Способ ультразвукового контроля электропроводящих цилиндрических объектов

Авторы патента:

Муравьев Виталий Васильевич (RU)

Муравьева Ольга Владимировна (RU)

Волкова Людмила Владимировна (RU)

Башарова Альбина Фаритовна (RU)

G01N29/04 - для обнаружения локальных дефектов в твердых телах (G01N 29/16,G01N 29/18,G01N 29/20 имеют преимущество)

Владельцы патента RU 2783297:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" (RU)

Использование: для ультразвукового контроля электропроводящих цилиндрических объектов. Сущность способа заключается в том, что в контролируемой зоне цилиндрического объекта последовательно возбуждают ультразвуковые поперечные, продольные и рэлеевские волны с использованием электромагнитно-акустических преобразователей проходного и накладного типов, регистрируют серию импульсов ультразвуковых волн, многократно прошедших по сечению и периметру цилиндрического объекта, с помощью тех же электромагнитно-акустических преобразователей, по полученным осциллограммам определяют разность времен распространения между m-м и n-м импульсами, по значениям этих времен с учетом известных значений диаметра объекта, плотности материала объекта и поправочного коэффициента на скорость рэлеевской волны определяют скорости акустических волн и упругие модули по сечению объекта и в пределах поверхностного слоя, измеряют огибающие амплитуд серии импульсов ультразвуковых волн, по которым судят о наличии дефектов типа нарушения сплошности в объеме объекта и в пределах поверхностного слоя. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 6 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области ультразвукового (акустического) неразрушающего контроля и может быть использовано для определения упругих модулей материала цилиндрических объектов, выявления несплошностей и отклонений по структур металла.

Из уровня техники известен способ определения упругих констант токопроводящих твердых тел (RU 2660770 C1, МПК G01N 29/07, опубл. 09.07.2018), который заключается в возбуждении с помощью электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователя одновременно или поочередно продольной и двух плоско-поляризованных сдвиговых волн, ориентированных вдоль и поперек направления прокатки или приложенного усилия, после чего для принятых отраженных акустических сигналов уточняют направления прокатки или приложенного усилия по максимальным значениям амплитуд сдвиговых волн и, путем стробирования, выделяют из принятой последовательности импульсов отраженные эхо-сигналы продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, рассчитывают скорости распространения акустических волн и по соотношению этих интервалов и скоростей и известному значению плотности исследуемых твердых тел определяют упругие константы по соответствующим формулам. Недостатком данного способа является невозможность оценки упругих свойств цилиндрических объектов, недостаточная точность определения временных интервалов, обусловленная малым количеством регистрируемых отражений вследствие потерь на расхождение волн в плоском объекте, а также невозможность выявления дефектов типа нарушения сплошности.

Наиболее близким техническим решением к заявленному способу и выбранным в качестве прототипа признан способ применения устройства для ультразвукового контроля цилиндрических объектов (RU 130082 U1, МПК G01N 29/04, опубл. 10.07.2013), Способ состоит в возбуждении в контролируемой зоне цилиндрического объекта с помощью проходного ЭМА-преобразователя поперечной или продольной акустической волны, распространяющейся во всех радиальных направлениях по сечению объекта, приеме тем же ЭМА преобразователем серии импульсов ультразвуковой волны, многократно прошедших по сечению объекта, регистрации полученных сигналов, измерении огибающей амплитуд и времен прихода импульсов, многократно прошедших по сечению объекта, по результатам обработки которых судят о наличии дефектов типа нарушения сплошности, отклонений по структуре металла или по диаметру объекта. Взаимное перемещение совмещенного ЭМА-преобразователя и цилиндрического объекта позволяет провести контроль цилиндрического объекта по всей длине.

Недостатками способа-прототипа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные невозможностью определения упругих модулей объекта, а также низкой чувствительностью к дефектам поверхности и приповерхностного слоя объекта.

Техническим результатом предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей контроля за счет дополнительного определения упругих модулей по сечению цилиндрических объектов путем последовательного возбуждения-приема в объекте поперечной и продольной волн. Дополнительным техническим результатом является возможность определения упругих модулей в поверхностном слое объекта, а также повышение чувствительности к поверхностным и приповерхностным дефектам путем возбуждения-приема рэлеевских волн.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в контролируемой зоне цилиндрического объекта последовательно с использованием проходных электромагнитно-акустических преобразователей возбуждают ультразвуковые поперечные и продольные волны, регистрируют осциллограммы серии импульсов, многократно прошедших по сечению объекта с помощью тех же электромагнитно-акустических преобразователей, с использованием накладного электромагнитно-акустического преобразователя возбуждают ультразвуковую рэлеевскую волну, регистрируют осциллограмму серии импульсов рэлеевских волн, многократных прошедших по периметру объекта с помощью того же электромагнитно-акустического преобразователя, по полученным осциллограммам определяют разности времен распространения между m-м и n-м импульсами продольных Δt_l(m-n), поперечных Δt_t(m-n) и рэлеевских Δt_R(m-n) волн, по значениям времен, известному значению диаметра объекта D и известному значению поправочного коэффициента δ на скорость рэлеевской волны определяют скорости упругих волн C_l, C_t и C_R0, по известным значениям скоростей упругих волн и известной плотности ρ материала объекта определяют упругие модули сдвига G, Юнга Е, коэффициент Пуассона ν_lt в сечении объекта и коэффициент Пуассона ν_tR в поверхностном слое объекта с использованием формул:

измеряют огибающие амплитуд серии импульсов, по которым судят о наличии дефектов типа нарушения сплошности объекта.

Заявленный способ поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 - Блок-схема устройства, реализующего способ контроля электропроводящих цилиндрических объектов.

Фиг. 2 - Осциллограмма четырех импульсов поперечной акустической волны, прошедших по сечению объекта с обозначением измеряемой разности времен распространения между m-м и n-м импульсами.

Фиг. 3 - Зависимость поправочного коэффициента δ на скорость рэлеевской волны по цилиндрической огибающей в зависимости от диаметра D объекта и частоты волны ƒ.

Фиг. 4 - Типичная осциллограмма серии импульсов поперечной акустической волны, многократно прошедшей по сечению объекта при наличии дефекта.

Фиг. 5 - Типичная осциллограмма серии импульсов поперечной акустической волны, многократно прошедшей по сечению объекта при отсутствии дефекта.

Фиг. 6 - Фото внутренних дефектов, выявленных с использованием объемных волн: единичное неметаллическое включение «силикат недеформирующийся», неметаллические включения «сульфиды».

Способ ультразвукового контроля цилиндрических объектов заключается в следующем.

С генераторов зондирующих импульсов 1 на проходные электромагнитно-акустические преобразователи продольных 2 и поперечных 3 волн и накладные электромагнитно-акустические преобразователи рэлеевских 4 волн подаются высокочастотные электрические импульсы, возбуждающие в объекте контроля 5 поперечную волну с осевой поляризацией, продольную волну с радиальной поляризацией, распространяющиеся по сечению объекта и рэлеевскую волну, распространяющиеся в поверхностном слое по периметру объекта (Фиг. 1). Многократно прошедшие через объект импульсы ультразвуковых волн принимаются теми же электромагнитно-акустическими преобразователями, преобразуется в электрические импульсы и усиливаются с помощью усилителя 6 (Фиг. 1). Усиленные сигналы поступают на вход аналого-цифрового преобразователя, встроенного в персональный компьютер 7 (Фиг. 1). Результатом измерений являются осциллограммы серии многократных прохождений импульсов продольной и поперечной волн по сечению объекта и рэлеевской волны по огибающей объекта. Зарегистрированные осциллограммы обрабатываются с помощью специализированного программного обеспечения, с помощью которого определяют разность времен распространения между m-м и n-м прошедшими импульсами продольной Δt_l(m-n), поперечной Δt_t(m-n) и рэлеевской Δt_R(m-n) волн. В качестве примера на Фиг. 2 часть осциллограммы из четырех импульсов поперечной акустической волны, прошедшей по сечению объекта с обозначением измеряемой разности Δt_t(m-n) времен распространения между m-м и n-м импульсами. По измеренным значениям разностей времен и известном диаметре объекта D определяют скорости упругих волн C_l, C_t и C_R0 с использованием формул (1) - (3).

Упругие модули сдвига G, Юнга Е и коэффициент Пуассона ν_lt в сечении объекта могут быть определены, исходя из известных соотношений со скоростями продольных C_l и поперечных C_t волн и плотностью среды ρ [3]:

Решение системы уравнений (8) - (9) позволяет определить значения модуля сдвига G, модуля Юнга Е и коэффициента Пуассона ν_lt в сечении объекта согласно формул (4) - (6) при известном значении плотности среды ρ.

Известно, что скорость рэлеевской волны C_R0, распространяющейся по плоской поверхности C_R0, однозначно связана со скоростью поперечной волны C_t формулой [4]:

При этом скорость рэлеевской волны по цилиндрической поверхности C_R увеличивается на величину поправочного коэффициента δ, определяемую диаметром объекта D и частотой рэлеевской волны ƒ (фиг. 3) [4]:

Знание скоростей поперечной и рэлеевской волн позволяет определить значение коэффициента Пуассона поверхностного слоя ν_tR, определяемого глубиной проникновения рэлеевской волны по формуле (7) при известном значении поправочного коэффициента δ. В качестве примера на Фиг. 3 приведена зависимость поправочного коэффициента δ на скорость рэлеевской волны по цилиндрической огибающей в зависимости от диаметра D объекта и частоты волны ƒ.

Определение упругих модулей в данном сечении объекта производится посредством последовательного сканирования объекта тремя типами преобразователей за счет взаимного перемещения преобразователей и контролируемого объекта.

Результаты реализации способа для определения скоростей и упругих модулей прутков диаметром 20 мм из стали 60С2А и стали 40Х при различных способах термообработки представлены в таблицах 1 и 2.

Измеряя огибающую амплитуд серии импульсов объемных волн, можно судить об отсутствии или наличии в цилиндрическом изделии дефектов типа нарушения сплошности. При отсутствии дефектов огибающая амплитуд импульсов, многократно прошедших по сечению объекта, плавно уменьшается вследствие расхождения волны и затухания за счет поглощения и рассеяния (Фиг. 4). Наличие дефектов типа нарушения сплошности в сечении объекта приводит к дополнительному резкому ослаблению огибающей импульсов (Фиг. 5) вследствие отражения и трансформации акустической волны на внутренних или поверхностных дефектах. На Фиг. 6 в качестве примера представлены фото внутренних и поверхностных дефектов прутков стали 60С2А, выявленных с использованием указанного способа. Выявление дефектов по длине объекта осуществляется сканированием за счет взаимного перемещения преобразователей и контролируемого объекта.

Технический результат, состоящий в расширении функциональных возможностей контроля за счет дополнительного определения упругих модулей по сечению цилиндрических объектов достигается путем последовательного прозвучивания сечения объекта ультразвуковыми поперечными и продольными волнами, определения скоростей их распространения и пересчета в упругие модули по сечению объекта.

Технический результат, состоящий в возможности определения упругих модулей поверхностного слоя объекта, достигается путем прозвучивания поверхностного слоя в сечении объекта рэлеевскими волнами, определения скорости их распространения и пересчета в коэффициент Пуассона поверхностного слоя объекта.

Технический результат, состоящий в повышении чувствительности к поверхностным и приповерхностным дефектам, достигается путем прозвучивания поверхностного слоя в сечении объекта рэлеевскими волнами и анализа огибающей амплитуд серии импульсов рэлеевских волн, по которой судят о наличии дефектов типа нарушения сплошности в поверхностном слое объекта.

При прозвучивании объекта в одном сечении с использованием различных типов волн появляется возможность определения коэффициентов Пуассона по сечению и поверхностному слою вне зависимости от диаметра образца, погрешность в измерении которых известными методами значительна.. Согласно оценке, косвенная погрешность расчета значения коэффициента Пуассона не превышает 0,01%, т.е. с точностью до пятого знака, при этом случайная погрешность не превышает 0,1%.

Список использованных источников

1. RU 2660770 С1, СПК G01N 29/07. Акустический способ определения упругих констант твердых тел / Бобренко В.М., Бобров В.Т., Бобренко С.В., Бобров С.В. №2017102222; заявл. 24.01.2017; опубл. 09.07.2018.

2. RU 130082 U1, МПК G01N 29/04. Устройство ультразвукового контроля цилиндрических изделий / Муравьев В.В., Муравьева О.В., Захаров В.А., №2013111122/28; заявл. 12.03.2013; опубл. 10.07.2013.

3. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Том 3. Ультразвуковой контроль. - М.: Машиностроение, 2004. - 864 с.

4. Sh. Zhang, L. Qin, X. Li, С. Kube Propagation of Rayleigh waves on curved surfaces // Wave Motion. 2020. V. 94. 102517

Способ ультразвукового контроля цилиндрических объектов, включающий возбуждение в контролируемой зоне цилиндрического объекта ультразвуковых волн с использованием электромагнитно-акустического преобразователя, регистрацию осциллограммы серии импульсов объемных ультразвуковых волн, многократно прошедших через объект, с помощью того же электромагнитно-акустического преобразователя, определение по полученным осциллограммам разность времен распространения между m-м и n-м импульсами, измерение огибающей амплитуд серии импульсов объемных волн, по которым судят о наличии дефектов типа нарушения сплошности в сечении объекта, отличающийся тем, что в контролируемой зоне цилиндрического объекта последовательно с использованием проходных электромагнитно-акустических преобразователей возбуждают ультразвуковые поперечную и продольную волны, с использованием накладного электромагнитно-акустического преобразователя возбуждают ультразвуковую рэлеевскую волну, регистрируют серии многократных импульсов продольных и поперечных волн, многократно прошедших по сечению объекта, и рэлеевских волн, многократно прошедших по периметру объекта, с помощью тех же электромагнитно-акустических преобразователей, по значениям разностей времен распространения импульсов продольных Δt_l(m-n), поперечных Δt_t(m-n) и рэлеевских Δt_R(m-n) волн, известному значению диаметра объекта D, известному значению плотности ρ материала объекта и известному значению поправочного коэффициента на радиус объекта δ определяют скорости упругих волн С_l, C_t и C_R, упругие модули сдвига G, Юнга Е, коэффициент Пуассона ν_lt по объему объекта и коэффициент Пуассона ν_tR в поверхностном слое объекта с использованием формул:

дополнительно измеряют огибающую амплитуд серии импульсов рэлеевских волн, по которой судят о наличии дефектов типа нарушения сплошности в поверхностном слое объекта.

Использование: для определения размеров зерна в листовом металлопрокате. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют генерацию на участке объекта контроля серии ультразвуковых импульсов и приём сигналов, обусловленных взаимодействием этих импульсов с материалом объекта контроля, а также амплитудно-частотный анализ принятого сигнала, осуществляемый после окончания воздействия импульсов, выделение информативных параметров принимаемых сигналов, по значениям которых определяют средний размер зерна на исследуемом участке объекта контроля, при этом частота максимума спектра по крайней мере одного из ультразвуковых импульсов, излученных на исследуемый участок объекта контроля, удовлетворяет заданному условию, после чего средний размер зерна вычисляют по заданной формуле.

Подвижное контрольное устройство, способ подвижного контроля и способ изготовления стального материала // 2782517

Использование: для контроля дефектов. Сущность изобретения заключается в том, что подвижное контрольное устройство на наличие дефектов содержит корпус подвижного контрольного устройства, выполненный с возможностью проверки объекта контроля на наличие дефекта при перемещении по поверхности объекта контроля и устройство подачи воды, выполненное отдельно от корпуса подвижного контрольного устройства и выполненное с возможностью подачи воды, необходимой для проверки, на поверхность объекта контроля, причем на корпусе подвижного контрольного устройства расположен лист регулировки потока, выполненный с возможностью выталкивания воды, подаваемой на поверхность объекта контроля от устройства подачи воды, в направлении перемещения и формирования линии потока для подачи воды между датчиком контроля, выполненным с возможностью проверки объекта контроля на наличие дефектов, и поверхностью объекта контроля одновременно с перемещением корпуса подвижного контрольного устройства.

Способ акустического контроля состояния буксовых узлов движущегося поезда // 2781416

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к постовым системам контроля технического состояния буксовых узлов движущегося поезда. В способе акустического контроля состояния буксовых узлов колесных пар движущегося поезда при прохождении поезда на измерительном участке протяженностью не менее 2,5 оборота колеса идентифицируют каждый буксовый узел каждой колесной пары и измеряют акустические шумы, сгенерированные каждым буксовым узлом, с помощью приемников акустического сигнала, каждый из которых преобразует акустический сигнал в электрический, который предварительно обрабатывают путем соответствующего усиления и фильтрации, преобразуют из аналоговой формы в цифровую и компенсируют искажения, вносимые электроакустическим трактом.

Устройство для проталкивания инспекционных и ремонтных систем трубопроводов // 2779794

Использование: для проталкивания инспекционных и ремонтных систем трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для проталкивания инспекционных и ремонтных систем трубопроводов содержит кабель-трос и размещенное на его оголовке техническое средство для крепления проталкиваемой системы, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит соединенные между собой кабель-тросом и объединенные в секции приводные модули с колесными парами, каждая секция содержит как минимум два приводных модуля с колесными парами, приводные модули распределены в каждой секции равномерно по ее длине, секции соединены между собой герметичными разъемами, установленными на кабель-тросе в начале и конце секций, причем в качестве кабель-троса используют гибкий силовой композитный кабель, диаметр колес составляет не менее трех диаметров силового композитного кабеля и выбирается из условия обеспечения контакта колесных пар с поверхностью трубопровода, а материал гибкого силового композитного кабеля выбирается из условия исключения возможности его провисания и обеспечения поворота секций на угол до 120°.

Способ диагностики технического состояния трубопровода путем анализа декремента модального затухания // 2778631

Использование: для диагностики технического состояния трубопровода. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют генерирование механических колебаний в стенке трубопровода посредством инерциального резонатора и регистрацию колебаний трубопровода посредством пьезоэлектрического датчика, при этом инерциальным резонатором возбуждают резонансные колебания в стенке трубопровода, после чего при мгновенном отключении внешнего источника питания инерциального резонатора происходит дальнейшее вращение резонатора по инерции с замедлением частоты вращения при выбеге резонатора до полной остановки; во время выбега резонатора происходит непрерывная регистрация затухающих колебаний стенок трубопровода пьезоэлектрическим датчиком; записанный затухающий сигнал колебания стенок трубопровода разбивается на необходимое количество одинаковых временных интервалов, по каждому из которых формируется спектр для последующего сравнения полученных временных спектров на предмет перераспределения колебательной энергии в этих спектрах, при этом по декременту затухания каждой частоты судят о наличии и размерах дефекта; при этом критерием, определяющим необходимое количество одинаковых временных интервалов, является скорость затухания записанного сигнала: чем меньше скорость затухания сигнала, тем больше количество одинаковых временных интервалов; при этом величина одинаковых временных интервалов определяется частотой дискретизации технических средств.

Способ ультразвукового контроля колесной пары рельсового транспорта и стенд для его осуществления // 2777471

Группа изобретений относится к методам и средствам испытаний изделий ультразвуком, в частности к испытаниям колесных пар железнодорожного транспорта. Способ ультразвукового контроля колесной пары рельсового транспорта заключается в том, что погружают колесную пару нижней частью колес в иммерсионные ванны, вращают ее на опорах стенда, передают упругие волны от пьезоэлектрических преобразователей к контролируемому колесу через иммерсионную среду и прозвучивают заданные области колес.

Способ ультразвукового контроля рельсов // 2777298

Использование: для ультразвукового контроля рельсов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют излучение ультразвуковых колебаний с поверхности катания головки рельса внутрь него в заданных зонах сканирования и временных зонах посредством двух ультразвуковых преобразователей с обеспечением возможности однократного отражения ультразвуковых колебаний от конструктивного элемента рельса, перемещение ультразвуковых преобразователей вдоль продольной оси рельса, прием отраженных ультразвуковых колебаний ультразвуковыми преобразователями в заданных зонах сканирования и временных зонах в процессе перемещения ультразвуковых преобразователей и измерение параметров принятых ультразвуковых колебаний, по результатам анализа которых судят о наличии дефектов, при этом в качестве конструктивного элемента рельса для однократного отражения ультразвуковых колебаний используют его подошву, ввод ультразвуковых колебаний в рельс осуществляют под углом от 39 до 47 градусов вдоль продольной оси рельса как в направлении перемещения ультразвуковых преобразователей, так и против него, устанавливают верхнюю границу временной апертуры от 245 до 295 мкс, а зоны сканирования выбирают из условия нахождения ультразвуковых преобразователей вне области первого от соответствующего торца рельса болтового отверстия и участка от первого болтового отверстия до соответствующего торца рельса на расстоянии не менее 250 мм от этого торца рельса.

Способ автоматизированного ультразвукового термооптического неразрушающего контроля композитных материалов в труднодоступных зонах и устройство для его осуществления // 2776464

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использованы для оценки надежности сложных пространственных конструкций из полимерных композиционных материалов. Способ автоматизированного ультразвукового термооптического неразрушающего контроля изделий из композитных материалов включает ультразвуковое возбуждение температурного поля в области дефекта, регистрацию температурного поля и выявление дефектных областей путем сравнения величины температурного поля с пороговым уровнем.

Способ определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов // 2775702

Использование: для определения работоспособности изделий из полимерных композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что используют метод лазерного воздействия в начале эксплуатации изделия из полимерных композиционных материалов с фиксацией акустической эмиссией спектрального сигнала, а через определенный интервал времени проводят повторное воздействие и по разнице сигналов качественно и количественно выявляют изменения в структуре полимерного композиционного материала, определяют градиент изменения сигналов и, зная значение частоты, соответствующей разрушению полимерного композиционного материала, определяют интервал времени остаточной работоспособности изделия.