СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR ULTRASONIC TEST OF ITEMS

Предлагаемое изобретение относится к области неразрушающего ультразвукового контроля изделий, например, цилиндрической формы, представляющих собой трубу из металла или стеклопластика, заполненную полностью или частично (с каналом внутри) полимерным материалом, 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 топлив.
Известен также взятый за прототип способ ультразвукового контроля (Заклюковский В.И., Карцев Г.Т. Применение пьезоэлектрических преобразователей для бесконтактного ультразвукового контроля изделий / Дефектоскопия, 1978, №3, стр.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 осуществляют в воздушной среде. Данный способ позволяет контролировать изделия цилиндрической и конической формы с внутренними каналами, 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
p - плотность материала первой среды;
1
с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в материале первой среды;
2
р - 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 приводит к существенному уменьшению величины сигнала и, естественно, накладывает определенные требования на применение этого способа в отношении изделий с большим затуханием ультразвуковых колебаний в них.
Существенный недостаток данного способа заключается в том, что на затухание ультразвуковых колебаний большое влияние оказывают физико-механические характеристики полимерного материала. В частности, при наличии напряженно-деформируемого состояния в изделии существенно повышается затухание ультразвуковых колебаний в полимерном материале изделия, что приводит к появлению довольно больших зон акустической непрозрачности, в которых из-за уменьшения уровня сигнала до нуля фактически не представляется возможным получение информации о качестве изделия в этих зонах.
Практический опыт бесконтактного ультразвукового контроля изделий на предприятиях отрасли показал, что процент изделий с аномально высоким уровнем затухания ультразвуковых колебаний на отдельных участках достаточно высок. Чтобы исключить перебраковку изделий в этих случаях, привлекают другие методы и средства, такие, например, как разрушающий контроль, контроль с использованием бетатронов и радиоизотопных источников, что, с одной стороны, значительно усложняет и удорожает процесс контроля изделий, а, с другой, все же не дает полной информации, особенно в отношении сплошности скрепления изделий, такой, какую дает обычно ультразвуковой контроль.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности, качества и надежности неразрушающего контроля изделий, контроль которых при наличии акустически непрозрачных зон затруднителен или невозможен, путем создания условий для увеличения уровня сигнала при проведении ультразвукового контроля таких изделий.
Технический результат достигается тем, что способ ультразвукового контроля изделий включает прозвучивание свода изделия импульсами ультразвуковых колебаний, ввод ультразвуковых колебаний в контролируемое изделие и прием прошедших свод изделия ультразвуковых колебаний через слой воздуха, причем при выявлении в изделии зон акустической непрозрачности наносят границы этих зон на поверхность изделия, нагревают изделие до температуры порядка 50±5°С, выдерживают при этой температуре в течение 24-48 часов в зависимости от конструкции изделия и физико-механических характеристик полимерного материала, охлаждают до температуры воздуха в производственном помещении, устанавливают на поверхности изделия вблизи от границы зоны акустической непрозрачности имитатор дефектов, представляющий собой сложенную в несколько слоев полоску бумаги шириной, примерно равной диаметру пьезоэлемента в используемых ультразвуковых преобразователях, и соответствующей чувствительности ультразвукового контроля изделий, производят настройку ультразвукового дефектоскопа, ультразвуковой контроль зон акустической непрозрачности и делают оценку качества изделия.
Эффект уменьшения акустической непрозрачности при нагревании изделий установлен опытным путем. В результате проведенных во ФГУП «НИИПМ» и на нескольких других предприятиях отрасли экспериментов подтверждена эффективность применения предложенного способа ультразвукового контроля. В таблице №1 приведены усредненные данные по эффективности предложенного способа в зависимости от времени и температуры прогрева одного из типов изделий. Эффективность способа определялась по соотношению
1
2
К=S/S,
где К - коэффициент эффективности способа;
1
S - площадь части зоны акустической непрозрачности, ставшей прозрачной после прогрева изделия в течение определенного времени и при определенной температуре;
2
S - площадь зоны акустической непрозрачности.
Предложенный способ позволяет значительно снизить процент забракованных изделий из-за наличия в них отдельных участков или зон акустической непрозрачности и расширить область применения ультразвукового контроля в отношении диапазона применения, качества и надежности ультразвукового контроля. На натурных изделиях постоянно имели место четкая регистрация ультразвуковых колебаний, стабильные форма и уровень сигнала, адекватность реакции на искусственные дефекты типа расслоений, хорошая чувствительность к выявлению дефектов.
Полученные положительные результаты позволяют сделать вывод о перспективности применения предложенного способа для бесконтактного ультразвукового контроля изделий, в частности твердотопливных зарядов ракетных двигателей.
Таблица №1
Зависимость коэффициента эффективности от времени и температуры прогрева для изделий типа 9Х87
№ пп
Время, час
Коэффициент эффективности при температуре, °С
20
25
30
35
40
45
50
55
1
6
0
0
0
0
0
0,2
0,4
0,6
2
12
0
0
0
0
0,1
0,4
0,6
0,8
3
18
0
0
0
0
0,2
0,6
0,8
1,0
4
24
0
0
0
0
0,3
0,8
1,0
1,0
5
30
0
0
0
0,1
0,4
1,0
1,0
1,0
6
36
0
0
0
0,2
0,5
1,0
1,0
1,0
7
42
0
0
0
0,2
0,6
1,0
1,0
1,0
8
48
0
0
0,1
0,3
0,7
1,0
1,0
1,0