Ультразвуковая дефектоскопия

       Содержание

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Введение

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

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

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

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

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

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

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

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

1 Эхо-метод. Аппаратура

1.1 Принцип действия  эхо-импульсной дефектоскопии

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

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

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

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

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

    T = τ + t                                                                                                        (1) 

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

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

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

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

1.2 Импульсный ультразвуковой дефектоскоп

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

Рисунок 3. Структурная схема импульсного дефектоскопа:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.3 Преобразователи  для контроля эхо-методом

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

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

    Рисунок 4. Схема прямого преобразователя:

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

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

    Рисунок 5. Схема наклонного преобразователя:

    1 – пьэзоэлемент, 2 – призма, 3 – корпус излучателя, 4 – изоляционное     кольцо,  5 – демпфер, 6 – контактный штырь, 7 – изоляционная втулка,           8 – зажимная гайка. 

2 Помехи эхо-метода и способы борьбы с ними

    Помехами называют возмущения, накладывающиеся на принимаемый сигнал и мешающие его приему. Шумом называют помехи, случайные по амплитуде, времени прихода, фазе колебаний. Помехами эхо-метода в более узком смысле называю мешающие приему полезных сигналов импульсы, не меняющие своего положения во времени относительно зондирующего импульса при неизменных условиях контроля.

    Различают аддитивные и мультипликативные помехи и шумы. Аддитивные помехи складываются с полезным сигналом, а мультипликативные перемножаются с ним. Примеры источников мультипликативных помех; изменение качества акустического контакта, локальные изменения коэффициента затухания. Рассматриваемые далее помехи относятся к аддитивным. [1]

Внешние шумы

    Импульсы  внешних шумов имеют электрическую или акустическую природу. Электрические шумы связаны с работой электроконтакторов, близкорасположенной сварочной аппаратуры и т. д. Акустические шумы встречаются гораздо реже, они возникают в результате ударов по ОК. Например, контролю рельсов с помощью вагона-дефектоскопа мешают удары колес о рельсовые стыки

    Электрические шумы устраняют экранировкой прибора, соединительного кабеля и ЭАП, однако полностью подавить их таким образом не удается. Электрические импульсы поступают через цепь питания прибора, поэтому для их подавления вводят фильтр высоких частот в блок питания, применяют автономные источники питания. Внешние электрические и акустические шумы имеют свой частотный спектр, не связанный со спектром полезного сигнала, поэтому подавлению их способствует сужение полосы частот, принимаемых дефектоскопом.

    Один из способов борьбы с ними - это регистрирование только регулярно повторяющиеся сигналы, приходящие в один и тот же момент времени после посылки зондирующего импульса, т. е. накапление n импульсов, где n=2, 3, .... Это, однако, снижает производительность контроля.

Шумы  электрических цепей

    В электронных элементах на входе  приемника — усилителя дефектоскопа происходят хаотические изменения  электрических потенциалов и токов, которые ограничивают минимальное значение усиливаемого сигнала. Тепловые колебания носителей электрических зарядов в резисторе порождают тепловые шумы. Они имеются также в полупроводниковых приборах, пьезоэлемснтах. Эти шумы обычно меньше структурных помех, поэтому для их снижения достаточно применения малошумящих входных элементов.

Помехи преобразователя

    При контроле по совмещенной схеме контактным способом после зондирующего импульса наблюдают отражения ультразвуковых импульсов (иногда многократные) в пьезоэлементе, протекторе, демпфере, призме. Это помехи преобразователя (рисунок 6). По мере удаления во времени от зондирующего импульса эти помехи уменьшаются и исчезают. При контроле преобразователем с акустической задержкой (иммерсионной жидкостью, призмой) помехи, непосредственно следующие после зондирующего импульса, не мешают контролю, так как в это время ультразвуковой импульс распространяется не в ОК. Однако в этом случае выявлению дефектов вблизи поверхности мешает интенсивный импульс, отраженный от этой поверхности (начальный импульс) и сопровождающие его многократные отражения в элементах преобразователя.

    При ручном контроле помехи преобразователя  отличают от полезного сигнала по тому признаку, что они не перемещаются по линии развертки по время движения преобразователя по поверхности изделия, в то время как сигналы от дефектов перемещаются по линии развертки. Однако нести контроль в присутствие этих помех очень трудно (в автоматическом режиме — невозможно), поэтому рассматриваемые помехи стремятся подавить при разработке преобразователя. При контроле по раздельной схеме многократные отражения в излучателе не попадают на приемник, поэтому помехи преобразователя минимальны. 
 
 
 
 
 

    Рисунок 6. Типичное изображение на экране ЭЛТ дефектоскопа:

    1 – зондирующий импульс, 2 – помехи преобразователя,                                 3 – стробирующий импульс, 4 – структурные помехи, 5 – эхосигнал от дефекта, 6 – донный сигнал.

Ложные  сигналы

    ложными, называют сигналы, связанные с отражениями ультразвука от поверхностей и других элементов ОК, мешающие правильной оценке полезной информации. Ложный сигнал может быть принят за полезный (отражение от дефекта) или может наложиться на полезный сигнал и в результате интерференции изменить его информативные характеристики. Отстройку от ложных сигналов осуществляют выбором более удачной схемы и параметров контроля, стробированием (и исключением из рассмотрения) тех участков развертки, где возможно их появление, амплитудной дискриминацией, т. е. фиксированием только тех сигналов, уровень которых превышает уровень ложных

Структурные помехи

    Структурные помехи связаны с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах материала. Их часто называют структурной реверберацией. Импульсы, образовавшиеся в результате рассеяния ультразвука на различных неоднородностях, которые приходят к приемнику в один и тот же момент времени, складываются. В зависимости от случайного соотношения фаз отдельных импульсов они могут взаимно усилить или ослабить друг друга. В результате на ЭЛТ прибора структурные помехи имеют вид отдельных близко расположенных пикон, на фоне которых затруднено наблюдение полезного сигнала. Иногда амплитуда пиков превышает данный сигнал, что исключает возможность применения эхо-метода. При высоком уровне структурных помех следует снизить порог чувствительности. Существует два способа:

    Выбор оптимальных параметров контроля основан на соотношении полезных сигналов и среднего уровня структурных помех. Так как изменения акустического контакта может уменьшить амплитуду сигнала в несколько раз, а максимальный уровень структурных помех в 2 раза выше среднего, для надежного обнаружения полезного сигнала на фоне помех сигнала должен быть в 6-8 раз выше их среднего уровня.

    Статистические  методы выделения  сигналов на фоне структурных  помех основан на изменении длительность зондирующих импульсов, при сохранении их амплитуды. Значит дефектоскоп для контроля крупнозернистых материалов должен обладать переменной длительностью импульса (как минимум, от 4 до 9 периодов). Когда возникает сомнение, что наблюдаемые импульсы вызваны структурными помехами, то изменяют длительность импульса и проверяют, изменяется или нет их амплитуда. Если амплитуда не изменяется (с точностью 1 дБ), то импульсы — сигналы от дефектов. Если амплитуда изменяется приблизительно на 3 дБ или более —

это структурные помехи. 

3 Характеристика эхо-метода, их оптимизация и проверка

    Основные  характеристики эхо-метода контроля определяют область его применения, способность обнаруживать и оценивать дефекты изделий.

    Под чувствительностью понимают минимальный размер дефекта, находящийся на максимальной глубине и четко регистрируемый прибором. Количественно ее определяют порогом чувствительности. Для эхо-метода – это минимальная площадь искусственного дефекта типа плоскодонного отверстия, который обнаруживается при контроле. Ее можно определить по отражателям другого типа, выполняя пересчет на площадь плоскодонного отверстия по формулам акустического тракта. Порог чувствительности ограничивается двумя главными факторами: чувствительностью аппаратуры и уровнем помех. В зависимости от структуры материала будет и изменяться порог чувствительности.

    Максимальная  глубина прозвучивания  определяется максимальным расстоянием от дефекта (отражателя) заданного размера, на котором он уверенно выявляется. Она ограничивается условием, чтобы сигнал от дефекта был больше минимального сигнала, регистрируемого прибором и уровня помех. Она также определяется параметрами аппаратуры. В технических характеристиках прибора в качестве максимальной глубины прозвучивания указывают максимальную длительность развертки дефектоскопа. Достижение максимальной глубины прозвучивания ограничивается теми же факторами, которые препятствуют повышению чувствительности.

    Минимальная глубина или "мертвая" зона - минимальное расстояние от преобразователя или от поверхности изделия до дефекта, на котором он четко выявляется не сливаясь с зондирующим импульсом или импульсом от поверхности ввода ультразвука.

    Разрешающая способность - минимальное расстояние между двумя одинаковыми дефектами, при котором они регистрируются раздельно. Различают лучевую и фронтальную разрешающую способности метода.

    Лучевая разрешающая способность - минимальное расстояние в лучевом направлении, при котором сигналы от дефектов видны на экране как два раздельных импульса.

    Фронтальная разрешающая способность по перемещению - минимальное расстояние между дефектами в направлении перпендикулярном лучевому.

    Точность  измерения расстояния до дефекта определяется погрешностью в % от измеряемой величины.

    Производительность  контроля определяется шагом и скоростью сканирования (перемещения) преобразователя. При оценке времени контроля учитывается и время на исследование дефекта. [3]  
 
 

Заключение

    Изучив  материалы по данной теме можно утверждать, что эхо-импульсный метод неразрушающего контроля широко применяется для дефектоскопии объектов с односторонним доступом.

    Аппаратура, основанная на эхо-импульсном методе ультразвуковой дефектоскопии, обеспечивает высокую  производительность и достоверность  контроля с возможностью документирования результатов, обработкой на ЭВМ, формированием баз данных и выводом информации на бумажные носители.

    В наше время в России множество  фирм занимаются разработкой и выпуском средств ультразвукового контроля. Такие фирмы, как: «Алтек», «Техническая диагностика и надежность АЭС и ТЭС», НПК «Луч», МНПО «Спектр» занимаются развитием универсальных компактных эходефектоскопов.

Таким образом, одним из самых универсальных методов ультразвуковой дефектоскопии  является эхо импульсный метод. Он используется в медицине, легкой и пищевой промышленности, также является одним из лидирующих в нефтяной, газовой и машиностроительной промышленности.

Список  использованных источников

    1. Неразрушающий контроль. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Практ. пособие: В 5 кн. Под ред. Сухорукова В.В. Кн. 2: Акустические методы контроля. М.: Высшая школа, 1991. 283 с.

    2. Выборнов В.И. Ультразвуковая дефектоскопия. 2-е изд. М.: Металлургия, 1985.  256 с.

    3. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Неразрушающий контроль. Справочник: В 7 т. Под общ. ред. В.В.Клюева. Т.3: Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.

    4. Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия. Справ. пособие. М.: Высшая школа, 1987. 271 с.

    5. Методы неразрушающих испытаний. Физические основы, практические применения, перспективы развития. Под ред. Шарпа Р. М.: «Мир», 1972. 494 с.

    6. http://www.luch.ru/

    7. http://www.niiin.ru/