АКУСТИКО-ТОПОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ СЛОИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Советский патент 1996 года по МПК G01N29/16 

Изобретение относится к неразрушающему акустическому контролю материалов и изделий при выявлении локальных дефектов между слоями, независимо от способа соединения слоев материала между собой: пайкой, склейкой, диффузионной сваркой, гальванопокрытием, напылением, нанесением пленок и т.д. что определяет возможность использования его в различных отраслях промышленности.

Цель изобретения повышение чувствительности контроля.

На чертеже приведена блок-схема устройства для осуществления акустико-топографического способа контроля слоистых материалов.

Широкополосный ультразвуковой преобразователь 1, например магнитострикционный, с обмоткой 2 возбуждения и с концентратором-волноводом 3, на конце концентратора-волновода 3, прижимаемого к контролируемому слоистому материалу 4 с дефектной зоной 5, присоединен акустический датчик 6. Акустический датчик 6 электрически соединен с блоком отрицательной обратной связи, включающим в себя последовательно соединенные между собой интегрирующую цепь 7 с электрическим конденсатором С, усилитель 8, потенциометр 9 и инвертор 10. Блок отрицательной обратной связи через регулируемый усилитель 11 выходного сигнала подключен к генератору 12 качающейся частоты, имеющему раздельную установку верхней и нижней границ качания частоты, для обеспечения возможности контроля материалов и изделий с различной толщиной слоев. Выход генератора 12 качающей частоты электрически подключен к входу усилителя 13 мощности, выход которого электрически соединен с обмоткой 2 возбуждения ультразвукового преобразователя 1 (или к электродам пьезоэлемента, если преобразователь 1 пьезоэлектрический). Акустический контакт для передачи ультразвуковых колебаний в контролируемый материал 4 обеспечивается узлом 14 прижима.

Акустико-топографический способ контроля слоистых материалов осуществляется следующим образом.

Сначала измеряют (если заранее неизвестна) толщину наиболее тонкого слоя и по известному материалу этого слоя определяют физико-акустические параметры этого слоя: скорость звука, плотность, коэффициент Пуассона и т.п. и на основании известных зависимостей определяют частоту нулевой моды минимально выявляемого дефекта.

Перед установлением контролируемого материала 4 под концентратор-волновод 3 определяют наименьшую величину контролируемого поверхностного слоя и по этой величине определяют предельную чувствительность и диапазоны изменения частоты возбуждения, верхние и нижние значения устанавливают на генераторе 12 качающейся частоты. Потенциометром 9 устанавливают максимальную величину отрицательной обратной связи (если она не определена уже заранее для данного материала), после чего вводят контролируемый материал 4 под концентратор-волновод 3, поджимают посредством узла 14 прижима их между собой, равномерно наносят на поверхность контролируемого объекта порошок или суспензию и включают устройство в сеть питания. Генератор 12 качающейся частоты начинает вырабатывать электрический сигнал с плавно изменяющейся частотой в установленных пределах, который поступает на усилитель 13 мощности. С усилителя 13 мощности сигнал поступает на обмотку 2 возбуждения (или электроды пьезоэлемента) ультразвукового преобразователя 1, который преобразует этот сигнал в механические колебания, усиливает их по амплитуде в концентраторе-волноводе 3 и передает в контролируемый материал 4. При возникновении резонанса в колебательной системе: преобразователь 1 и концентратор-волновод 3, или в контролиру- емом материале 4, акустический датчик 6 увеличивает сигнал, которым через интегрирующую цепь 7 усилитель 8, потенциометр 9, инвертор 10 и регулируемый усилитель 11 выходным напряжением генератора 12 качающейся частоты регулируется мощность, поступающая на ультразвуковой преобразователь 1. Тем самым исключается как резонансное возбуждение преобразователя 1, так и контролируемого слоистого материала 4, т.е. поддерживает постоянным параметры акустических колебаний в контролируемом материале. Изменяя регулировку потенциометра 9 определяют уровень колебаний, при котором начинают проявляться резонансные свойства материала, проявляющиеся в смещении порошка по всей поверхности, после чего потенциометр 9 устанавливают в положение, при котором исчезает смещение частиц на всей поверхности материала одновременно, во всем диапазоне частот.

Возбуждение со стороны наименьшего по толщине слоя материала оказывается более эффективным как при передаче колебаний к дефектной зоне за счет отражений от границ раздела слоев и возникновения поверхностных волн, так и позволяет возбуждать этот слой на более высоких частотах за счет меньших потерь на поглощение колебаний. Резонанс, т.е. возбуждение на одной из мод изгибных колебаний, в дефектной зоне в предлагаемом случае возникает при меньших ее размерах, по сравнению с возбуждением на этих же параметрах ультразвуковых колебаний, но с противоположной стороны, по отношению к стороне, на которую нанесен порошок для регистрации дефектной зоны. При этом толщина слоя оказывается реальным параметром предельной чувствительности способа контроля исходя из того, что предельно выявляемый размер дефектной зоны не превышает удвоенной толщины слоя, что одновременно и определяет верхнюю границу частоты возбуждения на самой низкой резонансной частоте нулевой моде изгибных колебаний на которой возможна фиксация дефектной зоны.

При скорости изменения частоты более 4 кГц/сек порошок не успевает занять положение в узлах из пучности колебаний в дефектной зоне при условии резонанса для этой зоны. Поэтому при нарушении данного условия на фоне покрытой порошком поверхности контролируемого объекта дефектная зона не сможет зарегистрироваться. При скорости изменения частоты колебаний менее 1 кГц/сек неоправданно снижается производительность контроля без ухудшения или улучшения чувствительности контроля.

Для уточнения границ и формы дефектной зоны границы диапазона изменения частоты колебаний определяют из условия возбуждения в дефектной зоне не менее трех мод изгибных колебаний, а это означает, что диапазон качания частоты, с учетом указанного критерия определения минимального по размеру дефекта и соответствующей ему частоте возбуждения, должен быть выбран из условия превышения верхней границы над нижней не менее чем в 4 раза в этом случае, помимо нулевой моды колебаний в виде круга, будет осуществлено и возбуждение на двух узловых диаметрах и на моде с одной узловой окружностью. Однако для идеального круга формы дефектной зоны вполне достаточно для очерчивания ее границ и нулевой моды колебаний. Для достоверной же регистрации дефектов любой формы необходимо и достаточно возбуждение дефектной зоны не менее чем на трех модах колебаний, последовательно возбуждаемых в ней. Эффект "запоминания границ дефектной зоны" связан с условием, что на границе дефектной зоны на любой моде колебаний всегда будет узел колебаний, поэтому информация о границах при указанном условии возбуждения не менее чем на трех модах колебаний дефектной зоны накапливается на одной и той же регистрирующей картине, последовательно уточняя границы этой зоны, если дефектная зона имеет сложную форму.

Выбор порошка для регистрации дефектной зоны также имеет существенное значение. При всех прочих равных условиях порошки с неправильной формой частиц из неэлектропроводных материалов имеют преимущество по сравнению с порошками из электропроводных материалов и правильной формы (сферические, кубические и т.д.) частиц, поскольку первые и за счет статического электричества и за счет лучшего сцепления с контролируемым материалом не отскакивают от поверхности материала, а перекатываются по ней, но такое полезное свойство эти порошки сохраняют, если размеры частиц не превышают 15 мкм, что позволяет удерживаться им на границах дефектных зон даже на наклонных плоскостях. Частицы размером менее 3 мкм настолько прилипают к поверхности и испытывают сопротивление перемещению, за счет шероховатости поверхности, остатков загрязнений и т.п. причин, что возможность их применения для регистрации дефектной зоны практически исключается, т. к. приводит к снижению чувствительности процесса. Конкретно к указанной категории порошков, экспериментально подтвердивших возможность их применения, относится ликоподий, окись алюминия, кварцевый песок, тальк, электрокорунд, карбид бора, гидрохинон, сульфит натрия.

Существенным признаком способа является также регистрация дефектной зоны посредством суспензии из порошков (естественно, что жидкость, добавляемая к порошку, не должна взаимодействовать как с порошком, так и с поверхностным слоем контролируемого материала). Суспензия позволяет повысить чувствительность контроля при выявлении дефектных зон в материалах с шероховатой (более 30 мкм) и необработанной поверхностью, где перемещение порошков затруднено, а также и в противоположном случае при контроле материалов с полированной поверхностью, где возможно скольжение частиц по инерции. В таких случаях чувствительность может быть повышена, по сравнению с регистрацией только порошков, путем нанесения на поверхность суспензии из указанных порошков, но в отличие от регистрации дефектных зон порошком по освобождению от порошка зоны над дефектом, при регистрации посредством суспензии дефектную зону определяют по вспучиванию суспензии над дефектной зоны. Эта разновидность способа дает положительный эффект и в случае контроля замкнутых (сферических, цилиндрических и т.п.) оболочек, т.е. тогда, когда стенки контролируемой конструкции расположены вертикально или имеется "потолочная" поверхность, подлежащая контролю.

Преимущество предлагаемого устройства заключается в том, что интегрирующая цепь блока обратной связи делает эту обратную связь частотно независимой, частота генератора качающейся частоты не зависит от резонансной частоты преобразователя, наличие усилителя, потенциометра и инвертора позволяет не только усиливать электрический сигнал от акустического датчика до уровня, достаточного для осуществления эффективного управления выходом генератора качающейся частоты, но и устанавливать заданный уровень глубины обратной связи, т. е. поддерживать такие параметры возбуждения объекта контроля, при которых порошок оказывается подвижным только в дефектной зоне, что повышает чувствительность устройства.

Изобретение относится к неразрушающим акустическим испытаниям материалов и конструкций. Целью изобретения является повышение чувствительности контроля. Возбуждаются ультразвуковые колебания в контролируемом объекте на частотах, включающих частоту возбуждения на нулевой моде изгибных колебаний минимально выявляемой по поперечному размеру дефектной зоны, при скорости изменения частоты колебаний 1 - 4 кГц/сек, возбуждение осуществляют со стороны наименьшего по толщине слоя и на этот же слой наносят предварительно порошок для регистрации дефектных зон. Для уточнения границ дефектной зоны в ней возбуждают не менее трех мод изгибных колебаний. Для регистрации дефектных зон выбирают порошки из неэлектропроводных материалов с неправильной формой, как ликоподий, окись алюминия, тальк и т. д. с размерами частиц 3 - 15 мкм, а для регистрации дефектов на необработанных, шероховатых и полированных поверхностях, а также на вертикальных и "потолочных" поверхностях порошки перед нанесением на поверхность смешивают с жидкостью и регистрируют дефектную зону по вспучиванию суспензии над дефектной зоной. Осуществляют способ с помощью устройства, в котором контролируемый объект прижимается к волноводу ультразвукового преобразователя, питаемого через усилитель мощности от генератора качающей частоты, имеющего регулируемый усилитель выходного напряжения, на который поступает сигнал с акустического датчика, через узел отрицательной обратной связи, что позволяет, поддерживая постоянным параметры возбуждения объекта контроля, регистрировать границы дефектной зоны, при ее резонансном возбуждении. 2 с. и 3 з. п. ф-лы. 1 ил.

1. Акустико-топографический способ контроля слоистых материалов, заключающийся в возбуждении в контролируемом материале последовательно изменяющихся по частоте ультразвуковых колебаний в диапазоне изменения частот, включающем в себя нулевую моду изгибных колебаний минимально выявляемой по поперечному размеру дефектной зоны, и регистрации дефектных зон с помощью порошка, предварительно нанесенного на поверхность контролируемого материала со стороны возбуждения колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, возбуждение ультразвуковых колебаний осуществляют со стороны наименьшего по толщине слоя материала, а изменение частоты колебаний производят со скоростью, равной 1 4 кГц/сек. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения границ и формы дефекта, диапазон изменения частоты колебаний выбирают из условия возбуждения в дефектной зоне не менее трех мод изгибных колебаний. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошков используют порошки с неправильной формой частиц размером 3 15 мкм из неэлектропроводных материалов. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что, с целью повышения области применения за счет обеспечения возможности контроля материалов с шероховатой, необработанной и полированной поверхностями, а также на вертикальных и потолочных поверхностях изделий, порошки перед нанесением на поверхность смешивают с жидкостью, полученную суспензию наносят на поверхность контролируемого материала, а дефектную зону регистрируют по вспениванию суспензии над дефектной зоной. 5. Устройство акустико-топографического контроля слоистых материалов, включающее последовательно соединенные ультразвуковой генератор качающейся частоты, регулируемый усилитель, усилитель мощности и широкополосный ультразвуковой преобразователь с концентратором-волноводом, и узел прижима концентратора-волновода к контролируемому материалу или изделию, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, оно снабжено установленным на концентраторе-волноводе акустическим датчиком и блоком обратной отрицательной связи, выполненным в виде последовательно соединенных интегрирующей цепи, усилителя, потенциометра и инвертора, выход инвертора подключен к входу регулируемого усилителя, а акустический датчик подключен к входу интегрирующей цепи.