СПОСОБ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 2007 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля и может быть использовано для диагностики изделий по параметрам их механических колебаний, например, при дефектоскопии серийных изделий из различных материалов: металла, керамики, графита и других.

Известен способ контроля дефектности объекта, заключающийся в том, что в контролируемом и эталонном объектах ударом возбуждают упругие колебания, принимают собственные колебания этих изделий, измеряют параметры этих колебаний и по ним судят о дефектности объекта. В описанном способе с целью повышения точности упругие колебания в обоих изделиях возбуждают одновременно и регистрируют результирующую данных колебаний. При этом измеряют период биений результирующего колебания, а дефектность объекта определяют по уменьшению периода биений относительно эталонного (Авторское свидетельство СССР №1446552, МКИ: G01N 29/00).

Недостатком этого метода является проблематичность дефектоскопии объектов, расположенных в труднодоступных местах, и необходимость в непосредственном присутствии при измерениях эталонного изделия, заведомо имеющего высокое качество.

Известен способ контроля дефектности изделия, заключающийся в том, что в контролируемом объекте ударом возбуждают упругие колебания, принимают собственные колебания изделия, измеряют параметры этих колебаний и с учетом этих параметров определяют дефектность объекта. Колебания возбуждают в одной и той же точке контролируемого изделия с постоянными силой и длительностью воздействия, принимают в двух различных точках и измеряют амплитуды колебаний в этих точках на собственных частотах. Дефектность изделия определяют по величине отношений амплитуд (Патент на изобретение РФ №2111485, МПК: G01N 29/04).

Однако ограничением в применении данного метода служит необходимость в доступе к трем пространственно разнесенным точкам исследуемого объекта, вследствие чего он не может быть применен для дефектоскопии объектов, расположенных в труднодоступных местах, в то время как в заявляемом способе и задающий и приемный преобразователи могут располагаться рядом.

Также известен способ определения дефектности изделия, заключающийся в том, что в исследуемом образце в первой точке возбуждают вынужденные механические колебания, изменяют частоты воздействия до возникновения резонансных колебания в изделии, во второй точке измеряют параметры этих колебаний, по которым определяют дефектность изделия. В данном способе в качестве параметров колебаний регистрируют амплитуды колебания с частотой воздействия и удвоенной частотой воздействия, причем резонанс определяют по максимальному значению амплитуды колебаний с удвоенной частотой воздействия. В резонансе определяют отношение квадрата амплитуды колебаний с частотой воздействия к амплитуде колебаний с удвоенной частотой воздействия. Далее точки возбуждения и приема колебаний меняют местами, о дефектности изделия судят по величине среднего значения двух полученных отношений (Патент на изобретение РФ №2245543, МПК: G01N 29/04).

Однако ограничением применимости данного метода могу быть проблемы с возбуждением колебаний на частотах, кратных задающей в материалах с высоким затуханием звука, что отрицательно влияет на точности измерений.

Известен способ контроля дефектности объекта, заключающийся в том, что в контролируемом объекте возбуждают вынужденные колебания, изменяют частоту вынужденных колебаний до возникновения резонансных колебаний в объекте, измеряют параметры этих колебаний, в качестве которых выбирают верхнюю и нижнюю частоты, соответствующие заданной амплитуде отклика, определяют соотношение этих частот, которое используют для суждения о дефектности изделия (Авторское свидетельство СССР №1552091, МКИ: G01N 29/04).

Однако данный способ не позволяет контролировать с достаточной достоверностью объекты, закалка которых по глубине не однородна.

Существует также способ, согласно которому прозвучивание проводят в N точках объекта и определяют соотношение верхних и нижних частот для каждого из N измерений, а о дефектности судят по разности минимального и максимального из этих измерений (Авторское свидетельство СССР №1714492, МКИ: G01N 29/04).

Способ не позволяет выявлять некоторые виды дефектов, например усталость металла, и снижение его предела пропорциональности.

Наиболее близким к заявляемому решению является акустический способ дефектоскопии объектов, заключающийся в том, что в контролируемом и эталонном объектах возбуждают резонансные механические колебания, определяют их параметры и по результатом сравнения параметров судят о дефектности контролируемого объекта. Отличительной чертой данного способа является то, что с целью повышения чувствительности и надежности контроля объектов малых размеров определяют число резонансных пиков контролируемого объекта в заданном частотном интервале, сравнивают с аналогичным числом для эталонного образца и по разности этих чисел судят о дефектности контролируемого объекта (Авторское свидетельство СССР №655961, МПК: G01N 29/04).

Однако недостатком этого технического решения является низкая надежность определения дефектности изделий с неоднородной структурой и/или шероховатой поверхностью, а также низкая достоверность контролируемых параметров.

Задачей изобретения является повышение надежности при определении дефектности объектов изготовленных из различных материалов.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения дефектности объекта, заключающемся в возбуждении резонансных механических колебаний в контролируемом объекте, определении их параметров, в качестве одного из которых выбирают количество резонансных пиков в заданном частотном интервале, сравнении их с эталонными значениями, по отклонению от которых судят о наличии дефекта согласно предлагаемому решению, используют минимальную вынуждающую силу, позволяющую выявлять все значимые резонансные частоты, частоту вынуждающей силы последовательно изменяют в заданном частотном интервале, содержащем основные гармоники и несколько обертонов в серии эталонных объектов, после чего строят акустический спектр объекта - зависимость амплитуды возникающих колебаний от частоты, а резонансные пики определяют по превышению величины их добротности над пороговым эталонным значением. При этом в качестве параметров резонансных колебаний дополнительно выбирают добротность колебаний и/или собственные частоты резонансных колебаний и/или соотношение их амплитуд.

Известные способы применяют для дефектоскопии объектов, изготовленных их материалов с низким затуханием звука, в первую очередь металлов. Заявляемый способ имеет более широкую область применения, которая распространяется также на объекты, изготовленные из материалов с высокими затуханием и неоднородностью, например из графита. Для решения поставленной задачи в качестве критерия для выявления резонансных частот вместо традиционно используемой амплитуды колебаний выбрана добротность. При этом наилучший результат достигается при увеличении числа контролируемых параметров колебаний, в качестве которых используют добротность резонансных колебаний, их частоты и относительные амплитуды.

Предлагаемый нами способ осуществляется следующим образом.

При помощи задающего акустического излучателя в объекте возбуждают вынужденные колебания с фиксированной амплитудой колебаний вынуждающей силы, которая зависит от размеров объекта, затухания звука в исследуемом материале и требуемой точности. Например, для прозвучивания крупногабаритных объектов с сильным затуханием ультразвука необходимо приложение большей вынуждающей силы, чем для небольших объектов с низким затуханием, однако увеличение вынуждающей силы приводит к появлению нелинейных искажений в акустических преобразователях и образце, что снижает точность дефектоскопии. Для наиболее точной дефектоскопии необходимо использовать минимальную вынуждающую силу, позволяющую выявлять все значимые резонансные частоты. Ее численное значение определяется эмпирическим путем при исследовании серии эталонных объектов. Частоту вынуждающей силы последовательно изменяют в заданном частотном интервале, зависящем от геометрических размеров изделия и скорости звука в нем. Для уменьшения времени дефектоскопии целесообразно ограничиться частотным интервалом, содержащим основные гармоники и несколько обертонов в серии эталонных объектов. Далее с помощью акустического приемника регистрируют амплитуду возникающих в объекте колебаний, по которой строят так называемый акустический спектр объекта зависимость амплитуды возникающих колебаний от частоты.

О дефектности объекта судят по следующим параметрам.

Добротность собственных колебаний определяется затуханием звука в изделии на данной частоте и для недефектных образцов изменяется в некотором фиксированном интервале в зависимости от свойств материала изделия. Наличие дефекта может препятствовать или, наоборот, способствовать распространению колебаний с данной частотой. О дефектности изделия можно судить по выходу значений добротности собственных колебаний изделия за пределы заданного интервала.

В заявляемом способе добротность используется как критерий выявления резонансных частот. В материалах с низким затуханием колебания на резонансных частотах имеют большую амплитуду и четко выделяются над уровнем шумов, поэтому традиционно использование амплитуды для их выявления не вызывает проблем. Однако в материалах с сильным затуханием характерные для исследуемого объекта частоты могут иметь относительно небольшую амплитуду, в то время как увеличение вынуждающей силы ведет к нелинейным искажениям. В силу этих обстоятельств использование амплитуды как критерия для выявления резонансных частот является затруднительным. Решить эту проблему позволяет использование добротности в качестве такого критерия. Например, была исследована заготовка из необожженного графита размером 100×100×152 мм, в которой возбуждали механические колебания. При этом напряжение на входе задающего акустического преобразователя составляло 15 В, амплитуда колебаний на частоте 8406 Гц-0.08 мВ, а амплитуда колебаний на частоте 20759 Гц составляла 6.4 мВ. Т.к. уровень шумов составлял порядка 0.4 мВ, то при использовании в качестве критерия для определения резонансных частот амплитуды резонансный пик на частоте 8406 Гц выражен не явно, в то время как он является существенным для образца и несет важную информацию о его качестве. Добротности же приведенных колебаний составят соответственно 61.8 и 74.9 и по ним легко выявить обе частоты (Фиг.1).

Вторым параметром при определении дефектности объекта является частота собственных колебаний изделия. Частоты собственных колебаний изделия зависят от его геометрических параметров и свойств материала. Стандартное, не содержащее дефектов, изделие имеет строго определенный набор частот, которые могут изменяться в некотором фиксированном интервале, который зависит от допусков на геометрические размеры изделия, качества материала и внешних факторов, таких как температура. О дефектности изделия судят по выходу частот собственных колебаний за пределы допустимого интервала и появлению в спектре новых частот, обусловленных наличием дефекта.

При наличии дефектов в изделии может происходить перераспределение энергии колебаний между собственными частотами, что ведет к изменению соотношения между амплитудами колебаний на соответствующих частотах. О дефектности изделия судят по выходу отношений между амплитудами собственных колебаний за пределы, допустимые для бездефектных изделий.

Применение добротности для нахождения резонансных частот и комплексное измерение трех перечисленных параметров собственных колебаний позволяет выявлять большее число дефектов, недоступных для многих других методов, что ведет к существенному повышению качества проверки объектов и позволяет распространить данный метод на объекты, изготовленные из материалов с сильным затуханием звука, например из графита.

Были проведены лабораторные испытания данного метода. В качестве одного из контролируемых объектов использовался цилиндр из обожженного графита марки ГМЗ длинной 200 мм и диаметром 50 мм. В качестве задающего и принимающего акустических преобразователей использовались пьезокерамические преобразователи. Для создания внешней вынуждающей силы использовался генератор сигналов ГЗ-18, а для регистрации амплитуды возникающих в образце колебаний - селективный усилитель У2-8, частотомер электронносченый 43-38 и осциллограф С1-65А. После снятия акустического спектра в цилиндр был внесен искусственный дефект - отверстие диаметром 0.2 мм и глубиной 1-2 мм, и снят еще один спектр. Сравнение полученных спектров приведено на фиг.2, а сравнение параметров колебаний - в таблице. Необходимо отметить, что для удобства сравнения на чертеже изображены приведенные амплитуды, а в таблице численные значения измеренных величин. На числовое значение амплитуд в значительной степени влияют условия эксперимента, поэтому в качестве дефектоскопического критерия необходимо использовать их соотношения.

Предложенный метод позволяет выявлять дефекты в образцах, изготовленных из материалов с сильным затуханием звука, таких как графит, что существенно расширяет область его применения. Кроме того, возможно исследование объектов на ранних стадиях их обработки, что существенно снижает затраты на обработку дефектных образцов, которые в некоторых производствах могут быть очень велики. Таким образом, предложенный метод дефектоскопии позволяет существенно повысить выход качественной продукции.

Данный метод позволяет не только сделать качественный вывод о дефектности объекта, но и в первом приближении оценить степень его дефектности, что позволяет разделить объекты с допустимыми технологическими дефектами на несколько классов по качеству.

К достоинствам предложенного метода следует отнести то, что он является методом косвенного, а не прямого сравнения. Это означает, что отсутствует необходимость в использовании эталонного образца при измерениях. Параметры резонансных колебаний, принимаемые за эталон, определяются по результатам исследования серии объектов, которые впоследствии могут быть подвержены всем доступным методам дефектоскопии, в том числе разрушающим, для подтверждения отсутствия в них дефекта.

Сравнение частот, добротностей и амплитуд колебанияν₁, Гцν₂, ГцΔν, ГцQ₁Q₂ΔQV₁, мВV₂, мВΔV, мВ83208332120,14%298,666595,107129699,26%1,1200,950-0,170-15,18%-16096 --318,7643---0,225--1654416499-45-0,27%359,652203,6914-156-43,36%3,8001,680-2,120-55,79%-20085---441,4715---0,104---20594---496,8794 --0,090---21682---483,9807---0,135--22124---326,490---0,018 --

Использование: для контроля дефектности объекта. Сущность: заключается в том, что возбуждают резонансные механические колебания в контролируемом объекте, определяют их параметры, в качестве одного из которых выбирают количество резонансных пиков в заданном частотном интервале, сравнивают их с эталонными значениями, по отклонению от которых судят о наличии дефекта, при этом используют минимальную вынуждающую силу, позволяющую выявлять все значимые резонансные частоты, частоту вынуждающей силы последовательно изменяют в заданном частотном интервале, содержащем основные гармоники и несколько обертонов в серии эталонных объектов, после чего строят акустический спектр объекта - зависимость амплитуды возникающих колебаний от частоты, а резонансные пики определяют по превышению величины их добротности над пороговым эталонным значением. Технический результат: повышение надежности при определении дефектности объектов, изготовленных из различных материалов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения дефектности объекта, заключающийся в возбуждении резонансных механических колебаний в контролируемом объекте, определении их параметров, в качестве одного из которых выбирают количество резонансных пиков в заданном частотном интервале, сравнении их с эталонными значениями, по отклонению от которых судят о наличии дефекта, отличающийся тем, что используют минимальную вынуждающую силу, позволяющую выявлять все значимые резонансные частоты, частоту вынуждающей силы последовательно изменяют в заданном частотном интервале, содержащем основные гармоники и несколько обертонов в серии эталонных объектов, после чего строят акустический спектр объекта - зависимость амплитуды возникающих колебаний от частоты, а резонансные пики определяют по превышению величины их добротности над пороговым эталонным значением.2. Способ определения дефектности объекта по п.1, отличающийся тем, что в качестве параметров резонансных колебаний дополнительно выбирают добротность колебаний и/или собственные частоты резонансных колебаний и/или соотношение их амплитуд.