RU2814130C1

RU2814130C1 - Ultrasonic method for measuring height of vertically oriented planar defects in quartz ceramics

Info

Publication number: RU2814130C1
Application number: RU2023104702A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Минин; Александр Васильевич Терехин; Михаил Юрьевич Русин; Дмитрий Игоревич Чулков
Original assignee: Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина"
Filing date: 2023-03-02
Publication date: 2024-02-22

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: ultrasonic waves, using a direct combined ultrasonic transducer, excite pulses of longitudinal ultrasonic vibrations in the product in the direction coinciding with the plane of the defect and receive ultrasonic vibrations reflected by the bottom surface of the product, calculate the ratio of the amplitudes of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface, passing through a vertically oriented plane defect, to the amplitude of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface and passing through the area without the defect. Before taking measurements, quartz ceramic products are impregnated with liquid and the sensitivity is adjusted so that the bottom echo signal passing through the area without defect, was from 90% to 100% of the flaw detector screen, and the measuring strobe was located at a height of 0% to 15% of the flaw detector screen, measurements are carried out using ultrasonic waves in the frequency range from 5 MHz to 20 MHz.

EFFECT: improved accuracy of measuring the height of vertically oriented planar defects in products made of quartz ceramics.

1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля сплошности и служит для измерения высоты вертикально ориентированных плоскостных дефектов (трещин) в кварцевой керамике с целью определения возможности их механической выборки. The invention relates to the field of non-destructive continuity testing and is used to measure the height of vertically oriented planar defects (cracks) in quartz ceramics in order to determine the possibility of their mechanical sampling.

Известен способ измерения условной высоты вертикально ориентированных плоских дефектов (трещин) в сварном соединении металлов ультразвуковым методом (ГОСТ Р 55724-2013. Контроль неразрушающий. Соединения сварные). Условную высоту трещины ΔH определяют как разность измеренных значений глубины расположения трещины 2 в крайних положениях ультразвукового преобразователя 3, перемещаемого в плоскости падения ультразвукового луча. Условную высоту трещины 2 измеряют в сечении сварного соединения 1, где эхо-сигнал от трещины 2 имеет наибольшую амплитуду 4, а также в сечениях, расположенных на расстояниях, указанных в технологической документации на контроль. Точность измерения высоты трещины 2 в данном методе определяется точностью положений ΔХ ультразвукового преобразователя 3 и точностью измерения уровня амплитуды ультразвукового сигнала, принятого за начало и окончание трещины 2. There is a known method for measuring the conventional height of vertically oriented flat defects (cracks) in a welded joint of metals using the ultrasonic method (GOST R 55724-2013. Non-destructive testing. Welded joints). The conditional height of the crack ΔH is determined as the difference in the measured values of the depth of the crack 2 in the extreme positions of the ultrasonic transducer 3, moved in the plane of incidence of the ultrasonic beam. The conventional height of crack 2 is measured in the section of welded joint 1, where the echo signal from crack 2 has the greatest amplitude 4, as well as in sections located at distances specified in the technological documentation for testing. The accuracy of measuring the height of crack 2 in this method is determined by the accuracy of the positions ΔX of the ultrasonic transducer 3 and the accuracy of measuring the amplitude level of the ultrasonic signal taken as the beginning and end of crack 2.

Реализация данного способа иллюстрируется на фиг.1. Схема измерения условной высоты трещины в сварном соединении по ГОСТ Р 55724-2013 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные», где ΔН - условная высота трещины, ΔХ - расстояние между крайними положениями ультразвукового преобразователя.The implementation of this method is illustrated in Fig. 1. Scheme for measuring the conventional height of a crack in a welded joint in accordance with GOST R 55724-2013 “Non-destructive testing. Welded joints”, where ΔН is the conditional height of the crack, ΔХ is the distance between the extreme positions of the ultrasonic transducer.

Недостаток указанного способа измерения высоты трещины заключается в условном (неточном) измерении высоты трещины, а также применение данного способа для контроля толстостенных сварных соединений. The disadvantage of this method of measuring crack height is the conditional (inaccurate) measurement of crack height, as well as the use of this method for monitoring thick-walled welded joints.

Известен способ измерения высоты вертикально ориентированных плоских дефектов (трещин) при помощи дифракции первого рода ультразвуковых волн на краю трещины в металлах (Н.П. Алешин, В.П. Белый и др. Метод акустического контроля металлов. - М. Машиностроение, - 1989, 456 с.). Реализация данного способа иллюстрируется на фиг.2. Где видно, что при падении поперечной ультразвуковой волны 5 от наклонного ультразвукового преобразователя 6, расположенного на металлическом изделии 1, на трещину 2, вокруг нее могут возникать волны различного происхождения. В соответствии с первым законом дифракции дифракционное поле образуется только теми лучами, которые падают на острый край, следовательно, чем больше высота трещины 2, тем большая часть ультразвуковой поперечной волны 5 будет переходить в ультразвуковую продольную волну 4. Таким образом, измеряя амплитуду ультразвуковой продольной волны 4, дифрагированной из ультразвуковой поперечной волны 5, принимая ее при помощи прямого преобразователя 3, можно определить высоту трещины 2. There is a known method for measuring the height of vertically oriented flat defects (cracks) using diffraction of the first type of ultrasonic waves at the edge of a crack in metals (N.P. Aleshin, V.P. Bely, etc. Method of acoustic testing of metals. - M. Mechanical Engineering, - 1989 , 456 pp.). The implementation of this method is illustrated in Fig. 2. Where it can be seen that when a transverse ultrasonic wave 5 falls from an inclined ultrasonic transducer 6 located on a metal product 1 onto a crack 2, waves of various origins can arise around it. In accordance with the first law of diffraction, the diffraction field is formed only by those rays that fall on a sharp edge, therefore, the greater the height of the crack 2, the larger part of the ultrasonic transverse wave 5 will transform into an ultrasonic longitudinal wave 4. Thus, measuring the amplitude of the ultrasonic longitudinal wave 4, diffracted from the ultrasonic transverse wave 5, receiving it using the direct transducer 3, the height of the crack 2 can be determined.

Недостаток данного способа заключается в том, что требуется наличие двух ультразвуковых преобразователей - излучающего наклонного ультразвукового преобразователя и приемного прямого ультразвукового преобразователя. Кроме того, необходимо точно позиционировать приемный ультразвуковой преобразователь над трещиной, расположенной с противоположной стороны изделия, что осложняет проведение контроля и снижает его точность.The disadvantage of this method is that it requires the presence of two ultrasonic transducers - an emitting inclined ultrasonic transducer and a receiving direct ultrasonic transducer. In addition, it is necessary to accurately position the receiving ultrasonic transducer over the crack located on the opposite side of the product, which complicates the inspection and reduces its accuracy.

Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой способ измерения высоты вертикально ориентированных плоскостных дефектов в стеклокерамических материалах элементов конструкций летательных аппаратов (патент РФ № 2760487, МПК G01N 29/04, опубл. 25.11.2021), заключающийся в том, что ультразвуковыми волнами при помощи прямого совмещенного ультразвукового преобразователя возбуждают в изделии импульсы продольных ультразвуковых колебаний в направлении, совпадающем с плоскостью дефекта и принимают отраженные донной поверхностью изделия ультразвуковые колебания, отличающийся тем, что с целью увеличения точности измерения вычисляют отношение амплитуд отраженной от донной поверхности ультразвуковой продольной волны, прошедшей через вертикально ориентированный плоскостной дефект (трещину) элемента конструкции летательного аппарата к амплитуде отраженной от донной поверхности ультразвуковой продольной волны прошедшей через область элемента конструкции летательного аппарата без дефекта, для проведения измерений применяются ультразвуковые волны в диапазоне частот от 10 МГц до 20 МГц.The closest in technical essence is the ultrasonic method for measuring the height of vertically oriented planar defects in glass-ceramic materials of aircraft structural elements (RF patent No. 2760487, IPC G01N 29/04, published November 25, 2021), which consists in using ultrasonic waves using direct of a combined ultrasonic transducer, pulses of longitudinal ultrasonic vibrations are excited in the product in the direction coinciding with the plane of the defect and ultrasonic vibrations reflected by the bottom surface of the product are received, characterized in that, in order to increase the measurement accuracy, the ratio of the amplitudes of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface, passing through a vertically oriented plane defect (crack) of an aircraft structural element to the amplitude of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface and passing through the area of the aircraft structural element without a defect; ultrasonic waves in the frequency range from 10 MHz to 20 MHz are used for measurements.

Недостатком указанного способа является низкая точность определения глубины плоскостных дефектов (трещин) в кварцевой керамике, что вызвано высокой погрешностью измерения амплитуды ультразвуковых волн, обусловленной неравномерным впитыванием в пористую кварцевую керамику контактной жидкости, используемой для создания акустического контакта. К тому же, представленные в прототипе зависимости не применимы для определения высоты плоскостных дефектов (трещин) в кварцевой керамике по причине различного затухания ультразвуковых волн в контролируемых материалах.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the depth of planar defects (cracks) in quartz ceramics, which is caused by the high error in measuring the amplitude of ultrasonic waves due to the uneven absorption of the contact liquid used to create an acoustic contact into the porous quartz ceramics. In addition, the dependences presented in the prototype are not applicable to determine the height of planar defects (cracks) in quartz ceramics due to different attenuation of ultrasonic waves in the controlled materials.

Техническим результатом предполагаемого изобретения является повышение точности измерения высоты вертикально ориентированных плоскостных дефектов в изделиях из кварцевой керамики.The technical result of the proposed invention is to increase the accuracy of measuring the height of vertically oriented planar defects in products made of quartz ceramics.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен ультразвуковой способ измерения высоты вертикально ориентированных плоскостных дефектов в кварцевой керамике, заключающийся в том, что ультразвуковыми волнами при помощи прямого совмещенного ультразвукового преобразователя возбуждают в изделии импульсы продольных ультразвуковых колебаний в направлении, совпадающем с плоскостью дефекта и принимают отраженные донной поверхностью изделия ультразвуковые колебания, вычисляют отношение амплитуд отраженной от донной поверхности ультразвуковой продольной волны, прошедшей через вертикально ориентированный плоскостной дефект, к амплитуде отраженной от донной поверхности ультразвуковой продольной волны, прошедшей через область без дефекта, отличающийся тем, что перед проведением измерений изделия из кварцевой керамики пропитывают жидкостью и, настраивают чувствительность таким образом, чтобы донный эхо-сигнал, прошедшей через область без дефекта, составлял от 90% до 100% экрана дефектоскопа, а измерительный строб располагался на высоте от 0% до 15% экрана дефектоскопа, измерения проводят с помощью ультразвуковых волн в диапазоне частот от 5 МГц до 20 МГц.This technical result is achieved by proposing an ultrasonic method for measuring the height of vertically oriented planar defects in quartz ceramics, which consists in the fact that ultrasonic waves using a direct combined ultrasonic transducer excite pulses of longitudinal ultrasonic vibrations in the product in the direction coinciding with the plane of the defect and receive the reflected the bottom surface of the product ultrasonic vibrations, calculate the ratio of the amplitudes of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface, passing through a vertically oriented plane defect, to the amplitude of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface, passing through the area without a defect, characterized in that before taking measurements of the quartz product ceramics are impregnated with liquid and the sensitivity is adjusted so that the bottom echo signal passing through the area without a defect is from 90% to 100% of the flaw detector screen, and the measuring strobe is located at a height of 0% to 15% of the flaw detector screen, measurements are carried out with using ultrasonic waves in the frequency range from 5 MHz to 20 MHz.

Пример реализации предлагаемого способа иллюстрируется на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5.An example of the implementation of the proposed method is illustrated in Fig. 3, fig. 4 and fig. 5.

На фиг. 3а представлена функциональная схема измерения высоты вертикально ориентированных плоскостных дефектов при помощи дифракции продольной ультразвуковой волны. In fig. Figure 3a shows a functional diagram for measuring the height of vertically oriented planar defects using diffraction of a longitudinal ultrasonic wave.

В предложенном способе измерения высоты вертикально ориентированных плоскостных дефектов (трещин) 2 ультразвуковые продольные волны посредством прямого совмещенного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя 3 вводят в стенку изделия из кварцевой керамики 1, предварительно пропитанной жидкостью (водой, спиртом, спиртовым раствором и т.д.) Прямой совмещенный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 3 устанавливается в бездефектную область (фиг. 3а) изделия из кварцевой керамики 1. На ультразвуковом дефектоскопе 6 фиксируется амплитуда продольной ультразвуковой волны (фиг.4а), отраженной от донной поверхности по траектории 5. In the proposed method for measuring the height of vertically oriented plane defects (cracks) 2, ultrasonic longitudinal waves are introduced into the wall of a product made of quartz ceramic 1, pre-impregnated with liquid (water, alcohol, alcohol solution, etc.) by means of a direct combined ultrasonic piezoelectric transducer 3. An ultrasonic piezoelectric transducer 3 is installed in a defect-free area (Fig. 3a) of a quartz ceramic product 1. The amplitude of the longitudinal ultrasonic wave (Fig. 4a) reflected from the bottom surface along trajectory 5 is recorded on the ultrasonic flaw detector 6.

Затем прямой совмещенный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 3 фиксируется над вертикально ориентированным плоскостным дефектом (трещиной) 2, ультразвуковая продольная волна 4 распространяется вдоль вертикально ориентированного плоскостного дефекта 2, претерпевает дифракцию, отражается от донной поверхности стенки изделия 1 и возвращается по траектории 5 на этот же прямой совмещенный ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь 3 (фиг. 3б). На ультразвуковом дефектоскопе 6, подключенном к прямому совмещенному ультразвуковому пьезоэлектрическому преобразователю 3, фиксируется амплитуда ультразвуковой продольной волны (фиг.4б), возвратившейся по траектории 5. Вычисляется отношение амплитуды ультразвуковой продольной волны (фиг.4б), прошедшей вдоль плоскостного дефекта и отраженной от донной поверхности (фиг. 3б), к амплитуде ультразвуковой волны (фиг.4б), прошедшей через бездефектную область (фиг. 3а) и отраженной от донной поверхности. Then a direct combined ultrasonic piezoelectric transducer 3 is fixed above a vertically oriented plane defect (crack) 2, the ultrasonic longitudinal wave 4 propagates along the vertically oriented plane defect 2, undergoes diffraction, is reflected from the bottom surface of the wall of the product 1 and returns along the trajectory 5 to the same direct combined ultrasonic piezoelectric transducer 3 (Fig. 3b). On the ultrasonic flaw detector 6, connected to a direct combined ultrasonic piezoelectric transducer 3, the amplitude of the ultrasonic longitudinal wave (Fig. 4b) returning along trajectory 5 is recorded. The ratio of the amplitude of the ultrasonic longitudinal wave (Fig. 4b) passing along the plane defect and reflected from the bottom is calculated surface (Fig. 3b), to the amplitude of the ultrasonic wave (Fig. 4b) transmitted through the defect-free region (Fig. 3a) and reflected from the bottom surface.

Пропитка изделий из кварцевой керамики жидкостью перед проведением измерений позволяет избежать интенсивного и неравномерного впитывания контактной жидкости, что позволяет существенно повысить точность определения амплитуды ультразвуковых волн при определении высоты (глубины) плоскостных вертикально ориентированных дефектов в пористых материалах, к которым относится кварцевая керамика.Impregnating products made of quartz ceramics with liquid before taking measurements avoids intense and uneven absorption of the contact liquid, which can significantly increase the accuracy of determining the amplitude of ultrasonic waves when determining the height (depth) of planar vertically oriented defects in porous materials, which include quartz ceramics.

В зависимости от толщины стенки контролируемых изделий и затухания ультразвуковых волн в материале, связанной с вариациями пористости, определяется конкретная частота ультразвуковых волн. Для контроля толстостенных изделий из кварцевой керамики с высоким затуханием ультразвуковых волн, целесообразно использовать ультразвуковые волны меньшей частоты (5 МГц).Depending on the wall thickness of the tested products and the attenuation of ultrasonic waves in the material associated with variations in porosity, the specific frequency of ultrasonic waves is determined. To control thick-walled quartz ceramic products with high attenuation of ultrasonic waves, it is advisable to use ultrasonic waves of a lower frequency (5 MHz).

На основании экспериментальных исследований построена графическая зависимость отношения амплитуд продольных ультразвуковых волн, прошедших через вертикально ориентированный плоскостной дефект и через бездефектный материал от высоты вертикально ориентированного плоскостного дефекта. При проведении экспериментов высота вертикально ориентированного плоскостного дефекта измерялась рентгеновским методом.Based on experimental studies, a graphical dependence of the ratio of the amplitudes of longitudinal ultrasonic waves passing through a vertically oriented plane defect and through a defect-free material on the height of a vertically oriented plane defect was constructed. During the experiments, the height of a vertically oriented planar defect was measured using the X-ray method.

На фиг. 5 представлена графическая зависимость отношения амплитуд ультразвуковых волн от высоты вертикально ориентированного плоскостного дефекта, гдеIn fig. Figure 5 shows the graphical dependence of the ratio of the amplitudes of ultrasonic waves on the height of a vertically oriented plane defect, where

А_тр - амплитуда ультразвуковой волны, прошедшей через кварцевую керамику с вертикально ориентированным плоскостным дефектом и отраженной от донной поверхности (ДБ);A _tr is the amplitude of the ultrasonic wave that passed through quartz ceramics with a vertically oriented planar defect and was reflected from the bottom surface (DB);

А - амплитуда ультразвуковой волны, прошедшей через стеклокерамический материал и отраженной от донной поверхности (ДБ).A is the amplitude of the ultrasonic wave passing through the glass-ceramic material and reflected from the bottom surface (DB).

Claims

An ultrasonic method for measuring the height of vertically oriented planar defects in quartz ceramics, which consists in the fact that ultrasonic waves, using a direct combined ultrasonic transducer, excite pulses of longitudinal ultrasonic vibrations in the product in the direction coinciding with the plane of the defect, and receive ultrasonic vibrations reflected by the bottom surface of the product, calculate the ratio of the amplitudes of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface, passing through a vertically oriented plane defect, to the amplitude of the ultrasonic longitudinal wave reflected from the bottom surface, passing through the area without a defect, characterized in that before taking measurements, quartz ceramic products are impregnated with liquid and the sensitivity is adjusted to such so that the bottom echo signal passing through the area without a defect is from 90% to 100% of the flaw detector screen, and the measuring strobe is located at a height of 0% to 15% of the flaw detector screen, measurements are carried out using ultrasonic waves in the frequency range from 5 MHz up to 20 MHz.