Главная > Промышленность, производство > Акустичні методи контролю якості продукції

Акустичні методи контролю якості продукції


24-01-2012, 18:22. Разместил: tester5

Федеральне агентство з освіти

ГОУ ВПО В«Уральський державний технічний університет - УПІ

імені першого Президента Росії Б.М. Єльцина В»

Нижньотагільський технологічний інститут (філія)

Факультет вечірній технологічний

Контроль якості продукції

РЕФЕРАТ

тема: Акустичні методи контролю якості продукції

Викладач

М.А. Якимів

Студент гр.4518 ММО

Д.І. Красиков

Н. Тагіл

2008


ВСТУП

Одним з дієвих резервів підвищення якості і надійності продукції машинобудування та інших галузей є не руйнуючий контроль.

Найбільше розвиток за останній час отримала ультразвукова дефектоскопія. У порівнянні з іншими методами неруйнівного контролю вона володіє важливими перевагами: високою чутливістю до найбільш небезпечних дефектів типу тріщин і непроварів, великою продуктивністю, можливістю вести контроль безпосередньо на робочих місцях без порушення технологічного процесу, низькою вартістю контролю.

Ультразвукові методи контролю дозволяють отримати інформацію про дефекти, розташованих на значній глибині в різних матеріалах, виробах і зварних з'єднаннях. Автоматизація ультразвукового контролю не тільки підвищує продуктивність праці, але і дозволяє отримати об'єктивну картину якості виробу або зварного з'єднання, подібну рентгенограмі.

Методи ультразвукової дефектоскопії стали основними в різних галузях народного господарства: в енергетиці, важкому і хімічному машинобудуванні, на залізничному транспорті, в суднобудуванні.


1. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ УЛЬТРАЗВУКОВОЇ Дефектоскопи

>

Природа та отримання ультразвукових коливань.

Пружні механічні коливання, що розповсюджуються в повітрі, сприймають зазвичай як звуки. Це - акустичні коливання. Якщо їх частота понад 20000 Гц (20 кГц), тобто вище порога чутності для людського вуха, то такі коливання називають ультразвуковими (УЗК). У дефектоскопії найбільш часто використовують діапазон частот 0,5-10 МГц (1 МГц = 10 6 Гц).

Пружні коливання можуть бути порушені в твердих, рідких і газоподібних середовищах. При цьому коливальний рух збуджених частинок завдяки наявності пружних сил між ними викликає поширення пружної УЗ-хвилі, супроводжуване перенесенням енергії.

Для отримання УЗ-коливань застосовують п'єзоелектричні, магнітострикційні, електромагнітно-акустичні (ЕМА) та інші перетворювачі. Найбільше поширення набули п'єзоелектричні перетворювачі, виготовлені з п'єзокерамічних матеріалів або з монокристала кварцу. На поверхні п'єзопластини наносять тонкі шари срібла, службовці електродами. При подачі на п'єзопластину електричної напруги вона змінює свою товщину внаслідок так званого зворотного п'єзоелектричного ефекту. Якщо напруга знакозмінних, то пластина коливається в такт цим змінам, створюючи в навколишньому середовищу пружні коливання. При цьому пластина працює як випромінювач. І навпаки, якщо п'єзоелектрична пластина сприймає імпульс тиску (Відображена УЗ-хвиля), то на її поверхні внаслідок прямого п'єзоелектричного ефекту з'являються електричні заряди, величина яких може бути виміряна. У цьому випадку п'єзопластини працює як приймач.

Процес поширення ультразвуку в просторі є хвильовим. Кордон, відокремлює коливні частинки середовища від часток, ще не почали коливатися, називається фронтом хвилі. Пружні хвилі характеризуються швидкістю поширення С, довжиною хвилі О» і частотою коливань f . При цьому під довжиною хвилі розуміється відстань між найближчими частинками, хитаються однаковим чином (в однаковій фазі). Число хвиль, що проходять через дану точку простору в кожну секунду, визначає частоту УЗ-коливань. Довжина хвилі пов'язана зі швидкістю її поширення співвідношенням

О» = C/ f

Слід відрізняти швидкість хвилі З від швидкості коливання частинок v. Швидкість С - фізична константа середовища і залежить від її властивостей. Тому, застосовуючи формулу у вигляді C = F О» або f = C/О» важливо пам'ятати, що не можна змінити швидкість хвилі С за рахунок частоти f (Або довжини хвилі О»). Довжину хвилі О» в будь-якому середовищі можна змінити тільки шляхом зміни частоти f порушуваних коливань.

Типи і швидкість ультразвукових хвиль.

В Залежно від напрямку коливання частинок розрізняють кілька типів хвиль. Якщо частинки середовища коливаються вздовж поширення хвилі, то такі хвилі (рис. 1, а) називаються поздовжніми (хвилями розтягування-стиснення). У разі, якщо частки середовища коливаються перпендикулярно до напрямку поширення хвилі, то це хвилі (рис. 1, б) - поперечні (хвилі зсуву). Поперечні хвилі можуть виникати лише в середовищі, що володіє опором зсуву. Тому в рідкій і газоподібній середовищах утворюються тільки поздовжні хвилі. У твердій середовищі можуть виникати як подовжні, так і поперечні хвилі.

Малюнок 1. Типи пружних хвиль: а - поздовжні; б - поперечні; в - поверхневі; г - пластинкові. Стрілками показаний напрямок зміщення частинок середовища

Швидкість З l поздовжніх хвиль в середовищі щільністю ПЃ визначається модулем нормальної пружності Е і коефіцієнтом Пуассона Ој. Враховуючи, що G = Р€/2 ( l + ft ) можна визначити відношення швидкостей поперечних і поздовжніх хвиль:

Швидкість З t швидкість поперечних хвиль у середовищі щільністю ПЃ

Оскільки для металів Ој ≈ 0,3 то C t / C l = 0 , 55

Крім поперечних і поздовжніх хвиль, в твердих тілах можуть бути порушені хвилі інших типів. Уздовж вільної поверхні тіла можуть розповсюджуватися поверхневі хвилі (хвилі Релея). Вони є комбінацією поперечних і поздовжніх хвиль. Площина поляризації у них, тобто площина, в якій коливаються частинки середовища, перпендикулярна до поверхні. Глибина поширення цих хвиль в тілі приблизно дорівнює довжині хвилі, а швидкість складає C RE = 0,9 C t (Рис. 1, в).

В тонких аркушах або у виробах, товщина яких порівнянна з довжиною хвилі, поширюються пластинкові хвилі (хвилі Лемба). Вони займають всю товщину пластини (рис. 1, г).

В плакуючого шарах біметалічних листів можуть поширюватися поверхневі хвилі з горизонтальною поляризацією (хвилі Лява).

Поширення ультразвуку.

Простір, в якому поширюються УЗ-хвилі, називають ультразвуковим полем. УЗ-хвиля в напрямку свого руху несе певну енергію. Кількість енергії, переносиме УЗ-хвилею за 1 с через 1 см 2 площі, перпендикулярної до напрямку поширення, називається інтенсивністю ультразвуку I . Для плоскої хвилі при амплітуді зміщення А:

Твір швидкості С ультразвуку на щільність ПЃ середовища називається питомим акустичним опором. Значення Z = ПЃC (С дано для поздовжньої хвилі), що характеризують акустичні властивості матеріалів.

Загасання УЗ-коливань відбувається за експоненціальним законом

А = А 0 exp (- Оґr ) ,

де А 0 -амплітуда зондуючого імпульсу; Оґ - коефіцієнт загасання, см -1 .

Оскільки інтенсивність ультразвуку дорівнює квадрату амплітуди, то зниження інтенсивності унаслідок загасання описується формулою

I = I 0 exp (-2 Оґr ).

На практиці немає необхідності визначати амплітуду А чи інтенсивність хвилі I в абсол...ютних одиницях, а досить знайти величину їх відносного ослаблення. Тоді для вираження відносної величини використовують спеціальні одиниці - децибели.

Число децибел:

N = 101gI/I 0 = 201gA/A 0 .

Користуючись шкалою децибел (рис. 2), легко встановити, наприклад, що якщо відношення амплітуд посланого відбитого від несплошності сигналу А/А 0 = 2, то lg2 ≈ 0,3, що відповідає N = -6 дБ і т. п. Ця шкала дуже зручна в дефектоскопічних практиці, оскільки амплітуди можуть змінюватися на 2-3 порядки - у 10; 100 і 1000 разів, а в децибелах це складе відповідно 20, 40 і 60 дБ, тобто значення одного порядку.

Малюнок 2. Номограма перекладу відносних одиниць в децибели

Властивості ультразвуку.

Як показано на рис. 3, УЗ-коливання від генератора-випромінювача ІП поширюються в матеріалі вироби. При наявності дефекту Д утворюється відбите поле. За дефектом при його значних розмірах (>> О») є акустична тінь. Реєструючи за допомогою приймача-перетворювача П 1 ослаблення УЗ-хвилі або за допомогою перетворювача П 2 (або ІП) луна, тобто відображену УЗ-хвилю, можна судити про наявність дефектів в матеріалі. Це є основою двох найбільш поширених методів УЗ-контролю: тіньового і луна-методу.

Малюнок 3. Схема УЗ-контролю матеріалу: Д - дефект; ІП - випромінювач і приймач (сполучена схема); П 1 - приймач в тіньовому методі; П 2 - приймач в луна методі

Найбільш важливі дефектоскопічні властивості УЗК: спрямованість УЗК, ближня і дальня зони перетворювачів, відображення УЗК від несплошностей, загасання, трансформація УЗК.

Спрямованість УЗК. При випромінюванні п'єзоелементом (рис. 4, а) імпульсу УЗК в середовищі виникає УЗ-полі, яке має цілком певні просторові межі. Кут розбіжності П† Р залежить від співвідношення довжини хвилі і діаметра випромінювача 2 а :

φ p ≈ arcsin0, 61λ/ a = 0,61 C/(af) = 1,22 λ/ (2a).


Для малих кутів sinП† p ≈ П† p . Як видно з виразу, спрямованість УЗ-поля тим вище (кут П† p менше), чим більше твір а f .

Малюнок 4. Структура ультразвукового поля випромінювача: а - акустичне поле; б - зміна інтенсивності вздовж променя; в - діаграма спрямованості

Спрямованість УЗ-поля зручно представляти у вигляді графіка в полярних координатах, званого діаграмою спрямованості (рис. 4, в). Діаграма характеризує кутову залежність Ф (П†) амплітуди поля в далекій зоні. Полярний кут П† відлічують від полярної осі, що збігається з напрямком випромінювання максимальної амплітуди.

Діаграму спрямованості прямого перетворювача виражають через циліндричну функцію Бесселя (першого роду і першого порядку):

Аналіз цього виразу показує, що із збільшенням аО» або af спрямованість поля зростає. При а О»> 0,6 в діаграмі, крім основного, виникають бічні пелюстки. Однак у них зазвичай зосереджена мала частина (до 20%) випромінюваної енергії.

Ближня і дальня зони. Наведена вище формула показує спрямованість УЗ-пучка в так званої дальній зоні або зоні Фраунгофера. У ближній зоні, званої зоною Френеля, амплітуда поля осцилює (змінюється) як уздовж осі (рис. 4, б), так і по перерізу пучка, а УЗ-хвиля при цьому поширюється майже без розбіжності.

Протяжність ближньої зони r 0 для циліндричного випромінювача

r 0 = a 2 / О» = a 2 f / C

З формули видно, що збільшення діаметра випромінювача, звужуючи спрямованість пучка, збільшує ближню зону перетворювача.

Відображення від несплошностей. Це властивість УЗ-хвиль служить основою для їх використання в ехо-імпульсному методі дефектоскопії матеріалів. При падінні хвилі на поверхню розділу двох середовищ в загальному випадку частина енергії проходить у другу середовище, а частина відбивається і першу. Якщо УЗ-хвиля перпендикулярна до кордону двох середовищ, то проходить і відбита хвилі будуть такого ж типу, що й падаюча. Коефіцієнт відбиття R як відношення інтенсивностей відбитої і падаючої хвиль залежить від співвідношення питомих акустичних опорів Z 1 = ПЃ 1 C 1 і Z 2 = ПЃ 2 C 2 першої та другої середовищ:

З формули видно, що R не залежить від напрямки УЗК через границю поділу середовищ Z 1 і Z 2 .

Коефіцієнт проходження хвилі D = 1-R. Чим більше різниця в акустичних опорах, тим більше інтенсивність відбитої хвилі.

Розкриття несплошності також впливає на відображення УЗ-хвиль. Однак заповнені повітрям тріщини розкриттям О”г = 10 -4 -10 -5 мм відбивають близько 90% падаючої енергії УЗК. Можна вважати, що межею виявлення тріщин служить несплошності розкриттям О”г> 10 -5 О».

Якщо розміри дефектів малі, то УЗ-хвилі огинають невелику несуцільне без суттєвих відображень.

Властивість відображення УЗ-хвиль служить основою для виявлення несплошностей в металах, оскільки акустичні властивості таких дефектів, як пори, шлаки, непро-вари, істотно відрізняються від властивостей основного металу. Коефіцієнт відбиття від тріщин, несплавлення і пір близький до одиниці, якщо величина їх розкриття більш 10 -4 мм, а поперечний розмір порівняємо з довжиною хвилі. Для шлаків R = 0,35-0,65 в залежності від марки флюсу.

Стандартна УЗ-апаратура дозволяє впевнено виявляти несплошності площею S ≥ 1 мм 2 . При збільшенні частоти УЗК можна виявляти несплошності і з меншою площею, але при цьому значно підвищується затухання УЗК.

Загасання. Коефіцієнт загасання Оґ в наведених вище формулах зростає з збільшенням частоти не лінійно, а в підвищеній ступені. Причому коефіцієнт загасання різний для різних матеріалів і складається з коефіцієнтів поглинання і розсіяння Оґ = Оґ п + Оґ р .

Поглинена звукова енергія переходить в теплоту. Розсіяна енергія залишається по формі звуковий, але йде з направленого пучка, відбиваючись від неоднорідного середовища. В однорідних середовищах (пластмаса, скло) загасання визначається головним чином поглинанням ультразвуку: Оґ п > Оґ р . Причому Оґ п пропорційно або f (Скло), або f 2 (Пластмаси).

В металах розсіювання переважає над поглинанням Оґ р >> Оґ п , причому Оґ п пропорційно f , а Оґ р пропорційно f 3 або f 4 . Коефіцієнт від співвідношення середньої величини зерен D і довжини О» УЗ-хвилі. Збільшення розміру зерен призводить до зростання загасання УЗК, при цьому Оґ Р = D 3 f 4 .

Для того щоб розсіювання УЗК на зернах не спотворювало результати дефектоскопії, практично необхідно мати О»> (10 ... 100) D. Якщо ця умова виконується по верхнемy межі (О» ≥ 100D), то можна звичайно контролювати метал на глибину аж до 8 - 10 м і навіть більше.

При поширенні УЗ-хвиль в металах можлива реверберація - поступове загасання коливанні, обумовлене повторними відображеннями. Реверберація може бути об'ємною (через багаторазового відбиття коливань від поверховий, обмежують контрольоване виріб) і структурної (за багаторазового відображення і розсіювання коливань межами зерен металу).

Розсіювання УЗК значно залежить від анізотропії кристалів. При цьому швидкість по одній з осей кристала або зерна ...істотно відрізняється від швидкості уздовж його інший осі. У алюмінієвих сплавів і у сталей пружна межзеренное анізотропія кристалів зазвичай мала. У нержавіючих (аустенітних) сталей і чавуну явища межзеренное анізотропії різко виражені, що призводить до розсіювання УЗК і поганий прозвучіваемості цих матеріалів.

Залежність коефіцієнта загасання від величини зерна використовують для вимірювання розмірів зерна. При цьому беруть діапазон хвиль приблизно в області О» = (4 - 10) D.

Коефіцієнт загасання виражають або в децибелах на метр (дБ/м), або в Непер на метр (Нп/м). Загасання 1 Нп/м означає, що на відстані 1 м амплітуда хвилі зменшується в е раз ( е = 2,718 - основа натуральних логарифмів, або число Непера). Ці одиниці пов'язані співвідношенням 1 Нп/м = 8,68 дБ/м.

В практиці УЗ-дефектоскопії коефіцієнт загасання часто вимірюють у Нп/см або, що те ж саме, в см -1 .

Внаслідок значної залежності коефіцієнта загасання ультразвуку від величини зерна металу цей коефіцієнт має досить великі коливання в тих виробах, які схильні до утворення разнозерністие структури, наприклад в великогабаритних поковках з аустенітної сталі.

З зростанням частоти коефіцієнт загасання збільшується, тому грубозернисті метали прозвучівают зазвичай на більш низьких частотах 0,5-1,8 МГц.

Трансформація УЗК.

Розглянуті вище процеси відображення УЗ-хвиль ставилися до нормального їх падінню на кордон розділу середовищ. При контролі зварних швів застосовують, як правило, похилі перетворювачі з введенням УЗК під деяким кутом до вертикалі. У загальному випадку при падінні поздовжньої хвилі похило під кутом ОІ до кордону двох твердих середовищ відбувається трансформація (розщеплення) цієї хвилі (рис. 5, а). Виникають два заломлені хвилі (поздовжня C l ' і поперечна C t ') і дві відбиті C l та C l . Кути заломлення і відображення залежать від швидкостей відповідних хвиль у даних середовищах. Цю залежність називають законом Снеллиуса. Записаний тільки для заломлення хвиль цей закон має вигляд

sin ОІ /C l = sin О± l /C l '= sin О± t /C t '.

При збільшенні кута падіння ОІ, який відповідає куту плексигласовий призми в похилих перетворювачах, кути введення УЗК в метал О± l і О± t також змінюються і вся діаграма як би повертається проти годинникової стрілки навколо точки 0 (рис. 5, б, в ). При цьому спочатку можливе зникнення в прозвучіваемом металі променя C l ', а потім - променя C t '. Кути ОІ відповідні зникнення поздовжньої, а потім поперечної хвиль у металі, називають відповідно першим і другим критичними кутами. Значенням ОІ КР1 відповідає кут О± l = 90 В°, а значенню ОІ КР2 кут О± t = 90 В°.


Малюнок 5. Відображення і заломлення поздовжньої хвилі на межі розділів двох твердих середовищ

При УЗ-дефектоскопії зварних швів у багатьох випадках доцільно вводити в метал тільки поперечну хвилю. Тому кут призми похилих перетворювачі вибирають звичайно в інтервалі між двома критичними значеннями:

(ОІ КР1 +3 В°) <ОІ <(ОІ КР2 -3 В°).

Поправку на 2-5 В° вводять для більшої перешкодозахищеності контролю: у першому випадку від поздовжньої, а в другому - від поверхневої хвилі.

Акустичний тракт.

Процеси перетворення енергії УЗ-коливань відбуваються в трьох так званих трактах УЗ-дефектоскопа: електроакустична, електричному та акустичному.

Електроакустичний тракт - це ділянка схеми дефектоскопа, який складається з

В

Електричний

Акустичним

2.

Відомо на рис. 1.

Активні

Активні

Методи

Історично тіні.


На екрані індикатора

Малюнок 7.

Близько

Чутливість До

2.3

Тіньовий (Рис. 8). В Чутливість

Тіньовий

Однак

Малюнок 8.

Приклад Цей Він дозволяє

Обидва поверхнею. періодичного профілю.

конструкцій. поєднаннях.

При Через електронною апаратурою.

Крім


Малюнок 10.нформации з індикатором

В іншому варіанті в контрольованій багатошарової конструкції за допомогою плоского пьезопреобразователя збуджують поздовжні пружні хвилі фіксованої частоти. Дефекти реєструють по зміні вхідного електричного імпедансу Z пьезопреобразователя. Імпеданс Z3 визначається вхідним акустичним імпедансом контрольованої конструкції, залежних від наявності та глибини залягання дефектів з'єднання між її елементами. Зміни імпедансу представляють у вигляді точки на комплексній площині, положення якої залежить від характеру дефекту. На відміну від методів, що використовують ізгібние хвилі, перетворювач контактує з виробом через шар контактної змазки.

Велосіметріческій метод, заснований на реєстрації зміни швидкості поширення дисперсійних мод пружних хвиль в зоні дефекту і застосовуваний при односторонньому і двосторонньому доступі до контрольованого об'єкту (рис. 11). У цьому методі зазвичай використовують перетворювачі з сухим точковим контактом. У варіанті з одностороннім доступом (рис. 11, верх) швидкість возбуждаемой випромінювачем антисиметричною хвилі нульового порядку (а 0 ) у відокремленому дефектом шарі менше, ніж у бездефектної зоні. При двосторонньому доступі (рис. 11, внизу) в бездефектної зоні енергія передається поздовжній хвилею L, в зоні дефекту - хвилями а 0 , які проходять більший шлях і поширюються з меншими швидкостями, ніж поздовжня хвиля. Дефекти відзначаються по зміні фази або збільшення часу проходження (тільки в імпульсному варіанті) по контрольованому виробі.

Малюнок 11. Велосіметріческій метод контролю; 1 - генератор; 2 - випромінювач; 3 - об'єкт контролю; 4 - приймач; 5 - підсилювач; 6 - вимірювач амплітуди; 7 - вимірник часу пробігу; 8 - вимірник фази

В локальному методі (мал. 12) порушуваний генератором 1 вібратор 10 створює періодичні удари по контрольованому виробі. Електричні сигнали з приймального мікрофона 4 через підсилювач 5 надходять на спектроаналізатор Р. Виділений останнім спектр прийнятого сигналу обробляється вирішальним пристроєм 11, результат обробки з'являється на індикаторі. Крім мікрофонів застосовують пьезопріемнікі.


Малюнок 12. Локальний метод вільних частот; 1 - генератор безперервних коливань мінливій частоти; 2 - випромінювач; 3 - об'єкт контролю; 4 - приймач; 5 - підсилювач; 6 - індикатор резонансу; 7 - модулятор частоти; 8 - індикатор; 9 - спектроаналізатор; 10-ударний вібратор; 11-блок обробки інформації

Дефекти реєструють по зміні спектра прийнятого імпульсного сигналу. На відміну від інтегрального методу контроль виконується шляхом сканування виробів. Звичайний діапазон робочих частот від 0,3 до 20 кГц.

Акустико-топографічний метод має ознаки інтегрального і локального методів. Він заснований на порушення у виробі інтенсивних згинальних коливань безперервно мінливої частоти і реєстрації розподілу амплітуд коливань за допомогою наносимого на поверхня порошку. Пружні коливання збуджують перетворювачем, притискають до сухого виробу. Перетворювач живлять від потужного (порядку 0,4 кВт) генератора безперервно мінливою частоти.

Якщо власна частота відокремленої дефектом (розшаруванням, порушенням з'єднання) зони потрапляє в діапазон порушуваних частот, коливання цієї зони посилюються, покриває її порошок зміщується і к...онцентрується по границям дефектів, роблячи їх видимими. Діапазон використовуваних частот від 40 до 150 кГц.


БІБЛІОГРАФІЯ

1. Альошин Н. П., Лупачев В. Г. Ультразвукова дефектоскопія: Справ, посібник. - Мн.: Виш. шк., 1987. - 271 с: ил.

2. Канівський І.Н., Сальникова Е.Н. Неруйнівні методи контролю: Навчальний посібник. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 243 с.

3. Довідник "Неруйнівний контроль та діагностика "В.В. Клюєв, Ф.Р. Соснін, А.В. Ковальов та ін Москва, видавництво "Машинобудування", 2003 р.