Ультразвуковой инновационный метод неразрушающего контроля с использованием Фазированных Решёток

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

На тему: «Ультразвуковой инновационный метод неразрушающего контроля с использованием Фазированных Решёток»

                                                      Выполнил:               студент гр. ХТНМ(ТМУ)

                                           Авраменко Г.Г.                   .

                                                       Проверил:                  Доцент

                                                                                
          Минаковский А.Ф.

Минск 2016

Содержание

1.       Введение                                                                  
                                               3

2.       Методы и значение неразрушающего контроля качества продукции            4

3.                Ультразвуковая дефектоскопия, основы, понятия                                             5

4.                 Ультразвуковой инновационный метод неразрушающего контроля с использованием Фазированных Решёток                                                           8                                                

5.                 Заключение                                                                      
                                    10

          Список используемой литературы                                                                 

1.  Введение

Все основные элементы машин рассчитываются на одинаковый срок службы, по истечению которого наступает их физический износ. На практике часто приходится встречаться с тем, что отдельные части изделий выходят из строя раньше этого срока. Причиной этого, как правило, являются дефекты, не обнаруженные в процессе их изготовления и контроля качества.

В целях обеспечения требуемого качества конечного продукта (законченного производством изделия) необходимо вести контроль не только качества материала, но и соблюдения режимов технологических процессов, «контролировать геометрические параметры, качество обработки поверхности деталей и др. Технические измерения, оценка качества обработанной поверхности (овальность, конусность, цилиндричность,  шереховатость, и др.) несут информацию о внешней стороне дела. Это очень важно, но ещё более важно проникнуть в материал, знать его структуру, химический состав, качество и глубину термической обработки, распределение внутренних напряжений, характер и распределение возможных внутренних и поверхностных металлургических дефектов. Существуют различные методы контроля, их можно разделить на две большие группы: контроль качества с разрушением и без разрушения материала (заготовки, детали).

Контроль качества с разрушением, который проводится методами химического, спектрального, рентгеноструктурного и металлографического анализа, позволяет обнаружить отклонения от заданных параметров состава и структуры металла, но требует, как правило, взятия проб, изготовления образцов. Это трудоемкие и дорогостоящие операции. Нередко на них уходит столько же металла, чем на изготовление самой детали.

Однако в современный период, когда техника становится всё более сложной, выборочный контроль ответственных деталей, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях, становится недостаточным, он не может гарантировать высокую работоспособность и надежность. Более эффективный контроль дефектов, нарушающих сплошность, однородность макроструктуры металла, отклонений химического состава следует проводить с помощью физических методов неразрушающего контроля-дефектоскопии, основанных на исследовании изменений физических характеристик металла. 

3

2.  Методы и значение неразрушающего контроля качества продукции

Дефектоскопия – комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов с целью обнаружения дефектов. Дефектоскопия включает разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.), составление методик контроля, анализ и обработку показаний дефектоскопов. В основе методов дефектоскопии лежит исследование физических свойств материалов при воздействии на них рентгеновских, инфракрасных, ультрафиолетовых лучей, радиоволн, ультразвуковых упругих колебаний, магнитного и электрического полей и др.

Дефектоскоп – устройство для обнаружения дефектов в изделиях методами неразрушающего контроля. Различают дефектоскопы магнитные, рентгеновские, ультразвуковые, электроиндуктивные и др.

Они выполнены в виде переносных, лабораторных приборов или стационарных установок. Переносные дефектоскопы обычно имеют простейшие индикаторы для обнаружения дефектов (стрелочный прибор, световой или звуковой сигнализатор и т. д.). Лабораторные дефектоскопы более чувствительны, часто оснащаются осцилоскопическими и цифровыми индикаторами. В стационарных дефектоскопах – наиболее универсальных – предусмотрены самозаписывающие устройства для регистрации показаний и их объективной оценки.

Наиболее простым методом дефектоскопии является визуальный, осуществляемый невооружённым глазом или с помощью оптических приборов(например, лупы). Визуальная дефектоскопия позволяет обнаружить только поверхностные дефекты.

Более широкое распространение получил метод оптического контроля в связи с созданием оптического квантового генератора. С его помощью можно производить  контроль геометрических размеров изделий со сложной конфигурацией, несплошностей, неоднородностей, деформаций, вибраций, внутренних напряжений прозрачных объектов, концентраций, чистоты газов и жидкостей, толщины пленочных покрытий, шереховатостей поверхности изделий.

Рентгенодефектоскопия основана на поглощении рентгеновских лучей, которое зависит от плотности среды и атомного номера элементов, образующих материал среды. Наличие таких дефектов, как трещины, раковины и инородные включения , приводят к тому, что проходящие через материал лучи ослабляются в различной степени. Регистрируя распределение интенсивности проходящих лучей, можно определить наличие и расположение различных неоднородностей материала.

Радиодефектоскопия, основанная на проникающих свойствах микрорадиоволн, позволяет обнаруживать дефекты главным образом на поверхности изделий обычно из неметаллических материалов. Радиодефектоскопия металлических из-за малой проникающей способности микрорадиоволн ограничена. Этим методом определяют дефекты в стальных листах, проволоке в процессе изготовления, а также измеряют их толщину или диаметр, толщину диэлектрических покрытий и т.д.

4

При инфракрасной дефектоскопии используются инфракрасные (т. е. тепловые) лучи для обнаружения непрозрачных для видимого света включений. Этим методом контролируют изделия, нагревающиеся в процессе работы. Дефектные участки в изделии изменяют тепловой поток. Поток инфракрасного излучения пропускают через изделие и регистрируют его распределение теплочувствительным приёмником.

Магнитная дефектоскопия основана на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях ферромагнитных материалов. При намагничивании изделия магнитный порошок или его суспензия в масле оседает в местах расположения дефектов.

Электроиндуктивная дефектоскопия основана на возбуждении вихревых токов переменным магнитным полем датчика дефектоскопа. Применение электроиндуктивной дефектоскопии позволяет автоматизировать контроль качества проволоки, прутков, труб, профилей, движущихся в процессе их изготовления со значительными скоростями, вести непрерывное измерение размеров, определять глубину слоев химико-термической обработки, сортировать некоторые материалы по маркам.

Термоэлектрическая дефектоскопия основана на измерении электродвижущей силы, возникающей в замкнутой цепи при нагреве места контакта двух разнородных материалов. Этот метод обычно применяют в тех случаях, когда требуется определить марку материала конструкции.

Электростатическая дефектоскопия основана на использовании электростатического поля, в которое помещают изделие. Для обнаружения трещин изделие опыляют тонким порошком мела из пульверизатора с эбонитовым наконечником. При этом частицы мела получают положительный заряд. В результате неоднородности электростатического поля частицы мела скапливаются у краёв трещин. Этот метод применяют также для контроля изделий из изоляционных материалов.

3.                Ультразвуковая дефектоскопия, основы, понятия

Ультразвуковая дефектоскопия – это метод основанный на исследовании процесса распространения звуковых колебаний с частотой 0,5-25 МГц и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик в контролируемых изделиях с помощью специального оборудования – ультразвукового дефектоскопа.  Является одним из самых распространенных методов неразрушающего контроля.

Ультразвуковой метод занимает главенствующее положение, на его долю приходит 32% объёма контроля всех изделий. Несмотря на высокий уровень автоматизации труда  в развитых странах, доля ручного ультразвукового контроля остаётся небольшой.

Это связано с тем, что большие объёмы работ проводятся на объектах, находящихся в эксплуатации: атомные электростанции, трубопроводы различного назначения, транспортные средства и т.д.

5

Характерной чертой указанных объектов является большое разнообразие конструкций, и следовательно, методик ультразвукового контроля, поэтому работы по контролю плохо поддаются автоматизации.

Ультразвуковой метод неразрушающего контроля основан на введении в тестируемый объект высокочастотной волны для получения информации о его состоянии. Существуют два основных принципа использования ультразвука. Первый основан на измерении времени пробега ультразвука в изделии, второй – на измерении амплитуды отражённого сигнала.

Основной из характеристик упругих волн является длинна волны λ. Она пропорциональна размеру выявляемого дефекта и определяется по формуле:

λ=С/f

где λ – длинна волны(м);

С – скорость распространения ультразвука в материале (м/с);

f – частота колебаний волны(Гц).

В ультразвуковом контроле рельсов чаще всего используют продольные и поперечные волны. Реже – поверхностные.

Продольными называются волны, распространение которых совпадает с направлением колебания частиц контролируемой среды. Продольная волна может быть возбуждена: в твердом теле, в жидкой и газообразной средах. Скорость распространения продольной волны в рельсовой стали составляет Сl=5850 м/с.

Поперечными называются волны, которые распространяются в направлении перпендикулярном направлению колебания частиц контролируемой среды.

Поперечная волна может быть возбуждена только в твердом теле. Скорость распространения поперечной волны в рельсовой стали составляет Сt=3230 м/с, то есть в 1,8 раз меньше чем скорость распространения продольной волны.

Ультразвуковые волны обладают следующими свойствами:

· Затухание ультразвуковых колебаний, проявляется поглощением и рассеянием;

· Отражение ультразвуковых колебаний(при нормальном падении волн);

· Преломление ультразвуковых колебаний(при наклонном падении волн);

· Трансформация ультразвуковых колебаний.

Затухание ультразвуковых колебаний. По мере удаления от излучателя амплитуда колебаний частиц постепенно убывает. Это обусловлено геометрическим расположением лучей, что приводит к увеличению ширины ультразвукового пучка, а также потерями в металле рельса, приводящими к постепенному затуханию колебаний при их распространении.

Поглощение – переход акустической энергии волны в тепловую энергию за счет внутреннего трения между частицами вещества контролируемого изделия.

Рассеяние – изменение направления распространения части энергии акустической волны вследствие неоднородности материала изделия.

6

Отражение ультразвуковых колебаний. Если на пути распространения ультразвуковой волны встречается среда с другими акустическими свойствами, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая часть – отражается в первую, возвращается в обратном направлении. Распределение энергии между отраженной и прошедшей волнами, определяется соотношением их акустических свойств.

На отражении упругих волн от несплошностей, основана выявляемость дефектов при эхо – методе, т. к. по своим акустическим свойствам несплошности (трещины, поры, шлаковые включения и др.) отличаются от основного материала.

Преломление и трансформация ультразвуковых колебаний. При наклонном падении продольной волны из твердой среды 1 в твердую среду 2, на границе этих двух сред происходит: отражение, преломление и трансформация (расщепление) волны.

Если продольная упругая волна с определённой скоростью падает на границу раздела этих двух твердых сред под углом, отличным от прямого, то отражённая и прошедшая волна преломляются и трансформируются на продольные и поперечные волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами.

На практике для обеспечения падения продольных волн под углом используют наклонные пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлектрические преобразователи предназначены для возбуждения и приёма ультразвуковых волн (колебаний) частотой от 1 до 5 МГц.

В настоящее время используют пьезоэлектрические преобразователи трёх видов:

- совмещённые – состоят из одного пьезоэлемента, который в один момент времени выполняет роль источника, а в следующий момент времени – роль приёмника;

- раздельно-совмещённые – состоят из двух пьезоэлементов (один – источник, а другой – приёмник ультразвука) расположенных в одном корпусе и разделённых защитным акустическим экраном;

- раздельные – пьезоэлемент в преобразователе выполняет роль только источника или только приёмника ультразвука.

В настоящее время существует классификация методов ультразвукового контроля:

1)                Эхо-импульсный метод. Основан на излучении в объект контроля зондирующих импульсов и регистрации эхо сигнала, отраженного от дефекта

2)                Зеркальный метод. Основан на анализе параметров акустических импульсов, отраженных от дефектов и донной поверхности объекта.

3)                Теневой метод. Основан на анализе уменьшения амплитуды прошедшей волны, обусловленного наличием дефекта.

7

4.                Ультразвуковой инновационный метод неразрушающего контроля с использованием Фазированных Решёток

Ультразвуковой метод неразрушающего контроля с использованием преобразователей в виде фазированных решёток – инновационная технология, которая предлагает новые варианты отображения данных ультразвукового контроля в виде различных типов разверток, называемых сканами, а также схем проведения контроля.

Антенная решётка (Array) – преобразователь с большим количеством элементов, собранных в одном корпусе.

Аппаратура с использованием фазированных антенных решёток (Phased Array) расширяет возможности проведения UT контроля по сравнению с традиционным настолько, что делает его вспомогательным, но не заменяет его.

В промышленности до последнего десятилетия применение ультразвуковой аппаратуры с использованием фазированных решёток находило достаточно ограниченное применение.

Причиной стало отсутствие мощных портативных процессоров вычислительной техники, необходимых для быстрого возбуждения многоканальных преобразователей, а так же необходимости в обработке большой информации, содержащейся в файлах, полученных при проведении сканирования.

Как при традиционном звуковом контроле, так и при контроле с использованием фазированных решёток используются те же основные законы физики, которые определяют распространение ультразвуковых волн.

Например, если оптимальная частота проведения традиционного ультразвукового контроля принимается равной 5,0 МГц, то фазированные решётки, как правило, используют ту же самую частоту, фокусное расстояние и угол ввода.

8

У фазированных решёток есть главные преимущества перед традиционной ультразвуковой дефектоскопией:

1)                Лучи могут быть развернуты в определенном диапазоне углов, управляться и фокусироваться.

2)                Обеспечение проведения сплошного 100% контроля участков путём непрерывного сканирования.

3)                Документирование и архивизация результатов контроля в виде B, S, C и D – сканов с дальнейшей возможностью повторного их анализа.

4)                Повышение вероятности обнаружения дефектов.

5)                Вселяет большую уверенность в интерпретации Ложных индикаций.

6)                Даёт больший объём информации за такое же отведённое время, как при проведении традиционного UT контроля.

7)                Даёт возможность проведения контроля в тех местах, которые ранее были недоступными или труднодоступными для проведения традиционного  UT контроля.   

8)                Предлагается замена радиографии (RT)  на ультразвук (UT + PAUT  + TOFD).

Переход в мир цифровых технологий и разработка недорогих встроенных микропроцессоров послужило быстрому внедрению аппаратуры следующего поколения на фазированных решётках. Переносные дефектоскопы на фазированных решётках для промышленного контроля появились в начале 2000-х.

В последние годы, чтобы выйти на новый уровень получения информации, а также визуализации результатов традиционного ультразвукового контроля сварных соединений, изменений толщины, а так же обнаружения трещин в процессе эксплуатации, увеличилось использование систем с фазированными решётками в промышленных условиях.

9

5.                Заключение

Неразрушающий контроль весьма эффективен. Он позволяет снижать трудоемкость контрольных операций, резко повышать производительность труда контролеров. Так, например, металлографический анализ структуры образца занимает 2-3 ч, автоматические средства контроля (АСК) за 1-2 секунды выявляют аналогичные дефекты. Применение методов неразрушающего контроля качества дает весомую экономию средств за счет отбраковки недоброкачественного металла, заготовок перед дорогостоящей механической обработкой.

Неразрушающий контроль даёт возможность проверить качество деталей до вовлечения их в сборку и тем самым не допустить использования дефектных деталей в конструкциях машин, а следовательно, предотвратить аварии и катастрофы. Данные о дефектах, полученные на ранних стадиях производства, позволяют техническим службам предприятия совершенствовать технологические процессы, улучшать режимы обработки металла в горячем и холодном состоянии. Применяя методы неразрушающего контроля, можно уменьшить вес деталей и всего изделия в целом путем уменьшения коэффициентов запаса прочности.

Замена громоздкого испытательного и вспомогательного оборудования, используемого для разрушающих методов контроля, малогабаритными приборами и АСК экономит производственные площади. Машины, собранные из деталей, прошедших контроль неразрушающими способами, гораздо реже выходят из строя и, соответственно, реже требуют ремонта, замены частей и деталей. Широкое внедрение во все области промышленности методов и автоматических средств неразрушающего контроля позволит повысить надежность долговечность, качество изделий, улучшить использование трудовых, материальных и финансовых ресурсов.

10

Список используемойлитературы

1.                Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под редакцией проф. Клюева В.В.М.: «машиностроение», 1995. -488 с.

2.                Марцинкевич А. Курс лекций по магнитопорошковому методу НК

3.                Артемьев в.в. ультразвук и обработка материалов / в.в.артемьев, в.в.клубович, в.в.рубаник. – мн.: уп “эко­перспектива”, 2003. – 336 с.

4.  www.bmci.by/u_c/rum.pdf  Ультразвуковой инновационный метод неразрушающего контроля с использованием Фазированных Решёток