УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛА ИСПЫТУЕМОГО ПРЕДМЕТА С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН
APPARATUS FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING OF MATERIAL OF OBJECT USING ULTRASONIC WAVES

Изобретение относится к устройству для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, массивного, по меньшей мере, в некоторых участках, посредством воздействия на испытуемый предмет ультразвуковыми волнами и измерения отраженных внутри испытуемого предмета ультразвуковых волн, согласно пункту 1 формулы изобретения.
Во многих предметах, которые выполнены полностью или частично массивными, необходимо исследовать внутреннюю структуру на предмет дефектов материала. Для этого необходимы неразрушающие способы проверки с целью получения информации о внутренней, не видимой структуре. Это необходимо, в частности, при сильно нагружаемых механически конструктивных элементах.
Например, конструктивные элементы из стали после отливки подвергаются ковке для придания затем с помощью токарной обработки или другой холодной обработки желаемой формы. При этом проверку на наличие внутренних дефектов материала можно выполнять уже после ковки.
Также части, которые уже используются, необходимо регулярно подвергать проверке на предмет дефектов материала. Это относится, в частности, к таким конструктивным элементам, которые подвергаются большим нагрузкам. Подлежащий проверке конструктивный элемент может быть, например, турбинной лопаткой для газовой или паровой турбины. В частности, хвостовики турбинных лопаток подвергаются при работе большим нагрузкам. Эти нагрузки могут приводить к образованию трещин, которые можно обнаруживать с помощью способов ультразвукового измерения и локализировать. Поскольку поверхность имеет сложную геометрию, то необходимы специальные способы измерения.
Обычно такие металлические части проверяют с помощью ультразвука. При этом измеряют те звуковые волны, которые отражаются на пограничных поверхностях внутри металлической части. Можно измерять время прохождения отраженных звуковых волн и из него определять пройденную длину пути и тем самым расстояние. За счет облучения звуком с различных направлений можно получать другие информации о дефекте или дефектах материала. Отсюда можно определять место нахождения дефектов материала. Например, таким образом можно определять геометрическую ориентацию дефекта материала. По форме отраженных звуковых волн можно делать выводы о виде дефекта материала.
Посредством сканирования поверхности испытуемого предмета детектором ультразвука и отображения измеренных данных можно исследовать весь доступный для ультразвука объем. Из измеренных данных можно создавать изображение, которое можно применять для инспекции.
В одном известном способе изготавливают фасонные детали, например, из литейной смолы. Фасонные детали можно с точной приводкой прикладывать к подлежащей сканированию поверхности. В фасонных деталях находятся выемки, в которые вставляют ультразвуковую испытательную головку. Для обеспечения возможности сканирования всей подлежащей проверки поверхности ультразвуковую испытательную головку смещают вручную на дискретные расстояния. Однако это требует очень больших затрат труда.
В другом известном способе ультразвуковая испытательная головка находится на каретке, которая с помощью удерживающего устройства установлена на испытуемом предмете. Удерживающее устройство предназначено для перемещения с помощью электродвигателей по подлежащей сканированию поверхности. Испытательная головка прижимается пружинами к поверхности испытуемого предмета. Однако при этом невозможна оптимальная ориентация испытательной головки.
Задачей изобретения является создание устройства для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, массивного, по меньшей мере, в некоторых участках указанного вначале вида, в котором улучшена возможность позиционирования испытательной головки и уменьшены затраты на измерения.
Эта задача решена с помощью предмета пункта 1 формулы изобретения.
Согласно изобретению предусмотрено, что указанное вначале устройство имеет следующие компоненты:
- по меньшей мере, одну испытательную головку для передачи ультразвуковых волн и для измерения отраженных от испытуемого предмета ультразвуковых волн;
- по меньшей мере, одну подвижную каретку, на которой установлена или может быть установлена испытательная головка, и
- вытянутую в длину планку для направления каретки, которая согласована или может быть согласована со структурой поверхности испытуемого предмета, при этом
- каретка выполнена с возможностью перемещения вдоль планки.
Испытательная головка расположена с возможностью перемещения относительно каретки, что обеспечивает, по меньшей мере, одну дополнительную степень свободы движения испытательной головки.
Основная идея изобретения состоит в том, что каретка выполнена с возможностью перемещения вдоль планки, при этом планку можно согласовывать с поверхностью испытуемого предмета. При этом планка проходит вдоль заданного пути на поверхности испытуемого тела, и каретку можно перемещать вдоль этого пути. Каретку можно позиционировать в любом месте вдоль планки. Таким образом, каретку можно непрерывно перемещать вдоль планки.
Предпочтительно, планка изготовлена или может быть изготовлена с помощью способа стереолитографии. За счет этого можно изготавливать планку лишь на основе чертежа поверхности испытуемого предмета и согласовывать с поверхностью испытуемого предмета. Поэтому планку можно согласовывать также с особенно сложными поверхностями.
В предпочтительном варианте выполнения предусмотрено, что планка изготовлена или может быть изготовлена, по меньшей мере, из одного материала, который можно подвергать затвердеванию с помощью ультрафиолетового света. Таким образом, планка состоит из гибкого материала и обеспечивает, соответственно, возможность деформации. Затем планку можно подвергать затвердеванию с желаемой формой. Таким образом, можно для определенного предмета очень быстро подготавливать подходящую планку и тем самым подходящее испытательное устройство. Например, планка изготовлена или может быть изготовлена, по меньшей мере, из одной эпоксидной смолы.
В частности, планка содержит одну или несколько направляющих канавок и/или направляющих желобов, которые выполнены дополняющим каретку или участок каретки образом. Это способствует точному направлению каретки в планке.
Кроме того, каретка может иметь, по меньшей мере, один направляющий ролик. Это обеспечивает точное и с малым трением перемещение каретки внутри планки.
Предпочтительно, по меньшей мере, один направляющий ролик и, по меньшей мере, один направляющий желоб, соответственно, направляющая канавка находятся в зацеплении или предназначены для введения в зацепление друг с другом. За счет этого однозначно задается возможность перемещения каретки, а именно, вдоль планки.
В предпочтительном варианте выполнения предусмотрено, что каретка имеет, по меньшей мере, один электродвигатель для приведения в действие каретки вдоль планки.
Для этого может быть предусмотрено, что каретка имеет, по меньшей мере, одно соединенное с электродвигателем зубчатое колесо или т.п., которое находится в зацеплении или предназначено для приведения в зацепление с силовым замыканием с планкой. За счет этого существует однозначная взаимосвязь между числом выполненных оборотов электродвигателя и положением каретки.
Кроме того, планка может иметь, по меньшей мере, одну зубчатую рейку. В качестве альтернативного решения или дополнительно, в планке или на планке может быть выполнен, по меньшей мере, один зубчатый венец. При этом зубчатое колесо предназначено для приведения в зацепление с зубчатой рейкой, соответственно, зубчатым венцом. Это обеспечивает движение каретки без проскальзывания.
Предпочтительно, испытательная головка установлена на каретке с возможностью поворота вокруг оси, которая проходит параллельно продольной оси планки. Таким образом, можно оптимировать зону измерения с помощью двух степеней свободы движения испытательной головки.
Кроме того, может быть предусмотрено, что испытательная головка и каретка связаны друг с другом с помощью, по меньшей мере, одного возвратного приспособления. Таким образом, можно задавать и реализовывать стабильное положение испытательной головки.
Например, возвратное приспособление содержит, по меньшей мере, два взаимодействующих друг с другом магнитных элемента. В качестве альтернативного решения или дополнительно, возвратное приспособление может иметь, по меньшей мере, один пружинный элемент.
Кроме того, может быть предусмотрено, что на каретке установлены, по меньшей мере, два направляющих ролика с возможностью перемещения относительно друг друга, так что обеспечивается возможность согласования положения направляющих роликов с прохождением планки. Таким образом, достигается простое согласование формы каретки с планкой.
Предпочтительно, каретка содержит, по меньшей мере, две части рамы, которые соединены друг с другом или предназначены для соединения друг с другом с возможностью поворота, при этом на каждой части закреплен с возможностью вращения, по меньшей мере, один направляющий ролик. При этом, по меньшей мере, две части рамы установлены с возможностью поворота вокруг одной оси, которая проходит вдоль направления движения каретки. Это обеспечивает возможность особенно простого согласования формы каретки с прохождением планки.
Например, по меньшей мере, на одной рамной части расположены два направляющих ролика рядом друг с другом. В этом случае эта рамная часть с обоими направляющими роликами образует жесткую ось, которая может поворачиваться относительно другой рамной части.
В предпочтительном варианте выполнения, по меньшей мере, на двух частях рамы расположены рядом друг с другом два направляющих ролика, так что обе оси с соответствующими двумя направляющими роликами могут поворачиваться относительно друг друга.
Для соединения частей рамы может быть также предусмотрено, что, по меньшей мере, две части рамы соединены друг с другом с помощью, по меньшей мере, одного возвратного приспособления.
Например, возвратное приспособление содержит, по меньшей мере, два взаимодействующих друг с другом магнитных элемента. В качестве альтернативного решения или дополнительно, возвратное приспособление может иметь, по меньшей мере, один пружинный элемент.
Кроме того, устройство может иметь, по меньшей мере, одно управляющее устройство. Управляющее устройство может управлять как передачей, так и измерением ультразвуковых волн. Кроме того, управляющее устройство может управлять также движением испытательной головки и/или каретки.
В предпочтительном варианте выполнения устройство предусмотрено для испытания материала испытуемого предмета из металла, в частности для испытания материала кованого конструктивного элемента. Особенно пригодно устройство для испытания материала турбинного колеса, турбинной лопатки или хвостовика турбинной лопатки.
Другие признаки, преимущества и особые варианты выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Ниже приводится более подробное пояснение способа, согласно изобретению, на основании предпочтительных примеров выполнения и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 - каретка для устройства для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, в изометрической проекции;
фиг.2 - планка для устройства для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, в изометрической проекции;
фиг.3 - планка для устройства для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, в увеличенном масштабе в изометрической проекции; и
фиг.4 - каретка с испытательной головкой, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения, в разнесенной изометрической проекции.
На фиг.1 показана схематично в изометрической проекции каретка 14 для устройства для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения.
Каретка 14 выполнена по существу в виде прямоугольной рамы. Каретка 14 содержит несколько отдельных частей, которые выполнены в большинстве из пластмассы. На обеих наружных продольных сторонах 16 каретки 14 находятся, соответственно, два направляющих ролика 18. Направляющие ролики 18 закреплены с возможностью вращения на прямоугольной раме. В этом конкретном варианте выполнения направляющие ролики 18 выполнены из металла. Прямоугольная рама в этом примере выполнения образована из двух частей, как будет более подробно пояснено ниже.
На одной из обеих продольных сторон 16 над направляющими роликами 18 находится зубчатое колесо 20. Зубчатое колесо 20 также установлено с возможностью вращения на одной из продольных сторон 16. Кроме того, зубчатое колесо 20 выполнено в качестве приводного колеса и приводится во вращение электродвигателем 21.
Каретка 14 предусмотрена для размещения, по меньшей мере, одной испытательной головки, что не изображено в явном виде на фиг.1. Каретка 14 содержит по существу прямоугольную раму и приемное приспособление 30 для испытательной головки. Приемное приспособление 30 для испытательной головки установлено в прямоугольной раме над возвратным приспособлением.
Испытательная головка предусмотрена для передачи ультразвуковых волн и для измерения отраженных от испытуемого предмета ультразвуковых волн. В предпочтительном варианте выполнения испытательная головка установлена на каретке с возможностью поворота. Например, ось поворота проходит параллельно направлению движения каретки 14.
В предпочтительном варианте выполнения каретка 14 имеет возвратное приспособление, так что обеспечивается возможность автоматического поворота испытательной головки в заданное положение, в частности в центральное положение. Возвратное приспособление может иметь магнитные элементы или пружинные элементы.
На фиг.2 схематично показана в изометрической проекции планка 22 для устройства для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения.
Планка 22 изготовлена в этом предпочтительном варианте выполнения из эпоксидной смолы. За счет этого планку 11 можно подвергать затвердеванию с помощью ультрафиолетового света. Кроме того, планка 22 предпочтительно изготовлена с помощью способа стереолитографии. Это обеспечивает возможность изготовления планки лишь на основе чертежа поверхности испытуемого предмета.
Планка 22 выполнена в виде вытянутой в длину прямоугольной рамы. Контур планки 22 согласован с поверхностью испытуемого тела, так что одна из обеих имеющих большую поверхность сторон выполнена по существу дополняющим образом к поверхности испытуемого тела и во время испытания материала обращена к испытуемому телу.
На обеих внутренних продольных сторонах 24 находится соответствующий направляющий желоб 26. Оба направляющих желоба 26 проходят параллельно продольной оси планки 22, при этом обе открытые стороны направляющих желобов 26 обращены друг к другу. Таким образом, направляющие желоба 22 открыты по направлению внутрь. Кроме того, планка 22 содержит зубчатый венец 28, который проходит аналогично зубчатой рейке вдоль продольной оси планки 22.
Планка 22 и каретка 14 согласованы относительно их геометрии друг с другом так, что каретка 14 обеспечивает возможность сдвига внутри планки 22. При этом направляющие ролики 18 каретки 14 могут перемещаться в направляющих желобах 26 планки 22, и зубчатое колесо 18 каретки 14 находится в зацеплении с зубчатым венцом 28.
На фиг.3 показана в изометрической проекции в увеличенном масштабе планка 22 для устройства для неразрушающего испытания материала испытуемого предмета, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения. Фиг.3 проясняет некоторые детали планки 22. Направляющие желоба 26 находятся на обеих внутренних продольных сторонах 24. Оба направляющих желоба 26 также параллельны друг другу. Расстояние между направляющими желобами по существу постоянно. Направляющие желоба 26 открыты внутрь, и их открытые стороны обращены друг к другу. Зубчатый венец 28 выполнен и расположен так, что зубчатое колесо 20 находится в зацеплении с зубчатым венцом 28, и одновременно направляющие ролики 18 находятся в зацеплении с соответствующими направляющими желобами 26.
На фиг.4 схематично показана в разнесенной изометрической проекции каретка 14 с испытательной головкой 36, согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения. Каретка 14 содержит прямоугольную раму, которая, в свою очередь, имеет первую часть 32 рамы и вторую часть 34 рамы. Приемное приспособление 30 для испытательной головки 36 предусмотрено внутри первой части 32 рамы. Испытательная головка 36, в свою очередь, предусмотрена внутри приемного приспособления 30. Выполненное в виде зубчатого колеса 20 приводное колесо приводится во вращение электродвигателем 21.
Лежащие рядом друг с другом направляющие ролики 18 установлены на первой части 32 рамы. Два других лежащих рядом друг с другом направляющих ролика 18 установлены на второй части 34 рамы. Первая часть 32 рамы и вторая часть 34 рамы соединены или могут быть соединены с возможностью поворота относительно друг друга вдоль продольной оси каретки 14. Таким образом, обе оси направляющих роликов 18 могут поворачиваться относительно друг друга, так что обеспечивается возможность согласования каретки 22 с прохождением планки 22. За счет поворота осей все четыре направляющих ролика всегда находятся в соприкосновении с планкой 22.
Каретка 14 содержит несколько магнитных элементов 40, которые образуют два возвратных приспособления. При этом одно возвратное приспособление действует между приемным приспособлением 30 и первой частью 32 рамы. Другое возвратное приспособление действует между первой частью 32 рамы и второй частью 34 рамы. На приемном приспособлении 30, на первой части 32 рамы и на второй части 34 рамы находятся выемки 42, которые предусмотрены для размещения магнитных элементов 40. Выемки 42 немного больше, чем соответствующие магнитные элементы 40.
Приемное приспособление 30 установлено с возможностью поворота перпендикулярно направлению движения каретки 14 относительно первой части 32 рамы и с возможностью автоматического возврата в среднее положение с помощью возвратного приспособления. Вторая часть 34 установлена с возможностью поворота вокруг оси, которая проходит параллельно направлению движения каретки 14, также относительно первой части 32 рамы и с возможностью автоматического возврата в среднее положение с помощью возвратного приспособления. В средних положениях соответствующие выемки находятся точно противоположно друг другу.
Таким образом, обеспечивается, с одной стороны, возможность перемещения испытательной головки вдоль планки 22 и, с другой стороны, возможность поворота перпендикулярно ей, так что можно облучать звуком и измерять относительно большую зону. Для этого для испытательной головки требуются лишь две степени свободы движения, за счет чего достаточен относительно простой алгоритм для управления испытательной головкой и измерения и оценки отраженных звуковых волн.
Испытание материала осуществляется тем, что испытательную головку, которая установлена на каретке 14, перемещают вдоль планки 22 и тем самым вдоль наружной поверхности испытуемого предмета. При этом предусмотрен поворот испытательной головки вокруг оси, которая параллельна продольной оси, однако, по меньшей мере, к касательной к планке 22.
С помощью устройства, согласно изобретению, необязательно необходимо сканировать всю поверхность испытуемого предмета с целью измерения всего объема испытуемого предмета. Можно сканировать, например, определенный участок или определенный путь на поверхности, поскольку за счет поворотного движения испытательной головки можно измерять релевантные зоны объема также без сканирования всей поверхности.
Измеряемый сигнал возникает, в частности, за счет отраженной доли ультразвукового импульса на скачкообразных пространственных изменениях волнового сопротивления внутри испытуемого предмета. Эти изменения затем интерпретируются как дефекты материала, когда там не имеется конструктивно обусловленных границ материала или переходов материала. Измеренный сигнал содержит информацию об амплитуде и времени прохождения отраженного звукового сигнала. Поскольку скорость звука в материале испытуемого предмета известна, то можно из времени прохождения определять также расстояние между дефектом материала и положением испытательной головки.