Приборы и методы акустического контроля

Масса прибора не более 2,15 кг. Габариты 190х270х60. Диапазон рабочих температур от –10 до +50 ⁰С при стандартном исполнении прибора [12].

Дефектоскоп ультразвуковой УД2-70 предназначен для контроля сплошности сварных соединений листовых элементов, рельсов, деталей подвижного состава и других металлоконструкций, а также измерения толщин. Ультразвуковой дефектоскоп УД2-70 предназначен для контроля продукции на наличие дефектов типа нарушения сплошности и однородности материалов, готовых изделий, полуфабрикатов и сварных (паяных) соединений, измерения глубины и координат залегания дефектов, измерения отношений амплитуд сигналов, отражённых от дефектов [12].

Особенности дефектоскопа:

• два независимых измерительных строба
• система автоматической сигнализации дефектов
• возможность запоминания: 100 программ настроек, 100 изображений экрана, 2000 результатов измерения параметров сигналов
• режим "электронная лупа"
• режим "стоп-кадр"
• функция "замок"
• режим связи с ПЭВМ
• протоколирование процедуры контроля с использованием программного обеспечения "Ultra UD2-70"

     Основные технические характеристики

Рабочие частоты 1,25; 1,8; 2,5; 5,0; 10,0 МГц Диапазон контроля (по стали) 0...5000 мм Диапазон диапазон усиления приёмного тракта 100 дБ Динамический диапазон временной регулировки чувствительности (ВРЧ) 60 дБ Абсолютная погрешность  при измерении глубины залегания  дефекта Hx±(0,5+0,02Hx) мм Абсолютная погрешность  при измерении отношения амплитуд сигналов Hx±(0,2+0,03Nx) дБ Время непрерывной работы от аккумуляторной батареи не менее 8 ч Масса дефектоскопа не более 3,5 кг Габаритные размеры (без  ручки) 245x145x75 мм Степень защиты IP65 Диапазон рабочих температур -10...50°С

 

           3. Анализ акустического тракта

 

Как показал сравнительный  анализ (пункт 2) для ультразвукового  контроля аустенитных сварных швов подходит контроль эхо-импульсным методом с помощью наклонного РС-преобразователя продольных волн для контроля нижней и средней части сварного шва и наклонного преобразователя головных волн для контроля верхней части шва.

Проведем анализ акустического тракта для каждого из видов дефектов в данном сварном соединении. В сварных швах возможны дефекты в виде пор, трещин (в том числе и подповерхностных), несплавлений и непроваров в корне шва. Эти дефекты моделируются сферой, диском и полосой соответственно.

В общем случае при ультразвуковом контроле наклонным РС (хордовыми) преобразователями, плоскости излучения-приема которых повернуты под углом друг другу, возможны различные виды контроля.

Часто используют схему, где  один преобразователь излучает, а  другой принимает отраженные от дефекта колебания, достигающие как дефекта, так и приемника без отражения от внутренней поверхности. Такие преобразователи называют симметричными (рисунок 3.1)

 

Рисунок 3.1 – расположение ПЭП «дуэт» ( отражение от дна не используется):

а - вид сбоку; б - вид сверху; в - ориентация в металле ультразвуковых лучей  и плоскостей поляризации и падения  на отражатель;И – излучатель; П  – приемник.

 

Достаточно широко применяют  несимметричные РС преобразователи; в  них один преобразователь озвучивает дефект прямым лучом, а другой принимает отраженные от дефекта колебания, которые на пути отражаются от внутренней поверхности (рисунок 3.2). Предпочтительна последняя схема, обеспечивающая более уверенное обнаружение плоскостных и объемных дефектов.

Рисунок 3.2 – Расположение ПЭП «дуэт» с отражением от дна (несимметричный преобразователь).

Расчет уравнения акустического  тракта выполнен с приминением разработанного Д.Б. Диановым уточненного способа, справедливого для любых углов падения.

Выражение акустического тракта для преобразователя типа «дуэт» в общем случае имеет вид:

                                                                 (3.1)

где - коэффициент прохождения через границу,

       - приведенное расстояние от излучателя до дефекта,

       - площадь пъезопластины, равная = πa², где а- радиус пъезопластины,

      В - коэффициент,  учитывающий свойства дефекта  в твердом теле для различных  моделей дефектов  (таблица 3.1),

      – функция (диаграмма) направленности УЗ – поля,

      - коэффициент затухания ультразвука в изделии,

      - длина волны ультразвука в изделии.

        

 

   где D_lt - коэффициент прохождения по амплитуде для падающей продольной и преломленной поперечной волн;

       D^'_tl – коэффициент прохождения по амплитуде для падающей поперечной и преломленной в верхнюю среду продольной волн, проходящих через границу в обратном направлении.

Схема акустического тракта при  контроле наклонным РС ПЭП приведена на рисунке 3.3.

 

                                       

 Рисунок 3.3 – Схема акустического тракта при контроле наклонным РС преобразователем: а- непровар в корне шва; б-поперечная трещина; в- пора.

 

Таблица 3.1 – Значение коэффициента В.

Тип дефекта	Тип отражателя	В
Трещина, несплавление	Диск диаметром 2b	πb2/(λr)
Пора	Сфера	b/(2r)
Непровар	Полоса шириной h

 

               

      Размер проекции отражателя на плоскость, перпендикулярную оси отраженного поля дискообразного отражателя

 

                                                 2b^’ =2b/sin α.

       Ширину полосы  h можно найти из рисунка 3.3а, зная, что высота непровара равна 2b:

                                                        h =2b/sin α.

     Приведенное расстояние  от излучателя до дефекта можно найти по формуле:

                                                = + r^’ ,

           где    - путь ультразвука в призме;

                     r^’ – приведенный путь ультразвука в изделии.

        r^’ найдем из рисунка 3.4.

 

    Рисунок 3.4 – Схема хордового преобразователя.                          

                                                       r^’ = r cos Δ.

       где r – путь ультразвука в изделии;

              Δ- половина угла между излучателем и приемником.

        

        Таким образом получим уравнения акустического тракта для различного вида дефектов:

           для поры:

         для трещины:

 

        для непровара:

      Схема акустического  тракта при контроле наклонным преобразователем головным волнами представлена на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 – Схема акустического тракта при контроле наклонным преобразователем головным волнами: а – пора, б- подповерхностная трещина и несплавление.

     

Тип дефекта	Модель дефекта
Трещина, несплавление	Диск
Пора	Сфера

 

     Известны формулы для расчета сигнала в акустическом тракте в дальней зоне для различного типа дефектов [1] (таблица 3.3).

   

 Таблица 3.3 – Формулы расчета ослабления сигнала в акустическом тракте в дальней зоне ПЭП для различных отражателей, расположенных на акустической оси преобразователя.

Диск площадью Sb= πb2
Сфера диаметром d

            В таблице 3.3 r₀= r_п с_lп cosα/(с_l cosβ), где r_п – путь в призме; с_lп и с_l – соответствующие скорости продольных ультразвуковых волн в призме и изделии соответственно; α и β- угол ввода в металле и угол призмы ответственно;δ и δ_п- коэффициенты затухания соответственно в изделии и в призме; r – путь ультразвука в изделии от точки выхода до отражателя; - площадь пъезопластины; - коэффициент прохождения через границу [2].

Таким образом получим:

    для трещины:

  для поры:

                              

  для несплавления:

                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

        4 Расчет и проектирование преобразователя

 

Для расчёта пъезопластины необходимо определить рабочую частоту. Согласно рекомендациям, предложенным в [10], для аустенитных сварных швов толщиной 12 мм эффективно применение наклонных РС преобразователей с углом ввода α ₀ = 50^˚ -70^˚ и рабочей частотой f_p=1,8-2,5 МГц, а также наклонных преобразователей с углом ввода α₀ = 80^˚ -90^˚

Принимаем для наклонного РС преобразователя  угол ввода α ₀₁=65º, рабочую частоту f_p1=2,5 МГц

Выбор рабочей частоты ультразвуковых колебаний определяется в основном коэффициентом затухания и уровнем структурной реверберации материала объекта, а также его габаритами.

При выборе частоты с точки зрения выявляемости минимальных дефектов следует учитывать, что когда длина волны превосходит размер дефекта, амплитуда отражённого или экранированного сигнала уменьшается с уменьшением размера дефекта гораздо быстрее, чем для более коротких волн. Отсюда формируется условие:

 

,                                                (4.1)

где 2b – характеристический размер дефекта (в случае искусственного дефекта – это диаметр сферы, диска, цилиндра или ширина паза).

 

Тогда для частоты 2,5 МГц:

 

.

В данном случае условие (4.1) не выполняется, что означает снижение чувствительности.

При выборе размеров пьезоэлемента следует учитывать, что увеличение поперечных размеров  сужает характеристику направленности и повышает чувствительность в дальней зоне, одновременно увеличивая протяженность ближней зоны, характеризующейся неравномерностью чувствительности по глубине и сечению пучка и, следовательно пониженной вероятностью обнаружения дефектов. Кроме того, увеличение размеров пьезоэлемента влечет за собой увеличение площади контактной поверхности, что снижает достоверность и воспроизводимость результатов контроля. В тоже время пьезоэлемент малых размеров, не обеспечивая требуемой мощности излучения, обладает недостаточной разрешающей способностью и пониженной точностью определения координат дефектов вследствие широкой диаграммы направленности.

Согласно [10] оптимальные размеры пьезопластин составляют а·f = 12…15 мм·МГц. Для f_р = 2,5 МГц

а = 4,8…6 мм. Выберем а = 6 мм (радиус пьезопластины). Для её изготовления используем пьезокерамику ЦТС – 19. Основные характеристики ЦТС – 19 приведены в таблице 4.1

 

Таблица 4.1– Характеристики ЦТС – 19

Плотность           ρ ,	Скорость продольной волны Сlп	Характеристический импеданс Z,
7000	3300	23·10-6

В качестве материала призмы выберем  органическое стекло, так как его целесообразно применять в диапазоне частот 1,5…5 МГц

Таблица 4.2 – Параметры органического стекла

 

Плотность           ρ ,	Скорость продольной волны Сl	Скорость поперечной волны Сt ,	Скорость поверхностной волны Сs ,	Коэффициент затухания  δ, м-1
1180	2670	1120	1050