Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу ультразвуковых измерений и ультразвуковому измерительному устройству для оценки качества участка сварки в стальном материале неразрушающим методом с использованием ультразвуковых волн.
Предшествующий уровень техники
Известно, что форма поперечного сечения границы сваренного металла (участка сварки) на участке сварки стального материала (далее, форма поперечного сечения границы сварки) влияет на прочность стального материала. В патентном документе 1, например, описано влияние формы поперечного сечения границы сварки на участке сварки стальной трубы на пластичность участка сварки. В связи с этим были разработаны технологии неразрушающего контроля посредством формирования изображения формы поперечного сечения границы сварки для контроля и обеспечения должного качества стального материала. Например, в патентном документе 2 раскрыта технология формирования изображения путем приема волн, отраженных от границы раздела между участком основного металла и участком сварки. Конкретнее, эта технология позволяет получать изображение путем приема отраженных волн, полученных при отражении ультразвуковых волн, передаваемых под углом к границе раздела между участком основного металла и участком сварки, и идентификации точек отражения в соответствии с принятыми отраженными волнами при перемещении зонда или переключении вибраторов (элементов) матричного зонда. Более того, в патентном документе 3 раскрыта технология тандемных измерений для регистрации ультразвуковых волн посредством разделения приемного устройства и передающего устройства для ультразвуковых волн.
В общем случае, кристаллическая структура на участке сварки является ориентированной, вследствие чего этот участок сварки обладает акустической анизотропией. Согласно патентному документу 1 для стали с высокой акустической анизотропией участка сварки, такой как аустенитная нержавеющая сталь, разница между акустическим сопротивлением Z1 (= средняя плотность × скорость звука) участка основного металла и акустическим сопротивлением Z2 участка сварки достаточно велика. Например, когда скорость звука V1 на участке основного металла равна 3200 м/с и скорость звука V2 на участке сварки равна 2500 м/с, то, поскольку средняя плотность материала имеет по существу постоянную величину, отношение акустического сопротивления Z1 участка основанного металла к акустическому сопротивлению Z2 участка сварки составляет 1 к 0.78.
Далее, известно, что коэффициент отражения на единицу площади на границе раздела между разными средами зависит от акустического сопротивления обеих сред. Согласно литературному источнику 1 коэффициент отражения (звуковое давление) на единицу площади rab границы раздела, когда ультразвуковые волны падают перпендикулярно этой границе из среды с акустическим сопротивлением Za в среду с акустическим сопротивлением Zb, может быть представлен следующим Выражением 1:
Таким образом, для стального материала из предыдущего примера, в котором акустическая анизотропия участка сварки велика, коэффициент отражения r12 на единицу площади на границе раздела, когда ультразвуковые волны падают перпендикулярно из участка основного металла с акустическим сопротивлением Z1 в участок сварки с акустическим сопротивлением Z2, согласно Выражению 1 равен -0.12. Отрицательная величина коэффициента отражения в этом случае указывает, что при отражении происходит инверсия фазы ультразвуковых волн, так что коэффициент отражения на единицу площади равен 12%.
Список литературы
Патентные документы
Патентный документ 1: опубликованная Заявка на выдачу патента Японии №2009-233679.
Патентный документ 2: опубликованная Заявка на выдачу патента Японии №2009-069077.
Патентный документ 3: опубликованная Заявка на выдачу патента Японии №2007-163470.
Прочие литературные источники
Литературный источник 1: Ультразвуковая дефектоскопия Тест III (2001), Японское общество по неразрушающему контролю (Ultrasonic Flaw Detection Test III (2001), the Japanese Society for Non-Destructive Inspection).
Сущность изобретения
Техническая задача
В общем случае, акустическая анизотропия участка сварки в углеродистой стали меньше, чем на участке сварки аустенитной нержавеющей стали. На Фиг. 25 представлены результаты измерения скорости волны сдвига на участке сварки углеродистой стали, сваренной обычной электродуговой сваркой под флюсом, и коэффициент отражения, рассчитанный на основе измеренной скорости звука. Как показано на Фиг. 25, на участке сварки углеродистой стали имеет место небольшая разница для скорости волны сдвига между направлением А смещения, параллельным направлению линии сварки, и направлением В смещения, перпендикулярным направлению линии сварки.
Для такой углеродистой стали по Выражению 1 рассчитан коэффициент отражения на единицу площади на границе раздела для ультразвуковых волн, падающих перпендикулярно из участка основного металла в участок сварки. При расчете этого коэффициента отражения на единицу площади предполагалось, что средние плотности материала участка основного металла и участка сварки равны. Скорость волны сдвига на участке основного металла определена как средняя величина скорости волны сдвига в направлении А смещения, параллельном направлению линии сварки, и скорости волны сдвига в направлении В смещения, перпендикулярном направлению линии сварки, а скорость волны сдвига на участке сварки определена как скорость волны сдвига в направлении В смещения, перпендикулярном направлению линии сварки, на участке сварки.
Расчетная величина коэффициента отражения на единицу площади находится в пределах от 0.0 до 0.2%, как показано на Фиг. 25, и составляет всего лишь 1/60-ю от коэффициента отражения на единицу площади (12%) на границе раздела между участком основного металла и участком сварки в упомянутой выше аустенитной нержавеющей стали. Следовательно, для углеродистой стали, в которой акустическая анизотропия участка сварки мала, измерение отраженных волн ультразвуковых волн, падающих перпендикулярно из участка основного металла в участок сварки, от границы раздела между участками предполагается затруднительным.
Далее описаны отраженные волны ультразвуковых волн, падающих под углом α падения из участка основного металла в участок сварки. Согласно литературному источнику 1, когда ультразвуковые волны падают под углом α падения на имеющий ленточную форму отражатель шириной 2а, имеющий коэффициент отражения на единицу площади 100%, полный коэффициент отражения в направлении угла β отражения (= Полное звуковое давление отраженной волны / Полное звуковое давление падающей волны) r' (α, β) может быть выражен посредством следующего Выражения 2 с использованием волнового числа k.
Отметим, что волновое число k может быть выражено посредством следующего Выражения 3 с использованием длины λ волны. Более того для связи между длиной λ волны, частотой f и скоростью V звука справедливо следующее Выражение 4.
Далее описано отражение на границе раздела между участком основного металла и участком сварки. Предполагается, что граница раздела между участком основного металла и участком сварки, выступающая в роли отражателя, продолжается на всю толщину стального материала. Более того, параметр «а» (= ширина отражателя/2) в Выражении 2 выбран равным 10 мм. В общем случае для дефектоскопии стального материала с использованием падающих наклонно поперечных волн применяются ультразвуковые волны с частотой f=5 МГц и скоростью V=3200 м/с, что соответствует λ=0.64 мм. В то же время полный коэффициент отражения r' (45°, -45°), когда ультразвуковые волны, падающие под углом падения 45°, отражаются под углом отражения -45° (отражаются в направлении падения), равен 0.0003. Следует отметить, что эта величина рассчитана для отражателя, имеющего коэффициент отражения 100% на единицу площади. Более конкретно, когда акустическая анизотропия на участке сварки невелика, как, в частности, в углеродистой стали, описанный выше полный коэффициент отражения крайне мал, вследствие чего можно сказать, что, как описано в Патентном документе 2, трудно идентифицировать границу между участком основного металла и участком сварки путем приема отраженных волн, которые были отражены в направлении падения.
Далее описана регистрация отраженных волн ультразвуковых волн, падающих под углом α падения из участка основного металла в участок сварки в углеродистой стали, для которой акустическая анизотропия участка сварки мала, посредством тандемных измерений. В соответствии с методикой тандемных измерений, описанной в Патентном документе 3, необходимо только должным образом выбрать передающее устройство и приемное устройство, чтобы угол α падения и угол β отражения были равны. В этом случае полный коэффициент отражения r′ (α, α) равен 1, не зависит от параметров «k» и «а», так что можно получить сильные отраженные волны.
В тандемных измерениях предполагается наличие виртуальной отражающей поверхности, а передающее устройство и приемное устройство для ультразвуковых волн выбираются таким образом, чтобы угол α падения и угол β отражения относительно этой виртуальной поверхности имели одинаковую величину α. В то же время, если ориентация виртуальной отражающей поверхности отличается от ориентации фактической отражающей поверхности, угол α падения и угол β отражения относительно виртуальной отражающей поверхности отличаются от угла падения и угла отражения относительно фактической отражающей поверхности. Если обозначить угол отклонения как θ, полный коэффициент r′ (α+θ, α-θ) отражения от фактической отражающей поверхности можно получить посредством приведенного выше Выражения 2.
На Фиг. 26 представлен график для коэффициента отражения при а=10 мм, f=5 МГц, V=3200 м/с и α=45° в Выражении 2. Как показано на Фиг. 26, полный коэффициент r′ (45°+θ, 45°-θ) отражения от фактической отражающей поверхности будет равен 50% или более, когда угол θ отклонения составляет от -0.8° до 0.8°. Следовательно, даже в случае тандемных измерений регистрация отраженных волн затруднительна, если угол θ отклонения между фактической отражающей поверхностью и виртуальной отражающей поверхностью равен 1° или более.
Как и выше, при использовании обычной технологии для углеродистой стали, обладающей незначительной акустической анизотропией участка сварки, даже при применении методов тандемных измерений затруднительно регистрировать отраженные волны ультразвуковых волн от границы раздела между участком основного металла и участком сварки.
В свете изложенного выше задачей настоящего изобретения является создание способа ультразвуковых измерений и ультразвукового измерительного устройства, которые могли бы легко регистрировать ультразвуковые волны, отраженные от границы раздела между участком основного металла и участком сварки стального материала.
Решение проблемы
Для решения описанных выше проблем и указанной задачи способ ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению включает: этап задания точки измерений, на котором задается произвольная точка измерений рядом с участком сварки внутри стального материала и предполагается наличие виртуальной отражающей поверхности, которая содержит эту точку измерений и параллельна направлению линии сварки; этап формирования фокусированного пучка, передающего ультразвуковые волны в виде волны сдвига, удовлетворяющей Выражению 5 и фокусируемой в точке измерений через согласующую среду под заданным углом падения относительно виртуальной отражающей поверхности; этап регистрации, на котором регистрируются отраженные волны переданных ультразвуковых волн от границы раздела между участком основного металла и участком сварки; и этап оценки, на котором оценивается форма участка сварки на основе отраженных волн:
где VT (мм/с) - скорость звука в согласующей среде,
VR (мм/с) - скорость звуковых волн сдвига на участке основного металла стального материала, являющемся объектом испытаний,
D (мм) - ширина передающего элемента в направлении, перпендикулярном направлению линии сварки,
F (мм) - фокусное расстояние с учетом преобразования в согласующей среде, и
θHlim (градусы) - верхний предел для угла отклонения между предполагаемой отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью.
Более того, в описанном выше способе ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению для каждой точки измерений, заданной на этапе задания точки измерений, предполагается выбор множества виртуальных отражающих поверхностей под разными углами.
Далее, в описанном выше способе ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению предполагаются виртуальные отражающие поверхности, для которых участки в направлении нормали являются непрерывными, так что эффективность передачи и приема по меньшей мере для одной из этих виртуальных отражающих поверхностей равна 0.5 или выше, при этом указанная эффективность передачи и приема равна 1, если соответствующая виртуальная отражающая поверхность совпадает с фактической отражающей поверхностью.
Более того, в описанном выше способе ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению верхний предел θHlim для угла отклонения равен 2°.
Далее, в описанном выше способе ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению участок основного металла стального материала удовлетворяет Выражению 6, где Vmax обозначает скорость звука для волны, для которой скорость звука максимальна, и Vmin обозначает скорость звука для волны, для которой скорость звука минимальна:
Более того, в описанном выше способе ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению предполагается, что угол падения представляет собой угол между направлением передачи ультразвуковых волн и направлением нормали к виртуальной отражающей поверхности в точке измерений и составляет от 0° до 10° или от 35° до 55°.
Далее, в описанном выше способе ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению передача и прием ультразвуковых волн осуществляется при изменении точки измерений путем использования матричного зонда для передачи и приема ультразвуковых волн и управления матричным зондом посредством переключения электронного управления пучка.
Более того, ультразвуковое измерительное устройство согласно настоящему изобретению содержит: модуль для задания точки измерений, который задает произвольную точку измерений рядом с участком сварки внутри стального материала и предполагает наличие виртуальной отражающей поверхности, которая содержит эту точку измерений и параллельна направлению линии сварки; модуль для формирования фокусированного пучка, который передает ультразвуковые волны в форме волны сдвига, удовлетворяющей Выражению 7 и фокусированной в точке измерений, через согласующую среду под заданным углом падения относительно виртуальной отражающей поверхности; детектор, который регистрирует отраженные волны переданных ультразвуковых волн от границы раздела между участком основного металла и участком сварки; и модуль оценки, который оценивает форму участка сварки на основе отраженных волн:
где VT (мм/с) - скорость звука в согласующей среде,
VR (мм/с) - скорость звуковых волн сдвига на участке основного металла стального материала, являющемся объектом испытаний,
D (мм) - ширина передающего элемента в направлении, перпендикулярном направлению линии сварки,
F (мм) - фокусное расстояние с учетом преобразования в согласующей среде, и
θHlim (градусы) - верхний предел для угла отклонения между предполагаемой отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью.
Для решения описанных выше проблем и задач способ ультразвуковых измерений согласно настоящему изобретению включает задание точки измерений для задания произвольной точки рядом с участком сварки внутри стального материала и для предположения множество виртуальных отражающих поверхностей под разными углами, которые содержат эту точку измерений и параллельны направлению линии сварки, формирование ультразвукового пучка для передачи ультразвуковых волн в форме волны сдвига в точку измерений через согласующую среду под заданным углом падения относительно каждой из отражающих поверхностей, регистрацию отраженных волн переданных ультразвуковых волн от границы раздела между участком основного металла и участком сварки, и оценку формы участка сварки на основе отраженных волн.
Далее, ультразвуковое измерительное устройство согласно настоящему изобретению содержит модуль для задания точки измерений, который задает произвольную точку измерений рядом с участком сварки внутри стального материала и предполагает множество виртуальных отражающих поверхностей под разными углами, которые содержат эту точку измерений и параллельны направлению линии сварки, модуль для формирования ультразвукового пучка, который передает ультразвуковые волны в форме волны сдвига в точку измерений, через согласующую среду под заданным углом падения относительно каждой из виртуальных отражающих поверхностей, детектор, который регистрирует отраженные волны переданных ультразвуковых волн от границы раздела между участком основного металла и участком сварки, и модуль оценки, который оценивает форму участка сварки на основе отраженных волн.
Преимущества изобретения
Согласно настоящему изобретению можно легко регистрировать ультразвуковые волны, отраженные от границы раздела между участком основного металла и участком сварки стального материала.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - блок-схема, упрощенно иллюстрирующая конфигурацию ультразвукового измерительного устройства согласно одному из вариантов настоящего изобретения.
Фиг. 2 - логическая схема, иллюстрирующая порядок ультразвуковых измерений, осуществляемых ультразвуковым измерительным устройством.
Фиг. 3 - принципиальная схема, иллюстрирующая множество точек измерений в качестве целей ультразвукового матричного зонда.
Фиг. 4 - принципиальная схема, иллюстрирующая множество точек измерений в качестве целей матричного зонда.
Фиг. 5 - принципиальная схема, иллюстрирующая точку измерений в стальном материале в качестве цели матричного зонда.
Фиг. 6 - график поясняющий способ задания окна детектирования.
Фиг. 7 - схема поясняющая передачу результатов измерений на дисплей.
Фиг. 8 - принципиальная схема, поясняющая отражение волн от дефекта, имеющего форму диска.
Фиг. 9 - принципиальная схема, поясняющая коэффициент отражения на единицу площади при измерении полного коэффициента отражения, эквивалентного коэффициенту отражения волн от дефекта, имеющего форму диска.
Фиг. 10 - график, поясняющий соотношение между размером дефекта, имеющего форму диска, и коэффициентом отражения волн на единицу площади, когда полный коэффициент отражения эквивалентен коэффициенту отражения волн от дефекта.
Фиг. 11 - принципиальная схема для пояснения измеряемой ультразвуковым пучком фактической отражающей поверхности.
Фиг. 12 - график, поясняющий соотношение между частотой, диаметром пучка и полушириной угла отклонения на полувысоте полного коэффициента отражения.
Фиг. 13 - принципиальная схема для пояснения формирования фокусированного пучка.
Фиг. 14 - график, поясняющий зависимость между полушириной угла отклонения на полувысоте полного коэффициента отражения и отношением F/D.
Фиг. 15 - график для пояснения потерь, приписываемых преобразованию волн от волн сдвига к продольным волнам при отражении на границе раздела между участком основного металла и участком сварки и при отражении на внутренней поверхности участка основного металла.
Фиг. 16 - фигура, поясняющая задаваемые условия в первом примере.
Фиг. 17 - график, показывающий вид измеряемого сигнала, полученного в первом примере.
Фиг. 18 - график, показывающий вид измеряемого сигнала, получаемого по известной технологии.
Фиг. 19 - принципиальная схема, иллюстрирующая точку измерения в стальном материале в качестве цели ультразвукового матричного зонда.
Фиг. 20 - схема для пояснения передачи результатов измерений на дисплей.
Фиг. 21 - график зависимости полного коэффициента отражения от угла отклонения для трех виртуальных отражающих поверхностей.
Фиг. 22 - фигура, поясняющая задаваемые условия во втором примере.
Фиг. 23 - график, показывающий вид измеряемого сигнала, получаемого по известной технологии.
Фиг. 24 - график, показывающий вид измеряемого сигнала, полученного во втором примере.
Фиг. 25 - фигура, иллюстрирующая скорость волны сдвига, измеренную на участке сварки в углеродистой стали, сваренной посредством обычной электродуговой сварки под флюсом, и коэффициент отражения, вычисленный на основе измеренной скорости волны сдвига.
Фиг. 26 - график зависимости коэффициента отражения от угла отклонения между виртуальной отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью.
Варианты осуществления изобретения
Далее рассмотрены примеры вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи. Отметим, что изобретение не ограничивается этими вариантами. Кроме того, при описании чертежей одинаковым участкам присвоены одни и те же ссылочные обозначения.
Первый вариант
Акустическая анизотропия участка основного металла стального материала
Сначала описан случай, когда в качестве объекта испытаний в соответствии с первым вариантом выступает углеродистая сталь. Обычно из-за низкой акустической анизотропии участка сварки в углеродистой стали трудно зарегистрировать волны, отраженные от границы раздела между участком основного металла и участком сварки. Однако если участок основного металла обладает акустической анизотропией, то даже в случае углеродистой стали волны, отраженные от границы раздела между участком основного металла и участком сварки, можно зарегистрировать. Следовательно, в первом варианте для углеродистой стали, у которой участок основного металла обладает акустической анизотропией, в качестве объекта испытаний измеряются отраженные волны ультразвуковых волн на границе раздела между участком основного металла и участком сварки. Степень акустической анизотропии на участке основного металла, необходимая для первого варианта, описана ниже.
Конструкция устройства
Далее описана конструкция ультразвукового измерительного устройства, представляющего собой один из вариантов настоящего изобретения. На Фиг. 1 представлена принципиальная блок-схема, иллюстрирующая конструкцию ультразвукового измерительного устройства согласно первому варианту. Как показано на Фиг. 1, это ультразвуковое измерительное устройство 10 содержит модуль 1 получения сигнала измерения, который передает ультразвуковые волны в направлении объекта испытаний и принимает ультразвуковой сигнал (сигнал измерения), приписываемый переданным ультразвуковым волнам, модуль 2 ввода, через который вводят разнообразную информацию, модуль 3 памяти, который сохраняет данные измерений объекта испытаний и другие данные, модуль 4 отображения для представления результатов измерений объекта испытаний и других данных и контроллер 5, управляющий разнообразными модулями в составе ультразвукового измерительного устройства 10.
Модуль 1 получения сигнала измерения осуществляет тандемные измерения, в ходе которых электрический сигнал ультразвуковой частоты из передающего модуля 11 передается от ультразвукового матричного зонда 12 наружу в виде ультразвуковых волн, а ультразвуковые волны, принимаемые ультразвуковым матричным зондом 12 направляются в приемный модуль 13 в виде электрического сигнала ультразвуковой частоты. Ультразвуковой матричный зонд 12, реализованный с использованием пьезоэлектрических вибраторов или аналогичных элементов, передает ультразвуковые волны наружу в результате подачи на него импульсного сигнала от передающего модуля 11, принимает ультразвуковые волны извне и преобразует их в электрический сигнал. Передающий модуль 11 передает ультразвуковые волны от ультразвукового матричного зонда 12 наружу посредством подачи ультразвуковому матричному зонду 12 импульсного сигнала, частота которого совпадает или близка к резонансной частоте этого ультразвукового матричного зонда 12.
Модуль 2 ввода реализован с использованием устройства ввода, такого как выключатель питания и клавиши ввода. Этот модуль 2 ввода осуществляет в ответ на действия оператора ввод разного рода команд в контроллер 5. Например, модуль 2 ввода осуществляет ввод в контроллер таких команд, как команды начала и окончания измерений объекта испытаний и команды для отображения данных измерения объекта испытаний на дисплее или сохранения их в памяти.
Модуль 3 памяти реализован с использованием носителя данных, такого как жесткий диск, и сохраняет ряды данных, такие как данные измерений объекта испытаний, по команде контроллера 5.
Модуль 4 отображения реализован с использованием устройства отображения, такого как жидкокристаллический дисплей, и служит для отображения разнообразной информации по команде контроллера 5. В частности, модуль 4 дисплея представляет на экране данные ультразвуковых измерений объекта испытаний.
Контроллер 5 содержит модуль 51 задания точки измерений, вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом и модуль 53 для выделения уровня эхо-сигнала, а также управляет перечисленными выше модулями ультразвукового измерительного устройства 10. В частности, контроллер 5 реализован с использованием памяти, которая хранит программы управления и обработки данных и др., центрального процессора CPU, выполняющего указанные программы обработки, и др. Контроллер 5 управляет, например, синхронизацией соответствующих операций упомянутых выше модуля 1 получения сигнала измерения, модуля 3 памяти и модуля 4 дисплея.
Выполнение ультразвуковых измерений
Далее, со ссылками на логическую схему, приведенную на Фиг. 2, описана процедура ультразвуковых измерений, выполняемая ультразвуковым измерительным устройством 10. Выполнение логической схемы, изображенной на Фиг. 2, начинается, например, в момент приема введенной оператором команды на проведение ультразвуковых измерений объекта испытаний, и процедура ультразвуковых измерений переходит к этапу S1.
На этапе S1 модуль 51 задания точки измерений определяет процедуру сканирования точек измерений. Это завершает этап S1, после чего процедура ультразвуковых измерений переходит к этапу S2.
Теперь со ссылками на Фиг. 3 и 4 описана процедура сканирования точек измерений, выполняемая модулем 51 задания точки измерений. На Фиг. 3 и 4 представлены принципиальные схемы, иллюстрирующие множество точек измерений в трубчатом объекте испытаний, являющихся целью воздействия ультразвукового матричного зонда 12. Каждый кружок на Фиг. 3 и 4 представляет точку измерений «а». На Фиг. 5 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая точку измерений в стальном материале в качестве цели ультразвукового матричного зонда 12 в первом варианте.
Как показано на Фиг. 3, ультразвуковой матричный зонд 12 передает ультразвуковые волны (в виде волн сдвига) во множество точек измерений, распределенных в направлении «у» толщины листа (толщины стенки) трубчатого объекта 6 испытаний в качестве целей, и в процессе сканирования в направлении «у» толщины листа ультразвуковой матричный зонд 12 измеряет отраженные волны. Далее, посредством совмещения с механическим сканированием в направлении «х» по окружности ультразвуковой матричный зонд 12 может получать двумерное изображение в направлении «у» толщины листа и в направлении «х» по окружности, представляющее результаты измерений. Отметим, что во время механического сканирования ультразвуковым матричным зондом 12 в направлении «х» по окружности этот ультразвуковой матричный зонд 12 остается в произвольном положении по отношению к объекту 6 испытаний.
В качестве альтернативы, как показано на Фиг. 4, множество точек измерений распределено двумерно в направлении «у» толщины листа (толщина стенки) и в направлении «х» по окружности трубчатого объекта 6 испытаний в качестве целей, и ультразвуковой матричный зонд 12 измеряет отраженные волны в процессе сканирования в направлении «у» толщины листа и в направлении «х» по окружности. В этом случае ультразвуковой матричный зонд 12 может получать двумерное изображение, представляющее результаты измерений, без применения механического сканирования.
На Фиг. 5 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая точку измерений в стальном материале в качестве цели ультразвукового матричного зонда 12 в первом варианте. Как показано на Фиг. 5, в первом варианте в качестве цели определена точка измерений, расположенная внутри участка 6А основного металла в составе объекта 6 испытаний рядом с участком 6В сварки.
На этапе S2 вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом формирует ультразвуковой пучок ультразвукового матричного зонда 12. Сначала указанный вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом выбирает группу передающих устройств и группу принимающих устройств в составе ультразвукового матричного зонда 12. Более конкретно, вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом вычисляет направление падения и направление отражения ультразвука относительно виртуальной отражающей поверхности (виртуальная отражающая поверхность предполагается так, что угол падения ультразвуковых волн на эту поверхность и угол отражения от этой поверхности имеют одинаковую величину α) и выбирает центр указанной группы передающих устройств и центр указанной группы приемных устройств таким образом, чтобы соблюсти направление падения и направление отражения ультразвуковых волн. В этот момент вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом выбирает группу передающих устройств таким образом, чтобы обеспечить ширину D передающего элемента, вычисленную при формировании фокусированного пучка, как описано ниже.
Далее вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом рассчитывает пути распространения волн для соответствующих выбранных устройств и на основе этих рассчитанных путей распространения волн вычисляет время распространения волн для соответствующих устройств. Затем этот вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом задает время задержки для каждого из соответствующих устройств при передаче (или при приеме) на основе вычисленного времени распространения волн таким образом, чтобы фокусировать ультразвуковой пучок в соответствующих точках измерений. Тем самым завершается процесс на этапе S2, а процедура ультразвуковых измерений переходит к этапу S3.
На этапе S3 модуль 53 для выделения уровня эхо-сигнала задает окно детектирования и измеряет интенсивность принятых отраженных волн. Более конкретно, этот модуль 53 для выделения уровня эхо-сигнала задает окно детектирования на основе времени распространения, рассчитанного вычислительным модулем 52 для управления матричным зондом, и выделяет уровень эхо-сигнала из отраженных волн, принятых в течение этого периода.
На Фиг. 6 представлен график для пояснения способа задания окна детектирования. Как показано на Фиг. 6, модуль 53 для выделения уровня эхо-сигнала принимает отраженные волны (эхо) Е посредством «открывания» окна Δt детектирования только тогда, когда отраженные волны, переданные посредством передающего устройства и отраженные в точке измерений, достигнут приемного устройства, иными словами в пределах произвольного промежутка времени, близкого к сумме времени tT распространения волн на передающей стороне (времени распространения волн от передающего устройства до точки измерений) и времени tR распространения волн на приемной стороне (времени распространения волн от точки измерений до приемного устройства), и выделяет уровень «е» эхо-сигнала из отраженных волн Е. Это исключает влияние ложных эхо-сигналов N и позволяет измерять только отраженные волны Е в точке измерений. Тем самым завершается процесс этапа S3, а процедура ультразвуковых измерений переходит к этапу S4.
Отметим, что если нет виртуальной отражающей поверхности, нет и необходимости в задании окна детектирования. Более того, поскольку время распространения волн на передающей стороне (от передающего устройства до точки измерений) отличается от времени распространения волн на приемной стороне (от точки измерений до приемного устройства) в зависимости от точки измерений, окно детектирования изменяется должным образом в соответствии с точкой измерений.
На этапе S4 контроллер 5 передает результаты измерений модулю 4 отображения, таким образом оценивается форма поперечного сечения границы сварки. На Фиг. 7 приведена схема для пояснения передачи результатов измерений модулю 4 отображения. Более конкретно, как показано на Фиг. 7, контроллер 5 представляет на дисплее изображение посредством задания для каждой точки «а» измерений в пределах измеряемого участка С яркости, соответствующей измеренному уровню эхо-сигнала, в позиции пикселя, определяемой позицией ультразвукового матричного зонда 12, измеренной отдельно, и позицией точки «а» измерений, определенной модулем 51 задания точки измерений. Таким образом, на экране модуля 4 отображения появляется изображение, представляющее форму поперечного сечения границы сварки. Тем самым завершается процесс этапа S4 и оканчивается процедура ультразвуковых измерений.
Требования к акустической анизотропии участка основного металла стального материала
Для углеродистой стали, являющейся объектом испытаний в первом варианте, описана степень акустической анизотропии участка основного металла, необходимая для измерения отраженных волн посредством тандемных измерений. В общем случае известно, что размер дефекта, обнаруживаемого посредством тандемных измерений с использованием ультразвукового пучка диаметром примерно 0,7 мм, составляет от нескольких десятков до 100 микрометров (см. Патентный документ 3).
Далее, со ссылками на Фиг. 8 и 9 описана фактическая отражающая поверхность, на которой можно зарегистрировать отраженные волны, при общем коэффициенте отражения, эквивалентном коэффициенту отражения волн от дефекта. На Фиг. 8 представлена принципиальная схема, поясняющая отражение волн от дефекта, имеющего форму диска диаметром h, и на Фиг. 9 представлена принципиальная схема для пояснения коэффициента отражения на единицу площади от фактической отражающей поверхности при измерении отраженных волн при полном коэффициенте отражения, эквивалентном коэффициенту отражения волн от дефекта, имеющего форму диска диаметром h. Как показано на Фиг. 8, когда ультразвуковой пучок падает под углом α падения на дефект, имеющий форму диска диаметром h, доля ультразвукового пучка, падающего на дефект, равна (h·cosα)2/d2, тогда в предположении, что коэффициент отражения дефекта на единицу площади равен 1 (=100%), полный коэффициент отражения составляет (h·cosα)2/d2. Далее, как показано на Фиг. 9, при измерении отраженных волн с полным коэффициентом отражения (h·cosα)2/d2, эквивалентным коэффициенту отражения волн от дефекта, доля ультразвукового пучка, падающего на фактическую отражающую поверхность, равна 1 (=100%) и, таким образом, коэффициент отражения на единицу площади от фактической отражающей поверхности составляет (h·cosα)2/d2.
В предположении, что α=45° и d=0.7 мм, коэффициент отражения на единицу площади, представленный предшествующим выражением, является функцией параметра h. На Фиг. 10 представлен график, иллюстрирующий соотношение между размером дефекта, имеющего форму диска диаметром h, и коэффициентом отражения на единицу площади от фактической отражающей поверхности, на которой регистрируется полный коэффициент отражения, эквивалентный коэффициенту отражению волн от дефекта. По оси ординат графика отложен параметр h, а по оси абсцисс - коэффициент отражения на единицу площади. Поскольку, как показано на Фиг. 10, дефект может быть обнаружен при h≥0.05 мм, коэффициент отражения на единицу площади предпочтительно составляет 0.25% или более. Более того, поскольку для обнаружения дефекта более предпочтителен размер h≥0.1 мм, как показано на Фиг. 10, более предпочтительно, чтобы коэффициент отражения на единицу площади составлял 1.0% или более.
Далее описана степень акустической анизотропии участка основного металла, необходимая для достижения указанного выше коэффициента отражения на единицу площади. На участке основного металла в углеродистой стали скорость звука для волны (определяемой направлением распространения и направлением смещения), для которой скорость звука максимальна, обозначена Vmax, а скорость звука для волны, для которой скорость звука минимальна, обозначена Vmin. Кроме того, скорость звука на участке сварки изотропна, не зависит от направления распространения звука и принята равной (Vmax+Vmin)/2. Плотность участка основного металла и плотность участка сварки приняты равными. В этом случае коэффициент R отражения на единицу площади, когда ультразвуковые волны падают на границу раздела с участком сварки в направлении распространения, в котором скорость звука на участке основного металла минимальна, может быть выражен следующим Выражением 8 (см. Выражение 1 в литературном источнике 1).
Таким образом, предпочтительно, чтобы участок основного металла имел такую акустическую анизотропию, при которой выполняется следующее Выражение 9.
Далее, более предпочтительно, чтобы участок основного металла имел акустическую анизотропию, при которой удовлетворяется следующее Выражение 10.
Формирование фокусированного пучка
При формировании ультразвукового пучка на этапе S2 в первом варианте даже в случае тандемных измерений фокусировка ультразвукового пучка в фокусированный пучок следующим образом может расширить допустимый диапазон угла θ отклонения между виртуальной отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью, иными словами, ослабить направленность отражения.
На Фиг. 11 представлена принципиальная схема для пояснения измеряемой ультразвуковым пучком фактической отражающей поверхности. Как показано на Фиг. 11, когда ультразвуковой пучок падает на фактическую отражающую поверхность, участок, вносящий вклад в отражение (измеряемая фактическая отражающая поверхность), ограничен по площади по сравнению со всей фактической отражающей поверхностью. Вследствие этого измеряемую фактическую отражающую поверхность можно считать ленточным отражателем шириной 2а. В то же время для определенных угла α падения и угла β отражения с учетом а=d/2cosα полный коэффициент отражения r′ (α, β) можно представить следующим Выражением 11 с использованием волнового числа k (см. Выражение 2 в литературном источнике 1).
Когда определен угол θ отклонения между виртуальной отражающей поверхностью (угол α падения, угол α отражения) и фактической отражающей поверхностью, полный коэффициент r′ (α+θ, α-θ) отражения в момент падения ультразвукового пучка может быть представлен следующим Выражением 12. Отметим, что при выводе Выражения 12 применялась теорема сложения тригонометрических функций, представленная Выражением 13.
На Фиг. 12 приведен график, иллюстрирующий соотношение между частотой f, диаметром d пучка и полным коэффициентом r′ (α+θ, α-θ) отражения, вычисленным согласно Выражению 12. На Фиг. 12 при V=3200 м/с по оси абсцисс отложен диаметр d пучка, а по оси ординат - положительный угол θН отклонения (полуширина угла отклонения на полувысоте), когда полный r′ (α+θ, α-θ) коэффициент отражения равен 50%.
Далее, поскольку sin c(1.9)≅1/2, для положительного угла θН отклонения, когда полный коэффициент r′ (α+θ, α-θ) отражения равен 50%, справедливо следующее Выражение 14.
Следовательно, θН может быть представлен следующим выражением 15.
Далее, выразив волновое число k через скорость звука VR и частоту f ультразвуковых волн, угол θН можно представить следующим Выражением 16.
На Фиг. 13 представлена принципиальная схема для пояснения формирования фокусированного пучка. Как показано на Фиг. 13, фокусированный пучок задан диаметром d пучка, шириной D передающего элемента и фокусным расстоянием F. В этом случае при использовании ширины D передающего элемента, фокусного расстояния (с учетом преобразования в согласующей среде) F, скорости VT звука передаваемых волн (в согласующей среде) и частоты f, диаметр d пучка может быть представлен следующим Выражением 17 (см. литературный источник 1).
В результате подстановки Выражения 17 в Выражение 16 θН может быть представлен следующим Выражением 18.
На Фиг. 14 представлен график, поясняющий соотношение между θН и отношением F/D для случая, когда скорость звуковых волн сдвига в объекте испытаний составляет VR=3200 м/с и скорость звука в согласующей среде равна VT=1480 м/с (при использовании воды в качестве согласующей среды). Для того чтобы полуширина угла θН отклонения на полувысоте была равна по меньшей мере θHlim или больше, в данном случае должно выполняться следующее Выражение 19 для фокусированного пучка.
Предпочтительно задавать θHlim=2°. В этом случае в качестве требования при формировании фокусированного пучка должно быть справедливо следующее Выражение 20.
Более предпочтительно задать θHlim=5°. В этом случае в качестве требования при формировании фокусированного пучка должно быть справедливо следующее Выражение 21.
На Фиг. 15 представлен график для пояснения потерь на преобразование волн из волн сдвига в продольные волны при отражении от границы раздела между участком основного металла и участком сварки и при отражении от внутренней поверхности участка основного металла. По оси абсцисс графика отложен угол α падения пучка на границу с участком сварки, а по оси ординат - полный коэффициент отражения волн сдвига при повторном отражении (отражении на внутренней поверхности участка основного металла) (см. патентный документ 3). Когда граница раздела между участком основного металла и участком сварки по существу параллельна нормали к поверхности листа на участке основного металла, для устранения потерь на преобразование волн при преломлении на границе раздела между объектом испытаний и согласующей средой, как показано на Фиг. 15, угол α падения должен быть в пределах 0°≤α≤10° или 35°≤α<55°. Более предпочтительно, чтобы угол α падения находился в пределах 40°≤α≤50°.
Как и выше, в соответствии с первым вариантом, ультразвуковые волны, падающие на границу между участком основного металла и участком сварки в стальном материале фокусированы, действующая площадь фактической отражающей поверхности уменьшена, а направленность отражения ослаблена, что позволяет легко регистрировать ультразвуковые волны, отраженные от границы раздела между участком основного металла и участком сварки в стальном материале.
Первый пример
Далее, рассматривается первый пример, соответствующий описанному выше первому варианту. На Фиг. 16 представлены заданные в первом примере параметры. Как показано на Фиг. 16, в первом примере для простоты задан двумерный объект испытаний. Более того, задано, что участок основного металла и участок сварки имеют разные акустические сопротивления, чтобы выделить отраженные волны. Частота f возбуждения ультразвукового матричного зонда задана равной 5 МГц. Виртуальная отражающая поверхность задана в вертикальном направлении, а угол θ отклонения между этой поверхностью и фактической отражающей поверхностью задан равным 5°. В то же время измерения произведены с использованием ширины D передающего элемента, равной 19.9 мм («20-»-20 ch), и левой части (VT/VR)·(F/D) в приведенных выше Выражениях 19-21, равной 2.2. Более того, в качестве сравнительного примера по известной технологии выполнены измерения с использованием ширины D передающего элемента, равной 5.9 мм («6-»-6 ch), и левой части (VT/VR)·(F/D) в Выражениях 19-21, равной ∞ (нефокусированный пучок).
На Фиг. 17 представлен вид сигнала измерения, полученного в первом примере, и на Фиг. 18 представлен вид сигнала измерения, полученного по известной технологии. Как показано на Фиг. 17, хотя угол отклонения между виртуальной отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью равен 5°, отраженные волны можно регистрировать с высоким уровнем сигнала. Более того, как показано на Фиг. 18, при использовании обычной технологии уровень сигнала отраженных волн оказывается мал по сравнению с первым примером, так что велика вероятность ложного обнаружения.
Поскольку первый пример не «привязан» к направлению линии сварки, нужно только выбрать ультразвуковой матричный зонд с учетом профиля пучка в направлении линии сварки и задать согласно объекту испытаний ширину вибраторов в направлении линии сварки и, если пучок является фокусированным, фокусное расстояние для этого фокусированного пучка.
Второй вариант
Ультразвуковое измерительное устройство во втором варианте имеет такую же конструкцию, как ультразвуковое измерительное устройство 10, показанное на Фиг. 1. Более того, для проведения ультразвуковых измерений во втором варианте в качестве объекта испытаний выбрана такая же углеродистая сталь, как и в первом варианте. Следовательно, в качестве требований к акустической анизотропии участка основного металла стального материала подходит описанное выше Выражение 8. Более того, предпочтительно, чтобы степень акустической анизотропии на участке основного металла удовлетворяла указанным выше Выражению 9 или Выражению 10. При этом процедура ультразвуковых измерений во втором варианте отличается от процедуры ультразвуковых измерений в первом варианте только в том, что на этапе S2 на Фиг. 2 вместо фокусировки ультразвукового пучка предполагается наличие множества виртуальных отражающих поверхностей Р с точкой измерений рядом с участком сварки внутри участка основного металла в объекте испытаний в качестве цели.
На Фиг. 19 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая точку измерений в стальном материале в качестве цели ультразвукового матричного зонда 12 во втором варианте. Как показано на Фиг. 19, во втором варианте на этапе S2 вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом предполагает наличие множества виртуальных отражающих поверхностей Р с точкой измерений рядом с участком 6В сварки внутри участка 6А основного металла в объекте 6 испытаний в качестве цели, выбирает центр группы передающих устройств и центр группы принимающих устройств для каждой из виртуальных отражающих поверхностей (P1, Р2) и задает ультразвуковой пучок посредством вычисления пути распространения волн. В то же время вычислительный модуль 52 для управления матричным зондом выбирает ширину D передающего элемента для каждой группы передающих устройств с учетом диаметра пучка, направленности и др.
В этом случае на этапе S3 модуль 53 для выделения уровня эхо-сигнала задает окно детектирования, как показано на Фиг. 6, на основе каждой из величин времени распространения, рассчитанных вычислительным модулем 52 для управления матричным зондом для соответствующих виртуальных отражающих поверхностей (P1, Р2), и выделяет уровень эхо-сигнала из отраженных волн, принятых в течение этого периода. Более того, на этапе S4, как показано на Фиг. 20, для каждой из точек «а» измерений в измеряемом участке С контроллер 5 представляет на экране дисплея изображение путем задания яркости, соответствующей репрезентативному уровню эхо-сигнала из результатов измерений, полученных от соответствующих виртуальных отражающих поверхностей (Р1, Р2) в точечной позиции, определяемой позицией ультразвукового матричного зонда, регистрируемой отдельно, и позицией точки «а» измерений, определенной модулем 51 задания точки измерений.
Необходимо только определить репрезентативную величину уровня эхо-сигнала, полученного от соответствующих виртуальных отражающих поверхностей, например, как среднюю величину или как максимальную величину уровней соответствующих эхо-сигналов.
В качестве альтернативы, способ выбора репрезентативной величины может зависеть от конкретной точки измерений. Например, систему можно настроить таким образом, чтобы выбирать уровень эхо-сигнала, полученного от виртуальной отражающей поверхности, в наибольшей степени обращенной к наружной окружной поверхности, когда точка измерений располагается ближе к внутренней окружной поверхности трубчатого объекта 6 испытаний, и выбирать уровень эхо-сигнала, полученного от виртуальной отражающей поверхности, в наибольшей степени обращенной к внутренней окружной поверхности, когда точка измерений располагается ближе к наружной окружной поверхности этого трубчатого объекта 6 испытаний.
Задание множества виртуальных отражающих поверхностей
Во втором варианте, как и в предыдущем, на этапе S2, даже в случае тандемных измерений задание множества виртуальных отражающих поверхностей следующим образом может расширить допустимый диапазон углов θ отклонения между виртуальной отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью, иными словами, ослабить направленность отражения.
Как и выше, когда предполагается наличие множества виртуальных отражающих поверхностей под разными углами, и на них падает ультразвуковой пучок, тогда возле виртуальной отражающей поверхности, как показано на Фиг. 11, из фактической отражающей поверхности выделяется ограниченный участок, который вносит вклад в отражение (измеряемая фактическая отражающая поверхность). Следовательно, эту измеряемую фактическую отражающую поверхность можно рассматривать в виде ленточного отражателя шириной 2а. В то же время для заданных углов α падения и β отражения, с учетом а=d/2cosα, полный коэффициент r′ (α, β) отражения может быть представлен следующим Выражением 22 с использованием волнового числа k, как в Выражении (11) (см. Выражение 2 в литературном источнике 1).
Для заданного угла θ отклонения между виртуальной отражающей поверхностью (угол α падения, угол α отражения) и фактической отражающей поверхностью, полный коэффициент r′ (α+θ, α-θ) отражения для падающего ультразвукового пучка может быть представлен следующим Выражением 23. Отметим, что при выводе Выражения 23 применялась теорема сложения тригонометрических функций, представленная Выражением 24.
Из Выражения 23 можно сделать вывод, что полный коэффициент отражения от каждой виртуальной отражающей поверхности представлен функцией угла θ отклонения от фактической отражающей поверхности. На Фиг. 21 представлен график зависимости полного коэффициента отражения от каждой виртуальной отражающей поверхности от угла отклонения между соответствующей виртуальной отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью на основе Выражения 23. В качестве виртуальных отражающих поверхностей для графика выбраны три виртуальные отражающие поверхности, расположенные через интервалы в 5° одна от другой (виртуальная отражающая поверхность Р0 с углом θ отклонения, виртуальная отражающая поверхность Р1 с углом θ-5° отклонения и виртуальная отражающая поверхность Р2 с углом 0+5° отклонения). Кроме того, заданы α=45°, диаметр пучка d=2 mm, частота f=10 МГц и V=3200 m/s.
Как показано на Фиг. 21, положительный угол отклонения (угол отклонения для полуширины на полувысоте) равен 2.8°, когда полный коэффициент отражения для виртуальной отражающей поверхности Р0 с углом θ отклонения равен 50%. Другими словами, когда угол θ отклонения находится в пределах 2.8°, полный коэффициент отражения составляет 50% или более, так что отраженные волны можно зарегистрировать. Кроме того, во втором варианте помимо указанной выше виртуальной отражающей поверхности Р0 также измерены полные коэффициенты отражения от виртуальной отражающей поверхности Р1 с углом θ-5° отклонения и от виртуальной отражающей поверхности Р2 с углом θ+5° отклонения. Таким образом, за счет полуширины угла отклонения на полувысоте, равной 2.8°, для виртуальной отражающей поверхности Р1 с углом (θ-5°) отклонения и полуширины угла отклонения на полувысоте в 2.8° для виртуальной отражающей поверхности Р2 с углом (θ+5°) отклонения диапазон значений угла θ отклонения, для которых полный коэффициент отражения составляет 50% или более, расширен до 7.8°. Иными словами, можно сделать вывод, что допустимый диапазон значений угла θ отклонения, для которых отраженные волны можно зарегистрировать, может быть расширен путем выделения трех виртуальных отражающих поверхностей с интервалами в 5°.
Если рассматривать приведенное выше описание в более общем смысле, для положительной величины 2θ1/2 (если таких величин несколько, выбирается минимальная), удовлетворяющей следующему Выражению 25, для которого правая часть Выражения 23 принята равной 0.5, необходимо только задать множество виртуальных отражающих поверхностей, таких что угол между соседними виртуальными отражающими поверхностями составляет 2θ1/2 или меньше.
Как и выше, когда граница раздела между участком основного металла и участком сварки по существу параллельна нормали к поверхности листа на участке основного металла, для уменьшения потерь из-за преобразования волн при отражении от внутренней поверхности участка основного металла и при преломлении на границе раздела между объектом испытаний и согласующей средой, как показано на Фиг. 15, угол α падения должен быть 0°≤α≤10° или 35°≤α≤55°. Более предпочтительно, чтобы угол α падения был задан как 40°≤α<50°.
Как и выше, согласно второму варианту, поскольку отраженные волны измеряют, задавая множество виртуальных отражающих поверхностей для ультразвуковых волн, падающих на границу между участком основного металла и участком сварки в стальном материале, направленность отражения этих отраженных волн уменьшена, вследствие чего можно легко регистрировать ультразвуковые волны, отраженные от границы раздела между участком основного металла и участком сварки стального материала.
Более того, если реализовать первый вариант и второй вариант одновременно, можно измерять отраженные волны путем задания множества виртуальных отражающих поверхностей и фокусировки ультразвуковых волн, падающих на границу между участком основного металла и участком сварки стального материала.
Второй пример
Далее рассмотрен второй пример, соответствующий описанному выше второму варианту. На Фиг. 22 представлены задаваемые во втором примере параметры. Как показано на Фиг. 22, во втором примере, для простоты, задан двумерный объект испытаний. Более того, задано, что участок основного металла и участок сварки имеют разные акустические сопротивления, чтобы выделить отраженные волны. Частота f излучения ультразвукового матричного зонда задана равной 5 МГц. Предполагается, что фактическая отражающая поверхность наклонена на 5° по отношению к вертикальному направлению, а измерения выполнены путем задания двух виртуальных отражающих поверхностей, отклоненных на углы 0° и 5° от вертикального направления, с использованием нефокусированного пучка.
На Фиг. 23 представлен вид измеряемого сигнала, полученного при наклоне 0° виртуальной отражающей поверхности по отношению к вертикальному направлению (угол отклонения от фактической отражающей поверхности - 5°), и на Фиг. 24 представлен вид измеряемого сигнала, полученного при наклоне 5° виртуальной отражающей поверхности по отношению к вертикальному направлению (угол отклонения от фактической отражающей поверхности - 0°). Согласно обычной технологии, как показано на Фиг. 23, когда виртуальная отражающая поверхность имеет угол отклонения от фактической отражающей поверхности, равный 5°, уровень сигнала отраженных волн мал и его трудно зарегистрировать. В то же время согласно второму примеру, задавая множество виртуальных отражающих поверхностей, всегда выполняются оптимальные измерения для любой из виртуальных отражающих поверхностей относительно фактической отражающей поверхности и регистрируются сигнал измерения, показанный на Фиг. 23, и сигнал измерения, показанный на Фиг. 24, так что в результате можно регистрировать отраженные волны с высоким уровнем сигнала.
Хотя второй пример не «привязан» к направлению линии сварки, необходимо только выбрать ультразвуковой матричный зонд с учетом профиля пучка в направлении линии сварки и задать, в соответствии с объектом испытаний, ширину вибраторов в направлении линии сварки, а также, если необходим фокусированный пучок, фокусное расстояние для этого пучка.
Промышленная применимость
Как указано выше, способ ультразвуковых измерений и ультразвуковое измерительное устройство согласно настоящему изобретению подходят для оценки качества участка сварки стального материала неразрушающим способом с использованием ультразвуковых волн.
Список ссылочных обозначений
Использование: для оценки качества участка сварки в стальном материале неразрушающим методом с использованием ультразвуковых волн. Сущность изобретения заключается в том, что модуль задания точки измерений задает произвольную точку измерений рядом с участком сварки внутри стального материала и предполагает виртуальную отражающую поверхность, которая содержит эту точку измерений и параллельна направлению линии сварки. Вычислительный модуль для управления матричным зондом передает ультразвуковые волны в виде волны сдвига, удовлетворяющие произвольному выражению, и фокусирует их в точке измерений через согласующую среду под заданным углом падения относительно виртуальной отражающей поверхности. Модуль выделения уровня эхо-сигнала регистрирует отраженные волны переданных ультразвуковых волн на границе раздела между участком основного металла и участком сварки. Контроллер оценивает форму участка сварки на основе отраженных волн. Технический результат: повышение достоверности оценки качества участка сварки в стальном материале. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 26 ил.
1. Способ ультразвуковых измерений, содержащий:
этап задания точки измерений, на котором задают произвольную точку измерений рядом с участком сварки внутри стального материала и предполагают наличие виртуальной отражающей поверхности, которая параллельна направлению линии сварки и включает в себя указанную точку измерений;
этап формирования фокусированного пучка, на котором передают ультразвуковые волны в виде волны сдвига, удовлетворяющие Выражению 1, и фокусируют их в указанной точке измерений через согласующую среду, с заданным углом падения относительно указанной виртуальной отражающей поверхности;
этап регистрации, на котором регистрируют отраженные волны переданных ультразвуковых волн от границы раздела между участком основного металла и участком сварки; и
этап оценки, на котором оценивают форму участка сварки на основе отраженных волн:
где VT (мм/с) - скорость звука в указанной согласующей среде,
VR (мм/с) - скорость звука волны сдвига на участке основного металла указанного стального материала, который является объектом испытаний,
D (мм) - ширина передающего элемента в направлении, перпендикулярном направлению линии сварки,
F (мм) - фокусное расстояние с учетом преобразования в согласующей среде и
θHlim (градусы) - верхний предел для угла отклонения между указанной предполагаемой отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью.
2. Способ ультразвуковых измерений по п. 1, в котором для каждой точки измерений, заданной на этапе задания точки измерений, предполагают наличие множества виртуальных отражающих поверхностей с различными углами.
3. Способ ультразвуковых измерений по п. 2, в котором предполагают, что по меньшей мере для одной из виртуальных отражающих поверхностей, для которых области в направлении нормали являются непрерывными, эффективность передачи и приема составляет 0.5 или более, тогда как эффективность передачи и приема равна 1, если виртуальная отражающая поверхность совпадает с фактической отражающей поверхностью.
4. Способ ультразвуковых измерений по любому из пп. 1-3, в котором указанный верхний предел θHlim для угла отклонения составляет 2°.
5. Способ ультразвуковых измерений по любому из пп. 1-3, в котором участок основного металла указанного стального материала удовлетворяет Выражению 2 в отношении скорости Vmax звука для волны, которая имеет максимальную скорость звука, и в отношении скорости Vmin звука для волны, которая имеет минимальную скорость звука:
6. Способ ультразвуковых измерений по любому из пп. 1-3, в котором указанный угол падения представляет собой угол между направлением передачи ультразвуковых волн и направлением нормали к указанной виртуальной отражающей поверхности в точке измерений и составляет от 0° до 10° или от 35° до 55°.
7. Способ ультразвуковых измерений по любому из пп. 1-3, в котором передачу и прием ультразвуковых волн выполняют при изменении точки измерений путем использования матричного зонда для передачи и приема ультразвуковых волн и управления матричным зондом посредством переключения электронного пучка.
8. Ультразвуковое измерительное устройство, содержащее:
модуль задания точки измерений, предназначенный для задания произвольной точки измерений рядом с участком сварки внутри стального материала, при этом предполагается наличие виртуальной отражающей поверхности, которая параллельна направлению линии сварки и включает в себя указанную точку измерений;
модуль формирования фокусированного пучка, предназначенный для передачи ультразвуковых волн в виде волн сдвига, удовлетворяющих Выражению 3, и фокусировки в точке измерений через согласующую среду, с заданным углом падения относительно указанной виртуальной отражающей поверхности;
детектор для регистрации отраженных волн, соответствующих передаваемым ультразвуковым волнам, отраженным от границы раздела между участком основного металла и указанным участком сварки; и
модуль оценки для оценки формы указанного участка сварки на основе указанных отраженных волн:
где VT (мм/с) - скорость звука в указанной согласующей среде,
VR (мм/с) - скорость звука волны сдвига на участке основного металла указанного стального материала, который является объектом испытаний,
D (мм) - ширина передающего элемента в направлении, перпендикулярном направлению линии сварки,
F (мм) - фокусное расстояние с учетом преобразования в указанной согласующей среде, и
θHlim (градусы) - верхний предел для угла отклонения между указанной предполагаемой отражающей поверхностью и фактической отражающей поверхностью.
| JP 2011257384A, 22.12.2011 | |||
| JP 2011112395A, 09.06.2011 | |||
| JP 2007114075A, 10.05.2007 | |||
| JPS 56143951A, 10.11.1981 | |||
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ АУСТЕНИТНЫХ СВАРНЫХ ШВОВ | 2001 |
|
RU2270442C2 |
| Способ ультразвукового контроля сварных швов | 1988 |
|
SU1585748A1 |
