Основы ультразвукового контроля

Основы ультразвукового контроля

Прохождение и отражение ультразвуковых волн,

Коэффициенты прохождения и прозрачности

При прохождении УЗВ через границу раздела двух сред часть волны проходит, а часть – отражается. Для описания прохождения УЗВ через границу двух сред вводится понятие акустический импеданс, характеризующий сопротивление прохождения УЗВ.

Акустический импеданс Z, :

, (4)

где P – акустическое давление;

V_n – скорость колебательного движения;

ρ – плотность материала;

Коэффициент отражения по амплитуде R:

, (5)

где z ₁ – акустический импеданс первой среды,

z – акустический импеданс второй среды.

Коэффициент прохождения по амплитуде D:

, (6)

На практике используют коэффициенты не по амплитуде, а по энергии:

- доля прошедшей волны определяется по формуле:

(7)

где W ₀ – падающая энергия,

W_прош – прошедшая энергия.

- доля отраженной волны определяется по формуле:

, (8)

где W ₀ – падающая энергия,

W _отр – отраженная энергия.

При наклонном падении УЗВ во втором объекте существует продольные и поперечные волны, и коэффициенты отражения и прохождения определяются по формулам:

- коэффициент отражения :

, (9)

Для прямого ПЭП:

, (10)

Для наклонного ПЭП:

, (11)

- коэффициент прохождения :

, (12)

Для прямого ПЭП:

, (13)

Для наклонного ПЭП:

. (14)

 

Условные линейные размеры дефекта

1) Условная протяжённость определяется вдоль направления развития дефекта и равна расстоянию на объекте контроля между двумя положениями ПЭП, при котором амплитуда сигнала достигает уровня фиксации.

2) Условная ширина и высота определяются одновременно. Условная ширина определяется поперёк развития дефекта и равна расстоянию между положениями ПЭП (при поперечном перемещении ПЭП) при котором амплитуда эхо-сигнала достигает уровня фиксации. Условная высота дефекта рассчитывается как разность показаний глубиномера в положениях ПЭП, при которых амплитуда сигнала достигает уровня фиксации.

Условные угловые размеры

1) Угол индикации определяется путём смещения ПЭП по радиусу, центр которого находится в дефекте относительно положения с максимальной амплитудой и равен углу между положениями ПЭП, в которых амплитуда достигает уровня фиксации.

2) Азимут соответствует углу между линией продольного сканирования и линией разворота ПЭП.

Способы определения условных размеров

Существуют два способа определения условных размеров: абсолютный и относительный.

Абсолютный метод заключается в том, что при определении условных размеров данным способом чувствительность дефектоскопа не изменяется, т.е. остается независимой от эхо-сигнала.

Относительный метод состоит в том, что условные размеры определяются на уровне 6,12,20 дБ, при этом максимальное значение амплитуды доводится до уровня фиксации, а затем чувствительность дефектоскопа увеличивается на 6,12,20 дБ.

Помехи и шумы

Помехами называют сигналы, не меняющие своего положения во времени с момента периодического пуска прибора при неизменных условиях контроля. К шуму относят беспорядочные, непериодические по времени прихода колебания и сигналы, характеризуемые случайностью мгновенных значений параметров. Рассмотрим некоторые виды помех и шумов:

1 Электронные помехи связаны с наличием сигналов от электронной схемы при установке максимального усиления дефектоскопа. Они выглядят в виде случайно-чередующихся сигналов малой амплитуды.

2 Помехи преобразователя связаны со свободным колебанием пьезопластины и переотражением от призмы или протектора. Данные помехи возникают при подключении ПЭП по совмещённой схеме.

Прессованные соединения

Возможно наличие сигналов двух видов:

- сигналы от края соединения возникают из-за наличия высоких напряжений на краю, и как следствие, изменение акустических свойств и наличия мнимой границы раздела;

- сигналы от поверхности сопряжения появляются из-за наличия зон с отличными акустическими свойствами. От зоны сопряжения также будут возникать группы сигналов повторяющих диаграмму направленности ПЭП. Величина диффузного сигнала зависит от степени посадки. Отличным признаком является большая ширина сигналов, и сигнал не изменяет своего положения на экране при продольном перемещении наклонного ПЭП.

Структурные помехи

Контролируемые металлические материалы имеют поликристаллическое строение (зерна). При этом каждое зерно имеет свою ориентацию и различные акустические свойства в разных направлениях. В результате при падении волны на границу раздела зерен происходит явление преломления и отражения, и часть волны возвращается обратно на ПЭП.

В наибольшей степени структурные помехи проявляются, если диаметр зерна становиться равным или больше длины волны. Чем больше диаметр зерна, тем больше структурных помех и меньше прозвучиваемость.

Эхо-метод

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондиру­ющих импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженно­го от дефекта. Временной интервал между зондирующим и эхо импульсами пропорционален глубине залегания дефекта, а амплитуда, в определенных пределах, — отра­жающей способности (размеру) дефекта.

Рисунок 1.14 – Эхо-метод

Зона контроля устанавливается между зондирующим и донным импульсами, при этом различают настройку дефектоскопа от поверхности (рисунок 1.15) – донный сигнал устанавливается в конец экрана, а зона контроля – между зондирующим и донным сигналом, не захватывая последний, и по слоям (рисунок 1.16) – на экране отображается только контролируемый слой объекта, зондирующий и донный сигналы выводятся за пределы экрана. Настройку по слоям выполняют для повышения достоверности контроля путем вывода с экрана ложных неинформативных сигналов.

При появлении эхо-сигнала в зоне контроля выше середины экрана или уровня фиксации устанавливается браковочная чувствительность, если сигнал превышает уровень фиксации - изделие бракуется.

 

Зеркально-теневой метод

Зеркально-теневой метод (далее ЗТМ) основан на анализе амплитуды донного (отражённого от зеркальной поверхности) сигнала (рисунок 1.17).

 

Выявление дефекта заключается в ослаблении донного сигнала. Оценкой допустимости дефекта служит коэффициент дефектности, К_д:

(23)

где А_д - амплитуда донного сигнала при наличии дефекта,

А₀ - амплитуда донного сигнала при отсутствии дефекта.

Значение коэффициента дефектности варьируется от 0 до 1, при К_д = 0 – дефект считается сильно развитым и полностью перекрывает дно, К_д = 1 – дефект отсутствует.

Особенности контроля:

1. В ближней зоне с увеличением глубины залегания дефекта коэффициент дефектности не изменяется, а с увеличением глубины залегания дефекта в дальней зоне – увеличивается;

2. ЗТМ позволяет выявлять дефекты следующих видов: расслоение за счёт ослабления волны, дифракция на краю трещины и берегах трещины. При этом эффективно выявляются дефекты длиной более 15 мм.

3. Наличие ослабления сигнала, не связанного с дефектом, приводит к ложной перебраковке. Как экспертный метод используется при контроле в эмерсионной ванне. Контроль контактным способом либо используется для оценки структурного состояния материала, либо как дополнительный для эхо-метода

Настройка чувствительности выполняется либо на контролируемом объекте на бездефектном участке, либо на СОП, имеющего среднее, либо ниже среднего, значение затухания УЗВ.

Преимущество зеркально-теневой метода состоит в том, что он позволяет выявлять дефекты любой ориентации и места, включая мёртвую зону.

К недостаткам данного метода относятся:

1. выявление только развитых дефектов (по сравнению с эхо методом);

2. невозможно определить глубину залегания дефекта;

3. влияние на результат контроля параллельности поверхностей;

4. наличие диффузной зеркальной поверхности и уменьшения амплитуды вследствие рассеяния на ней;

5. влияние структурных неоднородностей (например, сварные соединения);

6. влияние посторонних факторов на акустический контакт (наличие грязи, выбоин, вмятины, выпуклости и др.).

Критерии оценки качества.

Критерии оценки качества выполняются путем определения коэффициента дефектности. Рассчитывается двумя способами:

1. K_q.отн =A_q/A_o

A_q – амплитуда донного (прошедшего для теневого метода) сигнала при наличии дефекта.

А_о – амплитуда донного (прошедшего) сигнала при отсутствии дефекта.

2. K_q.дб=N_q-N_o

N_q- амплитуда донного сигнала в (дБ) при наличии дефекта.

N=20lg(A₁/A₂)

N_о – амплитуда данного сигнала в (дБ)при отсутствии дефекта

A₂- амплитуда зондирующего импульса.

A₁- амплитуда донного сигнала.

или (A_q/A_o) при переводе K_qотносительноK_{q Дб}.

При стабильном акустическом контактеK_q=0,5.

Если K_qотн<0,5-брак. Это соответствует K_qДб.=6дБ.

Если K_qДб.>6дБ-брак.

 

 

Расчет параметров контроля

Проведение контроля

Для контроля цилиндрической части шкворня используем 0⁰ПЭП. Контроль выполняем с торца шкворня по круговой траектории по внешнему периметру. Зона контроля составляет 180 мм. Контроль выполняется путем установки ПЭП в 20-25 точках по внешнему периметру(рисунок 2.18). Поверхность сканирования предварительно смазывается маслом.

Рисунок 2.18- Круговое сканирование

Для контроля хвостовика шкворня 0⁰ПЭП (первый дефект) также устанавливают на внешний периметр торца. Зона контроля составляет 85мм.

Контроль также производят по схеме, представленной на рисунке 2.18.

Для контроля галтельного перехода с помощью 40⁰ПЭП выполняют разметку ОК: На расстоянии 105 мм от галтельного перехода провести линию белой краской по окружности. Контроль заключается в продольно-поперечном сканировании (от белой линии вправо влево на 50 мм, L_ск=100мм; шаг сканирования – h_cк=5…10 мм) (рисунок 2.19). Поверхность сканирования предварительно смазывают маслом.

Рисунок 2.19- Продольно поперечное сканирование

Оценка качества

При появлении в зоне контроля одиночного сигнала выше середины экрана выполняют оценку качества. Для этого определяют максимум амплитуды эхо-сигнала и превышение ее уровня фиксации при установке браковочной чувствительности. Если сигнал выше браковочной чувствительности, изделии считается непригодным к эксплуатации.

Оценка координат отражателя выполняют для установления местоположения дефекта и возможного наличия отражений от конструктивных элементов изделия.В ряде случаев необходимо измерять условные размеры и условные расстояния между допустимыми дефектами, а также их количество в одном изделии.

Оформление результатов контроля

Результаты контроля изделия фиксируются в журнале и в заключении (протоколе) по контролю. Содержание этих документов может быть не вполне идентичным, но итоговое решение одинаковым. Вывод о качестве необходимо записать в альтернативной форме: соответствует или нет изделие техническим требованиям. Дефектные места в изделии должны быть отмечены красной краской и помещены в изоляторы брака.

По результатам контроля партии однотипных изделий делается общая запись в журнале и составляется общее заключение. В нем должны быть указаны номера или маркировка всех проверенных изделий, помечены и собраны в отдельном месте бракованные изделия.

Все названные документы по результатам контроля подписывает специалист второго или третьего уровня квалификации, ответственный за контроль. Дефектограмма (эскиз изделия, на котором изображены обнаруженные дефекты) в случае необходимости должна прилагаться к записи в журнале и заключению по контролю.

Заключение по результатам контроля содержит следующие сведения:

1. о контролируемом изделии (название, тип, номер, материал);

2. о средствах и способе контроля(тип и номер дефектоскопа, преобразователя, метод и схема контроля, частота, уровень фиксации);

3. о результатах контроля; если в изделии имеются допустимые дефекты, то в журнале (а при необходимости и в заключении) указывают их характеристики, в том числе полученные другими методами;

4. общее заключение о качестве;

5. о лицах, выполнивших контроль, и ответственном за контроль.

Если это оговорено условиями поставки, копии заключения по результатам контроля с описанием дефектов и дефектограммы передаются организации, эксплуатирующей изделие, для дальнейшего наблюдения за дефектами.

 

 

Подготовка к контролю

1. Провести подготовку аппаратуры: внешний осмотр на отсутствие повреждений, проверка работоспособности.

2. Подготовка ОК. Очистить ОК от загрязнения, вмятин, выбоин, заусенцев в зоне контроля. Осмотреть ОК на видимые трещины, при их наличии объект бракуется.

3. Выполнить разметку конусной части на расстоянии 95мм, 145 мм и 195мм от галтельного перехода.

 

Подготовка оборудования

Подготовка оборудования заключается в проверке его целостности: отсутствие механических повреждений, влияющих на работоспособность прибора; наличие и прочность крепления органов управления, чёткость фиксации их положения, плавность вращения ручек органов настройки; чистота соединительных разъёмов.

Проведение контроля

1 Контроль цилиндрической части шкворня 0° ПЭП (смотри рисунок 2.15)

1.1 Выполнить настройку №2 дефектоскопа.

1.2 Выполнить настройку ВРЧ:

1.2.1 Смазать рабочую поверхность СОП №1 маслом и установить на него 0⁰ПЭП.

1.2.2 Найти максимум амплитуды эхо-сигнала от засверловки, довести его регулятором усиления до середины экрана

1.2.3 Повторить пункт 1.2.1 для СОП№3.

1.2.4 Найти максимум амплитуды эхо-сигнала и регулятором «Амплитуда ВРЧ» довести сигнал до середины экрана.

1.2.5 Повторить пункт 1.2.1 для СОП№2.

1.2.6 Найти максимум амплитуды эхо-сигнала и регулятором «Форма ВРЧ» довести сигнал до середины экрана.

1.2.7 Записать значение браковочной чувствительности в журнал регистрации.

1.3 На поверхность сканирования следует нанести контактирующую жидкость;

1.4 Установить ПЭП в районе внешнего периметра на торцевую поверхность;

1.5 Установить браковочную чувствительность N₀, а затем поисковую чувствительность: N_п=N₀-6…8 дБ (42)

1.6 Выполнить сканирование по круговой траектории, установкой ПЭП в 20-25 точках (рисунок 2.19);

1.7 При появлении в ЗК одиночного эхо-сигнала выше середины экрана установить браковочную чувствительность N₀ и произвести оценку качества.

2. Контроль цилиндрической части шкворня 0° ПЭП (смотри рисунок 2.13)

2.1 Выполнить настройку №1 дефектоскопа;

2.2 Повторить пункты 1.2-1.6

3.2 Проведение контроля галтельных переходов шкворня 40° ПЭП (смотри рисунок 2.18)

3.1 Выполнить настройку дефектоскопа №3

3.2 Выполнить настройку ВРЧ по СОП№4, повторив пункт 1.2 (используя плоскодонные засверловки на СОП№; порядок установления смотри на рисунке 2.12)

3.3 Выполнить контроль галтельных переходов вала путем установки ПЭП на конусной части вала на расстоянии 105 мм от галтели, траектория сканирования детали – продольно-поперечная с шагом 5-10 мм, пределы перемещения от ступицы: 65-155 мм

3.4 При появлении в ЗК одиночного эхо-сигнала выше середины экрана установить браковочную чувствительность N₀ и произвести оценку качества.

3.4 Оценка качества

1) Определить максимум амплитуды эхо-сигнала и превышение ее уровня фиксации при установке браковочной чувствительности.

2) Если сигнал выше браковочной чувствительности, изделии считается непригодным к эксплуатации.

3) Выполнить оценку координат отрожателя для установления местоположения дефекта и возможного наличия отражений от конструктивных элементов изделия. Записать координаты в журнал контроля

4) В ряде случаев необходимо измерять условные размеры и условные расстояния между допустимыми дефектами, а также их количество в одном изделии

5) Бракованные изделия пометить красной краской и поместить в изолятор брака.

3.5 Оформление результатов контроля

Внести в журнал контроля следующие записи:

- о контролируемом изделии (название, тип, номер, материал);

- о средствах и способе контроля(тип и номер дефектоскопа, преобразователя, метод и схема контроля, частота, уровень фиксации и др.);

- о результатах контроля; если в изделии имеются допустимые дефекты, то в журнале (а при необходимости и в заключении) указывают их характеристики, в том числе полученные другими методами;

- общее заключение о качестве;

- о лицах, выполнивших контроль, и ответственном за контроль.

 

 

 

 

Заключение

 

В курсовой работе рассмотрены основы ультразвукового контроля, произведен расчет параметров контроля (выбраны схемы контроля для ПЭП 0° и ПЭП 40°, определены зона контроля, масштаб развертки, построены типичные осциллограммы от дефектов). Разработана методика контроля типового изделия.

 

Список литературы

 

1 СТП СГУПС 01.01-2000 Курсовой и дипломный проекты. Требования к оформления, Новосибирск, 2000 41с.;

2 Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х., Ермолов И.Н., Гурвич А.К. Методы акустического контроля металлов, М., 1989, 456с.

3 Бадалян В.Г., Вопилкин А.Х., Ермолов И.Н. Расчёты в ультразвуковой дефектоскопии, М., 2002, 110 с.

 

Основы ультразвукового контроля