УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ

Полезная модель относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использована для выявления дефектов типа нарушения сплошности и неоднородности металла изделия, отклонений по диаметру и структуре металла сортового пруткового проката, поковок цилиндрической формы и цилиндрических изделий.
Известны устройства и способы ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии заготовок (поковок) цилиндрической формы (ГОСТ 24507-80) и прутков (ГОСТ 21120), основанные на использовании эхо-импульсного метода контроля с использованием продольных, поперечных и рэлеевских волн, реализуемых с помощью универсальных УЗ дефектоскопов и совмещенных 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 сканирования по трем направлениям (поковки), либо использования поступательно-вращательного движения объекта (прутки);
- 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 пьезопреобразователей;
- невозможность выявления отклонения по структуре и геометрии прутка;
- невозможность выявления дефектов с размерами менее половины длины волны из-за ее расхождения, что ограничивает чувствительность при отражении от дефектов и не позволяет получить серию многократных отражений.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому техническому решению является устройство, реализующее эхо-импульсный метод контроля цилиндрических изделий с использованием бесконтактных электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей (патент РФ №2146363 - прототип). Устройство для ультразвуковой дефектоскопии цилиндрических изделий содержит систему подмагничивания, совмещенный ЭМА преобразователь, соединенный с ультразвуковым дефектоскопом, приемный ЭМА преобразователь, соединенный с усилителем, соединенный с дефектоскопом и усилителем блок измерения информативных параметров, схему обработки, соединенную с дефектоскопом, а также блок принятия решения, соединенный со схемой обработки и блоком измерения.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- возможность пропуска дефектов в процессе сканирования объекта вследствие неполного прозвучивания сечения прутка (вследствие наличия непрозвучиваемых областей, не охваченных ультразвуковой волной), как следствие, недостаточная воспроизводимость и достоверность результатов контроля;
- наличие мертвой зоны;
- сложность выявления дефектов произвольной ориентации;
- невозможность контроля объектов малых диаметров (от 80 мм и менее) в связи с невозможностью миниатюризации ЭМА преобразователей;
- невозможность выявления отклонения по структуре и геометрии прутка;
- невозможность выявления дефектов с размерами менее половины длины волны из-за ее расхождения, что ограничивает чувствительность при отражении от дефектов и не позволяет получить серию многократных отражений.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение качества продукции за счет расширения возможностей контроля в виде методик дефектоскопии, толщинометрии и структуроскопии объекта, повышения чувствительности, надежности и достоверности контроля, расширения номенклатуры диаметров контролируемых объектов в сторону меньших диаметров.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве ультразвукового контроля цилиндрических изделий, содержащем систему подмагничивания, совмещенный электромагнитно-акустический преобразователь с индуктивным контуром, соединенным с генератором зондирующих импульсов, усилитель, соединенный с регистратором, и схему обработки сигналов, согласно предлагаемой полезной модели, система подмагничивания выполнена в виде кольцевого намагничивающего элемента на основе постоянных магнитов или электромагнитов, индуктивный контур преобразователя - в виде проходной цилиндрической катушки индуктивности, расположенной внутри намагничивающего элемента, а схема обработки сигналов соединена с регистратором и выполнена в виде измерителя огибающей амплитуд многократных переотражений по диаметру изделия и/или измерителя времени прихода многократных переотражений по диаметру изделия, кратных 4n, где n - номер отражения.
Выполнение системы подмагничивания в виде кольцевого намагничивающего элемента на основе постоянных магнитов или электромагнитов, а индуктивного контура преобразователя - в виде проходной цилиндрической катушки индуктивности, расположенной внутри намагничивающего элемента, обеспечивает расширение номенклатуры диаметров контролируемых объектов в сторону меньших диаметров за счет возможности миниатюризации ЭМА преобразователя; дает возможность получения серии многократных отражений за счет отсутствия потерь вследствие расхождения и излучения (приема) УЗ волн со всего периметра объекта одновременно, что позволяет повысить чувствительность метода к дефектам малых размеров и произвольной ориентации, а также к отклонениям по структуре и геометрии объекта; обеспечивает повышение надежности и достоверности результатов контроля за счет 100% прозвучивания каждого сечения объекта во всех направлениях по сечению в пределах области сканирования и, следовательно, невозможности пропуска дефектов.
Выполнение схемы обработки сигналов в виде измерителя огибающей амплитуд многократных переотражений и/или измерителя времени прихода многократных переотражений по диаметру объекта, кратных 4n, где n - номер отражения, позволяет повысить чувствительность метода к дефектам, реализовать методики дефектоскопии, толщинометрии и структуроскопии объекта за счет использования новых информативных параметров - ослабление амплитуд серии многократных отражений при дефектоскопии; время прихода многократных переотражений по диаметру объекта, обеспечивающее возможность выявления отклонений по диаметру с погрешностью 0,01%, оценку структуры, упругих модулей и анизотропии металла прутков.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема устройства; на фиг.2 - устройство ЭМА преобразователя; на фиг.3 - схема распространения ультразвуковых волн по сечению изделия; на фиг.4 - осциллограмма, полученная на цилиндрическом прутке в бездефектной области; на фиг.5 - осциллограмма, полученная на цилиндрическом прутке для области с дефектом; на фиг.6 - микрошлиф дефекта «неметаллическое включение», соответствующий осциллограмме фиг.5.
Устройство ультразвукового контроля цилиндрических изделий (фиг.1) содержит совмещенный ЭМА преобразователь 1, генератор 2 зондирующих импульсов, усилитель 3, регистратор 4 сигналов, схему 5 обработки сигналов, включающую измеритель 6 огибающей амплитуд многократных переотражений по диаметру объекта и измеритель 7 времени прихода многократных переотражений по диаметру объекта (цилиндрического изделия 8).
ЭМА преобразователь (фиг.2) содержит систему подмагничивания в виде кольцевого намагничивающего элемента на основе постоянных магнитов или электромагнитов (например, двух источников 9 магнитного поля и расположенного между ними магнитопровода 10) и проходную катушку 11 индуктивности, установленную внутри намагничивающего элемента и охватывающую по периметру цилиндрическое изделие 8. Источники 9 магнитного поля могут быть выполнены в виде кольцевых постоянных магнитов с осевой намагниченностью либо в виде соосных электрических катушек, соединенных с источником питания постоянного тока (на фигуре не показан).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При взаимном перемещении совмещенного ЭМА преобразователя 1 (фиг.1) и изделия 8 (на фиг.1 стрелкой показано перемещение изделия со скоростью V относительно неподвижного преобразователя) электрический импульс с генератора 2 зондирующих импульсов подается на преобразователь (катушку индуктивности 11, фиг.2), излучающий поперечную или продольную акустическую волну. Преимущественное излучение продольной или поперечной волны обеспечивается за счет ориентации поля подмагничивания по отношению к направлению вихревых токов за счет электродинамического механизма. В частности, ориентация поля подмагничивания в осевом направлении приповерхностной области цилиндрического изделия 8 (при согласном направлении магнитных полей источников 9 магнитного поля через магнитопровод 10, фиг.2) обеспечивает распространение продольных волн радиальных направлений в каждой точке периметра объекта с фокусировкой по центру последнего, как показано на фиг.3. Ориентация поля подмагничивания в радиальных направлениях в приповерхностной области изделия (при встречном направлении магнитных полей источников 9, фиг.2) обеспечивает распространение поперечных волн с осевой поляризацией в радиальных направлениях в каждой точке периметра объекта с фокусировкой по центру последнего.
В соответствии со схемой распространения ультразвуковых волн 12 по сечению изделия 8 (фиг.3) многократно переотраженная от противоположных поверхностей изделия ультразвуковая волна регистрируются тем же ЭМА преобразователем 1 (фиг.1). Электрические импульсы с выхода преобразователя поступают на усилитель 3 и далее на регистратор 4 (например, на плату аналого-цифрового преобразователя персонального компьютера) и схему 5 обработки сигналов, включающую измеритель 6 огибающей амплитуд многократных переотражений по диаметру объекта и измеритель 7 времени прихода многократных переотражений по диаметру объекта.
Результатом измерений являются осциллограммы серий импульсов многократных переотражений акустической волны по диаметру цилиндрического изделия (фигуры 4 и 5). Каждый импульс на осциллограмме формируется в результате суперпозиции волн, излученных каждой точкой периметра и принятых радиально противоположной точкой и далее многократно переотраженных. Положение n-го импульса на оси времени соответствует расстоянию, пройденному волной n раз по диаметру изделия.
Благодаря отсутствию потерь на границе преобразователь - объект контроля за счет использования бесконтактного ЭМА преобразователя и меньшему расхождению волны вследствие формирования цилиндрического фронта обеспечивается возможность получения серий многократных отражений в изделии, что позволяет существенно повысить чувствительность контроля. При отсутствии в цилиндрическом изделии дефектов амплитуда импульсов многократных переотражений плавно уменьшается по огибающей вследствие расхождения по закону цилиндрической волны и затухания за счет поглощения и рассеяния (фиг.4). Наличие в цилиндрическом изделии дефектов, приводит к дополнительному резкому ослаблению волны (фиг.5) вследствие отражения и трансформации поперечной волны на внутренних дефектах (например, неметаллических включениях, фиг.6), уменьшения эффективности ЭМА преобразования на поверхностных дефектах. Дефекты, вызванные отклонением сечения цилиндрического изделия от круглого профиля, также приводят к нарушению в формировании серии многократных отражений. Разница в ослаблении сигналов используется для установления критериев браковки. Ослабление оценивается по уменьшению амплитуд импульсов с номерами кратными 4 ввиду периодичности, обусловленной фазовым сдвигом на φ=π/4 при каждом отражении по диаметру.
Измеритель времени прихода многократных переотражений по диаметру объекта, реализуемый с помощью специализированного программного обеспечения, позволяет с высокой точностью (0,01%) определить скорость распространения волны или диаметр объекта и выявить дефекты типа отклонения по структуре металла или по диаметру объекта. Выявление дефектов по длине изделия осуществляется сканированием с обеспечением взаимного перемещения преобразователя и изделия в направлении оси последнего.
Среди дефектов круглого проката, обнаруженных с использованием предлагаемого устройства: «оксиды точечные», «силикаты недеформирующиеся», «сульфиды», «силикаты хрупкие» «оксиды строчечные» (по ГОСТ 1778); дефекты поверхности («вмятины», «слиточные плены», «закаты», «раскатанные пузыри», «раскатанные трещины», «раскатанные загрязнения», «прокатные плены», «перегрев поверхности», «обезуглероженный слой», «торцевые трещины» по ГОСТ 21014). Глубина и раскрытие обнаруженных дефектов составляют десятые доли от длины акустической волны при использовании предлагаемого устройства в отличие от традиционного эхо-метода ультразвукового контроля, позволяющего выявить дефекты, соизмеримые с длиной волны.
Предлагаемое устройство может быть использовано при оценке несоответствия структурного состояния техническим требованиям (мартенсит, троостит, сорбит, обезуглероженный слой с крупнозернистым ферритом) и внутренних напряжений, полученных с помощью разных режимов термической обработки в разных сечениях прутка за счет измерения скорости распространения продольных и поперечных волн.
Таким образом, предлагаемое устройство ультразвукового контроля цилиндрических изделий обеспечивает:
- высокую реальную чувствительность к внутренним и поверхностным дефектам произвольной ориентации;
- возможность расширения номенклатуры диаметров контролируемых объектов в сторону меньших диаметров;
- высокую достоверность и воспроизводимость результатов контроля и достаточно высокую производительность контроля за счет отстройки от качества акустического контакта и использования только продольного (вдоль оси контролируемого изделия) сканирования;
- возможность выявления отклонений по структуре и геометрии прутка.