Файл: Конспект лекций Бехер С. А., Кочетков А. С. Новосибирск, 2013 1 Содержание 1 Основные понятия акустики 3.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 04.12.2023

Просмотров: 289

Скачиваний: 8

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

Федеральное государственное бюджетное учреждениевысшего профессионального образования«Сибирский государственный университет путей сообщения»ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯКонспект лекцийБехер С.А., Кочетков А.С. Новосибирск, 20131Содержание 1 Основные понятия акустики 3 2 Закономерности распространения акустических волн 11 3 Прием и излучение ультразвуковых волн 22 4 Методы ультразвукового контроля 31 5 Измеряемые характеристики дефектов 36 6 Основные параметры контроля 45 7 Ультразвуковая толщинометрия 54ПРИЛОЖЕНИЕ А - Программа общего экзамена по УЗК на II уровень 58квалификации2 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АКУСТИКИ 1.1 Акустические колебанияУпругие колебания частиц среды вблизи положения равновесия называют акустическими колебаниями. Механизм колебаний определяется двумя основными физическими свойствами вещества: упругостью и инерцией.Под упругостью понимают способность тел восстанавливать после прекращения воздействия первоначальную форму или объем. Инерция - способность тел сохранять свою скорость в отсутствии внешних сил.Зависимость смещения частиц среды от времени (рис. 1.1) при непрерывных колебаниях описывается периодической функцией времени. Периодом Т называют минимальный интервал времени между одинаковыми положениями частицы. Период - это время одного колебания, измеряется в секундах (с), миллисекундах (мс), микросекундах (мкс). Рис. 1.1 - Зависимость смещения частиц от времени, непрерывные колебанияДля целей ультразвукового контроля практическую значимость имеют импульсные колебания (рис. 1.2). В отличие от непрерывных, импульсные колебания (рис. 1.2) ограничены во времени, имеют начало и конец. Под импульсом понимают часть сигнала, амплитуда колебаний которого превышает установленный порог. Изменение амплитуды колебаний описывается огибающей.3* к порог-- положениеравновесияВремяРис. 1.2 - Зависимость смещения частиц от времени (импульсные колебания) 1.2 Акустические волныПроцесс распространения акустических колебаний (рис. 1.3) в объекте контроляназывают акустической волной. В процессе распространения волны происходит переносэнергии колебаний из одной точки среды в другую. Рис. 1.3 - Распространение акустических колебанийМеханизм распространения волн иллюстрирует рисунок 1.4. Колебания в разных точках среды синхронизированы, например, в точках А и Б колебания смещены относительно друг друга на половину периода. Когда в точке А частица смещена вниз, в точке Б частица смещена вверх и наоборот. Стрелками на рисунке 1.4 показаны смещения частиц среды в процессе распространения волны вправо.4 Рис. 1.4 - Распространение акустических колебаний1.3 Скорость распространения волныСкорость распространения волны определяется как путь проходимый волной за единицу времени (секунду). Скорость объемных волн (продольного, поперечного, поверхностного типа) зависит только от упругости и плотности среды, типа волны:с

Рис. 2.5 - Схемы падения продольной (а) и поперечной (б) волны на границу раздела средНа рис. 2.5, а показано падение продольной волны на границу раздела сред, при котором возникают: I о - падающая продольная волна; II - отраженная продольная волна;12 - преломленная продольная волна;? 1 - трансформированная отраженная поперечная волна;?2 - трансформированная прошедшая поперечная волна.На рис. 2.5, б показано падение поперечной волны на границу раздела сред, при котором возникают:?0 - падающая поперечная волна;? 1 -отраженная поперечная волна;С - преломленная поперечная волна; 11 - трансформированная отраженная продольная волна; 12 - трансформированная прошедшая продольная волна.Углы падения, преломления и отражения связаны друг с другом законом Снеллиуса. Следствиями этого закона являются следующие утверждения: - угол падения равен углу отражения; - чем больше скорость волны, тем больше угол к нормали; - продольные волны отражаются и преломляются под большими углами к нормали,15чем поперечные. 2.4 Связь процессов отражения, преломления и трансформации с углом падения продольной волныВолновые процессы на границе раздела сред определяют закономерности прохождения волн из преобразователя в объект контроля и обратно. На рис. 2.6 схематично показан наклонный преобразователь, установленный на объект контроля. Под действием электрического сигнала, вырабатываемого дефектоскопом, пьезопластина совершает колебания, в процессе которых изменяется ее толщина. В призме преобразователя возбуждается акустическая волна продольного типа, падающая на границу раздела с объектом контроля под некоторым углом к нормали. Рис. 2.6 - Схема прохождения волны из призмы преобразователя в объект контроляВ зависимости от угла падения в объект контроля проникают только продольные волны, продольные и поперечные, только поперечные или поверхностные волны.При падении продольной волны на границу раздела сред по нормали (рис. 2.7, а) во = 0° поперечные волны не возникают, а отраженные и прошедшие волны так же распространяются по нормали.Увеличение угла падения продольной волны (рис. 2.7, б) в0 > 0 приводит к появлению прошедших и отраженных поперечных волн. В каждой среде распространяются две волны, причем углы распространения продольных волн больше16углов распространения поперечных.Первым критическим углом (рис. 2.7, в) называют минимальный угол падения продольной волны, при котором продольная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких к первому критическому по границе распространяется неоднородная головная-продольная волна, которая быстро затухает, переизлучая боковые поперечные волны. Для границы оргстекло-сталь первый критический угол равен в1кр = 27°.При падении продольной волны под углом к нормали больше первого, но меньше второго критического угла, во вторую среду проникает только поперечная волна (рис. 2.7, г). Это дает возможность проводить контроль объекта только поперечными волнами.Вторым критическим углом (рис. 2.7, д) называют минимальный угол падения продольной волны при котором поперечная волна во вторую среду не проникает. При углах падения близких ко второму критическому по границе распространяется неоднородная головная-поперечная волна, которая быстро затухает. Для границы оргстекло-сталь второй критический угол равен [>2кр = 55°. При углах больше второго критического (рис. 2.7,е) объемные волны (продольные и поперечные) во вторую среду не проникают.17 а) б) в) г) д)е)Рис. 2.7 - Схема падения продольной волны на границу под углом во иллюстрируетпервый и второй критические углы18Поверхностная волна возникает на границе второй среды при падении на неепродольной волны под углом во

Рис. 3.9 - Параметры ПЭП, используемые для настройки дефектоскопаВремя ПЭП (рис. 3.9) - это время задержки волны, связанное с распространением волны в призме и протекторе ПЭП. Время ПЭП напрямую влияет на точность определения координат дефектов. Время ПЭП компенсируют при настройке на стандартном образце СО-3 или СО-3Р по боковой цилиндрической поверхности.Угол ввода (рис. 3.9) - это угол между нормалью к поверхности и линией, соединяющей центр ненаправленного (округлого отражателя) с точкой выхода луча в положении максимальной амплитуды эхо-сигнала от ненаправленного отражателя. Угол ввода указывается в маркировке преобразователя и проверяется при настройке на30стандартном образце СО-2 или СО-3Р по боковому цилиндрическому отверстию диаметром 6 мм на глубине 44 мм. Угол ввод приблизительно равен углу наклона акустической оси, но всегда меньше его. 4 МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯСовокупность приёмов реализации контроля правомерно назвать методом. Методы ультразвукового контроля допустимо разбить на несколько групп, выбранных по единому признаку. К методам прохождения можно отнести методы, основанные на регистрации волн, прошедших в изделии через дефект. Признаком дефекта в этом случае служит уменьшение амплитуды прошедшей волны на приемнике. Как правило, в методах прохождения отсутствует возможность определения глубины залегания дефекта. пИ - источник УЗ волн; П - приемник УЗ волн; ОК - объект контроля.Рис.4.1 - Иллюстрация метода прохождения.Методы отражения, напротив, основаны на регистрации волн отраженных от дефекта, при этом происходит увеличение амплитуды сигнала воспринимаемого приемником. Этот принцип, положен в основу наиболее популярных методов ультразвукового контроля, поскольку позволяет определять координаты дефекта, и допускает использование одного совмещенного преобразователя.31 ИП - источник-приемник УЗ волн (совмещенный преобразователь).Рис.4.2 - Иллюстрация метода прохожденияСигналы, вырабатываемые и принимаемые дефектоскопом отображаются на его экране в виде А - развертки. В данном типе развертки по оси У откладывается амплитуда сигнала (в дБ), по оси X - время прохождения волны до отражателя (в мкс). Сигналы, формируемые при реализации метода отражения и прохождения на А-развертке, представлены на рис.4.3.Электрический сигнал, вырабатываемый дефектоскопом для возбуждения ультразвуковой волны, называется зондирующим импульсом. Его наличие в начале развертки объясняет появление мертвой зоны - области вблизи поверхности ввода ультразвуковой волны, дефекты в которой не выявляются.пьезопластина ЗИ - зондирующий импульс; ЭИ - эхо-импульс; СИ - строб-импульс; ДИ - донныйимпульс.Рис.4.3 - Формирование А-развертки в общем случае32Результат формирования эхо-импульсов - это волны, пришедшие на приемный ПЭП, отразившись от дефектов, конструктивных отражателей (галтелей, отверстий и т.д.). Сигнал, отраженный от дна изделия называется донный импульс. Для выделения интервала времени, в котором дефектоскоп анализирует амплитуду эхо- импульсов по критериям эхо-метода и зеркально-теневого метода (ЗТМ) служит строб-импульс.На рисунке 4.4 изображены схемы реализации методов прохождения: теневого и зеркально-теневого (ЗТМ), в первом излучатель и приемник находятся на противоположных сторонах, во втором излучатель и приемник находятся на одной поверхности. Рис.4.4 - Формирование А-развертки для теневого и зеркально-теневого метода на бездефектном участкеВ ЗТМ возможно использовать прямые и наклонные ПЭП, необходимым при этом является условие отражения излученного сигнала от донной поверхности на приемник. В случае отсутствия дефектов пришедшая на приемник излученная волна формирует донный импульс, который превышает пороговый уровень.33 Теневой ЗТМ ЗТМРис.4.5 - Формирование А-развертки для теневого и зеркально-теневого метода на дефектном участкеПоявление дефекта на пути излученной волны значительно ослабляет ее, поэтому при формировании донного сигнала происходит уменьшение его амплитуды. Изменение донного сигнала ниже порогового уровня свидетельствует о наличии дефекта.Коэффициент выявляемости ЗТМ - показывает, на сколько децибел (во сколько раз) снижается амплитуда донного над дефектом относительно амплитуды донного на бездефектном участке.г А донного над дефектом1 А донного на бездефектном участкеПри использовании методов прохождения необходимо учитывать множество причин ложного срабатывания дефектов, наиболее весомые из них это: - отсутствие акустического контакта между ПЭП и поверхностью; - не параллельность поверхности ввода и донной поверхности; - изменение толщины изделия; - состояние донной поверхности; - затухание.Методы отражения считаются более совершенными и подходящими для различных34задач диагностики. Поэтому эхо-метод используется практически в 90% случаях Рис.4.6 - Формирование А-развертки эхо-метода на бездефектном и дефектномучасткеКоэффициент выявляемости эхо-метода - показывает, на сколько децибел (во сколько раз) амплитуда эхо-импульса от дефекта превышает амплитуду эхо-импульса от эталонного отражателя.А эхо — импульса от дефектад А эхо — импульса от эталонного отражателяНа амплитуду эхо-сигнала от дефекта и соответственно на возможность его выявления влияет затухание в материале ОК, акустический контакт, а так же размер, форма и ориентация дефекта.При сравнении зеркально-теневого метода и эхо-метода можно выделить ряд35особенностей составляющих, как достоинства, так и ограничения каждого из них. Поэтому при использовании их совместно значительно повышается эффективность и достоверность контроля. Зеркально-теневой метод позволяет выявить дефекты независимо от их формы и ориентации по всей толщине изделия, а при потере акустического контакта сигнализирует об этом исчезновением донного сигнала. Эхо- метод в отличие от ЗТМ позволяет определить глубину залегания отражателя и оценить его форму и ориентацию. Минимально выявляемый размер дефекта при применении эхо-метода ограничивается длиной волны. 5 ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕФЕКТОВПосле выявления дефекта дефектоскопист должен принять решения о браковке либо годности изделия к дальнейшей эксплуатации. Для обоснованного вынесения этого решения необходимо определить измеряемые характеристики дефекта и сопоставить их с указанными в нормативной документации значениями. В большинстве случаев в качестве критерия браковки используют одну или несколько измеряемых характеристик, выступая в этом качестве, их допустимо называть главными измеряемыми характеристиками.Совокупность всех измеряемых характеристик дефекта сведена в Таблице 6.1 Таблица 6.1 - Измеряемые характеристики дефекта



55





7.2 Проведение толщинометрии боковых рам грузового вагона

При плановых видах ремонта боковых рам тележек модели 18-578 измерение толщины выполняют для внутреннего радиуса Я 55, образующего буксовый проем боковой рамы, а также прилегающие поверхности вертикальных стенок. Особенности выполнения толщинометрии, определяются технологической инструкцией по ультразвуковой толщинометрии боковых рам тележек грузовых вагонов (ТИ 07.65-2008).

При настройке и проведении измерений используют ультразвуковой дефектоскоп, раздельно-совмещенный ПЭП, стандартный образец СО-2.

а)

б)

Рис.8.2 - а) - Боковая рама с указанием сечения (пунктирная линия) подверженное толщинометрии; б) - Зоны измерений толщины.

Настройку глубиномера дефектоскопа проводят на стандартном образце СО-2, измеряя расстояние между боковыми поверхностями (Н=30 мм). После настройки приступают к измерениям на боковой раме места установки ПЭП должны быть зачищены до шероховатости не хуже Яг 160.



56

Наименьшее предельное значение толщины составляет 18 мм. В случае, если в какой либо точке результат измерений окажется менее 18 мм, необходимо дополнительно дважды выполнить измерения в соседних точках на расстоянии 5 мм. За результат принимают среднее арифметическое значение результатов трех измерений.

Боковая рама не соответствует требованиям ультразвукового контроля толщины, если хотя бы в одной из зон измерений (рис.8.2, б) полученное значение толщины менее 18 мм.

57

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРОГРАММА ОБЩЕГО ЭКЗАМЕНА ПО УЗК на II уровень квалификации

1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АКУСТИКИ

1.1 Акустические колебания

- упругость и инерция вещества;

- механизм упругих колебаний;

- закономерности изменения положения и скорости колеблющейся частицы тела.

1.2 Характеристики акустических колебаний

- частота акустических колебаний: определение и классификация акустических волн по частоте.

- акустические величины, энергия колебаний

(максимальное смещение от положения равновесия, колебательная скорость, изменение механических напряжений и давления, логарифмические единицы измерения децибелы: построение, таблица значений, преимущества по сравнению с линейной шкалой)

1.3 Акустические волны

- определение;

- бегущие и стоящие волны;

- бегущие волны: скорость распространения, длина волны, связь скорости распространения, длины волны и частоты, связь скорости распространения со свойствами среды

1.4 Объемные волны

- продольные волны (растяжения-сжатия), механизм распространения, среды, основные свойства; связь скоростей распространения с упругими константами материалов;

- поперечные волны (сдвиговые), механизм распространения, среды, основные свойства; связь скорости распространения с упругими константами материалов;

- таблица скоростей в различных средах

1.5 Поверхностные волны

58

- механизм распространения и свойства

1.6 Акустический импеданс (волновое сопротивление)

2 РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

2.1 Затухание акустических волн в материалах

- основные механизмы: рассеяние и поглощение

- экспериментальное измерение коэффициента затухания в материале

- зависимость коэффициента затухания от частоты волны, размера зерна

- влияние термообработки на затухание

2.2 Фронт волны

- определение

- геометрия источников с различными фронтами волны;

- свойства волн с плоским, цилиндрическим и сферическим фронтами;

- волны с различными фронтами в практической деятельности

2.3 Взаимодействие продольной и поперечной волн с границей раздела двух сред


- основные понятия: нормаль к поверхности

- основные процессы: отражение, преломление и трансформация волн

- практическое применение в УЗК

- закон Снеллиуса и его основные следствия:

2.4 Критические углы

- первый, второй и третий критические углы: определение, условия возникновения, вывод значения из закона Снеллиуса

- коэффициенты отражения и прозрачности, определения

- зависимость коэффициентов от угла падения ультразвуковой волны, связь графика с I и II критическими углами

2.5 Диффузное, зеркальное и смешанное отражения

2.6 Понятие о дифракции акустических волн, примеры проявлений дифракции в УЗК

3 ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПРИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

59

3.1 Прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты, определение, использование. Пьезоэлектрические материалы

3.2 Конструкция пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП)

3.3 Коэффициент преобразования и коэффициент двойного преобразования, способ экспериментального определения

3.4 Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) преобразователей:

- резонансная частота;

- полоса пропускания;

- добротность;

- типы ПЭП: резонансный, широкополосный.

3.5 Акустическое поле преобразователя в ближней зоне,

- интерференци;

3.6 Акустическое поле преобразователя в дальней зоне,

- дифракция;

- диаграмма направленности: (угол наклона акустической оси, угол раскрытия диаграммы направленности и его связь с геометрией пьезопреобразователя)

3.7 Импульсное излучение ультразвуковых волн, понятия волнового пакета, длительности импульса, частоты заполнения.

4. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

4.1 Классификация акустических методов контроля (сводная таблица).

4.2 Понятие и примеры пассивных методов контроля: бегущих волн (акустико­эмиссионный) и колебаний (вибрационно-диагностический, шумо-диагностический).

4.3 Понятия и примеры активных методов колебаний: свободных (локальный, интегральный) и вынужденных (локальный-резонансный, интегральный-резонансный).

4.4 Активные методы бегущих волн.

4.4.1 Методы прохождения: теневой (амплитудный), временной теневой, велосиметрический:

- схемы контроля теневого метода, используемые ПЭП;

- путь УЗК волны на бездефектном и дефектном объектах и соответствующие виды экрана дефектоскопа;

60

- настройка и браковка, коэффициент выявления;

- преимущества и недостатки теневого метода
, область применения.

4.4.2 Активные методы бегущих волн - методы отражения: эхо, эхозеркальный, дельта, реверберационный:

- схемы контроля эхо-метода, используемые ПЭП;

- путь УЗК волны на бездефектном и дефектном объектах и соответствующие виды экрана дефектоскопа;

- настройка и браковка, коэффициент выявления;

- преимущества и недостатки эхо методов, область применения;

4.4.3 Комбинированные методы: зеркально-теневой (ЗТМ), эхо-теневой, эхо­сквозной:

- схемы контроля ЗТМ, используемые ПЭП;

- путь УЗК волны на бездефектном и дефектном объектах и соответствующие виды экрана дефектоскопа;

- настройка и браковка, коэффициент выявления;

- преимущества и недостатки ЗТМ метода, область применения;

4.5 Сканирование объекта контроля, схемы, основные параметры: скорость, шаг, пределы перемещения ПЭП.

4.6 А-, В- и С-развертки.

5 АКУСТИЧЕСКИЙ ТРАКТ

5.1 Физические процессы, влияющие на распространение акустической волны от ПЭП до отражателя.

6 ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕФЕКТОВ

6.1 Обоснование необходимости измерения характеристик дефектов

- зависимость опасности дефекта от его месторасположения;

- возможность устранения дефекта во время ремонта изделия (заварка, обточка);

- внесения изменений в технологический процесс производства, эксплуатации и ремонта, по характеристикам обнаруживаемых дефектов;

6.2 Эквивалентные площади дефектов, различные модели дефектов

61

- определение эквивалентности двух отражателей;

- эквивалентная площадь дефекта, определяемая по искусственным отражателям;

6.3 Условные размеры - относительный метод

-определение и схема;

- применение;

- основные закономерности от глубины залегания, формы дефектов, параметров ПЭП;

6.4 Условные размеры - абсолютный метод

-определение и схема;

- применение;

- основные закономерности от глубины залегания, формы дефектов, параметров ПЭП;

6.5 Координаты дефекта

- определения координаты в проекции на плоскость сканирования;

- глубина залегания дефекта эхо-методом;

- погрешность определения координат дефектов связанная с работой глубиномера и оператора;

6.6 Форма дефекта: плоскостной, компактный, объемный, линейный.

7 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОНТРОЛЯ


7.1 Определения и область применения основных параметров контроля, основных параметров метода, основных параметров аппаратуры.

7.2 Длина волны и частота ультразвука

7.3 Угол ввода луча и угол призмы

7.4 Направленность поля ПЭП и размеры ПЭП

7.5 Мертвая зона и длительность зондирующего импульса, длительность реверберационных шумов в призме ПЭП

7.6 Погрешность измерения координат и погрешность глубиномера

7.7 Чувствительность, определения и применение:

- Реальная чувствительность;

-Предельная чувствительность;

62

-Эквивалентная чувствительность;

-Условная чувствительность;

7.8 Классификация чувствительностей по назначению: поиска, оценки, браковки

7.9 Минимальный условный размер фиксируемого дефекта и скорость сканирования

7.10 Плотность сканирования и шаг сканирования, закон ВРЧ

7.11 Разрешающая способность по дальности и разрешающая способность аппаратуры

7.12 Фронтальная разрешающая способность и угловое поле ПЭП

63

64

Смотрите также файлы