Тест-образец для ультразвукового контроля изделий

 

Использование: при подготовке и аттестации операторов ультразвукового контроля сварных соединений и других изделий. Цель звукового контроля сварных соединений и других изделий. Цель - повышение качества моделирования процесса ультразвукового контроля изделий при одновременном расширении области применения, снижении трудоемкости изготовления и себестоимости устройства. Устройство дополнительно включает формирователь синхроимпульсов, выполненный в виде последовательно соединенных антенны, приемника и нормализатора реализации блока кодирования в виде однотипных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные ключ, линию задержки и генератор импульсов. Пьезоэлементы, подключенные к генераторам, излучают ультразвуковые колебания через призмы, расположенные непосредственно под плоскостью сканирования. Время задержки линии задержки и расположение пьезоэлементов относительно контролируемого сечения определяются по расчетным выражениям. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к устройствам для неразрушающего контроля качества материалов ультразвуковым (УЗ) методом и может быть использовано при ручном УЗ контроле сварных соединений, рельсов и других изделий в машиностроении и на транспорте.

Достоверность ручного ультразвукового контроля качества изделий во многом определяется надежностью системы оператор-дефектоскоп. Последняя зависит от качества обучения операторов навыкам поиска разнообразных дефектов в контролируемых объектах. Однако процедура изготовления дефектов с заданными параметрами в металлических изделиях весьма трудоемка и сложна. В связи с этим, в процессе обучения операторов дефектоскопов применяют различные устройства для моделирования процесса ультразвукового контроля изделий, тренажеры, имитаторы.

Известны устройства для моделирования процесса ультразвукового контроля изделий, содержащие дополнительный излучающий электроакустический преобразователь, формирователь импульсов и генератор непрерывных колебаний [1] позволяющие имитировать в настроечном образце дефект с заданными параметрами.

Недостаток известного устройства возможность имитации только одного дефекта в изделии. Кроме того, эти устройства предназначены, в основном, для настройки эхо-непрерывных дефектоскопов на базе эффекта Доплера и не пригодны для обучения операторов выявлению дефектов эхо-импульсными УЗ дефектоскопами.

Известно устройство для моделирования процесса УЗ контроля сварного шва при обучении операторов [2] содержащее образец со сварным швом, блок имитации дефектов, выполненный в виде закрепленными на образце пьезоэлементами, блок управления имитацией дефектов, магнитоуправляемые контакты и пьезопреобразователь с магнитом и записывающим элементом. Процесс имитации эхо-сигналов от дефекта происходит при сканировании преобразователя по поверхности образца, замыкании магнитоуправляемых контактов, расположенных на противоположной поверхности сканирования, при наезде на их проекцию преобразователя с магнитом и подключении той или иной пьезопластины, расположенной на участке образца определенной высоты, ко входу дефектоскопа.

Недостаток известного устройства низкое качество имитации процесса обнаружения дефектов. На экране электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) дефектоскопа в процессе обнаружения моделируемого дефекта (наезде преобразователя с магнитом на магнитоуправляемый контакт) эхо-сигнал появляется скачком (внезапно), имеет четко фиксируемую амплитуду и временное положение относительно зондирующего импульса и не меняется в процессе перемещения преобразователя в зоне нахождения магнитоуправляемого контакта. Эхо-сигнал от модели дефекта имеет вид помехи, характерной для ложных отражений от конструктивных элементов призмы преобразователя. В то же время при УЗ контроле реальных объектов эхо-сигнал от дефекта имеет колоколообразную амплитудную огибающую. В процессе перемещения преобразователя в зоне обнаружения дефекта меняется как амплитуда, так и (в небольших пределах) временное положение эхо-сигнала. Временные положения эхо-сигналов от имитирующих дефектов, определяющие глубину высот ступенек участка образца, где расположены преобразователи, имеют фиксированные величины и не могут быть плавно изменены. Устройство рассчитано на конкретный типоразмер шва и при необходимости имитации дефектов в сварных соединениях различных толщин требует изготовления нескольких устройств различными размерами образцов со сварным швом, что значительно усложняет конструкцию и удорожает стоимость устройства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является тест-образец для ультразвукового контроля [3] содержащий модель контролируемого изделия в виде образца со сварным швом, N приемных пьезоэлементов различной конфигурации и сечения, блок кодирования, содержащий N каналов, каждый из которых выполнен в виде последовательно соединенных переменного резистора и ключа, причем входы блока подключены к выходам приемных пьезоэлементов, а выход предназначен для подключения к дефектоскопу.

Недостатки прототипа: искажение реальных параметров эхо-сигналов при моделировании процесса УЗ контроля, т.к. временный интервал между зондирующим импульсом дефектоскопа и эхо-сигналом от имитируемого дефекта в два раза меньше, чем в реальной ситуации. Это обусловлено тем, что сигналы от имитируемых дефектов появляются при попадании УЗ пучка, излучаемого преобразователем дефектоскопа, на одну из N приемных пьезопластин, расположенных в специально изготовленном пазе сварного шва. УЗ колебания распространяются по траектории излучатель дефект (пьезопластина), а в реальной ситуации выявления дефектов, эхо-методом по траектории излучатель дефект приемники. Указанный недостаток не позволяет имитировать процесс УЗ контроля, т.к. при выявлении дефектов одним из основных параметров, по которым оператор производит распознавание сигналов от дефекта на фоне помех, является их временное положение, соотнесенное с местоположением преобразователя дефектоскопа относительно контролируемого сечения. Такое искажение одного из основных параметров контроля может привести к привитию неправильных навыков оператору и, как следствие, снижает достоверность и надежность последующего контроля; низкое качество имитации процесса УЗ контроля, вызванное тем, что при работе с устройством преобразователь дефектоскопа работает только в режиме излучения и систему дефектоскоп преобразователь невозможно настроить на заданную условную чувствительность, т.к. амплитуда сигнала от имитируемого дефекта зависит, в основном, от положения движка переменного резистора блока кодирования устройства и совершенно не зависит от чувствительности преобразователя дефектоскопа, т.к. он работает только на излучение; ограниченное количество и сложность изменения дефектных ситуаций, которое можно имитировать с помощью указанного устройства. Пьезоэлементы размещаются в специально изготовленном пазе сварного соединения и варианты их размещения в этом углублении весьма ограничены. Выполнение паза и различно ориентированных углублений в металлическом образце требует фрезерных работ и достаточно трудоемко; большая металлоемкость и, как следствие, масса и стоимость устройства, т. к. моделью контролируемого изделия является реальное сварное соединение с дополнительным пазом в шве. Например, устройство со сварным соединением, соответствующим типовым размерам 500х300х40 мм, имеет массу около 50 кг, что создает неудобства при его эксплуатации и при массовом изготовлении приводит к существенным затратам материалов; наличие видимой электрической связи между дефектоскопом и устройством и необходимость изменения типовой схемы включения преобразователя дефектоскопа при работе с имитатором. Действительно, при контроле реальных сварных швов преобразователь, с помощью которого производят сканирование околошовной поверхности, подключается одновременно к генератору и к приемнику дефектоскопа (прибор работает в совмещенном режиме). При использовании прототипа дефектоскоп должен работать в раздельном режиме. К генератору дефектоскопа подключается преобразователь, а к приемнику с помощью дополнительного кабеля, вход блока кодирования устройства; ограниченная область применения устройства, обусловленная тем, что устройство позволяет моделировать процесс УЗ контроля только одного сварного шва с конкретным типоразмером (например шва, соединяющего листы толщиной 40 мм). При необходимости имитации дефектов в сварных соединениях различных толщин требуется изготовление нескольких устройств с образцами сварных швов соответствующих толщин.

Таким образом, устройство, принятое за прототип, обеспечивает низкое качество моделирования процесса УЗ контроля изделий, имеет ограниченную область применения и малое количество моделируемых дефектных ситуаций сложно в изготовлении и требует изменения схемы включения дефектоскопа.

Цель изобретения повышение качества моделирования процесса ультразвукового контроля изделий при одновременном расширении области применения и моделирования большего количества дефектных ситуаций. Моделирование процесса УЗ контроля производится без изменения типовой схемы подключения преобразователя к дефектоскопу и без осуществления видимой (проводной) связи между дефектоскопом и устройством.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для моделирования процесса УЗ контроля изделий, содержащее модель контролируемого изделия, пьезоэлементов различной конфигурации, блок кодирования параметров моделируемых дефектов, выполненный состоящим из каналов, дополнительно снабжено формирователем синхроимпульсов, включенным к входу блока кодирования, каналы блока, кроме ключа, содержат последовательно соединенные линии задержки синхроимпульсов с регулируемым временем задержки и генераторы импульсов с регулируемой амплитудой. Выходы генераторов подключены к пьезопластинам, а входы блока соединены с выходом формирователя синхроимпульсов. Пьезоэлементы расположены непосредственно под плоскостью сканирования модели контролируемого изделия, а последняя выполнена в виде листа из материала, пропускающего ультразвуковые колебания. Формирователь синхроимпульсов выполнен в виде последовательно соединенных антенны, приемника синхроимпульсов дефектоскопа и нормализатора, а выход нормализатора соединен со входом блока кодирования. Пьезоэлементы для улучшения направленных свойств имитируемых дефектов расположены на призме из материала, проводящего ультразвуковые колебания. Расстояние Х расположения пьезоэлементов от точек выхода ультразвукового луча до контролируемого сечения определяется выражением Х К˙ tgα (1) где α угол ввода ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие; К mH + h для m 0 и четных значений m; K (m + 1) H h для нечетных значений m, где h глубина залегания имитируемого дефекта;
Н толщина моделируемого контролируемого изделия;
m число отражений, претерпеваемых ультразвуковым лучом в контролируемом изделии с плоскопараллельными поверхностями до входа в контролируемое сечение (при m 0 озвучивание производится прямым лучом). Величина времени t задержки линии задержки каждого канала устанавливается в соответствии с соотношением
t 2K/(C˙cos α ), (2) где С скорость распространения ультразвуковых колебаний в контролируемом изделии (например, в стали скорость распространения поперечных ультразвуковых волн С 3260 м/c).

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для моделирования процесса ультразвукового контроля изделия; на фиг. 2 примерная схема расположения пьезопластин под сканируемой поверхностью; на фиг. 3 график для упрощения настройки устройства для конкретных исходных параметров (Н 60 мм, α 65^о, С 3,26 мм/мкс).

Устройство для моделирования процесса УЗ контроля изделий состоит из модели контролируемого изделия 1 с контролируемым сечением (областью вероятного нахождения дефектов, например сварным швом) 2, N пьезопластин 3, блока 4 кодирования и формирователя 5 синхроимпульсов. Блок 4 кодирования состоит из N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные ключ 6, линию 7 задержки с органом 8 управления регулировки, генератор 9 импульсов с органом 10 регулировки амплитуды. Формирователь 5 импульсов состоит из последовательно соединенных антенны 11, приемника 12 и нормализатора 13 импульсов. Для придания направленных свойств имитируемых дефектом пьезопластины 3 расположены на призмах 14, имеющих различные углы и выполненных из материала, пропускающего УЗ колебания (аналогичного материалу призмы преобразователя 15 дефектоскопа 16).

В основу действия устройства положен принцип излучения от имитируемых дефектов изделия квазиотраженных упругих колебаний УЗ частоты. Время излучения этих колебаний задержано относительно момента излучения дефектоскопом зондирующих импульсов на величину, равную величине распространения УЗ колебаний до дефекта и обратно от конкретного дефекта, залегающего на глубине h в реальном контролируемом изделии. Время задержки и амплитуда излучаемых пьезопластинами колебаний формируются и регулируются известными радиотехническими устройствами. С целью максимального приближения моделируемой ситуации к реальным полностью исключены какие-либо изменения схемы подключения преобразователя к дефектоскопу и видимая электрическая связь (соединение) устройства для моделирования с рабочим дефектоскопом. Прием и формирование синхроимпульсов производятся с помощью смонтированного в устройство приемника.

Устройство для моделирования процесса ультразвукового контроля изделий работает следующим образом.

При включении УЗ дефектоскопа 16 с преобразователем 15 одновременно с излучением акустических зондирующих колебаний с частотой f в окружающее пространство излучаются и электромагнитные колебания той же частоты. В общем случае эти излучения являются паразитными. Однако в заявляемом изобретении они используются для беспроводной передачи синхроимпульсов от дефектоскопа к устройству для моделирования. Эти электромагнитные колебания воспринимаются антенной 11, усиливаются приемником 12 и нормализуются нормализатором 13. На его выходе формируются периодические импульсы, точно соответствующие моменту излучения зондирующих импульсов дефектоскопа, т.е. полные аналоги синхроимпульсов дефектоскопа. Через замкнутые ключи 6 эти синхроимпульсы задерживаются линией задержки 7 на величину, устанавливаемую регулятором 8, и запускают генераторы 9 импульсов, которые в свою очередь возбуждают пьезопластины 3. Ультразвуковые колебания, создаваемые пьезопластинами 3, через призмы 14 и стенку модели контролируемого изделия 1 воспринимаются преобразователем 15 и поступают на вход дефектоскопа 16, где подвергаются соответствующей обработке обычным образом. В результате на экране ЭЛТ дефектоскопа появляется импульс от имитируемого дефекта, вызывающий также срабатывание дополнительных индикаторов (звукового, светового и блока цифрового отсчета (БЦО) дефектоскопа. Таким образом имитируется процесс обнаружения дефекта в контролируемом изделии. В ходе перемещения (сканирования) преобразователем 15 по поверхности модели контролируемого изделия эхо-сигнал от обнаруживаемого дефекта появляется плавно и его временные и амплитудные параметры (при соответствующей установке органов 8 и 10 управления) полностью идентичны параметрам сигналов от реальных дефектов.

Реализация предлагаемого устройства не вызывает затруднений т.к. все узлы, входящие в блок 4 кодирования и в формирователь 5 синхроимпульсов, являются известными радиотехническими устройствами. Конструкция приемника также не сложна, т.к. как показывает экспериментальные исследования, уровень излучаемых паразитных электромагнитных колебаний внутри устройства моделирования при установке преобразователя дефектоскопа на сканируемую поверхность устройства составляет значительную величину (до 0,3-0,5 В). Поэтому приемник может быть собран по любой из известных схем радиоприемников прямого усиления средневолнового (при излучаемых стандартных частотах УЗ колебаний 1,25, 1,8 или 2,5 МГц) или коротковолнового (при частоте УЗ колебаний выше 3,0 МГц) диапазонов. Антенна 11 приемника может быть выполнена в виде магнитной (катушка индуктивности намотана на ферритовый стержень) или просто индуктивной катушки с соответствующим числом витков намотанной по внутреннему периметру модели контролируемого изделия 1 устройства.

Модель контролируемого изделия 1 целесообразно выполнить из материала на основе акрильных пластмасс (полистирол, полиамид и т.п.) или полимеров (капролон, поликарбонат и др. ), пропускающего ультразвуковые колебания. Материал должен иметь цвет, имитирующий цвет контролируемого материала (например, при контроле сварных соединений черный), и с целью исключения просматривания мест расположения пьезопластин с обратной стороны плоскости сканирования должен быть непрозрачным. Выполнение модели изделия из пластмассы существенно уменьшает массу устройства, повышает технологичность изготовления и снижает себестоимость устройства. Указанные материалы, хотя и пропускают УЗ колебания, в то же время обусловливают их быстрое затухание, благодаря чему полностью исключаются мешающие отражения от торцов модели, связанные с зондирующими колебаниями, излучаемыми преобразователем 15 дефектоскопа и пьезопластинами. Возможные отражения, от призм пьезопластин также быстро затухают. Кроме того, по времени они сосредоточены вблизи зондирующего импульса и на экране ЭЛТ дефектоскопа воспринимаются, как имеющие место на практике ревербрационные шумы преобразователя дефектоскопа.

На практике модель контролируемого изделия может представлять из себя лист из пластмассы толщиной 5-10 мм размерами около 500 х 300 мм с нанесенной (выполненной) на его поверхность зоны контроля, например, валика усиления сварного шва.

Использование пластмасс в качестве материала для изготовления модели контролируемого изделия существенно расширяет область применения, т.к. в этом случае можно не ограничиваться только плоскими сварными соединениями, а изготовить модели контролируемых изделий, например, в виде железнодорожных рельсов, валов и осей и других изделий (деталей) машиностроения и транспорта. При этом они будут представлять полые пластмассовые модели конкретных деталей (рельсов, валов) с прикрепленными (наклеенными) внутри, под плоскостью сканирования, пьезопластинами.

Выполнение устройства в предлагаемом виде, в отличие от прототипа, не требует необходимости иметь в распоряжении учебного центра большого количества однотипных устройств с различными размерами. Например, нет необходимости иметь устройство для моделирования процесса УЗ контроля стыковых сварных швов толщиной соединяемых листов 20, 30, 40, 60 мм. В предлагаемом устройстве толщина (или любой геометрический размер) моделируемого изделия не зависит от толщины образца сварного соединения, а зависит лишь от расстояния Х расположения пьезопластин от контролируемого сечения.

При реализации блока кодирования 4 линии задержки 7 могут быть выполнены в виде известных ждущего мультивибратора с регулируемой длительностью импульса и дифференциальной цепочки с ограничителем, выделяющим задний фронт импульса мультивибратора. Генераторы 9 импульсов могут быть выполнены по классической схеме генератора с контуром ударного возбуждения; (Гурвич А. К. Ермолов И. Н. Ультразвуковой контроль сварных швов. Киев: Техника, 1972, с. 69-73) с регулируемой амплитудой зондирующих импульсов или же, в простейшем случае, в виде генераторов прямоугольных импульсов длительностью последних 0,5-1 мкс. В любом случае происходит более или менее эффективное возбуждение, пьезопластины 3 и излучение УЗ колебаний в призму 14 и в изделие 1. Органы 8 и 10 регулировки блоков 7 и 9, а также ключи 6 для включения или выключения того или иного канала (установления необходимого количества имитируемых дефектов) могут находиться непосредственно в блоках 7 и 9 и располагаться по сканируемой поверхностью модели изделия 1 или же электрические выводы могут быть выведены на коммутационный разъем. При этом смена дефектной ситуации и изменение параметров моделируемых дефектов (глубины h залегания, эквивалентной площади дефекта S_э и их количества) может быть выполнена весьма оперативно путем установки в разъем программной платы. Программная плата при этом содержит необходимое количество перемычек (до N), времязадающие и амплитудозадающие (резисторы или конденсаторы) узлов 7 и 9. Количество вариантов дефектных ситуаций определяется количеством программных плат. При установлении на программную плату элементов с плавной регулировкой (например, переменных резисторов, емкостей и переключателей 6), с учетом имеющейся возможности перестановки пьезопластин в любое место под плоскостью сканирования модели 1, количество вариантов практически не ограничено.

C устройством для моделирования процесса ультразвукового контроля изделий работают следующим образом.

Задаются параметрами контролируемого изделия: Н высотой (толщиной) изделия; С скоростью распространения в нем УЗ колебаний.

В соответствии с известными методиками контроля выбранного изделия (Щербинский В. Г. Алешин Н. П. Ультразвуковой контроль сварных соединений. М. Стройиздат, 1989, с. 212-293) задаются требуемыми параметрами контроля: α углом ввода УЗ колебаний в изделие; m схемой контроля (прозвучивания) контролируемого сечения прямым (m 0), однократно отраженным (m 1) или многократно отраженным (m2, 3.) УЗ лучами их комбинациями; чувствительностью поиска К_п и оценки К_о дефектов.

Задаются количеством р моделируемых дефектов (1≅р ≅N) с помощью ключей блока кодирования.

Исходя из желаемых значений глубины h залегания моделируемых дефектов (0≅ ≅h ≅ H), по выражениям (1) и (2) рассчитывают или определяют по заранее рассчитанному графику (фиг. 3) значения X_i и t_i для каждого из р моделируемых дефектов.

Устанавливают пьезопластины с призмами на расстоянии X_i от контролируемого сечения, ориентируя их различным образом относительно последнего и с помощью органов регулировки 8 и 10 блока кодирования задают величины t_i и U_gi. Причем амплитуды U_gi излучаемых колебаний должны быть выше значений К_п.

Сообщают оператору параметры контролируемого изделия и контроля. Эти данные в процессе тестирования оператора должны быть не доступны ему.

Оператор выбирает необходимый преобразователь и производит настройку чувствительности, временных параметров сканирования по известной методике (ГОСТ 14782-86).

Производится сканирование (перемещение) преобразователем дефектоскопа по поверхности модели контролируемого изделия. При появлении эхо-сигналов на экране дефектоскопа производится оценка их параметров и при необходимости измерение условных размеров дефектов по известным методикам.

По числу обнаруженных в процессе поиска дефектов и их измеренным параметрам путем сопоставления их с заданными оценивают качество работы оператора и его соответствие определенному уровню квалификации.

Моделируя на заявляемом устройстве различные дефектные ситуации изменением конфигурации и размеров пьезопластин, их количеством и параметров излучаемых ими колебаний (времени задержки, эквивалентной площади), можно имитировать полный процесс УЗ контроля изделий и классифицировать найденные дефекты. Устройство позволяет прививать навыки поиска дефектов и обучать операторов, моделируя различные ситуации процесса УЗ контроля. Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого устройства, а именно расположение пьезопластин на призмах непосредственно под плоскостью сканирования на заданном расстоянии Х от контролируемого сечения и выполнение их излучающими, включение в блок кодирования линии задержки и генератора импульсов, установка дополнительного формирователя синхроимпульсов в виде приемника с антенной и задание величин задержки t излучаемых импульсов по расчетному выражению позволяет получить новые технические результаты:
повысить качество моделирования процесса ультразвукового контроля путем существенного увеличения количества моделируемых дефектных ситуаций и максимального приближения их к реальному процессу по всем параметрам (амплитуде, временному положению эхо-импульсов, классификация обнаруженных дефектов и т. п.) без изменения типовой схемы работы дефектоскопа);
расширить область применения устройства за счет предоставления возможности имитации дополнительных операций моделируемого процесса (в частности, настройки дефектоскопа на требуемую условную чувствительность, измерение координат обнаруживаемых дефектов и амплитуд эхо-сигналов от них), а также за счет моделирования процесса УЗ контроля в однотипных изделиях различных типоразмеров с помощью одного заявляемого устройства;
снизить трудоемкость изготовления и себестоимость устройства за счет выполнения модели контролируемого изделия из пластмассы;
повысить достоверность и надежность ультразвукового контроля за счет более полного и качественного обучения операторов-дефектоскопистов с помощью заявляемого устройства.

Формула изобретения

1. ТЕСТ-ОБРАЗЕЦ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ, содержащий N электрических каналов, каждый из которых выполнен из последовательно соединенных ключа, регулятора амплитуды и пьезопреобразователя, и модель изделия в виде листа со сварным швом, на которой установлены различно ориентированные пьезопреобразователи, отличающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными электромагнитной антенной ультразвукового диапазона частот, приемником и нормализатором импульсов, выход которого подключен ко всем ключам, а каждый канал снабжен последовательно соединенными регулируемой линией задержки, вход которой связан с ключом, и генератором импульсов с регулируемой амплитудой, выход которого подключен к входу пьезопреобразователя, а пьезопреобразователи выполнены излучающими.

2. Тест-образец по п.1, отличающийся тем, что излучающие пьезоэлементы расположены на расстоянии X от сварного шва, определяемого по формуле
X=Ktgα,
где α - угол ввода ультразвуковых колебаний в модель изделия;
K = mH + h для m = 0, 2, 4, 6 ...,
K = (m + 1)H - h для m = 1, 3, 5, 7 ...,
h - глубина залегания имитирующего дефекта;
H - толщина модели изделия;
m - число отражений ультразвука в модели изделия,
а задержку t линии задержки в каждом электрическом канале устанавливают по формуле

где C - скорость ультразвука в модели изделия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3