СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕТАЛИ В ИММЕРСИОННОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD FOR APPLICATION OF ULTRASOUND TO RESEARCH PART IN IMMERSION LIQUID

Настоящее изобретение относится к способу исследования детали в иммерсионной жидкости с помощью сфокусированного пучка ультразвуковой волны для выявления в детали дефектов, таких, например, как раковины, включения и т.д.
Уровень техники
Настоящий способ реализован в сосуде, наполненном акустически связующей жидкостью, например водой, с использованием ультразвукового преобразователя, погруженного в воду и направленного на исследуемую деталь перпендикулярно к ее поверхности, причем преобразователь отделен от поверхности детали на расстояние, равное глубине воды, обозначаемое как "водяной столб".
Преобразователь излучает сфокусированный пучок ультразвуковых волн, некоторая часть которого отражается поверхностью детали, тогда как остальная часть ультразвуковой волны проходит внутрь детали, причем прошедшая часть ультразвуковой волны может столкнуться на направлении распространения с внутренними дефектами детали, которые могут отражать ультразвук. Отраженные эхо-сигналы принимаются преобразователем, и их амплитуды отображают размеры выявленных дефектов.
На практике, при ультразвуковом исследовании детали применяется либо относительное перемещение детали и преобразователя, либо используется набор преобразователей, соответственно сканирование детали выполняется одним или несколькими сфокусированными ультразвуковыми пучками.
Если сфокусированный ультразвуковой пучок постепенно смещается к краю детали, то строго возрастающая часть пучка проходит вне края детали так, что часть энергии сфокусированного пучка излучается вне детали и не может быть отражена дефектом в том участке детали, который покрывается сфокусированным пучком.
Соответственно дефекту, выявленному в виде эхо-сигнала, будет соответствовать меньшая амплитуда сигнала при близком к краю детали прохождении сфокусированного пучка, причем эта амплитуда становится равной нулю при прохождении сфокусированного пучка вне детали.
Та часть детали, в которой этот эффект приводит к падению амплитуды эхо-сигнала, производимого отражением сфокусированного пучка от дефекта, образует зону, которая не может быть исследована известными способами и которая обозначается как зона "тени" или как "боковая мертвая" зона детали.
Способы предшествующего уровня техники не позволяют исключить эту боковую "мертвую" зону в пределах всей глубины детали и в качестве меры предосторожности необходимо обеспечить некоторую избыточность размера детали, например, на 12 мм, даже если это фактически меньше чем, например, половина ширины и соответствует относительно большой потере материала.
Задачи и сущность изобретения
Основная задача изобретения заключается в использовании ультразвука для исследования детали в иммерсионной жидкости, исключающем боковые теневые зоны, при сопутствующей простоте исследования, его эффективности и низкой себестоимости.
С этой целью согласно изобретению обеспечивается способ использования ультразвука для исследования детали в иммерсионной жидкости, способ предусматривает применение преобразователя, излучающего сфокусированный пучок ультразвуковых волн и принимающего эхо-сигналы в результате отражения сфокусированного пучка любыми дефектами в указанной детали, причем ось излучаемого сфокусированного пучка перпендикулярна к поверхности детали, способ предусматривает использование многоэлементного кольцевого ультразвукового преобразователя, связанного с электронным средством фокусировки, и, если ось сфокусированного пучка близка к краю детали и попадает в соответствующую зону тени и может скрывать наличие дефекта в упомянутой зоне, по меньшей мере в некоторой ее области, то наклоняют ось сфокусированного пучка в направлении к краю детали относительно нормали к поверхности детали на угол, который достаточно мал для избежания изменения амплитуды волны, отраженной дефектом, и достаточно велик для исключения боковой зоны тени по всей или практически по всей глубине детали.
Способ согласно изобретению обеспечивает возможность обнаружения дефектов вблизи края детали, расположенных в боковой зоне тени, таким же образом, как и дефектов, расположенных вне зоны тени. Отраженный дефектом сигнал возвращается на преобразователь по тому же направлению, что и падающий, так, что амплитуда принятого преобразователем эхо-сигнала практически равна амплитуде того эхо-сигнала, который должен быть отражен идентичным дефектом, находящимся на той же глубине, но вне зоны тени, также выявляемым пучком, излучаемым преобразователем перпендикулярно к поверхности детали. Таким образом, возможно тщательным образом обследовать объем детали целиком.
Согласно другому аспекту изобретения способ изначально состоит в использовании калибровочных деталей для измерения первых значений упомянутого угла, вне которого зона тени исключается для различных глубин детали, и в выборе значения угла при исследовании не меньшего чем или незначительно большего максимального значения из первых измеренных значений.
Способ заключается и в измерении на калибровочной детали второго угла наклона, за пределом которого амплитуда отраженной дефектом волны начинает падать с ростом значения угла, а также в выборе при исследовании детали такого угла наклона оси сфокусированного пучка, значение которого находится между максимальным из первых измеренных значений и упомянутым вторым измеренным значением.
На практике, если требуется исключить зону тени для детали, изготовленной из титана, угол наклона падающего сфокусированного пучка относительно нормали к поверхности детали должен составлять около 3°.
Способ состоит также в предварительном определении области распространения зоны тени от края детали, что обеспечивает возможность исследования большей части упомянутой детали при сфокусированном ультразвуковом пучке, ориентированном перпендикулярно поверхности детали, и позволяет наклонять сфокусированный пучок только для проникновения в зону тени.
Краткое описание чертежей
Прочие признаки, подробности и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего описания путем раскрытия не ограничивающего примера с соответствующими чертежами, на которых:
фиг.1 изображает схематический вид в разрезе устройства ультразвукового исследования детали в иммерсионной жидкости;
фиг.2-4 - схематические виды в разрезе калибровочных деталей, показывающие этап исследования детали с помощью ультразвука в способе согласно изобретению;
фиг.5 - график изменения угла наклона сфокусированного ультразвукового пучка в зависимости от глубины отверстий в калибровочных деталях;
фиг.6-7 - схематические виды детали в разрезе, показывающие способ определения распространения боковой зоны тени; и
фиг.8 - график изменения амплитуды эхо-сигнала сфокусированного пучка в зависимости от положения элемента, перемещаемого по поверхности детали относительно пучка.
Более подробное описание
На фиг.1 показана схема устройства 10 для ультразвукового исследования детали 12 в иммерсионной жидкости, содержащего сосуд 14, наполненный водой 16, в которую погружена исследуемая деталь 12 вместе с ультразвуковым преобразователем 18, формирующим сфокусированный пучок 20 ультразвуковых волн, ориентированный перпендикулярно к поверхности 22 детали 12, причем преобразователь 18 отделен от упомянутой поверхности 22 детали на глубину воды, обозначаемую как "столб воды" 24.
Преобразователь 18 представляет собой многоэлементный преобразователь, объединенный с электронным средством фокусировки и соединенный со средством управления, таким как микрокомпьютер.
Частично излучаемые ультразвуковые волны отражаются поверхностью 22 детали, а частично проникают внутрь детали, причем проникающие внутрь детали 12 ультразвуковые волны могут встретить дефект, способный отражать их вдоль направления распространения. Дефектом могут быть, например, раковины, включения и т.д., и они отображаются в калибровочных деталях отверстиями 26, 28, имеющими концевую стенку 30, являющуюся плоской и находящуюся в конце отверстия близко к поверхности 22 детали, причем отверстие открыто на нижней поверхности детали 12.
Падающие волны, встречаясь с границами отверстий или дефектов в детали, отражаются на многоэлементный преобразователь в направлении падения, даже если упомянутое направление не перпендикулярно поверхности детали. Эхо-сигналы, вызванные отражением ультразвуковых волн на границах 30 отверстий, принимаются преобразователем 18 и регистрируются на средстве 32 отображения для отображения их амплитуды, например, на соединенном с преобразователем 18 осциллографе.
При использовании ультразвука для исследования детали 12 преобразователь 18 перемещается над поверхностью детали 22 параллельно ей и при предварительно определенном значении столба воды 24.
Если сфокусированный ультразвуковой пучок 20 близок к краю 34 и проходит через соответствующую зону тени, схематично отмеченную на фиг.1 пунктирными линиями 36, то амплитуда волны, отраженной дефектом 26, имеющимся в упомянутой зоне, много меньше амплитуды, соответствующей дефекту 28, находящемуся на той же глубине, но вне упомянутой зоны 36. Таким образом, оказывается затруднительным локализовать и оценить размер дефектов, находящихся в зоне 36.
Способ согласно изобретению дает возможность надежного исследования с помощью ультразвукового пучка всей детали 12 посредством исключения свойственных детали боковых зон тени.
Если ось 38 сфокусированного пучка проходит вблизи границы 34 детали и попадает в соответствующую зону тени 36, которая может по меньшей мере частично скрывать имеющийся в упомянутой зоне дефект, то способ предполагает осуществить наклон оси 38 сфокусированного пучка по направлению к краю 34 детали относительно нормали к поверхности 22 детали на угол, достаточно малый, чтобы избежать изменения амплитуды отраженной дефектом 26 волны, но достаточно большой для исключения боковой зоны тени 36 по всей или практически по всей глубине детали 12.
Значения этого угла определяются с помощью калибровочных деталей, как показано на фиг.2-4.
1
На фиг.2 калибровочная деталь 40 имеет отверстие 46 с плоским окончанием 47, которое значительно удалено от краев 34 детали и находится вне соответствующих боковых зон тени, а другое идентичное отверстие 52 с плоским окончанием 53 находится достаточно близко к краям 34 детали и скрывается соответствующей зоной тени 36, причем плоские окончания 47 и 52 располагаются на глубине р от поверхности детали 40.
Зона тени 36 может быть установлена произвольно, например, как равная 12 мм, или же она может быть определена с помощью подробно рассмотренного ниже способа.
Преобразователь 18 отделен от поверхности детали водяным столбом предварительно определенного значения, а ось 38 сфокусированного ультразвукового пучка ориентирована перпендикулярно к поверхности детали 40 и находится на одной линии с отверстием 46 в детали для измерения максимальной амплитуды эхо-сигнала, получаемого в результате отражения сфокусированного пучка от плоского окончания 47 отверстия. На практике средство 32 отображения настраивается так, чтобы отображать эту амплитуду на 80% высоты экрана.
Преобразователь 18 затем поступательно перемещается над деталью 40 вдоль стрелки 58 по направлению к отверстию 52 в детали и параллельно поверхности детали, пока сфокусированный ультразвуковой пучок не попадет в окрестность оси отверстия 52.
i
Кроме того, способ состоит в осуществлении наклона оси 38 сфокусированного пучка по направлению к краю 34 детали относительно нормали к поверхности детали на угол α, при котором амплитуда волны, отраженной от плоского окончания 53 отверстия, вновь становится максимальной, т.е. практически равна измеренной ранее амплитуде волны, отраженной от плоского окончания 47 отверстия 46. Для этого угла наклона зона тени оказывается исключенной на глубине плоского окончания 53 отверстия.
На практике угол наклона, при котором зона тени 36 исключается для данной глубины, определяется постепенным наклоном оси 38 сфокусированного пучка по направлению к краю 34 детали при одновременном использовании средства 32 отображения амплитуды волны, отраженной окончанием 53 отверстия.
Из фиг.3 и 4 видно, что та же самая процедура, что и описанная выше, выполняется с калибровочными деталями 42, 44, имеющими отверстия 48 и 54, а также 50 и 56 с соответствующими плоскими окончаниями 49 и 55, а также 51 и 57, при
2
3
1
глубинах р и р, отличающихся одна от другой и от глубины р.
1
2
3
Определяются углы наклона α, α, и α оси 38 сфокусированного пучка, после чего "мертвая" зона 36 исчезает, и амплитуды волн, отраженных от плоских окончаний 53, 55, 57 отверстий 52, 54 и 56, достигают максимальных значений, а эти определения выполняются снова с плоскими окончаниями других отверстий, расположенных на увеличивающихся глубинах в пределах детали.
i
i
1
На фиг.5 показана кривая С1 зависимости изменения угла наклона α оси 38 сфокусированного пучка относительно нормали к поверхности детали от глубины p расположения плоского окончания отверстия, на котором выполнены измерения. Этот график построен с помощью измерения значений угла наклона α для
1
2
3
глубин p, p и p, а также при некотором количестве дополнительных операций.
В этом примере калибровочные детали были изготовлены из титана, и цилиндрические отверстия с плоским окончанием имели диаметр 0,4 мм.
1
1
Из фиг.5 можно видеть, что угол наклона увеличивается от α, равного приблизительно 2,10°, что соответствует отверстию 52 с глубиной р около 15 мм, до максимального значения приблизительно в 3,2°, что соответствует отверстию с глубиной 31 мм, и затем уменьшается до значения 1,2°, что соответствует отверстию с глубиной около 140 мм.
i
Кривая С1 служит для определения значения угла наклона оси сфокусированного пучка относительно нормали к поверхности детали, выше которого боковая зона тени исключается по всей или почти по всей глубине детали. Это значение отвечает максимальному значению угла наклона α, полученному экспериментально на калибровочных деталях.
Для детали, изготовленной из титана, достаточно таким образом наклонить ось сфокусированного пучка по направлению к границам детали, на угол не меньший чем и предпочтительно несколько больший, чем 3,2°, для получения возможности исключения боковых зон тени.
Способ состоит также в измерении на калибровочной детали значения угла наклона сфокусированного пучка, выше которого амплитуда отраженной отверстием волны начинает уменьшаться от своего максимального значения при увеличении упомянутого угла.
Это значение может быть определено с помощью любой из калибровочных деталей, которые использовались для построения кривой С1 на фиг.5.
Для детали, изготовленной из титана, это значение составляет приблизительно 3,5° и отображено на фиг.5 прямой линией D1.
Таким образом, на практике возможно осуществить наклон оси сфокусированного ультразвукового пучка по направлению к краю детали на угол относительно нормали к поверхности детали, причем угол заключен между полученным экспериментально максимальным значением, т.е. 3,2°, и значением, выше которого амплитуда волны, отраженной отверстием, начинает уменьшаться, т.е. значением 3,5°. Этот диапазон значений позволяет исключить боковую "мертвую" зону по всей глубине детали.
На фиг.6 и 7 схематически показано сечение, иллюстрирующее способ определения протяженности зоны тени, соответствующей краю детали.
Преобразователь 18 отделен от поверхности 22 детали 12 столбом воды предварительно определенной величины, а ось 38 сфокусированного пучка ориентирована перпендикулярно к поверхности 22 детали и расположена на одной линии с отверстием 28, имеющим плоское окончание, образованное в детали на данной глубине и соответственно на данном расстоянии от краев 34. Амплитуда волны, отраженной от концевой стенки 30 отверстия, измеряется при отображении на 80% высоты экрана средства 32 отображения.
Элемент 60 отклонения сфокусированного пучка 20 расположен на поверхности 22 детали и перемещается по направлению к оси 38 сфокусированного пучка 20 для отклонения части упомянутого сфокусированного пучка от зоны приема преобразователя 18.
В приведенном примере элемент 60 отклонения представляет собой призму, имеющую по меньшей мере одну отражательную поверхность 62, наклоненную, например, на 45° относительно поверхности 22 детали, и к оси 38 сфокусированного пучка, причем упомянутая поверхность 62 заканчивается ребром 64, контактирующим с поверхностью 22 детали.
1
2
1
2
1
2
Призма 60 перемещается шаговым образом в направлении стрелки 66 вдоль оси, пересекающей ось 38 сфокусированного ультразвукового пучка, причем призма 60 перемещается между двумя крайними положениями - положением, когда ее внешней стороны касается эффективная часть пучка, сфокусированного на поверхность 22 детали, как показано на фиг.6, где призма 60 находится в положении Х, и другим положением, когда она отклоняет весь сфокусированный пучок 20, как показано на фиг.7, где призма находится в положении Х. Величины d и d определяются как расстояния между осью 38 сфокусированного пучка и ребром 64 призмы, т.е. они равны |Х| и |Х| соответственно.
Например, призма 60 может устанавливаться с помощью проставок 68, помещаемых между призмой 60 и краем 34 детали, причем проставки 68 выполнены очень тщательно и дают возможность с очень большой точностью определять положение ребра 64 призмы 60, например, с микрометрической точностью относительно оси 38 пучка.
1
2
На фиг.8 приведена кривая С2, отображающая изменение амплитуды эхо-сигнала, сформированного отражением сфокусированного пучка от окончания 30 отверстия, в зависимости от положения 64 призмы относительно оси 38 сфокусированного пучка вдоль оси Х. Для построения этой кривой наблюдаются значения амплитуды эхо-сигнала, причем не только для положений Х и Х, но также и для некоторого количества промежуточных положений.
1
2
Амплитуда уменьшается от своего максимального значения, соответствующего положению Х, до нуля или практически до нуля, соответствуя положению Х.
Размер зоны тени равен радиусу R эффективного участка сфокусированного пучка 20 на поверхности детали, причем радиус определяется выражением:
1
2
R=(d+d)/2.
В примере, показанном на фиг.8, при соответствующем водяном столбе 40,8 мм между поверхностью 22 детали и преобразователем Panametric V322-239 440 с фокусным расстоянием F=8 дюймов (203,2 мм) и диаметром d=1 дюйм (25,4 мм) размер этой зоны тени составляет:
1
2
1
2
R=(d+d)/2=(|Х|+|Х|)/2=(6,69 мм+6,31 мм)/2=6,50 мм
1
2
На практике может быть так, что значения Х, и особенно Х, может быть трудно определить точно. Они могут быть определены посредством экстраполяции с помощью соответствующего средства для расчета линейной или полиномиальной регрессии по кривой, полученной экспериментальным путем.
В качестве варианта способ может состоять в измерении двух положений ребра 64 призмы, которые диаметрально противоположны относительно оси 38 сфокусированного пучка, причем ребро 64 призмы касается эффективного участка сфокусированного пучка 20 на поверхности детали, и значение амплитуды эхо-сигнала, сформированного отражением сфокусированного пучка от окончания отверстия, фактически максимально в этих двух положениях.
1
1
1
Для этого призма 60 перемещается по поверхности 22 детали по стрелке 66 в положение Х и затем помещается на другую сторону сфокусированного пучка 20, симметрично относительно оси 38, и перемещается по поверхности 22 детали в направлении, противоположном стрелке 66, пока не достигнет положения Х', эквивалентного Х.
1
1
Расстояние между этими двумя положениями Х и Х' может быть использовано для определения размера зоны тени, которое составляет
1
1
R=(|Х|+|Х'|)/2.