СПОСОБ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий и может быть использовано для неразрушающего контроля многослойных изделий из металлов пластиков и их комбинаций, полученных методами диффузионной сварки, пайки, склеивания и т. п. Оно предназначено для обнаружения локальных дефектов соединения отдельных слоев и использует 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: АД - 20УП, АД - 50У и др. [1-3]. В них используется ударник, приводимый в движение электромагнитом и наносящий с определенной частотой удары по поверхности контролируемого изделия, и чувствительный элемент, воспринимающий упругие волны, распространяющиеся в изделии после ударов. В качестве такого чувствительного элемента используется металлический щуп с пьезоэлементом, находящийся в непрерывном контакте с поверхностью изделия вблизи точки удара и воспринимающий возбужденные ударом колебания поверхности. Далее сигнал анализируется одноканальным (АД-20УП) или многоканальным (АД-50У) фильтрами и индицируется с помощью стрелочного (АД-20УП) или набора газоразрядных линейных индикаторов, позволяющих отобразить спектральный состав сигнала.

Основными недостатками указанных дефектоскопов являются недостаточная чувствительность, воспроизводимость и локальность контроля. Причинами этих недостатков являются: наличие существенного расстояния (около 10 мм) между точкой удара и точкой съема возбуждаемых свободных колебаний поверхности изделия (определяемого "базой" первичного преобразователя, т. е. расстоянием между ударником и щупом чувствительного элемента), возникновение паразитных вибраций чувствительного элемента при скольжении щупа по контролируемой поверхности вследствие ее шероховатости, а также дополнительный паразитный сигнал, вызываемый колебаниями элементов конструкции самого первичного преобразователя, возбуждаемыми движениями ударника (в том числе и реактивными силами, от которых избавиться невозможно) и передающихся на чувствительный элемент. Кроме того, из-за значительной массы ударника данные дефектоскопы создают при работе высокий уровень шума и могут повредить поверхность изделия (особенно если верхним слоем его является тонкая пластмассовая пластина или пленка). По этой же причине ограничена частота ударов, а следовательно, и производительность контроля при сканировании контролируемой поверхности.

Частично эти недостатки пытались преодолеть в дефектоскопе АД-60С [4] путем устранения механического щупа с чувствительным элементом, контактирующим с контролируемой поверхностью. Вместо него использовался микрофон, располагаемый вблизи ударника, который воспринимал акустический сигнал, возникающий при ударе через воздух, не требуя механического контакта с контролируемой поверхностью.

В качестве прототипа выбран именно этот дефектоскоп, так как он является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению. Сигнал с микрофона после предварительного усиления разветвляется на 12 узкополосных фильтров, настроенных на различные полосы частот и совместно перекрывающих практически весь звуковой диапазон. Каждый канал содержит узкополосный фильтр, пиковый детектор и усилитель постоянного тока, управляющий линейным газоразрядным индикатором, высота светящегося столба которого пропорциональна уровню выходного сигнала усилителя. Все 12 индикаторов объединены в световое табло, отображающее мгновенный спектр акустического сигнала. Кроме того, к выходам наиболее информативных каналов (по выбору оператора) могут быть подключены входы аналогового сумматора, управляющего сигнализатором дефектов. Чувствительность сумматора по каждому входу может регулироваться.

Однако экспериментальные исследования, проведенные авторами и другими исследователями [5], показали, что, даже при более совершенном методе спектрального анализа сигнала и его дальнейшей обработки численными методами с помощью ЭВМ, и чувствительность, и локальность контроля остаются недостаточно высокими.

Это можно объяснить тем, что акустический сигнал, воспринимаемый микрофоном, возбуждается не только той точкой поверхности изделия, по которой наносится удар, а практически всей поверхностью контролируемого изделия, по которому упругие волны распространяются с гораздо большей скоростью, чем по воздуху, и имеют весьма малое затухание, а следовательно, и спектр этих колебаний зависит от свойств изделия (наличия дефекта соединения между слоями) не только непосредственно под точкой удара, но и в весьма широкой области вокруг нее. (Для подтверждения этого можно привести весьма распространенный способ обнаружения трещин в стеклянной, фарфоровой и фаянсовой посуде "на звук" при постукивании по ней в любой точке, а не обязательно в зоне нахождения этой трещины). Кроме того, звук издает и сам ударник, и вибрирующие при ударах элементы конструкции всего первичного преобразователя, создавая дополнительную помеху, ухудшающую чувствительность. Следует ожидать, что в цеховых условиях при автоматизации распознавания дефектов чувствительность еще больше снизится из-за наличия внешних акустических шумов, которые в цехе могут достигать интенсивностей, сравнимых или даже превосходящих полезный акустический сигнал.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение, являются повышение чувствительности, локальности и достоверности контроля.

Решение указанных задач достигается тем, что предлагается новый способ съема полезной информации при использовании ударно-акустического метода и реализующее его устройство.

Предлагаемый способ заключается в том, что полезная информация об упругих свойствах изделия в зоне удара снимается с той точки поверхности изделия, по которой наносится удар, и именно в тот момент, когда он наносится, а носителем этой информации является сам ударник, совершающий свободное колебательное движение (свободное падение - удар - отскок) со строго дозированной импульсной подпиткой энергии в момент отскока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дана структурная схема устройства, на фиг.2 - совмещенная временная диаграмма скорости ударника и действующих на него сил, а на фиг.3 - схематический чертеж первичного преобразователя.

Устройство (фиг. 1), реализующее данный способ, состоит из первичного преобразователя 6, включающего в себя стальной ударник 1, катушку электромагнита 2 и микрофон 3, усилителя-формирователя 7 синхроимпульса, соответствующего переднему фронту ударного импульса, формирователя 8 импульса тока электромагнита и измерителя периода ударных импульсов 9.

Первичный преобразователь (фиг.3) состоит из ферромагнитного ударника 1 цилиндрической формы, который может свободно перемещаться вдоль вертикальной оси в канале катушки 2 и при отсутствии тока в катушке опирается нижним, закругленным для обеспечения центрального точечного удара, торцом на изделие 5 таким образом, что центр тяжести ударника А находится ниже центральной точки катушки В. Помимо катушки в корпусе 4 находится микрофон 3.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении нижний торец ударника 1 опирается на поверхность контролируемого изделия и его центр тяжести находится ниже центра катушки электромагнита (чтобы ударник не выпадал из полости катушки при отсутствии изделия, его верхняя часть имеет больший диаметр, а нижняя часть полости электромагнита имеет диаметр меньший, чем диаметр верхней части ударника, причем при наличии контролируемого изделия верхняя часть ударника не доходит до нижней части канала катушки, имеющей меньший диаметр). При подаче начального запускающего импульса напряжения на электромагнит ударник втянется в катушку, а затем свободно падая, нанесет удар по поверхности изделия. Ударный импульс F_yτ_y приведет к отскоку ударника. Звук от удара улавливается микрофоном 3, преобразующим его в электрический импульс. Усилитель-формирователь 7 синхроимпульса усиливает этот импульс и по его переднему фронту формирует очень короткий синхронизирующий импульс, поступающий на входы формирователя 8 импульса тока электромагнита и измерителя периода ударных импульсов 9. Формирователь 8 импульса тока электромагнита при поступлении на его вход синхроимпульса формирует импульс тока электромагнита заданной амплитуды и регулируемой длительности, который поступает на катушку электромагнита 2. Электромагнит создает импульс силы F_эм•τ_эм, действующий на ударник в момент его отскока от контролируемой поверхности и направленный вверх. Этот импульс придает ударнику дополнительное ускорение в самом начале его движения вверх. С момента окончания электромагнитного импульса ударник движется вверх по инерции за счет запасенной в нем кинетической энергии, преодолевая силу тяжести. Когда кинетическая энергия полностью перейдет в потенциальную, начнется свободное падение ударника вниз. В дальнейшем процесс будет повторяться, сделавшись автоколебательным. Амплитуда колебаний ударника будет нарастать до тех пор, пока дополнительная кинетическая энергия, сообщаемая ударнику электромагнитным импульсом, не сравняется с потерями энергии при ударе, расходуемыми на создание упругих ударных волн в контролируемом изделии, ударнике и окружающем пространстве, пластическую деформацию поверхностных слоев соударяющихся тел и. т. п. При установившемся режиме колебаний ударника их период перестанет увеличиваться и при ударе по одной и той же точке изделия и постоянстве электромагнитного импульса установятся определенные амплитуда и частота колебательных движений ударника, которые далее будут зависеть только от упругих свойств поверхности контролируемого изделия в точке удара. По изменениям периода колебаний ударника при сканировании поверхности изделия можно судить об изменении упругих свойств, вызываемых наличием в зоне удара внутренних дефектов (пустот, расслоений, некачественных клеевых, сварных или паяных соединений между слоями и т.п.).

В момент нанесения удара кинетическая энергия ударника равна:

где m - масса ударника;
V₀ - скорость ударника в момент нанесения удара.

В момент отскока кинетическая энергия ударника равна:

где v_0↑ - - скорость ударника в момент отскока.

W_0↑ < W_0↓, т. к. часть энергии ударника была затрачена на наведение колебаний в соударяемых телах, которые затухают благодаря силам внутреннего трения.

Скорость v_0↓ может быть определена из равенства потенциальной и кинетической энергий ударника:

где g - ускорение силы тяжести,
H - высота, на которую поднимается ударник в режиме установившихся колебаний, когда удары наносятся по одной и той же точке изделия.

Отсюда следует, что:

Без электромагнитного импульса сердечник отскочил бы от изделия, поднявшись на высоту h < H, которая так же может быть найдена из равенства кинетической и потенциальной энергий.

откуда


Величина ударного импульса, появляющегося при соударении двух тел, зависит не только от их масс и скоростей до удара, но и от упругих свойств соударяющихся тел; эти свойства характеризуются величиной, называемой коэффициентом восстановления [6], который определяется как:

По теореме об изменении количества движения для ударника для отрезка времени, равного τ_y, справедливо следующее уравнение:
m•[v_0↑-(-v_0↓)] = F_y•τ_y;
m•(v_0↑+v_0↓) = F_y•τ_y;
учитывая (4), получаем

или

откуда

На отрезке времени τ_y на ударник действует и сила тяжести, однако ее действием за время удара можно пренебречь, в силу того, что она много меньше ударной силы [6].

Применяя теорему об изменении количества движения ударника для отрезка времени τ_эм, получим следующее уравнение:
m•(v_↑τэм-v_0↑) = (F_эм-F_T)•τ_эм. (6)
где v_↑τэм - скорость ударника по окончании электромагнитного импульса,
F_T - сила тяжести.

Подставив в (6) величину v_0↑ из (5), получим:

откуда

Очевидно, что кривая изменения скорости ударника (см. фиг.2) за пределами действия ударного и электромагнитного импульсов будет симметрична относительно момента T₀, когда ударник находится в крайнем верхнем положении, различаясь лишь знаком вектора скорости, поскольку в это время ударник движется лишь под действием инерции и силы тяжести. Это означает, что в любой точке C траектории движения ударника, расположенной ниже крайнего верхнего положения (рассматривается положение центра тяжести ударника) и выше той точки, где заканчивается действие электромагнитного импульса при движении ударника вверх, скорости ударника. v_c↑ и v_c↓ будут равны по модулю.

Обозначив разницу между H и точкой C через h_с, получим

Сдвигая точку C вниз до той точки, в которой при движении ударника вверх заканчивается действие электромагнитного импульса, получим из условия равенства скоростей вверх и вниз:

откуда

Начиная с точки C, ударник движется вверх и вниз только под действием инерции и силы тяжести. Время движения тела, подброшенного вертикально вверх от точки C с начальной скоростью v_c↑ = v_↓τэм, до момента возвращения его в точку С равно

Это время будет составлять большую часть периода установившихся свободных автоколебаний ударника. Действительно временем самого удара можно пренебречь, поскольку оно очень мало по сравнению с полным временем движения ударника вверх и вниз, длительность действия электромагнитного действия принудительно устанавливается достаточно малой (во всяком случае такой, чтобы до его окончания центр тяжести ударника не успел бы достичь центра катушки, т. к. после прохождения центра катушки электромагнитная сила будет уже не ускорять, а тормозить движение ударника). В этом случае полное время движения ударника вверх будет равно:

Движение ударника вниз ниже точки C уже не будет полностью симметрично движению вверх на этом участке пути, т.к будет продолжаться, как и до точки C, только под действием силы тяжести. Поэтому и отрезок времени τ_c↓, необходимый для преодоления расстояния от точки C до соприкосновения с поверхностью изделия, не будет равен τ_эм. Однако ввиду малости τ_эм по сравнению с разницей между τ_эм и τ_c↓ можно пренебречь, ввиду чего период установившихся колебаний будет равен

При этом время свободного падения ударника с высоты H будет определяться выражением [7]:

Как это было показано выше, оно (при малых τ_эм) приблизительно равно 0,5•T, откуда:

В этих выражениях величину можно рассматривать как обобщенный параметр, определяющий упругие свойства контролируемого изделия в точке удара. Именно он и несет полезную информацию. Все остальные величины, входящие в выражения (11) и (12), являются постоянными, причем F_эм и τ_эм - легко регулируемыми.

Таким образом, измеряя период T или амплитуду H установившихся автоколебаний ударника, можно определить величину

зависящую от упругих свойств изделия в точке удара и несущую информацию о наличии и характеристиках подповерхностного дефекта.

Более удобным для измерения является период T автоколебаний ударника, для чего достаточно измерять период между импульсами тока, подаваемыми на катушку электромагнита.

При постоянстве F_эм•τ_эм каждому значению P_y будут соответствовать свои значения T и H. Регулируя величину электромагнитного импульса F_эм•τ_эм, можно увеличивать или уменьшать T и H. В принципе это позволяет измерять P_y по величине электромагнитного импульса, необходимого для достижения заданных значений T или H. Однако такой способ измерения будет менее производителен, так как потребует для каждой точки поверхности регулировать F_эм•τ_эм (амплитуду и длительность импульса тока, подаваемого на катушку электромагнита) до тех пор, пока период автоколебаний ударника не сравняется с заданным значением. Но путем регулировки электромагнитного импульса очень удобно регулировать силу удара и диапазон вариаций периода T при контроле различных объектов с существенно отличающимися упругими свойствами.

Существенными отличительными признаками предлагаемого способа являются выполнение ударника в виде свободно падающего тела из ферромагнитного материала и его использования в качестве носителя информации об упругих свойствах контролируемого изделия в точке удара путем измерения периода или амплитуды его установившихся автоколебаний при импульсной подпитке его энергии в моменты отскока строго дозированными электромагнитными импульсами.

Высокая чувствительность данного способа и реализующего его устройства достигается, во-первых, благодаря практически полному отсутствию мешающих или дестабилизирующих факторов, во-вторых, вследствие того, что вся полезная информация концентрируется в одном измеряемом параметре - периоде установившихся колебаний ударника, а не размывается по всему спектру возбуждаемого акустического сигнала и, в-третьих, благодаря возможности измерения периода колебаний с весьма высокой точностью (с применением цифрового метода измерений).

Первый из этих факторов заслуживает более детального рассмотрения. Из выражения (10) видно, что период установившихся колебаний ударника зависит лишь от полезного информативного параметра и параметров электромагнитного импульса F_эм и τ_эм. Последние можно задавать с весьма высокой точностью. Из неучтенных при выводе данного выражения факторов можно отметить лишь трение ударника о стенки канала катушки электромагнита. Однако выбором оптимального зазора и подбором материала каркаса катушки электромагнита, обеспечивающим малый коэффициент трения со сталью (например, фторопласт), а также благодаря центрирующему действию электромагнитного импульса на ударник (вследствие наведения в нем вихревых токов возникают силы, стремящиеся расположить его строго по оси катушки) влиянием этого фактора можно пренебречь. Единственным существенным ограничением является необходимость строго вертикального расположения электромагнита. Сканирование желательно осуществлять путем перемещений изделия при неподвижном первичном преобразователе, хотя при обеспечении равномерности поступательного движения электромагнита это не имеет значения. Высокая локальность контроля обеспечивается тем, что вся полезная информация об изделии снимается именно с той точки его поверхности, по которой наносится удар, и именно в момент удара, путем измерения той части энергии удара, которая поглощается изделием, поскольку именно эта величина трансформируется в непосредственно измеряемый параметр - период установившихся колебаний ударника.

Проведенные авторами экспериментальные исследования макетного образца устройства, реализующего предлагаемый способ, подтвердили высокую чувствительность и локальность контроля. Исследования проводились на образцах двух типов с искусственными дефектами. Первый образец представляет собой сотовую панель из титанового сплава с диаметром сот 10 мм, толщиной верхней обшивки 0,5; 0,75; 1,0 мм, толщиной нижней обшивки 2 мм и общей толщиной 17,5 мм, изготовленную методом диффузионной сварки. Искусственные дефекты были получены при изготовлении панели путем закладки между сотовым наполнителем и верхней обшивкой тонкой пленки в форме круга диаметром 35 мм. Пленка, выполненная по специальной технологии, препятствовала диффузии при сварке, в результате наполнитель и обшивка, находясь в механическом контакте, не имели сварного соединения.

Образцы второго типа представляли двух- и трехслойные панели из листового дюралюминия. Соединение осуществлялось посредством клеевой пленки ВК-25. Общие толщины панелей 1,2; 1,9 и 2,6 мм. Искусственные дефекты получались двумя путями: вырезом полос клеевой пленки шириной 15 мм и "зажириванием" таких же полос перед склеиванием.

В первом случае под слоем обшивки образовывались пустоты, а во втором - пустот не было, но прочность соединения между слоями в местах "зажиривания" резко снижалась.

На сотовой панели все дефекты надежно обнаруживались при всех толщинах верхнего слоя обшивки. Более того, на бездефектных местах легко различались места соединения верхней обшивки со стенками сотового наполнителя и места, соответствующие центрам сотовых ячеек, а дефектные места обнаруживались даже с обратной стороны панели. Границы дефектов локализовались с точностью 1-2 мм (в зависимости от толщины обшивки). На образцах второго типа при всех толщинах верхнего слоя дефекты типа вырезов обнаруживались со 100%-ной надежностью. Дефекты этого типа приводили к изменению периода колебаний на 80 - 90%, причем граница дефектов локализовалась с погрешностью до 0,5 мм, а дефекты типа "зажиривания" приводили к изменениям периода установившихся колебаний на 12-15% (в зависимости от толщины верхнего слоя обшивки).

Сравнительные испытания с серийным дефектоскопом АД-60С показали, что в сотовой панели достаточно надежно обнаруживались лишь дефекты диаметром 35 мм, да и то при толщинах обшивки 0,5 и 0,75 мм. Сотовая структура наполнителя вообще не различалась. На образцах второго типа дефекты вообще не обнаруживались. Эти результаты хорошо согласуются и с результатами исследований аналогичного дефектоскопа с более совершенным методом спектрального разложения и анализа сигнала с помощью ЭВМ [5].

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

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

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

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

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

5. 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.

6. Тарг С.М. Краткий курс теоретический механики. - М.: Наука, 1968, 415 с.

7. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. - М.: Наука, 1969, 71 с.

Изобретение может быть использовано для неразрушающего контроля качества многослойных изделий из металлов, пластиков и их комбинаций. Способ заключается в том, что полезная информация об упругих свойствах изделия в зоне удара снимается с той точки поверхности изделия, по которой наносится удар, и именно в тот момент, когда он наносится, а носителем этой информации является сам ударник, совершающий свободное колебательное движение (свободное падение - удар - отскок) со строго дозированной импульсной подпиткой энергии в момент отскока. Механические удары наносятся свободно падающим ударником из ферромагнитного материала. Устройство содержит ударник, катушку электромагнита, микрофон, устройство формирования импульса тока электромагнита, усилитель-формирователь синхроимпульсов и измеритель периода ударных импульсов. Ударник расположен вертикально в полости катушки электромагнита. Обеспечивается повышение чувствительности, локальности и достоверности контроля. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ для неразрушающего контроля многослойных изделий, заключающийся в нанесении механических ударов по поверхности контролируемого изделия и анализе реакции изделия на эти удары, отличающийся тем, что удары наносятся свободно падающим ударником, изготовленным из ферромагнитного материала, а в момент отскока на него воздействуют строго дозированным электромагнитным импульсом, придающим ударнику дополнительное ускорение вверх и компенсирующим потери энергии при ударе, обусловленные затратами энергии на создание в изделии и окружающем пространстве упругих акустических волн (внутреннее трение) и пластическую деформацию поверхностных слоев соударяющихся тел, причем величину этих потерь определяют путем измерения периода установившихся колебаний ударника или амплитуды этих колебаний. 2. Устройство для неразрушающего контроля многослойных изделий, содержащее стальной ударник, катушку электромагнита, микрофон и устройство формирования импульса тока электромагнита, отличающееся тем, что дополнительно введены усилитель-формирователь синхроимпульсов и измеритель периода ударных импульсов, причем вход усилителя-формирователя синхроимпульсов соединен с микрофоном, а его выход - с входами формирователя импульсов тока электромагнита и измерителя периода ударных импульсов, а сам ударник располагается вертикально в полости катушки электромагнита с зазором, обеспечивающим свободное перемещение ударника вдоль оси катушки электромагнита.