Приборы и методы акустического контроля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра «Физические методы и приборы контроля качества»

Доклад

Приборы и методы акустического контроля качества

Екатеринбург

Неразрушающий контроль в целом и акустический в частности - явления новые по сравнению с многовековой конструкторско-производственной практикой. Но, несмотря на это, в данных областях уже накоплен огромный объем теоретических знаний и практических наблюдений. Работа направлена на обобщение и систематизацию знаний автора, позволяющих достигнуть более высоких научных результатов в области акустического контроля и его практического применения.

Акустический контроль занимает ведущее место среди других видов НК. В отдельных отраслях промышленности доля этого вида НК составляет более 50 % от общего объема контролируемой продукции. Отличительные особенности акустических методов состоят в возможности эффективного решения комплекса задач дефектоскопии, контроля физико-механических свойств материалов, измерения геометрических размеров объектов контроля. При этом ультразвуковые методы контроля не оказывают вредного влияния на окружающую среду, неопасны для здоровья обслуживающего персонала и позволяют при низких экономических затратах получать достоверную информацию о характере дефектов, расположенных на значительной глубине в материалах, металлоконструкциях и других промышленных изделиях.

Классификация методов акустического контроля

В соответствии с ГОСТ 18353-79 методы НК классифицируются по следующим признакам:

1) характеру взаимодействия физических полей (излучений) с контролируемым объектом;

2) первичному информативному параметру;

3) способу получения первичной информации.

В случае методов акустического контроля указанные признаки позволяют достаточно полно охарактеризовать различные варианты применяемых методов. Так, по характеру взаимодействия УЗ-излучения с контролируемым объектом, методы акустического контроля делятся на следующие группы:

- методы прохождения (прошедшего излучения);

- методы отражения (отраженного излучения);

- импедансный метод;

- метод свободных колебаний;

- метод вынужденных колебаний (резонансный);

- акустико-эмиссионный метод.

По первичному информативному параметру различают методы АК:

- амплитудный;

- временной;

- фазовый;

- частотный;

- спектральный.

По способу получения первичной информации различают методы АК:

- пьезоэлектрический;

- электромагнитно-акустический (ЭМА);

- микрофонный;

- порошковый.

В ГОСТ 23829-79 содержится наиболее полная классификация акустических методов, которая включает как методы неразрушающего контроля, так и методы диагностики (рис. 1). Согласно данной классификации все акустические методы можно подразделить на две большие группы: активные методы (используются режимы излучения и приема УЗ-колебаний) и пассивные методы (используется только режим приема УЗ-колебаний).

акустический контроль теневой эмиссия

Рис.1 Классификация акустических методов (ГОСТ 23829-79)

Теневой метод (метод прохождения)

Теневой метод основан на регистрации уменьшения амплитуды прошедшей волны под влиянием дефекта (рис. 2). Электрические сигналы от генератора (1) поступают на электроакустический преобразователь (2), где они преобразуются в акустические колебания и затем вводятся в контролируемое изделие. Прошедшие через изделие акустические сигналы поступают на приемный преобразователь (3), расположенный с противоположной стороны изделия соосно с излучающим преобразователем. Сигнал, принятый датчиком (3), подается на вход приемника-анализатора (4). Непременным условием данного метода является соотношение , где - длина волны ультразвуковых колебаний, - поперечный размер дефекта.

Информативный параметр метода - амплитуда (A) или время прохождения сигнала (t). Используемое излучение - непрерывное или импульсное.

Теневой метод применяется главным образом для контроля качества листового проката, многослойных материалов, клееных изделий и др. Данный метод имеет высокую помехоустойчивость.

Рис. 2 Схема теневого метода АК: 1 - генератор, 2 - электроакустический преобразователь, 3 - приемный преобразователь, 4 - приемник-анализатор

Методы отражения

В методах отражения используют как один, так и два преобразователя; применяют, как правило, импульсное УЗ-излучение.

Информативные параметры:

- амплитуда (несет информацию о размере дефекта);

- время прихода сигнала (глубина дефекта).

К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии.

Эхо-метод

Метод, основанный на регистрации эхо-сигналов от дефектов. Схема метода приведена на рис. 3. Блоки 1-4 предназначены для генерации УЗК и их регистрации. Блок 5 является совмещенным преобразователем - он излучает и принимает УЗК. На экране индикатора наблюдается зондирующий импульс, отраженный импульс от дна ОК и эхо-сигнал от дефекта. Эхо-метод нашел наибольшее применение в практике АК. С его помощью решают задачи дефектоскопии поковок, литья, сварных соединений, многих неметаллических материалов. Эхо-метод используют также для определения геометрических параметров ОК и контроля физико-механических свойств материала.

Рис. 3 Схема эхо-метода АК: а) 1 - импульсный генератор, 2 - генератор развертки, 3 - индикатор, 4 - усилитель, 5 - приемник сигнала; б) вид эхо-сигналов при отсутствии дефекта (рисунок сверху) и при наличии дефекта (рисунок снизу)

Реверберационный метод

Основан на анализе времени объемной реверберации - процесса постепенного затухания звука в некотором объеме (рис. 6). На рис. 6 представлен пример слоистого объекта контроля, состоящего из трех слоев: металл, пластик и резина. Метод считается индикаторным и эффективно применяется для контроля слоистых и композитных материалов.

Информативные параметры: время гашения ревербераций.

Рис. 6 Реверберационный метод АК: а) схема метода; б) и в) вид осциллограмм (1<2)

Метод свободных колебаний

Метод свободных колебаний основан на анализе частотного спектра свободных колебаний, возбуждаемых в контролируемом изделии (рис. 8). Блоки 1 - 3 предназначены для генерации, излучения и приема УЗК, 5 и 6 относятся к регистрирующей части дефектоскопа.

Рис. 8 Схема локального метода свободных колебаний АК: 1 - генератор, 2 - вибратор, 3 - приемник, 4 - спектроанализатор, 5 -индикатор

Сущность метода заключается в следующем: если твердое тело, обладающее определенной массой, гибкостью и механическим сопротивлением, возбудить резким ударом, то в нем возникнут свободные (или собственные) затухающие колебания.

При заданных размерах и форме изделия, однородности материала, из которого оно изготовлено, частота собственных колебаний является величиной определенной. При наличии дефекта параметры колебательной системы (гибкость, масса) меняются, что ведет к изменению частоты собственных колебаний. Соответственно меняется и спектральный состав колебаний (рис. 9).

Рис. 9 Спектральный состав акустического сигнала в методе свободных колебаний: изделие с дефектом (1) и без него (2)

Этот метод позволяет выявить нарушения жесткой связи между слоями в слоистых конструкциях, а также внутренние дефекты в массивных изделиях.

Комбинированные методы

В основу положены явления отражения акустической волны от дефекта и изменения параметров акустических сигналов при их прохождении через дефект.

К комбинированным методам относятся:

- зеркально-теневой метод;

- эхо-теневой метод;

- эхо-сквозной метод.

Зеркально-теневой метод (рис. 11) основан на измерении амплитуды донного сигнала. По технике выполнения это метод отражения (фиксируется эхо-сигнал), а по физической сущности контроля он близок к теневому методу (измеряется ослабление сигнала, дважды прошедшего контролируемое изделие в зоне дефекта).

Рис. 11 Схема зеркально-теневого метода АК: 1 - излучатель, 2 - приемник

Информативный параметр - амплитуда донного сигнала. Критерием наличия дефекта при контроле зеркально-теневым методом является уменьшение донного эхо-импульса.

К недостаткам метода можно отнести:

- невысокую чувствительность к отдельным мелким дефектам;

- требование повышенной стабильности акустического контакта;

- шероховатость поверхности приводит к уменьшению достоверности результатов.

Эхо-теневой метод

Основан на анализе как прошедших, так и отраженных волн (рис. 12).

Информативные параметры:

- амплитуда сигнала;

- время прохождения.

Рис. 12 Схема эхо-теневого метода АК: 1, 2 - излучающий и приемный преобразователи, 3 - генератор, 4, 5 - приемник

Достоинства метода:

- большая вероятность обнаружения дефектов;

- возможность оценки характера дефектов.

Эхо-теневой метод применяется при механизированном контроле сварных стыков труб.

Пассивные методы

Метод акустической эмиссии

Использует бегущие волны, которые излучаются самим объектом контроля в результате динамической внутренней перестройки структуры (рис. 14). Процесс развития трещины сопровождается сигналами акустической эмиссии, говорят “дефект трещит”.

Рис.14 Схема метода акустической эмиссии: - внешняя сила

Источники акустической эмиссии:

возникновение и развитие микротрещины;

процессы пластической деформации (стадии предразрушения);

процессы коррозии;

процессы фазовых превращений (плавление, кристаллизация, полиморфные и мартенситные превращения и др.);

фрикционные явления (трение);

процессы намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков;

процессы электризации.

Из перечисленных источников акустической эмиссии процессы 4-7 чаще являются источником помех.

Информативные параметры акустической эмиссии (АЭ):

- суммарный счет N - число зарегистрированных импульсов АЭ, превышающих установленный порог за все время наблюдения;

- скорость счета ;

- число импульсов, превышающих установленный порог в единицу времени;

- спектр частот;

- амплитуда сигнала А.

Приборы, использующие явление АЭ, - компьютеризированные многоканальные приборы. Пример схемы, использующей явление АЭ для выявления развивающихся дефектов типа трещин в сосуде, приведен на рис. 15.

Рис. 15 Структурная схема метода акустической эмиссии: 1 - котел, 2, 3, 4, 5 - приемные преобразователи, 6 - сумматор, 7 - анализатор

По разнице времени прихода сигнала от датчика определяют месторасположение дефекта. Метод АЭ пригоден не только для контроля и диагностики, но и для исследований прочностных свойств материалов. Недостатком метода является повышенная чувствительность к помехам и шумам.

Размещено на Allbest.ru