RU2640450C1

RU2640450C1 - Local immersion tank for ultrasonic control of sheets

Info

Publication number: RU2640450C1
Application number: RU2016143051A
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Кириков; Владимир Александрович Щербаков; Павел Викторович Пашков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Компания "Нординкрафт" (ООО "Компания "Нординкрафт")
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-11-01
Publication date: 2018-01-09

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: local immersion tank (LIT) for ultrasonic control of sheets includes a housing and at least one ultrasonic transducers line (UTL), which additionally contains at least one acoustic mirrors line (AML) deploying ultrasonic beams at a given angle, and a mirror rotation device (MRD), which allows to correct the angle of incidence of ultrasonic beams on the sheet surface relative to its nominal value, and also to rotate the AML for additional cleaning of its working surface.

EFFECT: improving the quality and reliability of ultrasonic testing.

3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области ультразвукового контроля материалов и полуфабрикатов и может быть использовано при контроле листового проката, заготовок и поковок с преимущественно плоской поверхностью. При определенных условиях, изобретение может использоваться так же при УЗК объектов цилиндрической формы: труб и прутков.The invention relates to the field of ultrasonic testing of materials and semi-finished products and can be used to control sheet metal, billets and forgings with a predominantly flat surface. Under certain conditions, the invention can also be used for ultrasonic testing of cylindrical objects: pipes and rods.

Известно устройство для неразрушающего контроля труб, содержащее ванну, механизм заполнения ванны водой и пьезоэлектрические преобразователи, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере два механизма прижима и центрирования преобразователей относительно продольной оси контролируемой трубы и механизм перемещения ванны. К недостатку известного устройства относится сложность ультразвукового контроля листов и сложность конструкции [1, 2].A device for non-destructive testing of pipes containing a bath, a mechanism for filling a bath with water and piezoelectric transducers is known, characterized in that it contains at least two mechanisms for clamping and centering the transducers relative to the longitudinal axis of the controlled pipe and a bath movement mechanism. The disadvantage of the known device is the complexity of the ultrasonic inspection of the sheets and the complexity of the design [1, 2].

Известны локально-иммерсионные ванны, применяющиеся для контроля листового проката, поковок и прочих объектов, обладающих преимущественно плоской формой [3].Known local immersion baths used to control sheet metal, forgings and other objects that have a predominantly flat shape [3].

Такие ванны призваны обеспечивать локальность ультразвукового контроля и высокое качество акустического контакта. Они очень удобны для применения в составе установок автоматизированного и/или автоматического ультразвукового контроля.Such bathtubs are designed to provide locality of ultrasonic testing and high quality acoustic contact. They are very convenient for use as part of automated and / or automatic ultrasonic testing systems.

ЛИВ заполняется контактной жидкостью (в большинстве случаев, водой) и обеспечивает акустическую связь ультразвуковых преобразователей с объектом контроля.LIV is filled with contact liquid (in most cases, water) and provides acoustic communication of ultrasonic transducers with the control object.

ЛИВ могут располагаться либо сверху листа, либо снизу.LIV can be located either on top of the sheet or below.

Основным недостатком известных ЛИВ нижнего расположения является высокая уязвимость акустических каналов. Это обусловлено следующим обстоятельством. Очень часто листовой прокат, поковки, заготовки, покрыты слоем отслаивающейся окалины и/или ржавчины. Частички этой окалины или ржавчины, вследствие гравитации, оседают на активных элементах ультразвуковых преобразователей, снижая тем самым эффективность излучения/приема упругих импульсов, или даже блокируя акустические каналы (см. Фиг. 1). Причем, негативный эффект усиливается тем обстоятельством, что рабочие поверхности ультразвуковых преобразователей (для того, чтобы реализовать ввод ультразвука по нормали к поверхности объекта контроля) должны быть принципиально ориентированы в горизонтальной плоскости.The main disadvantage of the known low-level LIV is the high vulnerability of acoustic channels. This is due to the following circumstance. Very often, sheet metal, forgings, billets, are covered with a layer of exfoliating scale and / or rust. Particles of this scale or rust, due to gravity, settle on the active elements of the ultrasonic transducers, thereby reducing the efficiency of emission / reception of elastic pulses, or even blocking the acoustic channels (see Fig. 1). Moreover, the negative effect is enhanced by the fact that the working surfaces of the ultrasonic transducers (in order to realize the introduction of ultrasound along the normal to the surface of the control object) must be fundamentally oriented in the horizontal plane.

Пример устройства показан на фиг. 1.An example device is shown in FIG. one.

1 - ЛИВ; 2 - ультразвуковой преобразователь; 3 - контролируемый лист; 4 - частички окалины или ржавчины; 5 - рольганг.1 - LIV; 2 - ultrasonic transducer; 3 - controlled sheet; 4 - particles of scale or rust; 5 - live rolls.

Особенно сильно этот недостаток проявляется в многоканальных системах сплошного ультразвукового контроля, где вероятность блокирования хотя бы одного акустического канала чрезвычайно высока. Организация движущихся потоков воды внутри ЛИВ хоть и несколько улучшает ситуацию, но сильно усложняет конструкцию ЛИВ и не решает проблему полностью.This drawback is especially pronounced in multichannel continuous ultrasound monitoring systems, where the probability of blocking at least one acoustic channel is extremely high. The organization of moving water flows inside the LIV, although it slightly improves the situation, greatly complicates the design of the LIV and does not completely solve the problem.

Для того чтобы перекрыть всю ширину листа, приходится применять большое количество ультразвуковых преобразователей. Эти преобразователи, расположенные в линию внутри ЛИВ, содержат кабели, разъемы, элементы крепления и представляют собой довольно громоздкую конструкцию, которую чрезвычайно неудобно настраивать и обслуживать.In order to cover the entire width of the sheet, it is necessary to use a large number of ultrasonic transducers. These converters, located in a line inside the LIV, contain cables, connectors, fasteners and are a rather bulky design, which is extremely inconvenient to configure and maintain.

Расположение известных ЛИВ сверху хотя и защищает акустические каналы от воздействия посторонних загрязнений, но приводит к проявлению других неприятных особенностей. Во-первых, при верхнем расположении ЛИВ существенно возрастает расход жидкости и повышает опасность повреждения ЛИВ движущимся листом.The location of the known LIV from above, although it protects the acoustic channels from the influence of extraneous pollution, but leads to the manifestation of other unpleasant features. Firstly, with the upper arrangement of the LIV, the flow rate of the liquid increases significantly and the risk of damage to the LIV by the moving sheet increases.

Во-вторых, верхнее расположение ЛИВ требует некоторого (иногда, довольно значительного) времени для ее заполнения контактной жидкостью. После установки ЛИВ на поверхность объекта контроля акустический контакт возможен только после заполнения ЛИВ контактной жидкостью. Это приводит к снижению производительности ультразвукового контроля.Secondly, the upper location of the LIV requires some (sometimes quite significant) time to fill it with contact liquid. After the LIV is installed on the surface of the test object, acoustic contact is possible only after filling the LIV with contact liquid. This leads to a decrease in the performance of ultrasonic testing.

Другим недостатком существующих ЛИВ верхнего расположения является нестабильность акустических каналов вследствие влияния воздушных пузырьков. При заполнении ЛИВ верхнего расположения, воздух вытесняется вверх, и его пузырьки, поднимаясь к ультразвуковым преобразователям, оседают на их рабочих поверхностях, частично или полностью блокируя акустические каналы. Эффект приблизительно такой же, какой частицы окалины оказывают на акустические каналы ЛИВ нижнего расположения. Как и в предыдущем случае, организация движущихся потоков воды внутри ЛИВ хоть и улучшает ситуацию, но не решает проблему окончательно (см. Фиг. 2).Another disadvantage of existing overhead LIV is the instability of acoustic channels due to the influence of air bubbles. When filling the LIV of the upper arrangement, the air is forced upward, and its bubbles, rising to the ultrasonic transducers, settle on their working surfaces, partially or completely blocking the acoustic channels. The effect is approximately the same as the particles of scale exert on the acoustic channels of the LIV of the lower location. As in the previous case, the organization of moving water flows inside the LIV, although it improves the situation, does not solve the problem completely (see Fig. 2).

Пример устройства показан на Фиг. 2.An example device is shown in FIG. 2.

1 - ЛИВ; 2 - ультразвуковой преобразователь; 3 - контролируемый лист; 6 - пузырьки воздуха; 5 - рольганг.1 - LIV; 2 - ultrasonic transducer; 3 - controlled sheet; 6 - air bubbles; 5 - live rolls.

Другим способом ускорить заполнение ЛИВ и снизить неприятные последствия влияния пузырьков является применение мембраны, отделяющей основную массу жидкости от объекта контроля. Однако, поскольку импедансы мембраны и иммерсионной жидкости все-таки отличаются, неизбежно появление паразитных сигналов, обусловленных реверберацией в дополнительно возникающих слоях (см. Фиг. 3). Another way to speed up the filling of LIV and reduce the unpleasant consequences of the effect of bubbles is to use a membrane that separates the bulk of the liquid from the control object. However, since the impedances of the membrane and the immersion fluid are still different, the appearance of spurious signals due to reverberation in additionally arising layers is inevitable (see Fig. 3).

Пример устройства показан на Фиг. 3.An example device is shown in FIG. 3.

1 - ЛИВ; 2 - ультразвуковой преобразователь; 3 - контролируемый лист; 7 - мембрана; 5 - рольганг.1 - LIV; 2 - ultrasonic transducer; 3 - controlled sheet; 7 - membrane; 5 - live rolls.

Исходя из сказанного выше, при контроле листового проката представляется все же целесообразным располагать ЛИВ снизу, под движущимся объектом контроля.Based on the foregoing, when controlling sheet metal, it still seems appropriate to place LIV from below, under a moving object of control.

Поэтому, в качестве прототипа к описываемому техническому решению выбран патент - авторское свидетельство СССР №643800 [4].Therefore, as a prototype for the described technical solution, a patent was selected - USSR copyright certificate No. 643800 [4].

Описываемая иммерсионная ванна нижнего расположения обладает целым рядом преимуществ, связанных прежде всего с минимизацией расхода воды и высокой степенью защищенности от повреждения листом при его заходе в ванну. Однако, существует высокая вероятность блокирования акустических каналов за счет падения на поверхность ультразвуковых преобразователей частиц окалины и ржавчины.The described immersion bath of the lower location has a number of advantages associated primarily with minimizing water consumption and a high degree of protection against damage by the sheet when it enters the bath. However, there is a high likelihood of blocking the acoustic channels due to falling particles of scale and rust on the surface of the ultrasonic transducers.

Еще одним недостатком прототипа является его принципиальная чувствительность к кривизне объекта контроля (ОК). В идеале, как правило, ультразвуковые лучи должны падать на ОК по нормали к его поверхности. Даже незначительная волнистость поверхности листа приводит к рефракции: существенному изменению угла ввода ультразвуковых волн и, как следствие - к ухудшению состояния акустических каналов, снижению чувствительности ультразвукового контроля и снижению его помехозащищенности.Another disadvantage of the prototype is its fundamental sensitivity to the curvature of the control object (OK). Ideally, as a rule, ultrasonic rays should fall on the OK along the normal to its surface. Even a slight waviness of the sheet surface leads to refraction: a significant change in the angle of input of ultrasonic waves and, as a result, to a deterioration of the state of acoustic channels, a decrease in the sensitivity of ultrasonic monitoring and a decrease in its noise immunity.

Принятые обозначения на чертежах:Accepted designations in the drawings:

ЛИВ - локальная иммерсионная ванна, поз. 1.LIV - local immersion bath, pos. one.

Ультразвуковой преобразователь, поз. 2.Ultrasonic transducer, pos. 2.

Контролируемый лист, поз. 3.Controlled sheet, pos. 3.

Частицы окалины или ржавчины, поз. 4.Particles of scale or rust, pos. four.

Рольганг, поз. 5.Roller, pos. 5.

Пузырьки воздуха, поз. 6.Air bubbles, pos. 6.

Мембрана, поз. 7.Membrane, pos. 7.

ЛУП - линейка акустических преобразователей, поз. 8.LUP - a line of acoustic transducers, pos. 8.

ЛАЗ - линейка (дополнительная) акустических зеркал, поз. 9.LAZ - a line (optional) of acoustic mirrors, pos. 9.

УПЗ - устройство поворота акустических зеркал, поз. 10.UPZ - device for turning acoustic mirrors, pos. 10.

ДИЛК - оптический датчик, поз. 11, для измерения локальной кривизны контролируемого листа.DILK - optical sensor, pos. 11, for measuring the local curvature of the test sheet.

Поворотная штанга, поз. 12, применяемая в качестве ЛАЗ (см. врезку А на фиг. 5).Swivel bar, pos. 12 used as LAZ (see box A in FIG. 5).

Привод, поз. 13, для автоматической коррекции направления акустической оси путем поворота ЛАЗ на соответствующий угол;Drive, pos. 13, for automatic correction of the direction of the acoustic axis by rotating the LAZ at an appropriate angle;

Корпус ЛИВ, поз. 14;Housing LIV, pos. fourteen;

Пластинчатые уплотнения, поз. 15;Lamellar seals, pos. fifteen;

Отражающий элемент - зеркало (зеркала) ЛАЗ, поз. 16.Reflecting element - mirror (mirrors) LAZ, pos. 16.

Предлагаемое техническое решение в значительной степени устраняет перечисленные выше недостатки, как верхнего расположения ЛИВ, так и нижнего, а именно:The proposed technical solution to a large extent eliminates the above disadvantages, both the upper location of the LIV, and the lower, namely:

- существенно повышается стабильность акустических каналов при нижнем расположении ЛИВ, поскольку частицы окалины не загрязняют рабочую поверхность ЛУП;- significantly increases the stability of the acoustic channels at the lower location of the LIV, since the particles of scale do not pollute the working surface of the LUP;

- существенно повышается стабильность акустических каналов при верхнем расположении ЛИВ, поскольку пузырьки воздуха не задерживаются на рабочей поверхности ЛУП;- significantly increases the stability of the acoustic channels at the upper location of the LIV, since air bubbles do not linger on the working surface of the LUP;

- существенно повышается стабильность акустических каналов при любом расположении ЛИВ за счет осуществляемой автоматически коррекции угла ввода.- significantly increases the stability of the acoustic channels at any location of the LIV due to the automatic correction of the input angle.

Целью настоящего изобретения является повышение качества и достоверности ультразвукового контроля путем повышения стабильности ультразвуковых каналов ЛИВ.The aim of the present invention is to improve the quality and reliability of ultrasonic testing by increasing the stability of ultrasonic channels of LIV.

Указанная цель достигается тем, что локальная иммерсионная ванна (ЛИВ) для ультразвукового контроля листов дополнительно содержит как минимум одну линейку акустических зеркал (ЛАЗ), разворачивающих ультразвуковые лучи на заданный угол, и устройство поворота зеркал (УПЗ), позволяющее корректировать угол падения ультразвуковых лучей на поверхность листа относительно его номинального значения, а также осуществлять поворот ЛАЗ для дополнительной очистки ее рабочей поверхности.This goal is achieved by the fact that the local immersion bath (LIV) for ultrasonic inspection of sheets additionally contains at least one line of acoustic mirrors (LAZ), which rotate ultrasonic rays at a given angle, and a mirror rotation device (UPZ), which allows you to adjust the angle of incidence of ultrasonic rays at the surface of the sheet relative to its nominal value, and also to rotate the LAZ for additional cleaning of its working surface.

Цель достигается и за счет того, что УПЗ содержит датчик для измерения локальной кривизны объекта контроля (ДИЛК) и привод для автоматической коррекции направления акустической оси, осуществляемой путем поворота ЛАЗ на соответствующий угол.The goal is achieved due to the fact that UPZ contains a sensor for measuring the local curvature of the control object (DILK) and a drive for automatically correcting the direction of the acoustic axis by rotating the LAZ by an appropriate angle.

Достижению цели способствует и то, что в качестве ЛАЗ применяется поворотная штанга, рабочая поверхность которой имеет длину, которая несколько превышает общую длину ЛУП, а форма соответствует параметрам формируемого акустического поля.Achievement of the goal is also facilitated by the fact that a rotary rod is used as an LAS, the working surface of which has a length that slightly exceeds the total length of the LUP, and the shape corresponds to the parameters of the generated acoustic field.

Пример устройства показан на Фиг. 4 и Фиг. 5.An example device is shown in FIG. 4 and FIG. 5.

1 - ЛИВ; 2 - ЛУП; 3 - контролируемый лист; 4 - чокалины или ржавчины; 5 - рольганг; 8 - ЛУП; 9 - ЛАЗ; 10 - УПЗ; 11 - оптический датчик кривизны листа; 12 - поворотная штанга, применяемая в качестве ЛАЗ (см. врезку А на фиг. 5); 13 - привод для автоматической коррекции направления акустической оси путем поворота ЛАЗ на соответствующий угол; 14 - корпус ЛИВ; 15 - пластинчатые уплотнения; 16 - отражающий элемент (зеркало) ЛАЗ.1 - LIV; 2 - LUP; 3 - controlled sheet; 4 - chocaline or rust; 5 - live rolls; 8 - LUP; 9 - LAZ; 10 - UPZ; 11 - optical gauge of curvature of the sheet; 12 - rotary rod used as a LAZ (see box A in Fig. 5); 13 - drive for automatic correction of the direction of the acoustic axis by turning the LAZ at an appropriate angle; 14 - housing LIV; 15 - plate seals; 16 - reflective element (mirror) LAZ.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Лист 3 заходит в зону контроля, отгибая пластинчатые уплотнения 15. Ультразвуковые волны, проделав путь А-В-С-В-А (ЛУП - ЛАЗ - лист - ЛАЗ - ЛУП), преобразуются в электрический сигнал, время прихода которого определяется длиной траектории распространения упругой волны до листа 3 и обратно, а следовательно, положением контролируемого участка листа 3 вдоль оси Y.Sheet 3 enters the control zone, bending the plate seals 15. Ultrasonic waves, having done the path A-B-C-B-A (LUP - LAZ - sheet - LAZ - LUP), are converted into an electrical signal, the arrival time of which is determined by the length of the propagation path elastic wave to the sheet 3 and back, and therefore, the position of the controlled section of the sheet 3 along the Y axis.

Часть энергии упругой волны проникает в лист 3 и, многократно отразившись от противоположной стенки и/или дефекта, также возвращается обратно к ЛУП 8.Part of the energy of the elastic wave penetrates into sheet 3 and, having repeatedly reflected from the opposite wall and / or defect, also returns back to LUP 8.

В процессе контроля листа 3 частицы окалины и/или ржавчины 4 с нижней поверхности листа 3 могут сыпаться на ЛАЗ-9, но поскольку ее поверхность наклонена (в данном примере на угол примерно 45°), то большая часть частиц окалины 4 соскальзывает с гладкой поверхности ЛАЗ-9, оставляя ее практически чистой. В зависимости от конкретных условий и интенсивности загрязнения ЛИВ-1 ржавчиной или окалиной 4, конструкция ЛИВ-1 может предусматривать и больший номинальный угол, например, 60°, который обеспечит еще лучшее соскальзывание частиц окалины с зеркал 16.In the process of checking sheet 3, particles of scale and / or rust 4 from the bottom surface of sheet 3 can be strewed onto the LAZ-9, but since its surface is inclined (in this example, by an angle of about 45 °), most of the particles of scale 4 slides off from a smooth surface LAZ-9, leaving it virtually clean. Depending on the specific conditions and the intensity of the LIV-1 pollution with rust or scale 4, the LIV-1 design can also provide a larger nominal angle, for example, 60 °, which will provide even better sliding of the scale particles from the mirrors 16.

Существует и дополнительная возможность очистки зеркал 16. В промежутках между листами контроллер (условно не показан) УПЗ-10 может выдавать сигнал на кратковременный поворот ЛАЗ-9 в положение, когда рабочая поверхность зеркала поворачивается на угол 90 и более градусов по отношению к горизонтальной плоскости, что будет способствовать окончательному удалению частиц окалины 4 с поверхности отражающих элементов - акустических зеркал 16.There is an additional opportunity to clean mirrors 16. In the intervals between the sheets, the controller (not shown conditionally) UPZ-10 can give a signal for a short-term rotation of the LAZ-9 to the position where the working surface of the mirror is rotated by an angle of 90 or more degrees with respect to the horizontal plane, which will contribute to the final removal of particles of scale 4 from the surface of the reflecting elements - acoustic mirrors 16.

Поскольку зеркала 16 являются пассивными элементами акустической системы, к которым нет нужды подводить кабели, оснащать их разъемами и/или электронными компонентами, то поворот ЛАЗ-9 даже на очень большой угол не представляет никаких технических трудностей.Since the mirrors 16 are passive elements of the speaker system, to which there is no need to lead cables, equip them with connectors and / or electronic components, turning the LAZ-9 even at a very large angle does not present any technical difficulties.

В то же время, ультразвуковые преобразователи, образующие ЛУП-8, расположены на боковой стенке ЛИВ-1, а их кабели и разъемы выходят наружу, что очень удобно с точки зрения доступа к ультразвуковым преобразователям для их замены и обслуживания. Рабочая поверхность ЛУП-8 находится в вертикальной плоскости, что полностью исключает попадание на нее кусочков окалины 4 и прочих загрязнений.At the same time, the ultrasonic transducers forming LUP-8 are located on the side wall of the LIV-1, and their cables and connectors go outside, which is very convenient from the point of view of access to the ultrasonic transducers for their replacement and maintenance. The working surface of LUP-8 is in a vertical plane, which completely eliminates the ingress of pieces of scale 4 and other contaminants onto it.

Благодаря наличию специальных люков, дно ЛИВ-1 может периодически очищаться от мусора.Due to the presence of special hatches, the bottom of LIV-1 can be periodically cleaned of debris.

Как правило, поверхность листа 3 имеет волнистость, которая особенно проявляется в направлении прокатки.Typically, the surface of the sheet 3 has an undulation, which is especially evident in the rolling direction.

Оптический датчик 11 кривизны листа 3 непрерывно отслеживает «волны», передает информацию о локальной кривизне на участке контроля в контроллер (условно не показан) УПЗ-10, которое, в свою очередь, вырабатывает управляющее воздействие на привод 13 УПЗ-10, поворачивающий ЛАЗ-9 на требуемый угол с таким расчетом, чтобы ультразвуковые волны падали на поверхность листа 3 под заданным углом (обычно, по нормали). По другому варианту в качестве ЛАЗ-9 может применяться поворотная штанга 12 с акустическими зеркалами 16, имеющими форму, соответствующую параметрам формируемого акустического поля.The optical curvature sensor 11 of the sheet 3 continuously monitors the "waves", transmits information about local curvature in the control section to the controller (not shown conventionally) UPZ-10, which, in turn, generates a control action on the drive 13 UPZ-10, turning LAZ- 9 by the required angle so that the ultrasonic waves incident on the surface of the sheet 3 at a given angle (usually normal). According to another embodiment, a rotary rod 12 with acoustic mirrors 16 having a shape corresponding to the parameters of the generated acoustic field can be used as LAZ-9.

Источники информацииInformation sources

1. Патент РФ №2248568.1. RF patent №2248568.

2. А.С. СССР №17988.2. A.S. USSR No. 17988.

3. Патент США №1506348.3. US Patent No. 1,506,348.

4. А.С. СССР №643800.4. A.S. USSR No. 643800.

Claims

1. A local immersion bath (LIV) for ultrasonic inspection of sheets, including a housing and at least one line of ultrasonic transducers (LUP), characterized in that it additionally contains at least one line of acoustic mirrors (LAS), deploying ultrasonic rays at a given angle, and mirror rotation device (UPZ), which allows you to adjust the angle of incidence of ultrasonic rays on the surface of the sheet relative to its nominal value, as well as rotate the LAZ for additional cleaning of its working surface.

2. LIV according to claim 1, characterized in that the SPS contains a sensor for measuring the local curvature of the test object (DILK) and a drive for automatically correcting the direction of the acoustic axis by rotating the LAZ by an appropriate angle.

3. LIV according to claim 1, characterized in that a rotary rod is used as the LAS, the working surface of which has a length that slightly exceeds the total length of the LUP, and the shape corresponds to the parameters of the generated acoustic field.