Способ акустоэмиссионного контроля изделий

 

Изобретение относится к области акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано для определения местоположения скрытых подповерхностных дефектов. Целью изобретения является повышение достоверности контроля. Способ основан на приеме волн Рэлея и регистрации спектра принятого преобразователями сигнала. Глубину залегания трещины определяют с учетом частоты, соответствующей минимальному значению спектра принятого сигнала, и ориентации трещины. 3 ил.

Изобретение относится к области акустической эмиссии (АЭ) и может быть использовано для определения местоположения скрытых подповерхностных дефектов.

Известен способ акусто-эмиссионного контроля, заключающийся в том, что на поверхности изделия фиксируют в нескольких точках продольную или поперечную волну, которая возникает при образовании дефекта, и по триангуляционному методу определяют координаты дефектов [1] .

Однако с помощью этого способа невозможно определить глубину залегания дефекта, поскольку нельзя точно определить время распространения волн, так как приемники фиксируют одновременно сложную волновую картину, состоящую из прямых, однократно и многократно отраженных и трансформированных объемных волн.

Наиболее близким к изобретению является способ акусто-эмиссионного контроля, заключающийся в том, что на поверхности изделия принимают импульс рэлеевской волны, измеряют разность времен прихода к нескольким разнесенным приемникам, по которым судят о местоположении дефекта, измеряют частотный спектр рэлеевской волны и определяют глубину залегания дефекта по верхней частоте, соответствующей половине амплитуды максимальной составляющей спектра [2] .

Недостатком известного способа является низкая достоверность контроля вследствие невысокой точности определения глубины залегания дефекта, обусловленной измерением верхней частоты спектра на уровне 0,5 от максимальной составляющей спектра. Этот уровень выбирается из условия наибольшей крутизны кривых огибающих спектра и точно определить его невозможно, так как его величина варьирует при изменении глубины залегания источника.

Целью изобретения является повышение достоверности акусто-эмиссионного контроля.

Это достигается тем, что в способе акусто-эмиссионного контроля, заключающегося в том, что на изделии устанавливают приемники волн Рэлея, принимают сигналы, возникающие при образовании трещины, регистрируют разность времен прихода сигнала на приемники относительно приемника, принявшего сигнал первым, и спектр сигнала, по которым определяют местоположения трещины и глубину ее залегания, измеряют частоту, соответствующую минимальной составляющей спектра принятого сигнала, и используют ее при определении глубины залегания трещины с учетом ее ориентации.

На фиг. 1 изображена схема расположения гармонических сил F₀ и F₀ʹв принятой системе координат; на фиг. 2 - зависимость амплитуды смещений в рэлеевских волнах на поверхности упругого полупространства Z = 0 (функция f_в,г(h)˙ f_z(Z)/Z = 0) от относительной глубины залегания источника h/ λ_R; на фиг. 3 - спектры импульсов рэлеевской волны для трещин с различной ориентацией и глубиной залегания.

Cпособ основан на следующих предпосылках. Теоретически вычислены и экспериментально зарегистрированы Z-составляющие рэлеевских волн от источника типа вертикальной гармонической силы с заданной объемной плотностью F₀, сосредоточенной в малом объеме на глубине h под поверхностью упругого полупространства, рассчитаны поля упругих смещений в волнах Рэлея, возбуждаемых моделью источника АЭ типа пары вертикальных сил, сосредоточенных на глубине h под поверхностью упругого полупространства, причем точки приложения сил смещены друг относительно друга на величину Δ h (Δ h много меньше длины волны λ ) (см. фиг. 1) путем дифференцирования формул для одной силы по h и домножением на Δ h при Δ h-> 0. Такой тип источника может, например, имитировать микроразрушения типа локальных отслоений тонкого поверхностного слоя.

В результате получена формула для вертикальной составляющей смещений в волнах Рэлея, излучаемых моделью источника АЭ типа пары вертикальных сил U_ZKB, которую структурно можно представить в следующем виде: U_ZRB = A ˙ f_B(h)˙ f_Z(Z), где F₀ - поверхностная плотность сил на берегах микротрещины; ΔS - площадь поверхности образовавшейся микротрещины; К₀ - волновое число Рэлеевской волны; μ - постоянная Ламе; ρ - расстояние до точки наблюдения; η_o = (0,87 + 1,2ν )/(1 + ν ); ν - коэффициент Пуассона; γ - отношение скорости поперечной волны к скорости продольной волны;
.

Аналогичным образом решена задача определения полей упругих смещений в волнах Рэлея, излучаемых моделью источника АЭ типа пары горизонтальных сил, сосредоточенных на глубине h под поверхностью упругого полупространства, точки приложения которых разнесены на величину Δ Х. Такая модель может, например, имитировать микротрещины, перпендикулярные поверхности, вероятность появления которых велика при изгибе, кручении, термодинамических нагружениях и в ряде других случаев.

Получена формула для Z-компоненты смещений в волнах Рэлея, излучаемых моделью источника типа пары горизонтальных сил U_ZRГ, которую структурно можно представить в следующем виде:
U_ZRГ = Acos² α ˙ f_Г(h) ˙f_Z(Z), где f_Г(h)= /Ce^-q0^h - e
α - угол в цилиндрической системе координат.

При этом следует иметь ввиду, что функция f_Z(Z) описывает структуру волны Рэлея вне зависимости от того, каким образом (каким типом источника) она возбуждена, а функции f_Г(h) и f_B(h) характеризуют эффективность возбуждения волн в зависимости от положения источника и определяются типом источника.

На фиг. 2 представлены зависимости величины смещений на границе полупространства Z = 0 от относительной глубины залегания источника для модели типа пары горизонтальных сил (кривая 1) и для модели типа пары вертикальных сил (кривая 2). Из чертежа видно, что оба источника, находясь на некоторой глубине h₀/ λ_R, не возбуждают рэлеевской волны (точки а и В на фиг. 2).

Глубина h₀/ λ_R в этом случае определяется для пары горизонтальных сил по формуле:
h_ог/λ_R= ln((2-η²₀)/2)/2 - , для пары вертикальных сил по формуле:
h_ов/λ_R= ln/2 - .

Следовательно, если для одной гармонической составляющей существует такая глубина, на которой смещения в волне Рэлея равны нулю, то в спектре принятого сигнала (полагаем, что спектр импульсов АЭ достаточно широк) должен быть провал, соответствующий глубине залегания источника АЭ. Измеряя частоту, соответствующую минимальной составляющей спектра f_мин, можно определить глубину залегания микротрещины, образованной парой горизонтальных сил, по формуле
h_г= , (1) а для микротрещины, образованной парой вертикальных сил, по формуле
h_В= , (2) где C_R - скорость рэлеевской волны.

Как видно, глубина залегания трещин различных ориентаций определяется различными формулами, т. е. ее необходимо определять с учетом ориентации трещины. В ряде случаев ориентация трещины может быть априорно известна, в других случаях ее можно определить по распределению амплитуд волн Рэлея, приходящих на набор преобразователей (амплитуда волн Рэлея, излучаемых парой горизонтальных сил, пропорциональна cos² α , а амплитуда волн Рэлея, излучаемых парой вертикальных сил, от α не зависит и одинаково излучается во всех направлениях).

Способ осуществляется следующим образом. На поверхности изделия устанавливают приемники волн Рэлея, принимают импульсы рэлеевской волны, возникающей при образовании подповерхностных микротрещин, регистрируют разность времен прихода сигнала на установленные приемники относительно приемника, зарегистрировавшего сигнал первым, и определяют местоположение микротрещины на плоскости. Измеряют частотный спектр пришедшего сигнала, определяют частоту, соответствующую минимальной составляющей спектра принятого сигнала, и по формулам (1) или (2) (с учетом ориентации микротрещины) определяют глубину ее залегания.

На фиг. 3 представлены спектры импульсов рэлеевской волны для трещин, образованных парой сил, находящихся на глубине h₁ = 0,5 и h₂ = 1 мм под поверхностью, и для трещины, образованной парой вертикальных сил, находящейся на глубине h₃ = 2 мм под поверхностью.

Как видно из графика частоты, соответствующие провалу в спектре сигнала, соответственно равны: f_мин1 = 0,42; f_мин2 = 0,21; f_мин3 = 0,3 МГц. При этом значения глубины залегания трещин, рассчитанные с учетом их ориентации по формулам (1) или (2), совпадают с заданными, т. е. равны соответственно 0,5, 1, 2 мм.

Таким образом, предлагаемый способ обладает высокой степенью достоверности и позволяет с высокой точностью определять глубину залегания дефектов, не выходящих на поверхность изделия (скрытых подповерхностных дефектов). (56) 1. Грешников В. А. и др. Акустическая эмиссия. М. : Стандарты, 1976, с. 51.

2. Авторское свидетельство СССР N 1037170, кл. G 01 N 29/14, 1983.

Формула изобретения

СПОСОБ АКУСТОЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ, заключающийся в том, что на поверхности изделия устанавливают приемники волн Рэлея, принимают сигналы, возникающие при образовании трещины, регистрируют разность времен прихода сигнала на приемники относительно приемника, принявшего его первым, и спектр сигнала, по которым определяют местоположение трещины и глубину ее залегания, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля, измеряют частоту, соответствующую минимальной составляющей спектра принятого сигнала, и используют ее при определении глубины залегания трещины с учетом ее ориентации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3