EA040156B1

EA040156B1 - ULTRASONIC HEAD FOR WELD INSPECTION

Info

Publication number: EA040156B1
Application number: EA202100047
Authority: EA
Inventors: Фатхулла Абдуллаевич Ахмедов; Денис Сергеевич Ашихин; Андрей Александрович Быков; Андрей Валентинович Егоров; Валерий Анатольевич Ермаков; Арина Алексеевна Кондратенко; Анатолий Иванович Кузин; Андрей Николаевич Мазуркевич; Константин Александрович Сухоруков; Алексей Владимирович Федоров
Original assignee: Российская Федерация; От Имени Которой Выступает Государственная Корпорация По Космической Деятельности "Роскосмос"
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-04-26

Description

Изобретение относится к оборудованию для неразрушающего контроля и может быть использовано в машиностроении для ультразвукового контроля круговых швов, выполненных сваркой трением с перемешиванием.The invention relates to equipment for non-destructive testing and can be used in mechanical engineering for ultrasonic testing of circular welds made by friction stir welding.

Известно устройство для ультразвукового контроля продольных и кольцевых швов, содержащее основание с закрепленной на нем стойкой, на которой установлена каретка, несущая датчик для проведения контроля, отличающееся тем, что каретка смонтирована на стойке с возможностью осевого перемещения посредством привода и фиксации в заданном положении, на основании с возможностью вращения посредством привода установлен стол, предназначенный для размещения контролируемого изделия, вилка скреплена с рычагом, установленным с возможностью поворота на каретке, на вилке с возможностью поворота на осях смонтирована рамка, в которой на осях с возможностью поворота установлена плита, на плите с возможностью осевого перемещения смонтирована пластина, подпружиненная относительно нее и несущая подпружиненную относительно нее рамку, предназначенную для установки датчика, при этом на поверхности рамки, обращенной к изделию, установлены опоры, предназначенные для контакта с контролируемым изделием (см патент РФ на изобретение №2570353, кл. G01N 29/04, 2014).A device for ultrasonic testing of longitudinal and circumferential seams is known, containing a base with a stand fixed on it, on which a carriage carrying a sensor for testing is installed, characterized in that the carriage is mounted on a stand with the possibility of axial movement by means of a drive and fixation in a predetermined position, on on the base, with the possibility of rotation by means of a drive, a table is installed, designed to accommodate the controlled product, the fork is fastened with a lever mounted with the possibility of rotation on the carriage, on the fork with the possibility of rotation on the axes, a frame is mounted in which the plate is installed on the axes with the possibility of rotation, on the plate with with the possibility of axial movement, a plate is mounted, spring-loaded relative to it and carrying a frame spring-loaded relative to it, designed to install the sensor, while on the surface of the frame facing the product, supports are installed designed to contact the controlled product (see RF patent for invention No. 2570353, class. G01N 29/04, 2014).

Известное устройство не обеспечивает проведение качественных измерений за счет массивности (сложности) конструкции; затруднения контроля малогабаритных объектов (объектов, имеющих сложную геометрию); нарушений акустического контакта при отклонениях формы поверхности; отсутствия подачи контактной жидкости.The known device does not provide high-quality measurements due to the massiveness (complexity) of the design; difficulties in controlling small-sized objects (objects with complex geometry); violations of acoustic contact with deviations of the surface shape; lack of contact fluid supply.

Известно устройство ультразвукового контроля ультразвуковой дефектоскопии для обнаружения плоского дефекта на стыковом участке кромок сварного участка, содержащее матричный зонд, располагаемый с помощью клина в положении на внешней периферийной поверхности сварной стальной трубы, причем указанное положение позволяет ультразвуковым волнам вертикально падать на поверхность корня сварного шва, при этом матричный зонд выполнен с возможностью передавать ультразвуковые волны, фокусируемые параллельно оси трубы на поверхности корня сварного шва, и принимать ультразвуковые волны, отраженные от поверхности корня сварного шва, блок передачи и приема ультразвуковых волн, предназначенный для управления матричным зондом таким образом, чтобы матричный зонд принимал ультразвуковые волны, отраженные от поверхности корня сварного шва, вычислительный блок, предназначенный для обнаружения плоского дефекта на основе отраженных ультразвуковых волн, принятых блоком передачи и приема ультразвуковых волн, при этом матричный зонд содержит несколько вибрационных элементов, расположенных в виде решетки, шаг вибрационных элементов вдоль оси трубы больше, чем длина передаваемых и принимаемых ультразвуковых волн, ширина вибрационных элементов, расположенных вдоль оси трубы, уменьшается вдоль оси трубы по мере удаления от центрального положения матричного зонда вдоль оси трубы, причем ширина и центральные координаты вибрационных элементов вдоль оси трубы настроены так, чтобы все ультразвуковые волны от вибрационных элементов перекрывались в диапазоне управления фокусным положением для ультразвуковых волн (см патент РФ на изобретение № 2704429, кл. G01N 29/26, 2017).A device for ultrasonic testing of ultrasonic flaw detection for detecting a flat defect in the butt section of the edges of the welded section is known, containing a matrix probe located with a wedge in position on the outer peripheral surface of the welded steel pipe, and this position allows ultrasonic waves to fall vertically on the surface of the weld root, when In this case, the matrix probe is configured to transmit ultrasonic waves focused parallel to the pipe axis on the surface of the weld root, and receive ultrasonic waves reflected from the surface of the weld root, an ultrasonic wave transmission and reception unit designed to control the matrix probe so that the matrix probe received ultrasonic waves reflected from the surface of the weld root, a computing unit designed to detect a flat defect based on the reflected ultrasonic waves received by the ultrasonic wave transmission and reception unit, at In this case, the matrix probe contains several vibration elements arranged in the form of a lattice, the pitch of the vibration elements along the pipe axis is greater than the length of the transmitted and received ultrasonic waves, the width of the vibration elements located along the pipe axis decreases along the pipe axis as it moves away from the central position of the matrix probe along the pipe axis, and the width and central coordinates of the vibration elements along the pipe axis are adjusted so that all ultrasonic waves from the vibration elements overlap in the range of control of the focal position for ultrasonic waves (see RF patent for invention No. 2704429, cl. G01N 29/26, 2017).

Основными недостатками рассмотренного выше устройства являются ограниченная номенклатура контролируемых изделий; невозможность проведения контроля изделий с несколькими радиусами кривизны; нарушение акустического контакта при отклонениях формы поверхности. Что в свою очередь снижает достоверность контроля.The main disadvantages of the device discussed above are the limited range of controlled products; the impossibility of testing products with several radii of curvature; violation of acoustic contact with deviations of the surface shape. Which in turn reduces the reliability of control.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности контроля сварных швов практически любой формы (продольных, кольцевых, круговых и др.) широкой номенклатуры изделий, в том числе с ограниченным доступом в зону измерений, за счет оптимального расположения ультразвуковых излучателей относительно сварного шва, а также за счет снижения уровня акустических помех и обеспечения стабильного акустического контакта в процессе измерений.The technical result of the present invention is to increase the reliability of the control of welds of almost any shape (longitudinal, annular, circular, etc.) of a wide range of products, including those with limited access to the measurement zone, due to the optimal location of ultrasonic emitters relative to the weld, as well as by reducing the level of acoustic interference and ensuring stable acoustic contact during measurements.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в ультразвуковой головке для контроля сварных швов, содержащей корпус, на котором имеется элемент для установки головки на измерительное устройство для проведения контроля сварного шва, держатели, предназначенные для установки на них ультразвуковых излучателей, а также штуцеры для подвода в зону действия ультразвуковых излучателей контактной жидкости, новым является то, что головка оснащена датчиком пути, направляющими, установленными на корпусе, и тремя пластинами на направляющих, на одной из пластин установлен датчик пути, а держатели установлены на двух других пластинах посредством подшипников для самоустановки ультразвуковых излучателей относительно контролируемой поверхности, к держателям подведены упомянутые выше штуцеры, при этом пластины установлены на направляющих с возможностью перемещения и подпружинены относительно них, при этом, одна из направляющих, предназначенная для установки держателя, может быть установлена на корпусе с возможностью настроечного перемещения.The specified technical result is ensured by the fact that in an ultrasonic head for testing welds, containing a body on which there is an element for installing the head on a measuring device for testing a weld, holders designed to install ultrasonic emitters on them, as well as fittings for supplying zone of action of ultrasonic emitters of the contact liquid, what is new is that the head is equipped with a path sensor, guides mounted on the body, and three plates on the guides, a path sensor is installed on one of the plates, and holders are installed on the other two plates by means of bearings for self-installation of ultrasonic emitters relative to the controlled surface, the above-mentioned fittings are connected to the holders, while the plates are installed on the guides with the possibility of movement and are spring-loaded relative to them, while one of the guides intended for mounting the holder can be installed on the housing with the possibility of adjusting movement.

Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - ультразвуковая головка, вид спереди;The essence of the claimed invention is illustrated by graphic materials, where in Fig. 1 - ultrasonic head, front view;

на фиг. 2 - ультразвуковая головка, вид сбоку;in fig. 2 - ultrasonic head, side view;

на фиг. 3 - ультразвуковая головка, вид сверху;in fig. 3 - ultrasonic head, top view;

на фиг. 4 - 3D модель ультразвуковой головки.in fig. 4 - 3D model of the ultrasonic head.

Ультразвуковая головка для контроля сварных швов состоит из установочного элемента 1, выпол- 1 040156 ненного на корпусе 2 и предназначенного для установки головки на измерительное устройство для проведения контроля сварного шва. Установочный элемент может быть выполнен различным образом, например, в виде цилиндрического выступа для фиксации в цанге или зажимном патроне. В корпусе 2 имеются регулировочные вставки 3, предназначенные для перемещения направляющей 4 по корпусу 2 относительно зафиксированной на корпусе 2 направляющей 5.The ultrasonic head for testing welds consists of a setting element 1, made on the body 2 and intended for mounting the head on a measuring device for testing a weld. The setting element can be made in various ways, for example, in the form of a cylindrical protrusion for fixing in a collet or chuck. In the body 2 there are adjusting inserts 3 designed to move the guide 4 along the body 2 relative to the guide 5 fixed on the body 2.

На направляющей 4 посредством линейного подшипника скольжения 6 установлена пластина 7 ультразвукового излучателя. В нижней части пластины 7 расположен радиальный шарикоподшипник 18, в котором установлена каретка 19, а на ней, посредством прижимных винтов 10 закреплен держатель 11 ультразвукового излучателя. К держателю 11 подведены штуцеры 12, предназначенные для подвода контактной жидкости.A plate 7 of an ultrasonic transducer is installed on the guide 4 by means of a linear sliding bearing 6. In the lower part of the plate 7 there is a radial ball bearing 18, in which the carriage 19 is installed, and on it, by means of clamping screws 10, the holder 11 of the ultrasonic emitter is fixed. Fittings 12 are connected to the holder 11 and are intended for supplying the contact liquid.

На направляющей 5 посредством линейных подшипников скольжения 13 и 14 установлены пластина 15 второго ультразвукового излучателя и пластина 16. В нижней части пластины 16 закреплен датчик пути 17 (одометр). В нижней части пластины 15 расположен радиальный шарикоподшипник 8, в котором установлена каретка 9 держателя, а на ней посредством прижимных винтов 10 закреплен держатель 20 второго ультразвукового излучателя. К держателю 20 подведены штуцеры 12, предназначенные для подвода контактной жидкости.A plate 15 of the second ultrasonic emitter and a plate 16 are installed on the guide 5 by means of linear sliding bearings 13 and 14. A path sensor 17 (odometer) is fixed in the lower part of the plate 16. In the lower part of the plate 15 there is a deep groove ball bearing 8, in which the carriage 9 of the holder is installed, and the holder 20 of the second ultrasonic emitter is fixed on it by means of clamping screws 10. Fittings 12 are connected to the holder 20 and are intended for supplying the contact liquid.

Прижим ультразвуковых излучателей 22 и датчика пути 17 к объекту контроля осуществляется посредством пружин 21, закреплённых на пластинах ультразвуковых излучателей 7, 15, пластине 16 датчика пути, направляющих 4 и 5, то есть, пластины 7, 15, 16 подпружинены относительно направляющих, на которых они установлены.The pressure of the ultrasonic emitters 22 and the path sensor 17 to the object of control is carried out by means of springs 21 fixed on the plates of ultrasonic emitters 7, 15, the plate 16 of the path sensor, guides 4 and 5, that is, the plates 7, 15, 16 are spring-loaded relative to the guides on which they are installed.

Ультразвуковая головка работает следующим образом.The ultrasonic head works as follows.

Устройство посредством элемента 1 закрепляют, например, на сварочной головке сварочной установки или на измерительной машине.The device is fixed by means of the element 1, for example, to the welding head of the welding installation or to the measuring machine.

Посредством регулировочных вставок 3 выставляют направляющую 4 в корпусе 2 в заданное положение. Регулировка положения направляющей 4 позволяет проводить контроль сварных швов различной конфигурации и ширины с двух сторон шва.By means of adjusting inserts 3, the guide 4 in the housing 2 is set to a predetermined position. Adjusting the position of the guide 4 allows you to control welds of various configurations and widths on both sides of the weld.

Ультразвуковые излучатели 22 помещают в держатели ультразвуковых излучателей 11, 20, после чего головку устанавливают на объекте контроля.Ultrasonic emitters 22 are placed in the holders of ultrasonic emitters 11, 20, after which the head is installed on the test object.

Прижим ультразвуковых излучателей 22 к объекту контроля осуществляется посредством пружин 21.The ultrasonic emitters 22 are pressed against the test object by means of springs 21.

К штуцерам 12 подсоединяют магистрали подачи контактной жидкости, обеспечивающей качественное смачивание контактных поверхностей и стабильный акустический контакт. После подготовки головки к работе ультразвуковой головки для контроля сварных швов дефектоскопист включает электропитание блока дистанционного дефектоскопического оборудования, оборудования питания, управления, обработки и регистрации информации, соединенное с ультразвуковыми излучателями и датчиком пути.The fittings 12 are connected to the supply lines of the contact liquid, which ensures high-quality wetting of the contact surfaces and stable acoustic contact. After preparing the head for operation of the ultrasonic head for testing welds, the flaw detectorist turns on the power supply of the unit of remote flaw detection equipment, equipment for power supply, control, processing and recording information, connected to ultrasonic emitters and a path sensor.

При работе ультразвуковые излучатели 22, представляющие собой пьезоэлемент с призмой с заданным углом, по сигналу от дефектоскопического оборудования генерируют и вводят через слой контактной жидкости ультразвуковой импульс в объект контроля, отраженный от дефекта объекта контроля импульс возвращается в ультразвуковые излучатели 22 и регистрируется дефектоскопическим оборудованием. Сканирование всего объекта контроля осуществляется перемещением ультразвуковой головки вдоль сварного соединения на сварочной головке сварочной установки или на измерительной машине. При этом датчик пути 17 регистрирует перемещение вдоль сварного соединения и передает текущую координату дефектоскопическому оборудованию для формирования результатов контроля с привязкой к координате вдоль сварного соединения.During operation, ultrasonic emitters 22, which are a piezoelectric element with a prism with a given angle, upon a signal from the flaw detection equipment, an ultrasonic pulse is generated and injected through the layer of the contact liquid into the test object, the pulse reflected from the defect of the test object returns to the ultrasonic emitters 22 and is recorded by the flaw detection equipment. Scanning of the entire test object is carried out by moving the ultrasonic head along the welded joint on the welding head of the welding installation or on the measuring machine. In this case, the path sensor 17 registers the movement along the welded joint and transmits the current coordinate to the flaw detection equipment for generating inspection results with reference to the coordinate along the welded joint.

Весьма существенным для достижения указанного технического результата является то, что ультразвуковые излучатели 22 не связаны друг с другом конструктивно, каждый из них имеет три степени свободы (при установке датчиков реализована схема карданного подвеса). Это позволяет в процессе контроля компенсировать геометрические особенности поверхности объекта контроля, а вместе с пружинами, обеспечивающими тарированное усилие прижима ультразвуковых излучателей 22 к поверхности объекта контроля, гарантировать стабильный акустический контакт на всех контролируемых участках и исключить необходимость дополнительной подготовки поверхности контроля.It is essential to achieve this technical result that the ultrasonic emitters 22 are not structurally connected to each other, each of them has three degrees of freedom (when installing the sensors, a gimbal suspension scheme is implemented). This allows in the process of testing to compensate for the geometric features of the surface of the test object, and together with the springs, which provide a calibrated pressing force of ultrasonic emitters 22 to the surface of the test object, to guarantee stable acoustic contact in all controlled areas and eliminate the need for additional preparation of the test surface.

Несимметричное расположение ультразвуковых излучателей 11, 20 на регулируемом расстоянии позволяет выполнять контроль сварных соединений в ограниченном пространстве деталей, взаимное расположение ультразвуковых излучателей 11, 20 на определенном расстоянии друг от друга по оси сварного шва обеспечивает защиту от акустических шумов при одновременном двухстороннем контроле сварного шва.The asymmetric arrangement of ultrasonic emitters 11, 20 at an adjustable distance makes it possible to test welded joints in a limited space of parts, the relative position of ultrasonic emitters 11, 20 at a certain distance from each other along the axis of the weld provides protection from acoustic noise with simultaneous two-sided control of the weld.

Контактная жидкость, за счет расположения штуцеров на держателях, подаётся непосредственно под рабочую поверхность каждого ультразвукового излучателя с двух сторон. Это создает наилучшие условия для стабильности акустического контакта на поверхностях с неровностями и переменным радиусом кривизны. Сканирование и обработка результатов контроля выполняется автоматически, исключая субъективную оценку результатов контроля дефектоскопистом.The contact liquid, due to the location of the fittings on the holders, is supplied directly under the working surface of each ultrasonic emitter from both sides. This creates the best conditions for the stability of acoustic contact on surfaces with irregularities and a variable radius of curvature. Scanning and processing of inspection results is performed automatically, excluding the subjective assessment of the inspection results by the flaw inspector.

- 2 040156- 2 040156

Возможность изменять положение направляющих относительно друг друга обеспечивает возможность контроля изделий любой формы и радиуса, так как заданные движения обеспечиваются оборудованием, выполняющим сварку по той же траектории. Информация о времени прихода отраженного от дефекта импульса при таком расположении ультразвуковых излучателей позволяет отличать дефекты на передней поверхности от дефектов на задней поверхности сварного шва.The ability to change the position of the guides relative to each other provides the ability to control products of any shape and radius, since the specified movements are provided by equipment that performs welding along the same trajectory. Information about the time of arrival of the pulse reflected from the defect with such an arrangement of ultrasonic emitters makes it possible to distinguish defects on the front surface from defects on the rear surface of the weld.

Таким образом, заявленная головка обеспечивает повышение достоверности контроля сварных швов. Это достигается за счет снижения уровня акустических помех, стабилизации акустического контакта и обеспечения контроля шва с двух его сторон.Thus, the claimed head provides an increase in the reliability of the control of welds. This is achieved by reducing the level of acoustic interference, stabilizing the acoustic contact and ensuring control of the seam from its two sides.

Конструкция головки обеспечивает контроль сварных швов любой формы (продольных, кольцевых, круговых и др.) широкой номенклатуры изделий, в том числе, с ограниченным доступом в зону контроля.The design of the head ensures the control of welds of any shape (longitudinal, circular, circular, etc.) of a wide range of products, including those with limited access to the control zone.

Claims

CLAIM

1. An ultrasonic head for testing welds, containing a body on which there is an element for installing the head on a measuring device for testing a weld, holders designed to install ultrasonic emitters on them, as well as fittings for supplying contact liquid to the zone of action of ultrasonic emitters , characterized in that the head is equipped with a path sensor, guides mounted on the body, and three plates on the guides, a path sensor is installed on one of the plates, and the holders are mounted on the other two plates by means of bearings for self-alignment of ultrasonic emitters relative to the controlled surface, the holders are connected the fittings mentioned above, while the plates are mounted on guides with the possibility of movement and are spring-loaded relative to them.

2. An ultrasonic head for testing welds according to claim 1, characterized in that one of the guides, designed to install the holder, is installed on the body with the possibility of adjusting movement.