СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01N29/04 

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего ультразвукового контроля изделий, представляющих собой трубу из металла или стеклопластика, заполненную полимерным материалом с каналом конической или цилиндрической формы.

Известны способы ультразвукового контроля, основанные на теневом прозвучивании изделий ультразвуковыми колебаниями:

- Матаушек И. Ультразвуковая техника. М.: Металлургия, 1962, с.357-369.

- Бергман Л. Ультразвук, М: ПИЛ, 1957, с.432-444.

- Шрейбер Д. Ультразвуковая дефектоскопия, М: Металлургия, 1965, с.79-122.

В соответствии с данными способами приемный и излучающий преобразователи, активные элементы в которых выполнены из пьезоэлектрических или магнитострикционных материалов, размещают взаимно противоположно по разные стороны контролируемого изделия и при перемещение преобразователей или изделия относительно друг друга сканируют поверхность изделия при его контроле.

Для обеспечения акустических контактов ультразвуковых преобразователей с поверхностью контролируемого изделия используют, как правило, разнообразные жидкости, например, воду, глицерин, трансформаторное масло, водный раствор карбоксиметилцеллюлозы и др. в виде тонких слоев контактной жидкости. В ряде случаев контроль проводится при погружении контролируемого изделия в специальные емкости, заполненные иммерсионной жидкостью. Обеспечение акустического контакта ультразвуковых преобразователей с помощью описанных выше способов представляет определенные трудности. Погружение ультразвуковых преобразователей и изделий в жидкость с одной стороны усложняет и удорожает процесс контроля в связи с необходимостью разработки, изготовления и установки специального дорогостоящего оборудования, а с другой стороны возможность погружения в жидкость зависит от степени воздействия ее на физико-механические характеристики полимерного материала.

Известен также способ ультразвукового контроля (Заклюковский В.И., Карцев Г.Т. Применение пьезоэлектрических преобразователей для бесконтактного ультразвукового контроля изделий / Дефектоскопия, 1978, №3, с.28-33). Сущность данного способа заключается в том, что ввод ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие излучающим преобразователем и прием ультразвуковых колебаний, прошедших свод изделия, приемным преобразователем осуществляется в воздушной среде. Данный способ позволяет контролировать изделия конической формы с внутренним каналом..

Существенная особенность данного способа заключается в том, что при переходе границы воздух-изделие значительная часть энергии ультразвуковых колебаний отражается и только малая ее часть проходит через эту границу. Это обстоятельство хорошо иллюстрирует известная зависимость коэффициента отражения на границе двух сред от волновых сопротивлений этих сред

,

где R - коэффициент отражения на границе двух сред;

ρ₁ - плотность материала первой среды;

c₁ - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале первой среды;

ρ₂ - плотность материала второй среды;

c₂ - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале второй среды.

Действительно, с учетом того, что волновое сопротивление воздушной среды значительно меньше волнового сопротивления твердой среды, имеет место отражение значительной части энергии ультразвуковых колебаний на границе этих сред. Это обстоятельство накладывает определенные ограничения в отношении практической реализации данного способа, особенно в отношении изделий с каналами или корпусами конической формы, в которых из-за отклонения направления распространения ультразвуковых колебаний в сторону от нормали к оси изделия значительно снижается надежность и возможность ультразвукового контроля.

Величина отклонения ультразвукового луча зависит от положения излучающего и приемного ультразвуковых преобразователей относительно изделия и постоянно изменяется при синхронном перемещении преобразователей и изделия относительно друг друга. Это соответственно приводит к уменьшению величины сигнала и отношения сигнал/шум аппаратуры и существенно усложняет процесс ультразвукового контроля, так как из-за изменения величины сигнала требуются корректировка положения излучающего и приемного преобразователей относительно друг друга и регулировка коэффициента усиления.

Данный недостаток в настоящее время достаточно эффективно устраняется при использовании взятого за прототип способа (патент на изобретение №2377555), отличающегося тем, что введенные в воздушное пространство канала изделия ультразвуковые колебания направляют на диаметрально противоположную часть поверхности канала изделия под углом, приближенно равным углу между двумя диаметрально противоположными образующими поверхности канала изделия, после отражения от которой ультразвуковые колебания снова направляются на диаметрально противоположную часть поверхности канала уже под углом в два раза большим и так далее в соответствие с соотношением

α_n≅2ⁿα_k

где α_n - угол отражения ультразвуковых колебаний от поверхности канала изделия;

n - количество отражений ультразвуковых колебаний от поверхности канала изделия;

α_к - угол между линиями, проходящими через две диаметрально противоположные образующие поверхности канала изделия, до значений «n», приближенно равных

,

при которых ультразвуковые колебания при последнем отражении от поверхности канала распространяются вдоль канала изделия по направлению к торцу с большим диаметром канала и принимаются у этого торца приемным ультразвуковым преобразователем, при этом длительность ультразвукового импульса и длительности развертки электронного луча определяют с учетом соответственно следующих соотношений

и

где τ - длительность ультразвукового импульса;

d_min - минимальный диаметр канала изделия;

c - скорость распространения ультразвуковых колебаний в воздухе,

T - длительность развертки;

l_i - расстояние, которое проходят ультразвуковые колебания при отражении от одной поверхности канала к диаметрально противоположной другой.

Однако, у данного способа имеется недостаток, который заключается в том, что из-за реверберационного характера распространения ультразвуковых колебаний в каналах контролируемых изделий значительно увеличивается время, необходимое для прохождения пути от излучающего преобразователя до приемного преобразователя. В ряде случаев, в частности, при контроле крупногабаритных изделий оно оказывается большим длительности развертки используемых ультразвуковых приборов. Это обстоятельство делает практически невозможным ультразвуковой контроль известным способом ряда крупногабаритных изделий, поскольку в таких случаях ультразвуковые колебания не фиксируются прибором и соответственно не отображаются на экране прибора.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности, качества и надежности ультразвукового контроля изделий, контроль которых известными способами был затруднителен или невозможен, путем создания условий при проведении ультразвукового контроля изделий для фиксации и отображения ультразвуковых колебаний на экране ультразвукового дефектоскопа независимо от размеров изделий и их каналов.

Технический результат достигается тем, что предлагается способ ультразвукового контроля изделий, включающий ввод ультразвуковых колебаний в изделие, теневое прозвучивание изделия импульсами ультразвуковых колебаний и прием прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний в воздушной среде приемным преобразователем, отличающийся тем, что ультразвуковой контроль изделия проводят не одним, а двумя ультразвуковыми приборами или двумя блоками одного прибора, из которых один используют для излучения и ввода ультразвуковых колебаний в изделие, а другой - для приема прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний и отображения их на экране прибора, при этом работу блоков каждого из приборов не синхронизируют друг с другом, в частности, частоту следования импульсов ультразвуковых колебаний на излучающем блоке прибора устанавливают не равной, а более высокой по сравнению с частотой следования импульсов, синхронизирующих работу блоков приемного прибора, в том числе блока развертки, обеспечивающего отображение принятых ультразвуковых колебаний на экране прибора, и не кратной частоте следования синхроимпульсов, а о качестве изделия судят по наличию и амплитуде движущихся в соответствие с соотношением

t₁=(mf₁-nf₂)/f₁∗f₂+t₂,

где t₁ - промежуток времени между моментами поступления каждого из последовательности синхроимпульсов в блок развертки и последующего ультразвукового импульса на вход усилительного блока в процессе совместной работы обоих приборов;

m - порядковый номер последовательности импульсов ультразвуковых колебаний с момента совместной работы обоих приборов;

f₁ - частота следования синхроимпульсов;

n - порядковый номер последовательности синхроимпульсов с момента совместной работы обоих приборов;

f₂ - частота следования импульсов ультразвуковых колебаний,

t₂ - промежуток времени между синхроимпульсом и последующим первым ультразвуковым импульсом, принятым приемным преобразователем в момент начала совместной работы двух приборов,

на экране прибора импульсов.

Предлагаемый способ апробирован в условиях лаборатории на макетных образцах и в условиях опытного производства на натурных изделиях различных типоразмеров с каналами конической формы. В качестве аппаратуры использовались ультразвуковые дефектоскопы типа УД2Н-П, УД2Н-ПМ и УК-10ПМС. С целью увеличения отношения сигнал/шум аппаратуры к дефектоскопу подключался дополнительный предварительный полосовой усилитель с коэффициентом усиления порядка 100.

В результате проведенных работ подтверждена эффективность применения предложенного способа ультразвукового контроля изделий по сравнению с прототипом в отношении диапазона применения, качества и надежности неразрушающего ультразвукового контроля. Как на макетных образцах, так и на натурных изделиях постоянно имели место четкая регистрация ультразвуковых колебаний и удовлетворительная чувствительность к выявлению дефектов.

Опыт применения данного способа позволяет сделать вывод о том, что предложенный способ обеспечивает надежный, качественный ультразвуковой контроль большой номенклатуры изделий различных конструкций и типоразмеров с каналами конической и цилиндрической формы.

Использование: для ультразвукового контроля изделий. Сущность: способ, заключающийся в том, что выполняют ввод ультразвуковых колебаний в изделие, теневое прозвучивание изделия импульсами ультразвуковых колебаний и прием прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний в воздушной среде приемным преобразователем, отличается тем, что ультразвуковой контроль изделия проводят не одним, а двумя ультразвуковыми приборами или двумя блоками одного прибора, из которых один используют для излучения и ввода ультразвуковых колебаний в изделие, а другой - для приема прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний и отображения их на экране прибора, при этом работу блоков каждого из приборов не синхронизируют друг с другом, в частности, частоту следования импульсов ультразвуковых колебаний на излучающем блоке прибора устанавливают не равной, а более высокой по сравнению с частотой следования импульсов, синхронизирующих работу блоков приемного прибора, в том числе блока развертки, обеспечивающего отображение принятых ультразвуковых колебаний на экране прибора, и не кратной частоте следования синхроимпульсов, а о качестве изделия судят по наличию и амплитуде движущихся в соответствии с определенным соотношением на экране прибора импульсов. Технический результат: обеспечение возможности качественного и надежного ультразвукового контроля различных изделий.

Способ ультразвукового контроля изделий, включающий ввод ультразвуковых колебаний в изделие, теневое прозвучивание изделия импульсами ультразвуковых колебаний и прием прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний в воздушной среде приемным преобразователем, отличающийся тем, что ультразвуковой контроль изделия проводят не одним, а двумя ультразвуковыми приборами или двумя блоками одного прибора, из которых один используют для излучения и ввода ультразвуковых колебаний в изделие, а другой - для приема прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний и отображения их на экране прибора, при этом работу блоков каждого из приборов не синхронизируют друг с другом, в частности, частоту следования импульсов ультразвуковых колебаний на излучающем блоке прибора устанавливают не равной, а более высокой по сравнению с частотой следования импульсов, синхронизирующих работу блоков приемного прибора, в том числе блока развертки, обеспечивающего отображение принятых ультразвуковых колебаний на экране прибора, и не кратной частоте следования синхроимпульсов, а о качестве изделия судят по наличию и амплитуде движущихся в соответствие с соотношением
t₁=(mf₁-nf₂)/f₁·f₂+t₂,
где t₁ - промежуток времени между моментами поступления каждого из последовательности синхроимпульсов в блок развертки и последующего ультразвукового импульса на вход усилительного блока в процессе совместной работы обоих приборов;
m - порядковый номер последовательности импульсов ультразвуковых колебаний с момента совместной работы обоих приборов;
f₁ - частота следования синхроимпульсов;
n - порядковый номер последовательности синхроимпульсов с момента совместной работы обоих приборов;
f₂ - частота следования импульсов ультразвуковых колебаний;
t₂ - промежуток времени между синхроимпульсом и последующим первым ультразвуковым импульсом, принятым приемным преобразователем в момент начала совместной работы двух приборов, на экране прибора импульсов.