Ультразвуковая дефектоскопия

       Содержание

    Введение…………………………………………………………………….3

    1 Эхо-метод. Аппаратура…………………………………………………..5                    

    1.1 Принцип действия эхо-импульсной дефектоскопии………………….5

    1.2 Импульсный ультразвуковой дефектоскоп……………………………8

    1.3 Преобразователи для контроля эхо-методом…………………………11

    2 Помехи эхо-метода и способы борьбы с ними………………………...13

    3 Характеристика эхо-метода, их оптимизация и проверка…………….17

       Заключение…………………………………………………………………..19

    Список  использованных источников……………………………………...20 

 

Введение

    Двадцать  первый век - век био- и нанотехнологий, всеобщей информатизации, электроники  и ультразвука.

    Одним из действенных резервов повышения  качества и надежности продукции  разных отраслей промышленности является неразрушающий контроль.

    В наши дни ультразвуковой контроль нашел широкое применение в практике дефектоскопии изделий. Ультразвуковой контроль занимает главенствующее положение, около 32% от объема неразрушающего контроля всех изделий.

      Начало использования ультразвукового  контроля в промышленности относится примерно к 50-м годам прошлого века. Как область науки и техники ультразвук получил особенно бурное развитие в последние три-четыре десятилетия. Это связано с общим прогрессом акустики как науки и, в частности, со становлением и развитием таких её разделов, как нелинейная акустика и квантовая акустика, а также с развитием физики твёрдого тела, электроники и в особенности с рождением квантовой электроники.

    По  сравнению с другими методами неразрушающего контроля она обладает важными преимуществами: высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин и непроваров, большой производительностью, возможностью вести контроль непосредственно на рабочих местах без нарушения технологического процесса, низкой стоимостью контроля.

    Ультразвуковые методы контроля позволяют получить информацию о дефектах, расположенных на значительной глубине в различных материалах, изделиях и сварных соединениях. Автоматизация ультразвукового контроля не только повышает производительность труда, но и позволяет получить объективную картину качества изделия или сварного соединения, подобную рентгенограмме.

    Около 90 % объектов, контролируемых акустическими  методами, проверяют эхо-методом. Применяя различные типы волн, с его помощью  решают задачи дефектоскопии поковок, отливок, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для измерения размеров изделий. Измеряют время прихода донного сигнала и, зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия известна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по ним определяют физико-механические свойства материалов.

    Чувствительность  эхо-метода высокая: она достигает 0,5 мм² на глубине 100 мм. К преимуществам данного метода следует также отнести возможность одностороннего доступа к зоне шва, поскольку достаточно только одного преобразователя и дли излучения и для приема УЗ-сигналов. Недостатки эхо-метода - это сравнительно низкая помехоустойчивость и резкое изменение амплитуды отраженного сигнала от ориентации дефекта (yглa  между УЗ-лучом и плоскостью отражателя). 
 
 
 
 
 
 

1 Эхо-метод. Аппаратура

1.1 Принцип действия  эхо-импульсной дефектоскопии

    Эхо-метод  является наиболее распространенным в  ультразвуковой дефектоскопии, используемым для контроля металлов и металлоизделий, в том числе крупногабаритных и сложных форм. Этот метод – в отличие от других – применим при одностороннем доступе к исследуемому объекту, контактным или иммерсионным способом, и при этом позволяет определить размеры дефекта, его координаты, характер. [6]

     Эхо-метод основан на посылке  в контролируемое изделие коротких импульсов УЗК и регистрация интенсивности и времени прихода сигналов, отраженных от дефектов или границ изделия (рисунок 1). 

     
Рисунок 1 - Схема прозвучивания изделия эхо-методом продольными УЗК:

    а – в – положения преобразователя  при контроле изделия;                            а’ – в’ - соответствующие им осциллограммы; 1 – контролируемое изделие;   2 – преобразователь; 3 – дефект; 4 – начальный сигнал; 5 – донный сигнал;    6 – сигнал от дефекта. 

    УЗК вводят в изделие 1, как правило, с одной стороны совмещенным преобразователем 2. Излучаемые импульсы УЗК называют зондирующими. Их посылают в контролируемое изделие один за другим через определенные промежутки времени — паузы или интервалы. Периодом импульсов Т называют время, прошедшее от начала действия одного импульса до начала действия следующего. Период равен сумме длительностей импульса τ  и паузы t: 

    T = τ + t                                                                                                        (1) 

    Зондирующий импульс УЗК, пройдя через металл, отражается от противоположной поверхности  изделия и, возвращаясь, частично попадает на преобразователь (рисунок 1 а). На экране ЭЛТ возникает донный (концевой) сигнал 5. При наличии дефекта 3 импульс УЗК   отразится от него раньше, чем от противоположной поверхности детали (рисунок 1 б). Между начальным 4 и донным 5 сигналами возникает промежуточный сигнал 6. Если дефект полностью перекрывает путь ультразвуковому пучку, то на экране ЭЛТ наблюдается только начальный сигнал и сигнал от дефекта (рисунок 1 в).

    Рассмотрим  на рисунке 2 схему прозвучивания изделий эхо-методом по совмещенной схеме поверхностными, нормальными и сдвиговыми УЗК. Осциллограммы прозвучивания поверхностными и нормальными волнами (рисунок 2 а, б) аналогичны осциллограммам, показанным на рисунке 1. Осциллограммы прозвучивания изделия сдвиговыми УЗК (рисунок 2 в) отличаются от рассмотренных. При отсутствии дефектов сдвиговые волны, многократно отражаясь от противоположных поверхностей изделия, уходят и не попадают на преобразователь. На экране ЭЛТ наблюдается осциллограмма, состоящая из начального сигнала 4 и линия развертки (рисунок 2 г). Дефект прерывает ход лучей и отражает часть энергии; на экране возникает второй сигнал 5 (рисунок 2 в).  
 

      
Рисунок 2. Схема прозвучивания изделий поверхностными (а), нормальными (б) и сдвиговыми (в) волнами и осциллограммы прозвучивания изделия сдвиговыми УЗК при отсутствии (г) и наличии дефектов (д). 

    Так как время прохождения УЗК  прямо пропорционально пройденному пути, а скорость их для данного материала есть величина постоянная, то горизонтальная линия на экране ЭЛТ представляет собой глубину залегания дефекта в каком-то масштабе. Следовательно, на экране ЭЛТ строят график, по горизонтальной оси которого откладывают время, пропорциональное глубине залегания дефекта, а по вертикальной – интенсивность отраженного от дефекта сигнала, зависящую от его размеров и ориентировки относительно лучей пучка УЗК. [2]

 

1.2 Импульсный ультразвуковой дефектоскоп

     Контроль эхо-метода выполняют с помощью  импульсного ультразвукового дефектоскопа. Рассмотрим общий принцип действия данного прибора. Рассмотрим структурную схему дефектоскопа общего назначения для ручного контроля (рисунок 3). 
 
 
 
 

Рисунок 3. Структурная схема импульсного дефектоскопа:

    Ι- зондирующий импульс; ΙΙ - донный сигнал; ΙΙΙ - эхосигнал от дефекта 

    Генератор зондирующих импульсов 7 вырабатывает импульс электрического напряжения, возбуждающий ультразвуковые колебания в электроакустическом преобразователе (ЭАП) 3. Отраженные от дефекта ультразвуковые сигналы принимаются тем же ЭАП, трансформируются в электрические импульсы и поступают на вход усилителя 1. Коэффициент усиления его регулируется во времени с помощью системы временной регулировки чувствительности (ВРЧ) 4. Усиленный до требуемой величины сигнал поступает на индикатор 6 – электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и на автоматический сигнализатор дефектов (АСД)2.

    Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех узлов дефектоскопа. Одновременно с запуском генератора импульсов (или с некоторой заданной задержкой) он приводит в действие генератор развертки 9 ЭЛТ. Развертка позволяет различать по времени прихода сигналы от объектов отражения ультразвука, расположенных на разном расстоянии от данного сигнала. Синхронизатор также управляет работой блоков ВРЧ и АСД.

    Современные дефектоскопы снабжены устройствами для измерения амплитуды и времени прихода отраженного сигнала. Измерительное устройство 5 обрабатывает сигналы , поступившие от усилителя, с учетом времени поступления сигнала от синхронизатора и выдает цифровую информацию на ЭЛТ или на отдельное табло.

    Автоматизированные ультразвуковые дефектоскопические установки отличаются тем, что содержат узлы перемещения ЭАП и регистрации результатов. Как правило, установки предназначены для контроля определенного типа объектов. В них часто используют несколько ЭАП, работающих в зависимости от задач контроля одновременно, последовательно или отдельными группами. В этом случае синхронизатор управляет работой электронного коммутатора, обеспечивающего выбранную последовательность включения отдельных электронно-акустических каналов. Каждый из этих каналов содержит перечисленные выше узлы, которые варьируют в зависимости от технических характеристик аппаратуры. [1]

    Процессы  генерирования, преобразования, приема и измерения амплитуды ультразвуковых колебаний происходят в трех трактах дефектоскопа: электроакустическом, электрическом и акустическом.

    Электроакустическим трактом называют участок схемы  дефектоскопа, где происходит преобразование электрических колебаний в ультразвуковые и обратно. Электроакустический тракт определяет резонансную частоту ультразвуковых колебаний, длительность зондирующего импульса и коэффициент преобразования электрической энергии в акустическую.

    В электрический тракт дефектоскопа входят генератор зондирующих импульсов  и усилитель. Он определяет амплитуду зондирующего импульса и коэффициент усиления.

    Акустическим  трактом называют путь ультразвука  от излучателя до отражателя в материале  и от отражателя до приемника. Анализ акустического тракта сводится к  расчету волновых полей излучателя, отражателя и приемника.

    Акустическое  поле излучения преобразователя  определяется давлением, которое создается  преобразователем и действует на элементарный приемник, помещенный в  произвольной точке пространства перед  преобразователем. [5] 

 

1.3 Преобразователи  для контроля эхо-методом

    Достоверность ультразвуковой дефектоскопии во многом зависит от надежной работы преобразователя — одного из главных элементов в системе неразрушающего контроля этого вида. Для эхо-метода используются - совмещенные преобразователи, которые соединяются одновременно с генератором и усилителем прибора и служат как для излучения, так и приема ультразвука. [7]

    Прямые  преобразователи (Рисунок  4) предназначены для возбуждения и приема продольных волн под прямым углом к поверхности изделия, находящейся в контакте с преобразователем. Они в основном используются для обнаружения глубинных дефектов в изделиях простой геометрической формы, имеющие плоские участки для установления преобразователя.

      
 
 
 

    Рисунок 4. Схема прямого преобразователя:

    1 – защитное донышко, 2 – пьезоэлемент, 3 – заполнитель, 4 – корпус,    5 – демпфер, 6 – диск, 7, 9 – провода, 8 – разъем.

    Наклонным преобразователем (Рисунок 5) предназначены для обнаружения глубинных, подповерхностных и поверхностных дефектов. Они осуществляют возбуждение и одновременный наклонный ввод волн других типов. Это обеспечивается благодаря тому, что в отличие от прямого наклонный преобразователь имеет призму (линию задержки), на которую под определенным углом приклеивают пьезоэлемент. Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляются, трансформируются и частично отражаются в призму. [4]