Приборы и методы акустического контроля

 

Угол призмы рассчтывается из закона Снелиуса:

                   

,                                                    (4.2)

где и - скорости волн в призме и изделии соответсвенно.

Получаем β=arcsin( )=arcsin( )=25º

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

                                                   (4.3)

Примем толщину пластины 0,66 мм.

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 4.1), 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:

 

                  ,           (4.4)

    Чтобы найти стрелу преобразователя, воспользуемся схемой, изображенной на рисунке 4.1

 

Рисунок 4.1.- Схема хордового преобразователя для расчета стрелы преобразователя

                                              ,

где .

Значит, .

Так как треугольники ОАС и АDК подобны, то    .

Следовательно,

                           r=c+t+S,

где t- толщина стенки корпуса преобразователя, 1 мм;

      S- половина ширины сварного шва, 6,5 мм.

r= 10,2+1+6,5=17,7

          

          

             

Стрела преобразователя  равна 

Рассчитаем AD:

.

(4.5)

 

Рисунок 4.2– Расчетная схема преобразователя

 

Путь центрального луча в призме определяется из условия:

 

    (4.5)

 

 Вычислим угол раскрытия основного лепестка диаграммы направленности

 

               (4.6)

 

Параметры наклонного преобразователя  для контроля головным волнами определяются аналогично. Угол ввода выберем .Угол призмы равен:

 

                       (4.7)

Принимаем рабочую частоту  f_p2=2,5 МГц.

Выберем радиус пъезопластины 6 мм.

           Толщина пластины h_п:

                               (4.8)

 

Стрелу преобразователя  считаем по формуле:

                           , (4.9)

Учтем толщину стенки корпуса 1мм, а также рифленость стенки призмы, и примем n=8 мм

Рассчитаем AD:

(4.10)

Путь центрального луча в призме определяется из условия:

 

 (4.11)

Вычислим угол раскрытия  основного лепестка диаграммы направленности

 

                  (4.12)

 

Таким образом преобразователь  состоит из следующих составных элементов: пьезопластины, 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.

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 [8].

Разработанные пьезоэлектрический преобразователи имеют следующие характеристики:

Параметр	Хордовый преобразователь	Наклонный преобразователь
Размер пъезопластины 2а	12мм	12мм
Угол ввода α	65˚	90˚
Угол наклона призмы β	25o	27,8o
Стерла преобразователя	13 мм	8мм
Путь центрального луча в призме rп	13,4 мм	18 мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Разработка методики  контроля и технических средств

 

5.1 Выбор частоты УЗ  волн

 

Частота контроля определяется в основном коэффициентом затухания, минимальными размерами выявляемых дефектов и габаритами контролируемого изделия. Зная эти характеристики, можно оценить и выбрать оптимальную частоту, которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля при минимальных потерях ультразвуковой энергии на рассеяние и поглощение.

Одним из главных критериев  выбора оптимальной частоты является допустимый размер дефекта, который в данном случае составляет b_min=1×10^-3 м. Т.е. необходимо, чтобы удовлетворялось условие l<2b_min (l<b_min). А, как известно, длина волна l непосредственно связана с частотой. Следует также иметь в виду, что чем выше частота, тем меньше длина волны и тем лучше условия отражения от дефектов. Кроме того, повышение частоты увеличивает направленность излучения и приема, что ведет к возрастанию отношения отраженной от дефекта энергии к общей энергии, вводимой в изделие. Однако с повышением частоты повышается коэффициент затухания ультразвука, ухудшаются условия прохождения волн через поверхность ввода, увеличивается интенсивность отражений от границ зерен и неоднородностей материала, не являющихся дефектами [7]. На основании всех перечисленных критериев и с учетом того, что желательно ориентироваться на стандартные преобразователи, выпускаемые промышленностью, которые имеют определенный ряд конкретных значений частот, выбираем предварительно частоту прозвучивания равной 2,5 МГц..

 

5.2 Выбор типа УЗ  волн и направления их распространения  в изделии

 

Выбор вида УЗ-волн определяется габаритами и формой контролируемого изделия, а также характером и местом расположения дефектов.

Согласно рекомендациям, предложенным в [5], для сварных деталей толщиной 12 мм эффективно применение наклонных  РС преобразователей с углом ввода α ₀ = 50^˚ -70^˚ и рабочей частотой f_p=1,8-2,5 МГц для контроля продольными волнами, а также наклонных преобразователей с углом ввода α₀ = 80^˚ -90^˚ для контроля головными волнами. Примем угол ввода наклонного РС преобразователя 65^˚, а для наклонного преобразователя 90^˚.

 

 

 

 

5.3 Выбор мест ввода  УЗ-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. Рассчитаем расстояние L, определяющее положение наклонного РС преобразователя на поверхности изделия.

 

 

Рисунок 5.3.1-Расчет положения преобразователя.

 

                                                 L=dּtgα                                                  (5.1)

 

где L-расстояние от точки ввода ультразвука до оси симметрии сварного шва;

d-толщина стенки изделия;

a-угол ввода ультразвуковых волн в изделие;

 

                                             L=0.012ּtg65˚=0.0258м=25,8мм.

Наклонный преобразователь  для контроля головными волнами ставится впритык к сварному шву.

 

5.4 Выбор способа контакта

 

В зависимости от толщины  слоя контактной смазки h_см в акустическом контроле различают три способ ввода ультразвуковых колебаний (акустического контакта):

• контактный (h_см < l);
• щелевой (h_см » l);
• иммерсионный (h_см >> l).

В данном случае объект контроля прошел точное литье, что налагает определенные условия на качество его поверхности. Т.е. можно считать шероховатость поверхности приемлемой для обеспечения контактного способа ввода ультразвуковых колебаний через слой контактной смазки.

При контактном способе слой жидкости имеет толщину меньше длины волны ультразвука в ней. Этого достигают путем плотного прижатия преобразователя к объекту контроля, на поверхность которого предварительно наносят смазку. Нарушение жидкой прослойки или изменение ее толщины приводит к изменению качества акустического контакта и, как следствие, к снижению достоверности результатов контроля [6]. Поэтому при проектировании устройства сканирования и прозвучивания заданного изделия необходимо обеспечить постоянный акустический контакт преобразователя с объектом контроля.

Для создания стабильного акустического  контакта в качестве контактной смазки для данного случая будет использоваться ингибитор. На практике широко применяют ингибиторный смазочный материал, состоящий из технического нитрата натрия – 1,6 кг; крахмала – 0,24 кг; технического глицерина – 0,45 кг; технической кальцинированной соды – 0,048 кг. Соду и нитрид натрия растворяют в 5 л воды и кипятят. Крахмал растворяют в 3 л воды и вливают в кипящий раствор нитрата натрия и соды. Затем смесь кипятят еще 3 – 4 минуты, после чего в нее вливают глицерин и охлаждают.

 

5.5 Выбор способа регистрации  и расшифровка результатов контроля

 

Регистрация результатов  контроля будет производиться оператором путем визуального наблюдения за экраном осциллографа дефектоскопа. Так как объект имеет постоянную толщину стенки, то перенастраивать дефектоскоп на иную глубину прозвучивания, т.е. изменять зону стробирования не нужно.

 

Рассчитаем зону стробирования  для установки преобразователей на контролируемое изделие.

Зона стробирования  на экране осциллографа дефектоскопа будет рассчитываться исходя из скорости распространяющейся в объекте контроля волны и максимального расстояния подлежащего прозвучиванию для данного устройства преобразователя. Т.е. величина зоны стробирования (в секундах) будет рассчитана по формуле:

 

                         ,    (5.1)

 

где h – толщина объекта контроля для данного положения преобразователя;

      С –  скорость акустической волны, вводимой в объект контроля.

Для преобразователя  величина h рассчитывается как толщина изделия в зоне предполагаемого дефекта деленная на косинус угла ввода луча в объект контроля (65°).

                                             

                                                     (мм)

 

Тогда: 

 

                                     (с), 

 

Примем ширину зоны стробирования для этого случая равной 5 мкс.

Для наклонного преобразователя  для контроля головными волнами будет равна сумме длины стрелы преобразователя и ширины сварного шва:  . Тогда   . Примем ширину зоны стробирования для этого случая равной 4 мкс.                                                  

 

5.6 Выбор или разработка  технических средств контроля

 

Для создания требуемого напряжения на пьезоэлементе и регистрации  импульсов, приходящих от пьезоэлектрического  преобразователя, используются ультразвуковые эхо-дефектоскопы.