УДАРНО-АКУСТИЧЕСКИЙ ДЕФЕКТОСКОП Российский патент 2001 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано для неразрушающего контроля композитных и многослойных изделий из металлов и пластиков и их комбинаций, полученных методами диффузионной сварки, пайки, склеивания и т.п., а также для обнаружения подповерхностных дефектов типа нарушения сплошности и инородных включений.

В изобретении используется ударно-акустический метод контроля, заключающийся в нанесении удара по контролируемому изделию и анализе реакции изделия на ударный импульс.

Известны серийно выпускаемые дефектоскопы, реализующие ударно-акустический метод: ЧИКП-4УС, АД-20УП, АД-50У, АД-60С и др. [1-5]. В них используется ударник, приводимый в движение электромагнитом и наносящий с определенной частотой удары по поверхности контролируемого тела при ее сканировании, и чувствительный элемент, воспринимающий упругие волны, распространяющиеся в контролируемом изделии после ударов. В качестве такого чувствительного элемента используется либо металлический щуп с пьезоэлементом, находящийся в непрерывном контакте с поверхностью изделия на некотором расстоянии от точки удара и воспринимающий возбужденные в изделии упругие волны (дефектоскопы ЧИКП-4УС, АД-20УП, АД-50У), либо микрофон, расположенный над контролируемой зоной изделия и воспринимающий акустические волны, возбуждаемые в воздухе поверхностью изделия (дефектоскоп АД-60С). Далее эти колебания, преобразованные в электрический сигнал, анализируются одноканальным (ЧИКП-4УС, АД-20УП) или многоканальным (АД-50У, АД-60С) фильтрами и индицируются с помощью стрелочного измерительного прибора (ЧИКП-4УС, АД-20УП) или набора газоразрядных линейных индикаторов (АД-50У, АД-60С), позволяющих отобразить спектральный состав сигнала. Описано также устройство, представляющее собой комбинацию ударно-акустического преобразователя и ЭВМ [6], позволяющее получать спектр сигнала дискретным методом (быстрое преобразование Фурье) и отобразить его на экране ЭВМ.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является одноканальный дефектоскоп ЧИКП-4УС. Он состоит из блока первичного преобразователя, содержащего ударник, управляемый электромагнитом, и воспринимающий щуп с пьезопреобразователем, и электронного блока, содержащего генератор прямоугольных импульсов, электронный усилитель мощности, селективный усилитель, детектор и стрелочный измерительный прибор. Ударник представляет собой стальной подпружиненный стержень с диаметром ударной части 6 мм, приводимый в движение электромагнитом, в обмотку которого подаются прямоугольные импульсы напряжения, генерируемые генератором прямоугольных импульсов, последовательно соединенным с усилителем мощности. Чувствительный элемент также представляет собой стальной стержень диаметром 4 мм с закругленным нижним концом, который должен непрерывно контактировать с поверхностью изделия при сканировании, а к его верхнему концу прикреплен пьезопреобразователь, преобразующий упругие колебания щупа в электрический сигнал, для чего пьезопластина помещается между концом стержня и инерционной массой (стальной толстой пластиной). Электрический сигнал, снимаемый с пьезопластины, по соединительному кабелю передается в электронный блок, где поступает на вход селективного усилителя, выполняющего роль узкополосного фильтра. Далее сигнал детектируется детектором и измеряется стрелочным измерительным прибором. По показаниям стрелочного измерительного прибора судят о наличии и величине дефекта.

Основными недостатками прототипа и всех остальных рассмотренных аналогов являются недостаточная чувствительность и локальность контроля, а также значительный уровень шума, возбуждаемого при работе прибора, и неудобство работы с ним при ручном сканировании. Причинами этих недостатков являются:
- большая масса ударника (50-100 г), а следовательно, и большая энергия ударов, что помимо сильного шума накладывает ограничения и на контролируемые объекты (сильные удары могут повредить поверхность контролируемых объектов);
- наличие существенного расстояния (до 10 мм) между точкой удара и точкой съема возбуждаемых свободных колебаний поверхности изделия (при использовании микрофона в дефектоскопе АД-60С точка съема колебаний вообще не локализована, т.к. акустический сигнал в воздухе возбуждается всей поверхностью изделия и вибрирующими частями конструкции самой ударной системы);
- неудобство сканирования поверхности контролируемого изделия, особенно в случае криволинейной формы поверхности, вследствие громоздкости и значительной массы блока первичного преобразователя, а также затрудненности обзора зоны контроля;
- неудобство наблюдения за результатами контроля при ручном сканировании поверхности изделия, так как оператору одновременно приходится следить за зоной контроля, осуществляя ручное сканирование, и стрелочным или газоразрядным индикатором, находящимся в основном блоке прибора, расположенном на существенном расстоянии (до 1 м) от контролируемого изделия.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение чувствительности, локальности и достоверности контроля, снижение уровня шума и повышение удобства эксплуатации прибора.

Решение указанных задач достигается внесением изменений в конструкцию первичного преобразователя и в схему прибора.

Сущность изобретения поясняется чертежами конструкции первичного преобразователя (фиг. 1) и структурно-функциональной схемы прибора (фиг. 2). Первичный преобразователь (фиг. 1) состоит из ударника 1 в виде стальной иглы с закругленным нижним концом, верхний конец которой заправлен в плунжер 2 из магнитомягкого материала (низкоуглеродистая сталь или железо "армко"), который служит якорем электромагнита 3 с обмоткой 4. Ударник помещен в полость полой иглы 5 и подпружинен возвратной пружиной 6 таким образом, чтобы при отсутствии импульса тока в обмотке электромагнита ее ударный конец не выступал из полой иглы, нижний конец которой слегка закруглен, чтобы при сканировании контролируемого изделия мог легко скользить по его поверхности. Верхний наконечник 7 полой иглы жестко соединен с упругой мембраной 8, к которой прикреплена пьезопластина 9. Таким образом, полая игла является чувствительным элементом, воспринимающим упругие колебания поверхности контролируемого изделия непосредственно в зоне удара (расстояние между точкой удара и точками касания чувствительного элемента составляет доли миллиметра). Весь первичный преобразователь размещен в корпусе 10 и в нем же расположен светодиод 11, сигнализирующий о недопустимых дефектах. Первичный преобразователь соединен с электронным блоком гибким кабелем 12. Для облегчения правильного (перпендикулярного контролируемой поверхности) расположения первичного преобразователя при ручном сканировании на нижнюю часть корпуса преобразователя надевается обойма 13 с двумя ножками, образующими вместе с чувствительным элементом треножную опору, облегчающую ручное сканирование и, в то же время, не ухудшающую обзор зоны контроля.

Электронный блок прибора представлен структурно- функциональной схемой, изображенной на фиг. 2. Он состоит из последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов 14 и усилителя мощности 15, с выхода которого импульсы напряжения поступают на обмотку электромагнита 4 первичного преобразователя. Обкладки пьезопластины 9 первичного преобразователя соединены с входом селективного усилителя 16. Выход селективного усилителя соединен с входом детектора 17, а выход последнего - со стрелочным измерительным прибором 18 и компаратором 19 с регулируемым порогом срабатывания. Выход компаратора соединен со светодиодом 11, расположенным в корпусе 10 первичного преобразователя.

Дефектоскоп работает следующим образом. Первичный преобразователь устанавливается на поверхность контролируемого изделия таким образом, чтобы его ось была перпендикулярна к контролируемой поверхности (отклонения от нормали до 15^o практически не влияют на показания дефектоскопа), прибор включается и производится ручное или (при наличии автоматической системы сканирования) автоматическое сканирование поверхности изделия. Чувствительность прибора (коэффициент усиления селективного усилителя) и порог срабатывания компаратора устанавливаются таким образом, чтобы на бездефектном участке контролируемого изделия показания выходного прибора были близки к нулю (не превышали 10% от предела измерения стрелочного прибора), а порог срабатывания компаратора превышал бы уровень этого сигнала по крайней мере в полтора раза. При попадании щупа первичного преобразователя на дефектный участок изделия сигнал резко возрастает, срабатывает компаратор и загорается сигнальный светодиод. Остановив первичный преобразователь над дефектным участком, по показаниям стрелочного прибора судят о размерах и глубине залегания дефекта, а, смещая преобразователь в разные стороны от центра дефекта, уточняют его границы.

Существенными отличительными признаками предлагаемого устройства являются: выполнение ударника в виде тонкой иглы, а чувствительного элемента в виде полой иглы, в полости которой перемещается ударная игла, что позволяет назвать этот преобразователь совмещенным, так как база (расстояние между точкой удара и точкой съема информационного сигнала на поверхности контролируемого изделия) практически равна нулю, а также введение в схему электронного блока компаратора с регулируемым порогом срабатывания, вход которого соединен с выходом детектора, а выход - со светодиодом, расположенным в корпусе первичного преобразователя и сигнализирующим об обнаружении дефекта.

Благодаря резкому снижению массы ударника (в десятки раз по сравнению с прототипом) столь же резко уменьшается энергия удара и инерционность ударника, что, во-первых, исключает возможность повреждения поверхности контролируемого изделия, во- вторых, существенно уменьшает уровень шума, возникающего при работе прибора, и, в-третьих, позволяет повысить скорость сканирования, а значит и производительность контроля, так как вследствие малой инерционности ударника частоту ударов можно увеличить до десятков герц, т.е. , по крайней мере на порядок по сравнению с прототипом. А благодаря совмещению ударника с чувствительным элементом, выполняемым в виде полой иглы, существенно улучшается локальность контроля, обеспечивая обнаружение весьма малых дефектов (с поперечными размерами до 2-3 мм) и с точностью до 1 мм определять границы более крупных дефектов.

Анализ математической модели такого преобразователя, выполненный авторами, позволил рассчитать частотные спектры сигналов при контроле изделий с различной жесткостью и выделить полосы частот, обеспечивающих максимальную чувствительность к дефектам. Это позволяет путем смещения полосы пропускания селективного усилителя в зависимости от исходной жесткости поверхностных слоев контролируемого изделия, настраивать прибор на максимальную чувствительность к дефектам.

Лабораторные испытания макетного образца дефектоскопа, проведенные с различными объектами контроля с искусственными дефектами (сотовые панели из титановых сплавов, полученные методом диффузионной сварки, которые широко используются в авиакосмической технике, многослойные пластины металл-пластик-металл из алюминиевых сплавов и др.), показал, что по сравнению с прототипом и другими аналогами чувствительность и локальность контроля существенно повысились. Если прототип и аналоги надежно обнаруживали дефекты типа нарушения сплошности под слоем металлической обшивки толщиной 1 мм и диаметром не менее 30 мм, а дефекты типа "зажиривания", когда между слоями многослойного изделия существует механический контакт, но прочность соединения низкая, вообще не обнаруживались при их поперечных размерах до 50 мм, то описываемый прибор надежно обнаруживает дефекты типа нарушение сплошности диаметром 5 мм (при разнице сигналов над дефектной зоной и на нормальном участке в 5-7 раз) и вполне надежно обнаруживает дефекты типа "зажиривания" с поперечными размерами 10 мм (при разнице сигналов в полтора-два раза).

Границы дефектов определяются с точностью до 1 мм. Дефекты меньших размеров просто не исследовались из-за отсутствия соответствующих образцов, но выявленный запас по чувствительности позволяет надеяться, что надежно будут выявляться и дефекты размерами до 2-3 мм.

Таким образом, экспериментальные исследования подтвердили, что поставленные технические задачи решены.

Литература
1. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник, в 2-х томах / Под ред. В.В. Клюева. - М.: Машиностроение, 1976, (т. 2, с. 271).

2. Ланге Ю.В. Акустический спектральный метод неразрушающего контроля. - Дефектоскопия, 1978, N 3, с.7-14.

3. Ланге Ю. В., Устинов Е.Г. Авт. свид. N 557318. Бюлл. изобр. 1977, N 17.

4. Ланге Ю. В. , Устинов Е.Г. Акустический спектральный дефектоскоп. - Дефектоскопия, 1978, N 4, с. 27-33.

5. Ланге Ю. В. , Устинов Е.Г. Низкочастотный акустический дефектоскоп АД-60С. - Дефектоскопия, 1982, N 1, с. 12-15.

6. Ланге Ю. В. , Воропаев С.И., Мужицкий В.Ф. и др. Применение спектрального анализа в низкочастотных акустических дефектоскопах. - Дефектоскопия, 1995, N 10, с.74-83.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано для неразрушающего контроля композитных и многослойных изделий. Повышение чувствительности, локальности и достоверности контроля, снижение уровня шума достигается за счет того, что ударно-акустический дефектоскоп содержит ударник, чувствительный элемент, электромагнит, генератор прямоугольных импульсов, усилитель мощности, селективный усилитель, детектор и стрелочный измерительный прибор. Выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом усилителя мощности, а к выходу последнего подключена обмотка электромагнита, управляющего ударником. Сигнал, снимаемый с чувствительного элемента, поступает на вход селективного усилителя, к выходу которого подключен детектор, а к выходу последнего подключен стрелочный измерительный прибор. Ударник выполнен в виде тонкой тупой иглы, а чувствительный элемент - в виде полой иглы, причем ударник помещен коаксиально внутрь полой иглы, с образованием совмещенного преобразователя, верхний конец ударника заправлен в плунжер электромагнита, а верхний конец чувствительного элемента жестко соединен с упругой мембраной, к которой прикреплена пьезопластина. Вход компаратора подключен к выходу детектора, а к выходу компаратора подсоединен светодиод, конструктивно размещенный в корпусе первичного преобразователя. 2 ил.

Ударно-акустический дефектоскоп, содержащий ударник, чувствительный элемент, электромагнит, генератор прямоугольных импульсов, усилитель мощности, селективный усилитель, детектор и стрелочный измерительный прибор, причем выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом усилителя мощности, а к выходу последнего подключена обмотка электромагнита, управляющего ударником, сигнал, снимаемый с чувствительного элемента, поступает на вход селективного усилителя, к выходу которого подключен детектор, а к выходу последнего подключен стрелочный измерительный прибор, отличающийся тем, что ударник выполнен в виде тонкой тупой иглы, а чувствительный элемент - в виде полой иглы, причем ударник помещен коаксиально внутрь полой иглы, с образованием совмещенного преобразователя, верхний конец ударника заправлен в плунжер электромагнита, а верхний конец чувствительного элемента жестко соединен с упругой мембраной, к которой прикреплена пьезопластина, а также введены компаратор и светодиод, причем вход компаратора подключен к выходу детектора, а к выходу компаратора подсоединен светодиод, конструктивно размещенный в корпусе первичного преобразователя.