SU1656445A1 - Способ ультразвукового контроля изделий - Google Patents

Description

Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии изделий (в том числе и изделий сложной формы),

Цель изобретения - расширение области применения способа за счет обеспечения возможности контроля по всему сечению изделий сложных форм, а также повышение чувствительности контроля благодаря выбору оптимальных режимов контроля.

(57) Изобретение относится к акустическим методам неразрушающего контроля. Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности контроля по всему сечению изделий сложной формы. По разные стороны изделия устанавливают направленные излучающий и приемный преобразователи так, чтобы их акустическиеоси были ориентированы в сторону изделия и не совпадали. Излучают и принимают прошедшие через изделие колебания с помощью соответствующих преобразователей. Сканируют изделие преобразователями и измеряют в ходе сканирования для каждого цикла зондирования амплитуду принятых импульсов дифрагированных на дефекте колебаний и уровень принятых импульсов структурных шумов материала изделия в интервале времени от окончания сигнала прямого прохождения до начала излучаемого импульса последующего цикла зондирования. Наличие дефекта в изделии определяют по отношению амплитуды дифрагированных колебаний к уровню структурных шумов. 4 з.п. ф-лы, 13 ил.

На фиг. 1 изображена схема контроля шпангоута с искусственным дефектом; на. фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1: на фиг. 3 график распределения амплитуды Ако дифрагированных на искусственном дефекте импульсов принятых колебаний и уровня А_ш шумов при стационарном положении излучающего преобразователя и контролируемого шпангоута и перемещении приемного преобразователя вдоль оси шпангоута в плоскости фиг. 2; на фиг. 4 - схема контроля цилиндрического изделия с искусственным

1656445 А1

3

1656445

4

дефектом, вид сбоку; на фиг. 5 - схема контроля цилиндрического изделия с искусственным дефектом, вид сверху; на фиг. 6 график распределения амплитуды Α_κοι дифрагированных на искусственном дефекте импульсов принятых колебаний и уровня А_ш, шумов при неизменном относительном положении излучающего и приемного преобразователей и сканировании ими изделия в направлении В вдоль оси цилиндра в плоскости фиг. 4, а также амплитуды А_Ког дифрагированных на искусственном дефекте импульсов принятых колебаний и уровня Ашг шумов при стационарном положении излучающего преобразователя и контролируемого цилиндра и перемещении приемного преобразователя в направлении С перпендикулярно проекции акустической оси излучающего преобразователя на плоскость фиг. 5 с одновременным разворотом акустической оси приемного преобразователя в плоскости фиг. 5 на максимальный уровень А_Ш2 структурного шума; на фиг. 7 схема контроля пустотелого прессованного профиля с наружными ребрами и искусственным дефектом; на фиг. 8 - сечение А-А на фиг. 7; на фиг. 9 - график распределения амплитуды Ако дифрагированных на искусственном дефекте импульсов принятых колебаний и уровня А_ш шумов при неизменном относительном положении излучающего и приемного преобразователей и сканировании ими изделия в направлении В вдоль поверхности ребер в плоскости фиг. 8; на фиг. 10 - график распределения амплитуды Ако дифрагированных на искусственном дефекте импульсов принятых колебаний и уровня А_ш шумов при неизменном относительном положении излучающего и приемного преобразователей и сканировании ими изделия в направлении С вдоль оси профиля в плоскости фиг. 7; на фиг. 11 - схема контроля цилиндрической обечайки с участком торовой поверхности с искусственным дефектом в виде сквозного отверстия при расположении основного и дополнительного приемных преобразователей в линию; на фиг. 12 - график распределения амплитуды Ако дифрагированных на искусственном дефекте импульсов принятых колебаний и уровня А_ш шумов при стационарном положении приемных преобразователей и обечайки и перемещении излучающего преобразователя вдоль оси искусственного дефекта в плоскости фиг. 11; на фиг. 13 - диаграммы направленности приемных преобразователей, используемых при контроле цилиндрической обечайки по схеме, представленной на фиг. 11 (Атах максимальное значение чувствительности одиночного приемника).

Позицией 1 на фигурах обозначено контролируемое изделие с искусственным дефектом 2, позицией 3 - излучающей преобразователь, а позициями 4 и 5 основной и дополнительный приемные преобразователи соответственно.

Сущность способа заключается в следующем.

По разные стороны изделия устанавливают направленные излучающий и приемный преобразователи так, чтобы их акустические оси были ориентированы в сторону изделия и не совпадали. В случае использования нескольких приемных преобразователей из них образуют матрицу или линейку, для чего их устанавливают рядом так, чтобы, диаграмма направленности каждого приемного преобразователя пересекалась только с диаграммой направленности соседних преобразователей, а точки пересечения диаграмм направленности лежали в обращенной к изделию выпуклостью поверхности. Излучающим преобразователем излучанэг последовательность импульсов УЗ-колебаний. Прошедшие через изделие УЗ-колебания принимают приемными преобразователями. Для повышения чувствительности контроля при использовании одиночного приемного преобразователя может быть осуществлено измерение уровня принятых импульсов структурных шумов материала изделия с одновременным изменением ориентации приемного преобразователя. Процесс установки преобразователей в этом случае заканчивают, фиксированием положения приемного преобразователя по достижении измеряемым уровнем шумов максимума. После окончательной установки преобразователей сканируют ими изделие. В ходе сканирования измеряют амплитуду принятых импульсов, дифрагированных на дефекте колебаний, и уровень принятых импульсов структурных шумов материала изделия. Измерение уровня структурных шумов осуществляют для каждого цикла зондирования в интервале времени, начало которого совпадает с окончанием сигнала прямого прохождения от излучающего преобразователя к приемному, а окончание совпадает с началом излучаемого импульса УЗ-колебаний последующего цикла зондирования, В общем случае наличие дефектов в изделии определяют по отношению амплитуды принятых импульсов, дифрагированных на дефекте, колебаний к уровню принятых импульсов структурных шумев материала изделия для каждого при5

1656445

6

емкого преобразователя. При использовании нескольких приемных преобразоваге лей наличие дефектов в изделии может быт г. определено и по максимальному данному отношению для одного из приемных преобразователей. При использовании нескольких приемных преобразователей, образующих матрицу, для повышения чувствительности фиксируют сумму полученных отношений по строкам и столбцам матрицы приемных преобразователей при каждом цикле зондирования, а наличие дефектов в изделии определяют по максимальной разности зафиксированной суммы строки или столбца для η-го излученного импульса и зафиксированной суммы соответствующей строки или столбца для (п+1)-го излученного импульса.

Способ изделий осуществляют следующим образом.

В случае использования единичного приемного преобразователя 4 располагают его с одной стороны изделия 1, а излучающий преобразователь 3 располагают с другой стороны изделия 1. Ориентируют акустические оси преобразователей 3 и 4 в сторону изделия. Акустические оси преобразователей 3 и 4 могут пересекаться и располагаться в одной плоскости (фиг, 1 и фиг. 2) или быть скрещивающимися прямыми (фиг. 4 и фиг. 5). обеспечивая и в том и в другом случае несовпадение акустических осей. Преобразователем 3 излучают последовательность импульсов УЗ-колебаний, а преобразователем 4 принимают прошедшие через изделие 1 УЗколебания, В ходе установки преобразова гелей 3 и 4 измеряют уровень структурных шумов материала изделия 1, изменяют ориентацию преобразователя 4 и фиксируют его положение по достижении уровнем структурных шумов максимума. Сканируют изделие и измеряют амплитуду принятых импульсов, дифрагированных на дефекте 2 колебаний, также уровень структурных шумов для каждого цикла збндирования в интервале времени от окончания сигнала прямого прохождения от преобразователя 3 к преобразователю 4 до начала излучаемого импульса УЗ-колебаний последующего цикла зондирования.

Определяют наличие дефектов 2 в изделии 1 по отношению амплитуды импульса дифрагирозанных колебаний к уровню структурных шумов. Уровень структурных шумов магериала определяется всей совокупностью факторов, влияющих на прохождение сигналов УЗ-колебаний через изделие 1 сложной формы, т.е. уровень структурных шумов является интегральной величиной,

харскгеризующей размеры, число границ раздела, изменение фермы изделия 1 н процессе сканирования и т.п. факторы, определяющие характеристики преш щшего через изделие 1 импульса УЗ-колебаний . гем более, что структурные шумы материала представляю'г собой также дифрагированные на границах зерен, доменов и друг их структурных неоднородностей УЗ-колебания от того же преобразователя 3. Структурные шумы по своей природе аналогичны дифрагированным на де<(екте 2 УЗ-холебаниям. По существу способ УЗ контроля изделий сводится к приведению в единое масштабное отображение сигналов дифрагированного ка дефекте излученного импульса УЗ-колебачий за счет их сравнения с принятыми, идентичными по условиям прохождения и аналогичными по природе с.игнзлзми структурных шумов, что позволяет осуществить выявление дефектов в едином масштабе, независимо от изменения фермы изделия. В случае направления излучения и приема ио скрещивающимся прямым становится возможным избавиться от прямых прошедших импульсов которые могут не только превышать по амплитуде величину дифрагированного сигнала и гем самым привести к ложным результатам, но могут и "замаскировать" полезный сигнал на фоне прямого При приеме дифрагированных дефектом 2 УЗ-колебаний в направлении, совпадающем с направлением, при котором максимален уровень структурных шумов материала, получаются и максимальные значения по величине дифрагированных на дефекте 2 сигналов, при этом дифрагированные на дефекте 2 сигналы минимально искажены, что позволяет их в дальнейшем анализировать по известным методикам (например, по спектральному составу для определения характеристик дефекта 2). В этом случае может осуществляться и прием прямого или однократно отраженного от дефекта 2 сигнала, что требует отделения их из дальнейшего процесса обработки. Такое отделение может быть осуществлено, например, при контроле кольцевого изделия 1 со сложной конфигурацией, образующих при вращении, кольца вокруг его оси между преобразователями 3 и 4, не изменяющими своего взаимного положения, при этом на экране дефектоскопа прямые импульсы не изменяют своего положения, а сигналы от дифрагированных импульсов последовательно смещаются по экрану что позволяет выделить их.

Принципиально не имеет значения, относительно какого уровня шумов осуществΊ

1656445

8

ляют определение отношения сигналов. На фиг. 3, 6, 9, 10 и 12 отмечено максимальное значение уровня шумов при помощи УЗ-дефектоскопэ ΙΙ5ΙΡ-11. При атоматизированном контроле целесообразно увеличить отношение сигналов, для чего следует взять за уровень шума его среднее, среднее квадратичное или эффективное значение. Опыт лабораторных испытаний способа УЗ-контроля изделий 1 показал наибольшую целесообразность его осуществления в иммерсионном варианте, что не исключает использование и контактного варианта. При использовании в качестве изделия 1 с дефектом 2 шпангоута с от верстием ψ 1,5 мм и глубиной 2 мм преобразователь 3 устанавливают так, чтобы его акустическая ось была направлена на искусственный дефект 2,а преобразователь 4 устанавливают с противоположной стороны изделия 1, т.е. у внутренней поверхности шпангоута (фиг. 1 и фиг, 2). Прием прямого сигнала исключается тем, что угол между акустическими осями преобразователей 3 и 4 выбран меньшим 18 0°. Сканирование осуществляли только преобразователем 4 вдоль оси шпангоута без его поворота на максимум шумов. Из графика (фиг. 3) следует, что выявление дефекта 2 обеспечивается при условии ориентации акустических осей преобразователей 3 и 4 по скрещивающимся прямым, а также следует, что для приема дифрагированных сигналов достаточно неподвижно установить вдоль образующей несколько приемных преобразователей, а сканирование осуществлять только излучающим преобразователем, причем с увеличенным шагом сканирования. При использовании в качестве изделия 1 с дефектом 2 оргстеклянного цилиндра с запрессованным стальным диском ф 0.5 мм и толщиной 0,3 мм преобразователь 3 устанавливают так, чтобы его акустическая ось была направлена на ребро дефекта 2, т.е. по нормали к образующей диска (фиг. 4 и фиг. 5). При сканировании изделия 1 вдоль его оси с неизменной ориентацией преобразователей 3 и 4 уровень шумов остается практически постоянным (А_Ш1 на фиг. 6), а амплитуда дифрагированных дефектом 2 сигналов изменяется в соответствии с положением преобразователей 3 и 4 (Акщ на фиг. 6). При неподвижном положении преобразователя 3 изделие 1 сканируют преобразователем 4 в направлении директриссы, разворачивая его в каждой точке на максимальный уровень структурных шумов (Ашг на фиг. 6). Из зависимости амплитуды А_Ко2 дифрагированных на дефекте

2 колебаний от положения преобразователя 4 на фиг.6 следует, что возможность выявления дефекта сохраняется в широких пределах. При использовании в качестве изделия 1 с дефектом 2 пустотелого профиля с отверстием,'^1.5 мм в его диагональном ребре преобразователи 3 и 4 и изделие 1 располагаются в иммерсионной среде (фиг. 7 и фиг, 8), Результаты сканирования при неизменном относительном положении преобразователей 3 и 4 перпендикулярно оси изделия представлены на фиг. 9, а вдоль оси изделия - на фиг. 10. Данные зависимости иллюстрируют возможности использования способа УЗ-контроля для контроля изделий сложной формы.

В случае использования нескольких приемных преобразователей 4 и 5 из них образуют матрицу или линейку посредством их установки так, чтобы диаграмма направленности каждого преобразователя 4 и 5 пересекалась только с диаграммой направленности соседних преобразователей 4 и 5. а точки пересечения диаграмм направленности лежали в обращенной к изделию выпуклостью поверхности (фиг. 13). При такой установке как бы ни изменялось направление излучения дифрагированного дефектом 2 сигнала в зависимости от изменения поверхности изделия 1 как со стороны ввода, так и со стороны приема импульса УЗ-колебаний, во всех случаях этот дифрагированный сигнал будет зафиксирован как минимум одним премным преобразователем 4 или 5. Наличие дефектов Ϊ в изделии 1 в этом случае определяют по отношению амплитуды дифрагированных дефектом 2 колебаний к уровню структурных шумов для каждого преобразователя 4 или 5, в частности по максимальному отношению для одного из приемных преобразователей 4 и 5. Выбор линейки или матрицы преобразователей 4 и 5 диктуется характером изменения профиля изделия 1 в направлении сканирования при контроле. Если в направлении сканирования профиль (сечение) изделия 1 остается неизменным, то достаточно линейки преобразователей 4 и 5. При использовании в качестве изделия 1 с дефектом 2 цилиндрической обечайки с участком торовой поверхности со сквозным отверстием^ мм используют линейку преобразователей 4 и 5 (фиг. 11). В ходе сканирования обечайку вращают вокруг своей оси в иммерсионной среде, преобразователи 5 и 4 фиксируют неподвижно, а преобразователь

3 смещают вдоль оси обечайки. Результаты контроля фиксируют по максимально достигнутым значениям любого

9

1656445

10

из преобразователей 4 или 5 и графически представлены на фиг. 12, из которых можно сделать вывод, что по крайней мере для одного и того же вида дефектов в любом сечении сложного изделия отношение дифрагированного сигнала к сигналу структурных шумов постоянно, т.е. независимо от изменения конфигурации изделия. Большее значение по чувствительности способ УЗ-контроля с использованием матрицы преобразователей 4 и 5 имеет при фиксировании суммы полученных отношений по строкам и столбцам матрицы для каждого цикла зондирования и определении наличия дефекта 2 в изделии 1 по максимальной разности зафиксированной суммы строки или столбца для η-го излученного импульса и зафиксированной суммы соответствующей строки или столбца для (п+1)-го излученного импульса. В этом случае реализация в части аппаратуры сложнее, но он дает "свертку" информации, позволяя получить необходимый и достаточный объем ее для выявления дефекта 2 и определения его расположения в изделии 1.

Чувствительность способа УЗ-контроля изделий зависит в большей степени от конфигурации дефекта, чем от его размеров, но она оказывается более высокой для плоских (типа трещин) дефектов, т.е. наиболее опасных при эксплуатации дефектов. Существенным достоинством способа УЗ-контроля изделий является возможность увеличения шага сканирования без существенного снижения выявляемое™ дефектов. Например, по сравнению с теневым методом, шаг сканирования может быть увеличен в 5-7 раз, что увеличивает производительность контроля в соответствующее число раз.

Claims (5)

1. Формула изобретения

   1. Способ ультразвукового контроля изделий, заключающийся в том, что устанавливают направленные излучающий и приемный преобразователи так, чтобы их акустические оси направлялись в сторону изделия, излучают излучающим преобразователем последовательность импульсов ультразвуковых колебаний, принимают прошедшие через изделие импульсы ультразвуковых колебаний приемным преобразователем, сканируют изделие преобразователями, измеряют в ходе сканирования амплитуду принятых импульсов дифрагированных на дефекте колебаний и уровень принятых импульсов структурных шумов материала изделия и определяют наличие дефекта в изделии по отношению

   амплитуды принятых импульсов дифрагиро ванных на дефекте колебаний к уровню импульсов структурных шумов материала изделия, отличэющийс я тем. что, с целью расширения области применения, излучающий и приемный преобразователи исходно располагают пе разные стороны изделия так, чтобы их акустические оси не совпадали, причем измерение уровня принятых импульсов структурных шумов материала изделия осуществляют для каждого цикла зондирования в интервале времени, начало которого совпадает с окончанием сигнала прямого прохождения от излучающего преобразователя к приемному, а окончание совпадает с началом излучаемого импульса ультразвуковых колебаний последующего цикла зондирования.
2. 2. Способ поп. 1. отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, при установке преобразователей измеряют уровень импульсов структурных шумов материала изделия, изменяют ориентацию приемного преобразователя и фиксируют положение приемного преобразователя по достижении уровнем шумов максимума.
3. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, рядом с основным приемным преобразователем устанавливают дополнительные направленные приемные преобразователи так, чтобы диаграмма направленности каждого приемного преобразователя пересекалась только с диаграммой направленности соседних преобразователей, а точки пересечения диаграмм направленности лежали в обращенной к изделию выпуклостью поверхности, принимают прошедшие через изделие импульсы ультразвуковых колебаний дополнительными приемными преобразователями, а наличие дефектов в изделии определяют по отношению амплитуды принятых импульсов дифрагированных на дефекте колебаний к уровню принятых импульсов структурных шумов материала изделия для каждого приемного преобразователя.
4. 4. Способ поп.З, отличающийся тем, что наличие дефектов в изделии определяют по максимальному отношениюамплитуды принятых импульсов дифрагированных на дефекте колебаний к уровню принятых импульсов структурных шумов материала изделия для одного из приемных преобразователей.
5. 5. Способ поп. 3. отличающийся тем, что фиксируют сумму полученных отношений по строкам и столбцам образованной приемными преобразователями матрицы

   11

   1656445

   12

   или столбца для η-го излученного импульса и зафиксированной суммы соответствуюпри каждом излучении импульса ультразвуковых колебаний, а наличие дефектов в изделии определяют по максимальной

   /7

   и

   Ф//5

   ФигЗ

   1656445

   ФиеЛ

   Фиг. 5

   Фиг. б

   1656445

   4-Л

   ¢.7

   Фиг. В

   1656445

   1656445

   Фиг 13