Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка методики и технических средств для ультразвукового контроля сварного изделия

Содержание

• Введение
• 1. Анализ характеристик объекта контроля
• 2. Сравнительный анализ известных методик ультразвукового контроля сварных швов
• 3. Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта)
• 4. Расчет и проектирование наклонного преобразователя
• 5. Разработка методики контроля
• 5.1 Выбор частоты УЗ волн
• 5.2 Выбор типа УЗ-волн и направления их распространения в изделии
• 5.3 Выбор способа контакта
• 5.4 Выбор мест ввода ультразвуковых волн и схемы сканирования
• 5.5 Выбор технических средств контроля
• 5.6 Выбор способа регистрации и расшифровки результатов контроля
• 5.7 Разработка метрологического обеспечения средств контроля
• 5.8 Описание мероприятий по технике безопасности и охране труда
• 6. Разработка вспомогательных средств для сканирования объекта
• 7. Расчет чувствительности и производительности контроля
• Заключение
• Список использованных источников

Введение

Неразрушающие методы контроля имеют очень важное значение для повышения качества и надежности изделий и материалов в различных областях народного хозяйства республики. Широкое распространение этих методов обусловлено тем, что они позволяют избежать больших потерь времени и материальных затрат.

В настоящее время широкое применение на различных машиностроительных предприятиях и предприятиях энергетики получили акустические методы контроля, в частности ультразвуковая дефектоскопия. По сравнению с другими методами неразрушающего контроля она обладает рядом важных преимуществ:

высокой чувствительностью к наиболее опасным дефектам типа трещин;

возможностью проводить контроль непосредственно в ходе технологического процесса, т.е. ультразвуковая дефектоскопия обладает большой производительностью;

хорошей возможностью автоматизации контроля.

Возможность автоматизации контроля позволяет разрабатывать и внедрять в производство различные автоматические комплексы для контроля изделий в процессе производства. В состав таких комплексов могут входить не только автоматические сканеры и блоки управления ими, дефектоскопы, но и ЭВМ. При разработке автоматических устройств широко применяется интегральная электроника, что существенно позволяет снизить количество применяемых элементов, габаритные размеры блоков, повысить их надежность.

В конструктивных документах на ультразвуковой контроль сварных соединений труб, выбор угла ввода и зоны перемещения преобразователя установлен исходя из геометрических характеристик сварного соединения. При этом предполагается, что скорости распространения поперечных волн постоянны по сечению трубы и не зависят от направления прозвучивания.

Объем применения ультразвукового контроля, как у нас, так и за рубежом за последние годы достиг 70-80%. Это объясняется более высокой чувствительностью и достоверностью к обнаружению дефектов, более высокой производительностью, меньшей стоимостью и безопасностью в работе с традиционными методами радиографического контроля. Кроме т ого, в таких случаях, как, например, при контроле сварных швов большой толщины ультразвуковая дефектоскопия является единственно приемлемым методом контроля.

ультразвуковой контроль сварной шов

1. Анализ характеристик объекта контроля

В данном дипломном проекте необходимо разработать методику и технические средства для УЗ контроля сварного изделия. В качестве сварного соединения будем рассматривать тавровое соединение труб. Тавровым называют сварное соединение, в котором торец одного элемента примыкает под углом и приварен к боковой поверхности другого элемента. При тавровом соединении угол между полкой и стенкой может быть как прямым, так и отличаться от него. Сочетание толщин может быть различным. Они часто встречаются в строительных конструкциях.

Различают несколько видов тавровых соединений: без скоса и со скосом кромок с одной или двух сторон. Угол обычно принимают равным 55-60^о, а зазор между соединяемыми элементами 0,5-1 мм [4]. Внешний вид объекта контроля представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Внешний вид объекта контроля

Технология изготовления сварного соединения, представляющего собой тавр, заключается в следующем: два листа, изготовленных из стали 20 (в данном случае), соединены с трубой при помощи ручной дуговой сварки по ГОСТ 5264-80.

Материал изделия - сталь 20 - сталь конструкционная углеродистая качественная, микроструктура такой стали, представляет собой зёрна со средним размером, около 60 мкм.

Акустические характеристики материала изделия приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Акустические характеристики материала изделия

Материал	Модуль упругости Е, Па	Модуль сдвига G, Па	Плотность	Коэффициент Пуассона	Скорость звука, м/с	Волновое сопротивление zпр, Пас/м10
					продольных волн	поперечных волн
Сталь20	1.9 109	80 1010	7,77103	0,28	5100	3210	45,6

Коэффициент затухания ультразвука частотой f=2,5 МГц для стали 20 равен = 0,009 дБ/мм для продольных и поперечных волн.

Для обеспечения качественного провара и формирования сварного шва выполняют подготовку кромок под сварку. Элементами геометрической формы подготовки кромок под сварку являются угол разделки кромок б, зазор между стыкуемыми кромками b.

Существующие способы сварки позволяют сваривать без разделки кромок металл ограниченной толщины - до 5 мм. Поэтому при сварке металла большой толщины необходимо разделывать кромки для доступа сварочной дуги в глубь соединения и полного проплавления кромок на всю их толщину.

Стандартный угол разделки кромок в зависимости от способа сварки и типа соединения изменяется от 45±2^о до 12±2^о. От типа разделки и величины разделки кромок зависят количество дополнительного металла для заполнения разделки, а значит и производительность сварки.

Притупление с обычно составляет 2±1 мм. Его назначение - обеспечить правильное формирование шва и предотвратить прожоги в корне шва.

Зазор b обычно равен 1-2 мм. Наличие зазора необходимо, чтобы проварить корень шва [4].

Рисунок 1.4 - Элементы геометрической формы подготовленных под сварку тавровых швов

Согласно ГОСТ 5264-80 существует несколько видов геометрической формы подготовленных кромок под сварку тавровых швов. Наиболее подходящим видом является соединение деталей с углом равным 90^о, толщиной изделия (исходя из задания) S=16 мм.

На рисунке 1.4 сварка выполнена с двумя скосами одной кромки, характер выполненного шва - двусторонний. Уловное обозначение соединения - Т8. Геометрические размеры такого соединения: е=12±2 мм; b=3±2 мм; к=0,15Sч0.5S, примем к=0,25S=4 мм; б=45⁰±2⁰; h=1-2 =9,5 мм. Для сварки соединения Т8 допускается притупление С=5±2 мм.

Основными дефектами сварного шва из данного материала являются непровары в корне шва, несплавления по кромкам шва, вертикальные и горизонтальные трещины, поры, цепочки пор и шлаковые включения [4].

Дефекты при сварке металлов образуются вследствие нарушения требований нормативных документов к сварочным материалам, подготовке, сборке и сварке соединяемых элементов, термической и механической обработке сварных соединений и конструкции в целом.

В сварных соединениях, выполненных ручной дуговой сваркой, различают дефекты в зависимости от причин возникновения и места их расположения.

К первой относятся дефекты, связанные с металлургическими и тепловыми явлениями, происходящими в процессе образования, формирования и кристаллизации сварочной ванны и остывания сварного соединения. Это кристаллизационные и холодные трещины в металле шва и околошовной зоне, поры, шлаковые каналы, флокены, зона несплавления, утяжины и другие.

Ко второй группе дефектов, которая называется дефектами формирования швов, т.е. дефекты, происхождение которых связано с нарушением режима сварки, неправильной подготовкой и сборкой элементов конструкции под сварку, неисправностью оборудования. К таким дефектам относят: непровары, подрезы, наплывы, прожоги, кратеры, несимметричность расположения угловых швов, уменьшение размеров швов и другие [4].

Наиболее опасными дефектами тавровых соединений являются трещины и непровары. Размеры выявляемых дефектов: b_min=1.5Ч10^-3 м, b_max=6Ч10^-3 м.

Трещина - несплошность, вызванная местным разрывом шва, который может возникнуть в результате охлаждения или действия нагрузок.

Различают несколько видов трещин:

микротрещина;

продольная трещина;

поперечная трещина;

радиальная трещина;

трещина в кратере;

раздельная трещина;

разветвленная трещина.

Чаще всего трещины образуются в жестко закрепленных конструкциях, они могут располагаться вдоль и поперек сварного соединения, а также в основном металле, в местах пересечения и сосредоточения швов.

Трещины являются наиболее опасными дефектами сварных швов. Трещины могут возникать в сварном шве и в околошовной зоне. Трещины по происхождению делятся на холодные и горячие, по расположению - на поперечные и продольные, по размерам - на макро - и микроскопические. Трещины в сварных швах образуются во время и после сварки. Образованию трещин способствует повышенное содержание углерода в наплавленном металле, а также серы, фосфора и водорода. Холодные трещины возникают при температурах 100-300°С в легированных сталях и при нормальных температурах в углеродистых сталях.

Причинами образования трещин являются несоблюдение технологии и режимов сварки, неправильное расположение швов в сварной конструкции, что вызывает высокую концентрацию напряжений, приводящих к полному разрушению изделия. Большие напряжения в сварных конструкциях возникают при несоблюдении заданного порядка наложения швов. Поверхностные трещины в сварных швах вырубают полностью и заваривают вновь. Чтобы в процессе вырубки трещина не распространялась дальше по шву, необходимо перед вырубкой засверливать трещины по концам.

Непровар - несплавление основного металла по всей длине шва или на участке, возникающее вследствие неспособности расплавленного металла проникнуть в корень соединения. Причинами образования непроваров являются: плохая подготовка кромок свариваемых деталей, малое расстояние между кромками деталей, неточное направление электродной проволоки относительно места сварки, недостаточный сварочный ток или чрезмерно большая скорость сварки, неустойчивый режим сварки и т.п.

Пора - несплошность сферической формы средним диаметром от 0,01 мкм до нескольких миллиметров в сплошном металле. Пористость в сварных швах появляется в результате, того, что газы, растворенные в жидком металле, не успевают выйти наружу до затвердевания поверхности шва. Поры делают сварной шов неплотным и уменьшают его механическую прочность. Причинами образования пор являются плохая зачистка свариваемых кромок и присадочной проволоки от грязи, ржавчины, масла, повышенное содержание углерода в основном металле, большая скорость сварки, неправильный выбор характера сварочного пламени и марки проволоки. Газовые поры располагаются цепочкой на некотором расстоянии друг от друга или в виде скоплений размером от сотых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Иногда поры выходят на поверхность, образуя свищи. Поры могут быть внутренние, наружные и сквозные. Участки сварных швов с порами исправляют вырубкой дефектных мест до основного металла с последующей заваркой. []

Внешний вид трещин представлен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Внешний вид трещин сварного шва таврового соединения

Непровар в тавровом соединении выглядит следующим образом:

Рисунок 1.6 - Внешний вид непровара сварного шва таврового соединения

Пора в тавровом соединении выглядит следующим образом:

Рисунок 1.7 - Внешний вид поры сварного шва таврового соединения

2. Сравнительный анализ известных методик ультразвукового контроля сварных швов

Дефекты в тавровых соединениях долгое время контролировали визуально-оптическими методами контроля. В настоящее время существует множество методов ультразвуковой дефектоскопии таких соединений. Наибольшее распространение из ультразвуковых методов контроля получил эхо-метод. Он обладает наибольшей чувствительностью и помехоустойчивостью. Другие методы применяют в тех случаях, когда применение эхо-метода затруднено или нецелесообразно.

Теневым методом контролируют изделия простой формы (например, листы небольшой толщины) и некоторые слоистые материалы (например, паяные). Как правило, он требует доступа к двум поверхностям изделия. Зеркально-теневой метод применяют при доступе к одной поверхности, когда дефекты не дают эхо-сигнала (например, из-за наличия "мертвой" зоны, или в связи с неблагоприятной ориентацией дефекта).

1 - генератор; 2 - усилитель; 3 - ЭЛТ; 4 - ПЭП; 5 - шов

Рисунок 2.1 - Контроль зеркально-теневым методом

Ультразвуковой контроль сварных швов тавровых соединений, может производится как со стороны основного элемента, так и со стороны притыкаемого элемента. Способ контроля зависит от толщин этих элементов.

Контроль сварного шва таврового соединения с полным проплавлением стенки ведется с применением трех схем (рисунок 2.1).

В зависимости от доступа к швам контроль ведут наклонными, а также раздельно-совмещенными преобразователями.

Рисунок 2.2 - Схемы контроля двусторонних швов тавровых соединений.

Наиболее эффективной является схема ввода ультразвуковых колебаний через основной металл провариваемого листа (схема I), так как она позволяет выявить все виды внутренних дефектов в сварных швах при минимальном уровне ложных сигналов.

При контроле тавровых соединений появление ложных сигналов может быть обусловлено только отражением от грубых неровностей на наружной поверхности плоскости полки, встречающихся весьма редко и связанных с повреждением металла. В тех случаях, когда затруднен доступ со стороны стенки, то есть невозможно проведение контроля по схеме I, прозвучивание выполняют по схемам II и III. контроль по схеме II обеспечивает выявление пор, шлаковых включений, несплавлений и трещин, ориентированных перпендикулярно к ультразвуковым лучам. Однако контроль по такой схеме осложняется необходимостью ориентировки преобразователя относительно соединения и появлением ложных эхо-сигналов от поверхности противоположного валика шва (рисунок 2.2), причем амплитуда ложного эхо-сигнала обычно выше амплитуды сигнала от дефекта. Разделение полезных и ложных сигналов производится по времени прохождения ультразвуковых колебаний.

Выявить непровар в корне шва при контроле по схеме II практически невозможно, так как ультразвуковые лучи испытывают зеркальное отражение. Этот опасный дефект при доступе для контроля только с наружной поверхности полки обнаруживается по схеме (рисунок 2.3) с помощью раздельно-совмещенного преобразователя или двух жесткосоединенных наклонных преобразователей, включенных по раздельной схеме.

а - с порой; б - с непроваром в корне шва; в - с трещиной; Л - ложные эхо-сигналы; Н, Т, П - эхо-сигналы соответственно от непровара, трещины, поры.

Рисунок 2.3 - Анализ схем контроля тавровых соединений

Одним из условий, обеспечивающих наиболее вероятное выявление дефектов по сечению шва, является правильный выбор угла ввода УЗ-луча в контролируемое соединение.

Целесообразно использовать преобразователи с такими углами б и стрелой n₀, при которых обеспечивается контроль нижней части шва прямым, в верхней - однократно отраженным лучом. Это считается возможным, если центральный луч преобразователя при расположении его вплотную к шву проходит через середину шва или выше ее [5].

При контроле нижней части шва таврового соединения (рисунок 2.1) это условие может быть проверено по соотношением:

(2.1)

Верхнюю часть шва этих соединений целесообразно проверять преобразователями с таким углом ввода:

(2.2)

Тавровые соединения с технологическим непроваром определенной ширины в корне контролируют со стороны полки. При этом ширину непровара определяют по испытательному образцу.

При изготовлении ряда тавровых конструкций в центре допускается конструктивный непровар, размер которого требуется определить. Существует 2 метода измерения ширины непровара в шве и модели непровара, выполненных в СОП, сравнением амплитуд эхо-сигналов от непровара в шве и бесконечной плоскости (безэталонный метод, предложенный Гурвичем). В обеих методиках используют ПЭП конструкции НИИ мостов, которые представляют собой призму с приклеенным к ней пьезоэлементами, наклоненными под углом, обеспечивающим пересечение диаграмм направленности искателей на глубине, равной толщине полки.

При перемещении ПЭП по наружной поверхности полки в случае полного провара и отсутствия других крупных дефектов ультразвуковые колебания от передающего ПЭП через зону наплавленного металла переходят без отражений в лист стенки. Если же в соединении окажется непровар, то часть УЗ-колебаний отразятся от него к приемному ПЭП. Амплитуды эхо-сигнала зависят в основном от ширины непровара 2b. При измерении ширины непровара по первому способу применяют специальный СОП, изготовленный из того же материала, что и полка. В СОП делают прорези различной ширины на глубине, соответствующей толщине полки Н.

Соединения с недопустимой величиной непровара 2b конструируют на такой чувствительности, при которой в СОП выявляются прорези шириной 2b мм. При таком уровне чувствительности дефектоскопа будут уверенно выявляться непровары, ширина которых превосходит допустимую величину на 1 мм и более. Практикой установлено, что погрешность в определении ширины непровара не превышает 1-1.4 мм. Влияние качества поверхности на результаты измерения и необходимость использования СОП исключаются при безэталонном методе.

Безэталонный метод основан на сравнении амплитуды эхо-сигнала от непровара А с амплитудой эхо-сигнала от бесконечной плоскости Ао, расположенной на той же глубине, что и непровар. В качестве такой плоскости следует использовать полки. Безэталонный метод может быть реализован с помощь дефектоскопов, имеющих калиброванный аттенюатор. В связи с тем, что этот метод основан на сравнении амплитуд эхо-сигналов от непровара А и плоскости Ао, контролю должен предшествовать расчет зависимости или ее экспериментальное построение.

Проанализировав все вышеописанные методики ультразвукового контроля сварных швов тавровых соединений можно сделать вывод о методе контроля и схемах прозвучивания.

Для выявления дефектов будем использовать эхо-импульсный метод контроля, который осуществляется со стороны полки наклонным преобразователям прямым и однократно отраженным лучом. Схемы прозвучивания соединения для выявления трещин и несплавлений по кромкам выглядит следующим образом:

Рисунок 2.6 - Схемы прозвучивания

В данном случае используется контактный наклонный совмещенный ПЭП. Контроль ведется прямым и однократно-отраженным лучом. Такой способ позволяет прозвучивать изделия с одной стороны, а также прозвучать мертвую зону. Недостаток этого способа - зависимость предельной чувствительности к дефектам, выявляемым отраженным лучом, от состояния поверхности.

Для выявления непровара в корне шва и технологического непровара будем использовать контактный прямой совмещенный ПЭП и контроль будем вести прямым лучом. Преобразователь располагается на полке таврового соединения.

Рисунок 2.7 - Схема прозвучивания

Сегодня на практике для осуществления эхо-метода возможно использование широкого перечня приборов. Опишем некоторые из них.

GE Phasor XS

Дефектоскоп GE Phasor XS переводит испытанные преимущества технологии фазированной решетки на новый - и доступный - уровень. Этот переносной и прочный прибор объединяет преимущества фазированной решетки с обычным ультразвуковым дефектоскопом, отвечающим принятым нормам. Он прост в использовании, легок в обучении и предлагает специально разработанные практичные и важные функции.

При использовании в режиме фазированной решетки, оператор может электронным образом контролировать несколько лучей от одного датчика. Точное управление лучом, включая угол, фокус и размер, приводит к повышению вероятности обнаружения (POD), а также улучшению определения размеров дефектов. С помощью одного скана от одного контактного положения, охватывается большая площадь, а исчерпывающие данные могут просматриваться в реальном времени на полноценном секторном дисплее. В сравнении с обычными ультразвуковыми средствами контроля, производительность и снижение затрат при использовании дефектоскопа Phasor XS очевидны.

Если при проведении обычного ультразвукового контроля требуется другой угол, оператор должен заменить свой датчик и вновь визуализировать интеграцию новой информации. При этом отображается другая временная развертка и другой уровень чувствительности. Несмотря на то, что такая операция не представляет проблем для опытного оператора, на это требуется время. Благодаря возможностям дефектоскопа Phasor XS, эти неудобства минимизируются радикально.

Формирование цветного изображения в реальном времени дефектоскопом Phasor XS обеспечивает интегрированную перекрестную визуализацию детали, благодаря использованию нескольких лучей. Кроме того, для отображения в комбинации с изображением, может быть выбран одиночный А-скан. С использованием одного датчика вы можете достичь больших результатов, чем когда-либо ранее - и за более короткое время.

Дефектоскоп УСД-60

Новый универсальный ультразвуковой дефектоскоп позволяющий воспользоваться всем богатством возможностей современной цифровой техники: выводить сигнал в виде А,B - сканов, подключать датчик пути для построения координатной развертки изделия (в специализированных версиях), записывать большой объем данных, автоматически формировать отчеты и протоколы. Позволяет измерять толщину изделий с высокой точностью, проводить ручной, автоматизированный контактный и иммерсионный (специальная и-зона) контроль.

Универсальная архитектура прибора позволяет строить на его базе механизированные и роботизированные комплексы контроля (до 32-х каналов)

Дефектоскоп сочетает в себе последние достижения аналоговой и цифровой техники, широкую универсальность, богатые функциональные возможности, удобство и простоту пользования, высокую надежность.

Технические характеристики дефектоскопа:

1. Развертка

мин.: 0 - 2,67мкс

макс.: 0 - 1000 мкс

с шагом 0,01/0,1/ 1/ 10/ 100 мкс

2. Задержка

от - 4 мкс до 1000мкс

с шагом 0,01/0,1/ 1/ 10/ 100 мкс

3. Максимальная длина контролируемого материала

до 6000 мм (эхо-режим)

4. Диапазон скоростей

1000 - 9999 м/с

5. Задержка в призме

0 - 100 мкс

с шагом 0,01/0,1/ 1 и 10мкс

6. Демпфирование

25 ом / 50 ом/ 1000 Ом

7. Входной импенданс

50 ом / 600 ом

8. Зондирующий импульс

радиоимпульс, амплитудой 50 или 200 В,

с изменяемой длительность от 16 до 500 нс,

с шагом 16 нс

9. Демпфер зондирующего импульса

регулируемый от 0 до 15 полупериодов

с задержкой демпфирования от 0 до 7 полупериодов

10. Частота повторений ЗИ

регулируемая от 20 до 2000Гц

с шагом 1/ 5/ 10 или 100Гц

11. Усилитель

широкополосный 0.4-20 МГц (-6 дБ)

12. Диапазон регулировки усиления

100 дБ, с шагом 0.5, 1, 2 или 6 дБ

13. Временная Регулировка Чувствительности (ВРЧ)

диапазон до 70 дБ, 12 дб/мкс

с построением кривой по 32 опорным точкам

введенным вручную или от контрольных отражателей

14. Кривая Амплитуда-Расстояние (АРК)

построение по 32 точкам, регулируемая по высоте

15. Детектирование

положительная или отрицательная полуволна,

полное, радиосигнал (во всем диапазоне развертки), B-scan, C-скан

16. Отсечка

компенсированная, 0 - 90% высоты экрана

17. Зоны контроля

три независимых зоны, начало и ширина

изменяются во всем диапазоне развертки,

уровни порогов задаются от 0 до 95%

высоты экрана при детектировании и

от - 95% до +95% при радиосигнале с шагом

1%, индивидуальная логика определения дефектов.

Одна из зон (и-зона) предназначена для синхронизации от поверхностного сигнала при иммерсионном контроле

18. Автоматическая Сигнализация Дефектов (АСД)

световая для каждой зоны отдельно и звуковая,

индивидуальная логика определения дефекта в зоне

19. Измерение временных интервалов

от 0 до первого сигнала в зоне или между

сигналами в зонах, по фронту или по максимуму

сигнала

20. Измерение амплитуды

в процентах от высоты экрана,

в дБ относительно уровня порога в зоне,

в дБ относительно опорного сигнала,

в дБ относительно кривой амплитуда-расстояние

21. Дисплей

Цветной, TFT 640 х 480 точек

130 х 100 мм

22. А-сигнал

480 x 300 точек в стандартном режиме

23. Память

500 настроек с А-сигналом

5000 протоколов контроля (сигнал, огибающая, результат измерения, параметры работы прибора, дата, время и название протокола)

24. Интерфейс

RS232/Ethernet

25. Разъемы преобразователей

2 СР50 или Лемо0 (по заказу)

26. Аккумулятор

Li-ion 8 А/ч

27. Время работы

7-8 часов от аккумуляторов

28. Внешнее питание

блок питания 220 В AC

29. Диапазон рабочих температур

от - 20 C до +50 C

30. Размер (В x Ш x Д)

190 мм x 285 мм x 50 мм

31. Масса

3 кг с аккумуляторами

УД2-70

Предназначен для контроля продукции на наличие дефектов типа нарушения сплошности и однородности материалов, готовых изделий, полуфабрикатов и сварных (паяных) соединений, измерения глубины и координат залегания дефектов, измерения отношений амплитуд сигналов, отражённых от дефектов.

Особенности дефектоскопа:

два независимых измерительных строба

система автоматической сигнализации дефектов

возможность запоминания: 100 программ настроек, 100 изображений экрана, 2000 результатов измерения параметров сигналов

режим "электронная лупа"

режим "стоп-кадр"

функция "замок"

режим связи с ПЭВМ

протоколирование процедуры контроля с использованием программного обеспечения "Ultra UD2-70".

УД4-76

Предназначен для ручного и механизированного ультразвукового контроля материалов, заготовок, изделий и оборудования, съема и сохранения томограмм.

Особенности дефектоскопа:

работа с любыми типами пьезоэлектрических преобразователей;

измерение эквивалентных и условных размеров дефектов;

функция "толщиномер";

развертки типа А-скан, В-скан;

синхронизация: внутренняя, внешняя, от датчика пути;

контроль скорости сканирования;

различные формы детектирования: РЧ / 2п. п. / +п. п. / - п. п.;

набор функций регулировки усиления, в том числе АРУ, ВРЧ;

интерфейс автоматической калибровки параметров ПЭП и объекта контроля;

несколько режимов работы с АРД диаграммами;

два независимых трехуровневых измерительных строба;

два дополнительных специальных строба;

возможность контроля акустического контакта;

система АСД по всем уровням стробов;

индикация АСД на ярких трехцветных светодиодах;

усовершенствованный режим пиковой кривой;

режим наложения текущего сигнала на зафиксированный ранее (режим "стоп-кадр");

построение спектра сигнала;

динамическое изменение характеристик генерирующего тракта в зависимости от включаемых частотных фильтров;

разметка экрана по отражениям сигнала в объекте контроля;

возможность использования специального программного интерфейса;

возможность выбора структуры меню по двум схемам: "Пользователь" / "Эксперт";

возможность создания голосовых комментариев ко всем типам сохраняемых данных;

большой высокоскоростной TFT дисплей;

сохранение и вызов настроек контроля;

связь с ПЭВМ через USB порт.

Основные технические характеристики:

УД3-103

Основные параметры:

частотный диапазон - частота УЗК 0,4; 0,62; 1,25; 1,8; 2,5; 5,0 и 10,0 МГц. Область низких частот может оказаться полезной для контроля чугунов, пластмасс и других материалов с большим затуханием УЗК, а частота 10,0 МГц - для контроля изделий малой толщины и выявления мелких дефектов;

встроенный толщиномер;

режим "радиосигнала";

предусмотрен специальный режим толщиномера с индикацией сигналов на А-развертке. При этом предусмотрена возможность измерения как по первому, так и по двум донным сигналам. На экране дефектоскопа может индицироваться как среднее, так и минимальное из измеренных значений. Разрешающая способность толщиномера до 0,01 мм. Для сохранения результатов измерений толщины в памяти дефектоскопа предусмотрен специальный отчет, который может быть сохранен в ПЭВМ и (или) распечатан;

расширен динамический диапазон ВРЧ (до 60 дБ);

по требованию потребителя может быть предусмотрена возможность подключения дополнительной аккумуляторной батареи для увеличения времени работы дефектоскопа в полевых условиях;

удобное управление;

режим "вихреток" * - частототный диапазон до 100,0 кГц. Динамический и статический режимы контроля. Метод контроля - фазовый и амплитудный.

А1214 ЭКСПЕРТ

Ультразвуковой дефектоскоп А1214 ЭКСПЕРТ - полностью цифровой, малогабаритный ультразвуковой дефектоскоп общего назначения. Обеспечивает реализацию типовых и специализированных методик ультразвукового контроля, высокую производительность и точность измерений.

Назначение

контроль сварных швов

поиск мест коррозии, трещин, внутренних расслоений и других дефектов

определение координат и оценка параметров дефектов типа нарушений сплошности и однородности материала в изделиях из металлов и пластмасс

измерение толщины изделия

Технология ручного УЗ-контроля состоит из ряда простых и сложных операций. Оператор перемещает преобразователь в околошовной зоне по сложной траектории, непрерывно наблюдает за экраном дефектоскопа и выполняет логические операции по переработке полученной информации и оценке качества контролируемого изделия. Такая напряженная работа приводит к быстрому физическому утомлению оператора, вследствие чего происходит пропуск дефектов.

Одним из основных недостатков ручного контроля является то, что после него не остается объективных документов (дефектограмм), по которым можно было бы контролировать работу операторов. Это обусловливает зависимость оценки качества контролируемого изделия от квалификации, физического состояния и условий работы оператора.

Автоматизация контроля значительно повышает его производительность и достоверность. Повышение достоверности достигается тем, что фиксация обнаруженных дефектов производится не визуально оператором, а за счет получения дефектограммы на бумажной ленте с помощью какого-либо регистрирующего устройства.

Автоматизированное устройство для УЗ-контроля должно включать следующие основные узлы: акустический блок с преобразователями и механизмом для их перемещения по поверхности контролируемого изделия; система слежения за швом соединений и качеством акустического контакта; электронный блок для генерирования зондирующих импульсов и приема эхо-сигналов; систему подачи и сбора контактной жидкости; электронный блок для логической обработки информации о дефекте, включая ЭВМ, регистраторы информации на дефектограмме в аналоговой или цифровой форме; систему обратной связи для управления траекторией и скоростью сканирования в зависимости от полученной информации о дефекте; систему автоматической отбраковки и др.

Уровень автоматизации установки определяется наличием в ней упомянутых систем. Если все эти системы входят в конструкцию установки, то достигается полная автоматизация контрольных операций. Такие установки называют автоматическими стендами. Стенды - весьма сложное, громоздкое и дорогостоящее оборудование, поэтому применять их на производстве не всегда целесообразно.

Автоматизации обычно предшествует разработка и внедрение методов и средств механизации. Вначале отдельные операции ручного контроля должны быть заменены механизмами и устройствами с механическим двигателем. Во многих случаях достаточно механизировать (частично автоматизировать) контрольные операции, передав автоматизированному устройству, например, функции поиска и регистрации дефектов. Такие устройства менее сложны по конструкции и могут быть выполнены в виде малогабаритных дефектоскопов.

Важно отмстить, что применение этих упрощенных устройств не должно влиять на достоверность контроля. Поэтому выбор конструкции установки и оптимизация параметров автоматического контроля должны производиться на основе закономерностей статистического распределения дефектов в контролируемых изделиях по местоположению, ориентации, типу, величине и другим признакам.

Сканер HSFCS-XY01 (рисунок 2.18). Это гибкий сканер, обладает необходимой гибкостью для контроля неровных и наклонных поверхностей. Система множественных чашечных присосов держит сканер на детали. HSFCS-XY01 также может быть оснащен чашечными присосами, активируемыми вручную, что исключает необходимость использования компрессора (рисунок 2.19).

Рисунок - Гибкий сканер HSFCS-XY01

Рисунок - Гибкий сканер HSFCS-XY01 с чашечными присосами активируемыми вручную

Гибкая ось X:

передвижной модуль прикреплен к каретке на колесиках с механизмом быстрого освобождения;

рельса сконструирована с петлей на одном конце, для предохранения сканера от случайных падений.

Характеристики:

общая протяженность хода до 3000 мм;

разрешение кодировщика - 10 ед/мм;

минимальны внешний изгиб - 360 мм;

минимальный внутренний изгиб - 360 мм;

шесть вакуумных генераторов смонтированных на коллекторе с подачей воздуха и выпускным отверстием;

сила удержания - 30 кг на чашку.

Жесткая ось Y:

алюминиевая направляющая с твердым анодированным покрытием, 16 мм в диаметре, с зубчатой рейкой из нержавеющей стали;

направляющая не двигается под своим собственным весом;

конструкция каретки позволяет поворачивать ось Y, что дает возможность, для измерений по траектории не параллельной оси Y.

GRP - ультразвуковая установка (рисунок 2.21) для контроля всего тела трубы с системами стационарных преобразователей или с вращающимися преобразователями для бесшовных труб и труб, сваренных контактной сваркой. Имеются модели для различных техник контроля труб диаметров от 20 до 660 мм.

Характеристики установки GRP

Выявление продольных, поперечных, др. формы дефектов, расслоения; измерение толщины стенок и вычисление эксцентричности

Стандартные преобразователи или CLUSTER (до 9 преобразователей в держателе)

Техника PAINT BRUSH для дефектов нестандартной формы (+/ - 20-градусов) или техника фазированной решетки для выявленных дефектов нестандартной формы

Ручной сканер типа 4030 для труб.

Этот двухкоординатный сканер предназначен в основном для растрового сканирования труб и объектов с выпуклыми или вогнутыми поверхностями. Конструктивно он подобен автоматизированному сканеру без двигателей. По сравнению со сканером типа 4020, он обеспечивает более высокую точность позиционирования. Магнитные колёса обеспечивают надежное сцепление с контролируемой поверхностью объекта контроля (или с направляющей для объектов из немагнитных материалов). Сканер сконструирован для контроля труб диаметром от 50мм и выше. Сменные направляющие (ось Y) позволяют сканировать как достаточно большие площади, так и ограниченные зоны в труднодоступных местах. Сканер снабжен тормозами для предотвращения ненужного движения в одном направлении, в то время как преобразователь перемещают по второй оси. Сканер типа 4030 показан с направляющей длиною 300мм. [6]

Сканирующее устройство СКТТ-Ц на базе дефектоскопа УД4-94-ОКО-01 предназначено для проведения механизированного ультразвукового контроля тела трубы с целью обнаружения дефектов типа продольных, поперечных трещин и расслоений [6].

Вывод: для данного сварного соединения наиболее оптимальным является использование эхо-импульсного метода контроля, так как он обеспечивает полное сканирование шва во всех направлениях. Для контроля будем использовать совмещенный наклонный преобразователь. Корень шва будем контролировать прямым лучом, а верхнюю часть шва однократно-отраженным лучом.

Оптимальными для контроля приборами являются: дефектоскоп УСД-60, УД2-70, УД4-76.

3. Выбор метода контроля (теоретический анализ акустического тракта)

Из вывода, полученного в пункте 2 следует, что контроль сварного шва таврового соединения будет вестись эхо-импульсным методом контроля, так как данный метод обладает простотой реализации и достаточной помехоустойчивостью, метод обладает преимуществом одностороннего доступа к поверхности объекта контроля, имеет наибольшую чувствительность к выявлению внутренних дефектов. Этим методом контролируют около 90% всех сварных соединений толщиной 4 мм и более. Прозвучивание стыкового сварного шва производится наклонным преобразователем по поверхности полки.

Дефекты типа трещин и пор будем контролировать прямым и однократно отраженным лучами наклонным преобразователем, а непровары в корне шва - прямым лучом.

В сварных швах возможны дефекты в виде пор, трещин и непроваров в корне шва. Эти дефекты моделируются сферой, диском и бесконечной полосой.

Рассмотрим схему обнаружения трещин:

Рисунок 3.2 - Схема для расчета акустического тракта при контроле наклонным преобразователем однократно-отраженным лучом

Уравнение акустического тракта для диска площадью S_b имеет следующий вид:

(3.1)

где - коэффициент прохождения через границу раздела;

- площадь ПЭП;

- площадь отражателя;

- номинальный угол ввода преобразователя;

- номинальный угол призмы преобразователя;

r - длина пути УЗ до дефекта в изделии;

- путь в призме до мнимого источника;

д - коэффициент затухания в изделии;

д_пр - коэффициент затухания в материале призмы.

R_{no -} действительный путь в призме

Исходя из известных параметров, преобразуем формулу 3.1.

Приведенный путь ультразвука в призме преобразователя будет определяться выражением:

(3.2)

где - действительный путь в призме;

и с - скорости УЗ-волн в призме и изделии.

Длина пути до дефекта в изделии

(3.3)

Т.к. дефект может быть ориентирован под любым углом, то

(3.4)

Исходя из формул (3.3); (3.4) выражение (3.1) примет вид:

(3.5)

Рассмотрим схему обнаружения пор:

Рисунок 3.3 - Схема обнаружения пор

Уравнение акустического тракта для сферы имеет вид:

(3.6)

С учетом формулы (3.2) и (3.4) выражении (3.6) примет вид:

(3.7)

С учетом всех известных формул, выражение (3.7) примет вид:

(3.8)

Рассмотрим схему обнаружения непроваров:

Рисунок 3.4 - Схема обнаружения непроваров

Уравнение акустического тракта для бесконечной полосы:

(3.9)

Уравнение акустического тракта для бесконечной полосы имеет вид:

(3.10)

С учетом формулы всех известных выражений (3.10) примет вид:

(3.11)

Таким образом, был проведен анализ акустического тракта в общем виде, для получения конкретных выражений необходимо подставить в выражения (3.5), (3.8), (3.11) значение параметров пьезопреобразователя, которые будут рассчитаны далее.

4. Расчет и проектирование наклонного преобразователя

Выбор, расчет и проектирование пьезоэлектрического преобразователя определяется конфигурацией изделия, условиями доступа для проведения контроля, наиболее вероятным месторасположением, типом и ориентацией дефектов, наличием ложных сигналов и т.д.

Для контроля заданного изделия, согласно принятой схеме прозвучивания и сканирования, используется наклонный преобразователь.

С помощью наклонного преобразователя в контролируемое изделие вводятся поперечные волны. Это обеспечивается благодаря тому, что в наклонный преобразователь имеет призму (линию задержки), на которую под определенным углом приклеивается пьезопластина. Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляются, трансформируются и частично отражаются в призму. Для контроля заданного изделия выбраны поперечные волны. Для того, чтобы в изделие вводился только этот тип волн, необходимо, чтобы угол призмы находился между первым и вторым критическими углами.

Для расчета преобразователя в качестве необходимых начальных данных нужно знать рабочую частоту и размер пьезопластины.

Найдем рабочую частоту.

Оптимальное значение рабочей частоты можно определить, решая задачу достижения максимальной предельной чувствительности на основе анализа формул акустического тракта при заданном значении максимальной акустической чувствительности дефектоскопа Р_min/P, где Р_{min -} наименьший акустический сигнал, регистрируемый аппаратурой. Для преобразователя без задержки должно выполняться условие:

(4.1)

где S_а - площадь пьезопластины;

S_{в -} минимальная площадь дефекта.

В данном выражении частотно-зависимыми являются величины л и д. При этом в области л>10D коэффициент затухания определяется формулой

(4.2)

где А и В - константы. Для стали А=0.1, В= 105, а в области 4??10 формулой

л=А₁Df^{2 (}4.3)

Решая задачу о максимуме чувствительности с учетом формул (4.1 - 4.3) можно записать уравнение для нахождения оптимальной частоты при контроле объектов с мелкозернистым материалом:

(4.4)

Расчетным путем определяем, что f_opt=1.99 МГц. Примем f_р=2,5 МГц, согласно стандартному ряду частот.

Наклонный пьезоэлектрический преобразователь состоит из пьезопластины, призмы и корпуса.

1 - пьезопластина; 2 - призма; 3 - электроды; 4 - демпфер; 5 - корпус;

6 - соединительный кабель.

Рисунок 0. 1 - Эскиз совмещенного наклонного пьезопреобразователя

Основным элементом преобразователя является пьезопластина. Материал пьезопластины - ЦТС-19.

Таблица 8 - Характеристики ЦТС-19. [7]

Плотность , кг/м3	Скорость звука СЕ, м/с	Температура точки Кюри Т, 0С	Пьезо-модуль dik, Кл/Н	Модуль Юнга м, Па	Коэффициент Пуассона у	Характери-стический импеданс Z, Па/м
7	(3,3±0,3)	290	200	(0,55-0,85)	0,38	23

Характеристики этого материала приведены выше. Демпфер в наклонных преобразователях, как правило, отсутствует [5].

Далее необходимо выбрать материал призмы, угол ее наклона и геометрические параметры. Материал призмы должен удовлетворять целому ряду требований [8]. В качестве материала призмы выберем органическое стекло, так как его целесообразно применять в диапазоне частот 1,5.5 МГц. Характеристики данного материала представлены в таблице 4.2.1.

Таблица 4.2.1 - Характеристики органического стекла

Плотность 10-3. г/см3	Скорость продольной волны Сl, м/с	Скорость поперечной волны Сt, м/с
1,18	2670	1120

Толщину пьезопластины определим из следующего соотношения:

(4.5)

Оптимальный параметры пьезопластины составляют:

. (4.6)

Для радиус пьезопластины . Выберем .

Угол наклона призмы в должен обеспечивать введение в объект контроля волн требуемого типа под нужным углом. Так как в нашем случае необходимо вводить поперечные волны, то угол наклона призмы выбираем таким, чтобы он был между первым и вторым критическим углом.

(4.7)

где - первый критический угол;

Сl - скорость продольной волны в призме;

Сt - скорость продольной волны в изделии.

(4.8)

где - второй критический угол;

Сl - скорость продольной волны в призме;

Сt - скорость поперечной волны в изделии.

Согласно [3], для деталей с толщиной 16 мм применим угол ввода в объект контроля б=65⁰.

Для определения угла ввода луча воспользуемся законом Снеллиуса:

(4.9)

Получим,

(4.10)

Выберем угол призмы 49°, для данного значения б:

(4.11)

Необходимо отметить, что лучи, выходящие из призмы, в дальней зоне распространяются в виде расходящегося пучка лучей. Крайними лучами расходящегося пучка следует считать те, амплитуды которых уменьшаются до 20 дБ по сравнению с центральным лучом. Учет расхождения пучка лучей дает дополнительные ограничения на выбор угла наклона в. При этом должны выполняться:

условие отсутствия продольной волны

(4.12)

условие отсутствия поверхностной волны

(4.13)

где - скорость поверхностной волны в изделии,

в₁ - угол между акустической осью и крайним лучом.

Найдем в₁

(4.14)

Тогда

, (4.15)

(4.16)

Следовательно, , так как 42.18°?31.57°.

Проверим отсутствие поверхностной волны по условию (4.11)

. (4.17)

(4.18)

Следовательно, , так как 55.82°?62.5°.

Таким образом, продольная и поверхностная волна в объекте контроля отсутствуют.

Форма призмы и ее размеры выбираются такими, чтобы они обеспечивали отсутствие ложных импульсов. Для этого необходимо, чтобы отраженные от поверхности призма-изделие волны не попадали на пьезопластину. В ближней зоне пьезоэлемента излучаемую волну можно считать слабо расходящейся. Тогда требования таковы, что луч AA, выходящий из нижней части пьезопластины после отражения от нижней поверхности призмы с учетом трансформации, не должен попадать на верхнюю часть пьезопластины, а луч BB, выходящий из верхней части пластины не должен попадать на ребро двугранного угла. Эти условия можно записать в следующем виде:

, (4.19)

где - угол отражения поперечной волны,

где с_tп - скорость поперечных волн в призме, м/с.

Отсюда

(4.20)

Принимаем AD=4 мм.

Стрела преобразователя n определяется по формуле:

(4.21)

Путь центрального луча в призме определяется из условия:

(4.22)

r_n0=

Таким образом, все отраженные волны должны попадать в ловушку и, испытывая в ней многократные отражения до попадания на пьезоэлемент, должны ослабнуть не менее чем на 60 дБ. Ослабление центрального луча в призме на пути от пластины до объекта должно быть не более 10 дБ.

Рисунок 4.1 - Расчетная схема призмы преобразователя

Акустическое поле преобразователя с линией задержки можно приближенно оценить введением мнимого пьезоэлемента. Направление акустической оси мнимого излучателя определяется углом ввода центрального луча в изделие. Расстояние вдоль акустической оси от точки ввода до мнимого пьезоэлемента вычисляется по формуле:

(4.13)

Мнимый излучатель строится перпендикулярно акустической оси, а его размеры принимают равными размеру преломленной лучевой трубки реального излучателя, как показано на рисунке 4.2 Для дискового пьезоэлемента мнимый излучатель будет иметь форму эллипса с осью 2а₁ в плоскости падения равной:

2а₁=2acos () /cos () =26cos65є/ cos49є=7.68 (мм) (4.14)

Вторая ось будет иметь размер 2a=12 мм.

Рисунок 4.2 - Схема расчета поля преобразователя с акустической задержкой

Определим параметры ближней и дальней зоны преобразователя по формулам:

(4.15)

угол раскрытия основного лепестка

. (4.16)

С помощью программы Sonic были получены результаты расчета наклонного и прямого преобразователей при отражении эхосигнала от диска, сферы и бесконечной полосы.

5. Разработка методики контроля

5.1 Выбор частоты УЗ волн

Частота контроля определяется в основном коэффициентом затухания, минимальными размерами выявляемых дефектов и габаритами контролируемого изделия. Зная эти характеристики, можно оценить и выбрать оптимальную частоту, которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля при минимальных потерях ультразвуковой энергии на рассеяние и поглощение.

Следует иметь в виду, что чем выше частота, тем меньше длина волны и тем лучше условия отражения от дефектов. Кроме того, повышение частоты увеличивает направленность излучения и приема, что ведет к возрастанию отношения отраженной от дефекта энергии к общей энергии, вводимой в изделие. Однако с повышением частоты повышается коэффициент затухания ультразвука, ухудшаются условия прохождения волн через поверхность ввода, увеличивается интенсивность отражений от границ зерен и неоднородностей материала, не являющихся дефектами.

В предыдущем пункте, исходя из выражения (4.5) и ориентируясь на стандартные преобразователи, выпускаемые промышленностью, которые имеют определенный ряд конкретных значений частот, была рассчитана и выбрана частота ультразвуковых волн f=2.5 МГц.

5.2 Выбор типа УЗ-волн и направления их распространения в изделии

Продольные и поперечные волны применяют обычно для выявления дефектов в толще и вблизи поверхности массивных деталей, толщина которых значительно превосходит длину волны.

Для контроля данного изделия выбираем поперечные волны. Использование поперечных волн является более предпочтительным в связи с меньшей длиной волны, что повышает чувствительность к дефектам и разрешающую способность.

Направление волн должно быть таким, чтобы обеспечивалось надежное выявление наиболее опасных дефектов (трещин, непроваров).

Согласно [9], лучи УЗ-волн, при контроле тавровых соединений направляют так, чтобы акустическая ось шла вдоль гипотенузы шва. В этом случае менее вероятны ложные отражения от неровностей валика усиления. Преобразователь перемещают по поверхности так, чтобы контролер видел положение преобразователя относительно шва.

При контроле наклонным преобразователем необходимо обеспечить направление распространения волны перпендикулярно плоскости дефекта (трещины). Трещины обычно ориентированы вдоль оси симметрии шва.

При контроле непровара необходимо чтобы дефект был ориентирован перпендикулярно оси распространения волны.

Выявление дефектов параллельно лучу УЗ - волн будет затруднено, поэтому прозвучивание целесообразно производить с каждой стороны привариваемого элемента.

5.3 Выбор способа контакта

УЗ-волны хорошо отражаются от тончайших воздушных зазоров, поэтому для передачи УЗ-колебаний от преобразователя к изделию промежуток между ними заполняют слоем жидкости. Существует несколько способов передачи ультразвука.

контактный способ;

щелевой способ;

иммерсионный способ;

бесконтактные способы.

При контактном способе преобразователь прижимают к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (например, маслом). В некоторых случаях слой жидкости заменяют или дополняют эластичным материалом. Контактный смазочный материал должен хорошо смачивать контролируемый материал и поверхность преобразователя, создавать тонкий равномерный слой и не стекать слишком быстро с поверхности.

При щелевом способе между преобразователем и изделием специальным ограничителем создается зазор (его толщина примерно равна длине волны ультразвука), в который непрерывно подают контактную жидкость. Этот способ может быть использован, если поверхность контролируемого изделия расположена вертикально или имеет переменную кривизну.

При иммерсионном способе между преобразователем и изделием создается толстый слои жидкости путем помещения изделия в ванну с водой или образования локальной жидкостной ванны. Этот способ имеет ряд преимуществ по сравнению с контактным: высокую стабильность излучения и приема УЗК за счет постоянства акустической связи между преобразователем и изделием; отсутствие изнашивания преобразователей, так как при контроле между преобразователем и изделием нет трения; возможность контроля изделий с грубо обработанной или защищенной покрытием поверхностью без предварительной подготовки.

Бесконтактный способ - акустические колебания в ОК возбуждаются через слой воздуха (воздушно-акустическая связь) или с помощью электромагнитных, оптико-тепловых и других явлений. Бесконтактные способы обычно имеют чувствительность, значительно меньшую, чем контактные.

УЗ-волны хорошо отражаются от тончайших воздушных зазоров, поэтому для передачи УЗ-колебаний от преобразователя к изделию промежуток между ними заполняют слоем жидкости [8].