Настроечный образец для настройки роликовых одномерных пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля проката толщиной до 300 мм

Полезная модель относится к устройствам неразрушающего контроля структуры и дефектов металлических изделий и может быть использована при изготовлении образцов для настройки условной чувствительности акустических ультразвуковых дефектоскопов с роликовыми одномерными пьезоэлектрическими преобразователями при проведении ультразвукового контроля (УЗК) проката толщиной до 300 мм.
Для выпуска высококачественной конкурентоспособной металлопродукции (в том числе аэродинамических моделей), удовлетворяющей запросам российских и зарубежных потребителей, необходимо качественное проведение неразрушающего контроля внутренней структуры используемых материалов в процессе производства.
В настоящее время одним из наиболее часто используемых видов неразрушающего контроля является ультразвуковой контроль. Технология проведения ультразвукового контроля описана, например, в книге И.Н. Ермолова и др. «Неразрушающий контроль. Справочник, том 3. Ультразвуковой контроль». М.: Машиностроение, 2004, с. 330-460. Для измерения размеров дефектов производится настройка условной чувствительности (эталонирование) дефектоскопа, то есть жесткое задание его чувствительности по опорному акустическому сигналу, полученному от какого-либо искусственного отражателя определенных геометрических размеров. Условная чувствительность акустического дефектоскопа, определяемая как возможность при контроле выявлять отражатели (дефекты) заданного размера, является важнейшим параметром, определяющим достоверность и воспроизводимость результатов контроля. Поэтому обнаружение дефектов, оценка их величины и степени допустимости для данного изделия должны производиться на строго определенных уровнях условной чувствительности. Браковочный уровень условной чувствительности характеризуется максимальной величиной эквивалентной площади искусственного отражателя, предельно допустимой по действующим техническим условиям для данного изделия. Технология настройки условной чувствительности акустического дефектоскопа по настроечным образцам находит все большее применение ввиду низкой стоимости и высокой воспроизводимости результатов настройки. Размеры и форма искусственных отражателей зависят от степени ответственности изделия и регламентируются нормативной технической документацией, согласно которой при ультразвуковом контроле проката толщиной до 300 мм в качестве стандартизованного отражателя используются, в том числе, и цилиндрические боковые искусственные отражатели. Прокат контролируется эхо-методом ультразвуковой дефектоскопии. Технология контроля проката регламентируется следующей нормативной документацией:
ГОСТ Р ИСО 16810-2016 «Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Общие положения»;
ГОСТ Р ИСО 16811-2016 «Неразрушающий контроль. Ультразвуковой контроль. Настройка чувствительности и диапазона»;
ГОСТ 12503-75 «Сталь. Методы ультразвукового контроля»;
ГОСТ 22727-88 «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля»;
ГОСТ 28831-90 «Прокат толстолистовой. Методы ультразвукового контроля».
2
2
Ультразвуковой контроль проката является достаточно специфической задачей ввиду больших объемов контроля. Для повышения оперативности контроля стандартными пьезоэлектрическими преобразователями нормативная документация позволяет проводить выборочный контроль участков проката площадью 1 м или контроль по сеткам с шагом 100…200 мм. Это снижает качество проводимого контроля и может привести к пропуску дефектов проката, что недопустимо при изготовлении ответственных деталей, например, деталей аэродинамических моделей. Согласно нормативной документации для настройки условной чувствительности акустического дефектоскопа с совмещенными прямыми пьезоэлектрическими преобразователями допускается использовать: донные сигналы или равномерно распределенные по толщине проката плоскодонные (цилиндрические боковые) искусственные отражатели с условной площадью на уровне браковки 20…50 см.
В настоящее время наиболее широкое применение для УЗК проката нашли роликовые одномерные пьезоэлектрические преобразователи с фазированными антенными решетками, позволяющие существенно, в несколько раз, повысить производительность проведения УЗК и контролировать весь объем материала проката. Конструктивно роликовый пьезоэлектрический преобразователь представляет собой цилиндрическую оболочку (как правило, - резиновую), внутри которой расположен одномерный пьезоэлектрический преобразователь (количество элементов 16-64). Линейная апертура роликовых преобразователей составляет (6,4-16 мм) × (50…100 мм), что позволяет проводить контроль больших площадей деталей. Длина резиновой оболочки (шины) зависит от количества элементов преобразователя и составляет 110…122 мм. Для придания устойчивости роликовый пьезоэлектрический преобразователь оснащен одним или двумя дополнительными, расположенными спереди или сзади шины, валиками такой же длины, как и шина. Посадочная длина роликового пьезоэлектрического преобразователя составляет 140…160 мм. Пространство между оболочкой и пьезоэлектрическим преобразователем заполняется водой. Все конструктивные особенности роликового пьезоэлектрического преобразователя определяются длиной резиновой оболочки (количеством элементов). Использование роликового пьезоэлектрического преобразователя позволяет повысить качество и оперативность проведения УЗК проката.
Для настройки условной чувствительности акустического дефектоскопа с пьезоэлектрическими преобразователями рекомендовано использование следующих стандартизованных настроечных образцов: СО-1, СО-2, СО-3, СО-4 по ГОСТ 14782-86, изготовленных из металла аналогичного металлу контролируемой детали; V1, V2 по ISO-2400 и ISO-7963, изготовленных из металла аналогичного металлу контролируемой детали; образца по ISO/DIS 19675-2012; настроечных образцов предприятия, разработанных для конкретных условий. В случае применения для контроля проката толщиной до 300 мм роликовых одномерных пьезоэлектрических преобразователей с фазированными антенными решетками недостатками стандартизованных настроечных образцов будут являться: недостаточная высота образцов (~60 мм) не обеспечивающая возможности настройки в диапазоне толщин до 300 мм; большая часть элементов роликового преобразователя не будет задействована в настройке условной чувствительности и достоверность проводимого контроля будет снижена, так как ширина настроечного образца (~60 мм) меньше длины линейной апертуры роликового преобразователя; положение роликового преобразователя на настроечном образце не будет устойчивым, так как ширина настроечного образца (~60 мм) меньше длины шины и дополнительных валиков роликового преобразователя; настроечные образцы изготовлены из стали марки 20, а для изготовления деталей аэродинамических моделей используется в том числе прокат из сплава Д16Т; используемые в этих образцах для настройки условной чувствительности отверстия расположены вблизи донной поверхности, поэтому кривая условной чувствительности дефектоскопа будет неравномерной.
В силу конструктивных особенностей роликового пьезоэлектрического преобразователя для его настройки невозможно использовать существующие настроечные образцы. Можно сформулировать следующие требования к настроечному образцу для настройки характеристик акустического дефектоскопа с роликовыми пьезоэлектрическими преобразователями при проведении ультразвукового контроля проката толщиной до 300 мм: количество искусственных отражателей должно быть не менее четырех, которые должны быть равномерно расположены по высоте образца; эквивалентная площадь искусственных отражателей должна быть минимально возможной; для настройки условной чувствительности предпочтительно использовать цилиндрические боковые искусственные отражатели; горизонтальное расстояние между цилиндрическими боковыми искусственными отражателями должно быть больше ширины элементов роликового одномерного пьезоэлектрического преобразователя; при настройке должны быть задействованы все элементы преобразователя, поэтому ширина настроечного образца должна быть не менее длины линейной апертуры пьезоэлектрического преобразователя (длины резиновой оболочки роликового преобразователя); для настройки задержки (времени прохождения ультразвукового сигнала между пьезоэлектрическим преобразователем и оболочкой) необходимо использовать не содержащее искусственных отражателей пространство настроечного образца между плоскостью ввода ультразвука и донной поверхностью, которое должно быть учтено в конструкции настроечного образца; поверхность ввода настроечного образца должна обеспечивать устойчивое положение роликового преобразователя.
Известен настроечный образец для ультразвукового контроля плоских деталей (патент RU №201012, МПК G01N 29/11,29/30, дата приоритета 23.11.2020). Образец размерами 590×315×45 мм изготовлен из стали 30ХГСА и содержит: 6 цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 2,5-3,5 мм и 6 цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 0,8-1,2 мм, расположенных на следующих расстояниях от верхней плоскости образца: (0,04…0,06)А, (0,1…0,2)А, (0,2…0,3)А, (0,4…0,5)А, (0,65…0,75)А, (0,9…0,97)А, где А - высота образца.
Недостатком настроечного образца являются: акустический сигнал от цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 0,8…1,2 мм на глубине более 70 мм сравним с уровнем собственных шумов, что уменьшает достоверность контроля; акустический сигнал от цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 2,5…3,5 мм на глубине более 200 мм сравним с уровнем собственных шумов, что уменьшает достоверность контроля; расстояние 10 мм между цилиндрическими боковыми искусственными отражателями диаметром 2,5…3,5 мм и диаметром 0,8…1,2 мм меньше ширины элементов преобразователя, что приведет к искажению величины акустического сигнала; большая часть элементов роликового преобразователя не будет задействована в настройке условной чувствительности и достоверность проводимого контроля будет снижена, так как ширина настроечного образца в 3 раза меньше длины линейной апертуры роликового преобразователя; положение роликового пьезоэлектрического преобразователя на настроечном образце не будет устойчивым, так как ширина настроечного образца в 3 раза меньше длины шины и дополнительных валиков роликового пьезоэлектрического преобразователя.
Прототипом к заявляемому техническому решению является настроечный образец для настройки роликовых одномерных пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля проката толщиной до 100 мм (Патент RU №213657, МПК G01N 29/11, 29/30, 2022). Настроечный образец изготовлен из стали марки 30ХГСА в виде прямоугольного параллелепипеда и содержит четыре горизонтальных цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 1,5…2,5 мм, которые расположены равномерно по высоте настроечного образца с шагом В/4 и смещены: по горизонтали друг относительно друга на расстояние (0,1…0,2)А, относительно левого края настроечного образца на расстояние (0,6…0,7)А, относительно правого края на расстояние (0,8…0,9)А, относительно верхнего и нижнего краев образца на В/8, где А - ширина образца, В - высота образца.
Недостатки прототипа: акустический сигнал от цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 1,5…2,5 мм на глубине более 100 мм сравним с уровнем собственных шумов, что уменьшает достоверность контроля; в диапазонах толщин контролируемого металла 0…200 мм и 0…300 мм диаметр цилиндрических боковых искусственных отражателей должен разным и должен выбираться из условия минимальной величины собственных шумов; настроечный образец изготовлен из стали марки ЗОХГСА, а для изготовления деталей аэродинамических моделей используется, в том числе, прокат из сплава Д16Т, поэтому при проведении контроля будет необходимо дополнительно корректировать кривую условной чувствительности ввиду разницы скоростей распространения продольных ультразвуковых волн в этих сплавах.
Задачей полезной модели является разработка нестандартного настроечного образца с искусственными отражателями минимального возможного размера в виде цилиндрических боковых искусственных отражателей для настройки акустического дефектоскопа с роликовыми одномерными пьезоэлектрическими преобразователями при проведении ультразвукового контроля проката толщиной до 300 мм.
Техническим результатом является повышение качества и достоверности ультразвукового контроля проката толщиной до 300 мм.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что настроечный образец для настройки роликовых одномерных пьезоэлектрических преобразователей для ультразвукового контроля проката толщиной до 300 мм содержит три горизонтальных цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 3,5…4,5 мм и три горизонтальных цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 5,5…6,5 мм, расположенных попарно на одинаковой глубине на расстоянии (0,15…0,25)А между ними и с расстоянием по горизонтали между парами отверстий - (0,15…0,25)А, где А - ширина настроечного образца. Горизонтальные цилиндрические боковые искусственные отражатели расположены равномерно по высоте настроечного образца с шагом В/3, причем верхний и нижний горизонтальные цилиндрические боковые искусственные отражатели смещены относительно верхнего и нижнего краев настроечного образца на В/6, где В - высота настроечного образца. Для настройки чувствительности в диапазоне толщин контролируемого металла 0…200 мм используются эхо-сигналы от цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 3,5…4,5 мм, расположенных на глубинах В/6, В/2, (5/6)В, (7/6)В, а для настройки чувствительности в диапазоне толщин контролируемого металла 0…300 мм используются эхо-сигналы от цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 5,5…6,5 мм, расположенных на глубинах В/6, В/2, (5/6)В, (7/6)В, (11/6)В, (3/2)В. Горизонтальные цилиндрические боковые искусственные отражатели смещены относительно левого края настроечного образца на расстояние (0,65…0,75) А.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено: На фиг. 1 показан настроечный образец по патенту №201012. На фиг. 2 показан прототип - настроечный образец по патенту №213657.
На фиг. 3 показан разработанный нестандартный настроечный образец с искусственными отражателями минимального возможного размера в виде цилиндрических боковых искусственных отражателей для настройки акустического дефектоскопа с роликовыми одномерными пьезоэлектрическими преобразователями при проведении ультразвукового контроля проката толщиной до 300 мм.
2
Настроечный образец выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда шириной А, верхняя горизонтальная плоскость которого является плоскостью ввода ультразвука, причем ширина настроечного образца больше длины шины стандартных роликовых одномерных пьезоэлектрических преобразователей. В образце выполнены три горизонтальных цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 3,5…4,5 мм и три горизонтальных цилиндрических боковых искусственных отражателя диаметром 5,5…6,5 мм. Отверстия диаметрами 3,5…4,5 мм и 5,5…6,5 мм расположены попарно на одинаковой глубине на расстоянии (0,15…0,25)А между ними. Расстояние по горизонтали между парами отверстий также равно (0,15…0,25)А. Для настройки чувствительности в диапазоне толщин контролируемого металла 0…200 мм используются эхо-сигналы от цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 3,5…4,5 мм, расположенных на глубинах: В/6, В/2, (5/6)В - эхо-сигнал; (7/6)В - 1-й отраженный от нижней плоскости эхо сигнал, где В - высота настроечного образца. Для настройки чувствительности в диапазоне толщин контролируемого металла 0…300 мм используются эхо-сигналы от цилиндрических боковых искусственных отражателей диаметром 5,5…6,5 мм, расположенных на глубинах: В/6, В/2, (5/6)В - эхо-сигнал; (7/6)В, (11/6)В, (3/2)В - 1-е отраженные от нижней плоскости эхо-сигналы. Расстояние (0,15…0,25)А между горизонтальными цилиндрическими боковыми искусственными отражателями выбрано большим, чем ширина элементов роликового одномерного пьезоэлектрического преобразователя. Диаметры цилиндрических боковых искусственных отражателей 3,5…4,5 мм и 5,5…6,5 мм соответствуют минимальному возможному акустическому сигналу от цилиндрических боковых искусственных отражателей для распознавания его над уровнем собственных шумов для диапазонов толщин проверяемого металла 200 мм и 300 мм соответственно. Эквивалентная площадь таких искусственных отражателей равна 10…20 мм. Отражатели расположены параллельно верхней плоскости настроечного образца вдоль его узкой стороны и смещены относительно правого края настроечного образца на расстояние (0,8…0,9)А, которое выбрано из условия обеспечения устойчивого положения шины и дополнительных валиков роликового преобразователя на настроечном образце при проведении настройки. Горизонтальные цилиндрические боковые искусственные отражатели расположены равномерно по высоте настроечного образца с шагом В/3, причем верхний и нижний горизонтальные цилиндрические боковые искусственные отражатели смещены относительно верхнего и нижнего краев настроечного образца на В/6. Длина свободного, не содержащего искусственных отражателей, пространства настроечного образца, от последнего горизонтального цилиндрического бокового искусственного отражателя до левого края настроечного образца и используемого для настройки задержки равна (0,65…0,75)А. Общая длина настроечного образца складывается из длины зоны устойчивости шины и дополнительных валиков роликового преобразователя на настроечном образце (0,8…0,9)А, длины зоны искусственных отражателей (0,75…1,25)А, длины свободного от искусственных отражателей пространства (0,65…0,75)А и составляет 2,2…2,9 от ширины настроечного образца.
Предлагаемый настроечный образец изготовлен из сплава марки Д16Т. Технический результат - разработан нестандартный настроечный образец с искусственными отражателями минимального возможного размера в виде цилиндрических боковых искусственных отражателей для настройки акустического дефектоскопа с роликовыми одномерными пьезоэлектрическими преобразователями при проведении ультразвукового контроля проката толщиной до 300 мм, позволяющий настраивать все параметры роликового одномерного пьезоэлектрического преобразователя на всех его элементах.
Достигнутым результатом предлагаемого настроечного образца является повышение качества и достоверности ультразвукового контроля проката и изготавливаемых из него деталей аэродинамических моделей толщиной до 300 мм с размерами дефектов, сравнимыми с разрешающей способностью ультразвукового метода неразрушающего контроля.