Проектирование методики ультразвукового контроля

Размещено на http://allbest.ru

Проектирование методики ультразвукового контроля

Исходные данные:

Объект контроля № 2

ультразвуковой контроль дефект прибор

Номер варианта	d1, мм	d2, мм	d3, мм	L1, мм	L2, мм	L3, мм	L4, мм	L5, мм
2. 2	115	165	170	95	730	250	1010	5

ЗК - Зона контроля

Методика контроля должна обеспечить выявление следующих дефектов: поперечные трещины в цилиндрических частях и галтельных переходах

Скорость распространения продольной УЗВ, C_l - 5,9 мм/мкс;

Скорость распространения поперечной УЗВ, C_t - 3,23мм/мкс;

Список основных сокращений

ультразвуковой контроль дефект прибор

УЗВ - ультразвуковая волна;

ОК - объект контроля;

ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь;

УЗК - ультразвуковой контроль;

УЗД - ультразвуковой дефектоскоп;

ЗТМ - зеркально-теневой метод;

СО - стандартный образец.

Введение

Ультразвуковой контроль -- один из наиболее эффективных и универсальных видов неразрушающего контроля и диагностики ответственных изделий из различных металлических и неметаллических материалов, в том числе оценки их физико-механических характеристик -- постоянных упругости, прочности, твердости и т.п. Методы ультразвукового контроля очень многообразны. Они применяются для решения широкого круга задач во многих отраслях промышленности, а также в научных исследованиях.

Цель курсовой работы заключается в проектировании методики контроля типового изделия.

1. Основы ультразвукового контроля

1.1 Акустические колебания. Типы волн

Колебание - движение вокруг некоторого среднего положения, обладающее повторяемостью, например колебание маятника. В акустике обычно рассматривают колебания точки среды относительно положения, в котором точка находилась в покое. Волны - колебательные движения,

распространяющиеся в пространстве: колебания одной точки передаются соседней и т.д. В большинстве видов неразрушающего контроля (радиационном, оптическом, тепловом, радиоволновом) используются электромагнитные колебания и волны. В отличие от них в акустических

видах используются упругие колебания и волны.

Упругость - свойство точек среды возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения воздействия силы. Жидкие, газообразные и твердые среды восстанавливают свой объем после сжатия или разрежения, но под действием сил инерции точки продолжают двигаться после достижения первоначального состояния.

Основными характеристиками УЗВ являются:

- длина волны л, мм - расстояние между ближайшими двумя точками колеблющейся среды, находящимися в одной фазе:

……………………………………..(1)

- частота f, Гц - число колебаний в единицу времени;

- скорость распространения волны С, м/с - расстояние, пройденное волной в единицу времени;

- амплитуда А.

В зависимости от частоты колебания акустические волны делятся на:

- инфразвуковые - до 20 кГц;

- звуковые - от 20 кГц до 40кГц;

- ультразвуковые - от 40 кГц до 1 ГГц;

- гиперзвуковые - 1 ГГц и выше.

При контроле применяют колебания ультразвукового и звукового диапазона частотой от 50 Гц до 50 МГц. Интенсивность этих колебаний обычно невелика -- не более 0,1 кВт/см². Колебания происходят в области упругих деформаций среды, где напряжения и деформации связаны пропорциональной зависимостью (область линейной акустики).

При распространении упругой волны рассматриваются 3 типа источников:

1)Бесконечная плоскость с плоским фронтом волны

Волна не ослабевает с расстоянием.

При распространении упругой волны рассматриваются 3 типа источников:

1)Бесконечная плоскость с плоским фронтом волны

Волна не ослабевает с расстоянием.

2) Сферический источник

Фронт волны - сферический. Волна характеризуется ослаблением, равномерным во всех направлениях

3) Цилиндрический источник

Ослабление фронта волны в двух направлениях.

В акустическом контроле используются различные типы колебаний и волн, отличающихся направлением колебаний, распределением амплитуд колебаний и волн в среде, скоростью распространения волн.

В твердых, жидких и газообразных средах существует упругость объема, т.е. среда стремится сохранить свой объем. В твердом теле также существует упругость формы, т.е. твердое тело стремится сохранить не только свой объем, но и свою форму.

Типы ультразвуковых волн:

1 Объемные волны

- продольные;

- поперечные;

2 Поверхностные волны

- подповерхностная продольная головная волна;

- подповерхностная поперечная головная волна;

- поверхностная волна Релея ;.

3 Волны в пластинах, стержнях.

1.1.1 Объёмные волны

Во всех средах (кроме вакуума) могут существовать колебания растяжения-сжатия. Волны с такими колебаниями - это продольные волны, или волны растяжения-сжатия. При распространении в твердом теле колебания частиц среды в продольной волне в основном происходят вдоль направления распространения волны. В твердом теле существуют также волны сдвига. Частицы в них колеблются поперек направления распространения волны. Их поэтому называют поперечными или сдвиговыми волнами. Скорость распространения поперечной волны приблизительно в 2 раза (точнее, в 1,8 ... 1,9 раза) меньше, чем продольной. Например, в стали скорость продольной волны c_t = 5,92 мм/мкс, а поперечной c_l = 3,23 мм/мкс. Поперечные волны, распространяющиеся наклонно к какой-либо поверхности (например, к поверхности ввода колебаний) или вдоль нее, разделяют на волны с направлением колебаний, параллельным поверхности (их называют горизонтально-поляризованными, SH, ТН), и волны с направлением колебаний, перпендикулярным к этой поверхности (их называют вертикально-поляризованными, SV, TV). Они по-разному отражаются от поверхностей и структурных неоднородностей. На практике обычно применяют SV-волны, однако по отношению к поверхности отражателя они могут быть SH-волной или иметь SV- и SH-составляющие.

1.1.2 Волны Релея

В твердом теле кроме объемных существуют также специфические волны, распространяющиеся вдоль поверхности, поверхностные и головные. Поверхностная волна (волна Рэлея) представляет линейную комбинацию продольной и поперечной волн. Такая комбинация дает возможность удовлетворить условие равенства нулю напряжений на свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна.

Скорость рэлеевской волны с, приблизительно равна 0,93 скорости поперечных волн (для стали - 3,01 мм/мкс). Траектория колебаний частиц ОК - эллипсы с большой осью, перпендикулярной к поверхности. Вытянутость эллипсов увеличивается с увеличением глубины от поверхности. Амплитуда рэлеевской волны имеет максимум на поверхности и уменьшается в 10 раз на глубине ~л_s- длины поверхностной волны. Рэлеевская волна распространяется на большие расстояния (порядка 1 ...2м), следуя изгибам поверхности, огибая плавные выпуклости и впадины на поверхности ОК. На выпуклой поверхности скорость ее увеличивается, а на вогнутой уменьшается и одновременно растет затухание.

Волна Релея распространяется на поверхности вдоль границе раздела двух сред (рисунок 1.1).

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 1.1 - Волна Релея

Свойства волны Релея::

1) Имеет малое затухание, соизмеримое с объемной продольной волной;

2) Существует только в твердых телах;

3) При прохождении прямого угла около 50% волны проходит, 37% отражается и 13% рассеивается;

4) Для идентификации волны используют метод пальпирования;

5) При нагружении поверхности раздела жидкостью релеевская волна превращается в специфическую, быстро затухающую, распространяющуюся в двух средах одновременно волну, со скоростью, меньше чем скорость УЗВ в жидкости.

1.1.3 Подповерхностные головные волны

Головные волны - это волны, бегущие вдоль поверхности ОК.

Общие свойства этих волн:

1) Волны распространяются на глубине kл (на поверхности отсутствуют);

2) Колебания частиц происходит по эллипсу под углом к поверхности ОК;

3) Существуют в твердых телах;

4) Непрерывно излучают соответствующие трансформированные волны, в результате чего очень быстро затухают;

5) Скорости соответствующих головных волн равны скоростям объемных волн;

6) Не обеспечивают выявление поверхностных дефектов;

7) Из-за большого влияния помех от трансформированной волны применяются для контроля деталей толщиной более 20мм.

Размещено на http://allbest.ru

C_L^гол - продольная подповерхностная головная волна

C_t^гол - поперечная подповерхностная головная волна

C_L^тран - трансформированная продольная волна.

C_t^тран - трансформированная поперечная волна.

Рисунок 1.2 - Головные волны: а) головная поперечная волна б) головная продольная волна

1.1.4 Волны в пластинах и стержнях

В ограниченных твердых телах (пластинах, стержнях) существуют волны в пластинах(волны Лэмба) и волны в стержнях (волны Порхгаммера). Их общее название - нормальные волны. В направлении, перпендикулярном к поверхности пластины или стержня, нормальные волны как бы образуют стоячую волну. В пластине или стержне определенной толщины могут распространяться различные типы нормальных волн с различным распределением колебаний по толщине.

Волны в пластинах применяют для УЗК тонких листов, труб, оболочек, а волны в стержнях - для контроля проволок, стержней, труб (при распространении вдоль оси трубы). Скорость распространения этих волн изменяется в зависимости от частоты (явление дисперсии скорости), упругих свойств материала и поперечных размеров пластины или стержня.

1.2 Прохождение и отражение УЗВ

При прохождении УЗВ через границу раздела двух сред часть волны проходит, а часть - отражается. Доля отраженной волны будет определятся разностью акустических свойств среды, характеризуемых акустическим импедансом (акустическим сопротивлением).

Акустический импеданс Z,:

(2)

где P - акустическое давление;

V_n - скорость колебательного движения;

с - плотность материала;

Коэффициент отражения по амплитуде R:

, (3)

где z₁ - акустический импеданс первой среды,

z - акустический импеданс второй среды.

Коэффициент прохождения по амплитуде D:

, (4)

На практике используют коэффициенты не по амплитуде, а по энергии:

- доля прошедшей волны определяется по формуле:

 (5)

где W₀ - падающая энергия,

W_прош - прошедшая энергия.

- доля отраженной волны определяется по формуле:

, (6)

где W₀ - падающая энергия,

W_отр - отраженная энергия.

При наклонном падении УЗВ во втором объекте существует продольные и поперечные волны, и коэффициенты отражения и прохождения определяются по формулам:

- коэффициент отражения :

, (7)

Для прямого ПЭП:

, (8)

Для наклонного ПЭП:

, (9)

- коэффициент прохождения :

, (10)

Для прямого ПЭП:

, (11)

Для наклонного ПЭП:

. (12)

1.3 Закон Снеллиуса. Критические углы

Если нижняя и верхняя среды твердое тело, то в них при падении упругой волны на границу возникает сразу две волны: продольная и поперечная (рисунок 1.3). Явление превращения одного типа волн в другой называют трансформацией волн. Если какая-либо среда жидкость или газ, то поперечные волны в ней отсутствуют. Направление отраженных и преломленных, продольных и поперечных волн определяется законом синусов (законом Снеллиуса):

, (13)

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 1.3 - Закон Снеллиуса

Обозначения углов показаны на рисунке 1.3 C_l, C_l1, C_t1, C_l2, C_t2- скорости волн падающей, отраженной продольной, отраженной поперечной, преломленной продольной, преломленной поперечной.

При УЗК чаще всего встречается случай, когда падает продольная волна, а в результате преломления и трансформации возникают продольная и поперечная волны, причем скорость обеих волн больше, чем скорость падающей волны. Возникают также отраженные волны: продольная, если верхняя среда жидкая; продольная и поперечная, если верхняя среда твердая.

Если увеличить угол падения, то при некотором его значении угол преломления для продольной волны будет равен 90⁰. Преломленная продольная волна будет распространяться вдоль поверхности, как бы становясь головной. Этот угол падения называют первым критическим. При еще больших углах отражения во второй среде останется только поперечная волна: при втором критическом угле поперечная волна пойдет вдоль поверхности, то есть обе преломленные волны испытают полное внутреннее отражение. Критические углы рассчитываются по формуле:

 (14)

где с - скорость падающей волны;

с' - скорость продольной или поперечной преломленной волны.

Наиболее распространенный способ возбуждения поперечных волн в изделии - с помощью преобразователя с призмой, угол которой лежит между первым и вторым критическими углами). Для границы органическое стекло (плексиглас)-сталь первый критический угол падения продольной волны в плексигласе равен 27,5⁰. При этом угол преломления для продольной волны 90⁰, а для поперечной б = 32⁰. Второй критический угол в= 57,5⁰. При этом угле падения возбуждается поперечная головная волна, но заметить ее крайне трудно. При угле, несколько большем второго критического в = arcsin(c / с_R) возникает поверхностная рэлеевская волна со скоростью c_R. Для границы оргстекло-сталь угол падения, при котором возбуждается эта волна (третий критический угол), равен в = 65⁰. Подобным способом возбуждаются также подповерхностные головные волны

1.4Диаграмма направленности пьезоэлектрического преобразователя

1.4.1 Диаграмма направленности. Ближняя и дальняя зоны

Область пространства, в которое пьезоэлектрический преобразователь излучает и из которого может принимать волны, называют акустическим полем.. Поле в среде описывается существенно разными закономерностями на близком и далеком расстояниях от преобразователя. Это различие особенно четко выражено для круглого преобразователя. В непосредственной близости от него УЗВ распространяется в виде параллельного пучка лучей (прожекторная зона), но чуть дальше картина резко изменяется.

Энергия по-прежнему остается в пределах нерасходящегося пучка, но появляются максимумы и минимумы амплитуды. Вся эта область называется ближней зоной (ближним полем).

В дальней зоне (дальнем поле) формируется расходящийся пучок лучей. Излучается как бы сферическая волна, но распространяющаяся не равномерно во все стороны от источника, а в пределах конуса - основного лепестка. Максимум амплитуды соответствует оси преобразователя (акустическая ось или центральный луч). С увеличением угла между направлением какого-либо луча и осью амплитуда уменьшается, появляются боковые лепестки. Зависимость амплитуды излучения от направления луча называется диаграммой направленности. При некотором угле (угле раскрытия) амплитуда излучения равна нулю для непрерывного излучения, а для импульсного наблюдается минимум). Угол раскрытия определяет основной лепесток. За его пределами обычно появляются боковые лепестки, которые являются источниками помех.

В дальней зоне амплитуда плавно уменьшается с увеличением расстояния от преобразователя. В ближней зоне амплитуда изменяется от положения в пространстве сложным образом.

Расстояние ближней зоны для прямого ПЭП, r_Б ,мм:

, (15)

Расстояние ближней зоны для наклонного пьезоэлектрического преобразователя, r_Б:, мм

, (16)

где a_* - мнимый радиус пьезопластины.

, (17)

где в - угол призмы,

, (18)

С увеличением скорости УЗВ и угла ввода ближняя зона уменьшается

Угол раскрытия для прямого ПЭП, :

, (19)

где n - коэффициент формы пластины:

для круглой n = 0,63,

для квадратной n =0,5;

Угол раскрытия для наклонного ПЭП, :

(20)

1.4.2 Мёртвая зона

Мертвой зоной называют область под преобразователем, в которой нельзя нельзя выявить дефект из-за наличия зондирующего импульса.

Мертвая зона зондирующего импульса определяется шириной зондирующего импульса и зависит от частоты, текущего значения чувствительности качества демпфера пьезопластины. С увеличением частоты расстояние мёртвой зоны (r_m) уменьшается. С увеличением чувствительности мёртвая зона увеличивается, потому что увеличивается ширина всех сигналов. С увеличением угла ввода мертвая зона уменьшается

Сигнал считается различим с зондирующим импульсом, если разность амплитуд от начала слияния сигналов до максимальной точки сигнала превышает 6 дБ.

Для определения соответствия мертвой зоны требованиям нормативных документов применяются стандартные образцы с засверловками диаметром 2 мм, обычно расположенных на глубине 3,6,8,12мм.

1.4.3 Отклонение угла ввода от акустической оси

С увеличением глубины залегания отражателя наблюдается отклонение угла ввода б₀ (это угол между нормалью к поверхности , проходящей через току ввода УЗВ и акустической осью) от акустической оси. Акустическая ось - линия, показывающая направление распространения наибольшей энергии. При контроле деталей толщиной до 150 мм для определения угла ввода используют стандартный образец СО-2 или СО-3Р , выполненный из материала с акустическими свойствами, близкими к контролируемому изделию.

Для опеределения угла ввода ПЭП устанавливают на СО в направлении отверстия Ш6 мм на отметку, соответствующую углу ввода ПЭП. Легким перемещением ПЭП находят максимальную амплитуду и по положению метки на ПЭП считывают значение угла ввода по шкале СО.

Если контролируемый размер детали превышает 150 мм. То угол ввода определяется на СОП по засверловкам.

При больших глубинах амплитуда сигнала при отклонении от акустической оси первоначально не уменьшается, а увеличивается за счет широкой диаграммы направленности и уменьшения расстояния до отражателя.

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 1.5 - Отклонение угла ввода от акустической оси

На рисунке 1.5 в положении 1 ПЭП прозвучивает отражатель акустической осью, а в положении 2 - боковым лучом, имеющим некоторое отклонение от АО.

Параметры контроля, увеличение которых приводит к увеличению отклонения угла ввода:

§ глубина контроля;

§ затухание УЗВ;

§ угол призмы ПЭП;

§ диаметр зерна;

К уменьшению отклонения угла ввода приводит увеличение частоты УЗВ и увеличение диаметра ПЭП

1.5 Параметры контроля. Условные размеры дефекта и их определение

Основные параметры определяют достоверность контроля. К их числу относятся такие величины, как частота, длина волны, чувствительность, угол ввода и т.д. Их нужно выбрать так, чтобы с минимальной ошибкой оценить качество изделия по результатам контроля. Различают основные параметры аппаратуры и метода контроля. Первые (например, частота, угол призмы) зависят только от дефектоскопа и преобразователя, вторые (например, длина волны, угол ввода) - от аппаратуры и контролируемого материала.

Параметры контроля приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1 - параметры контроля

Параметры аппаратуры	Параметры метода
Частота/, МГц	Длина волны л, мм
Угол призмы в, град	Угол ввода б , град
Погрешность глубиномера	Точность измерения координат
Чувствительность: условная, мм или дБ абсолютная, дБ максимальная электрическая, дБ резерв чувствительности, дБ	Чувствительность: уровень фиксации, мм2 поисковая, мм уровень браковки, мм реальная предельная, мм эквивалентная порог чувствительности, мм максимальная глубина прозвучивания
Длительность: зондирующего импульса, мкс помех преобразователя, мкс	Мертвая зона Лучевая разрешающая способность, мм
Размеры преобразователя, мм	Направленность поля преобразователя, град Фронтальная разрешающая способность, мм
Параметры сканирования: шаг сканирования, мм скорость сканирования, мм/с	Плотность сканирования, мм
Дисперсия опорного сигнала	Стабильность акустического контакта

Условные размеры дефекта подразделяются на:

Условные линейные размеры:

- условная протяженность ДL, мм;

-условная ширина ДX, мм;

-условная высота ДX, мм;

Условные угловые размеры:

_- азимут дефекта ц;

- угол индикации Дц.

Условная протяженность - это расстояние между двумя точками на ОК, в которых амплитуда сигнала достигает уровня фиксации. Условная протяженность измеряется при перемещении ПЭП вдоль развития дефекта. Глубина залегания остается неизменной

Условная высота и ширина дефекта определяются одновременно при перемещении ПЭП поперек развития дефекта. Условная ширина измеряется на ОК между двумя точками, в которых амплитуда от сигнала достигла уровня фиксации, и рассчитывается как разность показаний глубиномера.

Азимут дефекта -это угол между направлением продольного сканирования и линией акустической оси при положении ПЭП, в котором амплитуда сигнала максимальна.

Угол индикации соответствует углу, при котором эхо-сигнал от дефекта выше уровня фиксации при перемещении ПЭП по окружности относительно дефекта.

Существуют два способа определения условных размеров: абсолютный и относительный.

Абсолютный метод заключается в том, что при определении условных размеров данным способом чувствительность дефектоскопа не изменяется, т.е. остается независимой от эхо-сигнала.

Относительный метод состоит в том, что условные размеры определяются на уровне 6,12,20 дБ, при этом максимальное значение амплитуды доводится до уровня фиксации, а затем чувствительность дефектоскопа увеличивается на 6,12,20 дБ

Условные размеры зависят от следующих факторов:

1) Форма, глубина залегания, размер дефекта;

2) С увеличением угла ввода условные размеры увеличиваются;

3) С увеличением затухания условный размер увеличивается;

4) С увеличением частоты и радиуса ПЭП условные размеры уменьшаются (из-за уменьшения диаграммы направленности).

1.6 Помехи и шумы

Помехи - это сигналы, имеющие признак сигналов о дефекта, то не являющиеся дефектами.

Шумы - это неупорядоченное хаотическое возникновение сигналов на экране.

Шумы делят на:

1. Электронные помехи генератора - при установке предельной чувствительности дефектоскопа на экране возникают малые по амплитуде сигналы.

2. Реверберационные шумы преобразователя и структуры:

1.1 Шумы ПЭП - у наклонных преобразователей связаны со множеством переотражений внутри призмы ПЭП;

1.2 Шумы структуры - проявляются, когда диаметр зерна приближается к длине волны ( d/л=1….1/100).

Помехи бывают:

1. Помехи от геометрических особенностей конструкции (галтели, выступы и т.д) (рисунок 1.6)

При продольном перемещении ПЭП сигналы от геометрических объектов перемещаются по экрану дефектоскопа.

2. Помехи от переотражения на боковых стенках ( прозвучиваемая толщина соизмерима с диаметром ПЭП) (рисунок 1.7)

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

3. Помехи от релеевской волны для ПЭП с л >60⁰ (рисунок 1.8)

Размещено на http://allbest.ru

1 - загрязнение или повреждение поверхности;

I - два сигнала: от трещины в галтельном переходе (поперечная волна Т) и опорный сигнал от острой кромки галтельного перехода (релеевская волна R);

II - ложный сигнал от загрязнение на поверхности (релеевская волна R)

Рисунок 1.8 Помехи от релеевской волны

Сигналы от края ступицы колеса и локального наклепа (рисунок 1.9)

Сигналы ведут себя наподобие дефекта

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 1.9 Сигналы от края ступицы и локального наклепа

1 - локально напряженная область, имеющая отличные от основного материала акустические свойства(зона высоких напряжений), из-за чего происходит отражение волн от мнимой границы раздела;

2 - в результате трения или постоянного удара в точку могут возникать наклепанные упрочненные области, которые не имеют явного геометрического концентратора, но имеют упрочненный подповерхностный локальный слой. Так как акустические свойства его отличны от основного материала, от раздела сред идет отражение сигнала.

Помехи от прессового соединения (рисунок 1.10)

Когда величина натяга становиться значимой от области прессованного соединения, возникает диффузный рассеянный сигнал, не изменяющий своего положения при продольном перемещении наклонного ПЭП.

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 1.10 Помехи от прессованного соединения

На рисунке 1.10 диффузный луч 1 состоит из комбинаций множества лучей, из которых максимальный по амплитуде составляет сигнал от акустической оси ПЭП, остальные - боковым лучам. При продольном перемещении ПЭП внутри пакета сигналы перемещаются, а сам пакет сигналов не изменяет своего положения.

Чем больше величина натяга, тем диффузный луч становиться больше по амплитуде. С другой стороны диффузный луч уменьшается при более широкой диаграмме направленности.

1.7 Эхо метод

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на анализе сигнала, отраженного от дефекта, и времени прихода сигнала. По амплитуде его судят о величине дефекта, а по времени - о месте его положения.

Для контроля используют прямые и наклонные ПЭП

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 1.11 - Контроль прямым ПЭП

На рисунке 1.11 :

2t_n - задержка в призме ПЭП - время, которое волна идет в призме при излучении и приеме;

t₁ - время ходы волны от момента излучения до дефекта;

t₂ - время хода волны до дна и обратно.

Процедура измерения координат дефекта состоит в определении положения преобразователя, соответствующего максимуму эхосигнала от дефекта; измерении глубиномером времени пробега УЗ импульса от пьезопластины преобразователя до дефекта; расчете по результатам измерений координат дефекта относительно точки ввода О. В современных дефектоскопах расчетные операции выполняются автоматически. Для этого глубиномер предварительно настраивают на скорость распространения используемого типа волн в материале изделия, учитывают угол ввода преобразователя и исключают время пробега импульса в протекторе прямого или призме наклонного преобразователей.

Глубина залегания дефекта определяется по формуле:

(21)

Глубина и расстояние до дефекта для наклонного ПЭП:

(22)

(23)

При контроле 0⁰ ПЭП зона контроля устанавливается между зондирующим и донным импульсами, при этом различают настройку дефектоскопа от поверхности и по слоям.

Размещено на http://allbest.ru

.

Рисунок 1.12 - Настройка от поверхности и по слоям

На рисунке 1.12:

I - настройка от поверхности. Донный сигнал устанавливают в конец экрана, а зона контроля располагается между зондирующим и донным сигналами, не захватывая последний.

II - настройка по слоям. На экране отображается только контролируемый слой объекта. Зондирующий и донный сигналы выводятся за пределы экрана.

t₁ - задержка развертки относительно ноля экрана;

t₂ - задержка строб-импульса. Время от начала излучения, до конца зоны контроля;

t₃ - длительность строб - импульса;

t₄ - длительность развертки.

Настройку по слоям выполняют для повышения достоверности контроля путем вывода с экрана ложных неинформативных сигналов.

Максимальная глубина прозвучивания r_max - наибольшая глубина, на которой выявляется дефект заданного размера. В технических характеристиках прибора в качестве максимальной глубины прозвучивания указывают максимальную длительность развертки дефектоскопа. Однако достаточная длительность развертки не гарантирует нахождения требуемого дефекта, необходима также достаточно высокая чувствительность. Достижение максимальной глубины прозвучивания связано с преодолением ограничивающих факторов которые препятствуют повышению чувствительности - чувствительность аппаратуры и уровень помех.

Мертвая зона, или минимальная глубина прозвучивания, - минимальное расстояние от поверхности ввода до дефекта, надежно выявляемого при контроле. Возникновение мертвой зоны при контроле по совмещенной схеме связано с тем, что усилитель дефектоскопа не может принимать эхосигналы от дефектов во время излучения зондирующего импульса. После него следуют помехи преобразователя, т.е. многократные отражения импульса в элементах ПЭП: пьезопластине, протекторе, призме и т.д.. Они имеют большую амплитуду, поэтому слабый эхосигнал от дефекта на их фоне не обнаруживается.

Различают две мертвых зоны эхо-метода:

- мертвая зона зондирующего импульса;

-мертвая зона донного сигнала.

Концом или началом мертвой зоны является точка в контролируемом объекте, в которой дефект значимо отличается от зондирующего импульса или донного сигнала, то есть от места слияния сигналов до максимума амплитуды сигнала от дефекта больше 6 дБ.

Величина мертвой зоны зависит от чувствительности дефектоскопа и числа периодов зондирующего импульса, то есть от пространственной деятельности импульса. В современных дефектоскопах t_имп=2…6T (Т - период колебания). Таким образом, необходимо выполнения условия ( 24):

, (24)

При появлении эхо сигнала в зоне контроля выше середины экрана или уровня фиксации устанавливается браковочная чувствительность, если сигнал превышает уровень фиксации - изделие бракуется.

К преимуществам эхо-метода относятся:

-- односторонний доступ к изделию;

-- выявляет дефекты, соизмеримые с длиной волны;

-- высокая точность определения координат дефектов;

К недостаткам эхо-метода можно отнести:

-- низкую помехоустойчивость к поверхностным отражателям;

-- выявляет дефекты, перпендикулярные акустической оси;

-- плохое обнаружение дефектов в ближней зоне.

Несмотря на указанные недостатки, наибольшее практическое применение находит эхо метод: им проверяют до 90 % всех объектов. Применяя волны различных типов, с его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, литья, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо метод используют также для измерения геометрических размеров изделий. Фиксируя время прихода донного сигнала и зная скорость ультразвука в материале, определяют толщину изделия при одностороннем доступе. Если толщина изделия известна, то по донному сигналу измеряют скорость, оценивают затухание ультразвука, а по этим параметрам определяют физико-механические свойства материалов.

1.8 Зеркально-теневой метод

Существует несколько вариантов зеркально-теневого (ЗТ) метода ,общим отличительным признаком которых является то, что основным информационным параметром в них служит ослабление амплитуды отражения от противоположной поверхности (дна) изделия. Основные варианты показаны на рисунке 1.13, а-г: прямой преобразователь по ослаблению первого (а) и второго (б) донных сигналов, наклонные преобразователи по ослаблению донного сигнала поперечной (в) и продольной (г) волн.

Рисунок 1.13 Способы контроля ЗТ-методом

ЗТ методом можно обнаруживать дефекты, ориентированные не только горизонтально, но и вертикально.. При контроле по варианту в такой дефект, чтобы быть выявленным, должен пересекать один из наклонно распространяющихся лучей. При контроле прямым преобразователем вертикальный дефект также выявляется, но область перемещения преобразователя на поверхности ввода очень локализована. Механизм ослабления донного сигнала в этом случае следующий. Продольная волна, распространяющаяся вдоль берегов (поверхностей) вертикальной трещины, - это головная волна Распространяясь вдоль свободной поверхности, она порождает поперечные волны, отходящие от берегов трещины под третьим критическим углом . В результате продольная волна (а следовательно, донный сигнал) ослабляется, но на небольшом участке сканирования.

Аппаратурой для контроля различными вариантами ЗТ-метода служит импульсный эходефектоскоп. Строб-импульс АСД помещают в месте прихода первого или второго донного сигнала. Контроль по вариантам, показанным на рисунке 1.13, а, б, ведут по совмещенной схеме, по вариантам на рисунке 1.13, в, г - по раздельной. Прибор специально для контроля этим методом имеет упрощенную схему. Экран и ряд других узлов дефектоскопа часто отсутствуют. Обязательно наличие строб-импульса для выделения соответствующего донного сигнала и аттенюатора, позволяющего настраивать АСД на регистрацию заданного ослабления донного сигнала.

Оценкой допустимости дефекта служит коэффициент дефектности, К_д:

(25)

где А_д - амплитуда донного сигнала при наличии дефекта,

А₀ - амплитуда донного сигнала при отсутствии дефекта.

Значение коэффициента дефектности варьируется от 0 до 1, при К_д = 0 - дефект считается сильно развитым и полностью перекрывает дно, К_д = 1 - дефект отсутствует.

Особенности контроля:

-наличие ослабления сигнала , несвязанного с дефектом, приводит к ложной перебраковке, поэтому как экспертный метод используется впри контроле в иммерсионной ванне . Контроль контактным способом либо используется для оценки структурного состояния материала, либо как дополнительный для эхо-метода;

-в ближней зоне К_Д практически не изменяется, а в дальней с увеличением глубины залегания - увеличивается, а выявляемость дефекта уменьшается;

-ЗТ-метод позволяет выявлять дефекты типа расслоение за счет явления дифракции на краю трещины и на границе раздела.

Достоинства ЗТ-метода:

-позволяет выявлять дефекты любой формы и ориентации;

-выявление дефектов на любой глубине залегания, включая мертвую зону.

Недостатки ЗТ-метода:

-можно выявлять только развитые дефекты;

-нельзя определить глубину залегания дефекта;

-недопостимость непараллельности поверхности сканирования и донной поверхности;

-недопустимость диффузной незеркальной донной поверхности;

-ослабление донного сигнала, связанное с наличием структурных неоднородностей.

-нарушение акустического контакта, связанное с отсутствием контактирующей жидкости, загрязнением поверхности, наличием выбоин или вмятин.

2. Расчет параметров контроля

2.1 Приборы и средства применяемые для УЗК. Типы дефектоскопов. Типы и строение ультразвуковых преобразователей

По назначению УЗ-приборы (как и другие приборы НК) подразделяют на: дефектоскопы, предназначенные в основном для обнаружения дефектов типа несплошностей; толщиномеры, рассчитанные на измерение толщины стенок изделий при доступе с одной стороны или для контроля толщины слоев покрытий на поверхности изделий; анализаторы физико-механических характеристик материалов, а именно различные структуромеры. В состав аппаратуры для акустического неразрушающего контроля входят: акустический дефектоскоп с преобразователями; стандартные образцы; вспомогательные приспособления и устройства для соблюдения параметров сканирования и измерения акустических характеристик выявленных дефектов.

При методе отражений используют акустические дефектоскопы, работающие в диапазоне частот 0,2 ... 30 МГц, т. е. ультразвуковые дефектоскопы. зависимости от области применения ультразвуковые дефектоскопы (УД) подразделяют на две группы: общего назначения -- УД и специализированные -- УДС, а в зависимости от функционального назначения -- на четыре группы (таблица 2.1)

Таблица 2.1 - Классификация ультразвуковых дефектоскопов

Группа УЗД	Функциональное назначение УЗД	Примеры обозначения
1	Обнаружение дефектов (пороговые УЗД)	УД1-... УДС1-..
2	Обнаружение дефектов, измерение глубины (координат) их залегания и отношения амплитуд сигналов от дефектов	УД2-... УДС2-...
3	Обнаружение дефектов, измерение глубины (координат) их залегания и эквивалентной площади дефектов или условных размеров дефектов	УДЗ-... УДСЗ-...
4	Обнаружение дефектов, распознавание их форм или ориентации, измерение глубины (координат) их залегания и размеров дефектов или условных размеров дефектов	УД4-... УДС4-...

Достоверность ультразвуковой дефектоскопии во многом зависит от надежной работы преобразователя, которые различаются в зависимости от угла ввода на:

1) прямые

2) наклонные

В зависимости от способа соединения преобразователей с электрической схемой прибора можно выделить:

1) совмещенные преобразователи, которые соединяются одновременно с генератором и усилителем прибора и служат как для излучения, так и приема ультразвука;

2) раздельные преобразователи, состоящие из излучателя, соединенного с генератором прибора, и приемника, соединенного с усилителем;

3) раздельно-совмещенные преобразователи, состоящие из излучающего и приемного элементов, конструктивно связанных между собой, но разделенных электрическим и акустическим экранами.

2.1.1 Конструкция пьезоэлектрического преобразователя

ПЭП состоит из протектора (предназначенного для защиты от механических воздействий и истирания пьезопластины), пьезопластины (предназначена для излучения и приема УЗВ), демпфера (предназначенного для уменьшения собственных ревербрационных шумов пьезопластины), электродов (предназначены для подключения пьезопластины к дефектоскопу), призмы преобразователя (для наклонного ПЭП) (рисунки 2.1 и 2.2)

Размещено на http://allbest.ru

2.2 Стандартные образцы для ультразвукового контроля: типы, назначение, условия применения

Способы проверки параметров аппаратуры группируются в два класса задач. К первому относят проверку, выполняемую после выпуска аппаратуры, ее капитального ремонта и при промежуточной аттестации. К задачам второго класса относят повседневную (оперативную) проверку аппаратуры, которая должна подтвердить ее работоспособность и установить значения характеристик, меняющихся во время эксплуатации. Проверяют совместно дефектоскоп, преобразователь и соединяющий их кабель. Такую проверку осуществляют с помощью стандартных образцов (СО), не используя дополнительных приборов.

Различают государственные СО (ГСО) и стандартные образцы предприятия (СОП). ГСО предусмотрены стандартами, в которых указаны материал, из которого они изготовлены, их конструкция. Эти образцы, как правило, применяют для проверки и настройки аппаратуры при контроле широкого ассортимента продукции.

СОП рекомендованы ведомственными нормативно-техническими документами (НТД) или НТД предприятий. Они предназначены для проверки и настройки аппаратуры при контроле определенного вида продукции, где ГСО неприменимы (например, при контроле изделий с большой кривизной поверхности) или где применение СОП технически более удобно. Из числа СОП иногда выделяют отраслевые стандартные образцы (ОСО), которые рекомендуются ведомственными НТД. ГСО, ОСО и СОП являются обязательной принадлежностью, без них невозможен достоверный контроль в соответствии с требованиями НТД.

Оперативную проверку дефектоскопа выполняют с помощью стандартных образцов СО-1, СО-2 и СО-3 по ГОСТ 14782-86 или V-1 и V-2, принятых в международной практике.

1) СО-1 (рисунок 2.3) изготовляют из органического стекла марки ТОСП с акустическими свойствами, оговоренными в названном стандарте: на частоте 2,5 ± 0,2 МГц при температуре 20 ± 5⁰С скорость продольных волн должна быть 2670 ± 133 м/с, коэффициент затухания 0,026 ... 0,034 1/мм. Амплитуда третьего донного сигнала по толщине образца на частоте 2,5 ± 0,2 МГц и при температуре 20 ± 5 ⁰С не должна отличаться более чем на ±2 дБ от амплитуды третьего донного сигнала в исходном образце, аттестованном органами Государственной метрологической службы. Необходимость в такой формулировке возникла в связи с трудностью точного измерения



Рисунок 2.3 - СО-1

Образец предназначен для определения условной чувствительности, проверки лучевой разрешающей способности и настройки глубиномера.

2) СО-2 (рисунок 2.4) выполняют из малоуглеродистой стали с мелкозернистой структурой. Его применяют для определения условной чувствительности, проверки мертвой зоны, угла ввода, ширины диаграммы направленности и настройки глубиномера.

Рисунок 2.4 - СО-2

3) СО-3 (рисунок 2.5) так же, как и СО-2, производят из стали. Он служит для определения точки выхода, стрелы преобразователя и отстройки от времени пробега УЗ в призме преобразователя при измерении координат.

Рисунок 2.5 - СО-3

Рассмотренные ГСО применяют при контроле изделий с плоской поверхностью совмещенными преобразователями шириной до 20 мм на частоту > 1,25 МГц. В других случаях нужно использовать СОП, подобные или даже существенно отличающиеся от этих ГСО.

2.2.1 Проектирование СОП для 0⁰ ПЭП

Для прямого ПЭП разрабатывают три стандартных образца предприятия. В качестве эталонного отражателя используются цилиндрические плоскодонные засверловки, диаметром d и длиной l ,ориентированные перепендикулярно к акустической оси преобразователя, и расположенные в начале зоны контроля, в конце и в средней ее части. Их выполняют по схеме, представленной на рисунке 2.6

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 2.6 - СОП для 0⁰ПЭП

Длину третьего СОП находят по формуле L_III, мм:

(26)

где l - глубина засверловки ( l= 5…10 мм)

Длина второго СОП L_II, мм:

 (27)

Длину первого СОп принимают равной 50…60 мм.

Данные по размерам СОП представлены в таблице 2.2

Таблица 2.2 Размеры СОП для 0⁰ ПЭП

	I	II	III
L , мм	60	168	336
l , мм	7	10	10
d , мм	5	5	7

2.2.2 Настройка временной регулировки чувствительности

Систему временной регулировки чувствительности (ВРЧ) правильнее назвать временной автоматической регулировкой усиления или корректировкой амплитуды с расстоянием. Она предназначена для автоматической регулировки коэффициента усиления приемника таким образом, чтобы амплитуды эхосигналов от одинаковых дефектов при изменении расстояний от преобразователя до дефектов не меняли своей амплитуды.

ВРЧ компенсирует ослабление импульса, обусловленное дифракционным расхождением и затуханием. Исходя из этого, закон изменения усиления должен быть обратным закону убывания амплитуд отраженных сигналов от одних и тех же по размерам дефектов по мере их удаления от преобразователя. Эти законы - разные для отражателей различных формы и размеров

В простых по устройству дефектоскопах, в частности УД2-12, предусматривается регулировка ВРЧ по длительности действия вдоль линии развертки и по величине изменения чувствительности. Кроме того, может задаваться закономерность изменения с расстоянием, отличающаяся от линейной зависимости. Однако заложенные в УД2-12 закономерности изменения чувствительности с расстоянием плохо соответствуют требуемым: кривая изменения чувствительности с расстоянием выпуклая, а на больших расстояниях от преобразователя (в дальней зоне) она должна быть вогнутой.

Настройка ВРЧ для контроля прямым ПЭП 0⁰ на УД2-12 производиться в следующем порядке:

1.Подключить к коаксиальному кабелю прямой 0 ПЭП. Выполнить дополнительную настройку блоков дефектоскопа:

- нажать кнопку Размещено на http://allbest.ru

блока А6;

- отпустить кнопку Размещено на http://allbest.ru

;

- вывести регуляторы Размещено на http://allbest.ru

и Размещено на http://allbest.ru

блока А8 в крайнее левое положение

Смазать рабочую поверхность стандартного образца СО-1 трансформаторным маслом и установить прямой преобразователь. Найти максимум эхо сигнала от отражателя, расположенного на глубине 15 мм, положение преобразователя I, рисунок 2.8. Кнопками аттенюатора довести амплитуду эхо сигнала до середины экрана, записать показание аттенюатора N₁.

Перемещая ПЭП в положение II и III получить эхо сигналы от отверстий 30 и 45 мм. Регулятором длительности развертки блока А6 установить эхо сигнал от отверстия на глубине 45 мм (III положение ПЭП) на восьмую клетку. Запомнив место положения сигналов на экране ЭЛТ, регуляторами строба АСД и блока А10 застробировать зону от зондирующего импульса до данного сигнала включительно, рисунок 2.9.

Регуляторами строба ВРЧ и блока А8 на второй развертке выставить стобимпульс ВРЧ соответственно стробу АСД, рисунок 2.10.



Рисунок 2.8 - Схема установки ПЭП

Рисунок 2.9 - Осциллограмма настройки блока ВРЧ; I, II, III - Эхо сигналы от отражателей 15, 30 и 45 мм

Рисунок 2.10 - Осциллограмма настройки блока ВРЧ. Установка стробимпульса ВРЧ

Установить ПЭП в положение III, легким перемещением ПЭП найти максимум эхо сигнала от отражателя 45 мм. Не изменяя положения ПЭП увеличить показания аттенюатора до N₁ дБ и регулятором блока А8 вывести третий эхосигнал на середину экрана. Установить ПЭП в положение II и найти максимум эхо сигнала от отражателя 25 мм и регулятором блока А8 вывести второй эхо сигнал на середину экрана, рисунок 2.11.

Рисунок 2.11 - Настройка временной регулировки чувствительности дефектоскопа

Отжать кнопку блока А6. Последовательно установить преобразователь на отражатели 15, 30 и 45 мм (I, II, III положение ПЭП). При правильной настройке блока ВРЧ все три сигнала должны достигать середины экрана, если один из сигналов ниже или выше середины экрана более чем на 4 дБ (выше или ниже на полторы клетки середины экрана) необходимо повторить настройку блока ВРЧ.

2.2.3 Проектирование СОП для наклонного ПЭП

СОП для наклонного ПЭП выполняют также с тремя плоскодонными засверловками по следующей схеме, представленной на рисунке 2.12

L₁ =15..30мм, L2=1/2Н, L3=15…30мм.

Н - толщина ОК

h=5…10мм



Рисунок 2.12 СОП для 40⁰ПЭП

Настройка временной регулировки чувствительности для наклонного ПЭП проводят аналогично настройке прямого ПЭП.

2.3 Выбор параметров аппаратуры, пьезоэлектрического преобразователя, расчёт призмы наклонного ПЭП

В курсовой работе применяется дефектоскоп второй группы, т.е. способный определять координаты дефектов и способный отображать путь ультразвукового луча на экране дефектоскопа. В качестве базового образца используется дефектоскоп УД2-12.

К основным параметрам аппаратуры относятся :

-частота (для контроля вала используется частота равная 2,5 МГц),

-чувствительность дефектоскопа (настройка чувствительности осуществляется по стандартному образцу СО-2),

-параметры сканирования .

Для обнаружения дефектов в цилиндрической части объекта используется прямой преобразователь типа П111-К12-2,5-002 , а для определения дефектов в галтельных переходах детали - наклонный преобразователь с углом ввода 400 типа К121-40-2,5-002. Для наклонного преобразователя требуется рассчитать призму ПЭП.

Угол призмы ПЭП в:

, (28)

где б - угол ввода ПЭП (б = 40°),

с_l - скорость распространения продольной волны в призме, мм/мкс (с_l -2,7 мм/мкс);

c_t - скорость распространения поперечной волны в стали, мм/мкс (с_t -3,26мм/мкс);

.

2.4 Расчёт параметров контроля и построение типичных осциллограмм дефектов

Контроль цилиндрической части шкворня выполняется с помощью прямого ПЭП по внешней стороне торцевой части со стороны конусного хвостовика (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13 Схема прозвучивания хвостовика шкворня

Длина развертки , мм:

_, (29)

где - длина ЗК2, мм;

_, (30)

где , длина контролируемой цилиндрической части, мм ( =95);

По формулам (29) и (30):

мм_;

мм_.

Длительность развёртки t_др, мкс:

t_{др =}; (31)

где 2t_n=1.3мкс (для прямого ПЭП);

t_{др =} мкс_.

Задержка строб-импульса t_зс, мкс

_; (32)

мкс.

Длина строба L_стр, мм:

, (33)

мм.

Длительность строб-импульса t_{стр ,} мкс

, (34)

мкс.

Масштаб развертки М, мкс/дел

, (35)

мкс/дел.

Начало зоны контроля n₁, дел.:

, (36)

дел.

Конец зоны контроля n₂ , дел:

(37)

 дел.

Время задержки сигнала от дефекта t₁ , мкс:

, (38)

где - расстояние до дефекта, мм (=115),

мкс.

Положение сигнала от дефекта n_д1, дел:

, (39)

дел.

Рисунок 2.14 - Типичная осциллограмма от первого дефекта

Второй и третий дефект находим с помощью прямого ПЭП со стороны цилиндрической части шкворня в месте крепления к вагону.

Размещено на http://allbest.ru

Рисунок 2.15 Схема прозвучивания цилиндрической поверхности шкворня в месте крепления к вагону

Расчет положения второго дефекта:

Длина контролируемой цилиндрической части, =250 мм.

По формулам (29) и (30):

мм;

мм.

Длительность развёртки t_др по формуле (31)

t_{др =}мкс.

Задержка строб-импульса t_зс по формуле (32):

мкс.

Длина строба по формуле: (33):

мм.

Длительность строб-импульса t_стр по формуле (34):

мкс.

Масштаб развертки М по формуле (35):

мкс/дел.

Начало ЗК n₁ по формуле (36):

дел.

Конец зоны контроля n₂ по формуле (37):

дел.

Время задержки сигнала от дефекта по формуле (38) ( =240 мм):

мкс.

Положение сигнала от дефекта n_д2 по формуле (39):

дел.

Расчет положения третьего дефекта в цилиндрической части:

Время задержки сигнала от дефекта по формуле (38) (L_д = 80 мм):

мкс

Положение сигнала от дефекта по формуле (39):

дел_.

Положение донного сигнала:

Время задержки донного сигнала _, мкс

, (40)

где - длина детали, мм (=1010 мм),

мкс.

Положение сигнала от дна по формуле (39):

дел_.

Время задержки сигнала от галтели t_г по формуле (40) (=280 мм):

мкс.

Положение сигнала от галтели по формуле (36):

дел.

Получили, что сигналы от второго дефекта и от галтельного перехода не сливаются. Но для того, чтбы сигнал от галтели не был в зоне контроля, искусственно уменьшаем конец зоны контроля до 7,5 делений. Таким образом: n₂=7,5 дел; t_стр=90,2 мкс)

Типичные осциллогрммы для контроля дефектов представлены на рисунках 2.16 и 2.17

Рисунок 2.16 - Осциллограмма для третьего дефекта



Рисунок 2.17 - Осциллограмма для второго дефекта

Контроль детали в галтельных переходах выполняют с помощью наклонного ПЭП, для контроля данной детали можно используем ПЭП с углом ввода 40, так как волна, излучаемая данным ПЭП имеет наименьшие затухания и большую чувствительность.

Контроль галтельного перехода происходить по схеме, представленной на рисунке 2.18:

Рисунок 2.18 Схема прозвучивания галтельного перехода шкворня

Расчет дефекта в галтельном переходе:

Длина строба _, мм