероховатости

поверхности, наличия или отсутствия проявителя, его типа, а также от источника УФ-излучения.

В настоящее время одной из перспективных задач капиллярного неразрушающего контроля

является повышение минимального размера обнаруживаемого дефекта с целью обеспечения высо-

ких требований к выпускаемой продукции ответственного назначения [1, 2]. Существует множе-

ство путей решения данной задачи, одним из которых является увеличение яркости и контраст-

ности индикаторного рисунка дефекта за счет максимального согласования физических и оптиче-

ских свойств дефектоскопических материалов и спектральных и энергетических характеристик

УФ-облучателей [3].

Объем заполнения полости дефекта, очищенной от различных видов загрязнений [4], про-

никающей жидкостью и степень ее извлечения проявляющими составами являются одними из

самых важных характеристик наборов дефектоскопических материалов, влияющих на достиже-

ние порогового значения люминесценции для используемой многокомпонентной системы,

содержащей люминофор с физической точки зрения, а с практической — на обнаружение дефек-

тов зрительной системой человека [5, 6]. Еще одной важной характеристикой наборов дефекто-

скопических материалов является спектральное распределение энергии излучения люминесцен-

ции проникающих жидкостей в УФ-свете, которая в свою очередь зависит от спектрального

распределения энергии поглощения данной проникающей системы и величины интенсивности

падающего на нее излучения.

Среди основных факторов, учитывающих оптические свойства дефектоскопических материа-

лов, используемых при капиллярном люминесцентном контроле, позволяющих достичь высокой

доли обнаружения дефектов, необходимо выделить:

необходимость использования люминесцентных красителей, входящих в состав проникающих

жидкостей, с заданными оптическими свойствами:

а) имеющих характерный максимум спектра поглощения в сложной многокомпонентной

системе, близкий к максимуму спектра ультрафиолетового излучения УФ-облучателей, применяе-

мых при проведении капиллярного люминесцентного контроля;

б) имеющих спектр излучения в области максимальной чувствительности (на кривой видно-

сти) зрительной системы человека при практически полном отсутствии дневного освещения;

необходимость проведения осмотра с использованием специальных источников, имеющих

строго ограниченный узкополосный эмиссионный спектр в области диапазона УФ-А (от 315 до

400 нм) с максимумом спектра на длине волны 365±5 нм и с заданной интенсивностью при мини-

мальной доле в области излучения, которая граничит с видимым диапазоном.

необходимость использования проявляющих жидкостей, создающих при нанесении на поверх-

ности контролируемых деталей белую или серо-белую пленку, эффективно извлекающие пене-

трант из полостей дефектов, с особыми оптическими свойствами, позволяющими частично погло-

щать и рассеивать ультрафиолетовое излучение, формируя равномерный фон без бликов при

осмотре деталей в УФ-свете, обеспечивая максимальный контраст между индикацией дефекта и

фона.

Согласно закону С.И. Вавилова, энергетический выход люминесценции растет пропорцио-

нально длине волны возбуждающего света, поэтому для каждого люминофора (красителя), входя-

щего в состав набора дефектоскопических материалов, такая закономерность справедлива до

определенной длины волны. На всем участке спектра с коротковолновой стороны до этого значе-

ния сохраняется постоянство квантового выхода, цвета и спектра люминесценции и описывается

в виде зависимости [7]:

Ф = (λ_а/λ_е) ∙ Q,

(1)

где Ф — энергетический выход; Q — квантовый выход; λ_а— длина волны поглощенного излуче-

ния; λ_е— длина волны испускаемого излучения (λ_е= const при λ_а→λ_еиλ_а/λ_е→1).

Таким образом, повысить энергетический выход люминесценции в капиллярной дефектоско-

пии при обнаружении дефектов (особенно малых размеров) возможно только при согласованном

выборе набора дефектоскопических материалов и источников УФ-облучения.

В зарубежных литературных источниках подробно описаны оптические фотолюминесцентные

характеристики красителей входящих в состав современных зарубежных дефектоскопических

материалов, влияющих на обнаружение дефектов. Показаны основные факторы, влияющие на

яркость и контрастность индикаторных рисунков, сформированных над дефектом при проведении

Дефектоскопия

№ 1

2022

И.И. Кудинов, А.Н. Головков, П.А. Шишкин и др.

капиллярного люминесцентного контроля при осмотре в УФ-свете [8—14], однако спектральных

и энергетических характеристик многокомпонентных проникающих систем в полном объеме авто-

рами статьи не приведено.

Для капиллярного люминесцентного контроля разработано большое количество разнообраз-

ных типов источников ультрафиолетового облучения разной мощности. Большое многообразие

современных источников вводит специалистов в затруднение при их выборе. Характеристик, при-

веденных в паспортах или руководствах по эксплуатации, недостаточно для определения эффек-

тивности их использования с точки зрения выявляемости дефектов и установления соответствия

требованиям отечественных и зарубежных стандартов, без проведения дополнительных экспери-

ментальных измерений и полученных в ходе их обработки ряда параметров. Как правило, в

паспортах содержатся следующие основные технические характеристики источников

УФ-освещения: тип источника; потребляемая мощность; входное напряжение питания; номиналь-

ное напряжение аккумуляторной батареи (при наличии); длина волны максимума излучения; вели-

чина ультрафиолетовой облученности на расстоянии L (325, 380, 400 или 500 мм) от источника;

размер области контроля; доля видимого света в режиме УФ и др. Из приведенных параметров

видно, что они необходимы для оценки качества ламп и их соответствия установленным требова-

ниям технической документации, действующей на предприятиях в области охраны труда и требо-

ваний техники безопасности.

Среди отечественных литературных источников необходимо выделить статью [15], содержа-

щую описание особенностей применения различных типов современных УФ-источников, исполь-

зуемых на этапе осмотра при проведении капиллярного контроля, и сравнительный анализ их

технических параметров. Также в данной статье приведены экспериментальные исследования

результатов капиллярного контроля, при использовании различных облучателей (ртутных, свето-

диодных и эксиламп), но без указания значений величин энергетической освещенности, создавае-

мой на поверхности рассматриваемыми источниками на заданном расстоянии.

Особое внимание стоит обратить на доклад зарубежных специалистов, в котором содержаться

зарегистрированные на фото результаты контроля образцов с трещинами малоцикловой усталости

при различной ультрафиолетовой освещенности, создаваемой различными типами источников

излучения [16].

Для сравнения и оценки технологий, оборудования и наборов, используют вероятностную

оценку обнаружения дефектов, как эффективный и наглядный инструмент [17—19]. Так, в ста-

тье [20] проведена оценка вероятности обнаружения различных дефектов при использовании в

процессе осмотра ртутной УФ-лампы, для различной облученности контролируемых поверхно-

стей — 400 и 1200 мкВт/см². Работ по сравнению ультрафиолетовых источников различного

типа по критерию вероятности обнаружения дефектов не было найдено.

По итогам проведенного литературного анализа во всех источниках подтверждается, что повы-

шение интенсивности ультрафиолетового излучения (при соблюдении всех мер техники безопас-

ности при работе с УФ-источниками излучения) является благоприятным фактором и приводит к

росту контраста между индикацией дефекта и фоном (сигнал/шум).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Определение оптических свойств

современных проникающих многокомпонентных жидкостей

За последнее время для капиллярного люминесцентного контроля разработано большое

количество проникающих люминесцентных жидкостей как отечественного, так и зарубежно-

го производства. Все проникающие люминесцентные жидкости разрабатываются с учетом

требований к УФ-источникам, применяемым при проведении капиллярного контроля, уста-

новленным в отечественных [21] и зарубежных стандартах [22]. Производители наборов

дефектоскопических материалов используют в составе пенетрантов различные люминесцент-

ные красители. Поэтому все проникающие вещества могут иметь разные, но близкие оптиче-

ские свойства.

Для определения спектров поглощения современных дефектоскопических материалов отече-

ственного и зарубежного производства, применяемых при люминесцентном контроле деталей и

узлов авиационной техники, был использован двулучевой спектрофотометр c диапазоном измере-

ний от 200 до 900 нм. Получены спектры поглощения различных пенетрантов в диапазоне от 310

до 450 нм (рис. 1).

Дефектоскопия

№ 1

2022

Оценка эффективности использования источников ультрафиолетового излучения...

365

0,8

0,6

0,4

381

375

0,2

310

320

330

340

350

360

370

380

390

400

410

420

430

440

450

Длина волны, нм

Рис. 1. Спектры поглощения проникающих жидкостей отечественного и зарубежного производства.

Из полученных зависимостей видно, что спектры поглощения всех выбранных проникаю-

щих жидкостей, входящих в наборы дефектоскопических материалов с особо высоким уровнем

чувствительности включают в себя установленный в нормативной документации максимум

спектра излучения УФ-источников 365 нм, что способствует эффективному поглощению воз-

буждающего излучения и эффективному увеличению энергетического выхода люминесценции.

Как отмечено ранее, вторым оптическим свойством, обеспечивающим визуальную регистра-

цию индикаторного рисунка, является характеристический спектр излучения (люминесценции)

многокомпонентной жидкости, который должен соответствовать максимуму «функции спек-

тральной чувствительности» зрительной системы человека. Для определения спектров люми-

несценции дефектоскопических материалов отечественного и зарубежного производства был

использован люминесцентный спектрофотометр с высокой чувствительностью и диапазоном

измерений от 200 до 900 нм. Получены спектры люминесценции различных пенетрантов в диа-

пазоне от 400 до 700 нм, возбуждаемых монохроматическим излучением 365 нм заданной интен-

сивности, соответствующего требованиям к максимуму спектров излучения УФ-облучателей

(рис. 2).

Из полученных распределений видно, что максимумы спектров излучения всех современных

проникающих многокомпонентных систем, входящих в набор дефектоскопических материалов

с особо высоким уровнем чувствительности, имеют характерный максимум спектра люминес-

ценции в диапазоне от 502 до 528 нм, что соответствует области максимальной чувствительно-

сти (на кривой видности) человеческого глаза в затемненном помещении (около 510 нм). На

поверхности контролируемой детали в местах несплошностей материала, при использовании

разных наборов, цвет индикаторного рисунка может меняться от голубовато-зеленого до желто-

зеленого. Следует отметить, что кривая видности человеческого глаза при недостаточной осве-

щенности, в сумеречном свете, смещается в сторону коротковолновой области (эффект Пуркине)

[23].

Из полученных выше результатов (см. рис. 1 и 2) видно, что все рассматриваемые дефекто-

скопические материалы практически в равной степени создают необходимые условия для обе-

спечения максимальной чувствительности. Поэтому повысить размер минимально обнаружива-

емого дефекта для определенного набора, с учетом только оптических свойств, возможно за счет

увеличения энергетического выхода, а именно за счет увеличения облученности ультрафиолето-

вым излучением контролируемой поверхности.

Дефектоскопия

№ 1

2022

И.И. Кудинов, А.Н. Головков, П.А. Шишкин и др.

1,2

513

0,8

519

0,6

527 528

502

526

0,4

0,2

400

420

440

460

480

500

520

540

560

580

600

620

640

660

680

700

Длина волны, нм

Рис. 2. Спектры люминесценции проникающих жидкостей отечественного и зарубежного производства.

Определение технологических параметров источников ультрафиолетового излучения

Как показывает опыт эксплуатации различных УФ-источников на авиационных предприятиях,

яркость индикации дефекта и фона на поверхности изменяются в зависимости от типа источника,

а также наличия или отсутствия светофильтра на лампе, то есть от энергетических характеристик

спектра УФ-излучения.

Для оценки влияния различных типов УФ-источников на результаты капиллярного люминес-

центного контроля образцов и деталей с производственными и эксплуатационными дефектами

были рассмотрены передвижные, переносные и стационарные источники ультрафиолетового

излучения различного типа (ртутные и светодиодные) со светофильтром и без, такие как Magnaflux

ZB100F, КД-33Л, Labino-Torch-Light-UVG2 Floodlight (без светофильтра), ATG UV 400 DF (без

светофильтра), а также УФ-источник с возможностью регулирования интенсивности излучения

Элитест УФС-12 Black Light.

С целью определения не указанных в паспорте характеристик были получены энергетические

спектры исследуемых ламп в диапазоне длин волн 305—425 нм. Результаты распределения интен-

сивности излучения по длинам волн для всех исследуемых источников показаны на рис. 3. Все

спектры получены c использованием оптоволоконного спектрометра с выносным полихроматиче-

ским датчиком при заданном уровне УФ-облученности (≈3000 мкВт/см²).

Из полученных данных видно, что спектры излучения всех ртутных облучателей имеют узко-

полосный эмиссионный спектр, с характерным пиком в диапазоне длин волн от 365 до 370 нм. Для

диодных облучателей спектр широкополосный с максимумом в том же диапазоне.

Спектры излучения от ртутных газоразрядных ламп КД33Л и UV 400 DF помимо основного

имеют дополнительные пики, в том числе в области видимой части спектра с максимумом 405

нм, но по величине значительно меньшей, чем полезный характерный эмиссионный пик.

Наличие дополнительного характерного пика в области видимой части спектра (405 нм) обу-

славливает появление паразитного излучения, которое необходимо учитывать при контроле.

Согласно колориметрической системе координат цветности, длина волны 405 нм соответствует

фиолетовой области видимой части спектра. Поэтому для данных ламп особенно стоит учиты-

вать возможность появления фиолетового фона на поверхности контролируемой детали при

осмотре. Установленные спектральные характеристики показаны в табл. 1.

Дефектоскопия

№ 1

2022

Оценка эффективности использования источников ультрафиолетового излучения...

6000

Переносные и передвижные

5000

УФС-12 Black Light

КД-33Л

4000

Labino-Torch-Light-UVG2

Стационарные

2B100F

UV 400 DF

3000

2000

1000

305

320

335

350

365

380

395

410

425

Длина волны, нм

Рис. 3. Вид спектров излучения УФ-облучателей отечественного и зарубежного производства.

Таблица

Спектральные параметры УФ-источников

Наименование

Максимум излучения на длине

Ширина спектра на полувысоте, нм

УФ-источников излучения

волны, нм

Переносные и передвижные источники

Magnaflux ZB100F

365,83

1,46

КД-33Л

365,83

1,47

Labino-Torch-Light-UVG2 Floodlight

369,56

9,75

Элитест УФС-12 Black Light

367,55

9,44

Стационарные источники

ATG UV 400 DF

365,54

1,61

Из рис. 3 и табл. 1 видно, что ширина полезного эмиссионного спектра светодиодных ламп

значительно превышает ширину спектра ртутных ламп, поэтому стоит учитывать, что с увеличе-

нием интенсивности излучения доля видимого света для светодиодных ламп будет расти быстрее,

чем от ртутных при отсутствии в них паразитных эмиссионных пиков.

При контроле деталей сложной конфигурации в авиационной отрасли используются в основ-

ном переносные или передвижные источники УФ-облучения. Для более детального рассмотрения

границ индикации дефектов, труднодоступных мест деталей или зон, где необходим направленный

контроль, контролер визуально проводит осмотр данных участков с расстояния

≈ 200 мм (как

показывает опыт), а иногда и ближе с использованием луп, при этом, уменьшив расстояние от

источника излучения до ОК, чтобы избежать прямого попадания излучения в глаза. Обеспечить

требования стандартов в части, касающейся энергетической освещенности поверхности на таких

расстояниях, возможно не для всех УФ-ламп. С этой целью был определен диапазон расстояний от

источника излучения до исследуемой поверхности, при которых обеспечиваются требования,

установленные Российскими [21] и Международными [22] нормативными документами, назовем

Дефектоскопия

№ 1

2022

И.И. Кудинов, А.Н. Головков, П.А. Шишкин и др.

6000

5500

5000

4500

4000

3500

3000

2500

2000

1500

1000

500

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

r, мм

Рис. 4. Вид полученных экспериментальных зависимостей E(r) для всех рассматриваемых УФ-облучателей.

его диапазоном рабочих расстояний (R). Измерения максимальной величины энергетической осве-

щенности (E) различных УФ-облучателей в диапазоне от 500 до 6000 мкВт/см² проводились на

различных расстояниях (r) с использованием аттестованного ультрафиолетового радиометра.

Результаты измерений показаны на рис. 4 и в табл. 2 в виде экспериментальных зависимостей

ультрафиолетовой облученности от расстояния Е(r) для всех типов УФ-облучателей.

Из данных зависимостей определен диапазон рабочих расстояний R2000—3000 и R 1000—5000 соот-

ветствующих требованиям по облученности, установленным ГОСТ

18422 от

2000 до

3000 мкВт/см² для наборов с особо высокой и высокой чувствительностью и ISO 3059 от 1000

до 5000 мкВт/см² (см. табл. 2).

Таблица

Диапазон рабочих расстояний (R) для УФ-облучателей, при которых обеспечиваются требования

по облученности, установленные ГОСТ 18442 и ISO 3059

Наименование

R_{(2000—3000)}, мм

R_{(1000—5000)}, мм

E(r)

УФ-источника

Элитест

Emin = 20 729 093,7 ∙ r^-1,59532

УФС-12

а = 255—950

a' = 185—1378

Emax = 710 946 955,6 ∙ r^-1,86395

Black Light

ATG

b =595—775

b' =427—1215

E = 55 469 495,8 ∙ r^-1,53775

UV 400 DF

Labino

Torsh Light UVG 2

c = 730—929

c' = 539—1400

E = 197 074 350,6 ∙ r^-1,68266

Floodlight

Magnaflux

d = 369—462

d' = 277—680

E = 117 918 392,3 ∙ r^-1,79023

ZB100F

КД-33Л

f = 362—445

f' = 280—632

E = 336 973 515,5 ∙ r -1,973756

Из рис. 4 и табл. 2 видно, что максимальный диапазон рабочих расстояний и минимально воз-

можное расстояние (с учетом требований стандартов) при осмотре обеспечивается облучателем

Дефектоскопия

№ 1

2022

Оценка эффективности использования источников ультрафиолетового излучения...

Элитест УФС-12 Black Light, оснащенным устройством регулировки интенсивности излучения

(энкодером).

В директивах и технических спецификациях зарубежных передовых компаний, таких как

Rolls-Royce или Airbus [24], установлено, что величина УФ-облученности на расстоянии 15 inches

(38 см) не должна превышать значений 5000 мкВт/см². Анализируя рис. 4, можно установить, что

не все УФ-облучатели, например Labino Torch Light UVG 2 Floodlight, ATG UV 400 DF и не весь

диапазон УФ-лампы с энкодером типа Элитест УФС-12 Black Light, возможно использовать при

контроле деталей, выпускаемых по данным спецификациям.

Существует техническая спецификация, в которой допускается облученность свыше 5000 мкВт/

см² на расстоянии 15 inches. Из рис. 4 видно, что УФ-лампы Magnaflux ZB100F и КД-33Л не обе-

спечат таких условий осмотра.

Следует также отметить, что для мощных УФ-облучателей (особенно без энкодера), при

соблюдении требований по облученности, обеспечивается расстояние при контроле от источника

излучения до ОК, достаточно неудобное при осмотре дефектоскопистами деталей, что может при-

вести к нарушению условий охраны труда, а именно, к прямому попаданию УФ-излучения в глаза

человека. Данное условие, даже при наличии защитных очков, может быть мешающим фактором

при осмотре и привести к пропуску дефекта.

От рабочего расстояния также зависит еще одна важная величина, необходимая для дефекто-

скописта при контроле — это диаметр пятна (D). В некоторых паспортах указывается размер диа-

метра пятна, но без учета действующих требований по облученности, установленных в действую-

щих стандартах. Для этого был определен диаметр пятна, при котором обеспечиваются требова-

ния, установленные ГОСТ 18442 и ISO 3059 для различных типов УФ-источников. Назовем его

«рабочим диаметром пятна». Определение данного экспериментального параметра проводилось

по результатам оценки размеров облучаемых ультрафиолетовых полей на плоскости, с последую-

щим построением распределения УФ-облученности. Примеры результатов построения распреде-

лений при установленном значении УФ-облученности

3000 мкВт/см² в центре фокусного пятна

показаны на рис. 5 для ртутной и для светодиодных ламп.

3100

2780

2460

2140

1820

1500

Рис. 5. Примеры полученных распределений УФ-облученности ртутной Magnaflux ZB100F (а) и светодиодных Labino

Torch Light UVG 2 Floodlight (б), УФС-12 Black Light УФ-ламп (в).

Из распределений получены экспериментальные усредненные значения рабочего диаметра

пятна, в пределах которого величина интенсивности ультрафиолетового излучения менялась

от 2000 до 3000 мкВт/см² в соответствии с требованиями ГОСТ 18442. Аналогичным образом

получены данные диаметра пятна, в пределах которого величина интенсивности ультрафиоле-

тового излучения менялась от 1000 до 5000 мкВт/см² в соответствии с требованиями ISO 3059.

Результаты показаны в табл. 3

Для ртутной лампы КД-33Л не удалось корректно определить размер диаметра пятна, так как

фокусное пятно было ассиметрично, с трудно определяемыми границами и смещено относительно

геометрического центра источника (рис. 6).

Все типы ультрафиолетовых ламп генерируют помимо ультрафиолетового излучения

небольшое количество света в видимом спектральном диапазоне. Практически все УФ-источники,

используемые для неразрушающего контроля, имеют соответствующие светофильтры, вну-

тренние или внешние по отношению к источнику света, для того чтобы свести к минимуму

Дефектоскопия

№ 1

2022

И.И. Кудинов, А.Н. Головков, П.А. Шишкин и др.

Таблица

Значения рабочего диаметра пятна, в пределах которого величина интенсивности ультрафиолетового

излучения соответствует требованиям ГОСТ 18442 и ISO 3059

Рабочий диаметр пятна, мм

Диапазон

Элитест

УФ-облученности,

Labino

УФС-12 Black Light

мкВт/см²

Magnaflux ZB100F

Torsh Light UVG 2

Floodlight

Режим min

Режим max

облученности

D_{(1000—5000)}

170

107

150

403

D_{(2000—3000)}

275

Рис. 6. Вид фокусного пятна от УФ-облучателя КД-33Л.

выход видимого света, который является мешающим фактором в процессе люминесцентного

контроля, по возможности с минимальной потерей полезной энергии излучения. Эти фильтры

также блокируют вредное излучение (излучение с длиной волны менее 320 нм). В соответствии

с требованиями ГОСТ 18442 и ISO 3059, при осмотре контролируемой поверхности с исполь-

зованием УФ-облучателей доля видимого света на исследуемом участке не должна превышать

30 и 20 лк соответственно. Так как величина интенсивности как от ультрафиолетового, так и от

видимого света регулируется различными нормативными документами при осмотре на контро-

лируемой поверхности, она также должна быть установлена для каждой лампы в разрешенном

диапазоне УФ-облучения. С увеличением облученности доля видимой составляющей в спектре

линейно возрастает. В литературных источниках и в паспорте на УФ-лампы данная информация

(для всего разрешенного диапазона интенсивности) в соответствии с требованиями НД отсут-

ствует.

С этой целью была определена доля видимого света для всех рассматриваемых типов источ-

ников в зависимости от величины облученности, создаваемой УФ-лампами. Измерения величи-

ны освещенности видимой части спектра (I) различных УФ-облучателей проводились при раз-

личной энергетической освещенности от 1000 до 6000 мкВт/см² с использованием аттестован-

ного люксметра.

Современные люксметры обеспечивают надлежащий диапазон чувствительности только для

определенных длин волн, имеют неравномерный по чувствительности диапазон измерений

освещенности от 380/400 до 760 нм с максимальной чувствительностью к излучению с длиной

волны 555 нм и с минимальной по границах видимого диапазона. Проводя измерения люксме-

тром доли видимого излучения при высокой интенсивности УФ-излучения, авторы понимают,

Дефектоскопия

№ 1

2022

Оценка эффективности использования источников ультрафиолетового излучения...

что проводят измерения с минимальной чувствительностью и получают минимально возможные

определяемые значения с низкой точностью измерения соответственно. Для качественного срав-

нения различных УФ-облучателей на наличие электромагнитного излучения в области видимого

света в большей или меньшей степени полученных экспериментальных данных достаточно и

очень наглядно при выборе источников. Результаты измерений показаны на рис. 7 и в табл. 4 в

виде линейных экспериментальных зависимостей освещенности видимого света от ультрафио-

летовой облученности I(E) для всех типов рассматриваемых УФ-облучателей.

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000 10 000 11 000 12 000

E, мкВт/см²

Рис. 7. Вид полученной линейной экспериментальной зависимости I(r).

Таблица

Доля видимой части света от УФ-облучателей при интенсивности освещения, установленной согласно

требованиям ГОСТ 18442 и ISO 3059

Доля видимого

Наименование

I_{(2000—3000 мкВт/см}2

, лк

I_{(1000—5000 мкВт/см}2

, лк

I(r)

излучения в

УФ-источника

)

УФ-спектре, %

ATG

8,4—12,6

4,2—21,0

I = 0,0042 ∙ r

28,3

UV 400 DF

Labino

Torsh Light UVG 2

6,4—9,6

3,2—16,0

I = 0,0032 ∙ r

10,5

Floodlight

Элитест

УФС-12

6,2—9,3

3,1—15,5

I = 0,0031 ∙ r

3,7

Black Light

КД-33Л

5,4—8,1

2,7—13,5

I = 0,0027 ∙ r

12,1

Magnaflux

5,2—7,8

2,6—13,0

I = 0,0026 ∙ r

1,3

ZB100F

В табл. 4 из спектральных характеристик ламп получены более точные значения в процентах

доли видимого излучения в эмиссионном спектре УФ-источника, а именно как отношение пло-

щади излучаемого спектра в диапазона УФ-А-источника к площади излучения в видимом диа-

пазоне.

Дефектоскопия

№ 1

2022

И.И. Кудинов, А.Н. Головков, П.А. Шишкин и др.

Из рис. 7 и табл. 4 видно, что наибольшее количество энергии в видимой области спектра

при заданной облученности излучается УФ-лампой ATG UV 400 DF, а наименьшее количество

излучается УФ-лампой Magnaflux ZB100F и Элитест УФС-12. Стоит отметить, что рабочий диа-

пазон УФ-облученности (20 лк) для УФ-лампы ATG UV 400 DF содержит долю видимой части

света, превышающую 20 лк.

Качественная оценка результатов люминесцентного контроля

Для оценки полученных выше энергетических и спектральных характеристик источников

УФ-облучения проведены экспериментальные исследования по обнаружению производствен-

ных и эксплуатационных дефектов на этапе осмотра результатов люминесцентного контроля

поверхностей образцов и деталей с использованием набора дефектоскопических материалов

ЛЮМ 1 — ОВ.

Для данных исследований были подобраны образцы [25, 26] и детали с различными конструк-

тивными особенностями и типами дефектов на их поверхности, такие как:

№ 1 — плоский образец с эксплуатационными дефектами типа трещина малоцикловой уста-

лости (МЦУ);

№ 2 — плоский образец с производственными дефектами типа неметаллическое включение и

пора;

№ 3 — образец сварного шва, полученный с использованием АрДЭС, с производственными

дефектами типа горячая трещина и пора;

№ 4 — лопатка ГТД с эксплуатационной трещиной в замковой части;

№ 5 — проушина с окружной трещиной в отверстии;

№ 6 — образец с отверстием диаметром 6,5 мм с трещиной МЦУ на внутренней поверхности;

№ 7 — образец с отверстием диаметром 11,0 мм, содержащим трещину МЦУ на внутренней

поверхности.

При выполнении работ использовалось оборудование, в том числе ЦКП «Климатические

испытания» НИЦ «Курчатовский институт» — ВИАМ». Контроль образцов и деталей прово-

дился по технологическим режимам, приведенным в ОСТ 1 90282. Результаты контроля оце-

нивали различные дефектоскописты в соответствии с требованиями по освещенности

ГОСТ 18422 для наборов по 1-му классу чувствительности с использованием различных пере-

движных и переносных УФ-облучателей. Результаты регистрировали с использованием фото-

регистрирующего устройства при фиксированном угле съемки относительно оси ультрафиоле-

тового потока с интенсивностью излучения в местах расположения дефекта на поверхности

образца около 3000 мкВт/см². Баланс цветопередачи, при фиксации результатов капиллярного

люминесцентного контроля с использованием различных источников, не изменялся. Результаты

контроля показаны в табл.

5. Дефекты, обнаруженные дефектоскопистами, обведены

пунктиром.

Анализ полученных результатов показал:

при осмотре поверхностей образцов № 2 и № 3 и деталей в УФ-свете с использованием

всех ртутных и светодиодных ультрафиолетовых источников производственные дефекты обна-

ружены в полном объеме.

при осмотре поверхностей образцов и деталей в УФ-свете с использованием светодиодных

источников трещины МЦУ различного размера (длиной от 0,5 мм) выявлены в полном объ-

еме. А при осмотре с использованием ртутных газоразрядных ламп поверхностей плоских

образцов № 1 и внутри отверстия № 7 не обнаружены трещины МЦУ длиной от 0,5 до 2,0 мм.

Дефектоскопистами было отмечено что:

при использовании лампы КД-33Л зафиксирован неравномерный фиолетовый фон, кото-

рый приводил к затруднению при расшифровке и регистрации дефектов;

при использовании светодиодных ламп Элитест и Labino индикации от всех дефектов были

более яркие и контрастные при наличии незначительного равномерного темно синего фона,

который дефектоскописты посчитали за благоприятный и удобный фактор;

при использовании лампы Magnaflux на исследуемой бездефектной поверхности регистри-

руется самый темный «бархатный» фон;

при использовании лампы Labino для обеспечения требуемой освещенности, дефектоскопи-

стам было неудобно держать данный источник на расстоянии ≈ 925 мм до ОК, чтобы обеспечить

заданную освещенность.

Дефектоскопия

№ 1

2022

И.И. Кудинов, А.Н. Головков, П.А. Шишкин и др.

Окончание табл. 5

УФ-облучатели

Объект

Labino

контроля

Элитест

Magnaflux

КД-33Л

Torch Light UVG 2

УФС-12 Black Light

ZB100F

Floodlight

№ 6

№ 7

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Анализируя полученные экспериментальные результаты контроля, а также энергетические и

спектральные характеристики, можно установить, что все источники обеспечивают выявление

дефектов с шириной раскрытия 1 мк, но наихудшие результаты, как и следовало ожидать, полу-

чены при наличии значительной доли видимой части спектра в УФ-излучении лампы КД-33Л,

сформированной, в том числе, в отдельном характерном эмиссионном пике.

Обеспечить оптимальное расстояние, при котором электромагнитное излучение напрямую не

будет попадать в глаза контролера (для переносных и передвижных от 30 до 40 мм, а для стацио-

нарных от 40 до 50 мм) при осмотре в УФ-свете деталей, возможно не для всех УФ-облучателей с

обеспечением требований по освещенности, установленной стандартами ГОСТ 18442 и ISO 3059,

а именно Labino Torсh Light UVG 2 Floodlight и ATG UV 400 DF.

Наличие незначительного количества доли видимого излучения в спектре УФ светодиодных

ламп приводит к формированию темно-синего равномерного «бархатного» фона, что благоприят-

но сказывается на обнаружении дефектов, имеющих маленькую протяженность.

Наличие регулировки интенсивности УФ-излучения в облучателе Элитест УФС12 Black Light

позволяет значительно увеличить диапазон рабочих расстояний, одновременно обеспечивая тре-

бования как отечественных, так и зарубежных стандартов.

Рабочие диаметры пятна всех УФ-источников обеспечивают контроль оптимального размера

участка. Наибольший размер данного параметра получен с использованием лампы

УФС12 Black Light, что является важной характеристикой, влияющей на производительность

контроля.

ВЫВОДЫ

Показан новый подход оценки современных ультрафиолетовых источников излучения, исполь-

зуемых при проведении люминесцентного капиллярного контроля на этапе осмотра исследуемых

поверхностей в УФ-свете на наличие дефектов с учетом установленных требований зарубежными

и отечественными стандартами.

Установлено, что для сравнения различных УФ-облучателей их характеристик, указанных в

технической документации (паспортах или руководствах по эксплуатации) для определения

эффективности их использования с точки зрения выявляемости дефектов, для дефектоскопистов

недостаточно.

Для оценки эффективности использования современных источников УФ-излучения в соот-

ветствии с требованиям по ультрафиолетовой облученности, установленными в нормативно-

Дефектоскопия

№ 1

2022

Оценка эффективности использования источников ультрафиолетового излучения...

технических документах, необходимо проведение дополнительных экспериментальных изме-

рений, таких как:

энергетические и спектральные характеристики источников УФ-облучения (форма спектраль-

ной кривой от 320 до 410 нм, ширина спектра на полувысоте, доля видимого излучения

в УФ-спектре, наличие дополнительных характерных пиков и др.);

граничные условия осмотра — диапазон рабочих расстояний (R) и рабочий диаметр пятна (D);

зависимости энергетической освещенности ультрафиолетового излучения от расстояния E(r) в

оптимальном диапазоне от 500 до 6000 мкВт/см²;

зависимости освещенности видимой света от ультрафиолетовой облученности I(E) в опти-

мальном диапазоне от 500 до 6000 мкВт/см².

Установлено, что светодиодные УФ-лампы со светофильтром и регулировкой интенсивности

излучения обеспечивают наилучшие условия контроля и обнаружения дефектов.

Полученные результаты могут быть полезны не только для дефектоскопистов, но и для произ-

водителей УФ-источников, применяемых при капиллярном контроле, которые могут их учитывать

в паспортных данных или руководствах по эксплуатации как характеристики, показывающие их

конкурентное преимущество.

Данный подход позволит сформировать для дефектоскопистов недостающие характеристики

по всем используемым источникам УФ-облучения, необходимые для оптимального выбора

УФ-ламп и обеспечения максимальной чувствительности обнаружения дефектов при осмотре в

УФ-свете с учетом требований нормативных документов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегиче-

ских направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиа-

ционные материалы и технологии. 2015. № 1. С. 3—33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33

2. Каблов Е.Н., Шевченко Ю.Н., Кожевников А.Н. Отраслевые стандарты — основа качества авиа-

ционной техники // Сталь. 2008. № 8. С. 121—122.

3. DOT/FAA/AR-01/95 Study of the Factors Affecting the Sensitivity of Liquid Penetrant Inspections:

Review of Literature Published from 1970 to 1998. January 2002. 51 p.

4. Скоробогатько Д.С., Головков А.Н., Кудинов И.И., Куличкова С.И. К вопросу подготовки по-

верхности в процессе капиллярного контроля деталей авиационной техники (обзор)» //Авиационные

материалы и технологии: электрон. науч.-технич. журн. 2021. № 4. Ст. 11. URL: http://www.journal.

viam.ru (дата обращения 24.12.2021) DOI: 10.18577/2713-0193-2021-0-4-98-106

5. Кудинов И.И., Головков А.Н, Куличкова С.И., Скоробогатько Д.С. Оценка эффективности при-

менения различных способов интенсификации процесса капиллярного контроля с применением

отечественного набора дефектоскопических материалов // Дефектоскопия. 2019. № 11 С. 59—66.

DOI: 10.1134/S0130308219110071

6. Ospennikova O.G., Kudinov I.I., Golovkov A.N., Kulichkova S.I., Skorobogatko D.S. Research

of Defectoscopic Properties of Powder Compositions for Increasing Efficiency and Reliability of Penetrant

Testing of Complex Shaped Parts // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2020. V. 56. No. 3.

P. 291—297. DOI: 10.1134/S1061830920030079

7. Карякин А.В., Боровиков А.С. Люминесцентная и цветная дефектоскопия М.: Машиностроение,

1972. 239 с.

8. Gram B. Mechanisms Contributing to Fluorescence and Visibility of Penetrants / Proceedings of the

Fifth International Conference on Nondestructive Testing. May 1967. P. 225—233.

9. Глазков Ю.А. Оценка качества материалов для капиллярной дефектоскопии по видимости инди-

каторных рисунков дефектов // Дефектоскопия. 2012. № 4. С. 17—29

10. Alburger J.R. Dimensional Transition Effects in Visible Color and Fluorescent Dye Liquids /

Proceedings, 23rd Annual Conference, Instrument Society of America. V. 23. Part I. P. 564.

11. Alburger J.R. Signal-to-Noise Ratio in the Inspection Penetrant Process // Materials Evaluation. 1974.

September. P. 193—200.

12. Alburger J.R. Fluorescent Brightness Measurement // Materials Evaluation. 1966. November. No. 11.

V. 24. P. 624—630.

13. Holmgren V., Sebring P., Robinson S. Measuring Fluorescent Brightness.Then and Now. ASNT Fall

Conference and Quality Testing Show Paper Summaries, Pittsburgh, Pennsylvania, October, 1997. P. 120—122.

14. Sebring P. Fluorescent Spectrophotometers for Measuring Penetrant Brightness / presented at the

ASNT Fall Conference and Quality Testing Show Paper Summaries, Pittsburgh, Pennsylvania, October, 1997.

15. Калиниченко А.Н., Соснин Э.А., Авдеев С.М., Калиниченко Н.П., Истомин К.А. Особенности

применения эксиламп в люминесцентном методе капиллярного контроля // Дефектоскопия. 2017. № 11.

С. 51—56.

Дефектоскопия

№ 1

2022

И.И. Кудинов, А.Н. Головков, П.А. Шишкин и др.

16. Lee John, Piotrowski David, Loggins Brad, Talbott Scott. Delta TechOps Investigation of High Intensity

UV Lights on FPI and MPI, 2014, September 24.

17. Чертищев В.Ю. Оценка вероятности обнаружения дефектов акустическими методами в зависи-

мости от их размера в конструкциях из ПКМ для выходных данных контроля в виде бинарных величин

// Авиационные материалы и технологии. 2018. № 3. С. 65—79. DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-3-65-79

18. Каблов Е.Н., Оспенникова О.Г., Кудинов И.И., Головков А.Н., Генералов А.С., Князев А.В. Оценка

вероятности выявления эксплуатационных дефектов в деталях авиационной техники из жаропрочных

сплавов с использованием дефектоскопических жидкостей отечественного и зарубежного производства

// Дефектоскопия. 2021. № 1. С. 64—71. DOI: 10.31857/S0130308221010073

19. MIL-HDBK-1823A «Nondestructive evaluation system reliability assessment» / Департамент обо-

роны США, 2009 г.

20. Rummel W.D. Probability of Detection as a Quantitative Measure of Nondestructive Testing End-To-

End Process Capabilities // Materials Evaluation. 1998. January. P. 35.

21. ГОСТ 18442—80 «Неразрушающий контроль. Капиллярные методы». Издательство стандартов.

1987. 24 с.

22. ISO 3059:2001 Non-destructive testing — Penetrant testing and magnetic particle testing — Viewing

condition. 2011. 12 р.

23. Демин В.В., Половцев И.Г. Фотометрия и ее применения. Томск: Издательский дом Томского

государственного университета, 2017. 344 с.

24. What-is-ASTM-E3022-18-and-why-do-we-need-it https://www.google.com/url?sa=t&source=web&r

ct=j&url=https://labino.com/wp-content/uploads/2020/05/What-is-ASTM-E3022-18-and-why-do-we-need-it.

pdf&ved=2ahUKEwiIlNug4fv0AhVeSPEDHa6bDnQQFnoECAkQAQ&usg=AOvVaw2rX9ZQRRdnbTdRC

7WWSU0n (дата обращения 10.12.2021).

25. Головков А.Н., Куличкова С.И., Кудинов И.И., Скоробогатько Д.С. Анализ существующих кон-

трольных образцов для проверки чувствительности дефектоскопических материалов при проведении

капиллярного неразрушающего контроля (обзор) // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2019.

№ 11. Ст. 95. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения 01.11.2021). DOI: 10.18577/2307-6046-

2019-0-11-95-103

26. Луценко А.Н., Перов Н.С., Чабина Е.Б. Новые этапы развития Испытательного центра // Авиа-

ционные материалы и технологии. 2017. № S. С. 460—468. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-460-468

Дефектоскопия

№ 1

2022