«>Неразрушающий контроль.Акустическая дефектоскопія»
Санкт-Петербург 2011 р
Зміст
Запровадження
Глава 1. Явище ультразвуку
1.1 Фізичні властивості й особливо поширення ультразвуку
1.2 Генерація ультразвуку
1.3 Прийом і виявлення ультразвуку
1.4 Застосування ультразвуку
Глава 2. Апаратура контролю
2.1 Склад апаратури
2.2Ультразвуковиедефектоскопи
2.3Импульсние ультразвуковідефектоскопи
2.4УЗД з безперервним випромінюванням
Глава 3. Методи акустичного контролю
3.1 Активні методи
3.2 Пасивні методи
3.3 Області застосування методів
Література
Запровадження
Під час проведення моніторингу технічного стану складних систем і агрегатів однією з найбільш актуальних є завдання об'єктивного своєчасного виявлення дефектів різної природи й організація контролю над розвитком дефектів через старіння елементів при експлуатації. Однією з шляхів запобігання небажаним наслідкам від експлуатації виробів з дефектами єсистематичное використання методів неруйнуючого контролю. Застосування кожного з методів у кожному конкретному випадку характеризується ймовірністю виявлення дефектів. На ймовірність виявлення дефектів впливають чутливість методу, і навіть умови проведення процедури контролю. Визначення ймовірності виявлення дефектів є дуже складним завданням, котра ще більш ускладнюється, для підвищення достовірності визначення дефектів доводиться комбінувати методи контролю. Комбінування методів передбачає як використання кількох методів, а й чергування в певної послідовності (технології). Разом про те, вартість застосування методу контролю чи його сукупності мусить бути наскільки можна нижче. Отже, вибір стратегії застосування методів контролю полягає в прагненні, з одного боку, підвищити ймовірність виявлення дефектів і, з іншого боку, знизити різні техніко-економічні видатки проведення контролю.
>Дефектоскопия — узагальнююче названеразрушающих методів контролю матеріалів (виробів); використовується щоб виявити порушеньсплошности чи однорідності макроструктури, відхилень хімічного складу та інших цілей. Найпоширеніші ультразвукова,рентгено- ігамма-дефектоскопия, ІК, люмінесцентна, капілярна, магнітна,термо- ітрибоелектрическая дефектоскопія.
Основними областями застосування ультразвуку в приладобудуванні є ультразвукова обробка, ультразвукова дефектоскопія і оптико-акустична інформатика. Ультразвукове обробка є сукупність способів обробки виробів із металів, напівпровідників, кераміки та інших матеріалів з допомогою енергії ультразвукових коливань (>УЗК). У виробництві виробів електронної техніки ультразвукова обробка часто застосовується у поєднанні іншими методами обробки для інтенсифікації реалізованих процесів: очищення, зварювання, пайки, лудіння деталей, хімічного і електрохімічного травлення і осадження металів, сушіння, просоченняпористо-капиллярних матеріалів (наприклад, секцій електролітичних конденсаторів).
Ультразвукове дефектоскопія, група методів дефектоскопії, у яких використовують проникаючу здатність пружних хвиль ультразвукового діапазону частот (іноді звукового). Ультразвукове дефектоскопія одне з найбільш універсальних способів неруйнуючого контролю, методи якого дозволяють виявляти поверхневі і глибинні дефекти тріщини, раковини, розшарування в металевих і неметалічних матеріалах (зокрема зварних іпаяних швах,клеених багатошарових конструкціях), визначати зони корозії металів, вимірювати товщину (резонансний метод).
Ультразвукове дефектоскопія – це комплекс методів неруйнуючого контролю, заснованих на виключно застосуванні пружних хвиль ультразвукового діапазону.
Глава 1. Явище ультразвуку
Ультразвук — пружні вагання і хвилі з частотами приблизно від 1,5—2104 гц (15—20кГц) і по 109 гц (1 ГГц), область частот ультразвуку від 109 до1012-13Гц прийнято називатигиперзвуком. Область частот ультразвуку можна підрозділити втричіподобласти: ультразвук низьких частот (>1,5104—105 гц) —УНЧ, ультразвук середніх частот (105—107 гц) —УСЧ і науковотехнологічна галузь високих частот ультразвуку (107—109 гц) —УЗВЧ. Кожна з цихподобластей характеризується своїми специфічними особливостями генерації, прийому, поширення застосування.
1.1 Фізичні властивості й особливо поширення ультразвуку
По фізичну природу ультразвук є пружні хвилі й у не відрізняється від звуку.Частотная межа між звуковими і ультразвуковими хвилями тому умовна; вона визначається суб'єктивними властивостями людського слуху й відповідаєусредненной верхньої кордоні чутного звуку. Проте завдяки вищим частотах і, отже, малимдлинам хвиль має місце ряд особливостей поширення ультразвуку. Так, дляУЗВЧ довжини хвиль повітря становлять3,410-3—3,410-5 див, у питній воді1,510-2—1,510-4 див й у стали510-2—510-4 див, ультразвук в гази та, зокрема, повітря поширюється з великим загасанням. Рідини ітвердие тіла (особливо монокристали) є, зазвичай, хороші провідники ультразвуку, згасання у яких значно менше. Приміром, у питній воді згасання ультразвуку за інших рівних умов приблизно 1000 разів менша, ніж у повітрі. Тому галузі використанняУСЧ іУЗВЧ ставляться майже до рідинам і твердим тілах, а повітрі й садити газах застосовують лишеУНЧ. Через малої довжини хвилі ультразвуку на характері розповсюдження даного вірусу позначається молекулярна структура середовища, тому, вимірюючи швидкість ультразвуку сек. і коефіцієнт поглинання a, можна будувати висновки про молекулярних властивості речовини. Цими питаннями займається молекулярна акустика. Характерна риса поширення ультразвуку в гази та рідинах — існування чітко виражених областей дисперсії,сопровождающейся різким зростанням його поглинання. Коефіцієнт поглинання ультразвуку у низці рідин істотно перевершує розрахований за класичної теорії та не виявляє пророкованого цієї теорією збільшення, пропорційного квадрату частоти. Всі ці ефекти знаходять пояснення врелаксационной теорії, що описує поширення ультразвуку у різноманітних середовищах і є теоретичної базою сучасної молекулярної акустики, а основний експериментальний метод — вимір залежності сек. і особливо, як від частоти і зовнішніх умов (температури, тиску та інших.).
Сукупність ущільнень іразряжений, що супроводжує поширення ультразвукової хвилі, є своєрідну грати,дифракцию світлових хвиль де можна поспостерігати на оптично прозорих тілах. Мала довжина ультразвукових хвиль є підвалинами здобуття права вивчати поширення деяких випадках методами геометричній акустики. Фізично усе веде до променевої картині поширення. Звідси випливають такі властивості ультразвуку, як геометричного відблиски і заломлення, і навіть фокусування звуку.
Наступна важливо ультразвуку, — можливість отримання великий інтенсивності навіть за порівняно невеликих амплітудах коливань, бо за даної амплітудою щільність потоку енергії пропорційна квадрату частоти.Ультразвуковие хвилі великий інтенсивності супроводжуються поруч ефектів, які можна описані лише законами нелінійної акустики. Так, поширенню ультразвукових хвиль в гази та в рідинах супроводжує рух середовища, яку називають акустичним течією. Швидкість акустичного течії залежить від в'язкості середовища, інтенсивності ультразвуку та її частоти; власне кажучи, вона мала і як частки % від швидкості ультразвуку.
1.2 Генерація ультразвуку
Для генерування ультразвукових коливань застосовують різноманітні устрою, які можна розбиті на дві основні групи — механічні, у яких джерелом ультразвуку є механічна енергія потоку газу чи рідини, і електромеханічні, у яких ультразвукова енергія виходить перетворенням електричної.Механические випромінювачі ультразвуку — повітряні і рідинні свистки і сирени — відрізняються порівняльної простотою пристрої і експлуатації, не вимагають дорогої електричної енергії високої частоти, ККД яких становить 10—20%. Основна хиба всіх механічних ультразвукових випромінювачів — порівняно широкий, спектр випромінюваних частот й соціальна нестабільність частоти і амплітуди, яка дозволяє їх використати для контрольно-вимірювальних цілей; їх головним чином промислової ультразвукової технологій і частково — як засобу сигналізації.
Основний метод випромінювання ультразвуку — перетворення тим чи іншим способом електричних коливань в коливання механічні. У діапазоніУНЧ можливо застосування електродинамічних і електростатичних випромінювачів. Широке використання у цьому діапазоні частот знайшли випромінювачі ультразвуку, використовуютьмагнитострикционний ефект в нікелі та низці спеціальних сплавів, й у феритах. Для випромінюванняУСЧ іУЗВЧ використовується переважно явищепьезоелектричества. Основнимипьезоелектрическими сигналами для випромінювачів ультразвуку служатьпьезокварц,ниобат літію,дигидрофосфат калію, а діапазоніУНЧ іУСЧ — переважно різніпьезокерамические матеріали.Магнитострикционние випромінювачі є сердечник стрижневою чи кільцевої форми з обмоткою, через яку протікає перемінний струм, а п'єзоелектричні — платівку чи стрижень з п'єзоелектричного матеріалу з металевими електродами, яких прикладається змінне електричну напругу. У діапазоніУНЧ широкого розповсюдження набули складовіпьезоизлучатели, у якихпьезокерамическая платівка затискається між металевими блоками. Зазвичай, збільшення амплітуди коливань і випромінюваної у середу потужності застосовуються коливаннямагнитострикционних і п'єзоелектричних елементів з їхньої власної резонансної частоті.
1.3 Прийом і виявлення ультразвуку
У результаті оборотностіпьезоеффекта він широко застосовується й для прийому ультразвуку. Вивчення ультразвукового поля може здійснюватися і оптичними методами: ультразвук, розповсюджуючись у будь-якій середовищі, викликає зміна її оптичного показника заломлення, завдяки чому може бути візуалізувати, якщо середовище прозора для світла.Смежная область акустики і оптики (>акустооптика) отримала велике розвиток, особливо після появи газових лазерів безперервного дії; розвинулися дослідження з дифракції світла на ультразвук і її різним застосуванням.
1.4 Застосування ультразвуку
>Применения ультразвуку надзвичайно різноманітні. Ультразвук служить потужним методом дослідження різних явищ у багатьох областях фізики. Приміром, ультразвукові методи застосовують у фізиці твердого тіла, і фізиці напівпровідників; виникла ціла нова галузь фізики —акусто-електроника, з урахуванням досягнень якої розробляються різні прилади в обробці сигнальною інформацією мікроелектроніці. Ультразвук грає великій ролі до вивчення речовини. Поруч із методами молекулярної акустики для рідин і газів, у сфері вивчення твердих тіл вимір швидкості сек. і коефіцієнта поглинання a йдуть на визначення модулів пружності ідиссипативних характеристик речовини. Отримала розвиток квантова акустика, вивчає взаємодія квантів пружних обурень:фанонов з електронами,магнонами та іншіквазичастицами і елементарнимивозбуждениями в твердих тілах. У. широко застосовується у техніці, і навіть ультразвукові методи дедалі більше пробираються у біологію і медицину.
Застосування ультразвуку у техніці. За даними вимірів сек. і a, у багатьох технічних завданнях здійснюється контролю над протіканням тієї чи іншої процесу (контроль концентрації суміші газів, складу різних рідин тощо.). Використовуючи явище відображення ультразвуку за українсько-словацьким кордоном різних середовищ, конструюють ультразвукові прилади для виміру розмірів виробів (наприклад, ультразвуковітолщиномери), визначення рівня рідини у великих, недоступних для прямого виміру ємностях. Ультразвук порівняно малої інтенсивності (до ~0,1вт/см2) широко використовується з метою неруйнуючого контролю виробів із твердих матеріалів (рейок, великих виливків, якісного прокату тощо. буд.). Швидкого розвитку набуває напрям дефектоскопії, отримав назву акустичної емісії, що складається у цьому, що з додатку механічного напруги до зразком (конструкції) твердого тіла він «потріскує» (аналогічно, як із вигині «потріскує» олов'яний стрижень). Це тим, що у зразку виникає рухдислокаций, які за певних умовах (остаточно ще доки з'ясованих) спричиняють (як і, як і сукупністьдислокаций ісубмикроскопических тріщин) акустичних імпульсів зі спектром, що містить частотиульразвука. З допомогою акустичної емісії вдається знайти створення й розвиток тріщини, і навіть визначити її місцезнаходження в відповідальних деталях різних конструкцій. З допомогою ультразвуку здійснюєтьсязвуковидение: перетворюючи ультразвукові коливання в електричні, що — в світлові, виявляється можливим з допомогою ультразвуку бачити ті чи інші предмети в непрозорою для світла середовищі. На частотахУЗВЧ діапазону створено ультразвукової мікроскоп — прилад, аналогічний звичайному мікроскопу, перевагу якого перед оптичним полягає й те, що з біологічних дослідженнях непотрібен попереднього фарбування предмета. Розвиток голографії призвело до певним успіхам у сфері ультразвукової голографії.
Глава 2. Апаратура контролю
2.1 Склад апаратури
До складу апаратури для акустичного неруйнуючого контролю входять: акустичний дефектоскоп з перетворювачами; стандартні зразки; допоміжні пристосування, і устрою щодо дотримання параметрів сканування й вимірювання акустичних характеристик виявлених дефектів.
При методі відображень використовують акустичнідефектоскопи, працюють у діапазоні частот 0,2...30 МГц, т. е. ультразвуковідефектоскопи.
2.2Ультразвуковиедефектоскопи
>Ультразвуковиедефектоскопи зазвичай працюють у імпульсному режимі, значно рідше — у безперервному режимі випромінювання пружних коливань. Чітка класифікація імпульсних ультразвуковихдефектоскопов визначено ГОСТ 23049—84. Залежно від області застосування ультразвуковідефектоскопи (УД) поділяють на дві групи: загального призначення — УД й окремі спеціалізовані —УДС, а залежність від функціонального призначення чотири групи (табл. 1). Умовне позначеннядефектоскопа складається з літер УД (чиУДС), номери групи і порядкового номери моделі, і навіть літери М з номером модернізації існуючих і номери виконання по опірності впливу довкілля.
Таблиця 1. Класифікація ультразвуковихдефектоскопов
ГрупаУЗД
Функціональне призначенняУЗД
Приклади позначення
1
Виявлення дефектів (пороговіУЗД)
>УД1-...
>УДС1-...
2
Виявлення дефектів вимір глибини (координат) їх залягання й стосунку амплітуд сигналів від дефектів
>УД2-...
>УДС2-...
3
Виявлення дефектів, вимір глибини (координат) їх залягання і еквівалентній площі дефектів чи умовних розмірів дефектів
>УД3-...
>УДС3-...
ГрупаУЗД
Функціональне призначенняУЗД
Приклади позначення
4
Виявлення дефектів, розпізнавання їх форм чи орієнтації, вимір глибини (координат) їх залягання і дрібних розмірів дефектів чи умовних розмірів дефектів
>УД4-...
>УДС4-...
>Дефектоскопи розробляють з розрахунку переміщення перетворювача вручну (далі ручний контроль, ручнідефектоскопи), на механізоване сканування (механізованідефектоскопи) чи механізоване сканування і автоматичну обробка та реєстрація інформації (автоматизованідефектоскопи).
У практиці неруйнуючого контролю найширше використовують ручні імпульсні ультразвуковідефектоскопи 2-ї і 3-й груп загального чи спеціального призначення. Спільним тихдефектоскопов служить наявність електронно-променевого і звукового індикаторів, електронного глибиноміра визначення координат залягання що відбиває поверхні,аттенюатора для виміру відносини амплітуд сигналів вдецибелах.
Узагальнені структурні схеми ультразвуковихдефектоскопов з імпульсним і безперервним випромінюванням істотно різняться.
2.3Импульсние ультразвуковідефектоскопи
Основними параметрами сигналу в методі відображень, підлягають виміру, є амплітуда U (>дБ) і тимчасової зрушення Т (мкс) прийнятого сигналу (імпульсу) щодоизлученного, званогозондирующим сигналом (імпульсом).
Для порушення імпульсів пружних коливань із частотоюf і прийому їх відображень вдефектоскопах використав основному п'єзоелектричні перетворювачі, рідше —електромагнитно-акустические.
Узагальнена структурна схема імпульсногоУЗД 2-ї і 3-й груп приведено на рис. 1 (ГОСТ 23049—84).
Малюнок 1. Узагальнена структурна схема імпульсногоУЗД
>Генераторсинхронизирующих імпульсів забезпечує синхронізацію роботи вузлівдефектоскопа, реалізуючи імпульсний режим випромінювання — прийомуУЗ-колебаний. При ручному контролі цей генератор працює у режимі самозбудження; під час використаннядефектоскопа в багатоканальної апаратурі механізованого і автоматизованого контролю його перемикають в режим зовнішнього запуску. Незалежно від режиму генератор виробляє імпульси, використовувані для пуску генераторарадиоимпульсов, генератора напруги розгорнення, блоку цифровий обробки, схеми тимчасової селекції автоматичного сигналізатора дефектів.
>Генераторрадиоимпульсов призначений на формування високочастотних електричних імпульсів, що використовуються порушенняУЗ-колебаний впреобразователе. До того найчастіше застосовували схеми генераторіврадиоимпульсов з контуром ударного порушення. Удефектоскопах, створених недавно, частіше використовують схеми, що дозволяють одержувати радіоімпульси зколоколообразной облямовує, які характеризуються більшим ККД і найвужчим спектром при заданої тривалості.
>Високочастотние електричні коливанняпьезопластиной перетворювача трансформуються в механічні, які за наявності акустичного контакту уводять у контрольований об'єкт. Дійшовши до кордону з якоюсь чужорідною середовищем (дефектом), ці коливання частково відбиваються, реєструються і перетворюються на приймальномупреобразователе в електричні імпульси, вступники на вхідприемно-усилительного трактудефектоскопа.
>Приемно-усилительний трактдефектоскопа призначений посилення і детектування сигналів, реєстрованих прийомним перетворювачем.Тракт містить, зазвичай, такі елементи: двосторонній діодний обмежувач, обмежує амплітуду зондувального імпульсу на вході підсилювача; калібрований дільник напруги — вимірювальнийаттенюатор; підсилювач високої частоти; детектор;видеоусилитель;формирователь управляючого напруги тимчасової регулювання чутливості.Измерительнийаттенюатор дозволяє оператору порівнювати рівніехо-сигналов від різних відбивачів.
УУЗ-дефектоскопах вимірювальніаттенюатори виконують, зазвичай, шляхомцепочечного сполуки ланок нарезисторах зі зміною внесеного загасання шляхом перемикання ланок. Загальне згасання, встановлений нааттенюаторе, дорівнює сумі допомогизатуханий, визначених становищем ручокаттенюатора. Точністьаттенюатора характеризують межеюдопускаемой абсолютної похибки виміру відносини амплітуд сигналів на вході приймача, що у сучаснихдефектоскопах вбирається у 1 ... 2дБ.
>Видеоусилители сучаснихдефектоскопов містять у собі схему регульованої відсічення, що забезпечує передачу сигналів, перевищують поставлене рівень, званий рівнем придушення, без спотворень.
>Формирователь управляючого напруги автоматичної тимчасової регулювання чутливості (>ВРЧ) призначений розробки напруги, управляючого у часі коефіцієнтом посилення приймального трактудефектоскопа. Застосування системиВРЧ дозволяє зменшити часів відновленої підсилювача після перевантаження йогозондирующим імпульсом. З іншого боку, системаВРЧ дозволяє компенсувати ослабленняУЗ-колебаний в контрольованому виробі, обумовленедифракционним розбіжністю і загасанням ультразвуку. У деякихдефектоскопах форму управляючого напругиВРЧ можна спостерігати на екрані електронно-променевої трубки.
У багатьохехо-импульснихдефектоскопов як індикаторів використовуютьелектронно-лучевие трубки електростатичним відхиленням променя як індикаторів типу А. На екрані такого індикатора відтворюється масштабу процес поширенняУЗ-колебаний в контрольований об'єкт. Тривалість розгорнення регулюється залежно від швидкості поширенняУЗ-колебаний у вихідному матеріалі об'єкту і товщини контрольованого шару. Щоб сформувати зображення на горизонтальноотклоняющие пластини подаєтьсяпилообразное напруга, що виробляється генератором напруги розгорнення.
Напругавидеосигналов подають із виходуприемно-усилительного тракту на вертикальноотклоняющие пластини, у результаті на лінії розгорнення з'являються імпульси, становище яких дозволяє будувати висновки про відстані до що відбиває поверхні. При великий товщині вироби масштаб зображення на екрані електронно-променевої трубки може бути занадто дрібним, яка дозволяє спостерігатиехо-сигнали від близько розташованих відбивачів. Для усунення цієї вади у сприйнятті сучаснихдефектоскопах передбачена плавна регулювання тривалості розгорнення. З іншого боку, з цією самі цілі вводять режим пуску генератора напруги розгорнення із, що можна плавно регулювати. Це дозволяє спостерігати процес поширенняУЗ-колебаний у кожному шарі контрольованого вироби у досить великому масштабі й у поєднанні з схемою автоматичного сигналізатора дефектів реалізувати принцип контролю у верствам.
Цифровим індикатор призначений для виміру координат виявлених дефектів, і навіть для виміру тривалості й затримки розгорнення, тимчасових параметрів автоматичного сигналізатора дефектів і системиВРЧ. Координати h і L розташування відбивача обчислюють по відомим значенням часуt поширенняУЗ-колебаний в контрольований об'єкт до відбивача і навпаки, і навіть кута введення:
де— коефіцієнти, враховують швидкість і кут введення променя поперечної хвилі.
Перетворення тривалості невідомого тимчасового інтервалу у цифровій код здійснюють шляхом цього інтервалу тактовими імпульсами спеціального генератора, такими з фіксованою частотою, і рахунки числа цих імпульсів. Результат відображається на цифровому індикаторі з урахуванням масштабного коефіцієнта, залежить від частоти прямування тактових імпульсів. При визначенні координат дефектів значення коефіцієнтів враховуються з допомогоюподстроечних елементів добором частоти прямування імпульсівтактового генератора.
Автоматичний сигналізатор дефектів управляє додатковими індикаторами. У цьому вся блоці здійснюється тимчасова селекція сигналів, вступників з його вхід із виходуусилительного тракту. Тимчасова селекціяехо-сигналов необхідна у тому, щоб у додаткові індикаторидефектоскопа не надходив що зондує імпульс, і навітьехо-сигнали віднесплошностей, розташованих поза контрольованого шару. Принцип тимчасової селекції у тому, що у вихід селектора (каскаду збігів) виникають лише ті сигнали, які збігаються за часом зі спеціально сформованимселектирующим (>стробирующим) імпульсом, тимчасове положення якого відповідає поширеннюУЗ-колебаний в заданому шарі. Тривалістьt цього імпульсу визначає товщину контрольованого шару H, а інтервал часу Т між моментом випромінювання зондувального імпульсу і моментом початкустробирующего імпульсу — глибину h розташування ближньої кордону контрольованого шару.
>Величини М,t, h і T пов'язані між собою співвідношеннями
де — час проходження пружною хвилі через призму (протектор) перетворювача.
Для виміру інтервалу часу Т щодо координат відбивача зазвичай використовують метод максимуму, який передбачає установку перетворювачів у безвихідь, відповідне максимальної амплітудою відображеного сигналу. Зазвичай, максимум амплітуди відображеного сигналу визначають екраном трубки.
Використання вдефектоскопах мікропроцесорної техніки істотно підвищує достовірність і надійність результатівУЗ-контроля. Удефектоскопах 3-й групи вона дозволяє вимірювати еквівалентну площу і кількість лінійні умовні розміри виявлених дефектів, здійснювати настроювання параметрівдефектоскопа по попередньо запровадженим до нього програмам, адефектоскопах 4-й групи — вести обробку інформацією процесі сканування і ідентифікувати дефекти за видами з урахуванням їхньої потенційну небезпеку, відображаючи результати обробки на документі контролю (>ультразвукограмме).
Незалежно засоби, використовуваних при скануванні (вручну,механизированно), надійність результатівдефектоскопирования обумовлюється системою спостереження якістю акустичного контакту мірою об'єктивності і інформативності документа контролю.
>ИмпульсниеУЗД, які працюють за методу відображень, основні засобами акустичного контролю у різних галузях промисловості.
2.4УЗД з безперервним випромінюванням
ультразвукова дефектоскопія частота випромінювання
При значних швидкостях взаємного переміщення перетворювача і контрольованого об'єкта дефекту надходить серіяехо-сигналов (пачка), число імпульсів у якій різко зменшується зі зростанням швидкості сканування. Причому у деяких випадках піддається суттєвому зниженню перешкодозахищеність контролю.
При великих швидкостях сканування перспективним,сточки зорупомехозащищенности, може бутиехо-метод ультразвукової дефектоскопії, заснований на безупинному випромінюванні пружних коливань похилим перетворювачем іздопплеровского зсуву частоти вехо-сигнале дефекту. Метод може бути реалізований широтою діапазону швидкостей сканування, що охоплюватиме як ручний контроль, і контроль у вигляді високошвидкісних автоматизованих систем, наприкладвагонов-дефектоскопов контролю рейок.
Удефектоскопах, які працюють у даному методу, ознакою виявлення дефекту є прийомехо-сигналов здопплеровским зрушенням частоти. У цьому не вдомадефектоскопа формується радіоімпульс тривалістю з низькою частотою заповнення, рівної різниці частот прийнятих рішень іизлученних коливань:
де — швидкість переміщення перетворювача по контрольованому об'єкту; з — швидкість поширенняУЗ-колебаний в об'єкті; — кут, під яким озвучується дефект;Х — умовна ширинавиявляемого дефекту.
З аналізу наведених висловів слід, що, попри безупинне випромінюванняУЗ-колебаний, відбиті сигнали мають вигляд імпульсів. Тривалість імпульсів на два-три порядку перевищує тривалість окремихехо-сигналов приехо-импульсном методі. Тому, за безупинному випромінюванні, якщо , виявляється можливим використовувати вузькосмугові приймачі, що підвищує перешкодозахищеність системи швидкісного контролю.
Узагальнена структурна схемадефектоскопа, що реалізовуватиме метод відображень при безупинному випромінюванні пружних коливань, приведено на рис. 2. При переміщенніраздельно-совмещенного перетворювача 3 по контрольованому об'єкту 8 зі швидкістюехо-сигнал, відбитий дефекту, має частоту , відрізняється від частоти на значення
У приймальному устрої здійснюється придушення (компенсація) сигналів із частотою генератора, посилення і виділення сигналів здопплеровской частотою . При зміні швидкості сканування необхідна коригування частоти фільтра з допомогою регулятора
Малюнок 2. Узагальнена структурна схемаУЗД з безперервним випромінюванням
На малюнку: 1 — генератор безперервних коливань; 2 — підсилювач потужності; 3 — електроакустичний перетворювач; 4 — підсилювач високої частоти; 5 — перетворювач частоти; 6 — фільтрдопплеровских частот; 7 — реєстратор; 8 — контрольований об'єкт; 9 — дефект.
При реалізованих практично швидкостях сканування (до 25 м/с) допплерівська частота вихідного сигналудефектоскопа вбирається у 30кГц, що дуже спрощує вимоги до реєстраторамехо-сигналов від дефектів.
Глава 3. Методи акустичного контролю
>Акустические методи ділять на великі групи: використовують випромінювання і достойний прийом акустичних коливань і хвиль (активні методи) засновані лише з прийомі коливань і хвиль (пасивні методи). У кожній із цих груп виділяють методи, засновані на виникненні в об'єкті контролю котрі біжать і стоячих хвиль чи коливань. Класифікація акустичний методів контролю приведено малюнку 3.
Малюнок 3. Класифікація акустичних методів контролю
3.1 Активні методи
Активні акустичні методи, у яких застосовують які тікають хвилі, ділять на підгрупи, використовують проходження, відбиток хвиль і комбіновані методи, у яких застосовують відбиток і проходження. Методи проходження припускають наявність двох перетворювачів — випромінює і приймального, розташованих з різних боків об'єкта контролю чи контрольованого ділянки. Застосовують якимпульсное, і, рідше, безупинне випромінювання. До цієї підгрупі відносять такі методи дефектоскопії (ГОСТ 18353-79):
– амплітудне (тіньової) метод, заснований на реєстрації зменшення амплітуди минулої хвилі (наскрізного сигналу) під впливом дефекту (рис. 4 а);
– тимчасової тіньової метод, який базується на вимірі запізнювання імпульсів, викликаногоогибанием дефекту (рис. 4 б);
– >велосиметрический метод, заснований на аналізі зміни швидкості пружних хвиль, що з наявністю дефекту. Наприклад, тоді як тонкому виробі поширюєтьсяизгибная хвиля, то поява розшарування знижує її швидкість (мода з малої швидкістю показано штрихової лінією); це зниження визначають по зрушенню фази минулої хвилі (рис. 4 в).
Малюнок 4. Схеми контролю об'єктів із використанням методів проходження
На малюнку: а — тіньової; б — тимчасової тіньової; в —велосиметрический; 1 — генератор; 2 — випромінювач; 3 — об'єкт контролю; 4 — приймач; 5 — підсилювач; 6 — вимірювач амплітуди; 7 — вимірювач часу пробігу; 8 — вимірювач фази.
У методах відображення використовують одну чи дві перетворювача; застосовують, зазвичай,импульсное випромінювання.
>Эхо-метод (рис. 5, а), належить до цієї підгрупі, грунтується на реєстраціїехо-сигналов дефекту. На екрані індикатора зазвичай спостерігають посланий (що зондує) імпульс I, імпульс III, відбитий протилежної — донної поверхні виробу (донний сигнал), іехо-сигнал II дефекту. Час приходу імпульсів II і III пропорційно глибині залягання дефекту і товщині вироби. У цьому малюнку показаносовмещенная схема контролю, коли він перетворювач виконує функції випромінювача і приймача; коли ці функції виконують різні перетворювачі, то схему називають роздільної.
Малюнок 5. Схема контролю об'єктів із використанням методів відображення
На малюнку: а —ехо-метод; б — дзеркальнийехо-метод; в —дельта-метод; р —реверберационний метод; 1 — генератор; 2 — випромінювач; 3 — об'єкт контролю; 4 — приймач; 5 — підсилювач; 6 — синхронізатор; 7 — індикатор.
Дзеркальнимехо-методом аналізують сигнали, дзеркально відбиті від донної поверхні виробу і дефекту, т. е. минулі шляхABCD (рис. 5, б). Варіант цього, пов'язані з виявленням вертикальних недоліків у площиніEF, називають методом тандем, для реалізації якого за переміщенні перетворювачів 2, 4 підтримують постійним значення щоб одержати дзеркального відображення відневертикальних дефектівзначениеварьируют. Одне з варіантів дзеркальногоехо-метода передбачає розташування випромінювача і приймача над площині (вид у плані дано на рис. 5, б внизу), а різних площинах, але так, аби приймати дзеркальне відображення від вертикального дефекту. Цього варіанта називають тандем-дует (виностраннойлитературе «>стредл»). Спосіб дует характеризується симетричним розташуванням випромінювача і приймача (становище приймача показано на рис. 2.3, б штрихової лінією). Ще одна варіант дзеркальногоехо-метода передбачає розташування перетворювачів з різних боків вироби, наприклад мають приймач у точці З. Цього варіанта називаютьК-метод.
>Дельта-метод (рис. 5, в) грунтується на використанні дифракції хвиль на дефекті. Частина падаючої на дефект поперечної хвилі від випромінювача 2 відбивається дзеркально, іншу частинадифрагирует як поперечної і трансформованої подовжньої хвиль. При відображенні хвиля також частково трансформується на подовжню хвилю.Дифрагированная поздовжня хвиля надходить на приймач 4 поздовжніх хвиль, який пізніше приймає також подовжню хвилю, відбиту від нижньої поверхні виробу.
>Реверберационний метод грунтується на аналізі часу об'ємної реверберації в контрольований об'єкт. Наприклад, при контролі двошарової конструкції час реверберації в шарі, з яким контактує перетворювач, менші надходження до разі якісного сполуки верств, бо частина енергії перетворюється на інший шар (рис. 5, р).
У комбінованих методах використовують принципи як проходження, і відображення акустичних хвиль.
>Зеркально-теневой метод грунтується на вимірі амплітуди донного сигналу. На рис. 6, а відбитий промінь умовно зміщений убік. За виконання (фіксуютьехо-сигнал) його належать до методам відображення, а, по фізичної сутності контролю (вимірюють ослаблення сигналу, двічі минулого виріб у зоні дефекту) він близький до тіньового методу.
Малюнок 6. Схема контролю об'єктів із використанням комбінованих методів
На малюнку: а —зеркально-теневой; б —ехо-теневой; в —ехо-сквозной; 1 — випромінювач; 2 — приймач; 3 — об'єкт контролю.
>Эхо-теневой метод грунтується на аналізі як минулих, і що проглядали хвиль (рис. 6, б).
>Эхо-сквозним методом фіксують наскрізний сигнал I, сигнал II, дворазово відбитий в виробі, а разі появи напівпрозорого дефекту іехо-сквозние сигнали III, IV, відповідні відображенням дефекту хвиль, що йдуть верхньої та нижньої поверхонь вироби. Великий непрозорий дефект виявляють по зникнення чи сильному зменшенню сигналу I, т. е. тіньовим методом, і навіть сигналу II.Полупрозрачние чи невеликі дефекти виявляють по появі сигналів III і IV.
>Импедансний метод істотно відрізняється від розглянутих методів. Він грунтується на аналізі зміни механічного чи вхідного акустичногоимпеданса ділянки поверхні контрольованого об'єкта, з яким взаємодіє перетворювач. У низькочастотнихимпеданснихдефектоскопах перетворювачем служить коливний стрижень, спирається на поверхню вироби (рис. 7, а). Між ними немає контактної рідини (сухий контакт). Появаподповерхностного дефекту як розшарування робить розташований над дефектом ділянку поверхні гнучкішим, податливим, т. е. знижує його механічний імпеданс. Через війну змінюється режим коливань стрижня, зокрема зменшуються механічні напруги на приймальнику 4, що є ознакою дефекту.
Малюнок 7. Схема контролю об'єктів із використанням різних методів
На малюнку: а —импедансний; б — резонансний; в — вільних коливань; р —акустико-емиссион; 1 — генератор; 2 — випромінювач; 3 — об'єкт контролю; 4 — приймач, 5 — підсилювач; 6 — індикатор; 7 — модулятор частоти; 8 — реєстратор резонансу; 9 —спектро-анализатор, 10 — вібратор.
У високочастотнихимпеданснихдефектоскопах нерішучим елементом єпьезопластина перетворювача звичайного типу. Поява дефекту типу розшарування поблизу поверхні виробу змінює вхідний акустичний імпеданс, отже, і режим коливань генератора, що свідчить про наявності дефекту.
З використанням стоячих хвиль збуджують вільні чи змушені коливання або об'єкта контролю у цілому (інтегральні методи), або його частину (локальні методи). Вільні коливання збуджують шляхом короткочасного зовнішнього на об'єкт контролю, наприклад, ударом, після що він коливається вільно. Вимушені коливання припускають постійну зв'язок коливного об'єкта контролю з збуджуючим генератором, частоту якого змінюють. Інформаційними параметрами є частоти вільних коливань чирезонансов змушених коливань, які дещо різняться у зв'язку з впливом збудливого генератора. Ці частоти пов'язані з геометричними параметрами виробів і швидкістю поширення у них ультразвуку. Іноді вимірюють величини, пов'язані з загасанням коливань в об'єкті контролю: амплітуди вільних чи резонансних коливань, добротність коливань, ширину резонансного піка.
Схема контролю локальним методом вільних коливань (у тому варіанті її називають просто методом вільних коливань) показано на рис. 7, в. У плані контрольованого вироби, наприклад шаруватої панелі, збуджують коливання з допомогою ударівмолоточком вібратора 10 і аналізують спектр збуджуваних частотспектроанализатором 9, У дефектних виробах спектр, зазвичай, зміщений убік високих частот.
>Локальний метод змушених коливань зазвичай називають резонансним методом. У стінці вироби з допомогоюпьезопреобразователя збуджують ультразвукові хвилі (рис. 7, б).Частоту коливань модулюють; фіксують частоти, у яких порушуютьсярезонанси коливань. По резонансним частотах визначають товщину стінки виробів та наявність дефектів. Дефекти, паралельні поверхні виробу, викликають по- похибка вимірюваною товщини, а розташовані з точки до — зникнення резонансних явищ. Для ви- високоточної виміру товщини труб також застосовують локальний метод вільних коливань, який отримав назву методпредеф.
До методів змушених вагань відносять >акустико- топографічний метод, заснований на реєстрації розподілу амплітуд пружних коливань лежить на поверхні контрольованого об'єкта з допомогою спричинених на поверхню порошку. На дефектному ділянці осідає менше порошку, що збільшенням амплітуди коливань внаслідок резонансних явищ.
3.2 Пасивні методи
Переходячи до пасивним акустичним методам контролю, відзначимо >акустико-емиссионний метод, у якому використовують які тікають хвилі (рис. 7, р). Цей метод грунтується на аналізі параметрів пружних хвиль акустичної емісії, що виникають внаслідок динамічної локальної перебудови об'єкта контролю. Такі явища, як виникнення і зростання тріщин,аллотропические перетворення, рух скупченьдислокаций — найхарактерніші джерела хвиль акустичної емісії.Контактирующие з виробомпьезопреобразователи, приймаючі пружні хвилі, дозволяють встановити наявність джерела емісії, а при обробці сигналів від кількох основних перетворювачів — і місцезнаходження джерела.
До пасивним акустичним методам, заснованим на порушенні стоячих хвиль чи коливань об'єкта контролю, ставляться >вибрационно-диагностический ішумо-диагностический методи. З використанням першого методу аналізують параметри вібрації будь-якої окремої деталі чи вузла (ротора, підшипника, лопатки турбіни) з допомогою приймачів контактного типу; під час використання другого вивчають спектр шумів працюючого механізму на слух чи з допомогоюмикрофонних приймачів.
По частотного ознакою все розглянуті акустичні методи ділять на низькочастотні і високочастотні. До перших відносять коливання в звуковому і низькочастотному (за кілька десятків кілогерц), ультразвуковому діапазонах частот; до другого — коливання в високочастотному (і від кількох сотень кілогерц до 50 МГц) ультразвуковому діапазоні частот.Високочастотние методи зазвичай називають ультразвуковими. Для контролю металів переважно використовують високочастотні методи.
З розглянутих акустичних методів контролю найбільше практичне застосування знаходитьехо-метод: їм перевіряють до 90 % на всі об'єкти. Застосовуючи хвилі різних типів, з його за допомогою вирішують завдання дефектоскопії поковок, лиття, зварних сполук, багатьох неметалевих матеріалів.Эхо-метод використовують також і виміру геометричних розмірів виробів. Фіксуючи час приходу донного сигналу і знаючи швидкість ультразвуку у вихідному матеріалі, визначають товщину вироби при однобічному доступі. Якщо товщина вироби відома, то донному сигналу вимірюють швидкість, оцінюють згасання ультразвуку, а, по цим параметрами визначають фізико-механічні властивості матеріалів.
>Зеркально-теневой метод використовують разом чи доповнення доехо-методу виявлення дефектів, слабко що відбивають ультразвукові хвилі у бік сполученого перетворювача (див. рис. 6, а). Такі дефекти, як вертикальні тріщини, орієнтовані перпендикулярно поверхні, через яку переміщають перетворювач (поверхні введення), дають дуже слабкий розсіяний сигнал, у зв'язку з ніжехо-методом не виявляються. У той самий короткий час вони послаблюють донний сигнал тому, що їх поверхні поздовжня хвиля трансформується на яка випливала, що у своє чергу випромінює бічні хвилі,уносящие енергію.
>Зеркально-теневой метод застосовують, наприклад, при контролі рейок з виявлення вертикальних тріщин в шийки. Їм виявляють дефекти більшого розміру, ніжехо-методом. Перевага цього передзеркально-теневим залежить від однобічному доступі до вироби. Дзеркальнийехо-метод застосовують також і виявлення дефектів, орієнтованих перпендикулярно поверхні введення. Їм виявляють менші дефекти, ніжзеркально-теневим, та заодно потрібно, щоб у зоні розташування дефектів виявився досить велику ділянку рівній поверхні (див. рис. 5, б). При контролі рейок, наприклад, ця потреба не виконується, тому можливо застосування лишезеркально-теневого методу. Дефект У можна виявити суміщеним похилим перетворювачем, розміщеним у точці А. Але цього разі дзеркально відбита хвиля іде у інший бік і на перетворювач попа- потрапляє лише слабкий розсіяний сигнал. Перетворювачі, які працюють у точках З чи D, виявляють дефект з вищої чутливістю.
Дзеркальнийехо-метод у варіанті тандем використовують із виявлення вертикальних тріщин інепроваров при контролі зварних сполук. Дефекти деяких видів зварювання, наприкладнепровар при електронно-променевої зварюванні, мають гладку яка відображатиме поверхню, дуже слабкорассеивающую ультразвукові хвилі. Такі дефекти краще виявляються дзеркальнимехо-методом. Дефекти округлої форми (шлакові включення, пори) дають великий розсіяний сигнал і добре реєструються сов- суміщеним перетворювачем у точці A; до того ж час дзеркальне відображення від нього слабке. Порівнюючи відбиті сигнали в точках Проте й D, визначають форму дефекту зварного сполуки.
Варіант тандем-дует застосовують, коли розташування перетворювачів одноплощинно важко. Його використовують, наприклад, виявлення поперечних тріщин в зварних швах. Перетворювачі у разі мають з різних боків опуклості («посилення») шва.Углиивибирают або малими — до 10°, або великими — більш 35° запобігання трансформації поперечних хвиль в подовжні. При кутках менш 10° трансформація мала; кут, рівний 35° і більше, перевершує значення третього критичного кута, у зв'язку з ніж трансформація відсутня. Існують варіанти з: наприклад, випромінюють поперечну хвилю з, а приймаютьтрансформированную подовжню хвилю.
3.3 Області застосування методів
>Дельта-метод також використовують із отримання додаткового інформації про дефектах при контролі зварних сполук. У варіанті, показаний на рис. 5, в, випромінюють поперечні, а приймають подовжні хвилі. Ефективна трансформація поперечних хвиль в подовжні на дефекті станеться, якщо кут падіння на плаский дефект менше третього критичного або якщо поздовжня хвиля виникає й унаслідок розсіювання на дефекті. До сформування хорошого контакту приймального прямого перетворювача з поверхнею зварного сполуки поверхню опуклості шва зачищають. З допомогою цього досить вдало визначають становище дефекту вздовж зварного шва, що дуже важливо за його автоматичної реєстрації.
>Эхо-теневой метод також застосовують при контролі зварних сполук. При автоматичному контролі перетворювачі, наявні з обох боків від шва, приймають як відбиті, і минулі сигнали. Останні йдуть на контролю за якістю акустичного контакту і виявлення дефектів, орієнтованих в такий спосіб, щоехо-сигнали від нього дуже слабкі.
Контроль тіньовим і >ехо-сквозним методами можлива лише при двосторонньому доступі до виробу. Ці методи застосовують для автоматичного контролю виробів простий форми (наприклад аркушів) виммерсионном варіанті. Переміщення аркуша угору й униз між перетворювачами виммерсионной ванній (рис. 4, а) не змінює часу проходження сигналів від випромінювача до приймача, що дуже спрощує конструкцію установки.Теневим методом виявляють більші дефекти, ніж відлуння- іехо-сквозним методами, у зв'язку з великий вплив перешкод.
Тіньовий метод застосовують також і контролю виробів з біль- великим рівнем структурних реверберації, т. е. перешкод, обумовлених відбитком ультразвуку від структурних неоднорідності, великих зерен. Наскрізний сигнал потрапляє на приймач раніше, ніж структурні реверберації, що дозволяє його зареєструвати і натомість перешкод. При контролі тонких виробів з дуже високий рівнем структурних перешкод менші дефекти виявляють тимчасовим тіньовим методом. Тіньовий і тимчасової тіньової методи дозволяють виявляти великі дефекти в матеріалах, де контроль іншими акустичними методами неможливий: грубозернистоїаустенитной стали, сірому чавуні, бетоні, вогнетривкому цеглі. Тіньовий метод застосовують замістьехо-метода для дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів з більшими на коефіцієнтами загасання і розсіювання акустичних хвиль, наприклад, при контролі міцності бетону за швидкістю ультразвуку. З цією метою застосовують як тіньової метод, а й (на більш загальному вигляді) метод проходження. Наприклад, випромінювач і приймач мають з одного боку вироби в одній поверхні, і вимірюють час і амплітуду наскрізного сигналу головний чи поверхневою хвилі.
>Локальний метод змушених коливань застосовують для виміру малихтолщин при однобічному доступі. Контактний резонанснийтолщиномер, принцип дії якого показаний на рис. 7, в. Нині для ручного контролю застосовують імпульснітолщиномери. Для автоматичного виміру товщини стінок труб випускаютьиммерсионние резонанснітолщиномери. Деякими перевагами перед у такий спосіб виміру товщини має локальний метод вільних коливань (методпредеф). Головна перевага залежить від можливості зміни кута падіння ультразвуку на трубуприсохранении точності вимірів. Це спрощує конструкцію протяжливого устрою.
>Интегральний метод змушених коливань застосовують визначення модуля пружності матеріалу по резонансним частотах поздовжніх,изгибних чи крутильних коливань зразків простий геометричній форми, вирізані з вироби, т. е. при що руйнують випробуваннях. Останнім часом його використовують із неруйнуючого контролю невеликих виробів: абразивних кіл, турбінних лопаток. Поява дефектів чи зміну властивостей матеріалів визначають зі зміни спектра резонансних частот. Властивості, пов'язані з загасанням ультразвуку (на зміну структури, поява дрібних тріщин), контролюють зі зміни добротностіколебательной системи.Интегральний метод вільних коливань використовують із про- перевірки бандажів вагонних коліс чи скляній посуду за чистотою звуку.
>Реверберационний, >импедансний, >велосиметрический, >акустико-топографический методи лікування й локальний метод вільних коливань використав основному задля контролю неметалевих і композиційних матеріалів. Схеми контролюклеених іпаяних конструкцій з при- застосуваннямреверберационного,импедансного методів і методу вільних коливань показані відповідно на рис. 5, р, 7, а, 7, в.
Оскількивибрационно-диагностический ішумодиагностический методи, які стосуються пасивним акустичним методам, служать у діагностуванні працюючих механізмів, їх дослідження за межі цієї книжки.Акустико-емиссионний метод застосовують у ролі засобів дослідження матеріалів, конструкцій, контролю виробів (наприклад пригидроиспитаниях) і діагностування під час експлуатації. Важливими перевагами цього над іншими і те, що він реагує лише з що розвиваються, справді небезпечні дефекти, і навіть можливість перевірки великих ділянок або навіть усього вироби без сканування його перетворювачем. Основний його нестача як засобу контролю — труднощі виділення сигналів, що викликаються що розвиваються дефектами, і натомість перешкод відкавитационних пухирців в рідини, поданого в об'єкт пригидроиспитаниях, від тертя вразъемних з'єднаннях тощо. буд.
Література
1. Альошин Н.П., Білий В.Є.,Вопилкин А.Х. та інших. Методи акустичного контролю металів. - М.: Машинобудування, 1989. - 465 з.;
2. Альошин Н.П.,Лупачев В. Г. Ультразвуковедефектоскопи:Справ. посібник. -Мн.:Виш. шк., 1987. - 271 з.;
3.КрауткремерЙ.,Крауткремер Р.Ультразвуковой контроль матеріалів:Справ. Вид. - М.: Металургія, 1991. - 752 з.;
4. Єрмолов І.Н., Альошин Н.П., Потапов А. І.Неразрушающий контроль. У 5 кн.Кн. 2.Акустические методи контролю:Практ. посібник. - М.:Висш .шк., 1991 — 283 з.;
5. Властивості, застосування ультразвуку,cultinfo
>
