Повышение точности измерения скорости распространения ультразвука при контроле напряженно-деформированного состояния изделий

МЕТАТОБРАБОТК)!

УДК 620.1.08

Повышение точности измерения скорости распространения ультразвука при контроле напряженно-деформированного состояния изделий

В. А. Быченок, И. В. Беркутов, И. Е. Щерба

Одним из наиболее перспективных и универсальных методов неразрушающего контроля ответственных изделий является лазерно-ультразвуковой контроль, основанный на термооптическом возбуждении ультразвуковых колебаний. В качестве средства контроля, обеспечивающего измерение скорости распространения ультразвуковых волн, используется лазерно-ультразвуковой дефектоскоп УДЛ-2М с оптико-акустическим преобразователем ПЛУ-6Н-02. Несоосность поверхностей датчика и контролируемой поверхности, уровень усилия прижима датчика вносят существенный вклад в случайную составляющую погрешности измерений. В целях повышения точности измерений была разработана специальная оснастка для оптико-акустического преобразователя ПЛУ-6Н-02, которая позволила снизить случайную составляющую погрешности измерения скорости распространения ультразвуковой волны на 20 %.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, лазерно-ультразвуковой контроль, остаточные напряжения.

В процессе эксплуатации изделия подвергаются различным видам нагрузки — статической, динамической и циклической, которые могут привести к их разрушению. Опыт производства и эксплуатации изделий свидетельствует о том, что внутренние остаточные напряжения в изделиях оказывают значительное влияние на их прочность и надежность. Наличие остаточных напряжений (прежде всего растягивающих) и их взаимодействие с эксплуатационными напряжениями могут привести к ускоренному росту трещин в изделии, а в дальнейшем — к его разрушению. При контроле напряженно-деформированного состояния изделия необходимо учитывать как напряжения, возникающие в процессе технологических операций его изготовления, так и напряжения, связанные с последующим наложением соответствующих эксплуатационных нагрузок. Таким образом, контроль напряженно-деформированного состояния изделия на каждом этапе его жизненного цикла является крайне актуальным.

На сегодняшний день одним из наиболее эффективных и универсальных видов неразрушающего контроля и технической диагностики ответственных изделий является ультразвуковой [1]. По зависимости скорости распространения и затухания ультразвуковых волн от материала изделия определяют его прочностные характеристики. Измерение скорости распространения ультразвуковых волн в поликристаллических материалах позволяет судить о значении модуля упругости, а в монокристаллах — о константе упругой анизотропии [2]. На нелинейном акустическом эффекте — акустоупругости — основан метод ультразвукового контроля напряженно-деформированного состояния металлов. Однако широкому распространению данного метода препятствует, необходимость обеспечения высокой точности измерения скорости распространения ультразвуковых волн [3], которую нужно измерять локально, что требует применения современных научных и технических решений.

Одним из путей решения задачи обеспечения точности измерения скорости распростра-

электрофизические и электрохимические методы обработки

ЧЕТАППООЕ

нения ультразвуковых волн является применение лазерно-ультразвукового метода, который основан на термооптическом возбуждении ультразвуковых колебаний [4]. В качестве средства контроля, обеспечивающего измерение скорости распространения ультразвуковых волн, предлагается использовать лазерно-ультразву-ковой дефектоскоп УДЛ-2М с оптико-акустическим преобразователем ПЛУ-6Н-02 [5].

Ранее были получены устойчивые зависимости скорости распространения ультразвуковой волны от напряжений и температуры объекта контроля, которые могут применяться для контроля остаточных напряжений в материалах различных конструкций [5]. Было определено, что изменение нормального растягивающего напряжения на 15 МПа приводит к изменению измеряемой скорости распространения ультразвуковых волн на 1 м/с. При этом точность измерения скорости распространения ультразвуковых волн определяется значениями систематической и случайной погрешностей. Значение случайной погрешности измерений скорости распространения ультразвуковых волн предлагаемым методом во много зависит от стабильности акустического контакта оптико-акустического преобразователя с поверхностью объекта контроля. В свою очередь, стабильность этого контакта зависит от соосности поверхностей данного преобразователя и контролируемой поверхности, усилия прижима преобразователя, наличия иммерсионной жидкости и неподвижности оптико-акустического преобразователя во время проведения измерений.

В целях изучения влияния указанных факторов на точность измерений скорости распространения ультразвуковых волн и минимизации случайной составляющей погрешности измерений были проведены специальные исследования.

Было определено необходимое минимальное усилие прижима оптико-акустического преобразователя к поверхности контролируемого объекта и необходимого количества иммерсионной жидкости между источником и приемником преобразователя и контролируемым объектом. Критериальным условием обеспечения надежного акустического контакта преобразователя с поверхностью образцов являлась стабильность амплитуды (относительной

Рис. 1. Устройство для определения условий обеспечения надежного акустического контакта оптико-акустического преобразователя

амплитуды) и времени прихода сигнала в зависимости от усилия прижима преобразователя при фиксированном количестве иммерсионной жидкости.

Преобразователь размещался в устройстве, изображенном на рис. 1, которое обеспечивает ориентацию и прижим преобразователя к поверхности образца. Тарированное усилие прижима Ыпр преобразователя к поверхности исследуемого образца обеспечивалось пружиной заданной жесткости с = 2000 Н/м и определялось по ее удлинению А1.

Результаты измерений представляются в виде зависимости амплитуды сигналов от усилия прижима оптико-акустического преобразователя ПЛУ-6Н-02. Результаты отработки определения условий обеспечения надежного акустического контакта преобразователя с поверхностью контролируемого объекта приведены на рис. 2.

Анализ зависимостей амплитуды сигналов от усилия прижима преобразователя показал, что стабильность значений сигналов обеспечивается усилием прижима преобразователя к плоскому образцу не менее 30 Н.

В целях компенсации влияния указанных ранее факторов была разработана оснастка, конструкция которой обеспечивает требуемое усилие прижима преобразователя не менее 30 Н (пружина заданной жесткости) и неподвижность

Рис. 2. Регистрируемые сигналы: а — усилие прижима 3 Н; б — усилие прижима 10 Н; в — усилие прижима 30 Н; г — усилие прижима 40 Н

оптико-акустического преобразователя во время измерений (магнитные опоры), а также парирование несоосности поверхностей излучателя и приемника преобразователя с поверхностью ОК (за счет сферического внутреннего корпуса, имеющего возможность поворачиваться в цилиндре со сферической внутренней поверхностью). Визуализация модели конструкции оснастки и ее внешний вид приведены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Специальная оснастка

Рис. 4. Визуализация модели конструкции специальной оснастки

WflllOOK

Для анализа результативности применения данной оснастки были проведены экспериментальные исследования по оценке случайной составляющей погрешности измерения скорости распространения ультразвуковой волны в образцах с помощью лазерно-ультразвуково-го дефектоскопа УДЛ-2М с оптико-акустическим преобразователем ПЛУ-6Н-02 при использовании оснастки и без нее. Результаты измерений приведены в табл. 1.

Измерения проводили в лабораторных условиях при температуре окружающей среды Т = = 21 °С, которая в процессе измерений была постоянной.

Далее была проведена статическая обработка результатов измерения.

Среднее значение скорости распространения ультразвуковой волны рассчитывали по формуле

N

v =

¿=1 N

где и — измеренное значение скорости распространения УЗВ, м/с; N — количество измерений, N = 10.

Среднеквадратическое отклонение

Sv =

N

ЪЬ - v )2

¿=1

Таблица 1

Результаты измерений скорости распространения ультразвуковой волны, м/с

Без оснастки С оснасткой

6296,18 6294,53

6296,23 6294,78

6296,35 6294,99

6296,15 6296,08

6295,34 6296,01

6296,12 6296,02

6295,68 6294,65

6295,54 6295,78

6294,69 6295,10

6293,45 6295,42

Таблица 2

Результаты статистической обработки

Условие проведения эксперимента v, м/с Sv, м/с Dv, м/с

Без оснастки 6295,57 0,77 1,77

С оснасткой 6295,34 0,62 1,43

N

Случайная составляющая погрешности

Dv = tp,NSv,

где — коэффициент Стьюдента. При доверительной вероятности р = 0,95 и количестве измерений N = 10= 2,3.

Результаты статистической обработки приведены в табл. 2.

Анализ статистической обработки результатов измерения показал, что разработанная оснастка, обеспечивающая требуемое усилие прижима преобразователя, неподвижность оптико-акустического преобразователя при проведении измерений и парирование несоосности поверхностей излучателя и приемника преобразователя с поверхностью ОК, позволи-

ла уменьшить случайную составляющую погрешности измерения скорости распространения ультразвуковой волны на 20 %.

Литература

1. Неразрушающий контроль: справ. в 8 т. / Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 3: И. Н. Ермолов, Ю. В. Лан-ге. Ультразвуковой контроль. 2-е изд., испр. М.: Машиностроение, 2006. 864 с.

2. Бобренко В. М., Вангели М. С, Куценко А. Н. Акустическая тензометрия. Кишинев: Штиинца, 1991. С. 21.

3. A comparison of neutron and ultrasonic determinations of residual stress / T. Gnaupel-Herold, H. J. Prask, A. V. Clark [et al.] // Meas. Sci. Technol., 2000. N 11. P. 436-444.

4. Измерение распределения скорости продольных акустических волн в сварных соединениях лазерным оптико-акустическим методом / А. Ю. Ивочкин, А. А. Ка-рабутов, М. Л. Лямшев [и др.] // Акуст. журн. 2007. Т. 53, № 4. С. 1-8.

5. Применение лазерно-ультразвукового генератора для определения напряженно-деформированного состояния специальных материалов изделий / В. А. Быченок, И. Ю. Кинжагулов, И. В. Беркутов [и др.] // Науч.-техн. вестн. информ. технологий, механики и оптики. 2013. № 5 (87).

v