Разработать технические средства и методику ультразвукового (УЗ) контроля специзделия

                                                (4.1)

Оптимальная рабочая частота fopt 1,06 МГц. По ОСТу 26-11-09-85 выбираем рабочую частоту fp=2,5 МГц :

 

                                                                     (4.2)

 

                              (4.3)

Условие выполняется.

 

 

 

4.2 Расчёт  наклонного преобразователя

 

Для контроля заданного изделия используется  наклонный преобразователь. Основной элемент преобразователя – пьезопластина. В качестве материала пьезопластины выберем цирконат-титанат свинца ЦТС-19 [13]. Сведем его характеристики в таблицу 4.1.

 

 Таблица 4.1 -Характеристики материала ЦТС-19

Тип среза	Скорость звука C 10-3, м/с	Плотность 10-6 , кг/м3	Характеристический импеданс 10-6, кг/(м2×с)	Диэлектрическая постоянная	Пьезомодуль 1012, Кл/Н	Коэффициент электромеханической связи
Вдоль направления поляризации	3,3	0,07	25	1525±325	200	0,35-0,45

 

Радиус пьезопластины a определяется по формуле  :

 

                                                          (4.4)

 

Толщина пластины hп выбирается полуволновой для рабочей частоты

fр , на  которой ведется контроль 

(4.5)

С целью гашения свободных колебаний пьезопластины, уменьшения длительности зондирующего импульса и расширения полосы пропускания с ее нерабочей частоты приклеивают демпфер. Если контролируются объекты большой толщины или применяются наклонные призмы, то демпфер, либо отсутствует, либо имеет импеданс  кг/м2с. В качестве материала призмы выберем органическое стекло, т.к. его целесообразно применять в диапазонах частот 1,5..5 МГц.  В таблице 4.2 приведены его основные характеристики [13].

 

Таблица 4.2 -Основные характеристики оргстекла

Плотность           ρ ,	Скорость продольной волны Сl	Скорость поперечной волны Сt ,	Скорость поверхностной волны Сs ,	Коэффициент затухания δ, м-1
1180	2670	1120	1050	8*10-6 f

С помощью наклонного преобразователя в контролируемое изделие вводятся поперечные волны. Это обеспечивается благодаря тому, что в отличие от прямого наклонный преобразователь имеет призму (линию задержки), на которую под определенным углом приклеивается пьезопластина. Пьезоэлемент излучает в призму продольные волны, которые на границе призмы с изделием преломляются, трансформируются и частично отражаются в призму. Для того чтобы в изделие вводились волны поперечного типа, необходимо, чтобы угол ввода волн находился между первым и вторым критическими углами. Рассчитаем геометрические параметры наклонного преобразователя согласно схеме на рисунке 4.1. Схема показана на чертеже 00.00.002 Д3.           

 

Рисунок 4.1 – Схема расчета наклонного преобразователя

 

Первый критический угол для пары оргстекло-АМГ5 рассчитывается по формуле:

                         (4.6)

где Cl1 и Cl2 – соответственно скорости продольных волн в оргстекле и АМГ5.

Второй критический угол рассчитывается по формуле:

57°,    (4.7)

где Ct2 – скорость поперечных волн в АМГ5.

Определим угол ввода луча геометрически рисунок 4.2.

                                     (4.8)

Рисунок 4.2 – Определение угла ввода

 

Определим угол наклона призмы по закону Снеллиуса:

                           (4.8)

где: -скорость продольных волн в призме, м/с;

        -скорость поперечных волн в изделии, м/с;

При переходе через границу раздела сред оргстекло-алюминий акустическая волна испытывает преломление. Угол наклона призмы рассчитаем из отношения:

                                                                  (4.9)

где β-угол наклона призмы.

Форма призмы и ее размеры выбираются такими, чтобы они обеспечивали отсутствие ложных импульсов. Для этого необходимо, чтобы отраженные от поверхности призма-изделие волны не попадали на пьезопластину, как показано на рисунке 4.1. В ближней зоне пьезоэлемента излучаемую волну можно считать слабо расходящейся. Тогда требования таковы, что луч АА', 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 виде:

                                                                                 (4.10)

                     (4.11)

                          (4.12)

Стрела преобразователя определяется по формуле  

                                               

                                               (4.13)

n=

Путь центрального луча в призме определяется из условия

Таким образом, все отраженные волны должны попадать в ловушку и, испытывая в нем многократные отражения до попадания на пьезоэлемент, должны ослабнуть не менее чем на 60 дБ. Ослабление центрального луча в призме на пути от пластины до объекта должно быть не более 10 дБ.

Акустическое поле преобразователя с линией задержки можно приближенно оценить введением мнимого пьезоэлемента. Направление акустической оси мнимого излучателя определяется углом ввода центрального луча в изделие. Расстояние вдоль акустической оси от точки ввода до мнимого пьезоэлемента вычисляется по формуле

 

. (4.14)

    Мнимый излучатель  строится перпендикулярно акустической  оси, а его размеры принимаются  равными размеру преломленной  лучевой трубки реального излучателя. Для дискового пьезоэлемента мнимый излучатель будет иметь форму эллипса с осью 2а΄ в плоскости падения равной:

                (4.15)

Определим параметры ближней и дальней зоны преобразователя по формулам:

,                     (4.16)

 

Определим угол раскрытия основного лепестка по формуле:

         (4.17)

 

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

К серебряным электродам пластины припаивается экранированный кабель для приложения электрического поля, затем пластина помещается в полость призмы.

Пьезопластину приклеивают к поверхности призмы с помощью универсального клея .

При разработке преобразователей размеры, форму и материал призмы выбирают таким образом, чтобы они по возможности удовлетворяли основному требованию - 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 выполнена в виде ребристой верхней грани призмы. Кроме того, материал призмы должен обладать износостойкостью и достаточной смачиваемостью, а в ряде случаев, и термостабильностью.

Корпус преобразователя обеспечивает прочность конструкции, а также является экраном, защищающим пьезопластину от внешних наводок и помех.

Электрические контакты выполняются пайкой кратковременно и  легкоплавкими припоями, чтобы избежать располяризации пьезопластины.

Данная конструкция помещается в металлический корпус, приклеивается к его стенкам и подключается к разъему. Для соединения преобразователя с дефектоскопом используют кабель, обладающий минимальной собственной емкостью и длиной.

Затем на корпус преобразователя наносят риску, определяющую стрелу преобразователя и маркировочные знаки. Сборочный чертеж показан на чертеже 00.00.003 СБ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Разработка методики  контроля

 

5.1 Выбор типа УЗ-волн и направление их распространения в изделии. 

Выбор типа УЗ — определяется габаритами и формой контролируемого изделия, а также характером и местом расположения дефектов. В ультразвуковой дефектоскопии в настоящее время применяют продольные, сдвиговые, поверхностные и нормальные волны. Однако, говоря об этих волнах, необходимо учитывать, что создавать в изделии как простой, так и сложной формы направленный пучок одной только какой-либо волны в «чистом» виде нельзя. Наряду с «нужными» волнами, распространяющимися в направлении предполагаемого дефекта, в изделии всегда будут возникать «побочные» волны, распространяющиеся  в том же или других направлениях, вследствие отражения и расщепления волн на границе ввода УЗ-колебаний и на границах изделия. Если ввод УЗ-волн осуществляется через кривую поверхность, например, цилиндрическую, то тогда только центральный луч ультразвукового пучка падает на поверхность изделия по нормали и распространяется без трансформации. Для контроля изделий на наличие дефектов, ориентированных в металле под каким-либо  углом к поверхности ввода УЗК, применяют сдвиговые волны. Эти волны возбуждаются в металле путём трансформации излучаемых пьезоэлементом продольных волн при переходе из призмы преобразователя в контролируемое изделие. В металле возбуждаются наиболее «чистые» сдвиговые волны, если угол падения ультразвуковых волн α выбрать больше первого и меньше второго критических углов [14].

Рисунок 5.1 Схема прозвучивания изделия продольными волнами

 

1 – изделие; 2 – искательная  головка; 3 – экран дефектоскопа; 4 – начальный импульс; 5 – донный  импульс; 6 – импульс от дефекта; θ – угол расхождения пучка  УЗК; w1,w2,w3 – углы встречи ультразвукового луча с плоскостью.

1 – изделие; 2 – призма  головки; 3 – пьезоэлемент; α – угол падения.

Рисунок 5.2 Схема ввода сдвиговых волн в изделие с плоской(а) и кривой(б) поверхностью.

 

Рисунок 5.3 Схема хода лучей преломлённых продольных и сдвиговых (б) волн при облучении выпуклой поверхности цилиндрической трубы параллельным пучком лучей продольных волн.

 

После выбора типа волн необходимо наметить направления прозвучивания изделия. При этом направление волн должно быть таким, чтобы обеспечивалось надежное выявление наиболее опасных дефектов и соответствовало типу контролируемого изделия. Так как необходимо проконтролировать весь объект, то начальная точка ввода УЗ-волн должна располагаться как можно ближе к внутренней границе поковке. Конечная точка области сканирования должна быть как можно ближе к наружной границе поковки, для выявления трещин, выходящих на поверхность изделия.

В нашем случае контролируемое изделие – отливка, дефекты в изделии – трещины и раковины и поры. Поэтому для контроля отливки и дефектов, расположенных под углом к поверхности ввода УЗК целесообразно использовать сдвиговые волны. Для контроля дефектов, расположенных вдоль оси контролируемого изделия применяются продольные волны прямого пьезопреобразователя. Будем использовать наклонный преобразователь с углом наклона призмы 36,3 и с углом ввода УЗ-волн 45. Прямой преобразователь будем использовать стандартный.

 

   5.2 Выбор способа контакта

УЗ-волны хорошо отражаются от тончайших воздушных зазоров, поэтому для передачи УЗ-колебаний от преобразователя к изделию промежуток между ними заполняют слоем жидкости. Существует несколько способов передачи ультразвука [3]. 

Контактный способ. Преобразователь прижимают к поверхности изделия, предварительно смазанной жидкостью (например, маслом). В некоторых случаях слой жидкости заменяют или дополняют эластичным материалом. Контактный смазочный материал должен хорошо смачивать контролируемый материал и поверхность преобразователя, создавать тонкий равномерный слой .

Щелевой (или менисковый) способ. Между преобразователем и изделием специальным ограничителем создается зазор (его толщина примерно равна длине волны ультразвука), в который непрерывно подают контактную жидкость Этот способ может быть использован, если поверхность контролируемого изделия расположена вертикально или имеет переменную кривизну.

Иммерсионный способ. Между преобразователем и изделием создается толстый слой жидкости путем помещения изделия в ванну с водой или образования локальной жидкостной ванны.