«Выбор методов и средств измерений линейных размеров.»

2.2 Выбор методов и средств неразрушающего контроля

Выбор метода неразрушающего контроля для заданных видов дефектов производим по таблице, представленной в учебнике под ред. Клюева В.В [7]:

Таблица 13
Методы неразрушающего контроля для заданных видов дефектов

Тип детали	Вид дефекта	Вид неразрушающего контроля
Корпус	Раковины шлаковые	Радиационный (4)
		Акустический (4)
	Неметаллические включения	Радиационный (4)
		Акустический (4)
Вал	Трещины закалочные	Магнитный (4)
		Капиллярный (4)
		Вихретоковый (4)
		Акустический (4)

Были выбраны акустический и радиационный НК.

2.3 Разработка схем приборов неразрушающего контроля


.3.1 Акустический метод неразрушающего контроля
Акустический НК - вид НК, основанный на регистрации параметров упругих волн, возбуждаемых или возникающих в контролируемом объекте.
Классификация методов контроля
Известно много акустических методов неразрушающего контроля, некоторые из которых применяются в нескольких вариантах. Классификация акустических методов показана на рис. 6. Их делят на две большие группы - активные и пассивные методы.
Активные методы основаны на излучении и приеме упругих волн, пассивные - только на приеме волн, источником которых служит сам контролируемый объект.
Активные методы делят на методы прохождения, отражения, комбинированные (использующие как прохождение, так и отражение), импедансные и методы собственных частот.
Методы прохождения используют излучающие и приемные преобразователи, расположенные по разные или по одну сторону от контролируемого изделия. Применяют импульсное или (реже) непрерывное излучение и анализируют сигнал, прошедший через контролируемый объект [7].



Рис. 13. Классификация акустических методов неразрушающего контроля

Исторически методы прохождения применяли только для обнаружения несплошностей, меняющих параметры сквозного сигнала вследствие образования за дефектом акустической тени. Поэтому их называли «теневыми». Однако затем эти методы начали использовать для контроля прочности, пористости, структуры и других параметров материала, не связанных с наличием тени. Поэтому теневой метод - частный случай метода прохождения.

Рис.14. Методы прохождения
К методам прохождения относят [7]:

• 
  амплитудный теневой метод, основанный на регистрации уменьшения амплитуды волны, прошедшей через контролируемый объект, вследствие наличия в нем дефекта (рис. 14, а);
  
• 
  временной теневой метод, базирующийся на регистрации запаздывания импульса, вызванного увеличением его пути в изделии при огибании дефекта (рис. 14,б); тип волны при этом не меняется;
  
• 
  метод многократной тени. Он аналогичен амплитудному методу прохождения, но о наличии дефекта судят по амплитуде сквозного сигнала (теневого импульса), многократно (обычно двукратно) прошедшего между параллельными поверхностями изделия. Метод более чувствителен, чем теневой или зеркально-теневой, так как волны проходят через дефектную зону несколько раз, но менее помехоустойчив.
  
• 
  В фотоакустической микроскопии акустические колебания генерируются вследствие термоупругого эффекта при освещении образца модулированным световым потоком (например, импульсным лазером), сфокусированным на поверхности образца. Энергия светового потока, поглощаясь в материале, порождает
  

тепловую волну, параметры которой зависят от теплофизических характеристик объекта контроля. Тепловая волна приводит к появлению термоупругих колебаний, которые регистрируются, например, одним пьезоэлектрическим детектором.

• 
  Сканирование поверхности ОК лучом лазера синхронизовано с разверткой экрана дисплея. Сканируя лучом поверхность исследуемого объекта, можно получить информацию о его однородности.
  
• 
  Ультразвуковая реконструктивная томография - сквозное прозвучивание ОК по разным направлениям с выделением особенностей ОК, полученных при разных направлениях лучей.
  
• 
  Метод лазерного детектирования - метод визуального представления акустических полей в твердых средах. Визуализация достигается путем наблюдения за смещениями точек поверхности, вдоль которой распространяется УЗ волна, с помощью лазерного интерферометра.
  

•Термоакустический метод контроля называют также ультразвуковой локальной термографией. Метод состоит в том, что в объект контроля вводятся мощные низкочастотные (около 20 кГц) УЗ колебания. На дефекте происходит превращение УЗ колебаний в тепло. Повышение температуры фиксируется термовизором. УЗ колебания модулированы по амплитуде частотой в несколько герц. Такую же модуляцию будут иметь и тепловые волны. Это существенно повышает возможность регистрации и локализации дефектов.
•Велосиметрический метод, основанный на регистрации изменения скорости распространения дисперсионных мод упругих волн в зоне дефекта и применяемый при одностороннем и двустороннем доступе к контролируемому объекту (рис. 14, в). В этом методе обычно используют преобразователи с сухим точечным контактом. В варианте с односторонним доступом (рис. 14, верх) скорость возбуждаемой излучателем антисимметричной волны нулевого порядка (а₀) в отделенном дефектом слое меньше, чем в бездефектной зоне. При двустороннем доступе (рис. 14, внизу) в бездефектной зоне энергия передается продольной волной L, в зоне дефекта - волнами а₀, которые проходят больший путь и распространяются с
меньшими скоростями, чем продольная волна. Дефекты отмечаются по изменению фазы или увеличению времени прохождения (только в импульсном варианте) по контролируемому изделию.
В методах отражения используют как один, так и два преобразователя; применяют импульсное излучение. К этой подгруппе относят следующие методы дефектоскопии.
Эхо-метод (рис. 15, а) основан на регистрации эхо-сигналов от дефекта. На экране индикатора обычно наблюдают посланный (зондирующий) импульс I, импульс III, отраженный от противоположной поверхности (дна) изделия (донный сигнал) и эхо-сигнал от дефекта II. Время прихода импульсов II и III пропорционально глубине залегания дефекта и толщине изделия. При совмещенной схеме контроля (рис. 15, а) один и тот же преобразователь выполняет функции излучателя и приемника.
Если эти функции выполняют разные преобразователи, то схему называют раздельной.
Акустическая микроскопия отличается от обычного эхо-метода повышением на один-два порядка частоты УЗ, применением острой фокусировки и автоматическим или механизированным сканированием объектов небольшого размера. В результате удается зафиксировать небольшие по размеру изменения акустических свойств в ОК. Метод позволяет достичь разрешающей способности в сотые доли миллиметра. Возможна акустическая микроскопия с использованием прохождения волн.



Рис. 15. Методы отражения

Когерентные методы отличаются от других методов отражения тем, что в качестве информативного параметра помимо амплитуды и времени прихода импульсов используется также фаза сигнала. Благодаря этому повышается на порядок разрешающая способность методов отражения и появляется возможность наблюдать изображения дефектов, близкие к реальным. Наиболее эффективным когерентным методом является компьютерная акустическая голография.

Эхо-зеркальный метод основан на анализе сигналов, испытавших зеркальное отражение от донной поверхности изделия и дефекта, т.е. прошедших путь ABCD (рис. 15, б). Вариант этого метода, рассчитанный на выявление вертикальных дефектов в плоскости EF, называют методом тандем. Для его реализации при перемещении преобразователей А и D поддерживают постоянным значение 1_А + l_D = 2Н tga; для получения зеркального отражения от невертикальных дефектов значение l_A + l_D варьируют [7].
Один из вариантов метода, называемый «косой тандем», предусматривает расположение излучателя и приемника не в одной плоскости (рис. 15, б, вид в плане внизу), а в разных плоскостях, но таким образом, чтобы принимать зеркальное отражение от дефекта.
Другой вариант эхо-зеркального метода - с трансформацией типов волн на дефекте (Т-тандем). Например, преобразователь 2 излучает поперечную волну под углом ввода а, большим 57° (для стали). Угол падения на вертикальный дефект 90° - а будет меньше третьего критического, поэтому произойдет частичная трансформация поперечной волны в продольную, направленную в сторону дна ОК. Продольная волна далее отразится от дна ОК и будет принята другим преобразователем.
Еще один вариант, называемый К-метод, предусматривает расположение преобразователей по разные стороны изделия, например располагают приемник в точке С.
Дельта-метод (рис. 15, в) основан на приеме преобразователем для продольных волн 4, расположенным над дефектом, рассеянных на дефекте волн, излученных преобразователем для поперечных волн 2.
Дифракционно-временной метод (рис. 15, г), в котором излучатели 2 и 2', приемники 4 и 4' излучают и принимают либо продольные, либо поперечные волны, причем могут излучать и принимать разные типы волн. Преобразователи располагают так, чтобы получать максимумы эхо-сигналов волн, дифрагированных на концах дефекта. Измеряют амплитуды и время прихода сигналов от верхнего и нижнего концов дефекта.
Реверберационный метод (рис. 15, д) использует влияние дефекта на время затухания многократно отраженных ультразвуковых импульсов в контролируемое объекте. Например, при контроле клееной конструкции с наружным металлическим слоем и внутренним полимерным слоем дефект соединения препятствует передаче энергии во внутренний слой, что увеличивает время затухания многократных эхо-сигналов во внешнем слое Отражения импульсов в полимерном слое обычно отсутствуют вследствие большого затухания ультразвука в полимере.
Конструкции преобразователей
Пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) - устройство, предназначенное для преобразования электрической (акустической) энергии в акустическую (электрическую). Принцип работы преобразователя основан на использовании пьезоэлектрического эффекта.
Наиболее широкое применение в ультразвуковой дефектоскопии получили контактные преобразователи. Конструкции основных типов преобразователей приведены на рис. 16.



Рис.16. Конструкции пьезопреобразователей

Пьезопластина 1 в контактном прямом совмещенном пьезопреобразователе (рис. 16, а) приклеена или прижата с одной стороны к демпферу 2, с другой - к протектору 3.

Пьезопластину, демпфер и протектор, склеенные между собой, называют вибратором. Вибратор размещен в корпусе 6. С помощью выводов 7 пьезопластину соединяют с электронным блоком дефектоскопа. Контактная жидкость (смазочный материал) 4 обеспечивает передачу упругих колебаний ультразвуковой частоты преобразователя к контролируемому изделию 5 и наоборот.
Прямые преобразователи предназначены для возбуждения продольных волн. В контактных наклонных совмещенных преобразователях (рис. 16, б) для ввода ультразвуковых колебаний под углом к поверхности контролируемого изделия применяют призму 8. Эти преобразователи предназначены для возбуждения в основном сдвиговых (поперечных) и поверхностных волн, а также продольных волн, наклонных к поверхности контролируемого объекта.
Вибратор контактных раздельно-совмещенных преобразователей (рис. 16, в) состоит из двух призм 8 с приклеенными к ним пьезопластинами 1, которые разделены электроакустическим экраном 9. Он служит для предотвращения прямой передачи сигналов от излучающей пьезопластины, подключенной к генератору, к приемной пьезопластине, подключенной к усилителю электронного блока дефектоскопа.
Пьезопластина обычно имеет толщину, равную половине длины волны ультразвука в пьезоматериале на рабочей частоте. Противоположные поверхности пьезопластины покрыты металлическими (обычно серебряными) электродами для приложения электрического поля. Во избежание пробоя область по краям пластины не металлизируют. Формой электродов определяются работающие участки пьезопластины. На высоких частотах (20 ... 30 МГц) присоединенная масса электродов смещает резонансную частоту пьезопластины в область более низких частот.
Демпфер служит для ослабления свободных колебаний пьезопластины, управления добротностью преобразователя и защиты пьезопластины от механических повреждений. Материал и форма демпфера должны обеспечивать достаточное затухание и отвод колебаний, излученных пьезопластиной в материал демпфера без возвращения их к пластине. Ослабление колебаний пьезопластины тем сильнее, чем лучше согласованы характеристические импедансы материалов пьезопластины и демпфера.
Демпферы обычно изготавливают из искусственных смол (эпоксидных) с добавками порошковых наполнителей с высокой насыпной плотностью, необходимой для получения требуемого характеристического импеданса. Для уменьшения многократных отражений демпфер выполняют в виде конуса, либо тыльную поверхность демпфера выполняют непараллельной пьезопластине. либо в материал демпфера вводят рассеиватели.
Протектор служит для защиты пьезопластнны от механических повреждений и воздействия иммерсионной или контактной жидкости, согласования материала пьезопластины с материалом контролируемого изделия или средой, улучшения акустического контакта при контроле контактным способом. Материал протектора должен обладать высокой износостойкостью и высокой скоростью звука, которая определяет необходимую толщину. Последняя обычно выбирается равной 0,1…0,5 мм.
Для изготовления протекторов применяют кварц, сапфир, бериллий, сталь, твердые сплавы, керамику, а также материалы на основе эпоксидных смол с порошковыми наполнителями (кварцевый песок, корундовый порошок) и т.п.
Для обеспечения стабильности акустического контакта протектор делают из эластичного материала с большим затуханием ультразвука и волновым сопротивлением, близким к сопротивлению контактной жидкости, например из пленки полиуретана. Такой протектор облегает неровности поверхности изделия и способствует устранению интерференции в слое контактной жидкости, т.е. основной причины нестабильности контакта [7].
Для улучшения передачи ультразвука от пьезопластины в иммерсионную жидкость используют четвертьволновые протекторы, обеспечивающие просветление границы пьезопластина - жидкость.
Призму изготовляют обычно из материала с небольшой скоростью звука (оргстекло, капролон, поликарбонат, полиамидоимид, деклон, эпоксидные компаунды), что позволяет при относительно небольших углах падения получать углы преломления до 90°. Высокое затухание ультразвука в призме обеспечивает ослабление не вошедшей в изделие волны, которое увеличивается в результате многократных отражений. Для улучшения этого эффекта в призме часто предусматривается ловушка, удлиняющая путь отраженных колебаний. На пути этих колебаний располагают зоны небольших отверстий, грани призмы выполняют ребристыми или приклеивают к ним материалы с приблизительно одинаковым характеристическим импедансом, но со значительно большим затуханием.
Для того чтобы в изделие проходили волны только одного типа, угол падения (наклона призмы) делают либо небольшим (при этом поперечные волны практически не возбуждаются), либо в интервале между первым и вторым критическим углами. В этом случае при переходе из призмы в изделие излучаемые пьезопластиной продольные волны трансформируются в поперечные. Для пары оргстекло - сталь эти условия выполняются при углах < 7° и 28° < < 58°. Призмы с малыми углами используют обычно в раздельно-совмещенных, а с большими углами - в наклонных преобразователях. Кроме того, призмы с углами 27 и 60° используют для возбуждения
головной волны и поверхностной волны Рэлея соответственно.
Для возбуждения наклонных к поверхности продольных волн призмы делают с углами 18 ... 24°. Такие преобразователи применяют для контроля сварных соединений из аустенитных сталей. Поперечные волны в изделиях в этом случае являются источником помех.
Для получения произвольных углов ввода применяют универсальные (с переменным углом ввода) преобразователи, в которых с помощью простого механизма пьезоэлемент перемещают по окружности полуцилиндра либо изменяют его положение внутри призмы или локальной ванны.
В раздельно-совмещенных преобразователях призма должна удовлетворять дополнительным требованиям. Например, в толщинометрии важно, чтобы время прохождения колебаний сквозь призму не зависело от температуры, поэтому в этом случае призму изготовляют, например, из плавленого кварца, имеющего малые температурные коэффициенты линейного расширения и изменения скорости ультразвука.
Корпус служит для обеспечения прочности конструкции, а также для экранирования от электромагнитных помех, поэтому корпус из пластмассы металлизируют.
Электрические контакты выполняют пайкой легкоплавкими припоями, особенно на пьезокерамических пластинах, во избежание их располяризации.
Для соединения преобразователя с электронным блоком дефектоскопа применяют максимально гибкий кабель (микрофонный или коаксиальный). Часто для согласования с электронным блоком дефектоскопа внутри корпуса преобразователя размещают трансформатор, катушку индуктивности, резистор, а иногда и предварительный усилитель.
Ультразвуковой эхо-метод
Ультразвуковой эхо-дефектоскоп предназначен для обнаружения несплошностей и неоднородностей в изделии, определения их координат и размеров и характера путем излучения импульсов ультразвуковых колебаний, приема и регистрации отраженных от неоднородностей эхо-сигналов [7].
Преобразователь 2 служит для преобразования электрических колебаний в ультразвуковые, излучения УЗ-полей в изделие, приема эхо-сигналов от отражающих поверхностей в изделии 1.
Синхронизатор 3 обеспечивает синхронную работу узлов дефектоскопа, запуская генератор 4 импульсов возбуждения преобразователя, глубиномер 12, а также генератор развертки 10. Роль синхронизатора иногда выполняет генератор зондирующих импульсов.



Рис.17.Структурная схема эхо-дефектоскопа

Генератор 4 импульсов возбуждения преобразователя вырабатывает высокочастотные электрические импульсы, возбуждающие преобразователь. Обычно генерируются ударные экспоненциально затухающие импульсы, хотя энергетически более рациональной их формой является колоколообразная. В некоторых приборах регулируются амплитуда и длительность генерируемых импульсов.

Приемно-усилительный тракт состоит из усилителя высокой частоты (УВЧ) 6, детектора 7 и видеоусилителя 8. УВЧ выполняется апериодическим (широкополосным) или резонансным. Коэффициент усиления УВЧ во времени регулируется напряжением, подаваемым с блока 9 временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ).

Особенностью усилителя высокой частоты является требование малого времени x_v восстановления чувствительности после воздействия импульса генератора (в случае включения преобразователя по совмещение схеме). На входе (или вблизи входа) усилителя включают калибровочный аттенюатор 5 для относительного измерения амплитуд эхо-сигналов.

Детектор или видеоусилитель обычно снабжают регулируемой отсечкой шумов, исключающей прохождение на выход дефектоскопа сигналов небольшой амплитуды (в том числе шумов). Особенно эффективна компенсированная отсечка, при которой восстанавливаете амплитуда оставшихся после отсечки сигналов. Во многих приборах детектор можно отключать, чтобы на экране 14 наблюдать истинную форму принимаемых импульсов.
Блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) уменьшает коэффициент усиления усилителя в момент излучения кодирующего импульса, а затем восстанавливает его по определенному закону, обеспечивающему компенсацию уменьшения амплитуд с увеличением глубины залегания дефекта. Его также называют блоком временной регулировки чувствительности (ВРЧ). Но многих приборах система ВАРУ приближенно обеспечивает постоянство предельной чувствительности по глубине.
Генератор развертки 10 предназначен для формирования напряжения развертки луча на экране 14, получения импульсов подсвета и селектирующих импульсов (длительность развертки и селектирующего импульса выбирают с учетом толщины контролируемого слоя).



Рис. 18. Развертка
1. Горизонтальная развертка типа А (рис. 18, а) синхронизирована с перемещением импульса в изделии. Отклонение луча в вертикальном направлении пропорционально амплитуде принятого эхо-сигнала. Сигнал 1 соответствует зондирующему импульсу, сигнал 2 - донному сигналу; между ними располагается эхо-сигнал 3 от дефекта.
. Если часть пути ультразвука проходит по неконтролируемой среде, например иммерсионной жидкости, то начало развертки задерживается на постоянный интервал времени или она запускается начальным сигналом 4,отраженным от поверхности изделия (рис.18, б). Задержанная развертка применяется также для увеличения масштаба изображения некоторого участка экрана ЭЛТ («лупа времени»). Штриховыми линиями изображены сигналы, которые при правильной настройке не видимы на экране ЭЛТ. К ним относится, например, импульс 5, соответствующий двукратному прохождению УЗК в иммерсионной жидкости. Для того чтобы оп не попадал в зону, в которой может появиться эхо-сигнал от дефекта, должно выполняться неравенство

,

где r_ж и r - пути в иммерсионной жидкости и изделии; с_ж и с - скорости звука в этих средах.
. Развертка типа В (рис.18, в) представляет собой сечение контролируемого изделия. Отклонение луча по вертикали пропорционально времени пробега импульса в изделии, отклонение по горизонтали - перемещению искателя по поверхности изделия. Принятые начальный 4 и донный 2 импульсы и эхо-сигнал 3 от дефекта управляют подсветкой луча ЭЛТ. Развертка может быть получена только на ЭЛТ с послесвечением или на самописце.
4. Развертка типа С (рис.18, г) представляет план участка изделия.
Вертикальное и горизонтальное отклонения луча соответствуют перемещению искателя в двух направлениях по поверхности изделия. Эхосигналы 3 от дефектов управляют подсветкой луча ЭЛТ. Развертка может быть получена на ЭЛТ с длительным послесвечением пли на самописце.
В ряде случаев функции генератора развертки и глубиномера совмещаются. Задержанная развертка применяется также для увеличения масштаба изображения некоторого участка экрана («лупа времени»).
Глубиномер 12 служит для определения координат отражателей (дефектов) путем измерения времени пробега импульса до отражателя и обратно. Он выполнен в виде шкалы на экране или устройства, генерирующего вспомогательный импульс, перемещаемый по линии развертки при повороте калиброванной шкалы, либо серию вспомогательных импульсов, разделенных заданными интервалами. В наиболее совершенном виде устройство дает цифровую индикацию расстояния от преобразователя до отражающей УЗК неоднородности [7].
Индикатором служит электроннолучевая трубка, однако в дефектоскопах последних выпусков индикатором является плазменный или жидкокристаллический дисплей. Такие экраны портативны и более экономичны.
Автоматический сигнализатор дефектов 13 предназначен для подачи звукового или светового сигнала при одновременном поступлении на каскад совпадений селектирующего сигнала и видеосигналов, что освобождает оператора от необходимости одновременного наблюдения за экраном дефектоскопа и перемещаемым преобразователем.
Дефектоскопы разделяют на два типа: общего назначения и специализированные. Дефектоскопы общего назначения - это дефектоскопы, на которые в стандартах и технических условиях не установлен конкретный объект контроля, специализированные дефектоскопы - дефектоскопы, на которые в стандартах и технических условиях установлен тип контролируемого изделия.
Дефектоскопы общего назначения предназначены для использования в производственно-монтажных и в лабораторных условиях, а также для комплектации автоматизированных установок.
К дефектоскопам, используемым в производственно-монтажных условиях, предъявляются требования небольшой массы, простоты управления и способности работать в автономном режиме. Приборы для использования в лабораторных условиях, как правило, более универсальны. Они имеют большее число регулируемых узлов, снабжены блоками коммутации для совместной работы нескольких приборов. Приборы для комплектации автоматизированных установок обычно выполняются со сменными узлами, что позволяет расширить их функциональные возможности.
В современных дефектоскопах широко используют элементы вычислительной техники для настройки в диалоговом режиме работы, быстрого воспроизведения
режимов настройки на контроль определенных изделий, автоматического измерения характеристик дефектов.