СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЯ
METHOD OF ULTRASOUND CONTROL

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего ультразвукового контроля изделий, например, цилиндрической формы, представляющий собой трубу из металла или стеклопластика, заполненную полимерным материалом с каналом внутри, и может быть использовано в том числе для зарядов твердого ракетного топлива.
Известны способы ультразвукового контроля, основанные на теневом прозвучивании изделий ультразвуковыми колебаниями:
- Матаушек И. Ультразвуковая техника. - М.: Металлургия, 1962, с.357-369.
- Бергман Л. Ультразвук. - М.: ПИЛ, 1957, с.432-444.
- Шрейбер Д. Ультразвуковая дефектоскопия. - М.: Металлургия, 1965, с.79-122.
В соответствии с данными способами приемный и излучающий преобразователи, активные элементы в которых выполнены из пьезоэлектрических или магнитострикционных материалов, размещают взаимно противоположно по разные стороны контролируемого изделия и при перемещении преобразователей или изделия относительно друг друга сканируют поверхность изделия при его контроле.
Для обеспечения акустических контактов ультразвуковых преобразователей с поверхностью контролируемого изделия используют, как правило, разнообразные жидкости, например воду, глицерин, трансформаторное масло, водный раствор карбоксиметилцеллюлозы и др. в виде тонких слоев контактной жидкости. В ряде случаев контроль проводится при погружении контролируемого изделия в специальные емкости, заполненные иммерсионной жидкостью. Обеспечение акустического контакта ультразвуковых преобразователей с помощью описанных выше способов представляет определенные трудности. А при контроле, например, зарядов твердого ракетного топлива введение механических приспособлений с ультразвуковым преобразователем в канал изделия представляет определенную опасность в связи с возможностью загорания топлива. Погружение ультразвуковых преобразователей и зарядов в жидкость, с одной стороны, усложняет и удорожает процесс контроля в связи с необходимостью разработки, изготовления и установки специального дорогостоящего оборудования, а с другой стороны, возможность погружения зарядов в жидкость зависит от степени воздействия ее на физико-механические характеристики топлива.
Известен также способ ультразвукового контроля (Заклюковский В.И., Карцев Г.Т. Применение пьезоэлектрических преобразователей для бесконтактного ультразвукового контроля изделий / Дефектоскопия, 1978, №3, с.28-33). Сущность данного способа заключается в том, что ввод ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие излучающим преобразователем и прием ультразвуковых колебаний, прошедших свод изделия, приемным преобразователем осуществляется в воздушной среде. Данный способ позволяет контролировать изделия цилиндрической и конической формы с внутренним каналом, в том числе заряды твердого ракетного топлива.
Существенная особенность данного способа заключается в том, что при переходе границы воздух - изделие значительная часть энергии ультразвуковых колебаний отражается и только малая ее часть проходит через эту границу. Это обстоятельство хорошо иллюстрирует известная зависимость коэффициента отражения на границе двух сред от волновых сопротивлений этих сред:
,
где R - коэффициент отражения на границе двух сред;
1
ρ - плотность материала первой среды;
1
c- скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале первой среды;
2
ρ - плотность материала второй среды;
2
c - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале второй среды.
Действительно, с учетом того, что волновое сопротивление воздушной среды значительно меньше волнового сопротивления твердой среды, имеет место отражение значительной части энергии ультразвуковых колебаний на границе этих сред. Это обстоятельство накладывает определенные ограничения в отношении практической реализации данного способа. Так, если при контроле изделий с каналом, диаметр которого превышает длину преобразователя, возможности оптимальной установки (перпендикулярно поверхности канала) преобразователя имеются, то при каналах, диаметр которых меньше или соизмеримы с длиной преобразователя для обеспечения возможности бесконтактного контроля, приходится использовать схему контроля по взятому за прототип способу ультразвукового контроля (патент на изобретение №2295124),отличительной особенностью которого является ввод в канал и ориентирование вдоль оси канала ультразвукового преобразователя, трубы и пластины.
Недостаток данного способа заключается в том, что при диаметрах каналов, соизмеримых с диаметром преобразователя, ввод в канал устройства с преобразователем, трубой и пластинкой становится весьма проблематичным, а в ряде случаев вообще невозможным. Другой недостаток состоит в том, что если наполнитель представляет собой горючий полимерный материал с большой чувствительностью к механическим воздействиям, то введение в канал изделия и перемещение механического преобразователя с трубой и пластинкой крайне опасно. Поэтому несмотря на принципиальную возможность контроля таким образом изделий с малыми каналами, применять разработанных на предприятии унифицированных преобразователей диаметром 30-40 мм возможно лишь для изделий с каналами больше 50 мм, а для изделий меньше 50 мм необходимо в каждом конкретном случае разрабатывать конкретные преобразователи для каждого изделия, что существенно усложняет процесс контроля и приводит к уменьшению отношения сигнал/шум аппаратуры по отношению с унифицированными преобразователями.
Практический опыт бесконтактного ультразвукового контроля изделий на предприятиях отрасли показал, что процент изделий, внутренний диаметр которых соизмерим с размерами ультразвуковых преобразователей, достаточно высок. Чтобы обеспечить возможность выявления дефектов в изделиях, когда применение ультразвуковых методов невозможно, привлекают для решения данной проблемы другие методы и средства, такие, например, как разрушающий контроль с использованием бетатронов и радиоактивных материалов, что, с одной стороны, значительно усложняет и удорожает процесс контроля изделий, а с другой стороны, все же не дает полной информации, особенно в отношении сплошности скрепления изделий, такой, какую обычно дает ультразвуковой контроль.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности, качества, надежности и безопасности ультразвукового контроля изделий, контроль которых известными способами был затруднителен или невозможен, путем создания условий для увеличения эффективности контроля, в частности повышения отношения сигнал/шум аппаратуры и исключения условий для загорания полимерного материала при проведении ультразвукового контроля таких изделий.
Технический результат достигается тем, что предлагается способ ультразвукового контроля, включающий ввод излучающим преобразователем ультразвуковых колебаний в изделие, прозвучивание свода изделия импульсами ультразвуковых колебаний и прием прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний в воздушной среде приемным преобразователем, отличающийся тем, что излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи устанавливают снаружи изделия: соответственно один со стороны корпуса, другой со стороны одного из торцов изделия, а со стороны другого торца вводят в канал изделия стержень, изготовленный из материала с малой электропроводностью, например из дерева, плоскость торца которого при установке приемного преобразователя у торца изделия с меньшим диаметром канала скошена по отношению к оси изделия под углом
α=45-β/4,
где α - угол между плоскостью торца и осью изделия;
β - угол между двумя диаметрально противоположными образующими поверхности канала изделия;
при установке приемного преобразователя у торца изделия с большим диаметром канала под углом
α=45+β/4,
где α - угол между плоскостью торца и осью изделия;
β - угол между двумя диаметрально противоположными образующими поверхности канала изделия;
ориентируют торец стержня скошенной плоскостью взаимно противоположно излучающему преобразователю и перемещают его синхронно с перемещением излучающего преобразователя, а оценку качества изделия осуществляют по изменению величины сигнала на экране прибора при условии соответствия длительности развертки соотношению:
,
где Т - длительность развертки;
1
l - длина изделия;
2
l - расстояние от излучающего преобразователя до изделия;
3
l - расстояние от приемного преобразователя до изделия;
max
d- максимальный диаметр канала изделия;
с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в воздухе.
Сущность способа поясняется представленной на фиг.1 схемой ультразвукового контроля, на которой схематично представлены стержень (1) со скошенным торцом, излучающий преобразователь (2), изделие (3) и приемный преобразователь (4). В соответствие с этой схемой предлагаемый способ реализуется следующим образом:
1. Устанавливают излучающий преобразователь 2 снаружи изделия 3 со стороны корпуса.
2. Устанавливают приемный преобразователь 4 снаружи изделия со стороны одного из торцов изделия.
3. Со стороны другого торца изделия вводят в канал изделия деревянный стержень 1 диаметром на 5-10 мм меньшим минимального диаметра канала, торцевая плоскость которого при установке приемного преобразователя у торца изделия с меньшим диаметром канала скошена по отношению к оси изделия под углом
α=45-β/4,
где α - угол наклона торцевой плоскости к оси изделия;
β - угол между двумя диаметрально противоположными образующими поверхности канала изделия,
а при установке приемного преобразователя у торца изделия с большим диаметром канала под углом
α=45+β/4,
где α - угол наклона торцевой плоскости к оси изделия;
β - угол между двумя диаметрально противоположными образующими поверхности канала изделия.
Для цилиндрических каналов α=45° независимо от торца изделия.
4. Ориентируют излучающий преобразователь и торцевую плоскость стержня противоположно друг другу.
5. Включают ультразвуковой дефектоскоп, вводят ультразвуковые колебания в свод изделия, прозвучивают свод, направляют ультразвуковые колебания в сторону приемного преобразователя.
6. Устанавливают развертку на экране прибора в соответствии с
,
где Т - длительность развертки;
1
l - длина изделия;
2
l - расстояние от излучающего преобразователя до изделия;
3
l - расстояние от приемного преобразователя до изделия;
max
d - максимальный диаметр канала изделия;
с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в воздухе.
7. Настраивают ультразвуковой дефектоскоп с помощью эталона или имитатора дефектов.
8. Проводят контроль изделия путем взаимного перемещения излучающего преобразователя с деревянным стержнем и изделия вместе с приемным преобразователем относительно друг друга.
Предложенный способ с положительными результатами апробирован в лаборатории и в условиях опытного производства. Способ позволяет значительно расширить область применения ультразвукового контроля, повысить качество, надежность и безопасность контроля. В результате проведенных экспериментов подтверждена эффективность предложенного способа как в отношении основных параметров контроля (чувствительность, производительность, отношение сигнал/шум аппаратуры и др.), так и в отношении безопасности контроля. При контроле натурных изделий в условиях опытного производства всегда имели место четкая регистрация ультразвуковых колебаний, стабильные форма и уровень сигнала, адекватность реакции на искусственные дефекты типа расслоений, хорошая чувствительность.
Полученные положительные результаты позволяют сделать вывод о эффективности применения предложенного способа для бесконтактного контроля изделий.