Акустический контроль емкости

 

Таблица 4.1 – Характеристики ЦТС – 19

Плотность           ρ ,	Скорость продольной волны Сl	Характеристический импеданс Z,
7000	3300	23·10-6

 

Толщина пластины h_п выбирается полуволновой для рабочей частоты f_р , на  которой ведется контроль 

   (4.2)

Примем толщину пластины  0,33 мм.

В качестве материала  призмы выберем органическое стекло, так как его целесообразно применять в диапазоне частот 1,5…5 МГц.

 

Таблица 4.2 – Параметры  органического стекла

Плотность           ρ ,	Скорость продольной волны Сl	Скорость поперечной волны Сt ,	Скорость поверхностной волны  Сs ,	Коэффициент затухания  δ, м-1
1180	2670	1120	1050

 

Определим угол ввода  в объект контроля

Максимальное расстояние до дефекта в объекте контроля равно:

 

   

 

При конструировании  призмы необходимо проверять отсутствие продольной и поверхностной волны  в объекте контроля. Условие отсутствия продольной волны:

     (4.3)

поверхностной волны

 

    (4.4)

 

где  β – угол между  акустической осью и крайним лучом.

 

Крайними лучами расходящегося  пучка следует считать те, амплитуды  которых уменьшаются до 20 дБ по сравнению  с центральным лучом. Определяются по формуле:

 

  (4.5)

 

Тогда

 

,    (4.6)

 

    (4.7)

Итак 

46,6˚>28,1˚ 

 

Проверим отсутствие поверхностной волны по условию (5.7):

 

    (4.8)

 

   (4.9)

Итак 

59,5˚ 59,8˚

 

Таким образом, продольная  и поверхностная волна в объекте  контроля отсутствуют.

Форма призмы и её размеры  выбираются таким образом, чтобы  они обеспечивали отсутствие ложных импульсов. Для этого необходимо, чтобы отраженные от поверхности призма – изделие волны не попадали на пьезопластину. В ближней зоне пьезоэлемента излучаемую волну можно считать слабо расходящейся. Тогда требования таковы что луч АА^’ (см. рисунок 4.2), выходящий из нижней части пьезопластины после отражения от нижней поверхности призмы с учетом трансформации, не должен попадать на верхнюю часть пьезопластины, а луч ВВ^’ , выходящий из верхней части пластины не должен попадать на ребро двугранного угла. Эти условия можно записать в следующем условии:

 

,  (4.10)

 

Исходя из того, что  толщина стенки корпуса преобразователя  составляет 1 мм, выберем стрелу преобразователя n₀=6 мм.

.

(4.11)

 

Рисунок 4.1 – Расчетная  схема преобразователя

 

Путь центрального луча в призме определяется из условия:

 

 (4.12)

Акустическое поле преобразователя  с линией задержки можно приближенно  оценить введением мнимого пьезоэлемента. Расстояние вдоль акустической оси  от точки ввода до мнимого пьезоэлемента  вычисляется по формуле:

  (4.13)

 

Радиус мнимой пьезопластины  вычислим по формуле:

 

    (4.14)

Далее определим параметры  ближней зоны и дальней зоны преобразователя  по формулам:

 

  (4.15)

 

угол раскрытия основного лепестка

 

  (4.16)

 

 

При расчете призмы необходимо учитывать, что сигнал в призме не должен ослабляться более чем  на 10 дБ (в относительных единицах 3.16). Ослабление в призме вдоль акустической оси определяется формулой:

 

     (4.17)

 

Откуда 

 

     (4.18)

 

По графикам приведенным  в [10] для границы задержка – изделие (оргстекло – сталь) примем коэффициент  прохождения по энергии  =0,15.

Тогда

 

  (4.19)

 

Таким образом, путь центрального луча в призме должен быть менее 19 мм.

Материал демпфера выбираем из [9]. Это эпоксидная смола ЭД – 5 с наполнителем PbO (70%). На частоте 2,5 МГц он имеет коэффициент затухания δ_Д = 435 м^-1. Толщина демпфера должна обеспечивать уменьшение амплитуды ультразвуковых колебаний не менее, чем на 60 дБ вследствие затухания.

       (4.20)

,

.

где r_Д – путь ультразвука в призме при двукратном прохождении.

 

Толщина демпфера равняется  такой толщине, что при двукратном прохождении ультразвука через  демпфер амплитуда УЗ – колебаний  уменьшалась до минимума.

.

Таким образом преобразователь состоит из следующих составных элементов: пьезопластины, демпфера, призмы и корпуса.

Пьезопластина – является основным элементом ПЭП к посеребренной  поверхности которой припаивается экранированный провод для приложения электрического поля, и всё помещается в полость призмы. Призма изготовляется обычно из износостойкого материала (оргстекло). При разработке и изготовлении преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают таким образом,  чтобы они по возможности удовлетворяли следующим основным требованиям: обеспечивали достаточное гашение УЗК, возникающих при отражении волн на границе раздела призма – изделие. Это условие выполняется тогда, когда все отраженные волны попадают в ловушку и испытывают в ней многократные отражения. Ловушка выполняется в виде ребристой поверхности на передней грани призмы. Кроме того, материал призмы должен обладать износостойкостью, а в ряде случаев и термостабильностью.

Далее пьезопластина  заливается эпоксидной смолой с наполнителем (демпфер). Данная конструкция помещается в корпус, приклеивается к его стенкам, подключается к разъему. Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции,  а также экранирование пьезоэлемента и выводов от электронных помех. Электрические контакты выполняются пайкой легкоплавкими припоями, особенно на пьезокерамической пластине, во избежании её располяризации. Для соединения пьезопластины с разъёмом применяется коаксиальный кабель с минимальной ёмкостью. Пьезопластину приклеивают к призме с помощью клея ЛБС1 (ГОСТ 901 – 78).

На корпус преобразователя  затем наносится риска, определяющая стрелу преобразователя и маркировочные  значки [9].

Разработанный пьезоэлектрический преобразователь имеет следующие  характеристики:

- размер пъезопластины  2а=6 мм;

- угол ввода α=69˚;

- стрела преобразователя n=6 мм;

- угол наклона призмы  – 53^o;

- путь центрального  луча в призме r_п=4,6 мм.

 

5 Разработка методики  контроля 

 

5.1 Выбор типа ультразвуковых волн

 

Продольные и поперечные волны применяют обычно для выявления  дефектов в толще и вблизи поверхности массивных деталей, толщина которых значительно превосходит длину волны.

Поверхностные волны  применяют для обнаружения дефектов, непосредственно выходящих на поверхность  или залегающих на глубине не более длины поверхностной волны. Их энергия уменьшается с увеличением глубины и практически достигает нуля на глубине, равной длине волны.

Для выявления подповерхностных дефектов применяют головные волны. Они не следуют изгибам поверхности, подобно поверхностным, а распространяются прямолинейно. В каждой точке поверхности ими порождаются поперечные волны, уходящие под углом, равным третьему критическому. В связи с этим амплитуда головной волны быстро убывает с расстоянием. Основное отличие головных волн от поверхностных с точки зрения практики ультразвукового контроля – это нечувствительность к дефектам на поверхности изделия. Поэтому примером применения головных волн может служить выявление дефектов под валиком шва усиления сварного шва, под антикоррозионной наплавкой, резьбой.

Волны в пластинах (волны Лэмба) применяют для контроля листов, оболочек, труб толщиной не более 3..5 мм, т.е. соизмеримой с длиной волны. Для контроля проволок и стержней, диаметр которых соизмерим с длиной волны, применяют волны в стержнях (волны Похгаммера).

Для контроля заданного изделия, согласно рекомендациям пункта 2 (см таблицу 2.1), выбираем поперечный тип волн, которые будут вводиться при помощи наклонного преобразователя. Использование поперечных волн является более предпочтительным в связи с меньшей длиной волны, что повышает чувствительность к дефектам и разрешающую способность контроля [10].

 

5.2 Выбор способа контакта

 

Существует несколько  способов обеспечения акустического  контакта преобразователя с объектом контроля [6].

При контактном способе  акустический контакт достигается прижатием преобразователя к поверхности объекта контроля, на которую предварительно наносится слой контактной жидкости, толщиной меньше длины волны.

Щелевой способ предполагает создание между преобразователем и объектом контроля зазора, толщиной порядка длины волны и заполнение его контактной средой. жидкость в зазоре удерживается силами поверхностного натяжения или подается непрерывно под давлением.

Иммерсионный способ обеспечивает акустический контакт  через слой жидкости, толщиной больше пространственной длительности акустического импульса. Для проведения контроля иммерсионным способом изделие погружают в ванну, либо создают локальную ванну в области ввода ультразвуковых волн.

Наиболее предпочтителен контактный способ, так как он не требует дополнительных технических решений для его реализации.

В качестве контактной смазки применяют солидол, раствор глицерина в воде, автол, различные виды технических масел. В нашем случае удобнее применять техническое масло.

 

5.3 Выбор мест ввода ультразвуковых волн и схемы сканирования

 

Правильный выбор мест ввода ультразвуковых волн должен обеспечить принятые направления прозвучивания объекта контроля. При этом следует учитывать, что качество поверхности ввода ультразвука должно обеспечить его максимальное прохождение в изделие по всей площади сканирования.

Для этого необходимо освободить контролируемый материал от неплотно прилегающих наслоений, под которыми может образоваться воздушная прослойка, не пропускающая ультразвук, а затем сгладить неровности для обеспечения стабильного акустического контакта. С поверхности удаляют отслаивающуюся окалину, сглаживают забоины, задиры, галтельные переходы, переходы от выпуклости сварного шва к основному металлу, брызги металла.

Качество поверхности  оценивают по параметрам шероховатости (ГОСТ 2789-73). Оптимальной считается шероховатость R_z=40 мкм.

Схема прозвучивания  определяет совокупность направлений  прозвучивания данного сварного соединения. Она определяется выбором наиболее благоприятного угла встречи (ракурса прозвучивания) ультразвукового луча с плоскостным дефектом, и поэтому базируется на основе вероятностных оценок распределения плоскостных дефектов по ориентации и местоположению, полученных при статистическом анализе. Так, например, установлено, что трещины ориентированы вдоль оси шва в вертикальной плоскости, угол наклона несплавлений определяется конфигурацией разделки кромок под сварку [11].

Определим места ввода  ультразвука в изделие при  контроле прямым и однократно отраженным лучом. При этом будем стремиться к тому, чтобы прямым лучом можно было прозвучить как можно больший объем шва. В этом случае схема прозвучивания сварного шва имеет вид (см. рисунок 5.1).

 

 

Рисунок 5.1 – Схема  контроля углового сварного шва прямым лучом

 

Из рисунка 5.1 определим  расстояние X₁ при контроле прямым лучом:

 

        (5.1)

где    е – ширина шва (таблица 1.1);

n₀ – стрела преобразователя.

 

Тогда 

мм.       

При контроле однократно отраженным лучом расчетная схема  контроля имеет следующий вид (см. рисунок 5.2)

 

 

Рисунок 5.2 - Схема контроля углового сварного шва однократно отраженным лучом

 

Из рисунка 5.2 определим расстояние X₂ при контроле однократно отражённым лучом:

       (5.2)

где  Н – толщина  стенки привариваемого листа;

       - угол ввода ультразвуковых волн в изделие.

 

Тогда

(мм)

 

Схемы прозвучивания  и сканирования стыкового сварного шва трубы изображены на чертеже 00.00.00.000 Д1.

 

5.4 Выбор способа регистрации и расшифровки результатов контроля

 

В ультразвуковой дефектоскопии  амплитуда эхо-сигнала измеряется относительным методом – сравнением полученного от дефекта эхо-сигнала  с каким-либо опорным сигналом, полученным тем же преобразователем от отражателя известной геометрической формы и величины. Такой метод весьма удобен на практике, т. к. он позволяет полностью отказаться от необходимости расчета коэффициента преобразования электрической энергии в механическую.

Размер дефектов должен выражаться стандартизованной величиной, воспроизводимой при любых измерениях. В качестве такой унифицированной единицы в ультразвуковой дефектоскопии принята эквивалентная площадь (эквивалентный диаметр) S_э дефекта, которая измеряется площадью дна плоскодонного отверстия. Расположенного на той же глубине, что и дефект, и дающего эхо-сигнал такой же амплитуды. Аналогично определяется и эквивалентный диаметр.

Применяют два способа  измерения эквивалентной площади  дефектов: с помощью образцов и по АРД – диаграммам.

В первом способе эхо-сигнал последовательно сравнивается с сигналом от плоскодонных поверхностей различной величины, выполненных на той же глубине, что и дефект в тест - образце, акустические свойства и качество поверхности которого такие же, как в контролируемом изделии.