УСТРОЙСТВО АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРУТКОВ

Полезная модель относится к области акустического неразрушающего контроля и может быть использована для выявления дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металла прутков.
Известны устройства и способы ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии прутков (ГОСТ 21120), основанные на использовании эхо-импульсного метода контроля с использованием продольных, поперечных и рэлеевских волн, реализуемых с помощью универсальных УЗ дефектоскопов и пьезопреобразователей (Справочник в 8 томах под ред. В.В. Клюева. - Т. 3. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Ультразвуковой контроль. - М.: Машиностроение, НИИИН МНПО «Спектр». - 2008. - 864 с. - с. 382, с. 457).
Недостатками известных устройств 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.
Известен также способ и устройство, реализующее зеркально-теневой метод контроля цилиндрических изделий с использованием проходного бесконтактного электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразователя (Патент РФ №130082).
Недостатком известного устройства является необходимость использования поступательного движения прутка, и как следствие, низкая производительность и низкая экономическая эффективность контроля.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков и достигаемому результату является устройство, принятое за прототип, реализующее 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). Устройство содержит блоки электроакустических преобразователей стержневых волн, состоящих из бесконтактных электромагнитно-акустических излучателей проходного типа, создающих осевые напряжения и устанавливаемых вблизи торцов прутка, и контактных пьезоприемников, устанавливаемых на противоположные торцы прутка, блоки генератора и предусилителя, блок программируемого усилителя, коммутации и источника питания, персональный компьютер с платой аналого-цифрового преобразования.
Недостатками устройства-прототипа являются недостаточные чувствительность, достоверность результатов контроля, обусловленные:
- влиянием способа обработки торца (после рубки, фрезерования, клеймения и др.) на качество акустического контакта пьезоприемника с торцом объекта контроля;
- 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;
- невозможностью контроля неферромагнитных объектов ввиду использования электромагнитно-акустических излучателей.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности и достоверности результатов контроля прутков.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве акустического контроля прутков, содержащем блоки электроакустических преобразователей, установленные у торцов прутка, блоки генератора и предусилителя, блок программируемого усилителя, коммутации и источника питания, персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем, электроакустические преобразователи расположены на цилиндрической поверхности прутка и выполнены с возможностью создания в нем касательных напряжений.
Технический результат также достигается за счет того, что электроакустические преобразователи выполнены с возможностью возбуждения крутильной волны; электроакустические преобразователи расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру прутка; устройство снабжено механизмами поворота электроакустических преобразователей в плоскости, касательной к цилиндрической поверхности прутка.
Дополнительный технический результат, связанный с расширением функциональных возможностей разработанного устройства, достигается тем, что электроакустические преобразователи выполнены в виде пьезоэлектрических преобразователей.
Размещение электроакустических преобразователей на цилиндрической поверхности прутка в прутке касательных напряжений обеспечивает повышение чувствительности и достоверности контроля за счет отстройки от влияния способа обработки торца (после рубки, фрезерования, клеймения и др.) на качество акустического контакта. Выполнение электроакустических преобразователей с возможностью создания в прутке касательных напряжений и снабжение устройства механизмами поворота электроакустических преобразователей в плоскости, касательной к цилиндрической поверхности прутка, позволяет возбуждать стержневую волну, если касательные напряжения направлены вдоль образующей прутка и крутильную волну, если касательные напряжения направлены в азимутальном направлении вдоль огибающей прутка, что повышает чувствительность и достоверность контроля за счет реализации двух взаимодополняющих методик с использованием стержневых и крутильных волн. Стержневая волна обеспечивает выявление дефектов в любом сечении прутка, крутильная волна обеспечивает выявление поверхностных и приповерхностных дефектов прутка.
Выполнение электроакустических преобразователей с возможностью возбуждения крутильной волны повышает 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). Ввиду отсутствия дисперсии скорости крутильной волны возможно наблюдение серии многократных отражений по длине прутка, при этом имеет место увеличение чувствительности к компактным дефектам на многократных отражениях (Г.А. Буденков, Б.А. Буденков, О.В. Муравьева, Д.В. Злобин, Т.Н. Лебедева. Акустическая дефектоскопия прутков с использованием многократных отражений // Дефектоскопия. - 2004. - №8. - С. 52-58), а также существенное увеличение коэффициента затухания при наличии протяженных вдоль прутка дефектов.
Расположение электроакустических преобразователей на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру прутка обеспечивает повышение чувствительности и достоверности контроля за счет уменьшения влияния мешающих типов мод и повышения отношения «сигнал-шум» в зоне контроля.
Выполнение электроакустических преобразователей в виде пьезоэлектрических преобразователей расширяет функциональные возможности разработанного устройства за счет возможности проведения контроля неферромагнитных прутков.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема возбуждения и распространения акустических стержневых волн; на фиг. 3 - схема возбуждения и распространения акустических крутильных волн; на фиг. 4 - типичная осциллограмма для стержневой волны на первом отражении, полученная на прутке без дефекта; на фиг. 5 - то же, с дефектом; на фиг. 6 - типичная осциллограмма серии импульсов многократных отражений крутильной волны, полученная на прутке с локальным дефектом (эхо-импульсы в ограничении); на фиг. 7 - типичная осциллограмма для крутильной волны на восьмом отражении, полученная на прутке без дефекта; на фиг. 8 - то же, с дефектом; на фиг. 9 - типичная осциллограмма серии импульсов многократных отражений крутильной волны, полученная на прутке с локальным дефектом (эхо-импульсы вне ограничения); на фиг. 10 - микрошлиф дефекта «неметаллические включения», обнаруженного в прутке диаметром 44 мм, сталь 30ХМА; на фиг. 11 - фото дефекта «риска», обнаруженного в прутке диаметром 44 мм, сталь 30ХМА; на фиг. 12 - фото дефекта «задир», обнаруженного в прутке диаметром 44 мм, сталь 30ХМА.
Устройство акустического контроля прутков (фиг. 1) содержит блоки 1 электроакустических преобразователей 2 (фиг. 2-3), установленных у торцов прутка на цилиндрической поверхности прутка 3 на одинаковом расстоянии друг от друга по периметру прутка и создающих в нем касательные напряжения, механизмы поворота электроакустических преобразователей 4 в плоскости, касательной к цилиндрической поверхности прутка 3, блоки 5 генератора и предусилителя, блок 6 программируемого усилителя, коммутации и питания, персональный компьютер 7 с аналого-цифровым преобразователем 8.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. На цилиндрическую поверхность прутка 3 вблизи его торцов устанавливаются блоки 1 электроакустических преобразователей 2 (фиг. 1-3). Электрический импульс с генератора 5 подается на блок 1 электроакустических преобразователей 2, преобразующий электрический сигнал в акустическую волну. Многократно переотраженная от противоположных торцов прутка 3 акустическая волна принимается блоком 1 электроакустических преобразователей 2, преобразующим акустический сигнал в электрический. Предусилитель блока 5 обеспечивает предварительное усиление сигналов без ограничения и имеет фиксированный коэффициент усиления. Программируемый усилитель 6 осуществляет дальнейшее усиление сигналов, его коэффициент усиления автоматически выбирается так, чтобы измеряемый сигнал не входил в ограничение. Электрический сигнал с выхода программируемого усилителя 6 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 8 персонального компьютера 7. Коммутатор блока 6 поочередно включает в работу блоки обоих акустических каналов. Контроль прутка производится поочередно с двух торцов с целью устранения неконтролируемых (мертвых) зон со стороны блока 1 электроакустических преобразователей 2.
Механизм поворота электроакустических преобразователей 4 обеспечивает преимущественное направление касательных напряжений вдоль образующих прутка 3 или в азимутальном направлении. Ориентация электроакустических преобразователей 2, обеспечивающая передачу касательных напряжений вдоль образующих прутка 3, приводит к излучению (приему) в прутке 3 стержневой волны (фиг. 2, направления касательных напряжений и стержневой волны показаны стрелками). Ориентация электроакустических преобразователей 2, обеспечивающая передачу касательных напряжений в азимутальном направлении, приводит к излучению (приему) в прутке 3 крутильной волны (фиг.3, направления касательных напряжений и крутильной волны показаны стрелками).
Результатом измерений с использованием стержневой волны являются осциллограммы первого отражения, включающие зондирующий импульс 9, мертвую зону 10, первый эхо-импульс от торца прутка 11 и зону контроля 12 с определенным уровнем браковки 13 (фиг. 4, 5). Наличие в прутке дефектов приводит к отражению акустической стержневой волны от дефекта и к появлению на осциллограмме эхо-импульса от дефекта 14 (фиг. 5). В качестве информативного параметра используется коэффициент отражения от дефекта, определяемый отношением амплитуды эхо-сигнала от дефекта к амплитуде первого отраженного эхо-сигнала от торца прутка 11. Критерием браковки является превышение информативным параметром заранее заданного порогового уровня 13.
Результатом измерений с использованием крутильной волны являются осциллограммы серий импульсов многократных переотражений акустической крутильной волны по длине прутка (фиг. 6), включающие зондирующий импульс 9, многократно переотраженные эхо-импульсы от торцов прутка (в примере на фиг. 6 цифрами обозначены первый 11, второй 15 и восьмой 16 эхо-импульсы от торца прутка). Наличие в прутке дефектов приводит к отражению акустической крутильной волны от дефекта 14, наблюдаемое как на первом отражении, так и на многократных отражениях (фиг. 6). При этом наблюдается когерентное накопление сигналов и увеличение чувствительности на последующих отражениях. В качестве информативных параметров используются коэффициенты отражения от дефекта, определяемые отношением амплитуды эхо-сигнала от дефекта на анализируемом отражении (например, между седьмым 17 и восьмым 16 отраженным эхо-импульсом от торца прутка) к амплитуде первого отраженного эхо-сигнала от торца прутка 11 (фиг. 7, 8). При этом первая половина сигнала 18 между отраженными эхо-импульсами имеет симметричные импульсы относительно его центра и не анализируется. Критерием браковки является превышение любым из информативных параметров заранее заданных пороговых уровней 13 (фиг. 7, 8). Дополнительным информативным параметром при наличии протяженных дефектов является коэффициент затухания акустической крутильной волны, выводимый на экран в виде кривой затухания 19 и численного значения (фиг. 9).
Фиг. 10-12 иллюстрируют фото и шлифы дефектов, выявленных с использованием предлагаемого устройства. Так, на фиг. 10 изображен микрошлиф дефекта «неметаллические включения», обнаруженного в прутке диаметром 44 мм, сталь 30ХМА; на фиг. 11 приведено фото дефекта «риска», обнаруженного в прутке диаметром 44 мм, сталь 30ХМА; на фиг. 12 - фото дефекта «задир», обнаруженного в прутке диаметром 44 мм, сталь 30ХМА.