книги из ГПНТБ / Контроль качества продукции машиностроения учебное пособие
..pdfВ момент резонанса и образования стоячей волны в конт ролируемом изделии уменьшается входное сопротивление на грузки, амплитуда упругих колебаний в изделии резко возра стает, увеличивается количество энергии, отбираемой изделием от генератора, возрастает шунтирующее действие пьезоэле мента. Все это приводит к уменьшению амплитуды электриче ских колебаний в генераторе, к увеличению анодного и умень шению сеточного токов в нем, что может быть отмечено инди катором.
Рис. 98. Схема импульсов ультразвуковых колебании, посылаемых в контролируемое изделие
Резонансный метод ультразвуковой дефектоскопии приме няется для контроля качества изделий сравнительно неболь шой толщины из металлов, стекла, керамики и других мате риалов с высокими упругими свойствами.
Резонансным методом можно измерять толщину изделия (при одностороннем доступе), выявлять зоны коррозионного поражения, зоны непропая и непроклея в листовых соедине ниях, расслоения в тонких листах и т. д.
И м п у л ь с н ы й э х о - м е т о д основан на посылке в контролируемое изделие коротких импульсов высокочастотных колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов или границ изделия. Обычно импульсы посылаются в изделие один за другим через определенные промежутки времени, называемые паузами, или интервалами (рис. 98). Периодом импульсов называется вре мя, проходящее от начала действия одного импульса до нача ла действия следующего:
Г = х-М , |
(184) |
где т — длительность импульса, мне; i — пауза, мкс.
21 — 1126 |
321 |
При импульсном методе наиболее часто применяются иска тельные головки совмещенного типа, выполняющие функции излучателя и приемника ультразвука поочередно. Чтобы отра женные импульсы не попали на пьезоэлемент, когда он рабо
тает |
как излучатель, |
длительность импульса (в микросекун |
дах) |
выбирается так, |
чтобы i > т (обычно / = 2ч-3т). |
Импульсный эхо-метод является в настоящее время наибо лее распространенным методом ультразвуковой дефектоско пии, применяемым для контроля различных изделий, в том числе крупногабаритных и изделий сложной формы. При этом контроль можно проводить в контактном или иммерсионном (через слон жидкости) вариантах.
Рис. 99. Блок-схема импульсного ультразвукового дефектоскопа:
I— у с и л и т е л ь ; . — г е н е р а т о р и м п у л ь с о в ; 3— з а д а ю щ и й г е н е р а т о р ; 4— г е н е р а т о р р а з в е р т к и ; о — э л е к т р о н н о - л у ч е в а я т р у б к и ; б — и с к а т е л ь н а я г о л о в к а ; 7 — к о н т р о л и р у е м о е и з д е л и е ; 8 — д е ф е к т ; 9 — п у ч о к у л ь т р а з в у к о в ы х в о л н ;
а — н а ч а л ь н ы й и м п у л ь с ; б — и м п у л ь с о т |
д е ф е к т а ; в ~ к о н ц е в о й ( д о й н ы й ) |
и м п у л ь с |
|
Ультразвуковой дефектоскоп \_рис. 99) состоит из задаю щего генератора, генератора импульсов, генератора развертки, усилителя импульсов, электронно-лучевой трубки, ультразву ковой (совмещенной) искательной головки, источника пита ния. Многие дефектоскопы имеют также дополнительные ча сти— глубиномеры, электронные лупы, аттенюаторы, автома тические сигнализаторы дефектов и др.
Импульс от генератора импульсов через усилитель подает ся на пластины вертикального отклонения луча, вследствие чего луч прочерчивает на экране трубки начальный (зонди рующий) импульс а. В конце каждого кратковременного им пульса генератор импульсов «запирается» и на пьезоэлемент
головки никакие импульсы не поступают в течение всего вре мени передвижения электронного луча по горизонтали.
Ультразвуковые колебания, пройдя сквозь толщу испытуе мого материала, отражаются от противоположной поверхно сти, возвращаясь обратно, частично попадают на пьезоэле мент, заставляя его колебаться. На поверхностях пьезоэлемен та при этом возникает разность потенциалов и, следовательно, переменное напряжение, которое через усилитель подается на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки. К этому времени электронный луч в трубке заканчи вает перемещение по горизонтали и в конце этого пути про черчивает на экране второй пик в, называемый «донным» или «концевым» импульсом, т. е. импульсом, образованным УЗ К, отраженным от противоположной поверхности испытуемого материала.
При наличии дефекта ультразвуковой импульс отразится от пего раньше, чем от противоположной поверхности материа ла и, попав на пьезоэлемент, вызовет его колебания, вследст вие чего электронный луч в промежутке между начальными и концевыми пиками прочертит третий пик 6. Так как время прохождения луча прямо пропорционально пройденному пути, а скорость ультразвука для данного материала — величина постоянная, то горизонтальная линия на экране дефектоскопа представляет собой глубину залегания дефекта в каком-то масштабе. Следовательно, на экране трубки строится диаграм ма, по горизонтальной оси которой отложено время, пропор циональное глубине залегания дефекта, а по вертикальной — интенсивность отраженного от дефекта импульса, зависящая от его размеров.
При прозвучивании материалов с крупнозернистой струк турой, обладающих значительным рассеянием и поглощением ультразвука, донный (концевой) импульс ослабляется вплоть до полного исчезновения. В этом случае импульс от дефекта будет наблюдаться на экране дефектоскопа только при значи тельных размерах последнего.
Зная скорость распространения ультразвуковых волн в ма териале (приложение 6), его размер (толщину или протяжен ность) в направлении прозвучивания, а также минимальную величину дефектов, которые необходимо по техническим усло виям обнаруживать в изделиях, можно определить основные рабочие характеристики импульсного ультразвукового дефек тоскопа: частоту колебаний генератора (следовательно, и ча стоту колебаний пьезоэлемента), скорость развертки, продол жительность импульсов и пауз между ними.
В настоящее время выпускается множество типов импульс ных ультразвуковых дефектоскопов, рассчитанных на работу
2 1 * |
323 |
в различных условиях. Это малогабаритные специализирован ные дефектоскопы, переносные многоцелевые и передвижные универсального назначения.
Специализированные дефектоскопы, предназначенные для контроля определенных изделий, выполнены по упрощенной схеме и оформлены предельно компактно. Примером может служить дефектоскоп УЗДЛ-61-2М, предназначенный для контроля лопаток турбин и компрессоров, и кожухов камер сгорания энергетических машин в условиях эксплуатации. Контроль деталей этим дефектоскопом может производиться без демонтажа и разборки машины. Для этого у дефектоскопа имеются оригинальные по конструкции искательные головки, снабженные удлинительными ручками и механизмом подачи контактирующей жидкости к контактной поверхности головки. Питание прибора осуществляется от аккумулятора или других источников постоянного тока напряжением 24—28 В. Вес при бора 3 кг при габаритах 165X125X290 мм и диаметре экрана
75 мм.
Переносные многоцелевые дефектоскопы предназначены для обнаружения внутренних и поверхностных дефектов в раз личных изделиях и заготовках, для контроля сварных соеди нений и т. п. Примером может служить дефектоскоп УДМ-1М, работающий на частотах 0,8; 1,8; 2,5 и 4 МГц и рассчитанный на обнаружение дефектов, залегающих на глубине до 2,5 м в стали. Этот прибор имеет искательные головки для работы продольными, сдвиговыми и поверхностными волнами. При бор имеет электронный глубиномер, позволяющий измерять расстояние до поверхности отражателя, расположенного в сре де, в которой скорость распространения УЗ К 3500—-6500 м/с. Аналогичны дефектоскопы УДМ-3, ДУК-66, УЗД-НИИМ-5. УЗД-7Н, УДЦ-10 и др.
Передвижные дефектоскопы универсального назначения позволяют решать не только возникающие в практике сложные задачи по контролю заготовок и изделий контактным и иммер сионным способами, но и проводить широкие научно-исследо вательские работы. Например, дефектоскоп ДУК-6В работает на частотах 4,0; 2,5; 1.5 и 0,7 МГц, обеспечивающих оптималь ную чувствительность при контроле изделий из деформиро ванных сталей и алюминиевых сплавов толщиной до 1 м. Низ кие частоты позволяют контролировать металлические изде лия средней толщины с высоким уровнем акустических шумов, а также изделия из пластмасс и резины. Прибор имеет регули ровку чувствительности по времени, автоматический сигна лизатор дефектов, аттенюатор со ступенчатой и плавной регу лировкой (для количественного измерения отношения амплн-
3 2 4
•гуд эхо-сигналов, поступающих на усилитель) и износостойкие искательные головки.
В современных импульсных ультразвуковых дефектоскопах применяются головки, рассчитанные на работу в контактном и иммерсионном вариантах, с возбуждением в контролируемом изделии комбинаций ультразвуковых колебаний с преоблада нием продольных, сдвиговых, поверхностных или нормальных волн. По конструктивному выполнению головки могут быть раздельными и совмещенными, прямыми и угловыми (призматическими), с плоской или фи гурной формой контактной поверхно сти; посылать УЗК в изделие по нор мали к его поверхности, под углом к нормали или по самой поверхности.
Искательные головки всех типов ис пользуются для работы в основном на собственной частоте пьезоэлемента или на его первой субгармонике, т. е. на частоте, в два раза меньшей частоты собственных колебаний.
Все искательные |
головки |
имеют |
|
|
|
следующие основные элементы: корпус, |
|
|
|
||
пьезоэлемент, электроды, демпфер и |
|
|
|
||
контактное устройство. В искательную |
|
|
|
||
головку могут входить дополнительные |
|
|
|
||
элементы: для стабилизации давления |
|
|
|
||
на головку, подачи |
контактирующей |
рис |
,00 Схема |
Moft |
|
жидкости к поверхности контакта, |
искательной головки: |
||||
изменения угла наклона пьезоэлемен- |
/.-корпус: 2 -контактный |
||||
та. фиксирования головки относитель- |
пшьТе ^ еи2„7;Де"^ 1 и Н™^ |
||||
но детали И Т . П . |
|
|
|
д о н ы ш к о |
|
Устройство прямой искательной го |
|
работающей |
по |
||
ловки с плоской контактной |
поверхностью, |
||||
совмещенной схеме, показано на рис. 100. |
Эти головки рассчи |
||||
таны на возбуждение в контролируемом изделии продольных волн и предназначены для обнаружения глубинных дефектов, залегающих в толщине материала. В конструкции головки предусмотрено демпфирование свободных колебаний пьезо элемента путем приклеивания его к демпферу — массивному телу, имеющему форму цилиндра и выполненному из мате риала с высоким значением коэффициента затухания УЗК. Нижняя поверхность пьезоэлемента защищена донышком из пластмассы или металла. Защитное донышко улучшает эксплу атационные характеристики головки, повышая ее износостой
325
кость. Толщина донышка должна быть небольшой, так как при ее увеличении в донышке могут наблюдаться многократные отражения УЗК, приводящие к удлинению'начального импуль са и к ухудшению разрешающей способности.
Призматические искательные головки с плоской контактной поверхностью, работающие по совмещенной схеме (рис. 101) рассчитаны на возбуждение в контролируемом изделии комби наций ультразвуковых колебаний с преобладанием (в зависи мости от целей контроля) поверхностных, нормальных или сдвиговых волн, распространяющихся под различными углами к нормали. В этих головках пьезоэлемент излучает продольные УЗК в тело головки (призмы), выполненной из материала, в котором скорость распространения УЗК значительно меньше, чем в металле. При падении продольных волн под углом на контактную поверхность головки наблюдается трансформация и преломление УЗК. В зависимости от утла падения а в изде лии будут возбуждаться те или иные колебания. Призма го ловки обычно выполняется из органического стекла. Пьезоэле мент помещают на площадку, ориентированную в соответствии с выбранным углом падения. На гранях призмы фрезеруются
326
канавки для рассеяния УЗ К, отраженных от контактной по верхности головки. Эти УЗК могут попадать обратно на пьезо элемент и, появляясь на экране дефектоскопа в виде ложных импульсов, затруднять расшифровку результатов контроля.
Рис. 102. Схема призматических искательных голозок с фигурной контактной поверхностью для контроля:
а — к р о м о к н р е б е р д е т а л е й ; б, в — ц и л и н д р и ч е с к и х в ы п у к л ы х и в о г н у т ы х п о в е р х н о с т е й ; 1 — п р и з м а г о л о в к и ;
2 — д е т а л ь
До недавнего времени искательные головки с плоской кон тактной поверхностью применялись в основном для обнару жения внутренних дефектов в крупногабаритных деталях про стой формы, с вводом УЗК через плоские участки. С приме нением ультразвукового метода для контроля изделий сложной формы появились головки с фигурными, выполненными по форме изделия, контактными поверхностями, которые применя ются для контроля стержней, прутков, цилиндров, труб, ребер и кромок деталей и т. д. (рис. 102).
В заводских условиях получил применение иммерсионный способ контроля изделии с грубой поверхностью. Контроль ведется через слой жидкости, для чего изделие и головку по гружают в ванну с водой. Иммерсионные головки конструктив но мало отличаются от прямых. Из-за отсутствия механиче ского контакта головки с изделием отпала необходимость в износостойком металлическом донышке. С целью гидроизо ляции пьезоэлемент защищен тонкой пленкой лака. В иммер сионных головках часто используется фокусировка ультразву ка, которая осуществляется собирающей линзой, изготовлен ной из органического стекла. Если линза плосковыпуклая с ра диусом кривизны R, то расстояние до фокального пятна F рас считывается по формуле
F = R \ ---- 5---- !, |
; 1851 |
|
I |
С„, i |
|
где сж и сл — скорости звука |
в иммерсионной |
жидкости и |
линзе. |
|
|
§ 54. Методика контроля
Выбор методики является важной задачей. От ее правиль ного решения зависит надежность ультразвукового контроля. Разработке методики предшествует изучение характеристик контролируемого изделия, материала, из которого оно изготов лено, и дефектов, подлежащих обнаружению.
К характеристикам контролируемого изделия относятся: форма и размеры, технология изготовления, состояние поверх ности, наличие припуска на обработку, условия нагружения в эксплуатации. К характеристикам материала: степень дефор мации, макроструктура, термическая обработка, плотность, степень упругой анизотропии и акустические характеристики (скорость распространения УЗК, удельное волновое сопротив ление, коэффициенты рассеяния и затухания УЗК, уровень структурной реверберации). К характеристикам дефекта: тип, размеры и ориентировка относительно поверхностей изделия и растягивающих напряжений, действующих на изделие в экс плуатации.
При составлении методики должны быть выбраны следую щие параметры: частота и мощность УЗК; вид УЗК и направ ление их распространения в изделии; тип искательной голов ки, места установки ее на изделии и схема сканирования; вид акустического контакта; чувствительность и настройка дефек тоскопа; регистрация и способы расшифровки показаний де
3 2 8
фектоскопа. Рассмотрим некоторые из этих параметров. Выбор частоты и мощности УЗ К. Частота УЗК определяет ся габаритами изделия, коэффициентом затухания и уровнем
структурной реверберации материала контролируемого изде лия. Габариты изделия определить нетрудно, гораздо сложнее определить коэффициент затухания и уровень структурной ре верберации. К сожалению, до сих пор нет простой и надежной методики определения этих характеристик. Поэтому частоту УЗК обычно выбирают экспериментально, путем прозвучиванпя контролируемого материала. При этом получают четкий эхо-сигнал, отраженный от контрольного отражателя, который расположен па максимальном расстоянии от излучателя, при оптимальных соотношениях коэффициента усиления и величи ны отсечки шумов.
Мощность импульсов, вводимых в контролируемое изделие для обнаружения дефекта заданного размера на максимальной глубине, определяется частотой УЗК, коэффициентом затуха ния и габаритами контролируемого изделия. В промышленных дефектоскопах предусмотрена регулировка мощности импуль са путем изменения длительности возбуждающего импульса.
Выбор ультразвуковых колебаний. Выбор вида ультразву ковых волн зависит от габаритов и конфигурации контроли руемого изделия, а также от характера и места расположе ния дефектов. Необходимо иметь в виду, что в изделии как сложной, так и простой формы создать направленный пучок каких-либо УЗК в «чистом» виде нельзя. Наряду с «нужны ми» УЗК, распространяющимися в направлении предполагае мого дефекта, в изделии всегда будут возникать «побочные» волны, распространяющиеся в том же или другом направле нии, вследствие отражения и расщепления волн на границе ввода УЗК в границы изделия. Поэтому под термином конт роль «продольными», «сдвиговыми» идругими волнами в даль нейшем будем подразумевать контроль изделия комбинацией волн, распространяющихся в направлении прозвучивания (пре обладают или продольные, или сдвиговые, или другие виды УЗК).
Для контроля крупногабаритных изделий на наличие де фектов в глубине металла (раковин, расслоений, зон пористо сти и др.), ориентированных в плоскостях, параллельных по верхности ввода УЗК, применяют обычно продольные волны, которые вводятся в изделие прямой головкой.
Если ввод УЗК осуществляется через плоскую поверхность (рис. 103, а), то в изделии будут распространяться (при пря мом ходе лучей) преимущественно продольные волны. Если же ввод УЗК осуществляется через кривую поверхность (рис. 103, б) то тогда только центральный луч пучка УЗК будет
329
попадать па поверхность изделия по нормали и распростра няться в металле без трансформации. Остальные лучи, попа дая на кривую поверхность под другими углами за счет масля ного клина между изделием и головкой, будут расщепляться на продольные и сдвиговые составляющие. При наличии де фектов на пути пучка УЗ К часть волн от него отражается и
8
Рис. 103. Способы ввода продольных волн в изделие:
а — ч е р е з п л о с к у ю п о в е р х н о с т ь п р я м о й г о л о в к о й ; б — ч е р е з к р и в у ю п о в е р х н о с т ь п р я м о й г о л о в к о й ; в — ч е р е з к р и в у ю п о в е р х н о с т ь г о л о в к о й , в ы п о л н е н ной п о ф о р м е и з д е л и я ; 1 — и з д е л и е ; 2 — г о л о в к а ; 3 — п ь е з о э л е м е н т ; -/ — д е ф е к т ; L — л у ч и п р о д о л ь н ы х и 5 — л у ч и с д в и г о в ы х в о л н
3 3 0