вап. Лекции по УК новые. Курс лекций по ультразвуковому контролю материалов и изделий разработал Специалист iii уровня по ук, к т. н
 Скачать 2.27 Mb.
|
|
0 НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «НАУЧНО-УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР «РТС» КУРС ЛЕКЦИЙ ПО УЛЬТРАЗВУКОВОМУ КОНТРОЛЮ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Разработал: Специалист III уровня по УК, к.т.н. А.А. Сельский г. Красноярск 2013 г. 1 СОДЕРЖАНИЕ Раздел: Страница: ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................4 I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ......................................8 I.1. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ АКУСТИКА ................................................................................-«- I.1.1. Основные понятия и их физическая сущность ...........................................................-«- I.1.2. Акустическое поле поршневого преобразователя в жидкости .................................12 I.1.3. Явления на границе раздела двух сред ........................................................................16 I.1.3.1. Нормальное падение ультразвуковых волн на границу раздела...........................-«- I.1.3.2. Наклонное падение продольных ультразвуковых волн на границу раздела. Закон Снеллиуса.......................................................................................................17 I.1.3.3. Искажение угловой диаграммы направленности при наклонном пересечении ультразвуком границы раздела двух сред. Понятие о "мнимом" источнике.................................................................................................................................21 I.1.4. Воздействие препятствий различной формы на направление ультразвукового потока ..........................................................................................................22 I.1.4.1. Зеркальное и диффузное отражение от безграничной плоской поверхности......-«- I.1.4.2. Отражение от выпуклой поверхности (цилиндра, сферы). Дифракция................23 I.1.4.3. Отражение от вогнутой поверхности........................................................................24 I.1.4.4. Отражение из прямого двугранного угла.................................................................25 I.1.4.5. Явления на краях плоскостных несплошностей......................................................26 I.1.4.6. Краевой (волноводный) эффект в узких стержнях..................................................27 I.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ....................................................................................-«- I.2.1. Непрерывный и импульсный режимы излучения ультразвуковых колебаний. Типы импульсов, применяемых в ультразвуковой дефектоскопии. Понятие о демпфировании....................................................................................................-«- I.2.2. Пьезоэлектрическое преобразование...........................................................................30 I.2.3. Затухание ультразвука при движении по материалу..................................................32 I.2.4. Уравнение акустического тракта.................................................................................-«- II. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ..............................................................34 II.1. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ....................-«- II.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЭХО-МЕТОДА ...............................................................47 II.2.1. Длина волны как фактор выявляемости дефекта эхометодом................................-«- II.2.2. Чувствительность: виды, режимы, способы настройки (оценки)............................48 II.2.3. Влияние угла ввода на достоверность контроля эхометодом..................................54 II.2.4. Влияние направленности акустического поля на качество контроля.....................55 II.2.5. Погрешность измерения координат............................................................................56 II.2.6. Мертвая зона.................................................................................................................57 II.2.7. Разрешающая способность..........................................................................................58 II.2.8. Способы и параметры сканирования ..........................................................................60 II.2.8.1. Поперечно-продольное сканирование....................................................................-«- II.2.8.2. Продольно-поперечное сканирование.....................................................................62 II.2.8.3. Вспомогательные способы сканирования..............................................................-«- II .2.9. Способы обеспечения акустического контакта .........................................................63 II.2.9.1. Контактный способ...................................................................................................-«- II.2.9.2. Контактно-щелевой способ......................................................................................64 II.2.9.3. Щелевой способ.........................................................................................................65 II.2.9.4. Иммерсионный способ.............................................................................................-«- 2 III. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ...........................67 III.1. Функциональная схема, амплитудно-временные диаграммы и принцип действия импульсного ультразвукового дефектоскопа ...................................-«- III.2. Функциональная схема, амплитудно-временные диаграммы и принцип действия импульсного ультразвукового толщиномера ....................................71 III.3. Конструкции преобразователей ....................................................................................73 III.3.1. Устройство типовых пьезоэлектрических преобразователей ................................-«- III.3.1.1. Совмещенные преобразователи.............................................................................-«- III.3.1.2. Раздельно-совмещенные преобразователи............................................................75 III.3.1.3. Специальные преобразователи...............................................................................78 III.3.1.3.1. Преобразователи с переменным углом призмы.................................................-«- III.3.1.3.2. Ленточные, матричные и мозаичные преобразователи.....................................79 III.3.1.3.3. Фазированные решетки........................................................................................-«- III.3.2. Понятие об электромагнито-акустическом преобразовании и преобразователях .................................................................................................................80 III.3.2.1. Общий принцип преобразования энергии.............................................................-«- III.3.2.2. ЭМАП для возбуждения вертикального потока поперечных волн.....................82 III.3.2.3. ЭМАП для возбуждения наклонного потока волн (фазированные ЭМАП)..... -«- III.4. Стандартные образцы для ультразвукового контроля. Конструкции, назначение и методики применения .....................................................................................-«- III.4.1. Стандартный образец СО-1 .......................................................................................-«- III.4.1.1. Проверка угла призмы по СО-1..............................................................................83 III.4.1.2. Калибровка задержки нуля при настройке глубиномера.....................................84 III.4.1.3. Калибровка условной чувствительности по СО-1................................................-«- III.4.1.4. Оценка лучевой разрешающей способности по СО-1..........................................-«- III.4.1.5. Назначение, построение аттестат-графика СО-1 и его применение...................85 III.4.2. Стандартный образец СО-2 ........................................................................................86 III.4.2.1. Проверка угла ввода по СО-2.................................................................................-«- III.4.2.2. Оценка вертикального углового расхождения пучка...........................................-«- III.4.2.3. Настройка глубиномера при работе прямым ПЭП...............................................-«- III.4.2.4. Настройка глубиномера при работе наклонным ПЭП..........................................87 III.4.2.5. Калибровка условной чувствительности по СО-2................................................-«- III.4.2.6. Оценка мертвой зоны..............................................................................................-«- III.4.3. Стандартный образец СО-3 .......................................................................................-«- III.4.3.1. Определение точки выхода и оценка стрелы наклонных ПЭП...........................-«- III.4.3.2. Настройка глубиномера по СО-3............................................................................88 III.4.4. Стандартный образец СО-3Р .....................................................................................-«- III.4.5. Стандартные образцы предприятий (СОП)..............................................................89 IV. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ..........................................90 IV.1. Контроль стыковых сварных соединений без подкладных полос (колец)..............-«- IV.2. Контроль стыковых сварных соединений на остающихся подкладных полосах (кольцах)....................................................................................................................91 IV.3. Контроль стыковых сварных соединений на усе........................................................92 IV.4. Контроль нахлесточных сварных соединений без конструктивного непровара.................................................................................................................................93 IV.5. Контроль угловых сварных соединений без конструктивного непровара...............94 IV.6. Контроль тавровых сварных соединений без конструктивного непровара............-«- 3 IV.7. Контроль угловых сварных соединений приварки штуцеров к плоской стенке без конструктивного непровара...............................................................96 IV.8. Контроль тройниковых угловых сварных соединений «труба в трубу» без конструктивного непровара.................................................................97 IV.9. Контроль точеных изделий прямым преобразователем с торца..............................-«- IV.10. Контроль точеных изделий наклонным преобразователем.....................................99 IV.11. Особенности контроля тела заклепок прямым преобразователем.......................100 V. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ......................101 V.1. Контроль гладких изделий поверхностными волнами Рэлея....................................-«- V.2. Контроль длинномерных изделий нормальными волнами Лэмба и Похгаммера.........................................................................................................................103 V.3. О контроле плоскопараллельных изделий головными волнами..............................104 V.4. О контроле изделий волнами Лява...............................................................................-«- VI. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ ПРАКТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ .............................................................................................................-«- VI.1. Методика определения времени задержки сигнала в призме ПЭП для цифровых дефектоскопов ...............................................................................................-«- VI.2. Определение задержки начала развертки для цифровых дефектоскопов ..............105 VI.3. Диапазон (масштабная ширина развертки) для контроля сварных соединений прямым и однократно отраженным лучом .....................................106 VI.4. НАСТРОЙКА ГЛУБИНОМЕРА ................................................................................107 VI.4.1. Аналоговые дефектоскопы........................................................................................-«- VI.4.1.1. Наклонные ПЭП......................................................................................................-«- VI.4.1.2. Прямые ПЭП............................................................................................................-«- VI.4.2. Цифровые дефектоскопы.........................................................................................108 VI.4.2.1. Наклонные ПЭП......................................................................................................-«- VI.4.2.2. Прямые ПЭП............................................................................................................-«- VI.5. Инструкция по оценке совокупной поправки к чувствительности ультразвукового дефектоскопа на несоответствие образца и объекта по шероховатости, волнистости, профильной кривизне рабочей поверхности, точной толщине стенки и рассеянию пучка на донной поверхности ..............................109 VI.6. ПРОДОЛЬНО-ПРИТЕРТАЯ ПРОКЛАДКА ИЗ ОРГСТЕКЛА ...............................110 VI.6.1. Технология изготовления.........................................................................................111 VI.6.2. Технология установки прокладки на ПЭП.............................................................112 VII. О КОНТРОЛЕ АУСТЕНИТНЫХ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ...............................114 ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................................................123 4 ВВЕДЕНИЕ Историю развития акустики как физической науки можно разбить на 3 периода. Для краткости первые два периода представим здесь тезисно. I период (начало XVII в. - начало XVIII в.). Г. Галилей (Италия): обнаружение колебаний звучащего тела, зависимости высоты звука от частоты колебаний, зависимости интенсивности звука от амплитуды колебаний. М. Мерсенн (Франция): определение числа колебаний звучащей струны, измерение скорости звука в воздухе. Р. Гук (Англия): установление пропорциональности между деформацией тела и связанным с ней напряжением. Х. Гюйгенс (Голландия): принцип волнового движения. В. Снель (Снеллиус, Голландия): законы отражения и преломления волновых потоков на границе сред. II период (конец XVII в. - начало XX в.). И. Ньютон (Англия): создание основ механики (акустика развивается как ее раздел). Создаётся общая теория механических колебаний, излучения и распространения упругих волн в среде, разрабатываются методы измерения характеристик звука (звукового давления в среде, импульса, энергии и потока энергии звуковых волн, скорости распространения звука). Диапазон звуковых волн расширяется и охватывает как область инфразвука (до 16 Гц), так и ультразвука (свыше 20 кГц). Вы- ясняется физическая сущность тембра звука. Л. Эйлер и Д. Бернулли (Петербургская Академия наук), Ж. Д"Аламбер и Ж. Лагранж (Франция): теория колебаний струн, стержней и пластинок. Э. Хладни (Германия): экспериментальные исследования формы звуковых колебаний мембран, пластин, колоколов. Т. Юнг (Англия), О. Френель (Франция), Й. Фраунгофер (Германия): развитие представлений Гюйгенса о распространении волн, теория интерференции и дифракции волн. Х. Доплер (Австрия): закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя. Ж. Фурье (Франция): математический метод разложения периодически повторяющихся процессов на простые гармонические составляющие. Г. Гельмгольц (Германия): эксперимен- тальный анализ и синтез сложного звука из про- стых составляющих. Родоначальником современной теории акустики считается британский физик Джон Уи- льям Стретт, более известный как лорд Д. Рэ- лей. В начале ХХ в. в классическом труде «Теория звука» им был подытожен весь предыдущий этап развития акустики, а также описаны основные типы звуковых волн в твердых материалах – продольные, поперечные, поверхностные (последние названы его именем). Третий, современный период в истории Д.У. Стретт (лорд Д. Рэлей) 1842 ÷ 1919 гг. 5 акустики, начинающийся в 20-х гг. ХХ в., связан, прежде всего, с развитием электроакустики и созданием радиотехники и радиовещания. Эти направления открыли невиданные ранее возможности развития акустики. Электроакустика появилась ещё в послед- ней четверти 19 в. В 1876 был изобретён телефон (Белл, США), в 1877 - фонограф (Эдисон, США). В 1901 была разработана магнитная запись звука, примененная затем в магнитофоне и звуковом кино. В начале 20 в. электромеханические преобразователи звука были применены в громкоговорителях, а в 20-х гг. стали основой всей современной акустической аппаратуры. В ХХ в. чрезвычайно большое значение приобрели исследования ультразвука, особенно высоких частот и больших интенсивностей, ставшего средством изучения структуры и свойств вещества. В 1927÷28 гг. советский учёный Сергей Яковлевич Соколов впервые в мире применил ультразвук для дефектоскопии металлов. История открытия С.Я. Соколовым метода ультразвуковой дефектоскопии твердых материалов весьма примечательна. Как и многие открытия в науке и технике, оно было сделано совершенно случайно. Молодому инженеру кафедры связи Ленинградского электротехнического института (ЛЭТИ) было поручено проведение секретных исследований – попытка антишпионажа: передавать информацию по металлическим проводам азбукой Морзе, но не электрическими, а высокочастотными звуковыми (ультразвуковыми) сигналами. Тогда еще имели мало представления о затухании ультразвука в металле, что и требовалось исследовать. И вот развесив в закрытом дворе института на деревьях и столбах гирлянды проволоки, Соколов на одном конце с помощью струнного источника (конструкция которого ныне «канула в Лету») возбуждал ультразвук, а на другом пытался его принять с помощью мембран и гальванометра. Задача потерпела фиаско: самый мощный сигнал пробегал по проволоке максимум несколько десятков метров, становясь неощутимым по амплитуде. Кроме того, Соколов заметил: если проволока имеет дефект (надлом, задир и т.п.) сигнал далее него сильно ослабевает по амплитуде либо теряется полностью. Обратив на это внимание, молодой инженер... перевернул задачу «вверх ногами»: раз дефект не пропускает сигнал, то по этому признаку наверняка можно обнаруживать внутренние несплошности в металлах. И тем самым совершил переворот как в прикладной физике и технике, так и в собственной судьбе. В лаборатории института он поставил следующий эксперимент (см. рисунок ниже). В металлическом бруске просверлил горизонтальное сквозное отверстие достаточно большого диаметра. Брусок положил на кварцевый источник С.Я. Соколов 1897 ÷ 1957 гг. Лаборатория ЛЭТИ, в которой был открыт ультразвуковой метод дефектоскопии (бывший православный собор) 6 ультразвука (пластина из кварца между двух свинцовых обкладок), используя для акустического контакта ртуть. На поверхности образца поместил две капли масла: одну – строго над отверстием, вторую в стороне от него. Источник стробоскопического ультрафиолетового освещения засинхронизировал с генератором ультразвука, подключенным к обкладкам кварцевого излучателя. Включив генератор, через микроскоп наблюдал за «поведением» масляных капель в пульсирующем ультрафиолетовом освещении. И заметил: капля, лежащая над отверстием, остается неподвижной, другая же покрывается рябью и интенсивно растекается. Многократные повторения опыта давали один и тот же результат. Основываясь на этом, Соколов пишет рукопись статьи в научный журнал и отправляет ее на отзыв в Академию наук СССР. Рукопись возвращается с резолюцией: «Не публиковать. Переоформить в заявку на изобретение». Высшая аттестационная комиссия (ВАК), рассмотрев заявку, узрела в ней признаки не изобретения, а открытия – в мировой науке и технике не оказалось аналогов (существовавший уже тогда метод Рентгена не является аналогом – это другая физика). И вот 2 февраля 1928 года был зарегистрирован патент об открытии ультразвукового метода дефектоскопии твердых материалов на имя С.Я. Соколова. (Через 75 лет, в феврале 2003 г. на специальной торжественной Международной кон- ференции в бывшем ЛЭТИ – ныне СПбГЭТУ – было принято решение объявить 2 фев- раля международным Днем ультразвуковой дефектоскопии). Что же касается автора, то в ЛЭТИ была создана специальная лаборатория электроакустики, которую возглавил С.Я. Соколов; сам же он в 1931 году защитил докторскую диссертацию и в должности профессора стал первым заведующим вновь образованной кафедрой электроакустики. Позднее (в 1942 г.) Соколов был удостоен своей первой Государственной премии – за разработку ультразвукового метода дефектоскопии. Право на использование метода в 30-е годы закупили у СССР США и Великобритания. 7 А развитие ультразвуковой дефектоскопии в СССР пошло, что называется, «семимильными шагами». Мощным рывком явился переход от непрерывного режима к импульсному, что по аналогии с гидролокацией в морском флоте (поиск и обнаружение подводных лодок) путем внедрения эхометода позволило контролировать ультразвуком объекты при одностороннем доступе к ним с определением глубины залегания дефекта по скорости звука и времени задержки эха, а также измерять толщину стенок. Освоение и применение наклонного способа позволило контролировать сварные соединения без удаления выпуклости шва. Ультразвуковая дефектоскопия была главным, но не единственным направлением научной деятельности профессора С.Я. Соколова. В годы Великой Отечественной войны им была разработана «Теория шумов корабля», на основе которой были созданы пассивные (не обнаруживающие себя) гидрофонные системы, выделяющие и пеленгующие источники шумов – вражеские корабли. А кроме того – ультразвуковая обработка и кавитационная очистка металлов, звуковидение (т.н. «трубка Соколова»). Опыты по применению звуковидения на лабораторных мышах заложили начало ультразвуковой интроскопии (УЗИ) в медицине. За изобретение звуковидения в 1951 году С.Я. Соколов был удостоен второй Государственной премии. С.Я. Соколов умер в 1957 году в возрасте 60 лет, оставив после себя плеяду талантливых учеников, впоследствии известных ученых и крупных специалистов в области акустики (Л.Г. Меркулов, А.В. Харитонов, В.Н. Тюлин, Л.Л. Мясников, Л.Я. Гутин и др.). В 1947 году в ФРГ братья Йозеф и Генрих Крауткремеры, основываясь на трудах С.Я. Соколова, создали фирму по производству ультразвуковых дефектоскопов. Занимаясь дефектоскопическим приборостроением, они также внесли существенный вклад в развитие ультразвукового контроля как прикладной науки. Россия и Германия и сегодня являются передовыми странами в части совершенствования методологии ультразвуковой дефектоскопии. В 60-е годы было установлено, что ультразвуковой метод более достоверно выявляет многие, прежде всего плоскостные дефекты, чем рентген, уступая ему только в наглядности результатов и выявлении мелких округлых несплошностей. Это побудило к объединению всех известных тогда видов инструментального неразрушающего контроля (оптический, капиллярный, магнитный, ультразвуковой, рентген) в общую систему и образованию вида научно-производственной деятельности «дефектоскопия» и профессии «дефектоскопист». Академия наук СССР в 1962 г. учредила журнал с соответствующим названием. В 1991 году в связи с распадом СССР мы потеряли единственный отечественный завод, серийно производивший ультразвуковые дефектоскопы – Кишиневское НПО «Волна». Несколько лет российские службы технической диагностики работали в этой области на остаточных ресурсах. Но, тем не менее, России удалось удержать передовые позиции в научно-практическом развитии ультразвукового контроля, а отечественное приборостроение в этой части благодаря государственным дотациям и грандам в начале нового тысячелетия получило стремительное развитие. Сегодня в России существует около десятка фирм, производящих ультразвуковые дефектоскопы, не уступающие по качеству и сервисному уровню зарубежным аналогам («Луч», «АКС», «Кропус», «Пергам», «Алтек», «Алтес», «Константа» и др.). 8 |