Министерство образования Республики Беларусь
Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Физические методы контроля»
Приборы и методы акустического контроля аппаратура и технология ультразвукового контроля
Методические указания к самостоятельной работе
для студентов специальности 1-54 01 02
«Методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов»
Могилев 2004
УДК 620.179
ББК 32.87
Рекомендовано к опубликованию
комиссией методического совета
Белорусско-Российского университета
Одобрено кафедрой «Физические методы контроля» «___» ______ 2004 г.
протокол № ______
Составитель доц. С.С. Сергеев
Методические указания к самостоятельной работе для студентов специальности 1-54 01 02 «Методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов» разработаны в соответствии с рабочей программой по дисциплине «Приборы и методы акустического контроля».
Учебное издание
Приборы и методы акустического контроля Аппаратура и технология ультразвукового контролЯ
Технический редактор А. Т. Червинская
Компьютерная верстка Н. П. Полевничая
Рецензент А. П. Романов
Ответственный за выпуск С. С. Сергеев
Подписано в печать ___________. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л.__2,79_. Уч.-изд. л. _____________. Тираж __62__экз. Заказ №_______.
Издатель и полиграфическое исполнение:
Государственное учреждение высшего профессионального образования
«Белорусско-Российский университет»
Лицензия ЛВ № 02330/375 от 29.06.2004 г.
212005, Г. Могилев, пр. Мира, 43
ГУВПО Белорусско-Российский
университет, 2004
Содержание
1 Аппаратура ультразвукового контроля ……………………………………4
Ультразвуковые дефектоскопы …………………………………………..4
Ультразвуковые преобразователи ………………………………………..9
Технические характеристики ультразвуковых дефектоскопов ……….11
Технические характеристики ультразвуковых толщиномеров ……….13
Настройка чувствительности дефектоскопа и оценка размеров
дефектов по амплитудному принципу………………………………………15
1.6 Способ стандартных образцов предприятия …………………………...16
1.7 Настройка с помощью АРД-диаграмм ………………………………….18
2 Технология ультразвукового контроля ……………………………………20
2.1 Общие положения ………………………………………………………...20
2.2 Основные способы прозвучивания и последовательность
технологических операций …………………………………………………..25
2.3 Контроль стыковых сварных соединений листовых конструкций ……26
2.4 Схемы прозвучивания ……………………………………………………37
2.5 Контроль труб …………………………………………………………….42
3 Ультразвуковая толщинометрия …………………………………………..43
3.1 Условия применимости ультразвуковой толщинометрии ……………..43
3.2 Подготовка к измерению толщины ……………………………………...44
3.3 Проведение измерений …………………………………………………...45
Список литературы …………………………………………………………...47
1 Аппаратура ультразвукового контроля
1.1 Ультразвуковые дефектоскопы
Ультразвуковой дефектоскоп предназначен для генерирования импульсов ультразвуковых колебаний, приема отраженных сигналов, преобразования этих сигналов к виду, удобному для наблюдения их на дисплее (экране) и управления дополнительными индикаторами, а также для измерения координат дефектов и сравнения амплитуд сигналов.
Дефектоскопы делятся на аналоговые и процессорные. В состав последних входит процессор (компьютер) для управления системами самого дефектоскопа и цифровой обработки информации, содержащейся в сигнале.
Принцип работы аналогового дефектоскопа поясняется структурной схемой, приведенной на рисунке 1.1.
Рассмотрим структурную схему прибора НК для реализации эхо-метода. Прибор функционирует следующим образом. Генератор радиоимпульсов (рисунок 1.1) вырабатывает импульс электрических колебаний, возбуждающих ультразвуковые (УЗ) колебания в преобразователе , которые распространяются в объекте контроля. Отраженные от дефектов УЗ сигналы принимает тот же преобразователь и трансформирует их в электрические импульсы, которые поступают на вход усилителя. Коэффициент усиления его регулируется во времени посредством системы временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Усиленный сигнал поступает на вход электронно-лучевого индикатора (ЭЛИ) и автоматического сигнализатора дефектов (АСД). Генератор синхроимпульсов обеспечивает требуемую временную последовательность работы всех структурных элементов. Одновременно с запуском генератора радиоимпульсов он приводит в действие генератор развертки ЭЛИ. Развертка дает возможность различать по времени прихода сигналы от дефектов и границ раздела. Генератор синхроимпульсов также управляет работой узлов ВРЧ и АСД.
В некоторых дефектоскопах имеется измерительное устройство для измерения амплитуды и времени прихода отраженного сигнала с отображением этих параметров в цифровой форме.
Рассмотрим основные и вспомогательные узлы прибора, их назначение и особенности устройства.
1.1.1 Генератор радиоимпульсоввырабатывает высокочастотные электромагнитные импульсы, возбуждающие пьезопластину преобразователя. Основными его элементами являются колебательный контур, включающий передающий пьезоэлемент, и электронная схема. Наибольшее распространение получили генераторы ударного возбуждения. Однако в некоторых приборах используют схемы получения колоколообразных импульсов, что рационально с энергетической точки зрения. Обычно регулируемыми параметрами являются амплитуда и длительность импульсов. Частота высокочастотных колебаний, заполняющих импульс, является основной характеристикой дефектоскопа. Она определяется параметрами колебательного контура и резонансной частотой пьезопластины.
Рисунок 1.1 – Структурная схема дефектоскопа
1.1.2 Приемно-усилительный трактсостоит из предусилителя, измерителя амплитуд сигналов, усилителя высокой частоты (УВЧ), детектора и видеоусилителя. Предусилитель обеспечивает согласование усилительного тракта с приемным преобразователем. Его входное сопротивление должно быть согласовано с входным сопротивлением преобразователя. Он содержит ограничитель амплитуды, предохраняющий усилитель от воздействия мощного зондирующего импульса, когда преобразователь включен по совмещенной схеме. При этом сигналы небольшой амплитуды практически не искажаются.
Амплитуду сигналов чаще всего измеряют посредством калиброванного делителя напряжения - аттенюатора. Диапазон измерений до 60-80 дБ. В настоящее время в основном используются автоматические измерители амплитуды и координат с цифровым выходом. В большинстве дефектоскопов аттенюатор проградуирован в отрицательных децибелах, т.е. численная величина отсчета в децибелах пропорциональна вводимому с помощью аттенюатора коэффициенту усиления.
Усилитель высокой частоты (УВЧ)выполняется либо широкополосным, охватывающим весь диапазон частот прибора, либо узкополосным с отношениемf/f0,2. Коэффициенты усиления в пределах 103-105. Особенностью УВЧ является требование малого времени восстановления чувствительности после воздействия мощного зондирующего импульса (при совмещенной схеме). При этом аттенюатор ставят на входе УВЧ.
Детектор или видеоусилительобычно снабжают регулируемой отсечкой шумов для исключения прохождения на выход прибора сигналов небольшой амплитуды и шумов. Наиболее эффективна компенсированная отсечка, при которой восстанавливается амплитуда оставшихся сигналов. Во многих приборах детектор можно отключать для наблюдения на экране ЭЛИ истинной формы импульсов.
1.1.3 Кроме аттенюатора импульсные приборы имеют, например, некалиброванный регулятор чувствительности усилителя ВРЧ, который предназначен для выравнивания амплитуд сигналов от дефектов, залегающих на различной глубине. Этот узел особенно важен при автоматической оценке и регистрации результатов контроля. Система ВРЧ уменьшает коэффициент усиления усилителя, а затем восстанавливает его по определенному закону, обеспечивающему компенсацию уменьшения амплитуд с увеличением глубины залегания дефекта. Эта схема вырабатывает импульс определенной формы (чаще всего экспоненциальной), который подается на усилитель высокой частоты, запирая его непосредственно после излучения зондирующего импульса и изменяя коэффициент усиления во времени. Длительность, амплитуда и форма импульса ВРЧ могут регулироваться в зависимости от задач контроля. В целях выравнивания чувствительности к равным отражателям, залегающим на различной глубине, закон изменения усиления должен быть обратным закону уменьшения амплитуды отраженных сигналов, вызванного затуханием ультразвука и расширением пучка по мере увеличения расстояния.
1.1.4 Генератор напряжения развертки служит для формирования пилообразного напряжения, необходимого для получения линии развертки на экране электроннолучевой трубки, а также импульса подсвета для увеличения яркости изображения во время прямого хода луча.
Импульсы пилообразного напряжения положительной и отрицательной полярности с выхода генератора подаются на горизонтально-отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, формируя так называемую развертку А. При этой развертке положение сигнала на линии развертки пропорционально времени распространения ультразвука в акустическом тракте, а амплитуда сигнала пропорциональна площади отражателя.
Длительность развертки tропределяется скоростью звука в материале с и толщиной изделий х, т.е. tр=2х/с. Многие приборы снабжены специальными схемами задержки, посредством которых запуск развертки осуществляется не зондирующим импульсом, а, например, первым отраженным импульсом при иммерсионном контроле. В некоторых приборах имеется так называемая “лупа времени”, т.е. произвольно регулируемая по времени система задержки.
В автоматизированных приборах применяют развертки, позволяющие получить на экране ЭЛИ сечение изделия. Отклонение луча по вертикали пропорционально времени пробега импульса в изделии, отклонение по горизонтали — перемещению преобразователя по поверхности изделия.
Иногда применяется развертка, дающая изображение дефекта в плане. Отклонение луча при этом соответствует перемещению преобразователя в двух направлениях по поверхности изделия.
1.1.5 Генератор синхроимпульсов представляет собой автоколебательную импульсную систему, выполненную по схеме мультивибратора, и предназначен для обеспечения синхронной работы узлов прибора. В частности он обеспечивает одновременный или задержанный на определенный интервал запуск генератора зондирующих импульсов и генератора развертки. Частота посылок зондирующих импульсов меняется или регулируется в пределах 50-8000 Гц. Максимальная частота следования зондирующих импульсов определяется выражением fз=с/2Nx, где N - кратность прохождения УЗ-колебаний через изделие. Выбор частоты посылок зондирующих импульсов определяется задачами контроля, размерами и геометрической формой объекта контроля. Малая частота посылок ограничивает скорость контроля, особенно в автоматизированных установках, но в этом случае незначителен уровень шумов, возникающих при объемной реверберации в объекте контроля. При повышении частоты посылок надежность обнаружения дефектов возрастает, яркость свечения экрана ЭЛТ увеличивается. Однако возникает опасность попадания на рабочий участок экрана дефектоскопа многократно отразившихся от стенок объекта контроля сигналов от предыдущего зондирующего импульса
1.1.6 Система автоматической сигнализации дефектов (АСД)предназначена для автоматической фиксации момента обнаружения дефекта. Она облегчает работу оператора и обеспечивает надежность и достоверность информации, полученной в результате прозвучивания изделия. Система содержит стробирующее устройство и схему индикации дефектов (звуковая и световая). Варьируя ширину и положение строб-импульса, можно произвольно выбирать тот или иной участок развертки, в котором наблюдаются отраженные сигналы. Система позволяет выбирать требуемую зону контроля, отсекать ненужные импульсы, проверять стабильность аппаратуры по донному импульсу.
1.1.7 Измеритель расстояния до объекта отражения. Расстояние до дефекта или другого отражателя УЗ-импульсов определяют по времени пробега импульса. При этом скорость звука учитывается путем измерения эталонного расстояния.
В отечественных приборах расстояние измеряют путем совмещения с передним фронтом эхо-сигналов вспомогательного импульса, вырабатываемого измерительным устройством - глубиномером. В случае применения наклонных преобразователей оцифровка на шкале двойная, соответствующая двум координатам дефектов. В последних приборах НК применяют системы цифрового отсчета расстояний до дефектов.
Дефектоскопы общего назначения обычно снабжены дублированной системой питания от сети и автономной от аккумуляторной батареи. Дефектоскоп имеет выход синхронизации для работы других измерительных приборов и может быть засинхронизирован внешним источником. Кроме того, имеются выходы с видеоусилителя для аналоговой регистрации результатов контроля на самописце и со схемы АСД для использования в автоматических устройствах с альтернативной (больше - меньше) оценкой качества.
Прилагаемые к дефектоскопу вспомогательные устройства предназначены для облегчения труда оператора и повышения достоверности контроля. К ним относятся магнитные держатели, обеспечивающие надежный акустический контакт с изделием, ограничители перемещения в околошовной зоне, приспособления для симметричного одновременного перемещения преобразователей для контроля по схеме тандем и др.
Аналоговые дефектоскопы, к сожалению, не освобождают оператора от многих операций, в том числе от таких, как вычисление эквивалентной площади и оценка допустимости дефекта. Поэтому, сейчас они дорабатывают свой век.
Принципиально новые возможности дает применение цифровой техники. Создание мощных процессоров малых размеров обеспечило активное совершенствование всей дефектоскопической техники, в том числе и ультразвуковых дефектоскопов.
Процессорные дефектоскопы имеют те же основные функциональные блоки, что и аналоговые, но управление ими осуществляется на программном уровне.
Наибольшее развитие получили процессорные дефектоскопы со встроенным процессором и заданным программным обеспечением. Такой подход позволяет максимально уменьшить габариты прибора, упростить управление и при этом обеспечить высокие прочностные и другие эксплуатационные качества, необходимые при ручном контроле.
Большинство процессорных дефектоскопов работают примерно в одном частотном диапазоне от 1,25 до 10 МГц; имеют плоский дисплей с отображением цифровой и видеоинформации (режим полиэкрана); герметичную клавиатуру прямого доступа; не менее двух стробов АСД, регулируемых по временному положению, длительности и амплитудному уровню; сопряжение с внешним компьютером через стандартную интерфейсную шину; комбинированное питание: сетевое и от аккумуляторной батареи; противоударный корпус и др.
Применение процессорных дефектоскопов кардинально облегчает труд и снижает психофизиологическую нагрузку на оператора, поскольку освобождает его от большинства измерительных операций; повышает производительность контроля за счет резкого сокращения (в десятки раз) времени на настроечные операции при переходе с одного объекта на другой и, самое главное, повышает достоверность контроля. Последнее, в первую очередь, определяется новыми возможностями, такими как: автоматическое измерение амплитуды, эквивалентной площади, трех координат дефекта (по лучу, глубине и по поверхности), несколько строб-импульсов, меню для настройки параметров, временная регулировка чувствительности по нескольким законам, экспериментальное построение и заполнение ДАК кривых (дистанция, амплитуда, корректировка) по 6-8 отражателям на разном расстоянии, заморозка сигнала, память кадра (запоминание картинки на экране и комментариев к ним), текстовый редактор с записной книжкой, инструкциями и возможностью введения в память и извлечение из нее параметров настроек для контроля до 128 различных объектов, архивирование результатов контроля и многое другое.
Очень перспективна для ультразвукового контроля сварных соединений значительной толщины вычислительная томография. В основе ее лежит принцип прозвучивания сфокусированным ультразвуковым лучом исследуемого слоя контролируемого изделия под различными ракурсами в сотнях направлений, измерений амплитуд отраженных и прошедших сигналов и реконструкции изображения по массиву измеренных данных. Томография позволяет получить изображение сечения объекта по всей глубине.
Большие проблемы возникают при контроле крупнозернистых материалов, в которых очень велик уровень шумов по сравнению с полезным сигналом от дефекта. Это и электрошлаковые сварные швы заготовок роторов турбин толщиной до 1700 мм, стальные и чугунные литые конструкции, аустенитные сварные швы и многие другие. Стандартная ультразвуковая аппаратура, даже при переходе на низкие частоты, не позволяет решать эти проблемы.
Принципиально повысить соотношение полезный сигнал/шум может применение специальных методов генерирования и обработки полученного сигнала. В частности, в активно разрабатываемых специальных ультразвуковых дефектоскопах применяются фазоманипулированные зондирующие сигналы, синфазное накопление, квадратичная и корреляционная обработка сигналов и др. Созданные на этой основе приборы обеспечивают проведение дефектоскопии многослойных конструкций с очень большим затуханием, неоднородных по акустическим свойствам и т.п.