RU2644438C1

RU2644438C1 - Method of ultrasonic controlling surface and subsurface defects of metal products and device for its implementation

Info

Publication number: RU2644438C1
Application number: RU2016149534A
Authority: RU
Inventors: Алексей Михайлович Кашин
Original assignee: Алексей Михайлович Кашин
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2018-02-12
Also published as: WO2017135841A1

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: defect is irradiated with a transverse ultrasonic wave along the normal to the surface of the test object. The Rayleigh wave generated thereby this is recorded on the surface of the test object. The size of the defect is judged from the magnitude of the Rayleigh wave amplitude.

EFFECT: ensuring the possibility of reliable detection of vertically oriented defects without restrictions on the control depth.

15 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к средствам для ультразвукового (УЗ) контроля металлопродукции. Основной областью применения технического решения является промышленная или эксплуатационная диагностика поверхности, в частности плоского, трубного и сортового проката, а также непрерывнолитых заготовок, на предмет наличия вертикально-ориентированных дефектов типа «трещина» и дефектов с острыми краями.The invention relates to the field of non-destructive testing, and in particular to means for ultrasonic (ultrasound) control of metal products. The main field of application of the technical solution is the industrial or operational diagnostics of the surface, in particular flat, pipe and long products, as well as continuously cast billets, for the presence of vertically oriented defects such as "crack" and defects with sharp edges.

В настоящее время все большее распространение получает дифракционно-временной метод (ДВМ) УЗ контроля, описание принципа которого представлено, в частности, в патентном документе US 6606910 В1 от 19.08.2003. ДВМ чувствителен практически к любому виду дефектов, включая вертикально ориентированные. Принцип ДВМ заключается в излучении наклонной УЗ волны, регистрации отдельным преобразователем дифрагированных на несплошности УЗ волн и анализе времени их распространения. Однако ДВМ подвержен действию шумов от зерен металла в материале контролируемого изделия и неоднородности структуры металла, а также влиянию электрических помех. ДВМ требует применения контактного приемного пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП), что исключает возможность контроля в промышленных условиях объектов с неровной поверхностью, например, из-за технологических причин, включая окалину. Также к недостаткам ДВМ в его классическом понимании традиционно относят присутствие недоступных для контроля приповерхностных, придонных, а также краевых так называемых «мертвых» зон, недоступных для контроля, что связано с наклонным вводом объемной УЗ волны. Известны попытки уменьшения размера «мертвых» зон контроля, в частности приповерхностной «мертвой» зоны путем спектрального анализа данных (CN 103543208 А от 29.01.2014) и дополнения ДВМ использованием головной волны (US 7168322 В2 от 30.01.2007), что однако не делает ДВМ полностью свободным от этого серьезного недостатка. Также для ДВМ критично качество акустической связи между излучающим и приемным преобразователями, определяемое точностью их соосности. Однако в промышленных условиях сохранить правильное позиционирование преобразователей практически невозможно из-за вибрации, сопровождающей реальный процесс производства металлопродукции. Вибрация сбивает юстировку преобразователей и тем самым делает ДВМ контроль недостоверным.Currently, the diffraction-time method (DEM) of ultrasonic testing is becoming more widespread, a description of the principle of which is presented, in particular, in patent document US 6606910 B1 of 08.19.2003. DWM is sensitive to almost any kind of defects, including vertically oriented ones. The principle of a DVM consists in the emission of an inclined ultrasonic wave, registration by a separate transducer of ultrasonic waves diffracted by discontinuities, and analysis of the time of their propagation. However, the DVM is exposed to noise from metal grains in the material of the controlled product and the heterogeneity of the metal structure, as well as to the influence of electrical noise. DVM requires the use of a contact receiving piezoelectric transducer (PEP), which excludes the possibility of monitoring objects with an uneven surface under industrial conditions, for example, due to technological reasons, including scale. Also, in the classical sense of the word, the drawbacks of a DVM are traditionally attributed to the presence of near-surface, bottom, and also so-called “dead” zones inaccessible for control, inaccessible for control, which is associated with the inclined introduction of a volumetric ultrasonic wave. There are known attempts to reduce the size of the “dead” control zones, in particular the near-surface “dead” zone by spectral analysis of data (CN 103543208 A from 01/29/2014) and supplementing the DVM using a head wave (US 7168322 B2 from 01/30/2007), but this does not DVM is completely free from this serious flaw. Also, for DVMs, the quality of acoustic communication between the emitting and receiving transducers, which is determined by the accuracy of their alignment, is critical. However, in industrial conditions it is practically impossible to maintain the correct positioning of the converters due to the vibration accompanying the actual process of metal production. Vibration knocks the alignment of the transducers and thereby makes the DVM control unreliable.

Из патентного документа RU 2013127042 А от 20.12.2014 известен способ диагностики поверхности изделий из металла с использованием непосредственно генерируемых УЗ волн Релея и Лэмба. Однако известный способ применим только для объектов контроля с поверхностью ввода без технологических неровностей, окалин, так как при падении волн Релея на неровную поверхность происходит их рассеивание, вследствие чего генерируемая волна ослабляется и контроль становится затрудненным и недостоверным. В случае использования волн Лэмба требуется постоянная толщина изделия, достаточная для возникновения волн Лэмба, имеющих сильную зависимость от относительной толщины объекта контроля и частоты генерации УЗ волн, что не всегда невыполнимо при контроле металлов и изделий на ранней стадии производства, характеризующейся возможными отклонениями изделий по толщине.From patent document RU 2013127042 A dated 12/20/2014 a method for diagnosing the surface of metal products using directly generated ultrasonic waves of Rayleigh and Lamb is known. However, the known method is applicable only to control objects with an input surface without technological irregularities, scales, since when Rayleigh waves fall on an uneven surface, they disperse, as a result of which the generated wave is weakened and the control becomes difficult and unreliable. In the case of Lamb waves, a constant product thickness is required that is sufficient for Lamb waves to have a strong dependence on the relative thickness of the test object and the frequency of generation of ultrasonic waves, which is not always feasible when monitoring metals and products at an early stage of production, characterized by possible deviations of the products in thickness .

Также известен способ диагностики несплошностей поверхности слоя металлопроката и устройство для его осуществления по патентному документу RU 2262689 С1 от 20.10.2005. Техническое решение заключается в том, что облучают волной Релея несплошность и регистрируют трансформированную несплошностью поперечную УЗ волну при помощи ПЭП. При этом о глубине, ориентации и раскрытии дефекта судят по амплитуде и поляризации трансформированной УЗ волны. Волну Релея генерируют на поверхности объекта контроля посредством его облучения лазерными импульсами. Чувствительность контроля повышена путем увеличения амплитуды зондирующих импульсов и генерирования интенсивной волны Релея.Also known is a method for diagnosing discontinuities in the surface of a metal rolling layer and a device for its implementation according to patent document RU 2262689 C1 of 10.20.2005. The technical solution consists in irradiating the discontinuity with a Rayleigh wave and recording the transverse transverse ultrasonic wave with the help of a probe, transformed by the discontinuity. Moreover, the depth, orientation and disclosure of the defect is judged by the amplitude and polarization of the transformed ultrasound wave. A Rayleigh wave is generated on the surface of the control object by means of its irradiation with laser pulses. The sensitivity of the control is increased by increasing the amplitude of the probe pulses and generating an intense Rayleigh wave.

Значительным недостатком известного технического решения является невозможность контроля дефектов, находящихся на глубине в подповерхностном слое, превышающем глубину проникновения УЗ волны Релея. То есть дефект, находящийся на глубине, превышающей длину распространяющейся волны Релея, не будет зарегистрирован, что делает известное решение применимым в ограниченных случаях, исключительно для контроля поверхностных и подповерхностных трещин, имеющих небольшую глубину проникновения. По данной причине достоверность известного УЗ контроля для целей промышленной или эксплуатационной диагностики оказывается недостаточной.A significant disadvantage of the known technical solution is the inability to control defects located at a depth in the subsurface layer, exceeding the penetration depth of the ultrasonic Rayleigh wave. That is, a defect located at a depth exceeding the length of the propagating Rayleigh wave will not be registered, which makes the known solution applicable in limited cases, solely for monitoring surface and subsurface cracks having a small penetration depth. For this reason, the reliability of the known ultrasound monitoring for industrial or operational diagnostics is insufficient.

Недостатком является и низкая производительность контроля из-за малой возможной частоты следования лазерных импульсов, по сравнению с высокими рабочими частотами обычных электроакустических преобразователей. Также не позволяет достичь высокой производительности в промышленных условиях необходимость периодической регулировки оптического оборудования.The disadvantage is the low control performance due to the low possible pulse repetition rate of laser pulses, compared with the high operating frequencies of conventional electro-acoustic transducers. Also, it is not possible to achieve high performance in industrial conditions, the need for periodic adjustment of optical equipment.

Помимо этого, известное техническое решение обладает чрезмерной сложностью практической реализации из-за применения лазерной техники.In addition, the known technical solution has excessive complexity of practical implementation due to the use of laser technology.

Известное решение ограничено контролем объектов с ровной поверхностью из-за рассеивания волны Релея при ее падении на неровную поверхность, что ведет к ослаблению генерируемой УЗ волны и делает контроль недостоверным. Использование для регистрации УЗ волн ПЭП также предполагает ровность поверхности объекта контроля и отсутствие на ней, например, окалины, что затруднено в реальных условиях промышленного производства. Причем устранение данной проблемы путем дополнения ПЭП иммерсионными приспособлениями затруднено по причине затухания волн Релея из-за излучения энергии в жидкость для акустического контакта и возникновения помех от капель данной жидкости на поверхности объекта контроля. Также ПЭП требует минимальности зазора между объектом контроля и преобразователем, вплоть до их полного контакта, так как увеличение зазора между преобразователем и объектом контроля приводит к уменьшению амплитуды принятого сигнала. Однако малая величина зазора на практике не всегда приемлема по температурным параметрам объекта контроля из-за опасности повреждения высокой температурой преобразователя. Кроме того, контактный метод не практичен по причине возможного повреждения и истирания преобразователя.The known solution is limited to the control of objects with a flat surface due to the dispersion of the Rayleigh wave when it falls on an uneven surface, which leads to a weakening of the generated ultrasonic wave and makes the control unreliable. The use of PEP waves for registration of ultrasonic waves also implies the flatness of the surface of the object under control and the absence of, for example, scale on it, which is difficult in real industrial production conditions. Moreover, the elimination of this problem by supplementing the probe with immersion devices is difficult due to the attenuation of the Rayleigh waves due to the radiation of energy into the liquid for acoustic contact and the occurrence of interference from drops of this liquid on the surface of the control object. Also, the probe requires minimal clearance between the control object and the converter, up to their full contact, since an increase in the gap between the converter and the control object leads to a decrease in the amplitude of the received signal. However, a small gap in practice is not always acceptable in terms of temperature parameters of the test object due to the risk of damage by the high temperature of the converter. In addition, the contact method is not practical due to possible damage and abrasion of the converter.

Возбуждение волны Релея посредством лазерного облучения способно привести к повреждению поверхности объекта контроля и изменению его прочностных свойств, что представляет наибольшую опасность для тонких объектов с толщиной менее 5 мм.Excitation of a Rayleigh wave by means of laser irradiation can damage the surface of the test object and change its strength properties, which is the most dangerous for thin objects with a thickness of less than 5 mm.

Известное техническое решение также практически не пригодно для контроля крупногабаритных объектов, типа рулонного листа или широкого толстолистового проката, из-за необходимости охвата объекта контроля с разных сторон.The known technical solution is also practically unsuitable for monitoring large objects, such as a rolled sheet or wide plate, because of the need to cover the object of control from different angles.

Технической задачей является обеспечение в промышленных и эксплуатационных условиях достоверного УЗ контроля практически любой металлопродукции.The technical task is to ensure reliable industrial ultrasound control of virtually any metal products in industrial and operational conditions.

Обеспечиваемый положительный эффект заключается, по отношению к техническому решению по RU 2262689 С1, в том, что:The provided positive effect is, in relation to the technical solution according to RU 2262689 C1, in that:

устранено ограничение по глубине контроля вертикально ориентированных дефектов типа «трещина» и дефектов с острыми краями, залегающих в подповерхностном слое объекта контроля глубже проникновения УЗ волн Релея, с сохранением:

the restriction on the depth of inspection of vertically oriented defects of the "crack" type and defects with sharp edges that lie in the subsurface layer of the object of inspection deeper than the penetration of ultrasonic Rayleigh waves, with the following preserved:

- возможности контроля как поверхностных дефектов, так и дефектов, расположенных в непосредственной близи от поверхности, а также- the ability to control both surface defects and defects located in close proximity to the surface, as well as

- высокой чувствительности контроля к дефектам;- high sensitivity control to defects;

повышена производительность контроля в промышленных условиях;

increased control performance in an industrial environment;

упрощены способ и его осуществление с сохранением при этом возможности контроля объектов с неэквидистантными поверхностями;

the method and its implementation are simplified while maintaining the ability to control objects with nonequidistant surfaces;

снижены требования к качеству и температуре поверхности объекта контроля;

reduced requirements for quality and surface temperature of the object of control;

исключена опасность повреждения преобразователей и объекта контроля в процессе диагностики, включая объекты с толщиной менее 5 мм;

there is no danger of damage to the transducers and the test object during the diagnostic process, including objects with a thickness of less than 5 mm;

снято ограничение по размеру сканируемой поверхности объекта контроля, причем без усложнения конструкции оборудования.

the restriction on the size of the scanned surface of the control object has been removed, and without complicating the design of the equipment.

Указанное достигается благодаря тому, что способ УЗ контроля характеризуется тем, что облучают дефект УЗ волной и регистрируют порожденную этим волну Релея на поверхности объекта контроля. При этом УЗ волна является поперечной (сдвиговой) и падает преимущественно по нормали к поверхности объекта контроля. Причем о глубине залегания и размере дефекта судят по величине амплитуды указанной волны Релея.This is achieved due to the fact that the ultrasonic testing method is characterized by the fact that the ultrasonic wave defect is irradiated and the Rayleigh wave generated by this is recorded on the surface of the control object. In this case, the ultrasonic wave is transverse (shear) and falls mainly normal to the surface of the test object. Moreover, the depth and size of the defect are judged by the magnitude of the amplitude of the specified Rayleigh wave.

В частном случае реализации способа УЗ волну генерируют исходя из условия (1).In the particular case of the implementation of the ultrasound method, a wave is generated based on condition (1).

Где α - угол падения волны относительно нормали к поверхности объекта контроля.Where α is the angle of incidence of the wave relative to the normal to the surface of the control object.

В другом частном случае контроль проводят по эхо-методу. Причем о присутствии дефекта судят по появлению акустического сигнала после регистрации сигнала от зондирующего импульса.In another particular case, the control is carried out by the echo method. Moreover, the presence of a defect is judged by the appearance of an acoustic signal after recording a signal from a probe pulse.

В еще одном частном случае волны генерируют и регистрируют при помощи электроакустических преобразователей, разнесенных в пространстве, причем расстояние между генерирующим и регистрирующим преобразователями выбирают из условия (2).In another particular case, the waves are generated and recorded using electro-acoustic transducers spaced in space, and the distance between the generating and recording transducers is chosen from condition (2).

Где L - расстояние между генерирующим и регистрирующим преобразователями.Where L is the distance between the generating and recording transducers.

В другом частном случае поперечную УЗ волну генерируют по меньшей мере одним электромагнитно-акустическим преобразователем (ЭМАП), а волну Релея регистрируют другим ЭМАП или большим их числом.In another particular case, a transverse ultrasonic wave is generated by at least one electromagnetic acoustic transducer (EMAT), and a Rayleigh wave is recorded by another EMAT or a large number of them.

Также в частном случае сканируют объект контроля, а волны генерируют и регистрируют при помощи электроакустических преобразователей.Also, in the particular case, the control object is scanned, and the waves are generated and recorded using electro-acoustic transducers.

В частном случае, в процессе сканирования взаимное расположение преобразователей жестко зафиксировано или поступательно перемещают первый преобразователь при сохранении неподвижного положения второго преобразователя относительно объекта контроля.In the particular case, in the scanning process, the relative position of the transducers is rigidly fixed or the first transducer is translationally moved while maintaining the stationary position of the second transducer relative to the control object.

В еще одном частном случае сканирование проводят в одной плоскости.In another particular case, the scan is carried out in one plane.

Кроме того, положительный эффект достигается благодаря тому, что устройство для УЗ контроля металлопродукции содержит электроакустические преобразователи для излучения и приема УЗ волн, техническое средство для позиционирования и перемещения преобразователей, электронную систему для генерирования и усиления электрических сигналов, а также для обработки измерительной информации, связанную с УЗ преобразователями. При этом излучающий преобразователь предназначен для генерирования поперечной УЗ волны, приемный преобразователь предназначен для приема волны Релея. Указанные преобразователи разнесены в пространстве. Техническое средство выполнено с возможностью позиционирования и перемещения излучающего преобразователя для ввода волны преимущественно по нормали к поверхности объекта контроля и такого пространственного расположения указанных преобразователей, чтобы обеспечить их акустическую связь. Электронная система содержит функциональные узлы, обеспечивающие прозвучивание металлопродукции, регистрацию волн Релея, а также обработку измерительной информации.In addition, a positive effect is achieved due to the fact that the device for ultrasonic monitoring of metal products contains electro-acoustic transducers for emitting and receiving ultrasonic waves, technical means for positioning and moving the transducers, an electronic system for generating and amplifying electrical signals, as well as for processing measurement information related to with ultrasonic converters. In this case, the emitting transducer is designed to generate a transverse ultrasonic wave, the receiving transducer is designed to receive a Rayleigh wave. These converters are spaced in space. The technical means is capable of positioning and moving the emitting transducer for inputting the wave mainly along the normal to the surface of the test object and such a spatial arrangement of these transducers to ensure their acoustic connection. The electronic system contains functional units that provide sounding of metal products, registration of Rayleigh waves, as well as processing of measurement information.

В частном случае в качестве обоих указанных преобразователей использованы ЭМАП.In the particular case, EMAT was used as both of these converters.

В другом частном случае функциональный узел для обработки измерительной информации выполнен с возможностью анализа амплитуды и времени прихода волны Релея.In another particular case, the functional unit for processing the measurement information is configured to analyze the amplitude and time of arrival of the Rayleigh wave.

Также в частном случае техническое средство для позиционирования и перемещения преобразователей выполнено с возможностью позиционирования и перемещения излучающего преобразователя для ввода волны из условия (1).Also in the particular case, the technical means for positioning and moving the transducers is configured to position and move the emitting transducer to input the wave from condition (1).

В частном случае техническое средство для позиционирования и перемещения преобразователей выполнено с возможностью позиционирования и перемещения излучающего преобразователя для ввода волны строго по нормали к поверхности объекта контроля.In a particular case, the technical means for positioning and moving the transducers is configured to position and move the emitting transducer to enter the wave strictly normal to the surface of the test object.

В еще одном частном случае техническое средство для позиционирования и перемещения преобразователей выполнено с возможностью разнесения в пространстве генерирующего и регистрирующего преобразователей на расстояние между ними из условия (2).In another particular case, the technical means for positioning and moving the transducers is configured to be spaced apart in the space of the generating and recording transducers by the distance between them from condition (2).

В частном случае техническое средство для позиционирования и перемещения преобразователей выполнено с возможностью сканирования объекта контроля и жесткой фиксации при этом взаимного расположения преобразователей или поступательного перемещения приемного преобразователя при неподвижном положении излучающего преобразователя.In the particular case, the technical means for positioning and moving the transducers is configured to scan the test object and rigidly fix the relative position of the transducers or the translational movement of the receiving transducer when the emitting transducer is stationary.

В еще одном частном случае техническое средство для позиционирования и перемещения преобразователей выполнено с возможностью сканирования объекта контроля в одной плоскости с сохранением при этом величины воздушного зазора между рабочими поверхностями преобразователей и поверхностью объекта контроля.In another particular case, the technical means for positioning and moving the transducers is configured to scan the test object in one plane while maintaining the size of the air gap between the working surfaces of the transducers and the surface of the test object.

Изобретение поясняется следующими иллюстрациями.The invention is illustrated by the following illustrations.

Фиг. 1: дефектоскопическое устройство в процессе сканирования, вид спереди и в плане.FIG. 1: flaw detector during scanning, front view and plan view.

Фиг. 2: взаимное расположение ЭМАП.FIG. 2: relative position of EMAT.

Фиг.3: выявление и диагностика дефекта в приповерхностной зоне объекта контроля, вид спереди.Figure 3: detection and diagnosis of a defect in the near-surface zone of the control object, front view.

Фиг. 4: выявление и диагностика дефекта, не выходящего на поверхность контроля, вид спереди.FIG. 4: identification and diagnosis of a defect that does not reach the control surface, front view.

Фиг. 5: схематическое отображение дефекта на А-скане дефектоскопического устройства.FIG. 5: schematic representation of a defect on an A-scan of a flaw detector.

Данный вариант осуществления изобретения показан на примере УЗ контроля плоской стальной плиты 1 прямоугольного сечения (фиг. 1) при помощи дефектоскопического устройства, реализующего принцип эхо-метода УЗ контроля.This embodiment of the invention is shown by the example of ultrasonic testing of a flat steel plate 1 of rectangular cross section (Fig. 1) using a flaw detector that implements the principle of the echo method of ultrasonic testing.

Плиту 1 подают в зону контроля в горизонтальном положении по рольгангу 2. Автоматика устанавливает УЗ дефектоскопическое устройство в исходное положение и начинает контроль, сканируя тело плиты 1 путем УЗ прозвучивания.Plate 1 is fed into the control zone in a horizontal position along the roller table 2. Automation sets the ultrasonic flaw detection device to its original position and starts monitoring by scanning the body of plate 1 by ultrasonic sounding.

Дефектоскопическое устройство предназначено для УЗ контроля металлопродукции призматической формы, включает в себя акустическую систему, координатную систему и электронную систему.The flaw detector is designed for ultrasonic testing of metal products of a prismatic shape, includes an acoustic system, a coordinate system and an electronic system.

Акустическая система содержит пару электроакустических преобразователей 3 и 4, соответственно для излучения и приема УЗ волн. В качестве преобразователей 3, 4 использованы ЭМАП, выполненные с возможностью возбуждения поперечных УЗ волн благодаря своему конструктивному исполнению с катушками индуктивности, расположенными под полюсами магнита, где преобладает нормальная составляющая поля и в результате в объекте контроля индуцируется ток обратного направления. При необходимости проведения быстрого контроля протяженного объекта в состав акустической системы включают множество дополнительных излучателей и приемников, собранных в линейки преобразователей.The acoustic system contains a pair of electro-acoustic transducers 3 and 4, respectively, for the emission and reception of ultrasonic waves. As transducers 3, 4, EMATs are used that are capable of exciting transverse ultrasonic waves due to their design with inductors located under the poles of the magnet, where the normal field component prevails and, as a result, a reverse current is induced in the control object. If necessary, a quick control of an extended object, the acoustic system includes many additional emitters and receivers, assembled into a line of transducers.

Координатная система включает в себя техническое средство 5 для позиционирования и перемещения преобразователей 3 и 4 относительно плиты 1 посредством сервоприводов. Техническое средство 5 имеет балочную конструкцию с продольной и поперечной направляющими для перемещения несущей платформы с преобразователями 3, 4 соответственно вдоль и поперек верхней поверхности плиты 1 с сохранением относительно нее постоянного воздушного зазора.The coordinate system includes technical means 5 for positioning and moving the transducers 3 and 4 relative to the plate 1 by means of servos. The technical means 5 has a beam structure with longitudinal and transverse guides for moving the supporting platform with transducers 3, 4, respectively, along and across the upper surface of the plate 1 while maintaining a constant air gap relative to it.

Электронная система служит для генерирования и усиления электрических сигналов, а также для обработки измерительной информации, для чего электронный блок 6 содержит соответствующие функциональные узлы.The electronic system is used to generate and amplify electrical signals, as well as to process measurement information, for which the electronic unit 6 contains the corresponding functional units.

Преобразователи 3 и 4 закреплены на одной несущей платформе технического средства 5 для их синхронного передвижения с обеспечением акустической связи данных преобразователей. С электронным блоком 6 электрически связаны преобразователи 3, 4 и сервоприводы технического средства 5.The transducers 3 and 4 are mounted on one carrier platform of the technical means 5 for their synchronous movement with the provision of acoustic communication of these transducers. Converters 3, 4 and servos of the technical means 5 are electrically connected to the electronic unit 6.

Преобразователи 3, 4 разнесены в пространстве на расстояние L (фиг. 2) с соблюдением условия (2). При этом рабочие поверхности преобразователей 3 и 4 преимущественно лежат в одной плоскости, параллельной плоскости объекта контроля.The transducers 3, 4 are spaced in space at a distance L (Fig. 2) subject to condition (2). In this case, the working surfaces of the transducers 3 and 4 mainly lie in one plane parallel to the plane of the control object.

Излучающий преобразователь 3 является прямым для распространения УЗ волны от него под углом 90° к поверхности ввода, то есть для расположения акустической оси УЗ пучка нормально к верхней поверхности плиты 1. Однако допустимо и наклонное расположение преобразователя 3 с соблюдением условия (1). Кроме того, преобразователь 3 способен генерировать поперечные УЗ волны, а преобразователь 4 является приемником волн Релея. В свою очередь функциональный узел для обработки измерительной информации в электронном блоке 6 выполнен с возможностью анализа амплитуд и времени прихода волн Релея.The emitting transducer 3 is direct for the propagation of the ultrasonic wave from it at an angle of 90 ° to the input surface, that is, for the location of the acoustic axis of the ultrasonic beam normal to the upper surface of the plate 1. However, the inclined arrangement of the transducer 3 is also acceptable, subject to condition (1). In addition, the transducer 3 is able to generate transverse ultrasonic waves, and the transducer 4 is a receiver of Rayleigh waves. In turn, the functional unit for processing the measurement information in the electronic unit 6 is configured to analyze the amplitudes and time of arrival of the Rayleigh waves.

В процессе работы располагают излучающий и приемный преобразователи 3 и 4 при помощи технического средства 5 с одной стороны плиты 1 так, что акустические оси преобразователей 3 и 4 взаимно параллельны и направлены внутрь тела плиты 1 (фиг. 1). Затем при помощи технического средства 5 позиционируют преобразователи 3 и 4 в области контроля, устанавливая данные преобразователи в начальную точку сканирования плиты 1.In the process, the emitting and receiving transducers 3 and 4 are placed using technical means 5 on one side of the plate 1 so that the acoustic axes of the transducers 3 and 4 are mutually parallel and directed inward to the body of the plate 1 (Fig. 1). Then, using technical means 5, the transducers 3 and 4 are positioned in the control area, setting these transducers at the starting point of scanning of the plate 1.

Исходя из материала и толщины плиты 1 подают с заданной частотой электрические импульсы для прозвучивания поперечными объемными УЗ волнами конкретной области плиты 1 излучающим преобразователем 3, стараясь обеспечить прямой ввод УЗ пучка, по нормали к верхней поверхности плиты 1. Одновременно с этим регистрируют измерительный сигнал с преобразователя 4.Based on the material and the thickness of the plate 1, electrical pulses are supplied at a given frequency for sounding by transverse volumetric ultrasonic waves of a specific region of the plate 1 by the radiating transducer 3, trying to ensure direct input of the ultrasonic beam, normal to the upper surface of the plate 1. At the same time, the measurement signal from the transducer is recorded four.

Систематически смещая положение УЗ пучка автоматически сканируют сначала одну полосу плиты 1, синхронно перемещая жестко зафиксированные относительно друг друга преобразователи 3, 4 вдоль плиты 1 в одной плоскости по продольной направляющей технического средства 5, после чего дальше сдвигают данные преобразователи по поперечной направляющей технического средства 5 и сканируют следующую полосу. В зависимости от условий контроля возможно и поступательное перемещение какого-либо преобразователя при сохранении неподвижного положения другого преобразователя относительно плиты 1. В результате плита 1 оказывается просканированной по всей своей площади.Systematically shifting the position of the ultrasound beam, they first automatically scan one strip of the plate 1, synchronously moving the converters 3, 4 rigidly fixed relative to each other along the plate 1 in the same plane along the longitudinal guide of the technical means 5, after which these converters further shift along the transverse guide of the technical means 5 and scan the next strip. Depending on the control conditions, the translational movement of any transducer is possible while maintaining the stationary position of the other transducer relative to the plate 1. As a result, the plate 1 is scanned over its entire area.

Если в теле плиты 1 присутствует вертикально ориентированный дефект 7 в виде несплошности типа «трещина» (фиг. 3 и 4), то следовательно при прозвучивании плиты 1 облучению подвергается и этот дефект 7.If in the body of the plate 1 there is a vertically oriented defect 7 in the form of a discontinuity of the “crack” type (Figs. 3 and 4), then, consequently, when sounding the plate 1, this defect 7 is also irradiated.

При вводе УЗ волны под близким к нормали поверхности плиты 1 углом, поперечные волны падают на верхний край дефекта 7 под углом с очень малой градусной мерой в силу вертикальной ориентированности дефекта 7. В результате на поверхности дефекта 7 возникают поверхностные волны Релея 8, распространяющиеся вдоль поверхности дефекта 7 в направлении донной части плиты 1, а затем и в обратном направлении, вверх от нижней кромки дефекта 7. При выходе дефекта 7 на верхнюю поверхность плиты 1 (фиг. 3) волны 8 частично перетекают с поверхности дефекта 7 непосредственно под поверхность плиты 1. Распространяясь вдоль плоской поверхности плиты 1 волны 8 достигают приемного преобразователя 4.When an ultrasonic wave is introduced at an angle close to the normal to the surface of the plate 1, the transverse waves fall on the upper edge of the defect 7 at an angle with a very small degree measure due to the vertical orientation of the defect 7. As a result, surface waves of Rayleigh 8 propagate along the surface on the defect 7 defect 7 in the direction of the bottom of the plate 1, and then in the opposite direction, upward from the lower edge of the defect 7. When defect 7 exits to the upper surface of the plate 1 (Fig. 3), waves 8 partially flow from the surface of the defect 7 Directly below the surface of the plate 1. Propagating along the flat surface of the plate 1, waves 8 reach the receiving transducer 4.

Если дефект 7, находящийся в подповерхностном слое, не выходит на поверхность контроля плиты 1 (фиг. 4), то при падении на него объемной волны от излучающего преобразователя 3 на острых краях дефекта 7 образуются объемные трансформированные волны 9, дифрагирующие в сторону поверхности плиты 1 в виде поперечной и/или продольной волн, и за счет дифракции на границе двух сред трансформируются в волну Релея, распространяющуюся вдоль поверхности плиты 1, что делает настоящее техническое решение применимым не только для контроля вертикально-ориентированных дефектов, но и иных дефектов, если они характеризуются наличием острых краев, способных вызвать дифракцию УЗ волн.If the defect 7 located in the subsurface layer does not reach the control surface of the plate 1 (Fig. 4), then when a body wave from the radiating transducer 3 falls on it, sharp transformed waves 9 are formed on the sharp edges of the defect 7, which are diffracted towards the surface of the plate 1 in the form of transverse and / or longitudinal waves, and due to diffraction at the interface of two media, they are transformed into a Rayleigh wave propagating along the surface of plate 1, which makes this technical solution applicable not only for vertical orientation control defects, but also other defects, if they are characterized by the presence of sharp edges that can cause diffraction of ultrasonic waves.

Волну Релея 8, распространяющуюся вдоль поверхности плиты 1, регистрируют приемным преобразователем 4. Полученный аналоговый сигнал усиливают и переводят в цифровой вид, для дальнейшей обработки в электронном блоке 6.The Rayleigh wave 8 propagating along the surface of the plate 1 is recorded by the receiving transducer 4. The received analog signal is amplified and digitized for further processing in the electronic unit 6.

При отсутствии дефекта 7 генерируемая волна будет распространяться вглубь плиты 1 до полного затухания и не отразится на средствах визуализации контроля.In the absence of defect 7, the generated wave will propagate deep into the plate 1 until complete attenuation and will not affect the visualization tools of the control.

Наличие во время сканировании поверхностного и/или подповерхностного дефекта 7, расположенного непосредственно под преобразователем 3, приведет к появлению рядом с зондирующим импульсом 10 акустического сигнала 11 от дефекта 7 (фиг. 5). По амплитуде судят о размере и глубине залегания дефекта 7, что ложится в основу диагностического заключения. Зная пространственные координаты преобразователей 3 и 4, время t1, t2 прихода волн 8 Релея, а также скорости распространения УЗ волн делают вывод о глубине залегания дефекта 7.The presence during scanning of a surface and / or subsurface defect 7, located directly under the transducer 3, will lead to the appearance next to the probe pulse 10 of the acoustic signal 11 from the defect 7 (Fig. 5). The amplitude of the judge about the size and depth of the defect 7, which forms the basis of the diagnostic report. Knowing the spatial coordinates of the transducers 3 and 4, the arrival time t1, t2 of the 8 Rayleigh waves, as well as the propagation velocity of the ultrasonic waves, they conclude that the depth of the defect is 7.

Отказ от генерирования волн Релея непосредственно на поверхности объекта контроля и облучение дефекта объемной УЗ волной позволили устранить ограничение по глубине контроля вертикально ориентированных дефектов типа «трещина» и дефектов с острыми краями, залегающих в подповерхностном слое объекта контроля глубже проникновения УЗ волн Релея. Возможность контроля поверхностных дефектов при этом сохранена, что потребовало регистрации волн Релея, выходящих по дефекту на поверхность объекта контроля. Одновременно с этим дополнительно обеспечена возможность контроля дефектов, расположенных в глубине объекта контроля. Достичь указанного контроля сразу в отношении дефектов трех типов (поверхностных, расположенных в непосредственной близи от поверхности и расположенных на глубинах, превышающих длину волны Релея) путем регистрации отраженных волн, распространяющихся по законам геометрической акустики, не представляется возможным, однако это позволяет осуществить регистрация волн Релея на поверхности объекта контроля.The refusal to generate Rayleigh waves directly on the surface of the test object and irradiation of the defect with a volumetric ultrasonic wave made it possible to eliminate the depth control of vertically oriented defects of the “crack” type and defects with sharp edges lying deeper in the subsurface layer of the control object than the penetration of ultrasonic Rayleigh waves. The ability to control surface defects was retained, which required the detection of Rayleigh waves emerging along the defect to the surface of the test object. At the same time, it is additionally possible to control defects located deep in the object of control. It is not possible to achieve this control immediately with respect to three types of defects (surface defects located in the immediate vicinity of the surface and located at depths exceeding the Rayleigh wavelength) by detecting reflected waves propagating according to the laws of geometric acoustics, but this allows the detection of Rayleigh waves on the surface of the object of control.

Энергия подлежащей регистрации волны Релея будет ослаблена из-за того, что УЗ волна должна пройти по меньшей мере одну трансформацию, что отрицательно скажется на чувствительности контроля. По этой причине дефект облучают именно поперечными УЗ волнами, так как поперечные волны характеризуются меньшей возможной длиной волны при заданной частоте излучения, что имеет значение, так как если линейный размер дефекта превышает длину УЗ волны, то от дефекта произойдет отражение этой волны, а следовательно дефект может быть обнаружен. По сравнению с продольными волнами, обычно используемыми в реализациях эхо-метода, поперечные волны имеют почти вдвое меньшую длину. Кроме того, поперечные УЗ волны характеризуются своей поляризованностью. Перечисленные особенности поперечных УЗ волн позволяют сохранить высокую чувствительность контроля к дефектам, в том числе и малого размера (менее 0,05 мм в плане). Для достижения высокой чувствительности контроля к дефектам на практике следует разнести преобразователи в пространстве из условия (2).The energy of the Rayleigh wave to be registered will be weakened due to the fact that the ultrasonic wave must undergo at least one transformation, which will negatively affect the sensitivity of the control. For this reason, the defect is irradiated precisely with transverse ultrasonic waves, since transverse waves are characterized by the smallest possible wavelength at a given radiation frequency, which is important because if the linear size of the defect exceeds the length of the ultrasonic wave, then the wave will be reflected from the defect, and therefore the defect can be detected. Compared to the longitudinal waves commonly used in implementations of the echo method, shear waves are almost half the length. In addition, transverse ultrasonic waves are characterized by their polarization. The listed features of transverse ultrasonic waves allow maintaining a high sensitivity of control to defects, including small ones (less than 0.05 mm in plan). To achieve a high sensitivity of control to defects, in practice, transducers in space should be spaced out of condition (2).

Так как наибольший практический интерес представляет устранение ограничения по глубине контроля в отношении вертикально-ориентированных дефектов, то стремятся обеспечить падение УЗ волны преимущественно по нормали к поверхности объекта контроля, для получения интенсивной волны Релея, что также способствует сохранению высокой чувствительности контроля к дефектам.Since the greatest practical interest is the removal of restrictions on the depth of control with respect to vertically oriented defects, they strive to ensure that the ultrasonic wave falls mainly normal to the surface of the control object, in order to obtain an intense Rayleigh wave, which also helps to maintain a high sensitivity of the control to defects.

Прямое введение УЗ волны не требует настроечных операций типа выставления луча излучения под каждую единицу контроля. Это имеет важное значение при промышленной потоковой диагностике, когда требуется высокая производительность контроля. При эксплуатации настоящего технического решения нет необходимости в постоянной проверке угла ввода, как это требуется в случае применения наклонных преобразователей, у которых угол ввода со временем уходит от заданного значения. Прямое введение УЗ волны позволяет ограничиться первоначальной настройкой чувствительности дефектоскопического устройства и практически сразу начать потоковый контроль больших объемов металлопродукции.The direct introduction of ultrasound waves does not require tuning operations such as exposure of the radiation beam for each control unit. This is important in industrial streaming diagnostics when high monitoring performance is required. When using this technical solution, there is no need to constantly check the input angle, as is required in the case of the use of inclined transducers, in which the input angle eventually deviates from the set value. The direct introduction of ultrasonic waves allows us to limit ourselves to the initial adjustment of the sensitivity of the flaw detector and almost immediately begin the flow control of large volumes of metal products.

Возможность вывода о глубине залегания и размере дефекта на основании величины амплитуды зарегистрированной волны Релея упрощает способ и его осуществление. Контроль по эхо-методу наиболее прост, особенно в случае, когда для вывода о присутствии дефекта достаточно появления акустического сигнала после регистрации сигнала от зондирующего импульса.The possibility of a conclusion about the depth and size of the defect based on the magnitude of the amplitude of the detected Rayleigh wave simplifies the method and its implementation. Control by the echo method is the simplest, especially in the case when the appearance of a defect is sufficient for the appearance of an acoustic signal after registering the signal from the probe pulse.

Поскольку УЗ волны возбуждаются и распространяются только в самом объекте контроля, то акустический тракт дефектоскопа имеет простую конструкцию. При прямом вводе УЗ волны техническое средство для позиционирования и перемещения преобразователей отличается простотой конструкции благодаря отсутствию котировочных механизмов, что обеспечивает стойкость к вибрационным нагрузкам и как следствие повышает достоверность контроля. Также конструкцию технического средства для позиционирования и перемещения преобразователей упрощает жесткая фиксация в процессе сканирования взаимного расположения преобразователей или, в зависимости от конкретных условий контроля, реализация поступательного перемещения первого преобразователя при сохранении неподвижного положения второго преобразователя относительно объекта контроля, а также то, что сканирование проводят только в одной плоскости. Несмотря на простоту конструкции сохранена возможность контроля объектов с неэквидистантными поверхностями.Since ultrasonic waves are excited and propagated only in the control object itself, the acoustic path of the flaw detector has a simple design. With direct input of the ultrasonic wave, the technical tool for positioning and moving the transducers is simple in design due to the absence of quotation mechanisms, which provides resistance to vibration loads and, as a result, increases the reliability of control. Also, the design of the technical means for positioning and moving the transducers is simplified by rigid fixation during scanning of the relative positions of the transducers or, depending on the specific control conditions, the translational movement of the first transducer while maintaining the second transducer in a fixed position relative to the control object, as well as the fact that only in one plane. Despite the simplicity of the design, the ability to control objects with non-equidistant surfaces is preserved.

Схема контроля по настоящему изобретению снизила требования к качеству поверхности объекта контроля, так как представленная конфигурация допускает установку преобразователей не строго по нормали, а из условия (1), что целесообразно, например, из-за окалины на поверхности объекта контроля.The control circuit of the present invention reduced the requirements for the surface quality of the test object, since the presented configuration allows the installation of the transducers not strictly according to the normal, but from condition (1), which is advisable, for example, due to scale on the surface of the test object.

Возбуждение поперечных волн посредством ЭМАП легко в применении и не требует дополнительного оборудования для усилений подаваемого сигнала. ЭМАП не нагружают поверхность, что позволяет устранить проблемы с созданием акустического контакта, так как зазор между объектом контроля и ЭМАП обеспечивается благодаря «воздушной подушке» и тем самых исключает возможность механических повреждений даже тонких объектов контроля и преобразователей в процессе контроля, что также обеспечивается выполнением технического средства с возможностью выставления преобразователей без механического контакта с поверхностью объекта контроля. Этим снижены и требования к температуре поверхности объекта контроля. Чем большее число ЭМАП используется, тем выше производительность контроля.The excitation of shear waves by means of EMAT is easy to use and does not require additional equipment for amplification of the supplied signal. EMAP do not load the surface, which eliminates problems with making acoustic contact, since the gap between the test object and EMAT is ensured thanks to the “air cushion” and thereby eliminates the possibility of mechanical damage to even thin objects of control and transducers in the control process, which is also ensured by the technical means with the ability to expose the transducers without mechanical contact with the surface of the control object. This reduced the requirements for the surface temperature of the control object. The larger the number of EMATs used, the higher the control performance.

Схема контроля по настоящему техническому решению, с расположением излучающего и приемного преобразователей с одной стороны объекта контроля, позволяет сканировать объекты практически любого размера, причем без существенного усложнения конструкции дефектоскопа.The control circuit according to the present technical solution, with the location of the transmitting and receiving transducers on one side of the control object, allows you to scan objects of almost any size, without significantly complicating the design of the flaw detector.

Настоящее изобретение позволяет без ограничений, присущих известным аналогам, осуществлять достоверный контроль на предмет наличия поверхностных и/или подповерхностных дефектов любой металлопродукции с различной формой, толщиной, структурой, зернистостью и качеством поверхности контроля.The present invention allows, without the limitations inherent in known analogues, to carry out reliable control for the presence of surface and / or subsurface defects of any metal products with various shapes, thickness, structure, grain size and quality of the control surface.

Claims

1. The method of ultrasonic testing, characterized in that the defect is irradiated with an ultrasonic wave and the Rayleigh wave generated by this is recorded on the surface of the test object, while the ultrasonic wave is transverse and falls mainly normal to the surface of the test object, and the depth and size of the defect are judged by the magnitude of the amplitude of the specified Rayleigh wave.

2. The method according to p. 1, characterized in that they generate an ultrasonic wave from the condition 0≤α≤10 °, where α is the angle of incidence of the wave relative to the normal to the surface of the control object.

3. The method according to claim 1, characterized by monitoring by the echo method, and the presence of a defect is judged by the appearance of an acoustic signal after registering the signal from the probe pulse.

4. The method according to p. 1, characterized in that the waves generate and register using electro-acoustic transducers spaced in space, and the distance between the generating and recording transducers is chosen from the condition: 15 mm ≤ L ≤ 500 mm, where L is the distance between the generating and recording transducers.

5. The method according to p. 4, characterized in that the transverse ultrasonic wave is generated by at least one electromagnetic-acoustic transducer, and the Rayleigh wave is recorded by another electromagnetic-acoustic transducer or a large number of them.

6. The method according to p. 1, characterized in that they scan the object of control, and the waves generate and register using electro-acoustic transducers.

7. The method according to claim 6, characterized in that during the scanning process, the relative position of the transducers is rigidly fixed or the first transducer is progressively moved while maintaining the stationary position of the second transducer relative to the control object.

8. The method according to p. 6, characterized in that the scan is carried out in one plane.

9. A device for ultrasonic testing of metal products, containing electro-acoustic transducers for emitting and receiving ultrasonic waves, technical means for positioning and moving the transducers, an electronic system for generating and amplifying electrical signals, as well as for processing measurement information associated with ultrasonic transducers, characterized in that that the emitting transducer is designed to generate a transverse ultrasonic wave, the receiving transducer The atelier is designed to receive a Rayleigh wave, while these transducers are spaced apart in space, the technical means is capable of positioning and moving the emitting transducer to enter the wave mainly along the normal to the surface of the test object and such a spatial arrangement of these transducers to ensure their acoustic coupling, and electronic the system contains functional units providing sounding of metal products, registration of Rayleigh waves, as well as processing and visual information.

10. The device according to claim 9, characterized in that the electromagnetic-acoustic transducers are used as both of these transducers.

11. The device according to claim 9, characterized in that the functional unit for processing the measurement information is configured to analyze the amplitude and time of arrival of the Rayleigh wave.

12. The device according to p. 9, characterized in that the technical means for positioning and moving the transducers is configured to position and move the emitting transducer to input the wave from the condition 0≤α≤10 °, where α is the angle of incidence of the wave relative to the normal to the surface of the object control.

13. The device according to p. 9, characterized in that the technical means for positioning and moving the transducers is arranged to spaced in the space of the generating and recording transducers by the distance between them from the condition: 15 mm ≤ L ≤ 500 mm, where L is the distance between the generating and recording transducers.

14. The device according to p. 9, characterized in that the technical means for positioning and moving the transducers is configured to scan the control object and rigidly fix the relative position of the transducers or translational movement of the receiving transducer when the emitting transducer is stationary.

15. The device according to claim 9, characterized in that the technical means for positioning and moving the transducers is configured to scan the test object in one plane while maintaining the air gap between the working surfaces of the transducers and the surface of the test object.