СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРУТКОВ ВОЛНОВОДНЫМ МЕТОДОМ
METHOD OF ACOUSTIC CONTROL OF BARS WITH WAVEGUIDE METHOD

Изобретение относится к области акустического неразрушающего контроля и может быть использовано для выявления и оценки параметров дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металла прутков.
Известны способы ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии прутков, основанные на использовании эхо-импульсного метода контроля с использованием продольных, поперечных и рэлеевских волн (Справочник в 8 томах под ред. В.В. Клюева. - Т.З. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Ультразвуковой контроль - М.: Машиностроение, НИИИН МНПО «Спектр». - 2008. - 864 с. - с. 382, с. 457). Основными параметрами выявляемых дефектов являются амплитуда эхо-сигнала от дефекта, и его координаты.
Недостатками известных способов являются:
- зависимость результатов дефектоскопии от качества акустического контакта пьезопреобразователя с объектом контроля, а, следовательно, низкая воспроизводимость и достоверность контроля;
- необходимость использования поступательно-вращательного движения прутка и, как следствие, низкая производительность и низкая экономическая эффективность контроля;
- наличие мертвой зоны со стороны поверхности ввода УЗ волны;
- сложность выявления дефектов произвольной ориентации;
- невозможность контроля объектов малых диаметров (от 80 мм и менее) в связи со сложностью обеспечения надежного акустического контакта пьезопреобразователя с цилиндрической поверхностью и невозможностью миниатюризации пьезоэлектрических преобразователей.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является способ, принятый за прототип, реализующий эхо-импульсный акустический волноводный метод контроля прутков (О.В. Муравьева, В.В. Муравьев, В.А. Стрижак, Е.Н. Кокорина, М.А. Лойферман. Реальная чувствительность входного акустического контроля прутков-заготовок при производстве пружин. - В мире неразрушающего контроля. - №1(59), 2013. С 62-70). Способ контроля состоит в прозвучивании прутка стержневой волной, измерении времени распространения стержневой волны от преобразователя до дефекта и обратно, пересчете измеренного времени в координату дефекта по длине прутка, определение коэффициента отражения стержневой волны от дефекта и сравнении его с уровнем браковки, по превышению которого судят о дефектности прутка.
Недостатками способа-прототипа являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные возможностью определения только одной координаты дефекта по длине прутка, недостатком также является недостаточная достоверность результатов контроля, обусловленная наличием дисперсии скорости используемой стержневой волны при контроле прутков большого диаметра; использованием одного информативного параметра - коэффициента отражения на участке между зондирующим и первым эхо-импульсом от торца прутка; возможностью пропуска продольно ориентированных дефектов ввиду использования только стержневой волны.
Техническим результатом предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей контроля за счет дополнительного определения координаты дефекта по поперечному сечению прутка.
Дополнительным техническим результатом является повышение достоверности результатов акустического волноводного контроля за счет использования крутильной волны.
СОП
S
T
Указанный технический результат достигается за счет того, что прозвучивают контролируемый пруток стержневой волной, измеряют время распространения стержневой волны от преобразователя до дефекта и обратно, пересчитывают измеренное время в координату дефекта по длине прутка L с учетом скорости распространения стержневой волны, определяют коэффициент отражения стержневой волны от дефекта в , определяют дефектность прутка по результатам сравнения коэффициента отражения  с уровнем браковки, прозвучивают стандартный образец прутка стержневой и крутильной волнами, определяют коэффициенты отражения стержневой  и крутильной  волн от искусственного отражателя в стандартном образце прутка, измеряют координату h искусственного отражателя в поперечном сечении стандартного образца прутка, прозвучивают контролируемый пруток крутильной волной, определяют коэффициент отражения крутильной волны от дефекта в контролируемом прутке , определяют коэффициенты затухания стержневой δ и крутильной δ волн в контролируемом прутке, определяют координату дефекта  в поперечном сечении прутка радиуса r по формуле:
Дополнительный технический результат, направленный на повышение достоверности результатов контроля, достигается за счет того, что дополнительно определяют дефектность прутка по результатам сравнения коэффициентов отражения  с уровнем браковки.
Нами не обнаружены технические решения с признаками, сходными с существенными отличительными признаками предлагаемого решения, поэтому считаем, что оно соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».
Заявленный способ поясняется следующими чертежами.
p
z
ϕ
Фиг. 1 - Эпюры радиальной U, продольной U и азимутальной U компонент смещений в стержневой волне в радиальном и осевом сечениях прутка.
p
z
ϕ
Фиг. 2 - Эпюры радиальной U, продольной U и азимутальной U компонент смещений в крутильной волне в радиальном и осевом сечениях прутка.
Фиг. 3 - Эскиз стандартного образца прутка с искусственным отражателем в виде сегментного паза.
Фиг. 4 - Естественный дефект прутка типа «задир».
Фиг. 5 - Осциллограмма прутка с искусственным отражателем и естественным дефектом при прозвучивании стержневой волной (донные импульсы сигналы вне ограничения).
Фиг. 6 - Осциллограмма прутка с искусственным отражателем и естественным дефектом при прозвучивании крутильной волной (донные импульсы сигналы вне ограничения).
Фиг. 7 - Осциллограмма прутка с искусственным отражателем и естественным дефектом при прозвучивании стержневой волной (донные импульсы сигналы в ограничении).
Фиг. 8 - Осциллограмма прутка с искусственным отражателем и естественным дефектом при прозвучивании крутильной волной (донные импульсы сигналы в ограничении).
Способ акустического контроля пруткового проката осуществляют следующим образом.
На торец прутка устанавливается блок электроакустических преобразователей, на излучатель которого с генератора зондирующих импульсов подается электрический импульс, преобразуемый в акустическую (стержневую или крутильную) волну. Отраженная от противоположного торца прутка и от дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металла, акустическая волна принимается приемником блока электроакустических преобразователей, преобразующим акустический сигнал в электрический. Электрический сигнал усиливается, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и далее в память персонального компьютера, где анализируется с использованием специализированного программного обеспечения.
На осциллограмме отображаются зондирующий импульс и первый эхо-импульс, отраженный от противоположного торца прутка (донный импульс). При наличии дефектов в прутке на участке между зондирующим импульсом и донным импульсом появляются эхо-импульсы от дефектов.
Координата дефекта l по длине прутка L определяется с учетом известной скорости С распространения акустического импульса по прутку и времени t между зондирующим импульсом и эхо-импульсом от дефекта по формуле:
деф
деф
ДИ
Далее определятся коэффициент отражения от дефекта R, как отношение амплитуды эхо-импульса от дефекта A к амплитуде донного импульса A, выраженное в %:
Нормировка амплитуды эхо-импульса от дефекта к амплитуде донного импульса используется для отстройки от влияния качества акустического контакта и эффективности возбуждения волн требуемого типа.
деф
О дефектности прутка судят на основании сравнения коэффициента отражения R с заранее заданным уровнем браковки, определяемым коэффициентом отражения от искусственного дефекта с глубиной, равной предельному отклонению по диаметру прутка в соответствии с нормативными документами.
1
2
В случае прозвучивания прутка стержневой волной коэффициент отражения  от дефекта в виде несплошности определяется перепадом в площади сечения прутка с S на S, обусловленным наличием дефекта, по формуле [Буденков Г.А., Недзвецкая О.В. Основные закономерности взаимодействия волн Похгаммера с дефектами // Дефектоскопия. - 2004. - №2. - С. 33-46]:
z
r
Так как эпюра смещений в стержневой волне (фиг. 1) имеет в своем составе преимущественно осевую U компоненту, равномерно распределенную по сечению прутка, при этом радиальная компонента смещений U близка к нулю, коэффициент отражения стержневой волны от дефекта  не зависит от местоположения дефекта по поперечному сечению прутка, тем самым обеспечивается равномерная чувствительность стержневой волны к дефектам прутка в любом месте по сечению.
ϕ
деф
Эпюра смещений крутильной волны имеет в своем составе только азимутальную Uкомпоненту смещений, линейно убывающую по амплитуде от поверхности прутка к его центру до нуля (фиг. 2), поэтому коэффициент отражения крутильной волны от дефекта в виде несплошности  обратно пропорционален глубине залегания h по поперечному сечению прутка и может быть определен по формуле:
S
T
Формулы (3) и (4) не учитывают сравнительную чувствительность стержневой и крутильной волн к дефектам, обусловленную различиями в длинах волн при одинаковой частоте спектра сигнала и различие коэффициентов затухания стержневой δ. и крутильной δ волн. С учетом указанных эффектов, отношение коэффициентов отражения по стержневой и крутильной волнам описывается формулой:
S
T
S
Т
COП
СОП
где R - коэффициент отражения стержневой волны от искусственного отражателя в стандартном образце прутка (СОП), R - коэффициент отражения крутильной волны от отражателя в СОП, δ - коэффициент затухания стержневой волны, δ - коэффициент затухания крутильной волны, L - длина прутка, r - радиус прутка,  - учитывает координату искусственного отражателя в СОП по поперечному сечению прутка.
СОП
В качестве стандартного образца прутка может быть использован пруток известной длины, выполненный из того же материала, что и контролируемый пруток, с искусственным отражателем в виде сегментного паза с известной глубиной h и известной координатой по длине прутка.
S
T
Коэффициенты затухания стержневой δ и крутильной δ - волн определяются по соотношению амплитуд первого  и второго  донных импульсов соответствующих типов волн по формуле:
S
T
Определив коэффициенты отражения стержневой  и крутильной  волн на прутке с дефектом, коэффициенты отражения стержневой  и крутильной  волн на СОП с искусственным отражателем и коэффициенты затухания стержневой δ и крутильной δ волн, можно дополнительно определить глубину залегания дефекта в поперечном сечении прутка по формуле:
Дополнительный информативный признак - коэффициент отражения крутильной волны от дефекта  позволяет судить о дефектности прутка на основании сравнения коэффициента отражения  с заранее заданным уровнем браковки. При этом повышается чувствительность и достоверность контроля за счет более высокой чувствительности крутильной волны к поверхностным и приповерхностным дефектам в сравнении со стержневой волной ввиду меньшей длины волны на той же частоте колебаний. Кроме того, крутильная волна позволяет с более высокой чувствительностью выявлять продольно ориентированные дефекты ввиду их существенного влияния на крутильную жесткость (Г.А. Буденков, О.В. Недзвецкая, Д.В. Злобин, С.А. Мурашов. Взаимодействие крутильных волн с продольными трещинами труб // Дефектоскопия. - 2006. - №6. - С. 57-66).
Рассмотрим реализацию способа на примере акустического контроля прутка радиусом r=8,5 мм и длиной L=2,3 м, на котором имеются искусственный отражатель в виде сегментного паза глубиной h=0,3 мм, используемый в качестве искусственного отражателя на СОП (фиг. 3), и протяженный естественный дефект типа «задир» с неравномерной глубиной h≈0,2÷0,3 мм (фиг. 4).
S
T
На осциллограммах стержневой (фиг. 5) и крутильной (фиг. 6) волн вне ограничения наблюдаются зондирующий, первый и второй донные импульсы. Согласно фиг. 5 и фиг. 6 амплитуды =700 мВ, =618 мВ, =1989 мВ, =1974 мВ, расчет коэффициентов затухания согласно формулы (6) дает для стержневой волны δ=0,0016 1/м и для крутильной волны δ=0,027 1/м. На осциллограммах стержневой (фиг. 7) и крутильной (фиг. 8) волн наблюдаются зондирующий и первый донные импульсы в ограничении и эхо-импульсы от искусственного отражателя и от дефекта типа «задир». Шкала ординат (фиг. 7, фиг. 8) пронормирована к амплитуде первого донного импульса и имеет размерность коэффициента отражения R, %. Согласно фиг. 7 коэффициент отражения стержневой волны от искусственного отражателя в СОП составляет =0,31% и от естественного дефекта - =0,2%. Согласно фиг. 8 коэффициенты отражения на крутильной волне от искусственного отражателя в СОП составляет =1,34%, от естественного дефекта - =0,72%.
СОП
деф
Время между зондирующим импульсом и эхо-импульсом от искусственного отражателя составляет 478 мкс, между зондирующим импульсом и эхо-импульсом от естественного дефекта - 762 мкс. Согласно формуле (1) координаты по длине прутка для искусственного отражателя составляют l=5200 м/с*478 мкс/2=1242,8 мм (значение, измеренное рулеткой - 1282 мм), для естественного дефекта l=5200 м/с*762 мкс/2=1981,2 мм (значение, измеренное рулеткой до начала дефекта - 2050 мм). С использованием формулы (7) расчет глубины залегания естественного дефекта составляет 0,31 мм. При уровне браковки 0,15% по стержневой волне и 0,5% по крутильной волне естественный дефект с коэффициентами отражения =0,2% и =0,72% является недопустимым.