Разработать технические средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля специзделия

 

Таблица 2.6 – основные технические характеристики дефектоскопа УД4-76

Параметр	Значение
Рабочие частоты	от 0,4 до 15 МГц
Диапазон контроля (по стали)	0…12 000 мм
Динамический диапазон усиления приемного тракта	100 дБ
Абсолютная погрешность при измерении глубины залегания дефекта	±(0,1+0,005 Нх) мм
Абсолютная погрешность при измерении отношения амплитуд сигналов	±(0,2+0,03 Nx) дБ
Масса дефектоскопа, не более	3,5 кг
Габаритные размеры (без ручки)	247 × 147 × 80 мм

 

Сравнение основных параметров контроля представлено в таблице 2.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.6 – Сравнение основных представленных дефектоскопов

	Полоса пропускания, МГц	Диапазон контроля, мм	Усиление сигнала	Диапазон скоростей, м/с	Диапазон температур	Размер дисплея и разрешение	Типы развертки	Память(колличество результатов)	Время автономной работы
УСД-60	0.4 - 20	До 3000	90 дБ	1000-9999	-10… +50°С	TFT 135 x 100 мм (640 х 480 пикселей)	А-скан,   В-скан, С-скан	5000	7-8 ч
A1212	0.5 - 15	До 3500	100 дБ	1000-15000	-20… +50°С	320 х 240 пикселей	А-скан, В-скан	500	15 ч
USLT 2000	0.5 - 20	До 10000	110 дБ	1000-15000	-20… +55°С	10.4” VGA (1024*768 пикселей)	А-скан, В-скан	99999	4 ч
УД4-76	0.4 - 15	До 12000	100 дБ	1000-9999	-40… +55°С	TFT (640 х 480 пикселей)	А-скан, В-скан	5000	6-8 ч
УД2-70	1.25-10	До 5000	100 дБ	1000-9999	-10… +50°С	640 х 480 пикселей	А-скан,   В-скан	2000	6-8 ч
USM35	0,8 - 8	До 1420	110 дБ	1000-15000	-20… +50°С	320 х 240 пикселей	А-скан,   В-скан	5000	14 ч

 

После анализа дефектоскопов выбираем дефектоскоп УД4-76. Его параметры наиболее подходят для контроля предложенного в задании изделия. Данный дефектоскоп распространен в странах СНГ, надежен, функционален, прост в освоении, имеет относительно малую стоимость.

 

2.3 Анализ  сканирующих устройств для УЗ контроля

 

Выпускаются устройства для ручного УЗК, облегчающие работу оператора и позволяющие повысить эффективность контроля.

Ручной сканер HSTC-X01 представлен на рисунке 2.11. Этот ручной сканер в форме кронциркуля открывает новые возможности для быстрого проведения ручного контроля, включая запись данных [10].

 

 

Рисунок 2.11 – Ручной сканер HSTC-X01

 

Возможности:

- Ручной  однокоординатный сканер для  контроля плоских поверхностей, труб и неровных поверхностей.

- Дизайн "подключай и работай".

- Компактный, легкий, универсальный.

- Работает  в любом направлении.

- Расстояния  между датчиками легко регулируются, и углы могут быть установлены  на 45º, 60º и 70º.

Преимущества: быстрый контроль; крепкий корпус; полный диапазон призм и преобразователей; применяется для контроля труб, камер высокого давления, резервуаров хранения и деталей конструкции.

Комплектация:

- сканер;

- два  преобразователя на 5-МГц (6 мм в  диаметре) с разъемами LEMO® 

- комплект  призм  на  45º, 60º и  70º;

- кодировщик  на колесиках;

- два  кабеля 3 м;

- переносной  кейс.

HSFCS-XY01 - гибкий сканер, обладает необходимой гибкостью для контроля неровных и наклонных поверхностей (рисунок 2.12). Система множественных чашечных присосов держит сканер на детали. HSFCS-XY01  также может быть с чашечными присосами, активируемыми вручную, что исключает необходимость использования компрессора [10].

 

 

Рисунок 2.12 – Сканер HSFCS-XY01

 

Контроль осей и осевых заготовок производится при помощи оптического координатного устройства (рисунок 2.13), которое служит для определения положения ПЭП на торце заготовки. Использование координатного устройства позволяет наряду с определением глубины залегания дефекта определять положение дефекта относительно центра заготовки, а также обеспечивает контроль за перемещением ПЭП [11].

 

 

Рисунок 2.13 – Внешний вид оптического координатного устройства

 

Устройство сканирования для ультразвукового контроля бандажей и колесУСБК-1 (рисунок 2.14)[11].

 

 

Рисунок 2.14 – Внешний вид устройства УСБК-1

 

Для контроля цилиндрических изделий разработано и устройство, схема которого приведена на рисунке 2.15.

 

 

Рисунок 2.15 – Устройство для контроля цилиндрических изделий

 

Устройство для наружного ультразвукового контроля цилиндрических изделий содержит основание с упорами, установленную на нем ходовую тележку с приводом, закрепленную на тележке опору с установленной на ней обоймой с набором из четырех преобразователей и механизм ориентации обоймы.

Объект контроль устанавливается внутрь обоймы с преобразователями, затем ходовая тележка проходит по основанию до одного из упоров. Обойма с преобразователями поворачивается с помощью механизма ориентации на требуемый угол (в зависимости от параметров преобразователей) и тележка идет в обратную сторону до второго упора. Процесс повторяется, пока не будет прозвучен весь объект контроля.[17]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Выбор  метода контроля (теоретический анализ акустического тракта)

 

Проанализировав существующие методы контроля поковок, описанные в предыдущем пункте можно сделав следующие выводы:

- контроль  дефектов типа внутренняя несплошность, ориентированных вдоль оси изделия необходимо контролировать прямым преобразователем эхо-методом;

- контроль  трещин, ориентированных перпендикулярно  оси вала необходимо контролировать  наклонным преобразователем по хорде, а также прямым преобразователем с торца поковки.

При контроле отливки уместно применение хордового прозвучивания, которое используется для выявления трещин и пор (рисунок 3.1).

Рисунок 3.3 -Хордовое прозвучивание

 

Формула для расчета амплитуд акустических эхо-сигналов наклонного преобразователя для двугранного угла [18]:

 

                                            (3.1)

где – площадь преобразователя, равная = , где а – радиус преобразователя;

        b – радиус дефекта;

       – длина волны;

        – путь ультразвука в материале объекта контроля, от точки выхода до отражателя;

        – приведенный путь ультразвука в призме преобразователя;

       – угол ввода луча;

       – угол наклона призмы;

      – коэффициент прохождения через границу раздела.

Коэффициент прозрачности для прошедшей продольной волны можно найти по формуле [18]

 

,                             (3.2)

где Zl и Zt – удельные волновые сопротивления нижней среды для прошедших продольной и сдвиговой волн соответственно;

  Z1 – удельное волновое сопротивление верхней среды;

  При расчете расстояния от преобразователя до дефекта в плоскости падения волны допустимо преобразователь заменить мнимым излучателем. Площадь мнимого преобразователя будет рассчитываться по формуле  [18]

 

              .                                                          (3.3)

Приведенный путь ультразвука в призме преобразователя rП будет равен

,                                                (3.4)

 

где – скорость продольной волны в материале призмы;

      – скорость поперечной волны в материале объекта контроля;

      – действительный путь ультразвука в призме преобразователя.

Функция затухания E при падении прямого луча имеет следующий вид [18]

 

,                                    (3.5)

 

где – коэффициент затухания в материале призмы;

      – коэффициент затухания в материале объекта контроля.

 

 

Уравнение акустического тракта наклонного преобразователя для сферы диаметром 2b имеет следующий вид [18] :

 

,           (3.6)

 

где: -суммарное ослабление ультразвука в акустическом тракте;

r3 - путь ультразвука от мнимой пьезопластины до точки ввода в изделие;

Дефект в виде раковины моделируется с помощью сферы диаметром 2b. В этом случае искусственным отражателем является глухое отверстие со сферическим дном.

Формула для расчета амплитуд акустических эхо-сигналов наклонного преобразователя для диска [18]:

 

                                       (3.7)

 

Так же для сканирования поковки используют прямой преобразователь. Схема прозвучивания показана на рисунке 3.4..

 

Рисунок 3.4- Схема ввода УЗ-волн прямого преобразователя для обнаружения пор и трещин

 

Формула для расчета амплитуд акустических эхо-сигналов от сферического отражателя (отверстие со сферическим дном) диаметром 2b [18] :

 

                                       (3.8)

 

где:  b - радиус сферы;

Формула для расчета амплитуд акустических эхо-сигналов от дискового отражателя (отверстие с плоским дном) диаметром 2b [18]:

                                          (3.9)

В нашем случае при контроле поковки для выявления  наклонных трещин и трещин, выходящих на поверхность объекта будет целесообразно применить эхо- метод, используя при этом наклонный раздельно-совмещённый преобразователь с акустической задержкой, а для выявления раковин и продольных трещин,  будет применяться  прямой преобразователь для уменьшения пути УЗ-волн в объекте.

В данном разделе был проведен и обоснован выбор эхоимпульсного метода контроля, проведен предварительный анализ акустического тракта для различных моделей дефектов возможных схем прозвучивания объекта контроля и получены его формулы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчет  и конструирование преобразователей.

 

4.1 Выбор  частоты УЗ-волн

 

Выбор рабочей частоты ультразвуковых колебаний определяется в основном коэффициентом затухания и уровнем структурной реверберации материала объекта, а также его габаритами. Чем выше частота, тем меньше длина упругих волн в контролируемом изделии. Вместе с тем повышение частоты прозвучивания увеличивает направленность излучения и приёма, благодаря чему возрастает отношение отражённой от дефекта энергии к общей энергии, вводимой в изделие. Также увеличение частоты способствует повышению разрешающей способности, уменьшению мертвой зоны, снижению величины минимально выявляемых дефектов, повышению точности измерения расстояния, увеличивает чувствительность. С другой стороны, это приводит к возрастанию затухания ультразвука, ухудшаются условия прохождения УЗ-волн через поверхность ввода, увеличивается интенсивность отражения от границ зёрен и неоднородностей метала, не являющихся  дефектами, уменьшению толщины пьезопластины. Таким образом, можно оценить и выбрать оптимальную частоту, которая обеспечит наибольшую чувствительность контроля при минимальных потерях энергии ультразвука.

При выборе частоты с точки зрения выявляемости минимальных дефектов следует учитывать, что когда длина волны превосходит размер дефекта, амплитуда отраженного или экранированного сигнала уменьшается с уменьшением размера дефекта гораздо быстрее, чем для более коротких волн.

 

Отсюда формируется условие , где - характеристический размер дефекта (в случае  искусственного дефекта - это  диаметр сферы, диска, цилиндра или ширина паза).